基于制造流程动态运行的“三要素”（ “流”“程序”“流程网络”）、“三流”（物质流、能量流、信息流）、“五维”（物质、能量、信息、时间、空间）以及“三流一态”（物质流、能量流、信息流处于动态-有序、协同-连续的运行状态）的本质性认识,提出面对开放的、复杂的、动态的流程系统智能化问题时,要以“三流一态”的物理本质为出发点,重视思维方式的转变并加强工程方法论问题的研究。钢厂智能化包括全制造过程运行的本质智能化和供应、服务系统相关的外延性经营服务智能化,其实质是要构建一个数字物理融合系统,并实现以“一流两链”为目标框架的全流程多目标智能化。数字物理融合系统的构建,需要从数字系统一侧和物理系统一侧相向而行,相互支撑,相互融合。物理系统一侧的结构要使数字信息易于导入,数字系统一侧需要适应物理系统整体运行的特征,有效实现系统整体的自感知、自决策、自执行、自适应。最后提出了能量流、能量流网络与能源中心构建的有关概念、思路。

冶金流程工程学作为引领钢铁工业绿色化、智能化、品牌化发展的新兴学科分支,旨在通过冶金制造流程的系统集成优化,实现产品高效制造、能源梯级转换与资源循环再生。系统阐述了其理论体系创新,包括《冶金流程学》专著、信息物理融合系统（cyber-physical systems ,CPS）理论和动态精准设计方法,揭示了流程工业智能化转型的物理本质及其“物质流-能量流-信息流”三流耦合的演进路径。基于理论突破,成功指导了“界面”技术、动态仿真技术、动态甘特图等关键技术群的开发,并在首钢京唐、河钢唐钢新区等标志性工程上实现规模化应用,取得了生产效率提高、能源消耗降低、产品质量提升的显著成效。研究进一步分析了当前面临的挑战,包括分析工具不足、科研体系限制、跨行业应用有限等,并提出未来应加强本科生教育、推广动态精准设计理论和方法、建立全厂性的智能化及构建冶金-化工-水泥等产业协同发展的生态圈。实践证明,冶金流程工程学不仅推动了冶金工程学科的拓展和完善发展,更为钢铁工业低碳化、高质量发展提供了理论指导与技术支持,具有重要的学术建设价值与工程实践指导意义。

钢铁作为经济社会发展的关键基础材料,其重要性贯穿过去、现在乃至未来,而钢铁冶金工程是现代工业社会发展的关键支柱产业。历经百余年的发展,钢铁冶金工程设计已经取得了显著进步。伴随着科学、技术和工程的交互促进和迭代提升,从设计工程师个体的知识、经验和灵感中,演化成为跨学科、跨专业、多学科交融的一种工程活动和具有组织性、协同性、集成性的工程创新。现代钢铁冶金工程设计包括钢铁制造的流程设计、工艺设计、装备设计、能源设计、辅助系统设计等诸多内容,工程设计以钢铁厂整体为核心,实现了其整合与集成。现代钢铁冶金工程设计融合了基础科学、技术科学以及工程科学的前沿理论、方法和研究成果。通过对钢铁冶金工程要素的合理选择和有效集成,在基本要素、原理、工艺技术、设备、装置、程序、管理、评价的基础上,构建具备强大竞争力的工程实体,其集成与构建过程必须融入先进的流程、合理的结构、优化的功能以及卓越的效率。工程设计是将创新思维和工程理念转化成为现实生产力的核心环节和重要过程。钢铁冶金工程设计采用系统工程方法围绕钢铁厂的结构化、功能化、效率以及工程整体的环境适应性等方面开展设计。针对钢铁冶金全流程的多目标优化问题,涉及结构、功能、效率以及动态操作的综合考量,是钢铁冶金工程设计的主要命题。研究分析了首钢京唐钢铁厂工程设计创新的内涵与方法,以及工程运行实践绩效,阐述了新一代钢铁厂工程的概念设计、顶层设计与动态精准设计的主要内涵和思路。

