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。

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。

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。

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。

高拉速是板坯连铸领域的研究热点,对连铸装备设计、生产工艺、产品质量、成本控制、节能降耗等均有直接影响。对比来看,中国常规板坯连铸高拉速指标和国外仍有一定的差距,但一些企业率先完成了拉速高于1.8 m/min的探索,部分铸机已达到甚至超过了2.0 m/min先进水平。板坯高拉速连铸是一项系统工程,需要相关的配套技术才能实现高效、安全、稳定的生产,如浸入式水口结构和工艺参数、结晶器振动、保护渣、结晶器冷却、电磁控流、液位波动补偿等工作都有必要进行针对性的设计和优化。大量研究表明,结晶器内钢水的稳定流动和传热与坯壳均匀生长及其良好润滑是影响板坯高拉速连铸顺行和产品质量的关键因素。目前的技术水平下,板坯高拉速连铸主要集中在低碳钢和过包晶钢的生产中,而亚包晶钢和高碳钢的拉速虽有提高,但仍与前者有一定差距。高拉速连铸因钢种、坯型、设备、操作和技术水平的差异而具有不同的定义,不同时代的高拉速水平也大有不同。高拉速结晶器冶金技术是板坯高效连铸的核心保障,相关内容和结论可为业内学者和技术人员开展高拉速连铸工作提供理论和技术参考。

钢铁工业在经济社会发展过程中占有十分重要的地位。随着中国钢铁产量的持续增长,钢渣的后续处理问题日益突出。由于钢渣稳定性差、耐磨性高和胶凝性低等问题,钢渣的处理和资源化利用受到限制,大量钢渣被堆放处理,不仅占用土地资源,而且可能对周围环境造成危害。在“绿色可持续发展”和“碳中和”背景下,为满足现代钢企对环保和资源再利用的迫切需求,发展钢渣的处理和资源化利用技术势在必行。综述了钢渣处理技术和资源化利用的研究进展,总结了目前主流的钢渣处理工艺,包括预处理工艺、钢渣改性工艺和湿法处理工艺。详细阐述了不同处理工艺的技术特点、资源回收及产品潜在的应用途径,分析对比了不同处理工艺的技术优势。此外,还讨论分析了钢渣应用于环境修复领域的探索和研究进展,指出了钢渣在该领域的应用潜能和未来的研究方向。中国钢渣资源化利用仍面临着预处理和高质化应用领域拓展技术突破等诸多问题。旨在通过对钢渣处理技术以及资源化利用的综述分析,提出未来钢渣研究在关注显热的充分利用、铁等有价资源回收的同时,更应着重关注和加强钢渣成分和物相演变调控等基础研究。在此基础上,应锚定环境修复、新材料及高值化产品的制备等方向开发新技术,拓展钢渣高质化利用,提高钢渣综合利用率。

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。

钢铁工业是能源消耗和碳排放的主要行业之一。在全球双碳背景下,人们对气候变化和环境保护意识的提高以及碳税政策的强化,深度加剧了钢铁行业的碳减排压力。综合考虑资产保值、技术成熟程度等因素,开发高炉工艺的低碳技术来减少碳排放是最直接有效的技术措施。介绍了国内外主要的高炉低碳冶金的技术路线和发展方向,并对中国近年来的高炉低碳冶炼示范项目进行了总结。高炉富氢工艺是现阶段工艺技术改进的首选方向,但其碳减排的幅度有限,仅可实现减少CO₂排放10%~30%,不能从根本上解决高炉碳排放高的问题。针对这一问题,提出了一种高炉源头生物质减碳-过程富氢降碳-末端CCUS固碳全过程低碳冶炼工艺,并对其各个路线的关键技术进行了深入分析,获得了3种工艺路线的降碳成本及减排潜力,认为全过程低碳冶金将是未来钢铁行业发展的重要方向,具有较高的技术可行性和减排效果。将推动钢铁行业向更加清洁、高效的方向发展,实现双碳目标的同时保持经济发展的持续性,并展望了中国高炉低碳路线的未来前景。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

为了满足汽车主机厂用户对高强双相钢提出的多元化需求,通过合理的化学成分设计和工艺调控,获得F/M和B/Ar两种不同微观组织特征的高强双相钢,并采用SEM、TEM、拉伸和扩孔等试验手段,研究了F/M和B/Ar两种高强双相钢的工艺设计原理和微观组织形貌特征,分析了力学性能的影响因素。结果表明,F/M双相钢的退火温度810 ℃在（A_C1+A_C3）/2±8 ℃范围内（A_C1和A_C3分别为加热时奥氏体转变开始和结束温度）,主要由47%铁素体、46%马氏体及7%的块状残余奥氏体所组成,铁素体存在再结晶铁素体和先共析铁素体两种形态,晶粒尺寸分别为2.5~4.0 μm和1.0~2.5 μm;B/Ar双相钢是将退火温度设置在单相奥氏体区温度900 ℃,显微组织主要由84%的贝氏体和16%的第二相残余奥氏体组成,其中贝氏体是以原γ晶粒为基准相变而成,残余奥氏体呈片层状或是不连续块状特征。F/M和B/Ar双相钢在微观组织形貌上存在明显差异,其在变形过程中各相组织之间的协调变形作用各不相同,从而对其力学性能产生影响。两种工艺调控均可将抗拉强度控制在1 000 MPa级别,基体中均弥散分布着直径为4~13 nm的纳米级VC析出相粒子,其沉淀强化量超过220 MPa,并与高密度位错相互作用,最终提高材料强度和塑性。其中F/M双相钢抗拉强度为1 035 MPa,同时具有较高的断后伸长率,达到18.7%;B/Ar双相钢抗拉强度比F/M双相钢增加111 MPa,达到了1 146 MPa,强塑积达到19.83 GPa·%,并且具有高屈强比和扩孔率,两者分别为0.709和38%。

