由于连铸相对于模铸在能耗、效率和成本等方面具有优势,近年来,各种铝质量分数为0.5%~3%甚至高达5%~12%的低密度高铝钢相继采用或计划采用连铸生产,然而高铝钢连铸结晶器内存在的渣-金反应[Al]+（SiO₂）→[Si]+（Al₂O₃）引起保护渣成分和性能变化,妨碍了保护渣正常发挥润滑和控制传热的冶金功能,导致凹陷、裂纹等铸坯表面质量问题以及漏钢等生产事故频发,成为影响高铝钢连浇的主要限制性环节。为保证铸坯表面质量和连铸过程的顺行,除提高钢水洁净度外,减弱因渣-金反应所引起的保护渣性能的大幅变化是高铝钢连铸的必然要求。为此,国内外研究人员以减弱渣-金反应性或稳定渣-金反应后性能为目标,进行了各种尝试和探索。首先提出了可促进熔渣快速更新的低碱度低黏度保护渣技术思路,但当钢中铝质量分数较高时,随着反应进行,保护渣黏度逐渐增大,消耗量降低,难以维持保护渣性能的相对稳定,实际生产过程中铸坯表面质量问题突出,黏结频发,无法稳定实现多炉连浇。为此,低反应性和非反应性连铸保护渣应运而生,成为高铝钢连铸保护渣研究热点。在渣-金反应性综述的基础上,重点介绍了高碱性高玻璃化、CaO-SiO₂基高反应性、CaO-SiO₂-Al₂O₃基低反应性和CaO-Al₂O₃基非反应性等保护渣的特点及其研究进展和存在的问题,并提出了高铝钢连铸保护渣今后研究重点和发展方向。

自从1882年Hadfield高锰钢问世以来,吸引了国内外众多科研人员在高锰钢成分设计、组织调控、生产工艺及应用开发等方面做了大量研究工作,使这个具有百年历史钢种的应用领域从最初的耐磨钢领域,逐渐拓展到无磁钢、汽车钢、腐蚀及低温环境用钢,甚至功能材料领域,形成了多个关键钢铁材料品种,成为特种钢领域最典型、应用领域最广的钢种系列,极大地丰富了钢铁材料世界。这些高锰钢品种的研发、制造及应用,对推动钢铁制造技术创新及下游行业发展起到了极其重要的作用。介绍了高锰钢的起源和发展,重点梳理了典型应用领域中使用的高锰耐磨钢、高锰汽车钢、高锰低温钢、高锰无磁钢以及高锰阻尼合金的化学成分、微观组织及性能研究进展,并对这几类高锰钢微观组织和性能的调控方法及效果进行了较为详细的总结和举例说明。虽然高锰含量保证了高锰钢获得特殊的微观组织、力学和物理特性,但同时也导致了其在生产制造中面临连铸漏钢、焊接接头性能不稳定、扩孔性能不足等系列共性技术难题,这在一定程度上限制了高锰钢的推广和应用。通过统计当前不同类型高锰钢的碳-锰含量和微观组织特征,指明了新型高锰钢的化学成分设计思路,并探讨了未来高锰钢在理论研究和应用领域的主要发展方向。

钢铁行业为中国重要的经济支撑行业,也是主要的碳排放行业。氢能在冶金领域的应用是一种环保、高效的钢铁生产技术,是实现低碳发展的重要途经之一。在全面介绍富氢高炉、氢基直接还原、氢基熔融还原工艺的基础上,分析各种工艺在冶金工业的应用情况,并且系统探讨了各工艺的探索及实践。综合各种工艺的优缺点,分析了中国低碳背景下氢冶金的发展趋势。目前中国钢铁行业的生产还是以长流程为主,要实现2035年减排30%的目标,富氢高炉工艺可作为现阶段工艺技术改进的首选方向。但是富氢高炉工艺实现碳减排的能力比较有限,碳减排幅度为10%~20%,无法满足未来碳中和的目标。相比于富氢高炉工艺,氢基直接还原铁工艺的碳减排可达到50%以上,因此,氢基直接还原工艺可作为未来发展的主要路线。氢基熔融还原也有较好的碳减排效果,且生产出的高纯铸造生铁可用于高端铸件领域,但是目前对其研究不够充分,还处于基础研究阶段,与大规模的工业化生产还有较大的差距。氢冶金作为钢铁行业低碳绿色发展的重要途径,中国起步较晚且还面临基础研究薄弱、短期成本高等问题,随着绿氢产业的发展,绿色氢冶金将是未来钢铁行业绿色发展的重要方向。

新质生产力是推进新型工业化的主导力量,对国家新型经济体制的构建及高质量发展具有重要作用。分析了高等学校与发展新质生产力之间的相互促进与相互支撑关系,并强调高等学校和钢铁企业应在各自领域充分发挥其育人优势,围绕基础研究、工程技术等方面加强人才培养,是实现中国式现代化对人才需求的关键一招、破题之举,同时从加快发展新质生产力与钢铁行业高质量发展的辩证关系入手,深入分析了新质生产力对钢铁行业高质量发展的价值意义,集中体现在以创新驱动钢铁行业生产模式迭代升级和产业结构优化调整,进而推动行业整体向价值链高端跃升;阐明以发展新质生产力推动产业向智能化、绿色化、高端化的方向升级发展,以新质生产力来支撑战略性新兴产业和未来产业等国际竞争的关键环节和焦点领域;围绕构成新质生产力的新型劳动者、新型劳动资料、新型劳动对象等要素,着重阐释了推动钢铁行业高质量发展的要素保障,最后从新型生产关系的迭代更新角度出发,聚焦发挥新型举国体制优势,形成有为政府、有效市场与有机社会三者融合互促的体制机制,提出了推动钢铁行业高质量发展的体制保障。文章为新质生产力助推其他行业高质量发展提供了路径思考。

高炉渣是高炉炼铁过程中典型的副产物,排放温度高达1 450~1 550 ℃,具有大量的高品位热能,占钢铁工业总能耗的近30%。高效回收高炉渣余热为钢铁工业绿色高质发展提供保障。目前干法粒化技术作为高效处理高炉熔渣的方式,学者对熔态渣向颗粒渣转化过程、颗粒渣流动过程余热回收技术展开相关研究,取得一定成果。通过数值模拟可以降低成本,系统总结出余热回收过程中的关键环节,为实际操作提供理论指导。在此基础上,系统阐述了高炉渣余热回收物理法处理现状及高炉渣模拟常用数值方法,详尽介绍了高炉渣在离心造粒过程和换热器内的多相流动特性和传热特性的研究现状。在离心造粒过程,学者们利用不同的模型对熔渣凝固过程进行数值模拟研究,探索了颗粒物性及工况对余热回收的影响,优化了操作参数。在换热器冷却过程中,学者们利用DEM-CFD仿真模拟深入研究了高炉渣在流化床、固定床和移动床中多相流动和传热特性。通过数值模拟为优化余热回收工艺提供了方向,但大部分研究是针对高炉渣的多相流动特性,对传热方面以及带化学反应的研究较少,同时对渣粒的建模有一定条件性,并未考虑渣粒变形及团聚情况。因此,寻找合适的数学模型以及加强对传热特性和带化学反应的研究来优化炉渣余热回收工艺,提高回收效率成为未来的发展方向。