在中国钢铁行业总体布局调整与高质量发展的背景下,钢铁企业整体搬迁及新建项目对绿色化、智能化、高效化的总体设计提出了迫切需求。系统阐述了钢铁厂总体设计的核心内涵、发展阶段及工程应用,指出其通过集成多学科技术,实现了制造流程结构紧凑、运行高效及智能化目标。介绍了总体设计历经精准设计、能量流网络优化、绿色智能品牌化、高效紧凑化4个阶段,逐步从单一流程优化转向多目标生态化设计,形成了涵盖流程仿真、能源梯级利用、智能制造、紧凑布局等关键技术体系。并以河钢唐钢新区、石钢环保搬迁项目为例,验证了总体设计在长/短流程钢厂中的成功应用。展望未来,面对“双碳”目标提出氢冶金+电炉/熔分炉低碳工艺路线,明确廉价氢源、直接还原铁工艺、界面技术及能源流网络构建等为未来研究重点,为钢铁行业绿色低碳高质量发展提供技术路径。

在全球制造业升级重塑与钢铁产业高质量发展的背景下,钢铁行业亟需突破单工序自动化的局限,探索钢铁制造全流程智能化路径。唐钢新区为实现钢铁制造流程动态有序、协同连续运行,借助区位调整的契机,以冶金流程学为理论指导,开展了以物质流、能量流和信息流三流协同,以及物质流网络、能量流网络和信息流网络三网融合为基础的钢铁制造流程智能化建设与创新实践。钢铁制造流程智能化的重点在于构建物理系统与信息系统深度融合的信息物理系统,优化开放的钢铁制造流程耗散结构。在物理系统中,优化流程自组织性,形成“层流式”运行的物质流避免运行过程中的交叉干扰,以及“干网式”的能量流减少管线数量和气体损失,实现减少耗散结构熵产生率;信息系统依托云边端架构的工业互联网平台和智能制造一体化系统功能架构提供调控指令,产生相应的他组织力来帮助、支持和调控物理系统,实现信息系统向物理系统输入负熵流,并通过传感器和执行器等链接物理系统和信息系统,构建起状态感知-实时分析-科学决策-精准执行的闭环交互机制。唐钢新区钢铁制造流程智能化实践不仅从理论上创新发展了冶金流程学思想,同时在生产效率、资源配置、成本降低、质量提升及绿色低碳等方面都取得了很好的经济和社会效益,使唐钢新区成为了新一代流程钢厂智能化的样板。

钢铁生产的典型流程主要分为以天然资源为源头的高炉-转炉长流程、以废钢为源头的电炉短流程和全氢还原铁-电炉钢流程3种。量化这3种典型钢铁流程的能耗、能效和碳排放指标可揭示不同流程的能耗强度差异、能效提升潜力和碳减排空间,进而为现有流程的优化创新以及流程之间优势互补提供基本概念、计算方法和基础数据支撑。基于冶金流程学和热力学理论,提出了产品能耗、能效和碳排放与流程能耗、能效和碳排放等重要概念及其计算公式,并深入剖析了这些概念间的区别与联系。结合物质流-能量流分析方法和钢铁企业实际生产数据,计算3种典型钢铁生产流程的产品能耗、流程能效和产品碳排放数据,并对计算结果进行对比分析。结果表明,高炉-转炉长流程的产品能耗为462.7 kg/t,流程能效为62.2%,碳排放为1 038.5 kg/t;全废钢电炉短流程的产品能耗为164.1 kg/t,流程能效为25.3%,碳排放为633.9 kg/t;全氢还原铁-电炉流程的产品能耗为409.3 kg/t,流程能效为34.3%,碳排放为639.9 kg/t。3种典型钢铁流程各具优势也都有劣势,长流程具有能效优势但能耗最高,短流程具有能耗优势但能效最低,全氢还原铁-电炉流程具有低碳优势,但能耗和能效值得重视,尚处于探索、开发和逐步成熟的过程之中。

钢铁制造流程运行过程中存在诸多不确定性问题,这些不确定问题很多仍在依靠人为经验调控,不利于实现自动或智能调控。不确定性问题可分为偶然不确定性问题和认知不确定性问题2类,偶然不确定性问题缘于流程系统内在因素,数量很难减少,但通过优化其运行结构,可以收窄这类不确定性问题的变化范围;认知不确定性问题则缘于人们对流程运行行为现实认知力的不充分,随着对流程运行行为的深入了解、相关认知信息的丰富和所借助工具功能的提升等,可以减少认知不确定性问题的数量。对于钢铁制造流程的智能化升级,应该以构建信息物理融合系统为原则,从工艺侧和信息侧相向而行地开展协同攻关。通过工艺侧攻关并借助相关规则,可形成路径优化和输出参数相对透明并可预知的工艺底座,减少运行行为的不确定性问题,提高对流程运行行为的认知能力。信息侧攻关是用智能化手段为钢铁制造流程赋能,提高其运行效率和质量。全流程多工序协同运行的数值模拟仿真是信息侧攻关的重要内容之一。

