随着中国钢铁产量不断提高,钢铁工业面临着严重的资源和环境问题,在钢渣的处理和利用方面尤为突出。目前的钢渣处理工艺中,钢渣热能大量浪费,金属铁回收过程能源消耗大;大部分钢渣填埋堆存,尾渣综合利用水平较低。“双碳”背景下,发展低碳绿色钢渣资源化技术势在必行。总结了目前主流的钢渣处理工艺并分析讨论了不同方法的优缺点;归纳了钢渣主要的资源化利用途径,对近年来钢渣综合利用的技术进行分析。结合钢渣处理和利用现状,讨论并展望了钢渣资源化技术的发展方向。在“双碳”目标下,应该利用好熔融钢渣的热能,发展余热回收和热态钢渣提铁技术,利用钢渣碳化技术制备高附加值产品,实现热、铁、尾渣资源的全面回收与利用。

钒钛磁铁矿是中国特色战略金属资源。国内外现有主流高炉炼铁-转炉提钒工艺碳排放高、钒钛回收率低, 含钛高炉渣累计堆存上亿吨, 不仅浪费资源, 也显著增加了环保压力。介绍了非高炉冶炼工艺, 包括直接还原技术和熔融还原技术, 概述了其工艺流程和应用现状; 总结了国内外含钛炉渣的提钛途径, 如改性富集、碳化-氯化和湿法浸出等工艺的原理、应用现状和优缺点, 评价了其资源化利用前景; 认为钒钛磁铁矿氢基竖炉还原-电炉熔分-钛渣综合利用全流程技术极具发展前景, 可有力支撑中国钒钛钢铁产业实现"双碳"目标实现。

钢铁行业是国家经济发展的重要建设基础和工业化支撑，直接影响国民生活水平和国家安全。为积极响应中国的“碳达峰、碳中和”与可持续发展政策，中国钢铁行业未来的转型方向将聚焦于高质量发展、绿色生产、智能制造和提升国际竞争力，以实现碳减排和可持续发展的目标。作为钢铁生产的重要一环，高炉炼铁领域已基本具备完整的自动化系统，产生了大量的生产数据。为了将这些数据服务于高炉炼铁智能化，推动高炉炼铁可持续发展，围绕高炉智能化方向。通过数据治理技术对数据进行清洗，可以提高数据质量，为后续分析提供可靠基础。基于生产过程中的重要参数，利用大数据分析及人工智能技术，建立关键变量的数字孪生模型。可以在冶炼过程中针对多个目标进行实时监测、分析和预测，结合智能化的控制策略和优化算法，实现多目标的协同优化，从而可以在确保生产安全的前提下提高生产效率、降低成本。利用数据中台对高炉炼铁产生的数据进行整合、分析、应用、共享等，可以提升高炉炼铁的智能化水平和生产效率。最后，总结了高炉炼铁智能化方向存在的问题，并在结论中探讨了解决方案，希望能够为高炉炼铁行业的智能化转型升级提供指导，推动钢铁行业的可持续发展。

镓是一种重要的稀有金属矿产,镓和镓化合物广泛应用于太阳能、半导体、生物、化工和合金等领域。随着镓需求量的不断增长,镓资源已成为一种重要的战略资源。镓以极为稀少的含量分散于铝土矿、磷灰石、霞石和明矾石等矿物中,世界90%以上的原生镓来自于氧化铝生产的副产品。目前,从拜耳母液回收镓的方法有沉淀法、电化学法、萃取法和树脂吸附法等,然而提升镓的回收效率和降低其回收成本仍是业内关注的重点。阐述了铝土矿镓的赋存形式、镓在拜耳循环过程中的迁移规律、镓的分离提取方法和回收工艺的研究成果,重点介绍了铝土矿中镓资源回收现状,总结了现有技术的优缺点,并展望了从铝土矿中提镓的研究发展方向。

高牌号薄规格硅钢冷轧时易边裂、难变形、板形控制难度大, 因而一直采用单机架20辊轧机可逆轧制生产，导致生产效率与效益相对较低。近年来，国内外均开始探索高牌号薄规格硅钢的冷连轧生产工艺基本设备，国内也率先改造或新建成基于6辊轧机的4机架、5机架、6机架的硅钢专用冷连轧生产线，其辊形、辊径、辊系结构都各不相同，为新的同类工程设计带来困惑。为研究适用于高牌号硅钢冷连轧机的具体轧机结构，开展以下工作。首先，取样35WD1900热轧硅钢板并通过模拟连轧试验与常温拉伸试验得到了硅钢的应力-应变曲线。然后，针对1 500 mm UCMW轧机，基于Abaqus平台建立轧件辊系一体化单机架轧制与模拟连轧的有限元仿真模型。并通过大量工况仿真比较，确定出连轧机门户机架工作辊最优辊径范围为320~360 mm，中间机架工作辊最优辊径范围为300~340 mm，成品机架工作辊最优辊径范围为300~340 mm。同时，在冷连轧工艺中，5机架连轧一直是主流选择，通过深入对比5机架、6机架和7机架连轧对轧后带钢凸度遗传与演变的影响规律，并综合考虑经济成本，认为6机架是较优机架数选择。最后，针对高牌号硅钢的连轧生产优化设计对应的中间辊与工作辊辊形。研究结果对高牌号薄规格硅钢冷连轧机的设计有参考价值，为硅钢连轧工艺的改进和优化提供了指导方向。

