钢铁

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序

钢铁. 2026, 61(8): 1-1.

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CFD高炉数学模型综述：挑战、发展世代与展望

沈岩松, 谢金, 赵子光

钢铁. 2026, 61(8): 2-16.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260402

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高炉是当前全球铁水生产的主流反应器,但其内部高温、高压、多相耦合的“黑箱”本质使得其直接测量和实验室研究极为困难。全高炉尺度的计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）模型因此成为解析炉内现象、支撑操作决策和开发低碳高炉技术的重要工具。本文系统综述了基于多流体模型框架的CFD高炉数学模型的发展历程,并将其发展划分为3个世代。第一世代为稳态模型,经历了从一维气-固体系到三维气-固-液-粉多相体系的持续拓展,纳入了全面的化学反应与相变过程。该代模型的重要里程碑是在全炉范围内引入矿焦分层化学反应结构,为矿石层和焦炭层分别赋予独立的化学反应体系,显著提升了其对软熔带形貌和气流分布的描述精度。第二世代为瞬态模型,能够模拟操作参数变化后的动态响应过程,如风温骤降、湿炉料装入和氢气喷吹等工况带来的时序变化。该代模型实现了时-空维度与物理保真度的同步提升。第三世代为CFD融合机器学习的智能模型,以高保真CFD模拟数据为训练源,构建能够快速预测炉内全场状态分布的代理模型,为高炉数字孪生奠定了基础。在实际工业应用中,应根据具体需求选择适用的模型类型。同时需要指出的是,前沿高炉模型的开发代表了大学科研人员数年专注研发的成果,通常具有较高的开发门槛并依赖长期系统性积累,工业可以通过与大学合作的方式开展高炉数学模型开发和部署以及应用。本文还梳理了模型发展面临的关键挑战,包括保真度与计算效率的平衡,以及验证手段不足、模型可持续性及物理约束下人工智能（artificial intelligence,AI）融合框架的构建等,并展望了面向工业部署的智能化高炉模拟平台的发展方向。

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废钢电炉烟气二噁英全过程控制：从末端治理到协同减排

龙红明, 赵贺喜, 钱立新, 冉钱红, 汤子良

钢铁. 2026, 61(8): 17-36.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260385

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电炉（electric arc furnace,EAF）短流程炼钢是钢铁行业低碳转型的重要路径,但废钢来源复杂,常夹带油污、塑料、橡胶、涂层及含卤添加剂等杂质,在废钢预热、熔化氧化和烟气冷却过程中可释放氯源、有机碳源和芳香族前驱体,增加多氯代二苯并-对-二噁英和多氯代二苯并呋喃（polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans,PCDD/Fs）生成风险。本文综述了废钢电炉冶炼过程中PCDD/Fs的排放特征、生成路径及全过程控制技术。已有研究表明,一次烟气、废钢预热段及袋式除尘前高负荷区是PCDD/Fs生成与迁移的重要节点,其典型浓度为0.35~17 ng-TEQ/m³（标准态）;PCDFs质量浓度通常高于PCDDs,2,3,4,7,8-PeCDF和1,2,3,7,8-PeCDD是毒性当量（toxic equivalent,TEQ）的主要贡献组分。从生成路径看,废钢电炉PCDD/Fs主要通过前驱体反应和从头合成形成,其中从头合成在含尘烟气冷却段占主导地位,受飞灰表面未燃碳、氯源及铜/铁等金属组分的异相催化作用影响。现有控制技术包括废钢清洁化、二次燃烧、快速冷却、抑制剂喷入、活性炭吸附和催化氧化等,其中活性炭喷射+袋式除尘是当前较成熟的末端保障技术,但本质上属于污染物相间转移,增加了含PCDD/Fs飞灰处置压力。未来废钢电炉PCDD/Fs控制应由单一末端治理向“源头削减-过程抑制-末端净化”协同控制转变,重点发展过程抑制与末端催化降解相结合的深度减排技术,为电炉短流程低碳冶炼与特征有机污染物控制协同推进提供支撑。

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烧结废气最高温度变化规律、影响机制与调控研究进展

刘征建, 晏康, 李震, 张建良, 王耀祖

钢铁. 2026, 61(8): 37-48.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260090

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烧结废气最高温度可反映料层燃烧带推进与气固传热强度,并可作为终点热态稳定性的外部量化指标,与烧结终点位置相关但不等同。基于工业监测结果与机制研究,烧结废气温度沿机长方向呈现先低后高再回落的空间分布。机头湿料带受蒸发吸热与换热限制温度偏低,随干燥预热完成及燃烧带下移逐步升高,在燃烧带推进至料层底部、接近烧穿点时达到最大值,进入机尾后段逐渐下降,且对工况扰动较为敏感。烧结废气最高温度受燃料、工艺与原料3类因素耦合影响,燃料粒度细化和混合料水分增加可降低峰温;提高配碳量、点火强度和料层厚度则会升高峰温;碱度及其调节方式通过影响液相生成与热平衡改变高温区热强度。温度过低易导致液相不足、黏结相发育受限而强度下降;温度过高或高温持续时间过长则可能诱发过烧并促进薄壁大孔结构形成,影响烧结矿质量。未来应面向“质量-能耗-排放”协同目标,结合机制与数据驱动方法开展烧结废气最高温度在线表征与调控研究,支撑低碳烧结发展。

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氢基直接还原炼铁的多尺度反应科学与工程

李克江, 姜春鹤, 梁曾, 廖昊添, 孙圳, 张建良, 杨天钧, 刘正东

钢铁. 2026, 61(8): 49-68.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260415