钢铁工业作为典型的流程制造业,具有多样性、复杂性、多变性等特点,面临着成本、质量、环境等多目标协同优化的约束和压力。在冶金流程工程学理论指导下,中冶南方开展了钢铁项目建设和钢铁生产运营的流程优化以及智能化运行的研究与实践。结合钢铁流程的特点和自身丰富的EPC（engineering procurement construction,即工程总承包）项目管理经验,开发了冶金工程数智建造管理系统,以数据为核心驱动,打通EPC项目上下游流程链条,通过设计、采购、施工、运维等建设流程的智能化、数字化,有效提升了技术服务质量和效率,在玉昆项目上实现了质量变更减少80%、综合效率提升35%的显著成效。此外,基于自身开发的工业互联网平台 WISDRI DiPlant,通过物质流、能量流和信息流的集成优化以及相应的流程网络和运行程序的协同优化,打造了覆盖钢铁行业全流程的跨工序、系统性智能制造整体解决方案,重点介绍了智慧高炉、铁钢界面优化、冷轧产品智能控制系统等几个场景的智能化应用情况,分别取得了高炉综合焦比降低13 kg/t、铁水温降降低30~50 ℃、高牌号无取向硅钢铁损降低17.6%等效果。随着对冶金流程工程学理解的逐步深入以及智能化、数字化技术的不断发展完善,冶金流程工程学理论的指导作用将进一步显现。

21世纪冶金工业面临绿色化与智能化的双重挑战,其核心突破点在于系统性理论创新与工程实践。冶金流程工程学作为冶金学的新兴分支,以耗散结构理论为基础,聚焦冶金制造流程的结构-功能-效率全局优化,为解决钢铁工业低碳化问题提供了科学框架。首先,基于耗散结构理论探讨了冶金制造流程作为动态开放系统的自组织特性,并指出冶金流程工程学提出的“六论”（动力论、结构论、连续论、嵌入论、协同论与功能论）是冶金制造流程耗散结构构建及其耗散过程优化的关键理论工具。其次,从物理本质剖析了钢铁工业低碳化发展的路径,指出钢铁工业低碳转型的核心在于重构“一流两链”（制造流程、供应链、服务链）中“物质流-能量流-信息流”的耗散路径,形成跨产业链的动态循环网络,推动系统耗散最小化;针对“一流两链”不同尺度的耗散结构构建与耗散过程优化的主要措施进行了分析。最后,针对钢铁全产业链碳足迹管控,提出钢铁全产业链碳足迹研究的本质是以排碳耗散最小化为目标,优化全产业链多尺度耗散现象、耗散结构与耗散过程,并指出钢铁全产业链碳足迹的量化评价是其管控的重要基础,未来还需要从钢铁全产业链产品碳足迹评价模型体系的构建、高质量本土化数据库和数字化工具的开发与应用开展研究。

全连续铸轧一体化是薄板坯连铸连轧进化的第3代技术,通常称为薄板坯无头轧制,是通过系统集成连铸、加热、轧制等传统离散工序,实现从钢水到钢卷的全连续化生产,消除了传统连铸-热轧流程主界面,体现了冶金流程从间歇式向连续化演进的发展趋势。介绍了实现全连续铸轧一体化的关键技术。从流程学视角分析了全连续铸轧一体化的技术特点,提出流程中涉及如钢水洁净化、凝固、压力加工等诸多物理化学过程,对物质流动态精准协同调控提出极高要求,定义钢通量指数来表征全连续铸轧一体化产线物质流协同状态与工艺技术水平,阐明了不同类型产线连铸与热轧工序的物质流协同关系。研究了不同类型全连续铸轧一体化产线及不同工艺状态下连铸与热轧界面能量流传递情况。指出信息流全面畅通是全连续铸轧一体化技术的关键,是物质流精准协同调控和能量流高效传递的基础条件。分析了全连续铸轧一体化技术进化方向,指出了热轧带钢生产流程发展趋势。

