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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

自党的“十八大”以来,国家将大气污染防治工作纳入社会经济发展全局。焦化行业成为继火电、钢铁行业之后又一个即将实施超低排放的行业。中国是世界上焦炭产量最大的国家,2023年中国焦炭产量4.9亿t,占全世界总产量的70%。实施焦化行业超低排放改造是一项系统工程,要统筹全工序、全流程提升企业大气污染治理水平。超低排放改造实施过程要实现多污染物协同控制,推动污碳的协同下降。长期以来,中国炼焦工业存在着污染物种类多、排放量大,超低排放成本高等突出问题。综述了焦化行业典型大气污染物控制的关键技术,以焦炉炉墙窜漏治理技术和废气回配技术为代表的污染物源头治理技术可实现SO₂、NO_x的显著降低,缓解了烟气末端治理的压力;焦炉烟气多污染物协同治理的难点是NO_x脱除,通过活性炭法多污染物控制技术和钠法SDA脱硫耦合低温SCR脱硝技术可实现硫、氮分步脱除,从而提高高脱硝效率并降低硫的回收成本;面向国家“双碳”目标和氢冶金的重大需求,焦炉煤气中的CH₄通过重整反应转化为H₂和CO,实现高值化利用制备富氢还原气,为氢冶金提供技术支撑。焦化行业大气污染物控制技术的实施,将有利于焦化行业的绿色高质量发展。

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。

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。

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。

在“双碳”目标的推动下,废钢凭借其绿色低碳特性,在全球钢铁产业中的地位日益凸显。提升废钢的循环利用水平,已成为钢铁产业转型升级的关键策略。然而,目前研究多集中于废钢使用对钢铁工业减排的贡献,但对废钢产业的自身发展态势及其生产过程中碳排放问题的研究尚显不足。采用“排放因子法”定量分析了废钢回收加工过程的碳排放水平,综合考虑能源效率、成本效益及环境影响（尤其是碳排放）3方面因素,建立了以企业利润最大化为目标的废钢回收加工过程优化模型,分析了废钢市场价格、碳交易价格、设备能耗和可再生能源应用对企业利润和碳排放量的影响。结果表明,将碳排放指标纳入生产规划时,碳排放量可降低12.23%。随着全国碳交易市场体系的快速建设,废钢企业可通过出售碳排放限额指标来增加利润,而钢铁企业则需要购买额外指标,其中采用短流程炼钢的企业碳交易成本可比长流程企业降低55.6%;增加光伏发电比例可实现较佳碳减排效果,当光伏发电比例增至71.3%时,与当前方案相比可减少碳排放量51.51%,并降低外购电费63.2%。由于废钢企业毛料收购成本占总成本的70%以上,所以市场价格波动对企业利润的影响远大于能耗成本或碳排放收益的增减。当废钢的收购和出售价格同步上升时,废钢企业利润将随着废钢收购价格的增长而增加。研究旨在为废钢企业在“双碳”背景下优化生产计划提供指导,以实现经济效益与环境效益的双赢。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

为了研究Fe-Cr-Ni耐蚀合金冶炼过程中夹杂物的特征及形成机理,通过工业试验对8810镍基合金进行全流程取样,利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）,同时结合热力学及动力学计算,探讨了大尺寸夹杂物的特征及形成机理。研究结果表明,钢中出现的大尺寸夹杂物主要分为2类,一类为SiO₂质量分数为37%~45%的低熔点SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO类大颗粒微观夹杂;另一类为不含SiO₂的低熔点CaO-Al₂O₃-MgO大颗粒微观夹杂。通过夹杂物成分与炉渣成分对比,以及模型计算卷渣夹杂物尺寸,验证了2类夹杂物都是由于AOD阶段钢液搅拌使得炉渣卷入形成的,但前者在AOD还原期时由于重新造渣及铝含量的增加已被上浮去除或改性为CaO-Al₂O₃-MgO夹杂物;在夹杂物统计分析中表明,CaO-Al₂O₃-MgO夹杂物比SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO夹杂物在后续过程中更为严重,直到模铸时期该夹杂物依然存在。因此,通过动力学计算及Thermo-Calc软件分析了低熔点CaO-Al₂O₃-MgO夹杂物在后续冶炼的行为,经过分析发现,从AOD出钢到LF精炼过程结束时,该夹杂物并不容易被上浮去除;同时导致在模铸凝固时期TiN以CaO-Al₂O₃-MgO夹杂物为核心析出,形成复合夹杂物,以及在凝固阶段出现的单一TiN夹杂,这些夹杂最终成为铸锭中的主要夹杂物类型。