底吹气体是强化炼钢熔池搅拌的重要手段,气体介质的基础物性及其与炼钢熔池之间的反应特性直接影响熔池搅拌效果。为探究不同种类气体介质对熔池搅拌的影响,通过耦合搅拌功计算理论模型、转炉炼钢熔池脱碳规律和熔池升温规律,建立考虑碳氧反应的顶底复吹转炉熔池搅拌功计算模型,揭示底吹反应性气体(O₂、CO₂)和底吹惰性气体(N₂)熔池搅拌功随冶炼时间的变化规律。计算结果表明,底吹N₂的搅拌功主要受熔池温度影响,随熔池温度的升高而小幅增大;而底吹O₂和CO₂的搅拌功与炉内脱碳速率密切相关,在冶炼的开始阶段和结束阶段,底吹O₂的搅拌功极低,在底吹O₂中混入CO₂可以改善该阶段的熔池搅拌,还有助于降低终点钢水的平衡氮含量。120 t转炉工业试验表明,相比于底吹O₂-N₂/Ar,底吹O₂-CO₂可以获得更加优异的脱磷、控氧、脱氮效果,超低磷(磷质量分数不大于0.005%)钢水的炉次比例由4%提高至24%,平均碳氧积由0.001 9降至0.001 7,平均氮质量分数由0.003 3%降低至0.002 9%。结果可为转炉底吹O₂-CO₂新工艺的喷吹制度设计提供计算依据。

为了给不锈钢复合板焊接工艺优化和质量控制提供理论依据，综述了其结构特点、制备技术和焊接工艺。首先，分析了不锈钢复合板的层状结构特征，介绍了复合板的常见制备方法与过程。然后，分析了不锈钢复合板的焊接特性和工艺难点，从不锈钢复合板焊接接头结构设计入手，讨论了焊接方法、焊接材料、焊接坡口、焊接顺序以及焊接前/后处理等有关因素对焊接接头组织性能的影响，研究了焊接过程组织演变规律及其与焊接接头各项性能的关系，总结了不锈钢复合板焊接性能调控的研究现状。进一步地，根据焊接技术发展，探讨了不锈钢复合板焊接采用的新方法、新材料，阐述了焊接工艺研究的数值模拟方法及应用。最后，对不锈钢复合板的焊接工艺方法和性能控制措施进行了展望。

干熄焦系统中硫化物和CO主要源自焦炭烧损,而焦炭烧损普遍存在于干熄焦工艺中。通过研究干熄焦系统中焦炭烧损率变化规律,可为相关污染物治理提供理论支撑。基于干熄焦系统气态碳平衡推导焦炭烧损率的实时测算方法,需要先获得干熄焦环境除尘气中CO和CO₂的体积分数。为此,研究了干熄焦环境除尘气组分变化规律,其中的CO₂、CO以及少量NO均呈周期性变化,在装焦作业时含量快速升高并出现峰值,随后快速降低并趋于平缓。结合上述检测数据,最终得到真实的焦炭烧损率变化规律。正常生产时焦炭烧损率呈周期性变化,而一定时间内未装焦时其呈下降趋势。装焦作业造成焦炭烧损率出现峰值,其对干熄焦系统焦炭烧损率的贡献比例约为10%。对比焦炭烧损率3种实时测算方法可知,由导入空气法得到的焦炭烧损率数值偏高,而碳(放散气)平衡法得到的焦炭烧损率数值偏低。当循环气体中CO浓度控制过低时焦炭烧损率偏高,通过提高循环气体中CO浓度等措施,可将焦炭烧损率降低至设计水平。

轻量化是解决汽车行业大气污染, 实现“碳达峰”“碳中和”的重要途径。锰质量分数为3%~12%的中锰Fe-Mn-Al-C钢因密度低、力学性能优良, 且具备显著的低成本和生产加工优势, 在汽车结构材料领域具有广阔应用前景。基于国内外研究现状系统介绍了中锰Fe-Mn-Al-C低密度钢的强化机制, 总结了不同热处理工艺条件对中锰低密度钢力学性能和变形过程中残余奥氏体稳定性的影响和作用机理。结合研究现状指出目前中锰低密度钢力学性能较传统汽车用钢仍有差距, 尚难满足整车应用需求。聚焦发展历史和研究现状归纳了淬火-配分工艺的特点, 分析了淬火-配分钢的强化机制, 从加热温度、淬火温度、配分温度、配分时间的角度探讨了影响中锰钢力学性能的因素。基于当前中锰Fe-Mn-Al-C低密度钢性能提升的需求并结合其元素组成和微观组织形貌特性, 指出通过淬火-配分工艺可增加中锰Fe-Mn-Al-C低密度钢中残余奥氏体体积分数和稳定性, 进而实现力学性能提升。未来需要关注的研究方向, 一是如何设计合理的Q&P工艺参数避免钢中粗大的κ-碳化物析出, 二是需探究中锰低密度钢中κ-碳化物强化与TRIP效应之间是否存在多元强化机制的协同作用, 三是查清Q&P处理是否会通过影响原始奥氏体晶粒尺寸大小等进而改变相变过程中马氏体组织的不均匀性, 以及不同马氏体亚结构特性对残余奥氏体形核位点和形貌特征的作用规律, 以为该工艺在生产中的普及和优化改进提供参考。