2022年,中国从力拓、淡水河谷、必和必拓、FMG世界4大矿业公司进口铁矿石8.66亿t,占中国进口铁矿石总量的78%。作为中国钢铁工业最重要的铁矿石原料供应商,4大铁矿石矿业公司积极参与钢铁工业脱碳减排的战略。通过介绍4大铁矿石矿业公司的脱碳目标、路径和相应的资金支持计划,阐释矿业公司作为原材料供应商的产品延伸责任、共同推动全球市场和政策对气候变化所采取的行动。矿业公司正聚焦于高品质铁矿资源的开发和通过选矿对低品位铁矿进行提纯等方式为中国钢铁企业提供高品位含铁原料以降低炼铁工艺过程的碳排放。此外,淡水河谷公司通过冷压+干燥工艺生产“绿色压块”,以期部分替代传统烧结矿或者球团矿作为炉料,以降低造块过程的碳排放。另一方面,随着中国钢铁工业向更加低碳的短流程电炉炼钢发展,铁矿石矿业公司通过使用氢气或者生物质能结合直接还原技术为钢铁企业提供绿色生铁等方式积极布局这一产业链的变革,代表性的工艺技术包括HYFOR绿色炼铁工艺、Tenored工艺、直接还原+电熔炉冶炼工艺等。另外,也有矿业公司正在寻求由单纯的矿业公司向绿色能源供应公司转变,以期在绿电、绿氢和绿氨等能源项目上有所突破。4大矿业公司的脱碳减排战略及成效将对中国钢铁工业产生深远的影响。

在钢铁碳中和的背景下,高炉-转炉流程将面临着越来越严峻的低碳转型压力。经过几百年的发展,现代高炉炼铁工艺已十分成熟,无论是热效率还是产能规模,在当今冶金界都找不到比高炉更优秀的反应器,钢铁冶金完全放弃高炉工艺路线是非常可惜的。中国废钢保有量和循环量较少,采用电炉短流程低碳工艺不足以保障国民经济对钢铁产品量的需求,高炉流程在比较长的时间内还将是中国钢铁工业的主流流程。为应对低碳发展要求,中国宝武自主开发了富氢碳循环氧气高炉（HyCROF：Hydrogen-enriched Carbonic oxide Recycling Oxygenate Furnace）新工艺,旨在通过碳循环和清洁能源替代来实现炼铁大幅减碳,宝武针对HyCROF炉顶煤气CO₂深度经济脱除、高还原势煤气安全高效加热、基于竞争燃烧的风口喷吹装置设计和全氧鼓风煤气循环下合理煤气分布四大技术难点开展了基础研究,建设了工业规模级HyCROF试验平台,持续开展了大量的工业实证研究。工业实证研究结果表明,HyCROF新工艺安全、稳定、顺行、高效,抗波动能力强,可大幅降低还原剂比例,在喷煤比相当的情况下,固体燃料消耗相比基准期下降了约30%,碳排放已下降20%以上,与传统制造流程匹配性好。鉴于HyCROF工艺良好的试验效果,其工艺技术已经被应用于2 500 m³高炉。

随着人工智能、物联网等技术的发展,利用大数据、自动化控制等手段来实现烧结过程智能控制及性能预测已经成为智慧炼铁的发展趋势。旨在综述烧结过程智能控制和性能预测研究现状,包括智能点火、料层状态监控、终点控制以及烧结矿性能检测,并通过生产成本、质量、效率、控制和预测的准确率等多角度综合分析不同技术的优缺点。在智能点火方面,详细分析点火工艺关键参数控制的重要性,指出机理分析法、数据驱动、PIDNN控制算法和修正的EID技术等在智能点火方面的应用现状。在料层状态监控方面,从料层温度和漏风监测2个方面展开叙述,在料层温度控制方面,重点分析温度模拟系统、Matcom、VC++以及多线程技术应用的准确率,同时介绍氧气平衡分析法、流体力学、红外热成像技术对烧结机漏风监测的影响。终点控制层面,系统讨论了灰色理论、反向传播神经网络、AdaBoost.RS算法、减法聚类和粒子群优化方法等技术特点和优化建议。烧结矿性能检测领域,涵盖了烧结矿成分在线检测和烧结矿性能预测与控制研究,通过PGNAA、LIBS以及基于DNN和LSTM的在线监测等技术智能分析烧结矿成分,同时介绍机器学习算法和神经网络等技术在烧结矿性能预测与控制方面的应用现状。综合介绍了烧结过程在信息化、智能化以及双碳背景下的发展情况及应用效果,通过系统分析烧结过程控制发展现状及特点,对未来烧结工艺在新形势下的发展脉络进行预测总结,为钢铁企业在烧结智能化研究领域提供理论和应用依据。

通过提取高炉风口视频数据的帧图像,并结合先进的图像识别算法监测高炉风口区域的工作状态,实时分析相应的高炉调参策略,有利于降低高炉风口的休风率与时长,同时弥补现阶段依靠人工经验判断风口状态存在的响应滞后、结果不准确的工艺缺陷,保证高炉的长期稳定顺行。以国内某钢铁厂在2023年6月1日—6月31日的风口视频数据为基础,梳理了高炉炼铁过程中4种常见的风口异常状况,并结合炼铁原理分析了主要原因及应对措施,包括挂渣、涌渣、断煤和漏水。然后总结了图像识别技术在高炉风口识别与监测中的应用路线,包括图像预处理、风口的识别与预警和专家经验的植入3个阶段,同时对目前应用较广的图像识别算法进行了介绍,包括卷积神经网络、Transformer机制和图神经网络,并对后2种算法进行了肯定。最后,基于图卷积神经网络开发了关于高炉风口的监测与分析系统1.0版本,并对其功能进行了简要介绍。秉持低延时与高精度的发展原则,通过对风口异常和图像识别算法的梳理探究未来高炉风口图像识别的应用路线,为钢铁企业选择合理的风口监测技术,提升风口识别与监测领域的智能化水平提供一种理论参考。

能效提升不仅是钢铁产业转型升级的内在要求,也是其实现绿色低碳高质量发展的关键驱动力。中国钢铁工业协会推进的极致能效工程,通过成熟技术快速推广应用、共性难题技术协同研发以及系列政策、法规、标准等的制定,是实现极致能效牵引钢铁极致效率的一项行业性工程。“能效达标三年行动”是落实钢铁极致能效工程的重要举措。梳理总结该举措的实践进展及实施绩效,提出数据系统是实现能效对标扶优汰劣、产能治理的基础,并以数据治理为研究目标,基于质能平衡原理,提出了能耗数据质量诊断新方法和典型工序的3层多阶理论能耗数据评价机制。最后,以烧结、高炉为例,从采集数据的边界划分、不同阶段理论能耗的计算方法确定、过程关键元素守恒的数据质量诊断、折标系数的合理选取等多个角度对数据质量和评价机制进行了梳理与讨论。利用建立的3层多阶能耗计算模型,在热量与标准煤等效折标的前提下,获得了烧结工序的理论、技术与实际极限能耗,并对影响烧结工序能耗的关键参数进行了敏感性排序,由大到小依次是漏风率、配水量、碱度、返矿率、热损失、生石灰、FeO含量、MgO含量。与此同时,还获得了高炉工序的理论与实际极限能耗,为钢铁行业的节能降碳提供了一定的理论数据支撑。

高炉采用高比例球团矿冶炼,可以显著提高熟料率和入炉品位,降低高炉渣量和燃料消耗,同时还可以大幅度降低炼铁工序CO₂排放,是实现高炉炼铁绿色低碳的重要技术途径。研究了高炉采用高比例球团矿、炉料结构发生较大变化的条件下,炉料分布及运动行为的变化及其规律,通过炉料运动过程的离散元仿真模拟计算,分析得出球团矿比例提高时,炉料分布和下降运动的特征。根据球团矿还原过程的反应特性,解析了球团矿还原过程中发生还原膨胀的机理及控制机制。从理论上计算并讨论了球团矿入炉比例提高以后,高炉透气性的变化及其规律。为适应高比例球团矿冶炼工艺条件,设计优化了高炉内型参数,以适应高比例球团矿冶炼的工艺特性。试验测定并研究了不同球团矿入炉比例条件下,炉料综合的软化、熔滴等物性参数的变化及其规律。采用高碱度烧结矿、碱性球团矿、酸性球团矿、块矿四元炉料结构时,综合炉料的高温软熔性能参数得到优化,软熔带区域的阻力损失下降,为高炉冶炼稳定顺行创造了有利条件。结合特大型高炉生产实践,研究开发了适用于高比例球团矿冶炼的关键工艺技术。采用炉料精准分布控制技术、富氧喷煤、提高顶压等综合技术措施,使首钢京唐高炉在球团矿入炉比例达到55%条件下,获得了显著的高效低碳生产运行实绩。

