欧盟碳边境调节机制（Carbon Border Adjustment Mechanism,CBAM）正式发布,引起了社会各界广泛而持续的关注。在其覆盖的6大类产品中,钢铁产品因碳排放量高、出口量大,受影响最大,因此,定量分析CBAM可能对中国钢材出口的影响并探讨应对策略极为迫切。2020—2023年,中国钢铁产品出口全球呈现量增价减的趋势,出口目的地主要分布在东盟、南美与欧盟。2023年中国直接出口欧盟的钢铁产品总量同比增长不如预期,表明CBAM或已对中国钢铁出口欧盟产生负面影响。中国钢铁制品有经东南亚间接出口至欧盟的情况,因此,CBAM对中国钢铁出口的综合性影响需同步考虑间接出口。中国钢材出口欧盟的主要目地国为意大利、比利时和德国,2023年,中国对3国出口总量和总额均同比大幅下跌,下降程度远超过钢材出口欧盟整体情况,表明欧盟从中国采购钢铁产品的主要进口国在逐步发生变化。此外,因中国出口德国与法国的钢铁产品单价高,整体出口额稳定,表明高附加值钢铁产品在欧盟具有很强的竞争力。最后,分析了CBAM实施对中国钢铁出口的影响,提出从积极适应碳市场、紧跟国际涉碳政策、持续工艺优化减碳、构建全流程绿色供应链这4个方向开展应对工作,旨在助力中国钢铁行业全面应对国际涉碳贸易壁垒,为行业高质量和可持续发展提供参考和支撑。

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。

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。

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%。

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。

针对热连轧传统冷却模式常见的轧辊温度分布不均、热辊型波动频繁及局部热点等问题,为定量调整轧辊的瞬态温度梯度和在线热辊型,更好地控制产品横向厚差精度,基于在线轧辊的动态热传导特性,沿轧辊横向施加不同强度的冷却水流量,建立热连轧工作辊分段冷却有限差分模型。首先通过接触式测温仪沿工作辊横向快速测温,逆向反算在线温度场对流换热系数,结合实际工况参数,对轧制过程温度场进行模拟,通过模拟结果与现场实测数据的对比,验证了模型的可靠性。随后综合考虑开启水量、带宽、轧制时间等关键因素,深入分析热连轧过程中轧辊温度及热凸度的动态变化规律。结果表明,总冷却水开启比例增加20个百分点后,轧辊温度降低6.5 ℃,热凸度减小32.0 μm;轧制时间减少10 s,轧辊温度降低5.1 ℃,热凸度减小24.3 μm,而宽带钢的热膨胀量均匀性更好。通过对比3种典型的横向分段冷却模式,得出冷却水量横向分布在线调整时,轧辊温度及热凸度随之动态变化,根据工况需求选择合适分段冷却模式,可将整体辊温、横向温差精准调整至设定范围内。为热连轧多机架的分段冷却模式选择及板形板凸度综合优化提供重要依据,并且为设计高效率热轧冷却装置及多工况耦合分段冷却系统奠定理论基础。

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。

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。

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。

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。

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。

钢铁行业中化石能源的消耗加剧了对环境的压力,铁前工序是整个钢铁行业节能减排的重要环节,在中国“碳达峰”和“碳中和”的目标下,寻求和使用可代替化石能源的绿色可再生能源是钢铁工业发展的必经之路。生物质作为绿色的碳中性资源,具有分布广泛、低污染性和可再生等特点。生物质能源应用于炼铁生产可以有力地发挥出其节能减排的作用,对钢铁行业碳消耗具有重要意义。在讨论生物质资源分布、预处理方式、生物质利用方法以及生物质能理化性质的基础上,系统论述了天然生物质、生物质炭和生物质衍生物在直接还原铁、高炉喷吹、生物质焦炭、生物质球团、生物质烧结等方面的研究现状。首先,生物质可作为反应物直接添加到球团中进行生物质铁矿球团的还原,也可利用生物质热解气化产生的合成气对铁矿石进行还原。其次,未来可进一步改进生物质的处理手段来优化生物质烧结矿和生物质球团矿的质量,通过改善原料粒度和原料配比等来优化生物质用于高炉喷吹或现有炉料制备工艺。基于生物质自身的理化特性,其作为铁前工序能源应用时还需要进一步开展相关基础性研究工作,针对大型高炉开发的生物质复合造块铁矿原料的破碎强度和冶金性能需要进一步探索,同时,加强行业间合作开发出高强度、高反应性的符合高炉生产的生物质复合炉料是未来的研究方向之一。