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氢基直接还原（hydrogen-based direct reduction,HyDR）工艺用绿氢替代化石燃料,是钢铁工业实现深度脱碳的核心技术路径之一。该工艺涉及从电子/原子尺度的多相反应一直延伸到竖炉反应器的多物理场耦合,跨越多个尺度。然而,这些动态变化的多尺度行为与宏观反应之间究竟如何关联,目前仍缺乏充分认识,这也是完善氢冶金理论体系必须解决的关键科学问题。为此,本文沿“电子/原子-微观/介观-宏观反应器/工业流程”这一主线,系统综述了氢基直接还原炼铁全链条的多尺度研究进展。在原子/电子尺度,借助密度泛函理论阐明了H₂与CO在铁氧化物表面解离吸附和界面反应的晶面依赖性及其控速环节,并结合深度学习势驱动的大规模分子动力学,以密度泛函理论计算的精度水平揭示了浮氏体的缺陷演化以及“非晶铁中间相→晶态铁”的成核-结晶过程。在微观/介观尺度,将X射线断层扫描、环境透射电子显微镜与深度学习相结合,定量解耦了孔隙-裂纹网络的动态演化,证实了空位驱动的非晶铁类流体聚集机制,并据此厘清了未反应收缩核模型、晶粒模型和随机孔模型等动力学模型的适用场景。在宏观反应器和工业流程尺度,系统比较了多孔介质连续模型、欧拉双流体以及计算流体力学-离散元法（computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM）耦合方法3类竖炉数值模拟框架,并针对纯氢还原强吸热的特点,提出了多热工参数协同的能量与流程优化策略。最后,本文从跨尺度耦合、通用机器学习势、原位定量表征和工业数据验证等方面展望了未来方向,以期完善氢冶金理论体系,为HyDR工艺从机制认知走向工程实践提供理论支撑。

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冶金含油固废资源化利用研究进展

钱立新, 冉钱红, 赵贺喜, 龙红明, 魏雨欣, 沈涛, 张金磊

钢铁. 2026, 61(8): 69-83.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260317

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冶金含油固废兼具污染性与资源性,其高效处置与资源化利用是推动冶金行业绿色低碳发展的重要方向。本文围绕轧钢含油污泥、含油铜屑和含油铝屑等典型冶金含油固废,系统梳理了其来源、组成特征、产生规模及管理要求,重点综述了烧结、炼焦、高炉喷吹、转底炉处理及火法熔炼等返冶金流程协同利用路径以及化学热洗、溶剂萃取、氧化、热解、离心分离和蒸馏等脱油预处理技术的研究进展。现有研究表明,返冶金流程协同利用具有处理量大、金属回收率高、易与现有生产流程衔接等优势,但受原料中含有油脂及其热处理对环境污染等因素影响,含油固废通常难以直接大比例利用。脱油预处理可促进油固分离并改善物料性质,是提升其返流程适配性的关键前提,但仍面临成本、能耗、二次污染及脱油深度不足等瓶颈。本文在梳理各类技术适用性与局限性的基础上,指出冶金含油固废资源化利用需根据油质量分数、黏度及金属价值等参数,构建差异化利用的技术路线。最后展望了面向不同固废特征的分级利用、需求导向的脱油调质技术及油品-金属协同回收等未来研究方向。本文旨在梳理该类固废处置与资源化技术体系,明确各类技术应用特征与发展方向,为其多组分协同回收利用研究提供参考。

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可再生能源在钢铁工业的应用现状及发展趋势

王海风, 宋政辰, 王锋, 黄帮福

钢铁. 2026, 61(8): 84-96.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260338

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可再生能源是驱动钢铁工业深度脱碳的关键能源基础,其供给稳定性和耦合适配性直接决定流程减碳效率。本文系统梳理太阳能、生物质能、风能在钢铁工业中的应用现状、核心瓶颈及发展趋势。研究表明,光伏发电已在钢厂分布式场景下规模化应用,但其出力波动性与冶炼连续性的矛盾尚未根本解决;生物质炭作为还原剂替代焦炭,面临反应性偏高、碱金属富集及机械强度不足等冶金学瓶颈,因此其参与工业化喷吹比例仍处于较低水平;风电在沿海及西北钢厂可通过自建风场实现部分电力替代,但其发展受地域资源与建设空间的制约。在此基础上,本文提出可再生能源与钢铁流程耦合存在能源供给间歇性与冶炼连续性的时空错配,以及可再生能源物质基础的区域差异化特征与冶金原料严苛要求之间的矛盾。展望未来,仅靠单一能源替代难以解决根本问题,将多能互补系统与氢基直接还原短流程的深度集成,是构建“绿电-绿氢-绿钢”零碳闭环的主流发展方向。建议因地制宜推进沿海钢厂开发海上风电及氢冶金、内陆资源区发展风光发电及储能、生物质富集区发展高炉喷吹生物炭等差异化路径。

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铁矿石烧结终点感知、预测与控制技术研究进展

余正伟, 岳天玉, 杨湛, 陈良军, 陆伟文, 谭康康, 王光应, 龙红明

钢铁. 2026, 61(8): 97-117.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260305

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烧结终点（burn-through point,BTP）是反映燃烧带到达料层底部及料层烧透状态的关键热工参数,其稳定性直接影响烧结矿质量、燃料消耗和烧结生产稳定性。受原料波动、料层透气性变化、布料均匀性、热状态滞后表征以及多变量耦合等因素影响,BTP难以依靠单一信号实现准确判定和稳定控制。围绕BTP在线识别、提前预测与优化调控,相关研究已逐步形成由风箱温度场、烟气成分、机尾图像和红外热像等多源感知,到浅层神经网络、集成学习和深度学习预测建模,再到单目标稳终点控制、BTP与料仓料位协同控制及复杂工况智能优化控制的发展脉络。本文系统梳理了BTP的感知识别方法、预测模型及控制策略的研究进展,重点分析不同技术路线的适用场景与工程局限。现有研究表明,BTP管控正由经验判定和局部反馈调节向多源感知、前馈预测和协同优化发展,但在多源异构数据融合、跨工况泛化、模型可解释性和长期在线应用方面仍需进一步突破。本文相关分析结果可为BTP智能管控系统构建及烧结过程优化提供支撑。