炼钢生产调度计划对钢铁制造流程的协同、连续、高效具有重要意义。目前,生产调度模型主要以最小化完工时间、设备空闲时间等时间类指标作为目标函数,对钢水温度参数控制考虑不足,不适应钢铁工业转型升级、质量要求愈发苛刻的现状。因此,引入钢水温度类目标函数作为衡量能耗和产品质量的指标,构建基于时间和温度协同的炼钢生产调度优化模型。模型采用改进的遗传算法进行求解,通过设定工序处理时间可变来充分发挥精炼工序的承接作用,并在多种调度方案中给出均衡的选择。同时,针对多目标优化求解困难的问题,采用Epsilon约束法对目标函数进行转化并调整主目标函数求解的可行域,提高模型的求解效率并保证其时效性,相较于传统加权法减少了冗余计算。以某钢厂的主要生产模式进行了仿真试验,结果表明,通过优化模型编制出的调度方案能够实现生产过程的有序无冲突以及铸机连浇,且充分考虑钢水温降时的调度方案相较于仅保证符合温度制度的调度方案,炼钢至连铸过程平均总温降从113.3 ℃降低至104.4 ℃,RH精炼过程平均温降从26.8 ℃降低至21.7 ℃。该优化模型便于调度人员在生产过程中制定时间和温度目标相对均衡的调度方案,有利于实现炼钢过程热损失的降低和能效的提高,减少钢水温度的波动,进一步保证产品质量的稳定。

时间对于制造流程中各单元工序间协调运行具有决定性影响。要实现制造流程动态-有序运行,各单元工序在时间因素上的协调至关重要。介绍了流程运行优化的理论基础与方法,针对马钢薄板炼钢系统,通过过程事件与时间解析,找出连铸拉速、空包运行等影响时间的关键因素,在此基础上提出缩短转炉供氧时间和出钢时间,降低LF（ladle furnace）炉的使用频率,提高连铸机拉速和连浇次数,减少空包的运行时间和重包的运输等时间,以提高炼钢系统的生产运行效率。通过工艺路径、工艺技术和界面技术等攻关,有效缩短了各单元工序的工艺处理时间、等待时间,流程整体运行得到优化,基本实现了流程动态-有序、协同-连续运行,大幅提升了流程生产效率,转炉冶炼周期缩短了6 min、连铸浇铸周期缩短了3.3~9.6 min、空包运行时间缩短了23~40 min,在线钢包运行数量从17个减少到14个,粗钢产量由744万t/a增加到973万t/a,增加了约30%。

炼钢-连铸过程是钢铁制造流程的关键区段,其生产的连续性与稳定性对整个钢铁生产流程的效率与产品质量具有重要影响。然而,在实际生产过程中存在复杂且多重不确定性事件,严重制约了钢铁生产流程的连续性与稳定性,给钢铁生产流程的冶炼效率提升与产品质量保障带来了巨大挑战。如何从不确定性事件的发生源头进行解析,并在不确定性事件发生时实现快速且高效的响应,已成为现代钢铁企业亟需解决的关键问题。炼钢-连铸过程的生产扰动主要包括工艺相关、原料相关、设备相关和人员相关等类型,其中工艺扰动发生尤为频繁,对炼钢-连铸流程的生产顺行影响显著。基于此,首先结合炼钢厂实际生产工况,系统梳理了炼钢-连铸生产过程的扰动来源及其分类,并以工艺扰动为研究对象进行深入解析;然后围绕炼钢-连铸生产运行中工艺扰动的影响程度表征、工艺扰动的动态调度方法及其可用性评价方法等相关研究展开综述与归纳;最后结合生产实际过程,将炼钢-连铸区段工艺扰动对生产运行过程的影响归纳为时间类扰动与订单类扰动,提出了面向炼钢-连铸过程工艺扰动的应对策略与技术架构,旨在工艺扰动发生时实现快速响应、准确表征其对生产运行的影响程度,并据此精准匹配相应的应对策略,从而实现炼钢-连铸过程高效高质生产,为钢铁生产流程实现动态-有序、协同-连续运行提供有力支撑。