随着高炉生产工艺日益复杂,冷却壁在极端高温高压环境下的热传导特性要求日趋严格,传统热传导模型已无法满足精确预测的需求。为此,分数阶热传导模型作为一种有效描述复杂介质与多尺度热传输现象的工具,逐渐受到广泛关注。综述了基于分数阶热传导模型的高炉冷却壁传热研究,旨在为高炉冷却壁的热管理与延长使用寿命提供理论依据。首先,介绍了分数阶热传导模型的数学基础及其相关方程,并分析了分数阶方程的特点与常用求解方法。然后,详细探讨了高炉冷却壁在高温高压等极端条件下的热传导机理,提出了三维分数阶热传导方程的建立方法,并结合数值模拟与试验验证探讨了热传递过程的分析框架。最后,分析了分数阶模型在高炉冷却壁研究中的应用现状与挑战,展望了该模型在冷却壁材料与结构设计中的应用前景,并提出了未来研究方向,包括模型精度提升、计算方法优化及实际工程应用推广。这些研究为高炉冷却壁的热管理与优化设计提供了有价值的理论支持与技术参考。

近年来,推动中国钢铁行业高质量发展和助力实现“双碳”目标是中国钢铁产业发展的总体思路,在此背景下,中国钢铁工业特征发生了显著变化。描述了当前钢铁工业的主要特征,分析了2000—2023年间中国钢铁粗钢产量和年度粗钢增长率,结合发达国家粗钢产量的演变模式,预测中国钢铁产量所处的发展阶段。以2000—2023年间中国不同钢铁制造流程所占比例为依据,测算各年钢铁制造全流程CO₂排放值,论述中国实现“双碳”目标的紧迫性和必要性。选取主要产钢国钢铁制造流程演化进程及现状为研究对象,重点阐述了美国、日本和中国以确保钢铁产品质量最佳和钢铁制造效率最优为需求的钢铁制造流程特点,理清当前不同钢铁制造流程的作用和效果。结合上述分析,以工程哲学的视野和全局性战略思维对中国钢铁制造流程结构调整的应对策略进行研究,并且提出了适应新特征下的“BF-BOF”长流程、“全废钢-电炉（EAF）”短流程和“100%氢基还原DRI-EAF”流程的结构调整方案。研讨了钢铁制造流程调整过程中的三大关键问题,包括实现电炉炼钢需要的废钢基准保障数量、能源脱碳化进程中的钢铁全流程电力消耗量以及消除废钢电炉冶炼过程残余元素富集所造成的钢材品质缺陷的新思路,解决好这些关键问题将有助于中国钢铁制造流程的结构优化调整和高质量发展。

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。

在当前“双碳”背景下,冶金流程典型大宗固废及其他大宗工业固废的高值化利用已成为行业亟待解决的问题。冶金流程大宗固废中的高炉渣、除尘灰与其他大宗工业固废中的粉煤灰与煤矸石中均含有较丰富的硅、铝等有效资源,通过相应调质、配比处理,可以将上述固废制成具有良好隔热耐火性能的无机纤维材料,进而实现冶金流程大宗固废及其他大宗工业固废的高值化利用。总结了以调质高炉渣作为原料制备矿棉纤维、以除尘灰协同粉煤灰或煤矸石作为原料制备硅-铝系陶瓷纤维材料的研究进展;从基本原理、试验研究及生产实践3个方面分析了喷吹法与离心法制备无机纤维的研究进展。分别开展了以调质高炉渣为原料通过喷吹法与离心法制备矿棉纤维的中试试验研究,结果表明,喷吹压力对纤维渣球含量的影响较显著,对纤维平均直径的影响较小,当喷吹压力从0.20 MPa升高至0.38 MPa时纤维渣球质量分数从25%下降至16%,纤维直径基本无变化;辊轮转速对纤维渣球含量基本无影响,对纤维直径的影响较为显著,随着辊轮转速升高,纤维平均直径从3.17 μm下降至2.73 μm;对比了2种方法制得矿棉纤维在纤维直径、纤维渣球含量及纤维抗压强度3个方面的差异。另外,概括了以冶金流程大宗固废协同其他大宗工业固废为原料制备的硅-铝系无机纤维材料在建筑、工业、气凝胶及光催化材料方面的应用前景;在现有的研究基础上提出了冶金流程大宗固废制备无机纤维材料的研究方向,以进一步推动行业实现变废为宝,节能降碳。

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。

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。

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。

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。

磁铁精矿是常用的烧结原料之一,而不同产地的磁铁精矿通常具有不同性质,将其配入烧结混合矿中必然会对烧结过程及烧结矿的质量产生影响。通过烧结杯试验,对比了粒度较细的高镁国产磁铁精矿（DM）和粒度较粗的高硅澳洲某磁铁精矿（AM）对赤铁矿-针铁矿-磁铁矿型混合料的烧结性能及其烧结矿冶金性能的影响,着重从原料性质和烧结矿微观矿相结构角度分析了磁铁精矿性质对铁酸钙生成特性及对烧结矿低温还原粉化性能的影响。结果表明,随着AM矿替代DM矿的比例从0提高到30%,烧结矿转鼓指数从59.87%降低至57.35%,成品率从63.69%降低至60.92%,利用系数从1.49 t/（m²·h）降低至1.30 t/（m²·h）,固体燃耗从76.62 kg/t升高至78.86 kg/t,还原度指数I_R从86.64%降低至83.08%,低温还原粉化指数 I_RD>3.15mm从68.69%降低至49.40%。从烧结矿矿相上看,随着AM矿替代DM矿比例的提高,烧结矿中复合铁酸钙含量明显减少,结晶和发育情况变差,从针状向短柱状或板状转变,同时硅酸盐玻璃相和不规则骸晶状赤铁矿含量增加。这是因为粒度较细的DM矿较粒度较粗的高硅AM矿具有更高的自熔性和更优的氧化性,从而有利于生成初生液相,促进核颗粒同化,形成黏结强度高的黏结相。

