低碳炼铁 逐绿前行——记东北大学“2011钢铁共性技术协同创新中心”低碳炼铁团队

  我国是世界第一产钢大国，但受能源资源禀赋影响，我国钢铁生产能源结构高碳化，以依赖煤基化石能源的高炉—转炉长流程为主。钢铁行业是实现碳达峰、碳中和目标的重点领域和责任主体，亟待应用低碳、零碳技术助力钢铁绿色化转型升级。

  高炉炼铁是钢铁生产过程最大的碳排放源，碳排放量占钢铁全流程70%以上，因此钢铁产业碳中和重点在于炼铁工序。现阶段，我国仍以高炉炼铁为主，新一代低碳高炉、数字化智能化炼铁、低碳炼铁炉料等新技术是推动炼铁工序向低碳高质量发展转型的重要途径；未来，主要依托氢冶金、碳捕集利用和绿色铁源废钢高效循环实现碳快速减排。同时，低碳炼铁将基于工业互联网的全流程数字化、规模化绿氢制备、产品高质化和工艺绿色化等技术贯穿全程，实现钢铁碳中和这一伟大目标。

  王国栋院士（左二）和储满生教授（左四）团队在抚顺新钢铁有限公司指导现场生产

  基于对国家深沉的使命感和行业强烈的责任心，钢铁共性技术协同中心主任王国栋院士以战略科学家的担当，对低碳钢铁技术研发进行了精准前瞻和深度布局。低碳炼铁团队在王院士的带领和指导下，将努力的方向聚焦在氢冶金、低碳高炉、数字化炼铁等低碳关键共性技术上，几十年如一日，深耕在前沿基础研究与关键技术开发工作中。

  与时间赛跑，为国家分忧，国家的战略急需就是科研工作者的努力方向。面向钢铁行业“双碳”战略需求，针对行业关键共性技术“卡脖子”难题，储满生教授带领团队践行初心使命、展现担当作为，经过二十余年的科研攻关，终于在低碳炼铁新技术方面取得了突破性进展。

  由“高炉炼铁”向“绿色炼铁”迭代升级，从传统“碳冶金”向新型“氢冶金”华丽转身。在建设人与自然和谐共生的现代化崭新实践中，以储满生教授为学术带头人的钢铁共性技术协同创新中心低碳炼铁团队，把绿色低碳作为团队最重要的价值创造源泉，以践行“双碳”战略为牵引，充分发挥“绿色制造”和“制造绿色”双重效能，打造更加丰富多元的低碳炼铁应用场景，推动炼铁行业释放更具引领性、更强竞争力的“绿动能”，引领带动钢铁行业迈入“以氢代煤”绿色冶炼的时代。

  团队全面贯彻党的教育方针，把立德树人作为团队根本任务，始终坚守为党育人、为国育才的初心使命，为行业培养和输送了大批转型发展亟需的高素质、复合型人才。

  团队面向国家战略和行业发展重大需求，开展绿色低碳冶金前沿基础研究与关键技术开发工作，取得了一批具有国际影响力的原创性科研成果，为钢铁行业转型升级、高质量发展提供了坚实的技术和人才支撑。

  立德树人，为党育人，为国育才

  育才造士，为国之本。团队坚持始终把人才培养放在首要位置，把立德树人工作渗透到教育教学和科学研究的每一个环节，努力培养具有正确价值观和远大理想、理论基础厚实、工程实践能力强的冶金工程专业复合型人才。

  “研究生的培养要切实以自己的智慧、见解、格局和远见，真正站在学生成长和学科发展的角度，对学生做出指导。一个好的研究生导师，一定是着眼于学生的发展和未来，着眼于真正培养能够对国家有贡献和实现个人价值的人才；着眼于培养对科学发展有贡献的人才。只有这样，导师才是真正负责的导师，学生也才能真正从读研的经历中终身受益。”储满生教授说。