钢包浇注末期,当钢液面降低到一定高度时,由于钢液的黏性、初始切向速度和科氏力的相互作用,钢包内会形成漏斗状的汇流旋涡。旋涡一旦贯通到水口会把钢水上方的炉渣和空气卷入到钢水中污染钢液,因此在生产中需准确把控旋涡的产生和贯通高度,以便在形成旋涡时及时关闭浇钢口。另一方面通过优化钢包工艺参数从而使旋涡延迟产生也可减少钢包留钢量,提高金属收得率。针对双水口钢包浇注末期旋涡的特性和影响因素研究很少。以一个服役的150 t双水口工业钢包为原型,基于相似原理,采用有机玻璃制作了1∶3.5的钢包物理模型,通过水模拟方法研究了钢包静置时间、初始液位高度、水口位置、水口结构、底吹搅拌和阻旋装置等因素对浇注末期旋涡形成过程的影响。结果表明,钢液静置时间和初始液位高度对旋涡高度无明显影响,而水口位置对旋涡的起旋高度影响较大,对贯通高度几乎无影响。当2个水口偏心率分别为0.60和0.83时,旋涡的起旋高度最小,为17 mm。与漏斗形水口相比,正方形水口可以降低旋涡的起旋高度。另外,在本试验条件下,增加底吹搅拌操作对控制旋涡不利,而在距离包底中心0.6R（R为钢包底半径）处,靠近2个水口连线处安装阻旋装置会降低旋涡的起旋高度,有利于抑制旋涡的产生。

系统性分析了钢铁厂烟气中CO₂捕集利用特点。在首钢京唐开发了炼钢厂废气中二氧化碳的资源化利用技术,将石灰窑尾气中捕集的CO₂应用于转炉顶底复吹工艺中发挥冶金作用。通过PSA变压吸附法和液化提纯法,将石灰窑尾气中CO₂体积分数由23.5%提高至99.8%。通过转炉顶底复吹CO₂系列试验,研究了CO₂对转炉终点碳氧积、炉渣TFe含量、氮含量、热量及炉底侵蚀的影响。转炉顶吹CO₂和O₂混合气体时,CO₂体积分数为8.1%时,碳氧积、炉渣TFe和脱磷率达到最好结果。转炉底吹CO₂时,转炉终点氮含量随着CO₂喷吹时间的延长而降低。转炉底吹CO₂需与氩气进行切换,冶炼末期底吹CO₂导致CO分压升高,底吹CO₂时间控制在12 min以内可以避免碳氧积和炉渣TFe含量升高。吨钢喷吹1 m³ CO₂引起熔池平均温降6.4~8.3 ℃,热量由钢液转移至转炉煤气CO中。为了利用底吹CO₂的冷却效应保护底吹枪,提高CO₂和钢液碳的反应率,CO₂应在高速脱碳期吹入;同时,为了避免CO₂的弱氧化性侵蚀耐火材料,吹炼末期低碳范围避免喷吹CO₂,末期CO₂和钢液反应产生的金属氧化物导致耐火材料侵蚀更快。

在智能制造的背景下,企业中传统冶金锯片的缺陷检测存在实时性不足、漏检误检率高和精度低等问题,难以满足现代工业的需求。提出了一种改进深度迁移学习的冶金锯片缺陷检测方法。首先,通过提取目标域的特征信息,以余弦相似性作为评价指标,从源域中选择与缺陷数据集相关性高的源域样本作为训练对象,对其进行预训练;然后,在YOLOv7算法中引入条件参数化卷积（CondConv）模块,显著提升了推理效率;同时提出了一种高效层聚合网络（ELAN-CA）,优化了特征之间的空间信息融合,从而增强了网络性能;其次,通过引入全新的特征模块（AFPN）,有效整合了不同尺寸的缺陷信息;最后,基于改进深度迁移检测算法与Mysql数据库相融合开发了在线冶金锯片表面缺陷检测系统,能够实时进行多种方式缺陷检测,并对检测信息进行存储与分析,便于实时统计锯片缺陷信息,提升了检测的灵活性和适应性。所改进算法将冶金锯片缺陷的检测精度提升至93%,相较于基础网络,参数量降低了约46%,准确率和平均精度均值A均提高了5.2%,能够满足冶金生产现场对缺陷实时检测的要求,显著提高了质量控制的快速反应能力,减少了人工检测的误差和劳动力成本,为产线质量检测的全自动化和智能化提供了重要的技术支持。