铁矿石烧结工艺是钢铁流程不可或缺的环节,铁酸钙作为烧结矿中最主要的黏结相,对烧结工艺及烧结矿冶金性能具有重要影响。综述了铁矿石烧结工艺中铁酸钙黏结相及其复合体系的化学组成、形成机理、还原机理和脉石成分对其影响等方面的研究进展。铁酸钙的化学组成取决于烧结矿中的Fe、Ca、Si、Al等元素的含量,复合铁酸钙(SFCA)可用通式xFe₂O₃·ySiO₂·zAl₂O₃·5CaO表示,且满足x+y+z=12;铁酸钙的生成机理受脉石成分之间的化学反应、不同温度和气氛条件下相变过程的影响,对生成机理的研究对于控制烧结矿中黏结相含量具有关键作用;铁酸钙的还原路径受黏结相组成、还原温度、气氛组成等影响,四元复合铁酸钙的还原路径暂时缺乏研究,还原机理的研究对于提高铁矿石冶炼效率和降低能耗具有重要意义;脉石材料是影响铁酸钙形成和还原的重要因素,SiO₂、Al₂O₃、MgO等可改变铁酸钙的晶体结构及其生成和还原机理。最后,基于当前铁酸钙黏结相的研究现状,对未来关于铁酸钙黏结相的研究方向进行了展望,主要包括探索烧结过程中有价组元的有效提取、综合利用及获得铁酸钙领域具有普适性的物化数据等,这些工作的实施有助于进一步完善铁矿石烧结理论。

炼铁工业作为钢铁产业链的关键环节,其能源利用效率虽已提升至较高水平,但面对全球气候变化的严峻挑战,实现大规模减碳目标仍需依赖一系列突破性新技术的研发与应用。通过分析当前和未来可能的低碳或近零碳炼铁工艺方案,具体包括传统及富氢高炉流程、直接还原工艺、熔融还原工艺与电解炼铁工艺等,发现不同工艺所使用的能源在碳素、氢能和电力3个维度的分布各不相同。基于此,综合对比分析了中国、韩国、日本、欧洲和美国等地区或国家的最新炼铁技术进展与减碳路线。尽管各国的路线各有不同,但提高新能源对化石能源的替代比例是所有路线的共同宗旨。高炉-转炉流程在近期仍将占据钢铁生产的主导地位,但若继续基于碳冶金将给降碳带来巨大挑战,依靠富氢碳循环高炉技术或其他耦合绿电的新技术有望进一步显著降低该流程碳排放。直接还原铁-电弧炉工艺虽然发展迅速,但也面临着资源、技术和成本等方面的挑战。电解炼铁工艺也成为欧美国家的研究热点,但距离规模化生产仍需较长时间。目前尚无一种单一方法能够低成本地实现对钢铁行业的深度减排,这也表明不同国家和不同地区需要根据各地资源条件和具体情况因地制宜地确定具有区域特色的减碳技术路线。

在全球“碳达峰、碳中和”新发展背景下,钢铁工业低碳发展尤为重要。分析了钢铁工业构建低碳循环及减碳领域的典型技术研究现状,以及新型CO₂资源化利用产业的发展情况。从全球相对成熟的钢铁工业生产流程现状出发,重点介绍了高炉-转炉、全废钢-EAF、直接还原和熔融还原4类钢铁生产流程的碳排放强度。目前,全球钢铁制造流程主要以高炉-转炉长流程和废钢-电炉短流程为主,长流程吨钢碳排放强度约为电炉短流程的3倍。结合全球钢铁产量的演变值推算了2001—2022年间全球钢铁工业的CO₂排放量,阐述了减碳以及CO₂资源化利用的紧迫性和必要性。根据已有的钢铁工业减碳经验,选取日本、欧洲和中国的低碳冶炼项目进行分析,包括其在钢铁工业减碳发展中所进行的试验性技术探索和阶段发展实践。在钢铁工业减碳的基础上,推进CO₂的资源化利用是实现钢铁工业碳中和的重要任务。阐述了钢铁企业碳捕集固碳技术的研究现状与特点,系统归纳了当前助力钢铁工业CO₂资源化利用的有效方法,包括在炼钢转炉和精炼工序上采用不同模式的CO₂喷吹工艺,以及在钢化联合领域的CO₂制备基础化学品的研究,以及展现的工业成效。以整个钢铁产业链视角考虑,总结了日本、欧洲和中国在钢铁工业领域碳减排与再循环产业的重点规划和发展方向。

影响高炉燃料比的关键因素一直是炼铁界争论的课题。对于直接还原度或吨铁热消耗量在降低燃料比中的作用问题,涉及高炉理论和生产操作实践,对炼铁观念、技术发展方向以及生产技术方针都有重大的影响。如2020年提出的“以风量为纲,以炉温为基础”的生产原则,造成燃料比居高不下。为了深入探究决定燃料比的关键因素,采用Rist线图和评价高炉生产效率的方法对22座容积大于4 000 m³高炉的生产数据进行了计算和分析,结果表明,吨铁热消耗量对燃料比的高低起着关键的作用。这说明影响高炉燃料比的决定性因素是风口燃烧燃料量和吨铁风口耗氧量,而不是直接还原度。此外,用还原动力学和评价高炉生产效率的方法,对某公司高炉采用大风量和过度中心加焦操作模式而煤气利用率和炉身效率却很高的问题进行了分析,认为这是违反高炉冶炼规律的。高炉冶炼应该遵循炼铁界普遍认同的高效、优质、低耗、长寿、环保的基本原则和技术方针,以降低燃料比为中心,高效利用资源、能源,提升生产的效率和效益。

富氧燃烧具有提高理论燃烧温度、降低过剩空气系数和增强烟气辐射能力等优点,成为工业炉窑领域研究的热点,但目前轧钢加热炉内富氧燃烧位置及氧气体积分数变化对炉内流动和传热过程影响规律尚不明确。建立了加热炉炉内流动、富氧燃烧和传热数学模型,并在案例加热炉进行了应用,利用测试数据验证了模型的准确性后,分析了富氧燃烧分别位于预加热段、加热一段和加热二段时,炉内温度场、速度场和钢坯传热过程的变化规律,得到了富氧燃烧的最佳位置。其次,分析了固定富氧燃烧位置,氧气体积分数从21%变化到49%时,加热炉烟气热损失、炉膛热效率和节能率的变化规律,得出此种条件下氧气体积分数最佳范围。结果表明氧气体积分数固定时,预加热段、加热一段和加热二段分别实施富氧燃烧,热流密度变化最明显的炉内位置分别出现在17~25、17~34 和29~44 m,这些位置平均热流密度增加值分别为4.95、7.42和7.95 kW/m²。富氧燃烧位置分别位于预加热段、加热一段和加热二段,氧气体积分数为21%~37%时,氧气体积分数每增加1%,烟气损失分别下降0.25%、0.55%和0.72%,炉膛热效率分别提高0.13%、0.3%和0.39%,节能率分别提高0.2%、0.99%和1.09%,而氧气体积分数为37%~49%时,即使在加热二段实施富氧燃烧,烟气损失、炉膛热效率和节能率变化也并不明显。通过上述分析可以看出,轧钢加热炉中,热负荷较大的加热段实施富氧燃烧,且氧气体积分数为21%~37%时节能效果最明显。