铁钢界面运行过程中提前准确地获取铁水温度信息,对后续铁水调度、预处理及冶炼的生产组织优化及操作参数调整具有重要意义。针对铁钢界面“一罐到底”模式下铁水温度预测问题,首先根据“一罐到底”模式工艺流程特点梳理了铁钢界面铁水温度的影响因素。其次,获取了铁钢界面多工序运行数据集,在对其进行缺失值处理、异常值处理和数据规范化的基础上,利用相关性分析、递归特征消除法及冶金工艺分析法进行特征选择,分别确定了非尾罐和尾罐的铁水温度预测模型的7个和11个输入特征变量,并构建基于GBDT、XGBoost和TPE-XGBoost的脱硫进站铁水温度预测模型。最后,采用历史生产数据对其预测效果进行了验证。结果表明,3种预测模型中,基于TPE-XGBoost的模型预测性能最佳,铁水温度预测误差为-15~15 ℃的命中率达到85.52%,均方根误差为10.8 ℃,平均绝对百分比误差为0.549%。与非尾罐模型相比,尾罐模型的整体预测精度较低,这与尾罐运行环节复杂性更高、存在的噪声数据更多有关。钢铁企业应重视和加强数据质量管理,以进一步提高模型适用性。

在“碳达峰、碳中和”的背景下,中国钢铁行业低碳转型发展是大势所趋。长型材直接轧制工艺省去了轧钢加热炉,节能减排效果显著,是典型的低碳界面技术。针对单线直接轧制生产线和多线耦合直接轧制生产线的铸轧界面出现的温度均匀性、头尾温差、铸轧界面衔接匹配、质量稳定性控制等问题进行研究分析,并实现了如下目标。长型材单线直接轧制生产线最低出坯温度为950 ℃,铸坯头尾温差不超过50 ℃;单线直轧工艺层流运行直轧率可达98%;直接轧制工艺的铸轧界面层流运行需满足连铸通钢量与轧钢秒流量相当的原则,采用铸坯温度和铸坯最长等待时间的预报模型,可以有效地分配多条生产线的铸坯输送,提高铸轧界面的输送效率;还提出了100万t和300万t 2种典型产能的长型材电炉-直轧生产线的层流运行模式,实现了直接轧制工艺铸轧界面的高效衔接。

物质流与能量流协同是钢铁企业能源系统优化和节能降耗的重要切入点之一。针对物质流能量流协同的钢铁企业能源系统动态调控问题,基于煤气、蒸汽和电力等能源介质的能量流与能量流网络的宏观运行动力学分析,从2个视角提出了钢铁制造流程能量流与能量流网络的动态调控机制。一是针对特定的外部环境和内在条件,通过协同各工序/设备的运行参数,确定合理的耗散最小稳态“吸引子”并促其快速达成;二是感知钢铁制造流程的内在不确定性和外部“刺激”,做出及时或预测性动态“响应”,自适应维持耗散最小的稳态“吸引子”,或自决策主动做出向新稳态的变迁。分析了以5维动态甘特图为核心的能量流动态调控过程,5维动态甘特图预测主要能源介质产生、消耗和缓冲状态和态势,给出预计采取的调控动作指令。通过能量流5维动态甘特图,可以实现预知变化、及时调整、优化运行的目的。设计了多能源介质能量流动态调控递阶功能结构和支撑平台,分为多介质动态优化和单介质动态调控2个层级,多介质动态优化层级是集中协同优化,多个单介质动态调控层级是分布式控制系统。数字化平台具有实时态运行、历史态反演和未来态推演等运行状态,支撑功能的持续改进。归纳了能源系统动态调控中物质流能量流协同作用的层级,强调了实现从信息交换层级、决策支持层级到协同优化层级跃升的必要性。