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钢铁铸余渣返生产资源化利用研究进展

魏汝飞, 申宇杰, 范春龙, 肖永力, 潘军, 刘自民, 龙红明

钢铁. 2026, 61(8): 118-131.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260314

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针对炼钢与连铸过程中产生的铸余渣,本文系统梳理了其返回生产流程实现资源化利用的相关研究进展与工业实践,总结了铸余渣的来源、成分特征及其在不同炼钢工序中的回用方式与效果。综合分析表明,铸余渣整体以CaO-Al₂O₃-SiO₂体系为主,具有较高碱度与一定冶金活性,可作为二次资源用于炼钢造渣及精炼过程。其中,热态铸余渣凭借其显热和熔融状态,更适宜直接返回转炉及精炼工序,有助于缩短成渣时间、降低石灰与白云石等熔剂消耗,并改善终渣结构。冷态尾渣经破碎、磁选及成分均化处理后,可稳定用于转炉、钢包精炼炉（ladle furnace,LF）、真空循环脱气精炼炉（Ruhrstahl-Heraeus degasser,RH）及中间包,替代部分造渣剂或覆盖剂,延续其冶金功能。总体而言,铸余渣返生产利用能在不明显增加能耗的前提下,实现熔剂节约、金属回收与间接减碳等综合效益。然而,其进一步推广应用仍面临成分波动大、冷态尾渣预处理工艺复杂以及跨工序适配性不足等问题。未来需通过源头分类、在线成分检测与分级回用等技术体系的完善,推动铸余渣在钢铁生产中的规模化与高效化资源利用。

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澳大利亚重点绿色钢铁项目综述

郁肖兵, 沈岩松

钢铁. 2026, 61(8): 132-148.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260401

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在全球“碳中和”背景下,钢铁行业作为温室气体排放最集中的工业部门之一,正加速向低碳和绿色化方向转型。澳大利亚因其在资源和能源方面的独特优势,被认为是未来全球绿色钢铁产业的重要发展地区。本文以澳大利亚近年来绿色钢铁领域的重要研发项目和产业化实践为研究对象,系统梳理了铁矿石提质与预处理、绿色钢铁技术开发以及产业化布局等方面的最新进展,重点分析了澳大利亚可再生能源署支持的代表性项目。研究表明,针对皮尔巴拉地区中低品位铁矿难以直接适配传统氢基直接还原工艺的问题,澳大利亚正在形成多技术路线协同发展的格局,包括低温团聚、矿石提质、氢基直接还原结合电弧炉、氢基直接还原结合电熔分炉、闪速绿色炼铁、电化学直接还原以及传统高炉减碳改造等路线。在产业化方面,澳大利亚正逐步形成以西澳为核心、以中间产品出口为导向的发展模式,多个绿色钢铁项目已进入示范、规划或建设阶段。总体来看,澳大利亚已初步构建起涵盖资源开发、矿石升级、产品出口和政策支持的产业体系,但仍面临绿氢成本、可再生电力与输电基础设施、水资源保障、绿色产品认证以及国际市场竞争等挑战。随着绿氢成本下降、关键技术成熟和产业协同推进,澳大利亚有望从传统铁矿石出口国逐步向全球绿色钢铁供应中心转型,为钢铁行业深度脱碳提供重要参考。

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高碱金属烧结机头灰资源化利用研究进展与展望

张健之, 彭志伟, 白晓光, 阳习端, 聂绍昌, 李光辉, 姜涛

钢铁. 2026, 61(8): 149-166.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260405

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烧结机头灰是钢铁冶金过程中产生的主要固体废弃物之一,其成分以铁为主,同时含有钾、钠、铅、氯等多种杂质元素。这些杂质来源各异,主要以氯盐形式团聚或附着于铁氧化物颗粒表面。目前,烧结机头灰处理已形成“水浸脱除碱金属-富铁渣返回烧结”耦合“浸出液净化脱杂-蒸发结晶提盐”的主流程,辅以物理选矿等手段提升富铁渣品质的综合回收工艺,并在部分钢铁企业获得应用。随着钢铁行业深化供给侧结构性改革,企业对碱金属深度脱除、流程简化、效益提升提出了更高要求。本文以烧结机头灰溯源为起点,在分析其物理化学特征的基础上,揭示了铁及关键杂质组分的形成与迁移转化规律,并据此归纳了现有回收工艺及创新改进方向。针对当前处理工艺存在的普适性差、流程冗长、回收效益低等瓶颈问题,提出了“靶向调控-分质处理-精细回收”的综合处置策略,以期为同类冶金粉尘的高效高值资源化利用提供理论依据与技术参考。

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烧结烟气低能耗脱硝工艺技术现状与展望

甘敏, 马世辉, 范晓慧, 季志云, 吴明, 姜涛

钢铁. 2026, 61(8): 167-178.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250396