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。

某企业6流偏流浇注中间包曾使用2种湍流抑制器,即圆柱型湍流抑制器和冲击垫,为评价2种中间包在换包过程的冶金效果,通过工厂取样、物理模拟和数值模拟的方法,研究2种结构中间包的流场分布、换包过程水模型中卷渣情况,应用粒子图像测速技术（PIV）测量流场分布以及水油界面速度变化,通过工厂取样及扫描电镜-能谱仪（SEM-EDS）探究换包过程2种结构中间包中夹杂物形貌、尺寸和成分的变化规律。结果表明,中间包内速度空间分布不均匀,冲击区速度较大,边流处速度较小,圆柱型湍流抑制器中间包存在向上的折返流。正常浇注速度（2.65 t/min）时,2种类型中间包水油界面处流体的最大速度均为50 mm/s左右,水油界面相对稳定。换包后快速注流（5 t/min）时,圆柱型湍流抑制器中间包中注流区靠近壁面处形成环流,远离壁面处形成平行于液面流向出口的强烈水平流,水油界面最大速度为285.16 mm/s,渣眼面积为735.42 cm²,冲击区卷入大量大尺寸油滴。冲击垫型中间包注流区形成沿着壁面处向上的流场,水油界面最大速度为186.54 mm/s,渣眼面积为399.27 cm²,冲击区有卷入的小油滴形成水油混合物。换包前后中间包取样结果表明,浇注末期2种类型中间包内均未发现大尺寸（≥50 μm）夹杂物,当液位重新上升至正常工作液位时,圆柱型湍流抑制器中间包发现尺寸为240.32 μm的大型夹杂物,夹杂物平均尺寸由13.18 μm增加到29.88 μm,大尺寸（≥50 μm）夹杂物所占比例为24%,夹杂物中CaO质量分数明显增加;冲击垫型中间包内未发现大于100 μm夹杂物,夹杂物平均尺寸基本不变,大尺寸（≥50 μm）夹杂物所占比例为6.7%。整体上冲击垫的冶金效果在一定程度上优于圆柱型湍流抑制器。

为了探讨氨气（NH₃）还原赤铁矿（Fe₂O₃）的热力学特性、反应机理以及在还原过程中温度和时间的影响,通过HSC Chemistry 6.0软件计算了Fe₂O₃和Fe₂SiO₄与NH₃、H₂和CO之间的还原反应标准吉布斯自由能,评估了NH₃作为还原剂的可行性。使用卧式高温电炉对赤铁矿进行加热还原处理,通过不同温度和时间条件下的NH₃还原试验探究了还原效果。试验结果表明,NH₃在温度为290℃时即可有效还原Fe₂O₃,而H₂需要在温度为542 ℃时才可有效还原Fe₂O₃,说明了NH₃在较低温度下具有还原优势。NH₃还原Fe₂SiO₄的热力学反应温度为480 ℃,相比之下,CO和H₂在这一温度下的反应不是自发的,这表明NH₃在还原Fe₂SiO₄时具有热力学优势。随着温度的升高,赤铁矿的失重率和还原率增加,900 ℃时赤铁矿可以被体积分数为30%的NH₃完全还原。还原时间的增加也导致失重率和还原率的增加,还原时间为60 min时还原率达到90%,还原时间为180 min时还原率达到100%。利用XRD、SEM和OM对还原后的样品进行表征,发现Fe₂O₃首先转化为Fe₃O₄,然后迅速转化为FeO,最后FeO转化为单质铁。EDS能谱分析显示,随着反应的进行,氧原子含量减少而铁原子含量增加,最终Fe₂O₃被完全还原为单质铁。在NH₃还原Fe₂O₃的过程中,氮原子的数量先增加后减少,这表明铁被NH₃氮化生成Fe₄N,随后Fe₄N在高温下分解产生铁和N₂。NH₃在还原赤铁矿的过程中显示出显著的热力学优势,且还原过程可以分为初期缓慢转化阶段、中期快速反应阶段以及后期由于产物覆盖导致的反应速率下降阶段。整个过程在30 min内完成,最终实现了Fe₂O₃到单质铁的完全转化。这为工业上利用NH₃还原赤铁矿提供了理论依据和试验数据支持。