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。

高炉工序是全球钢铁生产节能降耗的重点工序。烧结优化配矿是高炉炼铁降本降耗的核心。国内外研究从铁矿粉特性、烧结杯试验、数学模型等多个角度进行了大量的工作。铁矿粉常温特性获取成本低,是国内外钢厂实际使用最多的方法,但在原料条件变化大的情况下还需要考虑铁矿粉高温特性对烧结配矿的影响。通过铁矿粉特性进行矿粉搭配,仅在理论上满足了配矿需求,而烧结杯试验可以对铁矿粉性质或烧结原料工艺的理论分析结果进行有效验证,避免实际生产中的烧结矿产质量出现较大的偏差。烧结杯试验的不足在于试验设备要求高,时间及人力成本高。为了降低试验成本与现场工作强度,研究者们结合理论分析与现场生产条件,开发了基于数学规划或智能算法的烧结优化配矿模型。目前的烧结优化配矿模型对烧结工艺以及烧结矿高温冶金性能考虑少,限制了模型的降本潜力。从铁矿粉特性、烧结杯试验、烧结优化配矿模型构建等方面对烧结优化配矿技术进行了展望。收集大量铁矿粉数据并建立铁矿粉数据平台,开发符合原料与生产条件的铁矿粉动态评价方法,减少试验成本并实现铁矿粉的准确评价。在铁矿粉特性与现场实际生产等数据基础上,精心设计烧结杯配矿试验方案,在最小的时间人力成本下获得最有效的烧结杯试验研究结果。烧结优化配矿模型的研究重点包括烧结工艺与烧结矿高温冶金性能的高效利用。从钢铁厂铁前系统数据与生产条件出发,构建基于现场烧结原料特性、烧结操作、烧结矿常温与高温冶金性能、烧结-高炉状态等历史数据的烧结优化配矿模型,最终实现稳定烧结矿质量并降低生产成本的烧结优化配矿。

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。

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。

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。

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。

焦炉煤气零重整-直接还原工艺对于钢铁企业的绿色转型具有重要意义,节能减排效果显著。由于该工艺的还原气体组成具有较高的φ（H₂）/φ（CO）和一定量的CH₄气体,模拟该工艺的还原气氛条件,探索不同条件对球团矿还原过程中的还原性、抗压强度、还原膨胀率和整球率等冶金性能指标的影响,这对该工艺的顺行和节能具有重要意义。研究结果表明,随着反应温度的增加,球团矿的还原度、碳含量、膨胀率增加,抗压强度和整球率降低。还原温度由850 ℃增加至950 ℃后,碳含量的增加使还原反应后期球团矿膨胀和碎裂趋于严重且最大膨胀率对应的还原度由40%~50%变化至60%左右。利用H₂等量替代CO后,在反应前期由于还原速率的提高,球团矿的膨胀率逐渐增加,抗压强度和整球率降低;在反应后期,由于H₂对铁晶须的生长和碳沉积现象的抑制作用,球团矿的膨胀率降低,抗压强度和整球率升高。利用N₂等量替代CH₄,球团矿的还原度、碳含量和膨胀率均降低,抗压强度和整球率增加。当球团矿的还原度高于40%后,φ（CH₄）对各项冶金性能的影响程度逐渐增加。球团矿的还原时间为20~40 min、还原度为60%~80%时,对应的各项冶金性能的变化达到极值,生产过程中应对该区域内球团矿的指标予以关注。CH₄的析碳过程对球团矿的冶金性能存在一定的劣化作用,应控制竖炉内CH₄含量。

电渣重熔是一种利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的净化钢液手段。因为其冶炼产品具有金属洁净、组织致密、成分均匀、表面光洁等优点,广泛应用于高端金属材料制备。为了保证熔渣的导电性,电渣渣系均含有一定CaF₂,冶炼过程挥发严重,污染环境;氟化物挥发造成渣系成分波动大进而影响冶炼过程和产品质量。从渣系组成、冶炼环境、热力学和动力学几方面出发,讨论了影响渣系中氟化物挥发的因素,探讨了降低氟化物挥发的有效方法。重点介绍了CaF₂、w（（CaO））/w（（SiO₂））、w（（CaO））/w（（Al₂O₃））对渣系挥发的影响。降低渣中CaF₂含量、增大w（（CaO））/w（（SiO₂））、减小w（（CaO））/w（（Al₂O₃）） 可有效减少渣中氟化物挥发;讨论了利用碱金属氧化物（Li₂O、Na₂O、K₂O）、TiO₂、B₂O₃代替CaF₂开发低氟渣的可能性。利用Na₂O、TiO₂、B₂O₃等代替CaF₂是未来低氟/无氟渣开发的重要方向之一;综述了冶炼温度和环境湿度等对含氟渣系挥发的影响规律。降低冶炼温度、提高升温速率、对渣系预熔和保持干燥均可有效抑制氟化物挥发;基于电渣冶金渣系挥发热力学和动力学研究现状,介绍了炉渣分子离子共存理论计算渣系组元活度的适用性,总结了渣系挥发的动力学机理,归纳了电渣重熔过程中含氟渣挥发的限制性环节。分子离子模型对常见渣系组元活度计算具有很高的准确性,对其他特殊渣系的适用性还有待进一步验证。未来渣系挥发动力学研究应重点关注参与挥发反应的阴阳离子由本体向反应界面传质过程,以及反应生成物的形核、长大、气泡化的过程这2个限制性环节,以减少氟化物挥发。

