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项目名称:冶金炉窑强化供热关键技术及应用

一、 项目基本情况 项目名称:冶金炉窑强化供热关键技术及应用 提名者:中国有色金属工业协会 提名意见:拟提名国家科学技术进步奖二等奖 完成单位:昆明理工大学,中国铜业有限公司,北京赛维美高科技有限公司,金川集团 股份有限公司,宝山钢铁股份有限公司 完成人:王华,王冲,刘日新,刘玉强,饶文涛,施哲,孔德颂,王仕博,杨伟,黄夏 兰

二、项目简介 冶金炉窑种类多, 其中熔池熔炼炉和加热炉最为典型.

强化供热是决定冶金炉窑节能增 效的关键,以加大富氧/燃料供应量的现有方法存在以下主要问题:

1、加大熔池熔炼炉富氧 供应量导致搅拌过度喷溅冲刷影响炉体寿命、 搅拌不均匀富氧利用率低和金属直收率低;

2、 加大加热炉燃料供应量导致炉温过高且不均匀、 金属工件过热过烧及产品成材率低. 针对此 难题,进行了长达

26 年的持续科技攻关,取得了如下创新成果:

1、建立了冶金炉窑最低燃耗强化供热理论模型.针对传统的强化供热是用增大热负荷 的方式来实现因而导致能耗高等问题, 基于混沌数学提出了旋流混沌强化方法, 建立了冶金 炉窑最低燃耗强化供热数学模型, 并用于指导技术研发, 以实现用最小的搅拌动能达到充分 搅拌熔池减小喷溅,促进氧-硫的放热反应和自热熔炼或用最低的燃料消耗达到均匀加热、 提高质量.

2、研发了熔池熔炼炉富氧旋流混沌搅拌强化供热技术.针对熔体喷溅导致设备寿命短 的难题,提出了旋流混沌搅拌方法,开发了富氧浸没式顶吹旋流混沌搅拌强化供热技术、炉 膛底部富氧旋流脉动振荡混沌搅拌强化供热技术、 富氧侧吹射流泉涌混沌搅拌强化供热技术 和富氧旋流混沌搅拌效果测控技术.产业化表明:用最小的搅拌动能促进了氧-硫的放热反 应,达到了均匀搅拌熔池、减小喷溅的目的;

喷枪寿命由 4~6 天提高至 12~15 天,提高了 170.0%,炉体寿命由

28 个月延长至平均

35 个月,提高了 25.0%,最长炉寿达

50 个月.渣 中金属含量由 0.767%降至 0.572%,降低了 25.42%,金属直收率由 93.46%提高至 94.10%提 高了 0.68%,能耗由 176.0kgce/tCu 下降至 130.1kgce/tCu,下降了 26.1%.

3、研发了加热炉旋流混沌燃烧强化供热技术.针对金属工件加热均匀性难以精准化的 难题,提出了旋流混沌燃烧与高温炉气涡旋流态耦合的强化加热方法,开发了智能 黑匣子 温度检测技术及设备、 最佳加热制度精准调控技术和混沌旋流燃烧与高温炉气涡旋流态强化 加热技术.产业化表明:实现了用最小的燃料消耗均匀加热,达到金属工件的实际加热温度 曲线与理论值的精确匹配, 保证了加热质量. 铝轮毂热处理温度可精确到 1~3℃, 能耗下降 了15.2%.400*2300*4800mm 宽厚钢板的加热温度均匀度可达 8~10℃以内;

应用于航空航 天、高铁等领域的 23*2200*13000mm 大尺寸高性能铝板的加热均匀度控制到 3℃以内、成 材率突破了 99.8%. 该项目分别应用于中铜、金川、宝钢,以及炉窑制造、车轮和高铁轴承制造、有色型材 热处理等企业, 近三年累计实现新增销售额超过

600 亿元, 经济效益及节能减排等社会效益 显著.部分技术已出口美、德、日、俄罗斯等

21 个国家. 该项目获授权专利

23 项 (发明专利

13 项) , 计算机软件著作权登记

2 项, 发表论文

157 篇,出版专著

1 部,已培养硕士博士生

46 人及一批企业专业技术人员.推动了我国冶金炉 窑行业的科技进步.