炉腰、炉腹及炉身下部区域是高炉高效长寿运行的限制环节之一,形成稳定的渣皮是保障该区域冷却壁运行安全的关键。为了探明渣皮的本质特征,首先通过多座高炉解剖及冷却壁破损调查,获得了炉腰、炉腹及炉身下部区域的渣皮试样,其次通过XRF、XRD及SEM-EDS等分析方法研究了渣皮的成分、物相组成及微观形貌的演变规律,并基于渣皮的成分特征建立了渣皮的类别体系,重点比较了不同炉容和不同冷却壁材质下高炉炉体冷却壁渣皮的物相及形貌特征,最后制定了冷却壁渣皮调控措施。结果表明,冷却壁渣皮主要分为2大类,以渣铁成分为主的冷却壁渣皮和以有害元素ZnO、碳为主的有害元素黏结物,其中,有害元素黏结物热稳定性差,易于脱落,不利于冷却壁运行安全;渣皮中渣相的碱度随着高度下降先增加后降低,同一冷却壁材质下不同炉容高炉冷却壁渣皮的成分差异不大,而不同冷却壁材质高炉炉体渣皮相差较大;铜冷却壁渣皮存在明显分层结构,其渣相成分呈现高铝低镁渣系特征,主要析出相为钙铝黄长石相（Ca₂Al₂SiO₇）,而铸铁冷却壁渣皮无分层结构,Al₂O₃和MgO含量略低于高炉渣,主要析出相为Ca₃MgSi₂O₈;最后明确炉体冷却壁渣皮的形成调控应从边缘煤气流温度及渣相成分等方面采取操作措施,以保障冷却壁表面挂渣的结晶动力学条件,为高炉炉体冷却壁长寿运行提供理论基础。

含铌非调质钢是裂纹敏感性钢种,在连铸过程中易产生裂纹,从而严重恶化铸坯的表面质量。针对国内某厂生产的46MnVNbS5含铌非调质钢,采用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪、电子探针、三维刻蚀仪、高温激光共聚焦显微镜以及Thermo-Calc软件等设备手段,对含铌非调质钢铸坯角部内裂纹原因进行解析。对320 mm×425 mm规格的铸坯表面裂纹分布进行观察,发现在距内弧0~20 mm范围内无明显裂纹,仅在距内弧20 mm的试样上观察到点状坑缺陷。在距内弧20~40 mm范围有明显裂纹,裂纹尺寸普遍大于10 mm;距内弧表面25 mm处,仅在铸坯低倍面观察到裂纹;在距内弧表面30、35、40 mm处,试样多个观察面均有裂纹,裂纹沿枝晶生长方向生长。利用扫描电镜分析及能谱分析确定了裂纹内部及附近存在大量硫化锰与碳氮化物的耦合析出物。对裂纹试样的表面进行腐蚀后观察发现,裂纹沿仿晶界铁素体扩展。热力学计算结果表明,在两相区夹杂物主要为硫化锰,随后会依次析出富铌碳氮化物、富钒碳氮化物,这也与试验得到的夹杂物类型相符。最后,采用高温激光共聚焦显微镜和数值模拟确定了含铌非调质钢的裂纹区（620.1~794.3 ℃）,模拟了连铸坯角部温度场,并优化了冷却制度以避开含铌非调质钢的裂纹敏感区。为解决铸坯裂纹提供了方法和手段,具有一定现实意义。

为了研究精炼过程中精炼渣w（（CaO））/w（（Al₂O₃））对钢液脱硫效果的影响,通过工业试验调整LF炉精炼渣中的w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））,并分析钢中硫含量变化规律,发现与w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））为1.6的精炼渣脱硫效果相比较,w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））为2.0精炼渣的脱硫效果更好。计算了不同w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））的精炼渣的熔化温度、固相分数、黏度和硫容量,发现在1 873 K下,当精炼渣中w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））大于1.8时,精炼渣由完全液相开始向半液相转变,并且精炼渣的固相分数在持续升高。此外,在硫容量C_S的基础上考虑黏度对精炼渣脱硫能力的影响,提出用1个无量纲的脱硫指数（S_index）表示精炼渣脱硫的能力。随着精炼渣中w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））的增加,精炼渣的黏度呈现先降低后升高的趋势,当w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））为1.8时,黏度η处于最低位置;随着渣中w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））的增加,C_S值逐渐增加;随着精炼渣中w（（CaO））/ w（（Al₂O₃）） 的增加,S_index值呈现先升高后降低的趋势,当w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））为2.0时,脱硫指数S_index处于最高位置,因此将渣的w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））控制在1.8~2.0更有利于提高渣的脱硫效率。最后,通过对1 600 ℃下CaO-Al₂O₃-SiO₂-5.68%MgO四元系精炼渣的脱硫指数进行计算,在精炼渣为液相的前提下,精炼渣中w（（CaO））/w（（Al₂O₃））越高,渣的脱硫指数S_index越大,钢液的脱硫效果越好。