  近年来，在团队带头人储满生教授的带领下，团队成员坚持以“四有”好老师、“四个引路人”、“四个相统一”等新时代好老师标准严格要求自己，向着塑造学生品格、品行、品位的“大先生”的目标不断进发。团队成员承担了冶金学、低碳冶金、冶金前沿等多门专业课程的教学工作，并不断对课程内容和教学方法进行改革和创新，教学效果好，深受师生好评。

  储满生在实验室指导研究生

  团队导师坚持言传与身教相统一，坚持研究课题与行业重大技术需求相结合，让博士、硕士生在重大项目中锻炼成长。目前，团队已培养博士研究生27名、硕士研究生50余名，多篇研究生论文获得东北大学优秀毕业论文，多名毕业生获辽宁省优秀毕业生、沈阳市优秀研究生、东北大学十佳研究生、东北大学优秀毕业生干部、东北大学励志先进个人、东北大学优秀研究生干部等荣誉称号。

  团队潜心钻研多年，躬耕在低碳炼铁领域，取得了丰硕的成果。团队负责人储满生教授入选国家级科技创新领军人才、辽宁省“兴辽英才计划”科技创新领军人才、辽宁省“百千万人才工程”百人层次、教育部“新世纪优秀人才支持计划”、中国金属学会冶金先进青年科技工作者、辽宁省“五一劳动奖章”等荣誉称号，团队获批成立“辽宁省劳模创新工作室”。另外，储满生教授还担任全国高校首家低碳钢铁前沿技术研究院院长、低碳钢铁前沿技术教育部工程研究中心主任、辽宁省低碳钢铁前沿技术工程研究中心主任，中国金属学会冶金反应工程学会副秘书长、中国钢铁工业协会低碳工作组组长、中国金属学会冶金固废资源利用分会委员、全国钢标委氢冶金标准联合工作组委员等兼职，积极活跃在国内低碳钢铁学术界。“这些荣誉的获得，代表着业内对团队过去工作的认可，也是未来的动力和方向，领头人的任务将更重”。

  经过多年积累，团队建立了高效的人才培养机制，注重因材施教，用心指导，在岗位中锻炼人才，让年轻人勇挑重担，激励人才快速成长，让青年教师在工作中得到学习与锻炼，尽快提高业务水平。团队现有专任教师5名，全职博士后1名，所有成员凝心聚力、追求卓越、勇攀新高。

  团队的年轻力量成长稳健。青年教师唐珏、柳政根、李峰和田宏宇在低碳炼铁相关项目中发挥特长和优势，在储满生教授的指导下，在低碳智能化领域深入攻关，已经在炼铁新炉料、低碳高炉、氢基竖炉短流程、智能化炼铁等方面取得了创新突破。

  “储满生教授立高见远、学识渊博，总能高瞻远瞩、一针见血地指出科研问题的关键，使青年教师们的思维更加清晰，逻辑更加严谨。同时，储满生教授专心、专注、专业做科研的态度、言传身教的职业操守，也不断感染和鞭策着青年教师在科研的道路上不断前行，像一盏启明灯给我们指明方向，让我们不畏黎明前的黑暗。”谈及低碳炼铁技术攻关过程，团队青年教师表示。

  创新驱动，实干争先，以关键技术领跑钢铁绿色低碳新赛道

  钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是衡量一个国家经济社会发展水平和综合实力的重要标志。目前，我国钢铁冶炼主要依赖煤基化石能源，产生了大量CO2，其排放量占我国碳排放总量的15.7%左右，是我国碳中和重点领域。

  其中，炼铁系统能耗、CO2排放分别占整个钢铁生产流程的83.3%、73.1%以上，已成为钢铁工业碳中和的关键。研发和应用低碳炼铁工艺与装备技术是炼铁产业发展的迫切要求。

  东北大学低碳钢铁前沿技术研究院成立

  以高炉—转炉长流程为主的钢铁生产工艺，约占我国的90%。高炉炼铁严重依赖煤和焦炭，碳排放量高，常规炼铁技术降碳潜力已接近极限，但其化学能利用率仅60%左右，亟待研发新一代低碳高炉。