钢铁制造流程是由多工序耦合集成的制造系统,其物理本质是铁素物质流在能量流的驱动和作用下,经过一系列复杂的物理及化学的转化或转变,制造出钢铁产品的过程。物质流、能量流和信息流在流程中相互耦合、协同运行,动态运行是流程最主要的特征。钢铁制造过程是远离平衡态、非线性耦合、开放的不可逆过程,也是物质和能量的耗散过程。钢铁冶金工程设计以钢铁厂设计为对象,以钢铁冶金基础科学、技术科学、工程科学的研究成果为理论基础,将钢铁冶金工程技术进行系统集成和设计优化,并实现工程化。现代钢铁冶金工程设计是在工程哲学和冶金流程工程学理论的指导下,通过对钢铁冶金工艺流程和技术装备的合理选择及系统集成,建构出流程合理、结构先进、功能优化、运行高效并有竞争力的工程实体。现代钢铁冶金工程设计的核心要旨是实现工程整体的系统化、结构化、功能化、高效化、绿色化、智能化等集成目标,追求钢铁制造流程的结构、功能、效率以及流程动态运行过程中的多目标优化。研究讨论了新一代钢铁厂工程概念设计、顶层设计和动态精准设计的内涵和方法,论述了首钢京唐厂工程设计创新和运行实践效果。

钢铁工业是国民经济的重要基础产业,传统工程设计理论在推动钢铁工业高质量发展方面面临着重要挑战。冶金流程工程学是引导新时期钢铁工业实现高质量发展的重要理论依据。介绍了钢铁联合企业在设计过程中运用冶金流程工程学理论,通过深入研究制造流程物理系统,优化物理系统的参数,采用绿色“界面技术”,确定物理系统的稳态优化目标所构建静态系统,为实现物质流、能量流和信息流的动态-有序、协同-连续、稳定-高效运行提供基础。运用冶金流程工程学设计理论,打造了邯钢新区项目“紧凑型”钢铁制造流程,确定了极致设计对生产运行、效率、节能、减污降碳等方面的影响。邯钢新区吨钢占地0.42 m²,吨钢综合能耗(以标准煤计)低于546 kg,吨钢新水耗量2.5 t,吨钢CO₂排放小于1.57 t,成为钢铁行业节能降碳的典范。基于冶金流程工程学理论的钢铁联合企业极致设计为企业打造“高效化、绿色化、智能化 ”的世界一流工厂奠定了基础。

回顾分析了中国粗钢年产量、2023-2024年粗钢月度日均产量和月末螺纹钢价格以及钢材直接出口量、钢铁制品间接出口量、CO₂排放量等的变化, 认为中国粗钢产量总体呈现供大于求的态势, 钢铁行业已经进入减量化波动下行阶段; 在粗钢产量不明显增加的前提下, 可以说中国钢铁行业已开始步入CO₂排放稳定期。从未来粗钢产量的预测、供给侧结构性改革、进出口政策调整等方面探讨了中国粗钢产出总量控制的目标和措施; 结合未来粗钢产量和废钢资源量的预测, 提出了在"双碳"背景下, 未来钢铁行业将逐步形成3类典型的钢铁制造流程, 即高炉-转炉长流程、全废钢电炉流程和氢还原-电炉流程, 并对3类流程的交替演变过程进行讨论, 指出中国钢铁工业也应该借助"双碳"大背景, 引导废钢资源尽可能流向电炉流程, 进而逐步调整全行业的铁素资源结构、产品结构和流程结构的布局; 从界面技术优化、动态精准设计与全流程智能化等方面来探讨钢铁制造全流程的连续性提升的路径。最后, 通过钢铁行业"双碳"分析模型的构建与分析, 提出控制并削减粗钢产量是最有效的降碳措施, 同样重要的是钢厂流程结构优化。