转炉提钒吹炼各阶段冶炼任务不同,且熔池成分和温度不断变化,使得冶炼不同阶段下的供氧枪位、流量等工况条件发生变化,导致吹炼不同阶段熔池的搅拌特性有所差异。建立了转炉熔池搅拌能模型,研究了不同吹炼阶段温度、供氧流量及底吹变化对熔池搅拌能的影响。发现转炉提钒过程各阶段顶吹搅拌能量密度均明显小于底吹搅拌,化学反应产生的CO气泡搅拌能仅占熔池搅拌能的0.41%~1.74%。随着冶炼的进行,顶吹搅拌能密度由165.30 W/t先降低至144.63 W/t,后逐渐升高至192.84 W/t;CO气泡产生的搅拌能密度最高为15.21 W/t;底吹氮气产生的搅拌能密度由786.92 W/t逐步升高至865.57 W/t。冶炼过程中,通过改变不同阶段顶吹枪位与底吹流量,合理增大了熔池搅拌能,并可有效降低碳损失。在此基础上,利用1∶3水模型试验研究了不同马赫数、供氧流量、枪位及底吹强度对熔池冲击特性和混匀时间的影响。随着吹炼的进行,马赫数为1.97时熔池冲击深度为61~90 mm,占熔池深度的19.93%~29.41%,冲击直径变化为37.41%~42.54%,混匀时间最长为54 s,最短为39 s,优化了转炉提钒工艺制度。此外,当底吹强度大于0.09 m³/（min·t）后,熔池混匀时间显著降低,底吹供气强度达到0.12 m³/（min·t）时,熔池搅拌强度增幅降低,当底吹流量增加至0.15 m³/（min·t）时,熔池混匀时间达到最小值27 s。为了减少熔池混匀时间,可适当增大底吹强度,提高提钒效率。通过调整提钒吹炼不同阶段枪位与供气强度,合理控制熔池的搅拌特性,有利于实现转炉提钒保碳。

30Cr15Mo1N是一种氮质量分数达0.4%的马氏体不锈钢,高硬度与高耐蚀性匹配是其应用时面临的重要问题。利用SEM、TEM、化学相分析、盐雾试验等多种手段,对比研究了不同温度回火后钢的组织性能和耐蚀性能。结果表明,试验钢经淬火、深冷处理后,500 ℃以下回火的微观组织为板条马氏体基体上分布微米级未溶解析出相和纳米级新析出相;随回火温度的升高,析出相类型保持不变,均为M₂₃C₆和Cr₂（C,N）,析出相数量和尺寸逐渐增大,尤其是475 ℃回火时出现析出相质量分数突然增大、马氏体逐渐溶解,回火温度高于500 ℃时出现回火索氏体。同时,钢中还存在二次硬化现象,在500 ℃回火时二次硬化峰值硬度为60.7HRC,随回火温度的升高,马氏体强化和固溶强化的作用逐渐下降,二次硬化效果主要是由于大量析出相的强化作用。盐雾腐蚀结果表明,回火温度小于400 ℃时以微小点蚀为主,在回火温度高于450 ℃时出现肉眼可见的腐蚀现象,试样表面出现颗粒状和片层状的腐蚀产物沉积,其中475~500 ℃回火的样品腐蚀最严重,随回火温度升高耐蚀性能变差。回火过程中含Cr析出相的析出导致其周围基体出现贫Cr区,引发试验钢耐腐蚀性能的下降,回火温度达到600 ℃以后,析出相边缘的贫Cr区间距增加使钢的耐蚀性稍有提升。因此,若同时追求高硬度与高耐蚀性、满足轴承不小于58HRC的硬度需求,钢的回火温度应不高于400 ℃。

合理操作炉型是高炉长寿、稳定顺行和获得良好经济技术指标的关键。基于某钢厂高炉生产数据,探究高炉炉型优化方法,为高炉操作提供科学指导。首先采用孤独森林法和箱型图法对数据进行噪声识别和处理,并基于主成分分析（PCA）进行降维,消除噪声和数据冗余,为后续聚类分析提供高质量的数据基础。随后,对比了K-means和DBSCAN 2种聚类算法的应用效果。K-means算法在聚类簇数为14时得到最佳轮廓系数,表明高炉炉型可分为14类;DBSCAN算法在邻域半径E_ps和最小邻域样本数min_samples为6.25和2时表现出更低的戴维森堡丁指数,聚类效果最佳,并能有效识别任意形状的聚类,尤其适合处理高炉生产数据的复杂性和非线性特征。为了评估不同炉型的优劣,建立了基于生产指标综合评分的操作炉型评价方法,选取焦比、燃料比、产量和铁损作为关键绩效指标,并赋予不同的权重。结果表明,第4类炉型在高炉操作指标方面表现最优,可作为合理炉型的操作目标。为了实现高炉炉型优化,利用随机森林法探究了高炉操作参数与炉型之间的隐式关系,确定了影响炉型的关键特征参数,包括布料矩阵参数、透气性指数、煤气利用率和标准风速等。通过分析炉型演变过程和高炉参数变化趋势,发现炉型恶化主要与透气性下降有关,进而导致气流分布不均、煤气利用率降低和压差上升。建立了优化高炉炉型管理的新方法,可为现场人员提供有价值的数据分析和操作指导,有助于提高高炉操作水平,降低能耗和成本,实现高炉长寿、稳定顺行和高效生产。