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钢铁行业烧结工序NO_x低能耗治理是实现减污降碳协同的关键环节。传统选择性催化还原脱硝工艺需将脱硫后降低至100~150 ℃的烟气补热至280~320 ℃,以满足催化要求,该过程消耗大量高炉煤气并导致显著碳排放。针对这一难题,近年来低能耗脱硝技术围绕“降低选择性催化还原脱硝（selective catalytic reduction,SCR）反应温度”与“利用烟气内源热替代外源热”2条路径取得重要进展。基于国内外文献调研与工业工程案例分析,本文系统梳理了低温SCR催化剂开发、活性炭高效净化-低温SCR耦合、贵金属CO催化-SCR耦合以及过渡金属CO催化-SCR耦合4条技术路线的原理、应用现状与经济性。结果表明,低温SCR催化剂可在150~200 ℃实现高效脱硝,配合前置活性炭高效脱硫除尘,可大幅降低甚至消除补热能耗;CO催化-SCR耦合技术利用烧结烟气中高质量浓度CO（6 000~10 000 mg/m³）催化氧化的强放热效应为脱硝提供热补偿,CO脱除效率大于70%,煤气节约率达63%~100%。然而,低温SCR催化剂在含水含硫复杂工况下的长期稳定性仍是核心瓶颈,非贵金属CO催化剂的抗中毒性能也尚未达到工业化要求。未来低温SCR催化剂需向更高抗硫抗水性和使用寿命方向突破;CO催化-SCR耦合将从单一功能催化剂向双功能一体化催化剂演进,在单一床层内实现CO氧化与SCR脱硝的高效协同;非贵金属催化剂有望逐步替代贵金属,进一步降低成本,推动低能耗脱硝技术在钢铁行业的规模化应用。

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风化煤制备胶体型黏结剂及其在白云鄂博铁矿造块中的应用

张津, 张鑫, 韦承志, 白晓光, 侯贵生, 徐添, 李光辉, 姜涛

钢铁. 2026, 61(8): 179-191.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260432

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黏结剂对铁矿造块产品的产质量具有重要影响。为开发适用于白云鄂博铁矿造块的低用量、高效黏结剂,本研究选用了中南大学自主研发的胶体型黏结剂。该黏结剂以新疆高腐殖酸风化煤为主要原料,系统研究其制备工艺及在白云鄂博铁矿造块中的应用性能。结果表明,适宜的制备条件为水煤比为5.5~6.0、碱腐比为27%~30%、碱预活化时间为4~24 h,制得的黏结剂能够在6~10 d内保持良好的流动性和稳定性。胶体型黏结剂对白云鄂博铁矿具有良好的适配性,将胶体型黏结剂替代膨润土用于球团制备,在适宜的制备参数下,胶体型黏结剂用量为1.5%（干基用量0.21%,质量分数）时,即可获得优于添加2.0%膨润土时生球的质量。模拟链箅机-回转窑扩大化试验表明,胶体型黏结剂球团矿在预热温度为950 ℃、预热时间为12 min,焙烧温度为1 200~1 225 ℃、焙烧时间为20 min的条件下,预热球团矿的抗压强度大于440 N/P,焙烧球团矿的抗压强度大于2 600 N/P。相比于2.5%膨润土氧化球团矿,采用干基用量0.21%胶体型黏结剂制备的球团矿铁品位提高了1.39个百分点,还原度提高了4.1个百分点。在高比例配加白云鄂博铁精矿的烧结过程中,胶体型黏结剂可以明显改善制粒效果,显著提升烧结的产质量指标。烧结原料二次混合过程中配加0.3%（干基用量0.04%,质量分数）的胶体型黏结剂替代部分制粒水,可提高混合料大于3 mm粒级比例并优化粒度分布,烧结利用系数提升了0.19 t/（m²·h）,烧结矿的转鼓强度提升了1.73个百分点。胶体型黏结剂的核心优势在于用量低,通过有效改善铁矿颗粒间的相互作用强化制粒与黏结过程,可实现造块产品的产质量协同提升。

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富氢气基还原条件下块矿低温还原粉化行为及机制

梁宠, 潘建, 朱德庆, 郭正启, 李思唯, 杨聪聪

钢铁. 2026, 61(8): 192-204.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260339

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针对富氢气基还原过程中块矿配用可能引发的低温还原粉化（low-temperature reduction disintegration,LTD）问题,本文系统研究了还原温度（450~600 ℃）和还原气氛[φ（H₂）/φ（H₂+CO）为0.6~1.0（体积分数比）]对某典型铁矿块矿低温还原粉化行为的影响,并结合失重率、还原度、X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）和显微结构表征揭示其粉化机制。结果表明,还原温度是控制块矿低温还原粉化行为的主导因素。在450~600 ℃内,随着还原温度升高,块矿失重率和还原度逐渐增加,但低温还原粉化性能显著恶化。以φ（H₂）/φ（H₂+CO）=0.6气氛为例,当温度由450 ℃升高至600 ℃时,L_TD>6.3（低温还原粉化试验后粒径大于6.30 mm的试样质量占总质量的比例）由75.56%降低至20.16%,而恶性粉化指标L_TD<0.5（低温还原粉化试验后粒径小于0.50 mm的试样质量占总质量的比例）由5.08%增加至23.05%。提高还原气体中H₂比例可促进还原反应进行,并可能缩短赤铁矿与磁铁矿长期共存所导致的应力积累阶段,从而在一定程度上改善块矿粉化性能。微观结构分析表明,块矿结构致密、孔隙率低,赤铁矿向磁铁矿转变过程中产生的体积应力难以及时释放,导致裂纹沿晶界、孔隙和原生缺陷扩展。550 ℃下的动态演化结果进一步表明,块矿低温还原粉化过程可分为边缘优先还原、相变界面向内推进和裂纹贯通3个阶段。块矿低温粉化的本质源于致密基体限制了还原气向深部均匀渗透,形成了非均匀推进的相变前沿;相变诱导的应力集中与裂纹向心贯通,是导致块矿整体顺向开裂和结构失稳的因果机制。本研究可为富氢还原条件下块矿合理配用及炉料结构优化提供理论依据。

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返矿分级加入与燃料配比协同优化厚料层烧结过程

李和平, 方超, 汪帅, 王锐, 韩凤光, 徐健, 吕学伟

钢铁. 2026, 61(8): 205-214.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260374