首钢京唐公司遵循冶金流程工程学理论,通过对生产过程中各单元生产工序冶金功能的解析与集成,构建了具有动态有序、连续紧凑和高效稳定生产的“新一代”可循环钢铁制造流程;采用先进的“高炉-转炉”(铁-钢)和“连铸-热轧”(钢-轧)界面技术及铁水预处理、炉机匹配、钢水精炼优化匹配、连铸高效化等共性技术,构建了高效率、低成本、稳定生产高品质钢的洁净钢平台。铁-钢界面通过持续完善调度模型,铁包周转次数从日均3.8次逐步提高至5.8次以上,铁水温降从108.3 ℃逐步降至85.7 ℃,铁水装准率(-0.5~0.5 t)稳定为98.5%以上;钢-轧界面基于产销一体化平台,通过辊期优化、降低板坯封锁率及板坯在线淬火技术,热连轧产线板坯热装率达到64.84%,中厚板产线板坯热装率达到62.9%;在专线化生产方面,通过合理优化工艺布置和差异化设备选型,形成了各具特色的专门化生产线。以汽车板、镀锡板品种为代表的产线,通过高效化生产、全流程低氧控制技术,KR、转炉、RH真空处理时间分别控制在32.2、35、20 min以内,包晶钢拉速提高至1.7 m/min,马口铁拉速达到2.0 m/min,基本实现炉机匹配,中间包钢水中总氧质量分数由0.002 8%降低至0.001 5%。MCCR铸轧一体化产线开发的超洁净钢水冶炼技术,实现全量钢水中硫质量分数不高于0.001 2%的超低硫控制;低碳品种实现低硅(硅质量分数不超过0.03%)、超低硫(硫质量分数不超过0.001 5%)、低碳(碳质量分数不超过0.01%)系列钢种及总氧质量分数不超过0.001%的超洁净钢高效稳定生产,酸洗后带钢表面质量达到冷轧FB级表面质量水平。以9Ni钢为代表的中厚板产线,开发了超高磷分配比极低磷冶炼渣系和高效深脱硫、氮、氧、氢及夹杂物控制技术,5大杂质元素(P+S+N+H+O)质量分数之和最低为0.004 01%,采用板坯大压下技术,实现300、400 mm厚板坯中心疏松不超过0.5级。首钢京唐公司充分发挥新一代流程的优势,以汽车板、镀锡板等战略产品为引领,多项产品技术实现首发,实现了“打造首屈一指的钢”的品牌理念。

齿轮钢作为航空航天、铁路运输和机械传动等领域的关键材料,其性能直接影响齿轮的使用寿命和可靠性。针对齿轮钢在较低冷却速率凝固时带状组织会使其性能恶化的问题,通过原位激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)、电子探针X射线显微分析仪(EPMA)以及JMatPro软件等多种试验和理论计算相结合的方法,对20MnCr5齿轮钢在不同冷却速率下微观结构和溶质元素的微观偏析行为进行了探究。结果表明,随着冷却速率的加快,二次枝晶臂间距由318.63 μm减小至138.08 μm。20MnCr5齿轮钢凝固过程中,主要发生L→L+δ→γ的相变。随着温度的降低,铬和锰元素在晶界处有偏聚的倾向,同时,MnS、TiN和碳化物等相继析出。构建了一个溶质元素微观偏析模型,预测了齿轮钢凝固过程中元素的偏析行为,其结果与EPMA面扫元素分布一致,可为连铸工艺优化控制与铸坯质量控制提供依据。

河钢唐钢新区是河钢集团以“绿色化、智能化、品牌化”为建设目标,借助区位调整契机,按照高质量发展和绿色低碳转型设计建设的新一代流程钢厂。在唐钢新区的工程设计中,摒弃了传统的立足于各工序/装置的静态能力估算和不同富余系数假定的钢厂静态设计,而是以冶金流程工程学为指导,将钢厂动态精准设计用于构建唐钢新区的信息物理系统,为物理空间的静态结构框架以及动态运行的路径、轨迹和时-空边界优化打下坚实基础。为贯彻动态精准设计原则,采用一系列数字技术,在信息空间构建了工厂数据库平台以及一体化计划排程、全流程实时动态调度、全流程工艺数字化、设备智能运维和能源精细化管控系统。通过信息空间与物理空间中的人、机、料、法、环主要要素的相互映射、实时交互和高效协同,使信息物理系统内的资源配置和运行可以按需响应、快速迭代、动态优化,以解决生产制造和能源耗散过程中的复杂性和不确定性问题,实现唐钢新区物质流在长时间范围内动态-稳定-均衡地匹配、全流程整体运行时间最小化、能源耗散减少而使流程能耗最小化。唐钢新区为冶金行业的产业升级和新质生产力的发展贡献了一座绿色智能钢厂。

在炼钢-连铸生产过程中会产生诸多扰动,导致很多时候调度不能按照原计划进行,需要采取实时的调度策略对炼钢-连铸生产过程进行动态调度。为了保证炼钢-连铸生产过程中的稳定性,提出了一种基于缓冲时间“柔性”可调方法与基于Flexsim作业倒推方法相结合的动态调整方法。通过加入天车规则、设备选择相关规则、钢包数量限制等约束,生成重调度作业计划。通过优化后的动态调度方案很好地消除了炼钢-连铸过程中扰动的影响。另外,将本研究方案与人工调度以设备利用率、连续化程度、生产周期等评价指标相对比,平均生产周期降低了7.9 min,连续化程度提高了8.8%。结果表明,本方法在基于规则和Flexsim的基础上,不但能动态生成具体的调度方案,并且过程的相关指标得到了显著改善,为今后Flexsim指导现场生产提供了理论依据。

高炉软熔带是保证煤气流合理分布,实现低碳冶炼的关键性因素之一,其位置和形状主要受到含铁炉料的冶金性能及高温交互作用影响。综述了烧结矿、球团矿以及块矿等不同含铁炉料之间的高温交互作用机理、影响因素以及高温交互作用对炉料软熔性能与渣相形成的影响。指出适当调整炉料化学成分和混匀度、优化炉料结构以及改善炉料的还原条件等均能优化含铁炉料间的交互作用,改善炉料的软熔滴落性能和透气性。未来可加强冷压球团、金属化球团和熔剂型球团等优质球团与其他含铁炉料的交互作用机理研究,加深炉料交互作用过程中物相演变及不同含铁炉料的扩散动力学行为的相关性研究,从而为炉料的软熔性能和透气性优化提供参考。