  高炉炼铁生产过程复杂，全流程“黑箱”，存在严重的不确定性；工序之间数据协调性差，数据利用水平低；操作制度依赖专家经验，优化手段不够全面。因此，亟需构建多重驱动的炼铁信息物理系统，实现智能化转型升级，赋能智能化降碳。

  高炉—转炉长流程碳排放高，产品纯净度无法满足高端装备制造需求，而发展氢冶金短流程是优化钢铁工艺流程、能源结构和产品结构的有效途径。目前瑞典、德国、日本等已系统制定氢冶金规划，并开展工业化试验，但目前氢冶金的理论和技术体系尚待完善，具有我国自主知识产权的核心装备尚未进行中试，基于氢冶金的钒钛矿等战略资源高效利用技术尚未明晰和得到中试。

  针对炼铁低碳智能化转型升级的国家重大需求，储满生教授团队在炼铁领域深入研究和工程化应用的多年积累，为勇挑时代重担、破解行业难题打下了良好的基础。

  在回首此间心路历程时，储满生不禁感慨颇多：“在低碳炼铁的漫长科研道路上，从刚开始的信心十足，踌躇满志，到遇见困难时的耕耘求知，愈挫愈勇，再到解决问题时的重拾信心，豁然开朗，不知经历了多少个日日夜夜。”

  “总觉得科研问题一直在前面牵着我们，让我们不得不去面对且最终战胜它，也正是这种勇于面对的精神和不断求知的思想碰撞，帮助我们团队实现了低碳炼铁领域一个又一个科研成果的重大突破。”团队老师唐珏回忆道。

  瞄准我国钢铁低碳发展前沿，团队聚焦氢冶金、低碳高炉、数字化炼铁等低碳关键共性技术，经过多年的潜心攻关，形成了完整的低碳智能化炼铁工艺理论与技术体系，研究成果在企业得到广泛应用。

  ——在新一代低碳高炉前沿技术上取得突破。为满足钢铁工业绿色低碳可持续发展的要求，未来高炉炼铁工艺必将在高效低耗、节能减排、清洁环保等方面取得显著突破。

  团队优化高炉炼铁工艺，提高高炉炼铁生命力和竞争力。研发了熔剂性球团和复合铁焦等低碳高炉炉料，将富氢介质喷吹（焦炉煤气、天然气、氢气等）、炉顶煤气循环、高富氧冶炼等操作高效匹配和耦合集成，形成了富氢喷吹、全氧冶炼、顶煤气循环等新一代低碳高炉技术与理论，获得炼铁降碳30%以上的技术途径。

  成果广泛应用于国内钢铁企业，为抚顺新钢铁有限公司、中国宝武钢铁集团有限公司、上海梅山钢铁股份有限公司、攀钢集团有限公司、山东钢铁集团有限公司、河钢集团有限公司等提供了明晰的高炉炼铁降碳工艺途径。新一代低碳高炉炼铁技术可实现化学能利用率提升至93.6%，吨铁二氧化碳减排32.5%，该技术研发与应用有助于探索现阶段高炉主流程的极致能效，从而促进国内钢铁企业实现碳中和过程中稳步前进。同时，与黑龙江建龙钢铁有限公司、承德建龙特殊钢有限公司、承德钢铁集团有限公司、四川德胜集团钒钛有限公司、攀钢集团有限公司等钢企合作，研发钒钛磁铁矿高炉高效低碳冶炼技术，推广应用效果显著。

  ——自主研发数字化炼铁技术。针对高炉冶炼过程复杂，高炉数据难表征、状态难描述、操作难调控等传统难题，将大数据、人工智能与冶炼机理、经验知识相结合，建立高效率、低成本、高保真的高炉冶炼先进数字孪生模型，形成炉况智能预测评价与操作自主优化决策的良好互动，研发机理、数据、知识多维驱动的国内首个铁前-高炉信息物理系统，实现多维信息融合的铁区一体化智能化炼铁，建立以高炉为中心的铁区一体化智能化闭环赋能体系。