差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）是1种能够定量捕获材料在热变化过程中的热物性变化和热转变信息的精密技术,兼具精度高、测试速度快且所需样品少等优点。DSC技术的发展极大地扩宽了钢铁及合金领域材料性质的测试范围,推动了对材料热转变过程中热力学和动力学的深入研究。以DSC的基础理论为出发点,概述了DSC的分类和信号构成,全面回顾了DSC在钢铁及合金领域的应用现状,阐述了DSC在这些应用中的优势和局限性,包括在钢铁及合金材料的比热容、相变、第二相析出与分解以及非晶合金的玻璃化转变等研究中的应用。同时,探讨了DSC与其他技术的联合应用现状。此外,还总结了利用DSC获取的热分析信息进行动力学研究的现状,包括在合金相变动力学参数中活化能及转变机理的研究,以及合金转变动力学曲线的建立。利用DSC综合分析钢铁和合金的热物性参数,深入理解合金相转变的热力学和动力学,有望为合金材料的开发、生产和应用提供强有力的理论支持。

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。

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。

烧结烟气循环技术已经成为烧结机提高产量、降低CO、减少漏风、降低固体燃耗的重要技术措施。在钢铁工业减污降碳政策驱动下,提高烟气循环率可进一步强化污染物减排和余热利用效果。因此,烧结烟气高比例循环是未来技术发展的重要趋势。系统总结了国内外烟气循环技术发展历程及应用现状,认为烧结烟气循环技术已基本完善,主流技术路线应为高低温烟气组合的烟气内循环方案,根据烧结生产需求不同,在风箱选取数量、位置和布风方案上略有差异。此外,在工艺优化方面,随着烟气循环率提高,应重点关注循环烟气氧气体积分数降低、水体积分数升高和风量热量平衡等问题;在技术应用过程中,应重点关注取气可靠性、管道积灰、风机匹配性、烟气分配和密封罩流场均匀性等工程问题。在对烧结烟气循环技术研究与应用分析的基础上,重点以河钢集团应用的高比例烟气循环工程为例,详细介绍了高比例烟气循环的工艺设计理念。通过循环工艺创新、核心装备突破和运行参数优化,河钢邯钢和唐钢新区稳定实现了30%以上高比例烟气循环,并在46台套烧结机上实现工程推广,为实现烧结机高比例烟气循环技术提供理论依据和实践经验,对大力推动烧结烟气循环技术的推广应用、加快实现钢铁工业减污降碳进程具有重要意义。

随着石油和天然气工业的快速发展,对管线钢的强度、韧性和焊接性能的要求不断提高。优化连铸过程中的氩气密封工艺对于减少或避免因氩气泡引起的内部缺陷至关重要,对提高管线钢产品质量具有重要意义。以L485M管线钢为研究对象,通过控制连铸结晶器浸入式水口密封氩气的流量和铸机拉速等参数研究了密封氩气流量对管线钢L485M内部缺陷的影响规律,并提出优化的浸入式水口密封氩气流量和拉速以解决氩气泡导致的连铸坯内部缺陷问题。研究表明,浸入式水口密封氩气流量过大时会在浸入式水口内产生氩气泡,易被铸坯凝固前沿捕获导致铸坯内部缺陷的发生,在轧制后形成椭圆扁平状缺陷,分布于距钢板上表面位置;密封氩气流量升高或拉速提高均会导致钢板缺陷发生率的上升,合理的氩气流量和铸机拉速是保证气泡能及时上浮而不进入铸坯的重要参数。规格为260 mm×2 070 mm的L485M管线钢板坯的合理拉速为0.75 m/min,分体式水口的氩气流量不宜大于2.5 L/min;采用整体式水口可有效避免氩气泡造成的铸坯内部缺陷。研究结果对完善管线钢连铸过程的氩气密封工艺理论和提高管线钢产品质量具有重要意义,对其他钢种的浸入式水口密封工艺优化、连铸拉速对氩气泡致钢坯内部缺陷的影响、氩气泡在连铸保护浇铸工艺中的作用行为也具有借鉴意义。