钢铁企业产品制造流程的铁素物质流运行优化是实现节能降耗、降本增效的重要手段。针对当前钢铁行业 “能耗”与“能效”概念混用,以吨钢能耗、工序能耗为基础的评价指标不能区分不同产品与流程差异等问题,提出了以阶段产品为基准的钢铁产品制造过程与流程能效的评价方法,用于量化铁素物质流与能量流的动态耦合关系。提出 “过程有效能”概念,将其定义为在流程各工序设备的冶金过程中,铁素物质流携带的能量流为达成冶金目标的单位产品产出所获取的能量与过程回收可再利用的能量之和。过程能效为有效能除以进入过程所带入的能量和供给总能量,以此来描述铁素物质流经历各工序冶金过程的能量转换与利用效果。通过分析多工序物质流与能量流的输入输出关系,结合冶金过程特征,构建了化学冶金（转炉、精炼等）、物理冶金（连铸凝固等）过程能效的计算模型,并给出工序界面能效和流程能效的计算方法。通过多工序物质流与能量流的输入输出分析,结合热力学平衡关系,实现了从工序到全流程的能效动态追踪。以中国某转炉炼钢厂相关生产数据为例,量化分析了不同工艺路径、冶金设备及产品的能效差异。研究表明,基于铁素物质流运行特征的能效评价方法可为钢铁企业优化工艺控制与路径选择、实施生产动态运行优化及节能降碳提供决策依据。

统筹考虑中国钢铁工业流程特点和氢冶金技术进展,高炉富氢冶炼是中国现阶段钢铁行业规模降碳的重要路径。阐释了高炉富氢冶炼降碳、降低吨铁能耗以及提高生产效率的基本原理,分析了基于富氢耦合炉顶煤气循环、高富氧和预热等手段形成不同冶炼工艺模式的特点和问题。高炉富氢耦合炉顶煤气循环、绿电加热等模式下的碳减排可达50%以上,高效绿色低碳化是高炉炼铁工艺的发展趋势。高炉喷吹纯氢的试验和工业化示范、富氢高炉的冷冻-解剖研究为构建高炉富氢低碳冶炼工艺原型提供了基础。大规模经济的氢源匮乏、下游低碳产品消费市场链条未打通、碳税未落地实施等使氢冶金技术缺乏经济性,是阻碍氢冶金技术产业化的瓶颈。基于顶层设计构建全球互认的低碳产业生态圈和高质量标准体系,加快核心技术攻关、突破规模化瓶颈,通过纳入碳监控与交易体系,利用碳交易机制促使钢铁企业加快采纳低碳技术,推动氢冶金技术发展。随着传统碳冶金向氢冶金的过渡转换,作为还原剂和燃料的氢素流成为对传统冶金流程升级改造需要重点考虑的新变量,针对冶金流程的整体过程优化和整体功能优化提出的新课题,成为冶金流程工程学需要研究的重要内容。

钢铁行业作为国民经济的支柱产业,在碳中和背景下,降低其能耗和碳排放迫在眉睫。废钢是具有低碳属性的铁素资源,其产量逐年增加,使用废钢是快速实现降碳的有效途径。然而,废钢中的残余元素问题显著制约了废钢的高质化利用。系统分析了钢中残余元素及其对组织性能的影响,结合残余元素的化学冶金特征,将残余元素分为3大类,分别为含量较高的Cu、Cr、Ni、Mo,易偏析偏聚的As、Sn、Sb、Bi和杂质元素N、S。在此基础上分析了不同国家、企业和种类废钢中的残余元素含量特征,调研了2000—2024年国内外废钢中残余元素的最大含量,结合国内电炉流程钢铁企业的实测数据,明确了废钢中主要残余元素的最大含量范围,并介绍了主要残余元素的作用机制,为废钢高质化利用提供依据。