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厚料层烧结能够强化料层自蓄热作用,在现有装备条件下实现提产降耗,是烧结工序绿色低碳发展的重要技术方向。然而,随着料层厚度增加,热量向料层下部富集,导致液相过量生成及局部过熔现象,进而恶化料层透气性,限制返矿分级加入技术的应用效果。为明确厚料层条件下返矿分级加入与热制度之间的匹配关系,采用950 mm烧结杯试验,并结合冷态透气性测试、红外热成像及尾气分析等方法,系统研究返矿分级加入与燃料配比协同调控对烧结过程的影响规律。结果表明,950 mm厚料层条件下单独应用返矿分级加入技术时,烧结指标改善效果有限。适当降低燃料配比后,可有效缓解厚料层热量富集及液相过量生成问题,使返矿骨架结构改善透气性的作用得到充分发挥。在返矿总配比为20%的条件下,当临界粒径为1 mm、返矿分级加入比例为62%、燃料配比为4.0%时获得最佳综合指标,烧结矿成品率达到83.17%,转鼓强度达到74.64%,固体燃耗降低至48.09 kg/t。返矿分级加入技术的强化效果不仅取决于返矿粒度及分级加入比例,而且与燃料配比密切相关。返矿骨架结构改善气流传输和水分迁移,合理降低燃料配比抑制过量液相生成,两者协同作用实现了厚料层烧结透气性、燃烧效率及产质量指标的同步提升,为厚料层烧结提质降耗提供了理论依据。

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氨气还原球团矿的反应行为及机制分析

李玉, 李建, 毛晓明

钢铁. 2026, 61(8): 215-223.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260301

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氨气作为富氢载体,拥有成熟的贸易路线和较低的液化成本,可以直接作为铁矿石的清洁还原剂。现有的研究通过热力学计算、基础试验以及动力学拟合给出了氨还原的热力学参数和反应活化能等数据,但并未明确氨还原的机制。本文通过研究不同温度、不同时间下球团矿还原的反应行为、矿相组成以及微观形貌,进一步结合还原膨胀率变化、热力学分析和动力学拟合结果,得到了氨气还原球团矿的机制。研究结果表明,随着温度从700 ℃增加到900 ℃,还原度达到0.95的时间由93.5 min降低到43.2 min,还原后球团矿中的氮质量分数从0.029%降低到0.019%。动力学拟合结果表明,不同温度下的氨气还原球团矿的机制有所区别,在700 ℃还原时,随着还原的进行,分别由扩散控制、化学反应控制以及形核控制,在900 ℃还原时,均由扩散控制。总体而言,球团矿在氨气条件下还原时,外部主要表现为赤铁矿被氨气还原为磁铁矿,使球团矿发生第1次膨胀,随着反应的进行,金属铁的生成催化了氨气分解,会造成球团矿的第2次膨胀,产生大量裂纹,分解产生的氢气进入球团矿的内部参与还原。研究结果对了解球团矿氨还原机制,推动氨气在炼铁过程的应用以及低碳技术的发展具有一定的意义。

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不同碱度高纯铁精矿球团富氢还原行为及其性能调控

徐佳美, 苏子键, 马轲, 张元波

钢铁. 2026, 61(8): 224-235.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260392

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为了研究不同碱度高纯铁精矿球团富氢还原行为,并揭示液相性质对其还原膨胀的影响机制,本文采用微观结构表征及定量分析相结合的手段,系统研究了不同碱度（R为0.07~1.00）高纯铁精矿球团的微观结构演变规律及其富氢还原行为,并重点揭示了液相性质对不同碱度球团还原膨胀性能的影响机制。结果表明,随着球团碱度提升,球团内液相量逐渐增多,液相中钙、铁组分含量升高;在模拟希尔（Hojalata Y Lamina, HYL）法富氢气体条件下,不同球团还原度指数呈先降后升趋势,而还原膨胀指数呈相反变化趋势,在0.4~0.8碱度范围内,氧化球团还原过程中发生异常膨胀。低碱度（R=0.07）时,焙烧球团内液相生成量少,还原条件下金属铁以层状致密生长为主;中碱度（R=0.60）时,还原过程中玻璃相与铁氧化物发生动态“溶解-沉淀”行为,诱导形成多孔结构及丘状铁形貌,导致异常膨胀;高碱度（R=1.00）时,球团内液相量显著增加,冷却后形成连续玻璃相骨架,有效抑制了球团还原膨胀。在0.6碱度条件下,通过适当提高球团中SiO₂和CaO含量,球团还原膨胀指数由48.92%显著降低至7.38%。通过调控不同碱度铁矿球团内液相成分和含量,可以显著改善球团还原膨胀性能,为高性能铁矿氧化球团的制备提供理论依据和技术支撑。

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新型铁酸钙型熔剂制备及其在钒钛磁铁矿氧化球团中的应用

胡鹏, 薛钰霄, 谢绍贤, 游志雄, 党杰, 吕学伟

钢铁. 2026, 61(8): 236-243.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260372

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传统烧结工艺能耗高、污染大,这一问题在处理钒钛磁铁矿等复杂低品位铁矿粉时尤为突出。与烧结工艺相比,球团工艺是一种更为清洁的造块工艺。因此,提高钒钛磁铁矿球团矿入炉比例已成为高炉低碳冶炼的重要发展方向。本研究针对钒钛磁铁矿球团氧化困难、易形成核壳结构、强度低等问题,基于烧结法或球团法制备铁酸钙型钙质熔剂,并将其作为新型添加剂配入钒钛磁铁矿球团中以改善球团的固结特性。试验结果表明,烧结法制备的铁酸钙型熔剂以针状、板块状复合铁酸钙为主,大于5 mm粒级产品中复合铁酸钙有效含量达78.54%（面积分数）以上;球团法制备的铁酸钙型熔剂主要以铁酸一钙和铁酸二钙形式存在,复合铁酸钙有效含量达97.30%（面积分数）。配加2%（质量分数）球团法制备的铁酸钙型熔剂后,钒钛磁铁矿球团中形成的钙铁橄榄石等液相很好地充当了晶粒间固结的桥梁,钛赤铁矿晶粒尺寸明显长大,再结晶互联程度紧密,球团孔隙率降低,相同预热焙烧条件下,球团抗压强度同比提高26.2%,这为钒钛磁铁矿高炉高球团配比冶炼奠定了良好的理论与数据基础。