在无取向硅钢中,微细夹杂物及析出物会严重恶化材料的铁损和磁感应强度。以某企业生产的高牌号无取向硅钢23W1700为研究对象,通过对生产全流程的夹杂物进行研究,采用扫描电子显微镜和能谱仪对夹杂物的形貌、种类和尺寸进行分析并对铸坯中析出相进行计算。结果表明,在无取向硅钢生产过程中,在RH （Ruhrstahl Heraeus）真空精炼处理加铝后,夹杂物主要为AlN,还有少量的Al₂O₃及其复合夹杂物;RH加稀土后,夹杂物会转变为ReS夹杂物,同时外部包裹少量的AlN夹杂物;加脱硫剂后,主要以小尺寸的Re₂O₂S为核心且外部包裹AlN的复合夹杂物为主;在中间包浇铸过程中,发现了以ReAlO₃或Re₂O₂S为核心且外部包裹AlN的复合夹杂物;在铸坯中,发现了球状的MgS,同样发现了与中间包有相同成分的ReAlO₃或Re₂O₂S为核心的夹杂物,两者只是成分略有差异。在整个冶炼流程中,随着钢液稀土含量的逐步降低,稀土夹杂物的变化趋势主要为ReS→Re₂O₂S→ReAlO₃。夹杂物平均尺寸主要为2~4 μm,其中RH加稀土前夹杂物尺寸最小、RH加稀土后夹杂物尺寸略有增加,RH处理结束后夹杂物尺寸趋于稳定,最终铸坯中夹杂物尺寸为2.9 μm左右。利用计算软件Thermo-calc对钢液中夹杂物的析出进行计算,热力学计算结果表明,钢液未凝固时,其夹杂物主要为Al₂O₃,待钢液全部凝固后,会依次析出Ce₂O₂S、Ce₂S₃、AlN、MnS,这也与试验得到的夹杂物类型较为相符。

废钢的高质化利用是中国钢铁行业实现绿色低碳发展以及“碳达峰”“碳中和”的重要途径。分析了国内外废钢利用现状及中国钢铁行业废钢利用存在的问题;采用动态物质流分析方法预测了中国碳中和目标下废钢资源量及社会钢铁蓄积量变化情况,结果表明,2030年中国预期实现碳达峰时,社会钢铁蓄积量有望达到150亿t以上,随后由于钢需求量的逐渐下降和各下游行业发展趋于稳定,蓄积量的增长速度也会缓慢下降。2040年以后,中国的社会钢铁蓄积量将维持在200亿t左右,届时人均钢铁蓄积量将与欧美等发达国家持平。随着钢铁社会蓄积量的持续增加,未来废钢资源量不足的问题将得到缓解,2040年以前中国的废钢资源量将迎来一段稳定发展时期,2050年以后,由于社会发展趋于稳定和钢铁需求量的逐渐下降,废钢资源量也将呈现出下降的趋势;从废钢在高炉-转炉流程和电炉流程的利用角度分析了中国钢铁生产流程变化以及废钢利用对钢铁行业节能降碳的影响,结果表明,无论是在长流程还是短流程中,提高废钢使用比例均能显著降低吨钢综合能耗和二氧化碳排放;指出推进废钢资源的高质化利用要从完善和健全废钢回收利用体系、提高废钢分类和预处理能力、拓宽使用场景提高废钢利用、推动税收优惠措施等方面入手,从而提高废钢资源循环利用效率,助力碳中和目标实现。