高铁三水铝石由于铝铁“同晶置换”形成了铝针铁矿，难以实现铝铁分离。以H₂作为还原剂，采用悬浮磁化焙烧的方式对典型高铁三水铝石进行预处理，经拜耳溶出分离，使铁富集于赤泥，从而实现铝铁的高效分离；考查焙烧条件对其物相结构、微观形貌、比表面积与溶出性能的影响，分析焙烧前后其磁性变化。结果表明，焙烧矿疏松多孔，比表面积大幅提升；铝矿物转变为γ-Al₂O₃，溶出活性良好，赤铁矿转变为磁铁矿，铝针铁矿转变为多孔的铝取代磁铁矿结构，铝元素未发生迁移；改善了铝铁分离效果，较佳焙烧条件为温度500 ℃、时间10 min、H₂体积分数20%、总气体流量500 mL/min；氧化铝相对溶出率达到96.47%，溶出赤泥中铝含量减少、铁含量增加，TFe质量分数达到60.56%，较原矿赤泥提升11.28个百分点；铁矿物仍然保持磁铁矿结构，饱和磁化强度为54.1 A·m²/kg。后续通过磁选进一步提升铁品位有利于实现赤泥减量化。

在钢铁制造流程中,氢冶金电炉流程具有实现近零碳排放钢铁生产的潜力,是钢铁行业实现绿色可持续发展的重要抓手。由于氢冶金提供的产物直接还原铁不是终端产品,需要通过电炉等熔炼设备才能得到理想的产品。电炉工序技术已经成熟,难点在于氢冶金工艺的技术突破,氢冶金工艺被世界广泛认为是前沿颠覆性技术。国内的氢冶金示范项目多处于工业化试验阶段,离实现真正的产业化还存在一定的差距。氢冶金工艺的技术成熟度评价有助于科学了解其发展进程,评估其发展现状,预期其未来发展趋势。基于技术成熟度标准和工艺分析,研究了适用于氢冶金工艺的技术成熟度评价标准和细则,对4种氢冶金工艺进行了技术成熟度评价与展望。结果表明,目前氢基竖炉直接还原工艺综合评价为7级,氢基流化床直接还原工艺为6级,富氢高炉炼铁工艺为7级,氢基熔融还原炼铁工艺为6级。氢冶金工艺整体上还处于不断探索和开发阶段,尚未有产品成熟商业化的厂家。最后,回顾了主要氢冶金工艺路线的历史发展过程,展望了未来氢冶金发展趋势与前景。在4种工艺中氢基竖炉直接还原工艺有望最早实现商业化,在冶金流程中实现以氢代碳,助力钢铁生产实现近零碳排放。

热轧带肋钢筋是中国钢材消费占比最大的钢种,低成本、高强度、多功能、长寿命是其发展的趋势。微合金化技术作为钢筋性能强化的主要手段,被国内钢铁企业应用于热轧带肋钢筋生产。大量研究表明微合金化元素的强化机理主要是固溶强化和碳氮化物的析出强化。V、Nb、Ti是常用的微合金强化元素,随着强化机理的深入研究和生产设备的更新换代,稀土以强化力学性能、耐腐蚀性能和焊接性能以及降低成本等作用成为抗震钢筋研制新方向。对抗震钢筋的微合金化研究现状进行介绍和评述,以期为制备性能更加优异的微合金化抗震钢筋提供参考。

Cr12MoV钢是应用最广泛的冷作模具钢,属于高铬高碳莱氏体钢,钢中碳化物的形态、数量、大小和分布对Cr12MoV钢的性能有重要影响。采用金相显微镜、扫描电镜、夹杂物三维腐刻装置、X射线衍射仪和能谱分析仪对某厂生产的Cr12MoV模铸坯中碳化物类型、形态及分布情况进行解析,使用Thermo-Calc 2020b计算Cr12MoV冷作模具钢的相转变和碳化物析出行为。结果表明,Cr12MoV冷作模具钢碳化物类型为富铬富铁的M₇C₃型碳化物和M₂₃C₆型碳化物,M₇C₃型碳化物所含主要元素为铬、铁、碳、钼,M₂₃C₆型碳化物所含主要元素为铁、铬、钼、碳。铸坯中碳化物形貌主要可以分为4类,颗粒状碳化物、块状碳化物、棒状碳化物、网状碳化物。颗粒状碳化物尺寸为2~5 μm,块状碳化物尺寸为10~15 μm,棒状碳化物尺寸为30~40 μm,网状碳化物由颗粒状、块状、棒状碳化物聚集形成,其尺寸达80 μm。从边部到芯部碳化物形态的演变规律为颗粒状→块状→棒状→网状,边部到芯部碳化物不均匀性逐渐增强,边部碳化物呈颗粒状弥散分布,1/4处碳化物呈长棒状,芯部碳化物偏聚成网状;铸坯从边部到芯部,碳化物的平均等效直径由边部的5.7 μm增加到芯部的8.5 μm,碳化物面积比例由边部的8.2%增长到芯部的9.5%,碳化物的密度由边部的2 961个/mm²下降到芯部的1 189个/mm²。通过解析Cr12MoV钢铸坯中碳化物的类型、形态与分布,寻找碳化物在铸坯中的分布规律,为工厂调控钢中碳化物形态、优化钢的性能提供理论依据。