超高强度不锈钢因具有良好的综合性能被广泛应用于航空、航天等领域。以一种新型2.1 GPa级超高强度不锈钢为研究对象,研究了不同固溶温度、时效处理对钢力学性能的影响规律,并采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等手段对钢的固溶和时效态的显微组织进行表征,建立了热处理-力学性能-微观组织之间的内在关联。结果表明,钢的固溶态组织为板条马氏体+残余奥氏体,原奥氏体晶粒尺寸随着固溶温度升高而增加,强度随着固溶温度升高呈降低趋势,而冲击吸收功先升高后降低;经1 050 ℃固溶的强度最高,但因未溶解的M₆C相破坏了基体组织的连续性导致了冲击吸收功降低,1 100 ℃固溶的强度和冲击吸收功均低于1 080 ℃固溶情况,虽然前者奥氏体含量高有利于提高韧性,但粗大的晶粒导致了冲击吸收功降低。经时效后,钢的强度显著提高,1 050 ℃固溶+时效的强度最低;1 080 ℃固溶+时效的强度最高,此时抗拉强度为2 161 MPa,屈服强度1 784 MPa,塑韧性优于1 050 ℃和1 100 ℃的情况,1 080 ℃冲击吸收功为37.5 J,强韧性匹配最佳,在板条马氏体上析出大量细小、弥散的Laves相和M₂C相,这是获得超高强度的主要原因,马氏体板条界上的薄膜状奥氏体是保持良好韧性的关键。研究钢种是目前国际上强度水平最高的不锈钢,研究成果可为提升其工程化技术成熟度提供一定的数据支撑。

为实现钢渣的高效处理与资源化利用,研究利用高炉渣作为“改性剂”来调质改性高碱度钢渣,改善钢渣的物理性能,优化钢渣的矿物组成,揭示熔渣微观结构对黏度的影响机制。使用高温物性测定仪、X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM-EDS）和拉曼光谱（Raman）对试验原料和改性渣分析。结果表明,随着混合渣碱度（1.6~2.4）的升高,其熔化温度先降低后升高。碱度为2.0时,高温物性最佳,此时高炉渣比例为35.19%（质量分数）、熔化温度为1 383.30 ℃、熔化时间为1.05 s,黏度（温度超过1 405 ℃时）低于0.25 Pa·s;均质反应效果良好,各矿物结构清晰,分布均匀,主要物相由钙铝黄长石（Ca₂Al₂SiO₇）、镁蔷薇辉石（Ca₃MgSi₂O₈）以及胶凝性矿物硅酸二钙（Ca₂SiO₄）和铝酸三钙（Ca₃Al₂O₆）等组成,实现了稳钙改质和胶凝材料富集。此外,碱度由1.6升高至2.0,熔渣微观结构中高聚合度单元发生解聚反应,低聚合度单元QSi0相对含量增多,简化了微观结构,聚合度参数n（BO/T）_e（网络结构中每个四面体平均拥有的桥氧数）降低至最低值0.87;碱度由2.0升高至2.4,[AlO4]参与网络构建的作用增强,高聚合度单元QAl3和QAl4增多,n（BO/T）_e值增加至1.69,熔渣聚合度的计算值与黏度试验结果吻合度较高。该研究可为高炉渣调质钢渣的黏度、优化钢渣的物相组成及结构的相关研究提供参考,有望促进钢铁固废（高炉渣、钢渣）的资源化利用。

冷拔珠光体钢丝过程中显微组织和渗碳体的演化规律对成品钢丝的性能具有重要影响。采用SEM、TEM、物理化学相分析和原子探针层析技术（APT）等方法研究了82B-V珠光体盘条拉拔生产钢丝和钢绞线过程中的组织演变及碳化物演化行为。微观组织分析结果表明,经冷拔后珠光体片层逐渐转向拉拔方向,且片层间距由140 nm减小至80 nm,表现出良好的变形能力;在拉拔过程中,钢丝中的铁素体内部生成了大量位错胞状结构,铁素体片层被位错壁隔断呈“竹节”状形貌,渗碳体发生转动,部分相邻的铁素体片层区域间的渗碳体相发生溶解消失。物理化学相分析结果表明,盘条拉拔成钢丝后合金渗碳体中的C元素扩散至铁素体内部,部分渗碳体发生溶解,渗碳体质量分数由7.99%降至6.67%;稳定化处理后的钢绞线中合金渗碳体质量分数略有回升,提高至7.00%;而APT的结果表明,与盘条相比,C原子在钢绞线渗碳体中的平均质量分数仅为13.5%,降低了7.5个百分点;Cr、Mn和V原子在钢绞线渗碳体中的平均质量分数分别为0.51%、1.59%和0.23%,分别降低了0.246、0.785和0.170个百分点,进一步证实了在大变形拉拔过程中合金渗碳体发生溶解,C、Cr、Mn和V扩散至铁素体中。通过拉伸试验和断口形貌分析可知,钢丝在拉伸过程无颈缩产生,断口呈射状及结晶状,存在贯穿整个截面的撕裂棱;而钢绞线产生了颈缩,断口呈灰色无光泽的纤维状,芯部撕裂棱较浅,结晶状形貌明显减少,表现出更优的综合力学性能,其抗拉强度和断面收缩率分别达2 045 MPa和35.2%。