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基于碱度匹配的高比例钒钛球团制备及炉料结构设计

马凯辉, 郭庆, 方云鹏, 陶林和, 邓国松, 张立利, 贾晓亮, 陈茅

钢铁. 2026, 61(8): 244-255.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260420

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为提高钒钛球团在高炉炉料中的配比,并缓解高碱度烧结矿匹配高球团比时带来的高温性能劣化问题,提出了基于碱度匹配的高比例钒钛球团炉料结构设计思路。以维持入炉品位、炉渣碱度、w（MgO）/w（Al₂O₃）及热制度基本稳定为边界条件,制备不同碱度的熔剂性钒钛球团,并系统评价其冷态强度、还原粉化、还原膨胀、还原性及综合炉料软熔滴落性能。结果表明,随球团碱度提高（0.13提高至0.62）,球团中CaO质量分数由0.32%增加至2.13%,抗压强度提高至2 714.6 N/个;当球团碱度为0.62时,还原粉化率（I_{RD<3.15 mm}）降低至1.60%,表现出较好的中低温还原粉化性能,然而,还原膨胀率（I_RS）恶化,达到17.84%。单一钒钛球团料层的软熔滴落性能随碱度升高而劣化,透气性指数（S值）由340.60 kPa·℃增加至2 000.27 kPa·℃;但在碱性烧结矿、酸性烧结矿、白马球团与钒钛球团组成的综合炉料中,烧结矿与球团矿之间存在显著的协同造渣作用。当总球团比例为59%、钒钛球团碱度为0.47时,综合炉料软化区间为75 ℃,熔融滴落区间为130 ℃,S值最低,为1 372.91 kPa·℃,表明软熔带透气性较优。配矿测算表明,在维持炉渣制度基本不变的条件下,球团比例（质量分数）可由55%提高至61%,钒钛矿比例提高3.44%,炉渣TiO₂质量分数提高至23.15%,配矿成本吨铁降低38.10元。研究结果可为高比例钒钛球团炉料结构优化及钒钛磁铁矿低成本、高效利用提供参考。

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基于原料特性互补的红土镍矿球团富氢还原行为调控

田宏宇, 张庆禹, 储满生, 唐珏, 李峰

钢铁. 2026, 61(8): 256-269.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260394

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为阐明不同类型低品位红土镍矿的原料特性互补机制对复合球团的富氢还原行为的影响,以褐铁型（limonite,HT）、过渡型（germination,GD）和腐殖土型（humicite,FZ）红土镍矿氧化球团为对象,开展单矿球团和复合球团在不同还原气氛及温度下的还原性试验,并结合X射线衍射和扫描电子显微镜-能谱分析揭示其物相转变与微观结构演变行为。结果表明,3种单矿球团还原行为差异明显,HT型球团因铁氧化物含量较高、硅镁稳定相含量较低,还原速率最快,30 min还原度达到86%,120 min时接近完全还原;GD型球团受高SiO₂、MgO组分及镁硅酸盐、尖晶石相限制,120 min还原度仅为72%;FZ型球团还原程度介于两者之间。复合配矿能够改善球团还原过程,在FZ型矿质量分数固定为30%的条件下,B2球团（HT型、GD型、FZ型质量分数比为20%∶50%∶30%）兼具较快初期还原速率和较高中后期还原度,60 min还原度达到87%。提高H₂体积分数和还原温度均可促进铁、镍氧化物还原,使金属铁衍射峰增强、铁镍金属相增多并推动还原界面向内部迁移。富氢还原过程表现为表层优先还原、反应界面内移和后期扩散阻力增强,残余硅镁酸盐及尖晶石相包裹未还原基体,这是限制内部区域深度还原的重要原因。

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回转窑工况下外配生物质与内配碳协同还原球团机制

吴君毅, 蔺麒至, 王广伟, 孙国军, 詹晓婷, 宁晓钧, KARASEV Andrey, 王川

钢铁. 2026, 61(8): 270-279.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260145

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为明确回转窑条件下外配生物质对含碳球团还原行为的协同作用,本文以磁铁矿-生物质含炭球团为研究对象,结合工业回转窑热工特征,系统考察了制备方式、热处理制度、碳氧物质的量比及气氛条件对球团金属化率、冷态抗压强度（cold compressive strength,CCS）和微观结构演变的影响。结果表明,圆盘造球法较挤压成型法更有利于形成兼顾气体传输与碳铁接触的梯度孔隙结构,可显著提升球团深度还原能力与力学性能。在还原性气氛下,球团经1 050 ℃保温30 min处理后,金属化率达到97.52%,冷态抗压强度达到942 N,落下强度满足工业应用要求。温度升高能够加快Fe₃O₄→FeO→Fe的逐级还原并促进金属铁骨架形成,但当温度过高或保温时间过长时,局部液相生成与结构致密化会增加结圈风险。碳氧物质的量比对还原效果和结构稳定性具有决定性影响,当碳氧物质的量比由0.2提高至0.4时,球团金属化率显著提高,并形成连续的金属铁连晶骨架;当碳氧物质的量比继续升高至0.6以上,过量碳气化导致内部大孔增多、残碳夹杂加剧,球团强度明显下降。气氛对比结果进一步说明,外配生物质气化产生的CO不仅直接参与铁氧化物还原,还能抑制内配碳过快消耗,维持球团内部后期还原势,从而实现外部气氛与内部碳源的协同强化。综合考虑金属化率、强度及结圈风险,圆盘造球、碳氧物质的量比为0.4、1 050 ℃、30 min为较优工艺条件。本研究可为生物质替代化石碳的回转窑直接还原工艺提供试验依据。