冲击功是评价H11模具钢服役性能的重要特征之一。针对国内某钢厂生产的H11模具钢出现冲击功波动较大的现象,结合微观组织分析、夹杂物表征及对比分析和热力学理论计算,探究了导致H11具钢冲击功波动的主要原因和Ca对MgO·Al₂O₃夹杂物的转变机理。研究结果表明,大尺寸的Ds类夹杂物是导致H11模具钢冲击功较低且波动较大的主要因素（试验钢室温无缺口冲击吸收功平均值由（327±3.4）J降低至（233±26.1）J）,确定了钢中的Ca含量是导致D/Ds类夹杂物超标的主要原因。结合商业热力学软件FactSage 8.2计算结果可知,当试验钢中Ca质量分数较低（<0.000 5%）时,H11模具钢中夹杂物以高熔点MgO·Al₂O₃类夹杂物为主,此类夹杂物不容易聚合长大;但当试验钢中Ca质量分数较高（0.000 9%）时,由于Ca对MgO·Al₂O₃夹杂物的改性作用导致钢中夹杂物以容易聚合长大的低熔点CaO-MgO-Al₂O₃类夹杂物为主,但是此类夹杂物很难从钢液中去除,导致了H11模具钢中Ds类夹杂物超标。同时发现,在冲击载荷作用下,大尺寸夹杂物（>10 μm）会首先从基体中脱粘并引起微裂纹,微孔周围内应力的局部集中导致了裂纹萌生和裂纹扩展,进而降低了试验钢的冲击吸收功。最后,提出通过优化冶炼工艺过程降低Ca含量是解决H11模具钢中大尺寸夹杂物超标问题的主要攻关方向。

连铸方坯是棒线类钢铁产品的主要母材,其宏观/半宏观偏析等缺陷,一定程度反映了铸坯成分分布和组织性能的不均匀,是影响高端钢材质量提升的重要因素。从二维横断面入手对铸坯内部低倍组织进行表征、分析与优化是目前铸坯内部偏析缺陷调控的主要手段;然而,铸坯内部凝固枝晶和中心偏析均具有三维空间形貌和分布特征,导致仅通过二维横断面进行研究可能会存在一定误差;同时,连铸拉坯方向（垂直于横断面）上凝固枝晶与偏析的波动特征能够更直观地反映连铸坯内部组织性能和质量沿长度方向的波动,这也是影响高品质钢连铸坯及后续产品质量稳定性的关键之一。从凝固行为特点、组织波动变化规律、中心偏析控制等3个方面总结讨论近年来连铸方坯拉坯方向的凝固行为与偏析控制研究进展。CET转变是铸坯凝固组织调控的重点,其判定依据及其与偏析相关性的研究表明,拉坯方向上CET位置存在波动性且与中心偏析形貌特征相关。液相穴内非对称流场及温度变化会造成拉坯方向凝固枝晶的波动特征以及凝固终点的周期性波动;同时,实际铸坯以及相关定性定量模型也表明了拉坯方向偏析元素的分布具有波动特征,并可以利用时间序列技术等方法展开解析。中心偏析控制技术的发展明显提升了连铸坯内部质量的均匀性;同时,也可以基于偏析表征方法及遗传行为模型从拉坯方向减少偏析的发生。将来在连铸拉坯方向,可能会对三维凝固机理、各类连铸坯波动特征、表面质量、组织表征、高拉速、智能分析预测与精细化控制等方面开展越来越多的分析。

铁矿石和焦炭在高炉内各区域的反应及特性是影响高炉炼铁效率和产量的重要因素,准确评价矿焦质量备受炼铁工作者关注。评价矿或焦冶金性能的试验方法及指标迅速发展,且部分方法已标准化,包括铁矿石软熔性能和焦炭反应性及反应后强度的试验方法等被钢铁企业广泛采用。然而,通过现有评价矿或焦冶金性能的方法及指标推算高炉技术经济指标尚存难度。原因可能在于没有充分模拟矿焦在高炉中历经还原、溶损、软化-熔融全过程的相互作用,无法对矿焦关联行为及特性进行赋值并构建评价矿焦相互作用的指标体系。因此,提出了采用焦-矿-焦分层试料,模拟矿焦在高炉内还原、溶损、软化和熔融之间关联行为及特性的荷重-热重-气体分析联动试验装置,进行矿焦耦合性能试验及评价的方法(Qisunny法)。变矿或变焦试料的试验结果表明,矿焦耦合冶金性能按间接还原区、间接还原和直接还原及软化区、熔融直接还原和滴落直接还原4个区域依次演变;性能评价指标包括各区域的温度及区间、间接和直接还原度、总间接还原度、熔融区透气性特征值、上层焦炭溶损率及溶损后强度等;焦炭的溶损反应主要发生在熔融区,上层焦炭溶损率与传统指标焦炭反应性指数相近,但其反应后强度明显高于传统指标焦炭反应后强度指数。该方法为评价矿焦冶金性能之间的相互作用、优化矿焦炉料结构提供了一种全新的选择。

为了掌握含稀土Ce的Fe-Mn-Al轻质高强钢相组成及组织性能特点,进而提高其综合力学性能,采用热力学计算和试验相结合的方法,研究含稀土Ce的Fe-Mn-Al轻质高强钢的相组成、微观组织和典型力学性能,分析900~1 100 ℃固溶处理工艺对其组织性能的影响规律。研究结果表明,试验钢在600~1 200 ℃时的相组成主要包括铁素体、奥氏体、κ碳化物、Ce₂C₃和NbC等;当温度高于865 ℃时,碳化物几乎全部溶于基体,奥氏体单相区存在于温度865~915 ℃,当温度超过915 ℃时,高温铁素体开始从奥氏体中析出,高温铁素体含量随温度的升高而逐渐升高,915~1 200 ℃温度区间是奥氏体和铁素体的两相区。热锻试验钢中奥氏体体积分数约为86.4%,只有少量带状铁素体沿奥氏体晶界分布,奥氏体晶粒约为28 μm,内部含有大量孪晶。固溶处理后,铁素体含量增加、晶粒开始粗化,大部分带状组织铁素体破碎分离,呈小颗粒状沿奥氏体晶界分布,奥氏体内部有大量孪晶,试验钢抗拉强度显著降低,塑性明显提高。固溶温度为1 000 ℃时,试验钢的抗拉强度为889.6 MPa,断后伸长率为47.1%,强塑积达到最大(42.08 GPa·%),这一方面是由于铁素体含量增加使得试验钢的塑性显著提高,另一方面奥氏体和铁素体组织两相组织分布均匀,且晶粒细小,匀细小的晶粒有利于强塑性的提高,因此相较于900 ℃固溶条件下,试验钢的抗拉强度没有明显下降,而塑性约为原来的2倍。

球团抗压强度是衡量球团能否进入高炉冶炼的主要指标之一,球团抗压强度取决于球团矿物组成及微观结构。以中关铁矿为基础造球原料,通过内配钙、镁添加剂制备低硅熔剂性球团矿。通过系统研究不同MgO含量、碱度及SiO₂含量时球团微观结构及矿物分布形态,揭示低硅熔剂性球团抗压强度的变化规律。研究结果表明,提高焙烧温度和碱度可有效提高球团抗压强度;在SiO₂含量较低时,球团矿主要靠赤铁矿连晶固结,强度变化并不明显;SiO₂质量分数升高至3.5%和4.0%时,赤铁矿结晶逐渐互联成片,连晶逐渐变得粗大且紧密,结构力较强,球团抗压强度提高。随着碱度的提高,赤铁矿再结晶较好,单独颗粒状少并且结晶互联成块状,磁铁矿减少,低硅熔剂性球团在焙烧过程中液相量增加,出现铁酸钙体系液相使球团强度提高;随着MgO含量的提高,更多的Mg²⁺进入磁铁矿相,弥补了晶格缺陷,铁酸镁含量升高并呈现针状或片状分布在赤铁矿中,抑制了焙烧过程中液相生成,在冷却过程中使得球团矿内部的气孔变小从而提升球团致密度,增强球团强度。MgO含量继续增加,磁铁矿、玻璃相含量增加,赤铁矿和铁酸钙量相对减少;又因为Fe₃O₄的增多会使Fe₂O₃的连晶性能降低,最终导致球团抗压强度的降低。为探究低硅镁质熔剂性球团提供了理论指导和参考依据。