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、碳中和目标背景下,中国钢铁工业面临国际低碳贸易壁垒限制、钢铁将纳入全国碳交易市场和下游行业低碳产品需求的三重挑战,钢铁企业应坚持智能化、绿色化发展方向,加快构建符合自身特色的数字化碳管理体系,以更好地支撑企业低碳绿色发展。重点介绍了新一代数字化、信息化技术与钢铁企业碳管理这一新兴事物的融合,提出了基于企业信息化发展水平和软硬件条件的数字化碳管理体系架构,强调数字化碳管理体系与企业业务管理流程的耦合。基于河钢集团自主研发的WisCarbon数字化碳中和平台,指出数据交互是碳管理与工艺生产管理、数字化碳平台与信息化体系融合的基础支撑,介绍了河钢依托数字化碳管理平台的碳数据计量监测功能,对钢铁企业碳排放相关的生产数据进行采集治理、加工建模的流程。河钢依托数字化碳管理体系实现了主要产线碳治理能力提升,在企业数字化碳盘查、产品碳足迹数字化核算、出口CBAM数字化报告等方面取得良好的实践效果,为钢铁行业应对愈加严峻的碳排放挑战提供了良好的示范。

钢铁行业正面临优质煤炭资源枯竭和绿色降碳的问题,结合中国煤炭资源的分布不均匀,在烟煤储量占比大以及全球“碳达峰,碳中和”发展背景下。喷吹高比例烟煤可以充分利用资源,降低企业冶炼成本,降低高炉冶炼碳排放,其将成为未来主流趋势。为探明高比例烟煤喷吹后对高炉冶炼过程产生的影响,以大型高炉生产数据为支撑,在物料平衡和热平衡的基础上,建立了高炉喷吹高比例烟煤的数学模型。通过理论计算,分析了理论燃烧温度、炉腹煤气量、直接还原度、高炉区域碳素和热量分配以及二氧化碳排放等参数随着喷吹烟煤比例的提升在高炉内的变化规律。结果表明,烟煤比例每提升10个百分点,理论燃烧温度下降约6~7 ℃,直接还原度约降低0.012,炉腹煤气量约增加5 m³。区域碳素包括吨铁入炉总碳量、铁直接还原耗碳、脱硫耗碳、风口前燃烧碳量都呈现减少的趋势。炉内的热量分配影响明显,热收入方面,碳素燃烧放热减少,碳元素和氢元素氧化放热增加,热风带入物理热减少,总体热收入呈下降趋势;热支出方面,脱硫耗热减少,煤分解热增加,铁氧化物分解耗热基本不变,总热支出基本不变,全炉热损失随着烟煤比例的提升呈下降趋势。同时,烟煤比例每提升10个百分点所造成的理论燃烧温度和热损失下降,需要同时提升富氧率0.3个百分点和提升煤比2.1 kg来维持高炉炉况正常。高炉喷吹高比例烟煤后,二氧化碳排放量呈减少趋势,吨铁减少量约为3~5 m³。

球团与烧结生产相比更节能、更环保,采用高比例球团炉料结构是高炉实现低碳绿色炼铁的有效途径。高炉进行高比例球团冶炼,实现熔剂性球团的工业化生产是关键,带式焙烧机生产熔剂性球团具有很大的工艺优势。唐钢新区3座3 000 m³级高炉设计采用50%~70%球团的炉料结构,并配套建设了2台624 m²大型带式焙烧机。为了打破国外对大型带式焙烧机的长期技术垄断,唐钢对带式焙烧机工艺技术及装备进行了全面研发。通过精粉预处理、配矿及焙烧工艺技术的开发,掌握了中高硅熔剂性球团生产技术;通过装备国产化的设计制造与应用研究,实现了大型带式焙烧机核心装备的国产化,打破了国外的长期垄断;通过智能化技术开发与应用,实现了球团产线的高效协同,显著提高了带式焙烧机的生产效率;通过低能耗低排放技术的开发与应用,大大降低了球团工序能耗和污染物排放量,实现了低碳绿色生产。大型带式焙烧机的开发应用首次实现了全自主研发设计及装备的国产化,为带式焙烧机的推广应用打开了新局面。唐钢已成熟掌握熔剂性球团生产技术和高炉高比例球团冶炼技术,其对高炉炉料结构的探索和实践为中国高比例球团炉料结构的推广应用起到很好的引领示范作用。