304不锈钢常用硅铁合金进行脱氧,然而,这种硅铁合金通常含有一定量的铝,导致夹杂物中Al₂O₃含量增加,并促进尖晶石夹杂物的形成。实际工艺中,完成脱氧后常进行钙处理。因此,在进行稀土处理时需要考虑钙处理对稀土的影响。通过工业生产试验,采用系统取样、SEM-EDS检测、热力学计算等手段,研究了稀土处理、钙处理以及钙处理后再进行稀土处理工艺对304不锈钢夹杂物的影响规律和机理,并与未进行合金化的工艺进行了对比。通过热力学计算重点分析了不同钙含量对稀土夹杂物Ce₂O₃和Ce₂O₂S形成的影响。研究结果显示,在未进行钙和稀土处理的正常条件下、稀土处理条件下、钙处理条件下、钙处理后再进行稀土处理条件下,精炼后钢中典型夹杂物分别为Al₂O₃-SiO₂-MnO（+MnS）、（Ce, La）₂O₂S+（Ce, La）₂O₃-Al₂O₃-SiO₂、Al₂O₃-SiO₂-CaO和（Ce, La）₂O₂S+（Ce, La）₂O₃-Al₂O₃-SiO₂-CaO类夹杂物。连铸坯中典型夹杂物分别为Al₂O₃-SiO₂-CaO-MnO（+MnS）和MgO·Al₂O₃、（Ce, La）₂O₂S+（Al₂O₃）-SiO₂-（Ce, La）₂O₃、Al₂O₃-SiO₂-CaO-MgO（+MnS）、（Ce, La）₂O₂S+Al₂O₃-SiO₂-CaO-MgO-（Ce, La）₂O₃类夹杂物。精炼后,稀土处理显著增加了夹杂物密度,对夹杂物平均尺寸影响较小,而钙处理后再进行稀土处理相比于单独钙处理,夹杂物密度略有增加,平均尺寸变化不明显,稀土处理后夹杂物的尺寸则很大程度上继承了母体夹杂物的尺寸。从精炼到连铸坯过程中,Heat 1、Heat 2、Heat 3、Heat 4夹杂物数量密度分别降低了53.8%、56.7%、52.0%和31.1%,夹杂物平均直径分别增长了29.3%、23.3%、56.1%、43.3%。此外,钙处理和稀土处理均能有效降低夹杂物中Al₂O₃的含量,防止MgO·Al₂O₃的生成。热力学计算结果表明,随着钙含量的增加,钢液中稀土夹杂物Ce₂O₃的形成受到抑制,而Ce₂O₂S的形成受到的影响不大。

钢铁工业是中国能源消耗和碳排放大户,发展能耗及碳排更少的电弧炉短流程炼钢,是钢铁工业实现“碳达峰、碳中和”的重要抓手,进一步推动电弧炉低碳高效智能冶炼已经成为整个钢铁行业面向未来转型发展的重要内容。分析并阐明了电弧炉低碳、高效、智能冶炼技术所存在的技术瓶颈,介绍了国内外相关工艺技术发展现状及宝钢湛江钢铁零碳示范线及宝钢电弧炉流程生产高品质钢的研究进展,并对电弧炉炼钢技术的未来发展方向进行了展望。截至目前,通过使用绿色原料与能源,降低能耗物耗,强化能量输入,促进熔池内的化学反应与开发相关工艺模型已有效提高电弧炉的低碳化、高效化、智能化水平;但仍然存在着诸多问题,如固态炉料熔化缓慢,终点钢水过氧化严重,钢中有害元素与残余元素难以有效脱除,能量利用效率普遍偏低,在线检测与控制手段缺乏,冶金反应机理尚不明晰等。在未来,随着电弧炉生产原料的多样化与设备的大型化,提高电弧炉能量效率,增强熔池搅拌效果,改良炉渣反应性与发泡性等单元技术的重要性应得到进一步重视,对电弧炉生产流程与配套装备的优化需要进一步推进,开发一系列检测技术和适用于绿色原料的生产模型,成为实现电弧炉低碳高效智能冶炼的重要目标。推动相关技术进步,实现大型电弧炉绿色高效低耗智能生产高品质钢是整个钢铁行业面向未来转型发展的必由之路。

连铸过程借鉴轧钢过程的轧制大压下思路,在连铸二冷区对高温铸坯单点施加不低于20 mm大压下量是解决铸坯中心疏松等内部缺陷以及提高钢板性能的重要技术手段,也是近年来连铸技术研究的热点领域。实施大压下功能需要大辊径的铸轧辊,辊子与二冷区板坯连续、高温、低转速接触,服役环境恶劣,铸轧辊的冷却方式是影响大压下效果、辊子寿命及铸坯表面质量的关键因素。采用ABAQUS有限元软件构建铸轧辊二维传热模型,模拟铸轧辊“双面喷水”、“单面喷水”、“单面喷2倍水”3种冷却方式下辊面及内部整体温度变化规律,可知“双面喷水”和“单面喷2倍水”2种冷却方式下,一个辊动周期内铸轧辊辊内温度不超过100 ℃所占比例相等,即辊子冷却效果相当,可以保证整个铸轧辊多数时间在低温工作状态,可提高辊子寿命。工业试验中,“双倍喷水”冷却方式的冷却水会大量滴落存积在大压下前铸坯表面,局部温度快速降低进入高温低塑性区,实施大压下后易造成表面裂纹。因此,实际生产采用“单面喷2倍水”的冷却方式,解决了大压下前铸坯表面冷却水滴落存积的问题,铸轧辊使用寿命高,铸坯无裂纹率。该研究对大辊径铸轧辊的冷却模式设计提供了很好的思路,为二冷区板坯大压下工艺技术的开发及应用打下了基础。