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球团回转窑煤粉-富氢燃气复合燃烧及污染物生成数值模拟

王杰, 李进华, 甘敏, 范晓慧, 曹风, 史展鹏

钢铁. 2026, 61(8): 280-293.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260148

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为响应钢铁行业节能降碳与超低排放要求,本研究以ϕ6.858 m×45.72 m的球团回转窑为对象,基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法和有限速率/涡耗散（finite-rate/eddy-dissipation,FR/ED）机制建立煤粉与天然气/氢气复合燃烧模型,对纯煤粉燃烧以及不同替代比例下天然气、氢气部分替代煤粉时窑内流场、温度场和污染物生成特性进行了系统分析。结果表明,掺入富氢燃气后在喷嘴附近形成了典型的回流区,有利于燃料的充分燃烧;天然气和氢气掺混后,火焰由纯煤粉工况下的“细长圆柱状”逐渐演变为高比例天然气工况下的“紧凑纺锤状”,从而有效改善煤粉燃烧滞后并使温度场分布更均匀。相比之下,掺氢工况对前端燃烧的强化作用较天然气更为明显。但当替代比例较高时,窑头附近会出现新的局部高温区,尤其在掺氢工况下更易造成燃烧器喷枪及前端耐火材料热负荷增加。燃料替代能够显著抑制氮氧化物（NO_x）生成,在60%替代比例下,出口NO_x质量分数由纯煤工况的0.034 2%分别降低至0.013 5%（天然气）和0.013 2%（氢气）,降幅超60%。天然气与氢气在二氧化碳（CO₂）减排机制上存在显著差异。在60%替代比例下,掺加天然气工况下CO₂峰值质量分数仅从纯煤的0.17降低至0.13左右,而掺氢工况下的CO₂峰值降低至0.08以下,降幅超过50%,实现深度脱碳。综合权衡回转窑的热工稳定性、设备安全性及减排需求,建议天然气或氢气替代煤粉的热值比例为40%。本研究为回转窑燃料结构优化及低碳清洁燃烧技术提供了重要理论参考与工程指导。

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w（K₂O）/w（Na₂O）和w（CaF₂）对高炉冶炼白云鄂博矿过程初渣黏度及结构的影响

许仁泽, 王珍, 柴轶凡, 刘培军, 邢金鑫, 张永航

钢铁. 2026, 61(8): 294-301.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260390

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白云鄂博矿中氟、钾、钠含量较高,导致K₂O、Na₂O和CaF₂对高炉冶炼白云鄂博矿形成初渣的冶金性能产生显著影响,然而,这些组元对初渣性能的影响机制尚未完全明晰。本文系统研究了w（K₂O）/w（Na₂O）和w（CaF₂）对CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃-FeO基高炉初渣黏度和结构的影响。利用旋转柱体法对高炉初渣的黏度进行了测量,并结合拉曼光谱对初渣的微观结构进行了分析。黏度试验结果表明,渣中单独添加Na₂O可以降低初渣的黏度,而K₂O等质量分数替代Na₂O则使初渣黏度增大;初渣黏度随着渣中w（CaF₂）的增加而逐渐降低。拉曼光谱分析表明,渣中K₂O等质量分数替代Na₂O会减少O^2-离子的数量并抑制O⁰向O^-的转化,从而聚合初渣的网络结构;K⁺离子电荷补偿的AlO₄四面体结构中的Al—O键比Na⁺离子或Ca²⁺离子电荷补偿的AlO₄四面体结构中的Al—O键更强,从而形成更稳定的铝酸盐结构单元,最终导致初渣黏度随着渣中Na₂O被等质量分数K₂O替代而增加。随着渣中CaF₂含量的增多,CaF₂提供的F^-离子可以促进硅酸盐网络结构单元的解聚,从而使得初渣的结构变得简单,有利于降低黏度。此外,CaF₂作为熔剂,可显著降低炉渣的液相线温度,使得炉渣在试验温度下的流动性改善,因此,初渣黏度随着渣中w（CaF₂）增加而降低。本文研究成果为白云鄂博矿高炉冶炼条件下初渣的性能优化提供了理论基础。

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高炉喷吹生物质炭对冶炼参数及经济环境效益的影响分析

黄旭, 张建良, 徐润生, 贾国利, 叶涟, 骆桂远, CONEJO Alberto Navas

钢铁. 2026, 61(8): 302-313.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260280

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钢铁工业正面临着极其迫切的脱碳任务,而生物质炭作为一种具有“碳中和”属性的可再生燃料,可推进高炉炼铁的深度脱碳。为探究高炉喷吹生物质炭的效果及经济效益,本文构建了考虑不同燃料理化特性及炉内反应分配的全炉能质平衡模型,对比分析了木块炭（Biochar A）与玉米秸秆炭（Biochar B）在0~40%喷吹比例下的冶炼参数变化及碳减排与经济性,并在0~20%喷吹比例下开展工业试验。模型结果表明,生物质炭的理化特性影响高炉热状态及燃料指标。随着喷吹比例增加至40%,喷吹Biochar A使高炉燃料比由509 kg/t降低至504 kg/t,理论燃烧温度由2 172 ℃升高至2 208 ℃,全炉热损失所占比例由5.92%降低至4.79%,且煤气利用率有所提升。而喷吹Biochar B能使理论燃烧温度升高至2 186 ℃,但会导致燃料比增加至516 kg/t,煤气利用率出现微降。工业试验结果显示,在10%~20%喷吹比例及短期运行条件下,高炉运行参数整体处于可接受范围内,燃料比维持在509~511 kg/t内,顶温、透气性指数、铁水温度及炉内气流分布（W）、炉况稳定性（Z）、气流均匀性（K）值均处于正常波动区间。在碳减排与经济性方面,基于模型边界及生物质炭“碳中性”假设,当喷吹比例为40%时,化石源CO₂排放量最高由1 318 kg/t降低至1 252 kg/t,实现净减排66 kg/t,燃料成本（不含碳税折算）从839.11元/t升高至881.26元/t。引入碳税情景分析发现,当生物质炭价格为1.5 元/kg时,碳税最低为吨CO₂ 173.31 元可确保经济性。当碳税为吨CO₂ 0 元时,生物质采购价格最高为1.326 元/kg可确保经济性。