  该成果广泛应用于抚顺新钢铁有限公司、中国宝武钢铁集团有限公司、太原钢铁集团有限公司、河钢集团有限公司、昆明钢铁控股有限公司、本钢集团有限公司等钢铁企业，关键指标在线预测命中率高于90%，炉温稳定率提升30%，高炉赋能降碳3%-6%。应用期间，抚顺新钢铁有限公司高炉年创效益8000余万元，并牵头申报获批国家重大低碳专项；太原钢铁集团有限公司高炉年创效益1400余万元，唐山钢铁集团有限责任公司年创效益1200余万元。

  团队与抚顺新钢铁有限公司合作开发的数据与机理双驱动的智能化炼铁关键技术，通过中国钢铁协会成果评价，高炉关键变量智能预测与多目标优化国际领先；《烧结-高炉一体化低碳智能化关键技术研发及应用》获辽宁省科技成果转化一等奖。

  该技术充分依托辽宁雄厚的钢铁工业基础，将丰富的钢铁冶炼场景资源转化为振兴优势，为辽宁省“围绕产业链部署创新链、围绕创新链布局产业链”乃至全国推进“数据支撑极致能效、算法驱动智慧运营”树立典范，推动数字经济和实体经济深度融合，加快促进我国钢铁行业的“数字蝶变”。

  ——在氢冶金前沿技术上取得重大突破。针对高炉—转炉长流程碳排放高、产品纯净度无法满足高端装备制造需求的现状，立足发展氢冶金短流程，优化钢铁工艺流程、能源结构和产品结构。

  氢冶金短流程具有低碳乃至零碳的天然属性，被视为最具发展潜力的清洁能源，是钢铁生产实现无化石能源冶炼的重要路径，也是钢铁工业实现绿色低碳转型升级的有效途径，代表着钢铁冶金未来发展的新方向、制高点和发展方向。国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》提出，要开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，扩大工业领域氢能替代化石能源应用规模。

  氢基竖炉直接还原，是目前国内外重点研发和应用的主流氢冶金新工艺。而我国氢气竖炉直接还原技术研发和应用，总体上还处于起步阶段，与国外先进产钢国差距显著，且由于国外技术知识产权保护，在氢冶金应用方面严重受制于人。

  团队矗立创新风口，勇做“弄潮儿”，推动能源结构变革，突破氢气安全高效加热、氢基竖炉直接还原技术与装备等关键难题，力争加快关键共性技术研发、工程转化和推广应用，为未来实现氢冶金核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越提供良好基础。

  团队系统研究了氢基竖炉—电炉短流程新工艺技术和重大装备，设计了自主知识产权的国内首台套氢气竖炉系统，并筹措资金3000多万元，正在辽宁省沈抚改革创新示范区东大工业技术研究院合作建设全国首个基于氢冶金、绿色电炉和高端钢制品铸锻轧的万吨级新一代零碳钢铁冶金短流程中试基地，推动辽宁省占据氢冶金前沿理论研究与工程转化的制高点！

  在突破氢基竖炉短流程技术和装备的基础上，团队还进一步研发钒钛矿氢基直接还原-电炉熔分新工艺技术，实现铁、钒、铬、钛等有价组元的高效回收，形成特色冶金资源低碳绿色利用共性技术。团队在氢冶金领域成果位居全球研究机构排名前列，相继承担河钢集团有限公司、中国宝武钢铁集团有限公司、攀钢集团有限公司等国内钢企的大部分氢冶金项目，并与必和必拓公司、巴西淡水河谷公司等国际巨头矿业公司合作。

  面向世界科技前沿和国家重大需求，打造一流创新基地

  技术创新是推动钢铁行业低碳发展的关键所在，而关键技术的突破和应用，离不开科技创新平台的支撑。团队深刻意识到科研平台在科技创新中的引领作用，并牵头组建了低碳钢铁前沿技术教育部工程研究中心。中心围绕钢铁产业碳中和重大需求，将新能源科学与工程、钢铁冶金、热能工程、化学工程、控制科学与工程等学科交叉融合、协同创新，集合东北大学各学科的优势学术力量和团队，在氢能制备与氢冶金、高性能钢铁材料绿色冶金、全流程数字冶金与加工、碳捕集利用等领域实现突破。