为降低烧结过程的能源消耗和碳排放,提出一种烧结料面燃料分加耦合低温点火的新技术。通过在烧结料层表面分加占总燃料量5%~7%的燃料,并利用耙料器和平料板等设备使燃料均匀分布于表层,能在保证点火效果的前提下大幅降低点火温度,从而减少固体燃料和点火煤气的消耗。本技术在湘钢烧结厂获得工业应用,实践结果表明,采用低温点火技术后,3台烧结机点火温度下降16%~27%、煤气流量下降640~1 900 km³/h,烧结矿的点火能耗下降0.007~0.038 GJ/t,同时转鼓强度保持原有水平,吨矿固体燃耗有所降低,烟气中SO₂和NO_x含量明显下降。新技术的应用取得良好的节能减碳效果。

伴随着汽车工业的快速发展,国内外各大主机厂对汽车板表面质量要求日益苛刻,特别是超深冲大减薄量复杂成形汽车板在冲压过程中基板表面“砂眼”现象,成为限制汽车板高质量发展的制约因素。针对超深冲大减薄量汽车板冲压“砂眼”缺陷,借助扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)等分析手段,明确了浸入式水口富集的Al₂O₃夹杂物脱落是导致汽车板冲压“砂眼”缺陷的根本原因。通过炼钢关键工艺与“砂眼”缺陷对应性影响分析,表明转炉终点氧、RH出站顶渣TFe含量、结晶器液面波动、连铸炉次交接坯等是诱发基板表面“砂眼”缺陷的主要原因。采取降低钢液氧含量、优化RH渣中TFe含量降低渣/金界面传氧、保护浇注防止钢水二次氧化、优化结晶器流场减少液面波动以及中间包液位稳态控制等措施可提高钢水洁净度,有效改善超深冲大减薄量汽车板“砂眼”缺陷,缺陷发生率由0.086%降低至0.026%。研究结果为超低碳钢高洁净度冶炼提供了技术支撑,可为超深冲大减薄量汽车板表面质量提升提供参考。

烧结工序是高炉炼铁工艺中的一个重要环节，同时也伴随着大量污染物的产生。在超低排放背景下，钢铁企业亟须对脱硫脱硝工艺进行升级改造，以应对现有脱硫脱硝工艺在实际应用中存在的问题。结合目前钢铁企业烧结工艺烟气脱硫脱硝的总体情况，介绍了国内烧结烟气治理领域应用的主流脱硫脱硝工艺技术，并对各种组合的技术路线根据不同烟气特性及应用场景进行对比分析，同时对目前钢铁企业应用较为广泛的烧结烟气中二氧化硫和氮氧化物的脱除技术进行了展望。按照烟气特性选择技术成熟的脱硫脱硝工艺将成为钢铁行业完成超低排放改造的主要路径，半干法脱硫技术需积极研发脱硫灰的无害化和资源化技术，同时将自动化、智能化技术应用其中，以应对工况变化条件下的脱硫效率不稳定的问题；SCR脱硝方面的研究重点是低温SCR技术，尤其是开发具有抗水抗硫中毒能力的低温催化剂；活性焦同时脱硫脱硝工艺应在预防结晶堵塞、系统腐蚀以及标准化操作方面进行深入研究。

随着节能工作的开展,中国钢铁工业在传统的技术体系下节能难度越来越大,节能空间越来越小,在高质量发展叠加能耗双控向碳排放双控约束的新时期,钢铁工业进入能源高效转化、能量流智能调控和集成匹配优化的新阶段。能量流网络化运行与智能化调控是进一步挖掘节能潜力的重要手段。能量流网络建模是能源系统智能调控和集成匹配优化的基础。Petri网作为描述网系统的形式化模型,是描述有向网系统单元之间关系及其资源变化的建模工具。为描述“混杂系统”,将库所和变迁区分为连续的和离散的2种类型,以表征连续变量和离散事件,构成混杂Petri网。基于冶金流程工程学,分析钢铁制造流程及其能量流网络系统的本构性特征,从系统的角度解析钢铁制造流程能量流网络作为“有向网”所具有的系统结构及其动态运行特征。通过形式化抽象,基于混杂Petri网建模方法,构建了钢铁制造流程能量流网络模型。该模型可对能量流网系统内要素之间的关系进行定性和定量描述,从而形象、逼真地反映系统结构和动态行为特性。以典型钢厂为例建立了能源转换环节的Petri网模型,并基于一个样本日的生产实绩,以1 h时间步长用Matlab软件进行了仿真。仿真结果表明,模型与实际系统符合性较好。该方法可为钢铁制造流程能量流网络系统能源利用状况评测和能源调度动态优化提供技术支撑。