为了控制低碳铝镇静钢中Al₂O₃夹杂物,并提升渣系对Al₂O₃夹杂物吸附能力,采用FactSage 8.1模拟计算CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO-5%FeO渣系的等黏度图和等ΔC/η(ΔC=C^s_Al2O3-C^b_Al2O3,η为渣的黏度)值线图。根据模拟计算图选取合适的五元精炼渣做Al₂O₃的吸附试验,试验研究了Al₂O₃在CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO-5%FeO渣系中的溶解速率,讨论了Al₂O₃棒浸入深度、直径、转速、渣成分以及温度对Al₂O₃溶解速率的影响,求解了Al₂O₃在溶解过程中的活化能。最后,采用场发射扫描电子显微镜(Apreo S HiVac)对氧化铝棒与熔渣接触的界面处进行微区线元素的定性分析。研究结果表明,Al₂O₃在渣中的溶解速率受诸多因素的影响;溶解速率随氧化铝棒的旋转速度、棒直径、浸入深度和温度的增加而增加;溶解速率也会随着CaO含量的增加而增加,Al₂O₃和SiO₂含量的增加而降低。溶解速率高度依赖于熔渣的黏度,渣的黏度对Al₂O₃的溶解速率呈负相关,Al₂O₃的溶解速率与浓度驱动力呈正相关。氧化铝棒溶解于渣系前,会先生成中间相CaO·2Al₂O₃和CaO·6Al₂O₃,中间相溶解在熔渣中,溶解于渣A中的表观活化能为410.9 kJ/mol。结合溶解速率图与等ΔC/η值线图进行对比,验证了Al₂O₃在渣中的溶解速率受渣物性的影响。

为了研究900~1 100 ℃不同固溶温度处理后Fe-30Mn-8Al-0.8C(质量分数,%)低密度钢的组织演变规律和力学性能,采用OM、EBSD和XRD对奥氏体晶粒的长大行为进行了分析,采用Sallars模型拟合了不同固溶温度和时间处理后的奥氏体晶粒尺寸,建立了奥氏体长大模型。采用拉伸试验机和硬度计测试试验钢的力学性能,根据拉伸试验和显微硬度试验结果,分析了试验钢的微观组织与力学性能的关系。结果表明,试验钢在900 ℃固溶处理90 min后基体组织为奥氏体,但仍存在未溶的κ-碳化物,在其他固溶温度处理后的试样碳化物完全溶解,组织均为奥氏体单相。随着固溶温度的升高,奥氏体晶粒尺寸增大,对奥氏体晶粒长大行为进行拟合分析,给出了固溶温度、保温时间与奥氏体晶粒尺寸关系模型。随着固溶温度升高,伸长率、屈服强度和抗拉强度逐渐降低,由于900 ℃试样中存在未被完全固溶的κ-碳化物导致试样提前断裂,因此在900 ℃固溶处理的试样的伸长率略低于950 ℃试样。试验钢在950 ℃固溶处理90 min后可获得最佳的强度和塑性配合,强塑积可达44.3 GPa·%。随着固溶温度升高,加工硬化率降低,导致抗拉强度的加工硬化项降低。根据Hall-Petch关系,给出了试验钢屈服强度和晶粒尺寸的关系方程,结合奥氏体晶粒长大模型,可以预测固溶态高锰高铝Fe-30Mn-8Al-0.8C奥氏体低密度钢的力学性能。

洁净钢生产是当代炼钢技术发展的主要方向,钢液碳氧积w（[C]）×w（[O]）一直是转炉炼钢特别重要的指标,也是冶金科研工作者重点关注的方向。近年来复吹转炉钢液碳氧积屡创新低,业内对碳氧积实际控制水平、钢液检化验数据颇有异议。基于经典碳氧平衡公式,分析了钢液组分对碳氧反应的活度系数影响、乳化区“钢液-气相”反应界面气相组分的热力学影响、钢液温度对碳氧反应平衡的影响、高效底吹冶炼技术和冶炼终点后搅技术对碳氧积的影响,探讨了全要素影响复吹转炉钢液碳氧积的机理和应用实践。研究结果表明,热力学分析复吹转炉钢液碳氧积平衡极限时需分析碳氧活度系数、碳氧反应吉布斯自由能、$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{CO}_{2}}\right) $（碳氧反应CO占比）和$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{Ar} / \mathrm{N}_{2}}\right) $（气相组分中CO实际氧分压）。脱碳速率较低时$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{Ar} / \mathrm{N}_{2}}\right) $理论值可降至0.80甚至更低;转炉底吹效果是影响钢液碳氧积的主要因素,顶吹转炉、平炉熔池内钢液均因未得到充分混匀搅拌致使碳氧反应远未达到平衡,碳氧积可达0.004 0,而底吹有较好动力学条件使钢液碳氧积更加趋近平衡值,大流量高强度后搅工艺可使钢液碳氧积进一步降低;温度是影响钢液碳氧反应平衡值的次要因素,低温有利于降低碳氧反应吉布斯自由能,温度每增加50 ℃,$\left(a_{[\mathrm{C}]} \times a_{[\mathrm{O}]}\right) / P_{\mathrm{CO}}$（碳氧反应活度比）增加0.000 1,低温有利于降低$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{CO}_{2}}\right) $。控制钢液碳氧积的关键为转炉冶炼终点控制和提枪等待后搅拌工艺。

探讨了钢铁工业碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的发展特征、全流程降碳体系构建以及技术进展。阐述了钢铁工业碳排放特征、碳减排技术发展现状,以及CCUS技术的发展特征,钢铁工业作为重工业的重要组成部分,钢铁生产过程中煤炭等化石燃料的燃烧导致了大量的碳排放,中国虽然近年来对CCUS的重视程度不断提升,但整体仍处于发展初期,尚需进一步完善技术和政策支持。构建“6C”体系,打造CCUS全流程一体化解决方案,详述了包括碳捕获、利用、封存、核证、监测以及资产等6个环节的技术、策略和应用案例,以及如何通过优化实现降低碳排放的目标,同时也为其他工业领域提供了宝贵的碳排放控制经验和参考。分析了钢铁工业CCUS技术在典型钢铁场景应用的进展,提出了3条碳减排路径,传统高炉CCUS路线通过对部分高炉煤气的源头碳捕集与分离进行CO循环与CO₂利用;基于目前碳捕集能耗与成本偏高问题提出末端烟气直接固碳路线降低捕集端CO₂纯度;氢冶金耦合CCUS路线通过可再生能源制氢与CCUS结合得到绿色甲醇。3条碳减排路径的实施将推动传统长流程减碳、碳源输入减少、碳资源利用与生产过程结合并实现产品高附加值利用,未来示范项目的规模化开展将实现钢铁工业CO₂内循环与跨行业利用,并提出了推动钢铁工业CCUS技术发展的建议和展望。