三、客观评价 (1)科技成果评价

2017 年9月22 日,中国有色金属工业协会对该项目成果进行了会议评价,形成如下评价 结论: 构建了冶金炉窑最低燃耗强化供热理论及热过程强化数学模型;

开发出熔池熔炼炉富氧 旋流混沌强化搅拌技术,提高了富氧利用率,促进了自热反应,实现节能并显著延长炉寿, 提高了金属回收率;

自主研发了加热炉均匀强化加热技术,实现加热炉的均匀强化供热,提 高产能,降低了燃料消耗和氧化烧损,提高了大型金属型材的加热温度均匀性,保证了产品 质量. 该项目研发的工艺技术和装备已应用于中铜、金川、宝钢等冶金企业,生产表明该技术 具有良好的重现性和稳定性, 部分成果还应用于轮毂制造、 合金铝材加处理等有色金属材料 热加工企业, 温度检测仪已实现广泛应用, 对促进冶金行业节能减排和科技进步具有重要意 义. 该成果技术经济指标先进,整体技术达到国际领先水平. (2)科技查新 国家一级科技查新咨询单位-云南省科学技术情报研究院针对本成果所做的国内外科技 查新报告中与本项目内容相关的查新结论:

1、首次提出了冶金炉窑最低燃耗供热法则;

2、研发了熔池熔炼炉富氧旋流混沌搅拌强 化供热技术体系;

3、提出了基于混沌数学和拓扑学计算多相体系混合效果的方法,从而构 建了富氧旋流混沌搅拌混合效果测控技术;

4、研发了加热炉旋流混沌燃烧及强化供热制度 调控技术体系以及火焰旋流混沌燃烧效果测控技术. 除委托课题组成员发表的文献外, 国内外均未见与该查新项目以上技术特点完全相符的 文献报道. (3)论文评价

1、 Xu J, Wang H, Fang H. Multiphase mixing quantification by computational homology and imaging analysis [J]. Applied Mathematical Modelling, 2011, 35(35):2160-2171. Ferretti G, Montanari G, Solari F, et al. Advanced Design of Industrial Mixers for Fluid Foods Using Computational Fluid Dynamics[J]. International Journal of Food Engineering, 2013, 9(3):309-325. 引用原话:This is, for instance, the case of multiphase fluids, where mixing should ensure homogeneity of solid and liquid contents, at the same time keeping the solid fraction as constant as possible . 例如:在多相流体的情况下,混合应当确保固相与液相成分的均匀,同时要尽量 保证固相分数恒定

2、 Fan G F, Shan Q, Wang H, et al. Support Vector Regression Model Based on Empirical Mode Decomposition and Auto Regression for Electric Load Forecasting[J]. Energies, 2013, 6(4):1887-1901. Lee C W, Lin B Y. Application of Hybrid Quantum Tabu Search with Support Vector Regression (SVR) for Load Forecasting[J]. Energies, 2016, 9(11). 引 用原 话: Hong et al. [44-56] developed various SVR-based load forecasting models by hybridizing evolutionary algorithms, chaotic mapping functions and cloud theory with an SVR model, to effectively determine its three parameters to improve the forecasting accuracy. 通过混合进化算法、混沌映射函数以及云理论与 SVR 模型发展了多种基于 SVR 模型的负 荷预测模型,这些模型可以有效地确定三个参数来提高预测精度. 目前共有新加坡南洋理工大学教授、IEEE 会士 Suganthan P N 等12 篇国际期刊作者对 该论文关于混沌映射函数负荷预测模型提高预测精度及其应用做出了较高评价. (4)获奖情况 冶金炉窑强化供热关键技术及应用 获2018 年度云南省科技进步特等奖;

加热炉均 匀精准加热关键技术及应用 获2017 年度中国有色金属工业科技进步一等奖;

有色金属熔 池熔炼过程强化与搅拌效果评价关键技术及应用 获2015 年度中国有色金属工业科技发明 一等奖.

四、应用情况 该技术自

2012 年起先后在中国铜业、金川公司的熔池熔炼炉上应用至今,显著提高 了熔炼炉冶炼强度和金属直收率;

自2010 年起先后在

113 家铝合金轮毂热处理企业的加热 炉上应用至今,显著减少了金属工件的加热缺陷、提高了加热质量和成材率.还应用于宝 山钢铁股份公司的工信部智能制造首批试点项目

1580 热轧智能车间 示范生产线年产

300 万吨的加热炉,大型宽厚板加热温度均匀性可精确到 10℃以内,达到国际领先,该技术填 补了国内空白. 在铝合金轮毂热处理及车轮涂装领域应用

113 家,行业企业覆盖率超过 50%. 部分技术及设备还推广应用于宝钢等钢铁企业,范围覆盖国内超过 45%的大中型钢铁 企业,尤其是应用于我国高铁用轴承生产,使得轴承产品精度达 P5 级、使用寿命达二百 万公里,从而结束了我国高铁用轴承依赖进口的历史. 已成功出口德........