为实现鞍钢本部高炉和烧结产能的匹配,提高烧结矿产量,并解决高比例精矿烧结时料层厚度难以超过900 mm的难题,鞍钢集团开发了双层预烧结工艺,但在实际生产过程中出现了烧结矿成品率下降、[5, 10) mm准粉末级别烧结矿升高的问题,为此在实验室开展了1 000 mm双层预烧结支撑工艺的基础研究。结果表明,双层预烧结时,在第二次点火后CO₂和CO体积分数升高,O₂体积分数急剧下降到8%左右,底部混合料层一定时间内为低氧气氛燃烧。双层预烧结时透气性指数变化分为3个过程,加入支架后,第1阶段平均提高10.37%,第2阶段平均提高12.61%,第3阶段中最低处平均提高28.95%;加入支架后,氧含量最低点时间提前,氧含量提高,烧结矿转鼓强度下降,但成品率上升,利用系数可以达到2.12 t/(m²·h),[5, 10) mm的准粉末级别比例明显下降,350 mm支架较400 mm支架能取得更好的技术指标。支架烧结在实验室证明可以解决双层预烧结应用的关键难题,可以进一步释放其提产能力。

随着国内铜资源需求量不断增加, 精炼铜的生产量与消费量之间存在巨大缺口, 废杂铜的回收利用成为解决铜资源紧缺的必要途径。废杂铜按铜品位常分为高、中、低3类, 其中高品位废杂铜可通过直接利用或一段法等工艺进行回收, 中低品位废杂铜则主要采用两段法、浮选和湿法等工艺回收。通过论述不同类别废杂铜的回收工艺, 详细分析火法、湿法及浮选法处理废杂铜的实施案例, 归纳总结了各种工艺的原理与优缺点。基于中国废杂铜回收现状进行了展望, 若能完善废杂铜的分类标准和回收体系, 可有效提升废杂铜资源的综合利用水平。

钢中簇状非金属夹杂物由大量细小、分布均匀的固态夹杂物碰撞聚合而成,并且具有不规则分形的特征,因此,可以采用分形维数对其形貌进行定量描述。为了定量化描述钢中非金属夹杂物的形貌,系统整理了簇状夹杂物的分形维数研究。首先,总结了分形维数的定义、不同分形维数的计算方法、三维分形维数(D₃)的测量方法以及三维和二维分形维数之间相互转化的计算模型。其次,分析了影响夹杂物分形维数大小的主要因素,包括夹杂物成分和计算误差。在计盒维数计算方法中,计算误差来源于覆盖盒子最大尺寸的选取,当0.25≤ε/dmax≤1(ε为覆盖盒子的尺寸,dmax为夹杂物最大直径)时,夹杂物分形维数计算误差较小。最后,总结了分形维数在夹杂物研究上的应用。不规则簇状夹杂物在钢液中的理论上浮速度可以通过分形维数进行计算,且夹杂物的分形维数越大,夹杂物的上浮速度越大。分形维数可以用于簇状夹杂物碰撞聚合形成的聚集体形貌研究。分形理论发展出的有限扩散凝聚模型(DLA模型)可用于钢中夹杂物聚合的模拟研究,结果表明,随着粒子释放点到种子之间距离的减小、粒子尺寸的增加以及种子尺寸的增加,夹杂物聚集度增加,解释了塞棒或水口结瘤的原因。研究结果为深入研究钢中簇状夹杂物的碰撞聚合过程对其从钢液中上浮去除和有效提升钢水的洁净度提供了一定参考。

与天然气和纯氢气体相比，焦炉煤气是钢铁厂副产煤气，且产量稳定、成本低，是目前可用于高炉喷吹的最具有潜力的富氢还原气体。为了获得高炉喷吹焦炉煤气操作的基础理论数据，计算了焦炉煤气适宜的喷吹量、不同热量补偿方式下的操作条件，并对比分析了不同操作条件下高炉的碳素消耗情况。以某钢铁厂2 500 m³高炉生产用原燃料和操作条件为基础，建立了喷吹焦炉煤气高炉的质能平衡模型。根据有氢参与的高炉Rist操作线理论，循环迭代计算了铁的直接还原度，并将其用于物料和热平衡计算。建立了喷吹焦炉煤气高炉的全炉热平衡和高温区热平衡模型，计算了不同喷吹量和操作条件下高炉的能量利用系数和热能利用系数, 并讨论了相应的碳素消耗及减排情况。结果表明，单独喷吹焦炉煤气时，焦炉煤气喷吹量提高，使炉腹煤气量增加，导致高炉的理论燃烧温度降低；同时直接还原耗热降低、炉顶煤气温度升高, 使得热能和能量利用系数均降低。吨铁喷吹1 m³焦炉煤气可以使理论燃烧温度降低约0.9 ℃, 提高富氧率和风温是喷吹焦炉煤气高炉最有效的热量补偿手段。喷吹焦炉煤气可获得降低高炉燃料比、减少综合碳素消耗和碳排放的效果。在同样的焦炉煤气喷吹量下，要达到喷吹焦炉煤气前的理论燃烧温度，需要更高的富氧率。富氧率提高0.91%，对应的吨铁焦炉煤气喷吹量可以增加10 m³。风温提高，高炉可以接受的焦炉煤气喷吹量增加，且对高炉的热量和能量利用系数影响很小。计算条件下，当风温为1 250 ℃、焦炉煤气喷吹量为100 m³时，焦比降低55.4 kg/t，焦炉煤气与焦炭的置换比约为0.55 kg/m³。焦炉煤气喷吹量增加，高炉综合碳素消耗下降。选择适宜的喷吹焦炉煤气喷吹量要在保持高炉顺行的同时，考虑降本、增产带来的经济效益，以及节约能耗潜力和企业的供氧能力等因素。