目前,全球铁矿石价格指数持续上浮,钢铁企业面临全球铁矿石资源劣质化以及钢铁产量需求提高的问题,对钢铁企业的稳定发展造成了巨大的冲击。宝武钢铁为落实高炉炼铁资源战略方针,拓宽矿石资源采购渠道,提高宝武矿石资源采购的话语权,宝钢股份宝山基地烧结工序逐步增加高硅型铁矿粉的使用量。但增加高硅型铁矿粉配比对于烧结矿固结机制以及复合铁酸钙形成机制影响尚不明确,因此以高比例高硅型铁矿烧结试验为基础进行研究。通过微型烧结试验、烧结杯试验和宝钢烧结机工业试验,探明高硅型铁矿对复合铁酸钙生成机理和固结机制以及烧结矿冶金性能的影响。结果表明,高硅型铁矿粉替换比例增加到12%时,同化性温度、液相流动性指数缓慢增加,但是连晶强度下降比较明显,连晶强度从1 080.72 N快速降低至745.79 N,主要与硅酸盐相的形成有关。随着反应时间、反应温度增加,SiO₂对黏结相生成的不利影响减弱;随着高硅铁矿粉替换图巴朗粉比例增加,铁酸钙含量增加,抑制了硅酸钙和铁橄榄石的生成,改善了液相黏结相的流动性,烧结产率和燃料单耗下降,但亚铁质量分数从8.7%增加到9.1%。综合考虑,最理想的高硅型铁矿粉替换比例应小于12%。研究结果可以为高硅型铁矿粉配矿烧结以及助力“经料方针”提供理论指导和参考依据。

在“双碳”目标积极推进的背景下,节能减排已经成为当前钢铁工业绿色可持续发展的重要任务之一。生物质作为可再生的碳源,应用于高炉炼铁可显著降低钢铁生产的CO₂排放。为改善生物质原料应用于高炉喷吹的冶金性能,分别采用热解炭化和水热炭化对生物质原料进行炭化提质制备生物质炭,并探究了生物质炭与煤粉混合搭配进行高炉喷吹的可行性。结果表明,生物质水热炭和热解炭的挥发分高于烟煤,当生物质炭以5%～20%比例与煤粉混合时会使混煤的固定碳含量和发热值降低,但降低幅度较小。当生物质炭配比低于20%时,混煤无爆炸性,着火点大于350 ℃,满足高炉制粉和喷吹系统的安全性能要求。生物质炭具有较好的可磨性和燃烧性,能够改善混煤的制粉性能和风口前的燃烧性能。生物质热解炭灰成分中含有较高的碱金属,造成生物质热解炭混煤的灰熔点降低幅度远大于生物质水热炭混煤。通过对生物质炭混煤方案的碱负荷变化分析发现,高炉喷吹生物质热解炭对高炉冶炼碱负荷影响大于水热炭,生物质炭配比为20%,高炉喷煤比为140 kg/t时,生物质热解炭混煤方案的碱负荷增加0.394 3 kg/t,生物质水热炭混煤方案的碱负荷增加0.006 4 kg/t。以上分析表明,生物质水热炭能够满足高炉喷吹的各项冶金性能要求;生物质热解炭由于碱金属含量高,限制了其在高炉喷吹生产中的应用,发展生物质水热炭化技术是实现农林废弃生物质资源在高炉炼铁工序高效应用的关键。

钢水与炉渣之间的界面接触面积是影响化学反应效率的关键因素之一。通过搭建水-油体系物理模型,结合图像处理技术,重现气泡穿越渣-金界面现象,研究气泡大小、渣层密度、黏度及界面张力对气泡携带金属量及渣-金界面面积的影响。结果发现,气泡尺寸增加,气泡夹带金属液滴体积及体积增长速率均增大,气泡初始直径从5 mm增大到15 mm及25 mm时,夹带量分别增加733.33%及3 611.11%。随着炉渣黏度增加和密度减少,夹带量增加,但在所研究的炉渣厚度范围内对其影响程度低。气泡穿越过程引起渣-金界面面积的变化是关注的重点。值得注意的是,渣-金界面面积随气泡尺寸增加呈先增加后减少的趋势,气泡直径从5 mm增大到15 mm及25 mm时,界面面积分别增加312.97%及113.44%。当气泡尺寸为15 mm时,油相密度由0.76 kg/m³增加到 0.84 kg/m³,界面面积增长率增加67.44%;黏度由 8.9 mPa·s增加到193.5 mPa·s,界面面积增长率减少31.39%。另外,通过数值模拟表明油表面张力、水表面张力或者水-油界面张力由0.03 N/m增加至0.06 N/m,液-液界面面积最大值分别增加2.96%、减少6.05%及减少9.14%,影响程度从高到低分别为,油-空气、水-空气及水-油界面张力。结合钢液二次精炼,选择合适的底吹气量和炉渣物性参数对精炼效率有重要作用,但由于试验材料物性参数的限制,未来建议通过数值模拟的手段,进行单参数对夹带量与渣-金界面面积的影响程度分析,提供更有效的现场指导。

连铸流程取代模铸锻造生产高端轴承钢是当前的发展趋势。为了改善GCr15轴承钢200 mm×240 mm大方坯连铸中常见的中心缩孔和中心偏析问题,借助数值模拟研究连铸坯传热与凝固进程,并通过工业试验调整拉速探究末端电磁搅拌(final electromagnetic stirrer,F-EMS)和轻压下(soft reduction,SR)对连铸内部质量的协同影响机制和效果,通过低倍酸侵观察不同工艺下铸坯的横纵截面缩孔疏松和裂纹情况,通过钻屑取样检测铸坯横截面上碳偏析分布。结果表明,拉速为0.95 m/min时铸坯凝固终点仅为13.0 m,此时提升F-EMS强度且使用轻压下虽然可以改善中心缩孔,但F-EMS也将更多高浓度钢液搅入铸坯中心,由于铸坯中心熔池宽度小,对高浓度溶质的稀释作用小,熔池难以稀释这些钢液从而使得铸坯中心偏析反而加剧。而在F-EMS电流强度为540 A、SR总压下为7 mm的工艺下,拉速提升至1.2和1.4 m/min时,铸坯内弧侧都产生了压下裂纹,且由于GCr15轴承钢连铸凝固两相区较宽,拉速为1.4 m/min时铸坯在铸机上产生裂纹的压下辊处,铸坯内部裂纹敏感区间较白亮带更靠近铸坯表面,最终导致白亮带较压下裂纹更靠近铸坯中心。拉速为1.1 m/min时,虽然中心缩孔得以控制,但中心区域出现负偏析,导致断面均质性无法控制到较高水平。而在拉速为1.0 m/min工况下,F-EMS处的铸坯中心固相率在0.1附近,在合理位置,其2号和3号压下辊处铸坯中心固相率都处于合理的压下区间0.30~0.75,铸坯横截面中心缩孔评级为0.5以内,中心偏析为1.003,碳极差为0.125%,其质量最优。

超级双相不锈钢(SDSS)因优异的耐蚀性和卓越的力学性能以及性价比高等优势,在烟气脱硫领域具有广阔的应用前景。以2507 SDSS为研究对象,利用金相显微镜、扫描电子显微镜及电化学工作站等手段,对其在不同温度(20、40、60、80 ℃)烟气脱硫冷凝液中的点蚀行为进行深入研究。结果表明,当溶液温度为40 ℃时,试验钢的自腐蚀电位(Ecorr)为-0.078 V,自腐蚀电流密度(icorr)为5.09 mA/cm²,点蚀电位(Epit)为0.956 V,阻抗谱半径最大,电荷转移电阻(Rct)为54 200 Ω/cm²,频率为0.01 Hz的阻抗模值|Z|_f=0.01 Hz为52 036 Ω,其耐蚀性最好。当溶液温度从20 ℃升高到80 ℃时,试样的Ecorr、Epit先增大后减小,icorr先减小后增大,电化学阻抗谱半径先增大后减小,Rct先增大后减小,腐蚀后点蚀坑数量先减少后增多,耐点蚀性能呈现先升高后降低的规律。分析认为这是温度对电化学过程的2个相反作用(氧含量降低的阻滞效果和离子活性增强的促进效果)的综合影响结果。当温度低于或处于40 ℃时,溶解氧的质量浓度减少,Cl^-的活性、反应能力较弱,氧含量降低的阻滞效果占主导作用。随温度升高,2507 SDSS耐点蚀性能提升。当温度高于40 ℃时,过高的温度会增强腐蚀性卤素离子的活性及其反应能力,Cl^-活性增强的促进效果占主导作用。随温度升高,2507 SDSS耐点蚀能力降低。