目前常用经典的K-M（Koistinen-Marburger）模型描述钢的马氏体相变动力学,但模型的准确性与钢种成分密切相关。基于不同冷却速率的淬火试验,采用膨胀法、金相法研究了常见中碳高硅淬火-配分（Q&P）钢的马氏体相变动力学规律,并基于传统K-M模型建立了适用于中碳高硅Q&P钢的改进马氏体相变动力学模型,并对其进行了验证。结果表明,不同冷却速率下,中碳高硅Q&P钢的马氏体相变动力学曲线呈“S”形,而不是“C”形,相变过程可分为开始相变的加速期、中间相变的高速期和最后相变的减速期,这可能是马氏体的自回火现象引起的。此外,靠近马氏体相变开始温度形成的马氏体较为粗大,此时温度较高,碳从过饱和马氏体板条扩散到周围未转化的奥氏体中,奥氏体碳富集增加了残余奥氏体的稳定性,使得过冷度需要进一步增加才能继续发生马氏体相变,从而降低了残余奥氏体的马氏体相变开始温度。马氏体相变动力学方程指数β为1~2的常数。β值对淬火温度的敏感性取决于钢的碳含量。碳含量升高时,β值对淬火温度的敏感性显著降低,基本可以忽略。速率参数α为淬火温度的3次多项式函数,随着冷却速率的增加,速率参数α逐渐降低,这表明马氏体相变可能是一个与时间有关的相变;而方程指数β逐渐增加,这与奥氏体塑性调节对马氏体相变的抑制作用有关。改进K-M模型考虑了马氏体相变的瞬时动力学特性,与试验数据的匹配度较传统K-M模型更好。

钒钛磁铁矿是一种富含铁、钒、钛的特色矿产资源,综合利用价值高,由于类质同象及微细粒嵌布等因素影响,铁与钛难以实现高效分离并综合利用。结合钒钛磁铁矿自身矿物学特征和理论热力学计算,提出“氢还原-富钛分选”新方法来实现钛铁分离,通过铁氧化物和钛铁氧化异步还原,使得铁氧化物转化成金属铁,而钛铁氧化物基本不还原,利用铁矿物和钛铁矿物存在明显的磁性差异的特性实现高效分离。在本试验条件下,随着还原温度和还原时间的提高,钛回收率降低,铁回收率增加;较高的还原温度和较长的还原时间不利于实现钛铁同步分离。在还原温度为900 ℃、还原时间为50 min、还原气氛为30%H₂+70%Ar（体积分数）、磁选磁场强度电感为0.8 A的条件下,可获得TFe品位为78.32%、回收率为98.12%的铁精矿以及钛品位为20.92%、回收率为33.11%的富钛矿。化学成分分析、X射线衍射（XRD）分析和光学显微镜分析结果均表明钛铁矿物与铁矿物实现了有效的分离,钛在富钛矿中有效富集。最后,对磁选产物的综合利用提出了远景展望,一方面铁精矿可以为高炉或直接还原工艺生产提供原料,不仅可以降低生产成本和铁损,还可以缩短冶炼周期;另一方面,富钛矿可以制备高附加值的FeTi30合金,理论计算均满足要求。这为实现钒钛磁铁矿资源氢还原-富钛分选处理后产物综合利用提供了重要研究方向。