采用钙处理来改善铝脱氧DZ2高速铁路车轴钢在连铸过程中的可浇性。为此,向钢中添加不同含量的钙,并利用扫描电镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）观察和统计冶炼过程和连铸坯中夹杂物的形貌、类型和尺寸,通过这些观察和统计结果研究钢中夹杂物的演变规律以及钙含量对夹杂物的影响。研究表明,低喂钙量钢A和高喂钙量钢B的冶炼过程中夹杂物的演变规律大致相同。从LF结束到中间包这一阶段中,夹杂物由低CaO含量的Al₂O₃-CaO-MgO类夹杂物逐渐转变为高CaO含量的CaO-Al₂O₃-MgO类夹杂物,但是在钢B的中间包中还存在较多的CaO类夹杂物。在钢A的连铸坯中,夹杂物主要为在钢液降温和凝固过程中形成的小尺寸、低CaO含量的Al₂O₃-CaO-MgO类夹杂物,只存在少量来源于精炼过程中的大尺寸（>10 μm）、高CaO含量的CaO-Al₂O₃-MgO类夹杂物。而在钢B的连铸坯中,夹杂物主要为钙处理后形成的CaO类夹杂物,且这些夹杂物的尺寸较大。在钢A和钢B中,夹杂物的类型和尺寸存在差异的原因与钢中钙含量有关。只有合理的钙含量才能将钢中的Al₂O₃类夹杂物改质为纯液态夹杂物,过高的钙含量会导致CaO和CaS类固态夹杂物的出现。FactSage热力学软件的计算结果表明,在DZ2车轴钢中,钙处理时钢中的最佳钙质量分数为0.000 5%~0.001 8%。需要谨慎地进行钙处理来确保钢液的可浇性,同时也需要优化冶金工艺来去除钙处理后以及在其他精炼阶段形成的大尺寸液态CaO-Al₂O₃-MgO类夹杂物。

钢铁行业是典型的高耗能、高排放行业。近些年来,中国钢铁行业发展迅猛,目前已经是世界上最大的钢铁生产国和消费国。相比于烧结,球团工艺对环境更为友好。在双碳背景下,发展直接还原工艺是钢铁行业碳减排的重要举措。以高品位赤铁矿为研究对象,研究碱度、配碳量、黏结剂种类和用量以及热工制度等因素对生球和成品球团质量的影响,开发高品位赤铁矿气基直接还原用氧化球团技术。结果表明,以该高品位赤铁矿为原料制备的球团,在相同的热工制度以及黏结剂用量下,相比膨润土和丙烯酰胺（PAM）,F黏结剂作为球团黏结剂的效果是更优的,在碱度为自然碱度的条件下即可获得抗压强度大于2 500 N/P的成品球团,而以膨润土和丙烯酰胺（PAM）为黏结剂制备球团,则需要碱度大于0.3才能获得满足生产标准的成品球团;该高品位赤铁矿以F黏结剂、膨润土和丙烯酰胺（PAM）为黏结剂制备球团,提高碱度都能改善球团的焙烧性能,提高成品球团的抗压强度; 一定范围内,配加兰炭可提高以该高品位赤铁矿所制备的球团的焙烧性能;该高品位赤铁矿以PAM为黏结剂,在最佳条件下可获得铁品位达到68.22%、（SiO₂+Al₂O₃）质量分数小于2%、抗压强度大于2 500 N/P、冶金性能良好的成品球团,可作为优质的气基直接还原用氧化球团原料。

高炉采用高比例球团矿冶炼,可提升入炉品位进而降低高炉渣量及燃料消耗,同时还可大幅度降低炼铁工序CO₂排放及SO₂、NO_x、二𫫇英等污染物排放,是实现绿色低碳炼铁的重要途径之一。由于高炉块状带内球团矿向下运动过程气固还原温度及还原气浓度是动态变化的,探究基于高炉块状带工况的球团矿还原历程有利于正确理解及合理控制球团矿的还原行为,从而有助于高炉高效低碳顺行。模拟京唐高炉块状带工况,采用高温还原炉研究了球团矿还原历程变化,对比分析了实际工况与国标试验条件还原的差异,讨论了球团矿在高炉块状带停留时间对还原的影响规律。研究结果发现,模拟高炉块状带气氛,随着球团矿在高炉内的下降,其还原度增加,球团矿还原膨胀指数和还原粉化指数均呈逐渐增加趋势,但在温度为800~1 000 ℃时,球团外表生成的还原铁壳层增加了固结强度,使还原粉化指数出现突然降低。模拟京唐高炉块状带工况的实际还原度低于使用国标试验条件还原后的还原度。炉料在块状带的停留时间越长,其还原失重越多,还原度越大,但对球团矿还原膨胀指数的影响不大。研究结果为明晰球团矿在高炉内的还原历程提供了有效信息,为指导提升球团矿在块状带还原度、降低高球比炉料结构高炉固体燃料消耗提供了理论依据。