提出了“氢气炼钢”代替“氧气炼钢”的观点,对“氢气炼钢”的研究现状进行了总结和评价。氢冶金炼钢在节能降耗和改善产品质量方面具有独特优势。一方面,“氢”具有高效熔炼作用,能够有效降低炼钢能耗。等离子体态的“氢”具有高温、高热导率的优势,可作为高效热源实现炉料熔化与钢液加热,在电弧炉、转炉以及中间包等炼钢设备中得到初步应用。喷吹气态“氢”能够加速成分和温度均匀,且氢气泡运动能粘附和加快其他非金属夹杂物上浮;同时与钢液中的氧等反应释放大量热量,改善了熔池反应的热力学与动力学条件。此外,“氢”通过营造还原性气氛,抑制氧化,降低Cr、Mn等合金元素的损耗。另一方面,“氢”具有无污染精炼的作用,能够显著提高钢液洁净度。基于“氢”的高活性和高还原性,“氢”能够有效去除钢中O、C、N、S和P等杂质元素,尤其是等离子态“氢”,可直接与杂质元素反应生成H₂O、CH₄、NH₃、H₂S和PH₃等极易挥发去除的气体产物,避免非金属夹杂物形成,实现“零夹杂物”的高效高洁净度炼钢。因而,发展以“氢”代“碳”的氢冶金新一代绿色近零碳“零夹杂物”无污染钢铁冶金流程,将加速钢铁工业绿色高质量可持续发展,助力中国实施“双碳”与“制造强国”战略。

为了探究褐铁矿配比变化对烧结矿铁酸钙形貌及微区组成的影响,明确褐铁矿配比增加时烧结矿的转鼓强度性能变化趋势,利用FactSage 7.1热力学模拟软件计算了不同褐铁矿配比条件下混合矿的黏附粉含量及其液相生成性能,同时采用矿相显微镜结合OIA自动矿相系统和EPMA电子探针依据铁酸钙微观形貌特征不同的原理对烧结矿矿物学特征及铁酸钙微区组成进行了研究。结果表明,烧结矿黏结相主要由铁酸钙和硅酸盐组成,铁酸钙形貌以针柱状为主,纤维状为辅,纤维状铁酸钙主要形成于铁酸钙形成初期,具有SiO₂组分含量高和w（Fe₂O₃）/w（CaO）低的特点,随着铁酸钙黏结相的发展,Fe₂O₃组分含量增加,w（Fe₂O₃）/w（CaO）提高,促进了铁酸钙晶粒的发展长大,形成针柱状。当褐铁矿配比由33%增加到50%时,由于粗粒度LB矿配比增加21%,导致黏附粉质量分数降低2.16%,热力学理论模拟计算单位质量黏附粉产生液相量降低0.25%,w（Fe₂O₃）/w（CaO）降低0.3,表明褐铁矿配比增加不利于烧结矿铁酸钙的形成发展;热力学模拟计算结果与实际烧结结果相吻合,实际烧结矿中铁酸钙总量降低7.75%,其中针柱状铁酸钙质量分数降低9.78%,针柱状铁酸钙中w（Fe₂O₃）/w（CaO）降低0.68,一定程度上弱化了针柱状铁酸钙晶粒的发展,铁酸钙形貌多为细碎纤维状,铁酸钙连晶发展受限,最终导致烧结矿转鼓强度受到不利影响。

全球应对气候变化的进程在进一步加快,碳主题贸易规则和供应链碳中和要求不断提高,绿色低碳发展已成为全球钢铁行业战略竞争的制高点,同时,国内发展新质生产力要求的提出,进一步丰富了新时代下钢铁行业绿色低碳高质量发展的内涵。在此基础上,从行业顶层设计、EPD平台建设、低碳排放钢标准制订、极致能效工程推进、低碳前沿技术研发推广等5方面总结了中国钢铁行业低碳发展实践;分析了1991—2022年中国钢铁行业碳排放的历史过程,结果表明,中国钢铁行业在过去30年间取得了明显的降碳效果;通过低碳发展路线图的分析,认为中国钢铁行业已于2010年前后进入碳排放量峰值平台期并将持续到2030年,开始步入绿色低碳发展新时代;未来若合理采用各类降碳措施,行业CO₂排放量将稳步下降, 2060年钢铁行业剩余CO₂排放量约1亿t,需要进一步依靠CO₂捕集、利用和封存（CCUS） 、碳汇等手段助力钢铁行业实现“碳中和”。在此基础上,指出未来在中国钢铁行业落实“双碳”工作的进程中,产能治理与产业布局、发展全废钢电炉流程、新能源利用、颠覆性低碳技术攻关、碳管理基础能力建设等关键问题是值得引起高度关注的,并对这些问题进行了探讨分析,进而提出相应的解决措施和政策建议。

为了实现钢铁行业的绿色低碳转型,中国宝武2021年发布碳中和技术路线图,将氢冶金作为6大技术方向、2条主要技术路径之一。结合传统氢冶金需要高品位铁矿石资源紧缺的现状,2023年,中国宝武提出了资源适应性更广的氢还原电熔炼工艺（HyRESP,即Hydrogen Reduction and Electric Smelting Process）,在该工艺中,氢基竖炉是核心工艺之一。对比了高炉和直接还原用块矿、球团在富氢气氛下还原速度、低温还原粉化率等差异,结果表明,球团的还原速度和低温还原粉化指标均优于块矿,但不同品位球团指标差异较大。同时研究了球团在不同含氢气体下还原膨胀率的差异,结果表明,随着还原气中氢气比例的提高,球团还原膨胀率呈现降低的趋势,氢气体积分数由55%提高至100%时,P1球团还原膨胀率由16.05%降低至9.32%。结合上述5种炉料的氢还原性能,对比直接还原竖炉的相关标准,只有P3球团可100%使用,其余4种需要通过配矿、气体成分调整等才能满足竖炉要求。研究结果为湛江百万吨级氢基竖炉投产及生产调整提供了基础数据。

30Cr13是一种优秀的刀具用马氏体不锈钢,连铸技术的发展使其生产效率大大提高。拉速是连续铸钢过程中一个重要的工艺参数和技术指标,当连铸拉速不适当时,极易形成大量分布不均匀的碳化物,而碳化物的尺寸和分布是影响连铸板坯质量的关键因素。以30Cr13连铸板坯为研究对象,利用电镜、光镜、X射线衍射技术等,对拉速为0.75、0.80和0.85 m/min的连铸板坯中不同凝固组织处碳化物的形状、尺寸和类型进行了分析统计。结合凝固组织形貌研究了拉速对30Cr13连铸板坯中碳化物的影响,总结了拉速对碳化物影响的规律。研究表明,碳化物的主要形状为簇状、块状和条状,主要组成元素为铁、铬和碳,并确定了碳化物的主要类型为(Fe,Cr)₇C₃和(Fe,Cr)₂₃C₆。发现“白亮带”处无碳化物存在,在“白亮带”之间的试样中出现了大量碳化物,连铸板坯中心处碳化物最多。拉速对碳化物的形状、类型和存在位置影响较小,而对碳化物的数量、尺寸影响较大。随着拉速的增大,碳化物总面积占比和数密度先减小再增大,在拉速为0.8 m/min时连铸板坯中碳化物面积占比和数密度最低,这一变化与不同拉速下碳偏析指数偏离正常值的程度趋势相同。随着拉速的增大,小尺寸碳化物占比逐渐增大,大尺寸碳化物占比几乎为0。采用0.80 m/min的拉速可以很好地控制连铸板坯中碳化物的尺寸分布,改善连铸板坯的质量。