随着高炉炉顶压力的提高,中国高炉炼铁取得了显著进步,高炉的强化冶炼程度得到了空前提高。高顶压强化冶炼技术已取得共识并被广泛采用,但目前关于高顶压技术系统的理论研究却比较少,且基本上局限于对高炉内煤气体积影响和对煤气流速影响的研究。紧密结合高炉生产实际,系统研究了高顶压对高炉冶炼进程的影响机理,分别阐述了高顶压对高炉冶炼强度的影响、对高炉块状带的影响、对高炉内料柱压差的影响、对高炉内煤气流分布及布料的影响、对高炉风口回旋区及炉缸活跃性的影响、对高炉渣铁排放的影响和对高炉内非铁元素反应的影响。统计了目前高顶压操作下不同立级高炉炉腹煤气指数的实际水平,对高顶压操作下高炉炉腹煤气指数的控制标准提出了修正建议。指出3 000 m³以上高炉、2 000~3 000 m³高炉和1 000~2 000 m³高炉的炉腹煤气指数分别按58~66、58~70和58~85 m/min控制比较合理。上述的高顶压技术理论研究在河钢唐银公司2座1 500 m³高炉的生产实践中得以应用和验证,2座高炉在顺利开炉达产的基础上,通过采取以高顶压、大风量、高富氧、低炉温为主要技术手段的综合强化冶炼措施,高炉冶炼得到有效强化,高炉各项技术经济指标得到快速提升,实现了高顶压强化冶炼技术的成功应用,具有一定的借鉴意义和推广价值。

在凝固过程中,晶粒竞争生长是1个普遍存在的现象,而不同取向晶粒间的竞争行为最终会关系到产品的服役性能。在定向凝固单晶涡轮叶片制备的过程中,无论采用选晶法还是籽晶法控制晶体取向均会涉及晶粒竞争现象,这对于能否顺利制备完整的单晶结构起到决定性作用。从定向凝固晶粒竞争生长模型作为切入点,详细地梳理了晶粒竞争生长机理的研究进展。综述了晶粒竞争生长的影响因素,并总结其调控机制。首先介绍了温度梯度的改变导致晶粒竞争结果的差异;其次,在溶质浓度方面,介绍晶粒的淘汰行为与溶质相互作用的关系;而后针对晶体取向的影响,为更好地获得晶粒竞争结果,分别从晶粒的枝晶主轴偏离温度梯度方向的竞争关系与侧枝偏离晶界一定角度的竞争关系这两方面探讨,并将晶粒的竞争淘汰机理从最初的二维扩充到三维取向进行解释;此外,得出抽拉速率作为定向凝固唯一且能够大范围调控的参数,会影响晶粒淘汰结果的一致性,同时还特别说明了工业生产钢铁材料中冷却速率对晶粒竞争生长的影响。最后进一步对定向凝固晶粒竞争生长研究进行了总结与展望,并指出未来研究亟待解决的问题,强调了实际工业生产中,晶粒竞争生长对合金材料的重要性及应用意义,可为制造领域提供指导。

近几年中国钢铁产量稳定在10亿t左右,每年碳排放达到20亿t,占全国碳排放总量的15%,是31个制造业门类中碳排放量最高的行业,在国家“双碳”战略背景下,钢铁行业绿色低碳转型迫在眉睫。河钢集团张宣科技坚定践行国家发展战略,率先在淘汰原有高炉炼铁装备的同时,建设世界首座焦炉煤气零重整直接还原工厂,年产120万t冷态直接还原铁（DRI）。工厂于2022年12月全线贯通,2023年5月实现安全稳定连续生产。投产初期,工厂加热炉系统、煤气压缩机系统、水处理系统等均暴露出部分问题,这些问题虽然不影响正常生产,但是限制了工厂技术经济指标的进一步提升;此外,氢基竖炉对球团矿的质量要求也远超预期,球团矿的强度等性能不足,导致开产初期生产出的DRI破碎率较高,产品粉末含量较高。通过对问题的深入分析,并针对工艺、设备不断改进优化,煤气单耗、DRI金属化率等技术经济指标都取得明显进步,且好于设计水平。与传统高炉炼铁工艺相比,直接还原工厂取消了烧结和高炉工序,CO₂排放降低70%以上,SO₂、NO_x、烟粉尘排放分别减少30%、70%和80%以上。工厂的成功运行,对中国钢铁行业的绿色低碳转型升级起到很好的示范作用,也标志着中国钢铁工业由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”的转变迈出颠覆性、示范性、关键性步伐,将进一步引领传统钢铁冶金工艺变革,全面开启绿色、低碳发展新纪元。