电弧炉炼钢具有流程短、能耗和碳排放低的特点,是世界钢铁工业实现可持续发展的重要驱动力。中冶赛迪在电炉工艺理论、核心装备、智能控制等方面进行了一系列研究,通过技术研发和中试试验,开发了多项聚焦高效、低碳、低能耗、环境友好的绿色高效电炉炼钢技术,其中,高效废钢输送技术废钢平均输送速度可达7 m/min以上;阶梯翻滚废钢预热技术可提高废钢预热温度70~100 ℃;IGBT（insulated gate bipolar transistor,绝缘栅双极晶体管）柔性直流供电电炉功率因数可达到0.97以上;短网设计优化系统使三相阻抗不平衡度控制在3%以内;智能电极调节技术穿井期和熔清期电流波动率分别小于33%和14%;二噁英治理技术电弧炉烟气二噁英排放浓度能控制到0.1 ng/m³以内;高效余热回收系统吨钢蒸汽回收量达到160 kg以上。自主设计了出钢口自动填砂、炉门自动清理和自动测温取样机器人等智能辅助装备,提升了企业本质安全水平。工程实践证明,采用中冶赛迪绿色电炉技术,电弧炉冶炼周期为30 min,顿钢水电耗为300 kW·h,可助力钢铁工业的绿色化发展。同时,对未来电弧炉炼钢技术的发展进行了展望,将低品位DRI消纳作为未来电炉炼钢发展的最主要工艺路线,将高品质钢生产作为电炉炼钢发展最重要的研究方向,将数智化冶炼作为电炉炼钢生产最有效的手段,为钢铁工业的低碳转型贡献出应有的力量。

高炉高比例球团矿冶炼技术是减轻炼铁系统碳排放和环保压力的重要方案。将高硅超细铁精矿资源作为球团矿生产原料,有助于拓宽中国国内铁矿资源来源,加大中国国内贫矿应用力度。系统地探讨了碱度对高硅超细铁精矿球团矿固结行为和还原特性的影响。通过热力学计算、矿相分析、扫描电镜-能谱分析等方法对其固结行为和还原特性进行了研究。研究结果表明,随着碱度的增加,高硅超细铁精矿球团矿抗压强度先增加后降低,孔隙率先降低后增加,碱度为0.06~0.73时,球团矿的抗压强度均大于4 000 N/个,碱度为0.24时的球团矿抗压强度最高,孔隙率也最低。碱度的增加会降低高硅超细铁精矿球团矿中的二氧化硅相含量,促进铁酸钙相和硅酸盐相的生成。在碱度为1.20、温度为1 300 ℃条件下,球团矿中液相比例可达24.38%。碱度大于0.73时,球团矿中的液相量在大于1 250 ℃后会迅速增加。随着碱度的增加,高硅超细铁精矿球团矿渣相和硅酸盐相中的钙元素含量会逐渐增加,此外,碱度越高,赤铁矿晶粒越容易呈现多边形结构且晶粒间填充的渣相量越多。随着碱度增加,高硅超细铁精矿球团矿还原度和还原膨胀率先降低后增加,球团矿抗还原粉化性能减弱。碱度大于0.24后,球团矿内部孔隙率和铁酸钙相含量的增加使得还原气体能更容易扩散至球团矿内部并促进还原反应的进行,可以有效提高球团矿的还原度,碱度为1.20时的球团矿还原度比碱度为0.06时提高了34.9%。

高炉炼铁系统能耗和排放占据钢铁全流程总能耗和总排放的70%以上,具有很大的节能减排潜力。实践表明,高炉风口喷吹氢气不仅可以实现低碳炼铁并且能够取得较好的经济效益。基于物质平衡、能量平衡,以及机器学习建模迭代确定的间接还原度方程建立了“高炉喷吹氢气的预测数学模型”。应用该数学模型研究了氢气喷吹后高炉冶炼指标的变化规律,包括对高炉燃料比、理论燃烧温度、直接还原度、鼓风量、炉腹煤气体积、碳素消耗等的影响。基于晋南炼铁厂高炉风口喷吹氢气实际工业生产数据,验证了模型的合理性和可靠性,燃料比和煤气利用率相对误差可以控制在3%的范围内。以鼓风含氧率和氢气喷吹量为主要考察因素,分别研究并预测单因素变化和两因素协同变化时的高炉冶炼行为规律。研究发现,单因素改变时,仅提高鼓风含氧率,高炉燃料比、理论燃烧温度升高,直接还原度、鼓风量和炉腹煤气体积降低;仅提高氢气喷吹量,高炉燃料比、理论燃烧温度、直接还原度均降低,鼓风量降低速度减缓,炉腹煤气体积先降低后略有升高的趋势。两因素协同调整时,每提高10 m³/t氢气喷吹量,同时提高0.43%鼓风含氧率,能使理论燃烧温度稳定为（2 142±2） ℃,同时降低碳素消耗。通过将传统高炉数学模型与机器学习优化算法相结合,可以节约富氢高炉工业试验成本,优化工业试验方案,为工业试验的稳定运行和合理预测提供理论指导。