全废钢电弧炉冶炼过程中缺失C-O反应,加之熔池呈浅碟型,单一搅拌方式搅拌强度低,反应动力学条件差,是制约电弧炉高效冶炼的主要原因之一。为了改善电弧炉冶炼过程熔池内动力学条件、提高冶炼效率,采用物理模拟方法,研究了单一搅拌方式形成的流场特性,在此基础上进一步探究了不同复合搅拌组合条件下熔池混匀与界面传质特性,探究最佳的复合搅拌方式。研究结果表明,氧气射流、侧吹形成的流场相似,主要分布在熔池上部和中上部,复合搅拌不能消除单一搅拌形成的弱搅拌区域;底吹形成的流场可以贯穿整个熔池,但在远离流股中心处和底部仍然存在弱搅拌区域,与射流复合搅拌可以大幅提高搅拌效果,平均混匀时间为53～86 s。在射流和底吹复合搅拌的死区部位添加侧吹喷枪,形成“三元”复合搅拌,可以进一步强化熔池搅拌效果,平均混匀时间为31～68 s,远低于“二元”搅拌,但熔池内部混匀效果与钢-渣界面传质效果对搅拌工艺参数要求并不一致,甚至相反。综合在“三元”搅拌条件下的冶金效果,1组和5组综合冶金效果最佳。

脉冲磁致振荡(Pulse Magneto-oscillation,简称PMO)是上海大学先进凝固技术中心原创的凝固均质化技术,该技术成功已应用于多家冶金企业数十种特殊钢生产,在改善铸坯质量方面取得了理想效果。高速工具钢(简称高速钢)作为一种高合金钢,其铸态组织中树枝晶组织及共晶碳化物发达,宏观偏析严重,不仅影响了其质量和性能,同时制约了该类钢种采用连铸工艺生产。为了探究PMO改善高速钢凝固组织的可行性,采用双电源真空感应熔炼装置,研究PMO对其枝晶组织、共晶碳化物的影响。研究结果表明,在PMO作用下,高速钢铸态组织中粗大的柱状晶组织转变为全等轴晶组织,并且共晶碳化物网交汇区及共晶碳化物颗粒平均尺寸大幅度减小,碳化物分布均匀性得到显著改善。PMO对4个钢种的共晶碳化物网交汇处尺寸有明显细化作用,以M2高速钢共晶碳化物网交汇处尺寸细化程度为例,1/8D、1/4D和1/2D(D为铸坯径向直径)处的碳化物交汇处的平均尺寸较未施加PMO处理的铸锭依次减小48.5%、47.1%和43.4%;同时,PMO可以进一步细化共晶碳化物颗粒尺寸,以M2Al高速钢为例,1/8D、1/4D和1/2D处的共晶碳化物颗粒平均尺寸依次减小49.1%、54.5%、40.2%。研究结果为提高高速钢铸态质量提供了一种新思路及新方法,并有助于高速钢实现连铸和避免高速钢大变形量压力加工过程中产生开裂现象,为改善高速钢连铸过程中遇到的心部碳化物聚集、粗大碳化物等问题提供了一种新的方向。

无碳化物贝氏体钢（carbide-free bainitic steel,CFB steel）由于存在精细的贝氏体微观结构和残余奥氏体结合,因此展现出良好的强塑性平衡。然而,这种优异的力学性能通常是添加高碳含量并结合额外的贝氏体等温处理来实现,这不仅恶化焊接性能,而且也不利于经济成本和生产效率。为了克服这种缺点,通过热轧后的卷曲冷却过程代替了传统的贝氏体等温处理,设计了2种热轧低碳CFB钢,其微观结构分别为铁素体+贝氏体（命名为F-B钢）和完全的贝氏体（命名为B钢）。研究了这2种钢的微观结构和力学性能之间的关系。F-B钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断裂应变分别为（575±8） MPa、（853±12） MPa、19.0%±0.1%和0.63±0.03。相对比F-B钢,B钢展现出稍低的伸长率,为14.7%±0.2%,而屈服强度、抗拉强度和断裂应变明显提高,分别为（772±11） MPa、（1 160±10） MPa和0.78±0.02。其中B钢展现出更高的屈服强度和抗拉强度主要归结于其完全的贝氏体结构,其可以实现类似于位错强化、细晶强化和第二相强化的作用。此外,进一步详细地研究了它们的变形与损伤行为。结果表明,F-B钢中由于存在铁素体和含量多且更稳定的残余奥氏体,其促进了更持久的加工硬化能力,这是其具有更高伸长率的关键。而B钢由于具有更均匀的微观结构和更低的碳含量,因此变形过程中有助于微观应变的分布均匀,这有利于抑制变形损伤的形成,从而促进断裂应变的提升。

奥氏体不锈钢中的残留铁素体对其使用性能有着重要影响,而残留铁素体特征主要与成分、冷却速率和凝固模式有关。研究了高镍含量316L奥氏体不锈钢连铸方坯,其成分位于共晶点附近,凝固模式容易发生改变。采用金相显微镜（OM）、image-pro-plus软件计算等方法,探究316L奥氏体不锈钢连铸方坯沿厚度方向残留铁素体特征及分布规律。结果表明,残留铁素体沿厚度方向呈现短棒状、颗粒状、骨骼状和网状结构,其铁素体分布情况与板坯中“M”形分布相似。铸坯表面到距铸坯表面55 mm处,铁素体体积分数在2%左右波动,在距铸坯65 mm处,铁素体体积分数增加到最高值（4.77%）,随后75 mm处铁素体体积分数又突然降低,从75 mm到中心铁素体体积分数有增加趋势。使用电子探针（EPMA）分析发现,Cr、Ni、Mo、Si、Mn等元素都出现了不同程度的微观偏析现象,同时发现由铁素体通过固态相变形成的二次奥氏体还保留部分铁素体的成分特征。使用热力学计算软件（Thermo-Calc）计算了Fe-Cr-Ni三元相图以及铸坯边部和中心的平衡凝固过程,计算结果表明,铸坯边部以FA模式凝固,铸坯中心以AF模式凝固。通过残留铁素体形貌判断的凝固模式与热力学计算结果不同,铸坯在边部和中心以AF模式凝固,在柱状晶区出现了以FA模式凝固的骨骼状铁素体。最后分析了残留铁素体分布的形成机理,表面细晶区铁素体体积分数较少,这是由于表面凝固模式为AF模式;在距铸坯表面65 mm处铁素体体积分数增加到最高值,这是由于凝固模式发生了由AF模式向AF+FA模式的转变;75 mm处铁素体体积分数降低,这是由于凝固模式又转变为了AF模式;从75 mm处到铸坯中心,等轴晶结构和冷却速率降低使得固态相变所需的扩散距离增加,导致铁素体体积分数增加。

在汽车制造业的快速发展背景下,对冷轧板和镀锌板等产品的要求不断提高,市场期望实现“零缺陷”的质量水平。在高等级汽车用钢连铸过程中,水口堵塞问题及其对最终产品质量的潜在影响,已成为该领域亟待解决的重点。以超低碳汽车板为研究对象,综合分析了国内外结晶器流场实时监测技术进展及偏流控制措施,为高品质汽车板稳定生产提供理论与实践支持。针对连铸过程中结晶器内偏流流场的问题,探讨了量化评估方法,如通过计算水口堵塞系数和对称指数S,为预测和控制铸坯质量提供了科学依据。此外,还介绍了利用热电偶温差和光纤传感器进行温度测量的实时监测技术,为连续铸钢过程中的质量监控和工艺优化开辟了新途径。为有效控制结晶器内偏流现象,详述了多种先进控制技术,包括电磁控制、水口通电技术以及电磁旋流水口等技术,这些技术通过调节钢液在结晶器内的流动分布,有效抑制了流场偏流。进一步展望未来,强调了外加电场在调控钢液中夹杂物行为、提高钢水洁净度方面的广阔应用前景。此外,指明了探索外加电磁场技术在增强浸入式水口防堵塞与优化结晶器流场方面的潜在价值,将对实现更高效、更高质量的汽车用钢生产具有深远意义。