欧冶炉熔融气化炉具有纯O₂鼓风、料柱高度低和料层温度梯度大等特点,在冶炼钒钛矿时具有减少高熔点相Ti（C,N）生成和保持料柱透气透液性的优势。然而,熔融气化炉采用DRI与焦/煤混装的布料方式,使得钒钛炉料的软化、熔化及滴落过程与传统高炉不同,开展DRI与焦/煤的混装对欧冶炉内钒钛炉料软熔行为的影响研究具有重要意义。论文结合气化炉工况条件,采用变压变气氛式铁矿石软熔性能测试装置研究了DRI与焦/煤混装率对含钒钛DRI软熔温度参数、渣铁滴落率和料层压差的影响,并利用电子探针等表征手段分析了滴落及滞留渣铁的样品属性,获得了混装率对半焦床透气透液性的作用行为。结果表明,混装促进了含钒钛DRI软熔过程的还原和渗碳,增加了DRI熔化前的抗变形能力,料层软化区间向高温区移动,滴落温度减小,熔滴区间向低温区收缩,从而使得欧冶炉软熔带变薄。随着DRI与焦/煤的混装率从0增大至100%,炉渣滴落率增加近1倍,铁水钒收得率提高,料层透液性明显改善。尽管提高混装率加快了渣中TiO₂的还原及TiC的生成,但由于滴落带滞留渣少且流动性好,炉渣的泡沫化程度被削弱,欧冶炉熔融气化炉内矿焦煤混装布料有利于钒钛磁铁矿冶炼。这为欧冶炉冶炼钒钛矿工艺提供了理论基础和技术支撑。

双碳目标下,流程变革、原燃料结构优化和能源效率提升是钢铁减碳的3大主要方向,在低碳突破性冶金技术尚未规模部署、缺乏充足且廉价清洁能源的当下,能源效率提升是钢铁行业当前最经济、有效的减碳措施。中国钢铁工业经过多年的技术引进、消化、吸收和再创新,能源效率水平达到世界前列,能源效率水平进一步提升难度较大。从生产流程、原料和燃料、能源效率3个角度对比了国内外钢铁行业/企业现状与差异,结合国内产业结构、工艺特征和工程实践提出钢铁余热余能资源高效回收利用,减少能源消耗、产品损耗,减少工序、工艺界面能量损失,重点用能设备及系统节能提效技术,原料、能源低碳化及二次资源循环利用,数字驱动系统能源效率提升,新材料应用7个能源效率改善方向及对应的24项技术。在此基础上从余热余能、界面热衔接、钢铁生产实践3个方面分析了钢铁企业能源效率改善空间,结果表明（以标准煤计）,生产1 t热轧材,主要工序余热余能资源量约为185.0 kg,最佳利用量约为129.4 kg;炼铁-炼钢界面1 t铁水、炼钢-连铸区段1 t钢水、连铸-热轧界面1 t钢坯可利用资源量分别约为10.5、2.6、9.3 kg;以国内某百万吨长流程钢铁企业为研究对象,选择性应用能源效率改善技术可实现吨热轧材节能40.4 kg。

近年来随着钢铁行业节能减排压力的提升,超低温高锰钢生产采用的“转炉/电炉→精炼→连铸”流程工艺具有高效、节能、低成本的优势,成为许多钢铁企业的发展方向。然而,高锰钢由于锰、碳质量分数较高,钢水导热性差,凝固坯壳线膨胀系数大,冷却过程中容易产生较大的热应力,极易产生漏钢风险。加上浇铸过程结晶器钢渣界面不可避免地发生反应[Mn]+（SiO₂）→[Si]+（MnO）,造成熔渣成分和性能改变,恶化保护渣正常的润滑和控制传热功能。前期调研发现国内钢厂采用连铸工艺生产高锰钢均存在不顺行的情况,铸坯容易出现纵裂纹且漏钢事故频发,有的甚至单炉浇铸都非常困难。连铸坯表面缺陷和漏钢事故频发已严重阻碍了超低温高锰钢的规模化生产,保护渣技术作为连铸工艺的关键技术之一,对保障连铸顺行和铸坯表面质量具有重要的影响。当前高锰钢研究主要集中在成分设计、轧制热处理、焊接技术等方面,但是在保护渣专用渣系的研究与开发方面还未见系统报道。为此,着重对含锰钢渣金反应性研究、MnO对熔渣流变特性以及渣膜传热控制影响方面进行相关综述,明确了CaO-SiO₂-MnO基低反应性渣系的研究重点。超低温高锰钢低反应性连铸保护渣的开发,对拓展和深化难浇钢种连铸保护渣传热与润滑协调控制理论,以及促进无缺陷铸坯高效、绿色、低碳生产具有重要意义,也是未来专用渣系的发展方向。