在“碳达峰”“碳中和”背景下,高炉炼铁是钢铁产业实现双碳目标的重要环节。复合铁焦是能够实现高炉低碳冶炼的新炉料,铁焦对综合炉料熔滴性能以及高炉应用铁焦低碳冶炼至关重要。系统研究了不同铁焦添加量和装料方式条件下,高炉综合炉料熔滴性能的演变。此外,通过快速冷却试验对综合炉料不同冶炼阶段还原、软熔、渣铁滴落和料层结构演变行为进行了探讨和分析,揭示了铁焦对高炉综合炉料熔滴性能的影响机制。结果表明,含铁炉料中掺入铁焦对综合炉料熔滴性能的改善效果明显。高炉使用铁焦适宜的添加量为20%~30%,混合装料是铁焦适宜的装料方式。与未添加铁焦情况相比,此铁焦添加条件下的综合炉料软化温度区间由136 ℃增加至197 ℃,熔化温度区间由171 ℃降低至152 ℃,软熔带位置降低;渣铁滴落率由59.1%提高至78.7%;料层最大压差由39.5 kPa降低至3.6 kPa,S值（高炉综合炉料软熔过程的特征值）由3 616.1 kPa·℃降低至276.6 kPa·℃。通过分析和讨论,添加铁焦能够提高综合炉料熔滴性能的机理,铁焦添加量的增加以及铁焦与含铁炉料采取混合装料方式,均能增加铁焦在含铁炉料中的弥散分布程度,加强铁焦与含铁炉料的紧密接触,从而加强铁焦对含铁炉料的还原促进作用、调整优化炉渣成分而降低炉渣黏度的作用、促进金属铁渗碳以及支撑和间隔炉料作用,进而显著改善综合炉料的软熔、滴落和透气性能。

电炉短流程炼钢是实现钢铁工业减碳的重要路径,但传统电炉短流程炼钢以废钢为原材料,以电能为主要能量来源,熔池内碳氧反应不足,电弧持续放电电离空气致使钢液氮质量分数偏高且氮的脱除与控制较为困难。由于氮对钢质量的影响,长期以来钢中氮质量分数控制是电炉短流程高品质钢生产的重点和难点,目前对于钢中氮质量分数有严格要求的高品质钢种几乎全部由长流程生产制造。为扩大电炉短流程生产钢种,提高电炉短流程行业竞争力,综述了钢中氮的危害以及电炉炼钢控氮难点,总结了钢液脱氮机理和电炉炼钢控氮技术研究进展,并结合本团队的研究和实践,提出了CO₂复合喷吹控氮技术和中空电极富氢气体喷吹控氮技术。CO₂复合喷吹控氮技术将CO₂载气喷吹碳粉和CO₂-Ar混合底吹相结合,一方面通过降低炉内氮分压并优化泡沫渣形成减少钢液吸氮量,另一方面利用CO₂-Ar混合底吹高效吸附脱氮原理降低钢液氮质量分数。中空电极富氢气体喷吹控氮技术在隔绝电弧周围空气的同时,利用电极产生的电弧将多元气体电离成富氢等离子体和钢中氮结合逸出钢液实现脱氮。工业实践结果表明,CO₂复合喷吹控氮技术可将全废钢电炉出钢平均氮质量分数由0.008 14%降至0.005 08%;应用中空电极富氢气体喷吹控氮技术后可将电炉出钢平均氮质量分数从0.005 85%降至0.004 66%,最低仅为0.002 99%。可有效降低电炉冶炼出钢氮质量分数,助力电炉短流程高品质钢生产进一步发展,推动实现钢铁行业绿色低碳的发展目标。

含硫易切削钢由于良好的力学性能和切削性能被广泛应用于汽车制造、机械制造、船舶建造等行业。随着近年来基础建设、乘用车和航运领域的发展,含硫易切削钢的产量和质量要求也不断提高。通常采用钙处理的方法来调控钢水中的夹杂物,而含硫钢的含硫特性对冶炼和连铸过程中的钢水洁净度和钢水的可浇性有严重的负面影响,因此,如何制定合理的钙处理工艺对于提高易切削钢的可浇性具有重要意义。系统研究了喂入钙线和硫线的加入时机、时间间隔和钙线加入量等因素对钢水洁净度和水口结瘤的影响规律,分析了含硫易切削钢水口结瘤的主要原因。研究表明,钙处理后钢液中会产生表面为CaS而芯部为Al₂O₃的夹杂物,这种夹杂物在水口内壁的不断附着沉积是导致水口堵塞的主要原因。在铝质量分数为0.03%的钢水中,当硫质量分数超过 0.015%时,易产生高熔点夹杂物而恶化钢水可浇性。对于转炉出钢量为140 t的45S含硫易切削钢,将硫线分别在LF和RH后喂入、延长钙线和硫线间的喂入间隔时间至10 min以上、减少钙线总喂入量至100 m以下均能有效减少钢液中CaS·Al₂O₃夹杂物数量,并且将45S钢种的连浇炉数提升至15炉以上。研究为优化含硫易切削钢的钙处理工艺提供了理论依据,有助于提高生产效率和产品质量,对推动机械、交通等领域用含硫易切削钢的应用和发展具有重要意义。未来将针对如何控制含硫钢种的夹杂物数量和形态、夹杂物在轧后对钢板质量的影响以及如何减少钙的添加量进行深入研究。