特殊钢线材在线等温热处理(QM)是指线材吐丝后利用其轧后余热直接在线浸入恒温盐浴槽来控制冷却的新型在线等温热处理技术。QM技术具有冷速快、温域宽的特点,可用于超高强高碳珠光体钢、中碳贝氏体非调质钢和免退火低碳合金钢等特殊钢线材产品。超高强高碳珠光体钢盘条用于制造桥梁缆索镀锌铝钢丝,实现抗拉强度2 130 MPa、扭转次数18次以上。中碳贝氏体非调质钢在不添加贵重合金元素的前提下通过控冷工艺获得全贝氏体组织,满足8.8级紧固件的强度要求,同时可实现1/6冷顶锻不开裂。免退火低碳合金钢经QM处理后,盘条断面收缩率均明显高于传统缓冷工艺,变形能力更高,可实现免退火拉拔加工。QM技术免除了二次热处理并实现了合金元素减量化,“双碳”背景下具有广阔的市场推广前景。介绍了QM工艺流程、技术原理及相关产品的最新研发进展。

富氢冶炼和提高入炉球团矿比例是实现低碳高炉炼铁的重要途经。以铁矿氧化球团为对象,研究了还原气氛和温度对球团矿还原过程中热态抗压强度的影响,阐明了不同条件下球团矿热态抗压强度的演变规律。结果表明,等温还原过程中,随着还原气(CO或H₂)浓度的提高,球团矿热态抗压强度均呈现降低趋势,且900 ℃时球团矿热态抗压强度降低幅度明显高于700 ℃时的降低幅度。当H₂体积分数由0增加至40%时,700 ℃还原时球团矿热态抗压强度由865 N缓慢降低至757 N,900 ℃还原时球团矿热态抗压强度由632 N显著降低至29 N。非等温还原过程中,当还原温度由500 ℃升高至900 ℃时,惰性气氛下球团矿热态抗压强度由1 551 N逐渐降低至1 016 N,非富氢气氛下球团矿热态抗压强度由1 495 N降低至244 N,富氢气氛下球团矿热态抗压强度由1 275 N下降至289 N。当温度小于800 ℃时,富氢气氛下球团矿热态抗压强度高于非富氢气氛下球团矿热态抗压强度,当温度大于800 ℃时,富氢气氛下球团矿热态抗压强度略低于非富氢气氛下球团矿热态抗压强度。本研究可为高炉富氢冶炼和大比例球团冶炼提供理论基础与数据支撑。

为了研究CaO-Al₂O₃-MgO-SiO₂-CaF₂精炼渣在炉外精炼过程中针对高锰钢的脱硫行为, 对1 873 K下CaO-Al₂O₃-5%MgO-5%SiO₂-10%CaF₂(质量分数)精炼渣钙铝比(CaO/Al₂O₃质量比)对ZGMn13高锰钢脱硫效率的影响及脱硫过程的限制性环节进行了理论分析与试验。结果表明, 渣中CaO/Al₂O₃质量比为1.8时脱硫效率最高, 为97.9%, CaO/Al₂O₃质量比为0.2时的固/液两相精炼渣的脱硫效果最差; 硫在渣中的传质系数k_s为1.38×10^-7~1.99×10^-6 m/s之间, 硫在高锰钢中的传质系数k_m为7.85×10^-5 m/s。此外, 研究表明硫在高锰钢中总传质系数k_o随渣中CaO/Al₂O₃质量比的升高而升高并逐渐趋于平缓。渣中CaO/Al₂O₃质量比在1.2~1.8之间硫在高锰钢中总传质系数k_o变化不大(变化量为8.7×10-6 m/s), 说明在渣中CaO/Al₂O₃质量比低于1.2时脱硫限制条件为硫在渣中的传质, 而CaO/Al₂O₃质量比在1.2~1.8之间时脱硫反应的限制性环节为硫在钢中的传质。

受能源结构、资源禀赋约束，中国钢铁工业以传统高炉-转炉长流程为主的工艺结构短期内难以根本性改变。面向以煤气喷吹为核心的低碳高炉技术，构建了一种基于气固换热及反应动力学的理论模型，模型中考虑了气固换热、矿石还原、焦炭溶损、炉料软融、渣铁滴落等过程对炉内气固相间相互作用的影响。利用所建模型计算了国内某2 300 m³大型高炉的冶炼过程参数，得到的炉腹煤气量、炉顶温度等特征参数与生产数据一致。模型进一步被用于研究某2 300 m³高炉在富CO煤气喷吹工况下不同喷吹量对炉内煤气流分布及温度分布状态的影响规律，结果表明，煤气进入高炉后，有助于发展炉内间接还原，高炉上部煤气温度和炉料温度均随喷吹量的增加而升高，炉内压差略有下降。研究工作为后续低碳高炉技术的参数设计提供了理论依据。