针对耐磨钢实际生产过程开展了加镧工艺的工业试验,主要研究了加入镧铁合金后耐磨钢中非金属夹杂物的演变。进一步使用FactSage8.2软件对耐磨钢中夹杂物生成热力学进行了全面分析,明确了含镧耐磨钢中夹杂物的稳定相图,分析了钢中总氧、总镧、总钙质量分数以及温度等对钢中夹杂物演变的影响。研究表明,在不加镧铁合金条件下,VD（vacuum degassing,真空脱气）破空后钢液中夹杂物主要为Al₂O₃和少量CaO+CaS夹杂物,Al₂O₃质量分数为95%,钙处理后夹杂物中CaS和CaO质量分数显著上升,连铸坯中夹杂物主要为Al₂O₃-CaS-CaO。加镧铁合金条件下,钢中夹杂物由Al₂O₃转变为La₂O₂S,La₂O₂S质量分数为94%,钙处理后夹杂物转变为La₂O₂S-CaS-CaO复合夹杂物,中间包钢液中夹杂物La₂O₂S质量分数降低至10%,CaS质量分数降低至43%,Al₂O₃和La₂O₃质量分数增加。热力学计算表明,随着钢中镧质量分数的增加,钢中夹杂物逐渐由液态钙铝酸盐转变为LaAlO₃,进一步转变为La₂O₂S,含镧耐磨钢中可能存在的夹杂物有Al₂O₃、LaAl₁₁O₁₈、LaAlO₃、La₂O₂S和La₂S₃。当钢中总镧质量分数大于0.004%时,即使钙处理使钢液中总钙质量分数为0.003%也不会在钢中生成液态夹杂物,夹杂物主要以LaAlO₃和La₂O₂S为主。加镧工艺需要做好防止水口结瘤的措施。在降温过程中,含镧耐磨钢中非MnS夹杂物的总体转变趋势为La₂O₂S+CaS+2CaO·SiO₂→LaAlO₃+钙铝酸盐→Al₂O₃-CaS-La₂S₃。当温度降低至1 210 ℃时,夹杂物最终转变为La₂S₃、CaS、Al₂O₃以及MnS的复合夹杂物。总氧质量分数对钢中MnS夹杂物影响不大,总氧质量分数越高,夹杂物中Al₂O₃含量越多,CaS含量越少。

采用数值模拟方法系统研究了新型“环缝-孔”氧枪在顶底复吹转炉中的熔池混合效率及流场动力学特性。重点探讨了底吹气泡羽流与顶吹射流的相互作用机制及其对熔池流动和混合行为的影响。研究结果表明,与传统氧枪相比,新型氧枪设计有效解决了熔池中心区域的低速死区问题。在顶底复吹协同作用下,熔池流动速率显著提高,物质传递效率得到明显改善。研究发现,底吹工艺参数对熔池流场具有重要调控作用。当底吹速度由8 m/s增加至20 m/s时,熔池湍流强度增强,涡流中心逐渐向外迁移。此外,底吹气泡羽流与顶吹射流之间的相互作用会改变射流的冲击面积和穿透深度,进而优化熔池流场分布,提高混合效率。在顶吹流量比为全喷嘴顶吹、1∶24及1∶17时,随着底吹速度的增加,混匀时间逐渐减小。然而,当顶吹流量比为1∶12时,底吹气泡羽流与汇聚射流之间的干涉会导致动能耗散,反而削弱搅拌效率的提升效果。基于上述研究,优化氧枪结构及顶底复吹工艺参数可有效提升熔池混合效率,降低能耗与碳排放,实现冶金过程的降本增效。该研究有助于推动钢铁行业技术创新,提升生产效率和产品质量,为实现钢铁行业的可持续发展提供有力支持,同时为钢铁行业实施极致能效工程、探索绿色低碳转型路径提供了重要的理论支撑和技术指导。

非调质易切削钢广泛用于汽车等交通运输行业,C70S6钢是发动机胀断连杆用最具代表性的非调质易切削钢,开发并优化C70S6钢精炼造渣工艺来保障其产品成分与组织性能稳定可控,具有重要的工业价值和学术意义。钢包精炼渣系是钢包冶金的重要内容,其具有脱氧、脱硫、吸收夹杂物和稳定钢水中氮、硫含量的作用。针对C70S6钢“高碳、高硫、高氮、低铝、低硅”“三高二低”的成分控制目标与特点,基于FactSage热力学软件、KTH硫容量模型（Kth-order sufur capacity model）研究了不同精炼渣成分的特点,提出了满足硫含量控制要求的“变渣”操作工艺,即在LF（ladle furnace）精炼前期造高碱度渣强化扩散脱氧,以弥补其低铝、低硅要求造成的出钢沉淀脱氧能力不足,并为后期增氮创造了良好条件;而在精炼后期VD（vacuum degassing）阶段造低碱度渣增硫,以满足其因切削性要求保硫的目的。研究表明,钙铝比和碱度是精炼渣熔化性能的主要影响因素。C70S6钢渣系在高效脱氧脱硫阶段的目标是控制渣系碱度为3~6、MgO质量分数为4%~6%、钙铝比为1.5~2.2,渣系熔点低、流动性好,且对铝脱氧产生的Al₂O₃类夹杂物有较好的吸收和改性效果;而在保硫阶段的目标是渣系控制渣系碱度为2.0~3.5、MgO质量分数为4%~6%、钙铝比为2.3~3.3,具有较好的对钢水增硫保硫性能。此研究结果对高碳含硫非调质钢在不同阶段冶炼过程中调整渣系组元以达到钢水化学成分和洁净度的控制具有指导意义。