  东北大学储满生教授作《基于大数据和AI 的智能化高炉炼铁技术》学术报告

  依托东北大学矿冶学科群的雄厚基础，与抚顺新钢铁有限公司等钢铁企业合作，共建高炉-转炉长流程以及氢基竖炉短流程的碳中和中试基地，开展低碳钢铁前沿技术及工程化创新链研究，建成“基础研究→小试突破→中试验证→工业应用”一体化的“国内领先、国际一流”的碳中和共性技术研发平台和成果转化基地，成为东北大学服务钢铁行业高质量发展和东北地区振兴发展、推进学科建设、加快科技成果转化、培养聚集创新人才及开展国际合作交流的重要基地。

  针对我国氢气竖炉氢冶金技术体系中亟待突破的核心技术、关键装备和工程示范等重大需求，团队通过政产学研用金深度融合和协同创新，研发氢气竖炉短流程前沿技术与重大装备，突破一系列具有自主知识产权的关键技术及装备，推动构建完整的氢冶金和零碳钢铁技术体系，完成产业化建设，与东北大学特钢团队合作建成了我国首个氢冶金短流程关键共性技术与装备研发、成果转化和工程应用的创新平台，弥补了国内工程示范空白，实现了核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越，为我国低碳乃至零碳钢铁冶炼提供全新途径，推动钢铁行业低碳/零碳化和高质量创新发展。

  人间万事出艰辛。在回忆起创新平台及基地建设时，储满生感慨颇深：“平台建设是个大工程，特别是对于万吨级氢气竖炉示范线的建设，更是诸多波折，投入如此大的人力、物力和财力，团队老师其实犹豫了很久。对于建设可行性方案我们常常讨论到深夜，不断去修改、验证和完善，让构想逐渐落地、变成现实。这个过程虽然艰辛，但是我们能深切感受到团队在不断收获和成长，同时也坚信我们能在低碳炼铁领域走出自己的特色之路。”

  先行一步，领跑变革。作为钢铁行业绿色转型的探路者，储满生教授带领团队坚定与国家“双碳”战略同向同行，深耕氢能、大数据与钢铁行业的融合创新、协同发展，超前跟踪世界氢冶金和数字化钢铁技术的研发动态，以正在建设的钢铁长流程碳中和中试基地和氢冶金短流程中试基地为起点，把氢能利用、智能化与钢铁低碳发展协同作为重点发展方向，积极突破氢冶金和智能化冶金技术瓶颈，加快推进低碳冶金技术的革命性创新与突破，为钢铁行业绿色低碳数字化发展提供更多更好的智慧和方案。

  回首过往的科研历程，储满生感慨道：“从碳能源到氢能源，从经验操作到智能冶炼，炼铁犹如一次新生。目前团队在低碳炼铁前沿技术方面取得一定进展，但未来仍要跳出舒适区，继续以钢铁行业绿色低碳发展为出发点，深耕在低碳高炉、数字化炼铁、氢冶金等低碳钢铁前沿领域，走绿色发展之路，筑生态文明之基，不断学习、创新和锤炼技术，开展更高水平、更广范围、更深层次的研究，与各方携手同心，将碳中和这条造福世界的幸福之路铺得更宽更远，用颠覆性技术引领炼铁行业的发展！”

  随着科技的飞速发展，新技术将不断涌现，会带来许多机遇和挑战，需要具备深厚的技术功底和超前的技术洞见。在深耕低碳、厚植未来的世界舞台，东北大学2011钢铁共性技术协同创新低碳炼铁团队将在王国栋院士领导下，继续秉持“人、钢铁、环境和谐共生”的理念，示范推动钢铁行业绿色低碳可持续发展。（王钰慧）