硫化物的尺寸和形貌是影响易切削钢的切削性能和力学性能的重要因素。为了提高易切削钢的硫化物控制水平,采用扫描电子显微镜和夹杂物自动分析仪系统分析了钙处理易切削钢中硫化物在热轧前后的特征（长度、长径比和面积）变化规律。钙处理易切削钢中存在2种类型的硫化物,即纯MnS和CaS-MnS。CaS-MnS的数量比例为13%~21%,心部含有氧化物。能谱分布表明CaS-MnS是成分均匀的固溶体相。对于纯MnS,其在连铸坯中的平均长径比和最大长径比分别为2.191和26.87;经过热轧,平均长径比和最大长径比分别为4.583和60.83;平均长径比增加107.12%。对于CaS-MnS,其在连铸坯中的长度、长径比和面积均明显小于纯MnS。经过热轧,CaS-MnS变形很小,平均长径比和最大长径比分别为1.598和14.42,平均长径比仅增加8.48%。面积对纯MnS的变形影响较大。对于面积不大于30 μm²的纯MnS,其在连铸坯和轧材中的长径比均较小（小于4）;对于面积大于30 μm²的纯MnS,热轧后长径比明显增加。对硫化物的形成机理进行了解释。钙处理后夹杂物为CaO-Al₂O₃。加硫线后钢中硫质量分数远大于氧质量分数,使得CaO转变为CaS。CaS与MnS具有互溶性,能够促进MnS的异质形核,形成细小的CaS-MnS。在凝固末期,Mn和S的过饱和度剧烈增加,使得MnS在短时间内大量析出。有助于更好地理解钙处理对硫系易切削钢的作用,可为工程应用提供指导。

风电紧固件领域常用的40CrNiMo钢中Ni元素主要用于改善钢的低温韧性,但Ni价格昂贵,提高了钢材的成本,难以满足风电行业低成本化的要求。通过质量分数为0.08%的V微合金化设计开发了1种低成本CrNiMo钢,Ni质量分数仅为0.3%,用于代替40CrNiMo钢（Ni元素质量分数为1.5%左右）。通过SEM、EBSD、TEM、XRD等手段研究了两者基体、碳化物差异,通过拉伸、-40 ℃冲击试验对比研究了两者等强度下（10.9级）的低温韧性。结果显示,40CrNiMo钢的原奥氏体晶粒尺寸小于开发钢,两者分别为（14.5±5.3）、（20.6±7.1） μm,细小的晶粒使得40CrNiMo钢的大角度晶界密度较开发钢提高了0.7/μm。由于V有改善回火抗力的作用,同强度下开发钢的回火温度较40CrNiMo钢提高了60 ℃,高的回火温度使得开发钢获得了更充分的回复,从而获得了高的大角度晶界比例以及较低的位错密度,2种试验钢的位错密度分别为9.3×10¹⁴、2.3×10¹⁵/m²。回火后,开发钢组织中析出了MC、M₂C、M₃C型碳化物,其中MC型碳化物呈球形,直径小于20 nm,M₂C、M₃C型碳化物均呈椭球形,最大长度小于150 nm;40CrNiMo钢中析出了M₂C、M₃C型碳化物,M₂C型碳化物呈椭球状,最大长度小于100 nm,M₃C型碳化物呈长条状,长度可达500 nm以上。通过对视场内所有碳化物的最大尺寸统计发现,开发钢的M₃C渗碳体析出比例较低,且碳化物整体尺寸较小。虽然开发钢的原奥氏体晶粒尺寸较大、大角度晶界密度较低,但其基体回复更充分且回火后得到了球形、细小的碳化物,提高了开发钢的低温韧性,使得在10.9级强度下,开发钢的-40 ℃冲击吸收功可达86 J,超过40CrNiMo钢的74 J。

向钢中引入不可逆氢陷阱是提高结构钢抗氢脆能力的常用方法,为揭示以α-Fe为基体的高强钢中TiN析出相界面的氢陷阱特性,在TiN/α-Fe 界面的微观分析基础上,利用热脱附质谱对具有不同TiN/α-Fe 界面错配度的0.21Ti-0.08N-Fe（质量分数,%）材料的氢陷阱特性进行表征,并使用第一性原理模拟计算TiN/α-Fe界面上氢陷阱的氢吸附强度,探究界面上氢束缚位点吸附氢的机制。试验结果表明,包含不同TiN/α-Fe 界面的4种样品的低温脱附峰特征非常相近,中温峰的高低与样品中半共格界面的含量正相关,高温峰的高低与样品中共格TiN/α-Fe界面含量正相关。共格TiN/α-Fe界面最多的样品具有最多的不可逆陷阱,不同界面对氢原子的束缚能力顺序为共格界面>半共格界面>非共格界面。模拟计算结果表明,在具有B-N位向关系的共格TiN/α-Fe界面上,八面体间隙、混合四面体间隙和纯铁四面体间隙都是有效的束缚氢原子位点,八面体间隙的氢束缚能最低（-0.10 eV）,更靠近界面的混合四面体间隙的氢束缚能（-0.04 eV）,低于纯铁四面体间隙（-0.01 eV）。氢原子溶入前后间隙周围原子间距变化以及电荷密度分布变化显示,界面处α-Fe一侧的晶格错配产生的应力场能够促进这3种间隙特别是八面体间隙对氢原子的束缚,可以有效阻碍氢在钢中的扩散。通过适当的热处理调控钢中TiN/α-Fe 界面的性质,增加不可逆氢陷阱含量,降低氢扩散系数,有利于提高微合金化结构钢的抗氢脆能力。