在“碳达峰”“碳中和”背景下,碳足迹是生命周期评价（life cycle assessment, LCA）体系中最受关注的指标。LCA背景数据库是开展碳足迹计算的必要前提,中国数据的缺失对全球碳足迹计算影响巨大。基于此,首次提出了建设中国钢铁行业本土化LCA背景数据库的方法。背景数据库采用的LCA方法学体系是建设数据库的核心,通过分析不同方法计算钢铁产品碳足迹结果的差异性,提出了分别采用归因法、归果法和EN15804标准建设中国钢铁行业背景数据库,以适用不同应用场景。采用欧盟提出的ILCD（international reference life cycle data system）数据库格式,对数据全过程的处理进行记录和审核,确保数据质量,保证了背景数据库的透明可追溯和国际交互性。依据所提出的方法开发了钢铁行业生命周期背景数据库HiQLCD,采用3种方法各生成1套数据,每套数据包含5 815条数据集,共计17 445条数据集。对比了采用本土数据库和国外某数据库计算铁水碳足迹的结果,结果显示本土数据库更符合中国产品生产工艺特点,技术代表性、地理代表性、时间代表性、准确性等反映背景数据质量的指标都有显著提升,计算结果更准确,更能反映实际情况,以更真实的数据科学地支撑企业算碳、减碳。同时,规则的透明性为实现碳足迹计算结果的国际互认奠定了基础。后续研究将致力于持续拓展钢铁产品数据库的覆盖范围,高频次迭代,逐步提升国内高质量数据在背景数据中的比例,同时开展复杂度更高的供应链数据库建设的研究。

铁矿粉烧结是高炉-转炉钢铁制造流程中污染强度最大的生产单元,而烧结烟气CO排放量远超SO₂和NO_x,CO作为第3代气体污染物已成为未来烧结烟气治理的重点。生物质燃料替代、厚料层烧结、烧结料面喷吹水蒸气、烧结烟气循环等技术手段,可有效降低CO和NO_x的排放。然而,烧结烟气具有量大、气体组分多且特性偏差大等特点,导致烧结烟气末端治理,特别是CO和NO协同治理技术面临成本高、效率低等问题。基于此,综合分析了烧结过程CO和燃料型NO的生成与排放规律。烧结烟气CO和燃料型NO来源于固体燃料燃烧,而固体燃料的燃烧状况则直接决定了CO和NO的排放,深入分析了烧结体系内CO氧化与NO还原反应的热力学及动力学基础,固体燃料赋存状态对CO、NO生成与排放的影响,以及不同烧结原料对CO还原NO反应的催化机制。未来,研究需聚焦烧结料层内不同结构准颗粒燃烧过程的传热、传质行为与物理场的耦合机制,建立基于烧结系统内的CO、NO协同减排技术体系,为推进烧结烟气一体化协同控制工程技术的研发提供了理论基础。

随着中国城市化进程的发展,城市固体废弃物产生量不断增加,实现源头减量的目标任重而道远,做好固废“减量化、无害化和资源化”处置是今后很长一段时间的工作重点。按照循环经济发展理念,工业窑炉协同处置固废技术发展迅速。钢铁炉窑由于其种类多、温度高、持续时间长、具有还原/氧化气氛的特点,在协同处置固废方面优势明显。通过总结城市固废特性、钢铁炉窑优势以及当前研究应用现状,分析了处置固废的难点并给出建议。目前利用钢铁炉窑处置城市固废的基础研究较多,而已开展工业化试验验证的很少,其中实现工业化应用的只有处置废铁制包装物1种。未来需要通过搭建城市固废智能管理平台、制定相关政策法规、出台标准规范以及构建产学研用路线等手段,推动钢铁炉窑处置城市固废技术的发展。