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氢基竖炉-高炉耦合生产协同降碳技术分析

高政, 高建军, 王彬, 于樾, 齐渊洪

钢铁. 2026, 61(8): 314-322.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260241

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钢铁工业是国民经济的基础产业,同时也是制造业中碳排放量最大的行业。在中国“碳达峰、碳中和”背景下,钢铁行业面临大规模深度碳减排的迫切需求。氢冶金通过“以氢代碳”成为实现钢铁工业深度脱碳的最有效路径,国内已开展氢基竖炉直接还原、高炉富氢低碳炼铁等技术的试验应用,并取得了显著降碳效果。然而,当前氢冶金技术的发展仍面临富氢还原气成本高、降碳与降本难以协同的瓶颈。针对这一挑战,结合中国能源结构与资源特点,本文提出一种氢基竖炉-高炉耦合生产协同降碳工艺。该工艺充分发挥氢基竖炉与高炉各自的冶炼优势,规避海绵铁（直接还原铁）电炉熔分环节的经济性劣势,从而在实现降碳的同时降低生产成本。通过构建氢基竖炉-高炉耦合工艺的多区域约束性数学模型,系统分析了天然气、焦炉煤气和纯氢气3种不同还原气源对竖炉直接还原及海绵铁高炉冶炼过程的影响规律。计算结果表明,在当前技术与市场条件下,焦炉煤气竖炉-高炉耦合流程是最适于中国钢铁企业推进大规模低碳冶金的技术路线。在此流程下,竖炉直接还原段的最优海绵铁金属化率约为90%,吨铁焦炉煤气消耗量为400 m³（标准态）,高炉燃料比为285 kg/t（其中焦比为165 kg/t）。耦合流程的吨铁CO₂排放量为1 090 kg,较传统高炉流程降低30%;吨铁燃料成本为601元,较传统高炉流程降低21%。

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直接还原铁对高炉冶炼指标影响规律

曾旺, 尹利潭, 周恒, 吴胜利, 寇明银, 焦树强

钢铁. 2026, 61(8): 323-332.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250657

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为应对碳减排与铁矿石资源约束等问题,通过建立高炉添加直接还原铁（direct reduced iron,DRI）的能质平衡模型,研究了直接还原铁对高炉理论燃烧温度、炉腹煤气指数及利用系数等关键冶炼指标的影响规律。结果表明,额外大量添加直接还原铁冶炼易导致高炉热量不足。以全炉热损失不低于基准工况的80%为约束,直接还原铁的极限添加量（质量分数）为2.6%;进一步降低直接还原铁金属化率,将加剧全炉热支出。在维持热损失与基准条件一致的前提下,提高风温和富氧率后适宜的直接还原铁添加量几乎一致,虽然提高喷煤量后适宜的添加量大幅增加,但高炉理论燃烧温度和炉腹煤气指数劣化严重。提高风温与富氧率对热补偿的效果基本一致且可相互替代,能缓解喷煤带来的理论燃烧温度下降等问题。在综合热补偿措施下,直接还原铁最高添加量（质量分数）达到了12.12%,吨铁碳素消耗降低了56 kg。

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钒钛磁铁矿氢冶金-电炉熔分工艺研究与实践

李兰杰, 韩涛, 杨永强, 高亚楠, 齐建军, 唐珏, 陈雷, 高明磊

钢铁. 2026, 61(8): 333-344.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260267

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针对传统高炉-转炉流程冶炼钒钛磁铁矿存在钛资源回收率低、能耗高和碳排放高等突出问题,本文提出钒钛磁铁矿氢冶金-电炉熔分工艺路线,并开展基础研究及工业化试验。首先,以钒钛磁铁矿为原料制备氧化球团,之后通过氢基竖炉生产金属化球团,最后再经电炉熔分实现铁、钒、钛3种元素分离富集。基于此,本文系统探究了氧化球团、氢基还原和电炉熔分各工艺环节的最优控制条件。试验结果表明,在预热温度930 ℃、预热时间18 min条件下可获得符合氢基竖炉要求的氧化球团。提高还原温度与H₂体积分数可显著提升还原性指数,高温和低H₂体积分数则会加剧球团还原膨胀与黏结行为,低温还原粉化指数随H₂体积分数呈先增后减趋势。电炉熔分在1 600 ℃、碳氧物质的量之比n（C）/n（O）为1∶1时渣铁分离效果最佳。工业化试验结果显示,含钒铁水中铁和钒平均收得率分别高于95%和90%,钛渣中钛平均收得率达到92%以上。该工艺实现了钒钛磁铁矿中铁、钒、钛3种有价组元的高效回收,为钒钛磁铁矿的高值化绿色利用提供了全新的技术方案与理论支撑。

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氢基竖炉高氢区炉衬耐火材料侵蚀行为与机制

于国瀚, 崔竞文, 侯新梅, 王恩会

钢铁. 2026, 61(8): 345-355.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260359

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为评价氢基竖炉高氢区域炉衬耐火材料在强还原气氛中的服役稳定性,并明确不同材料在高H₂分压条件下的物相、显微结构和性能响应规律,本文首先采用Fluent软件计算炉壁温度、压力及气体组成分布,确定还原段中下部和还原气入口附近为高温、高H₂分压的关键位置,并以此作为930 ℃ H₂还原试验的工况依据。以I等高铝砖、Ⅱ等高铝砖、刚玉-SiC微孔砖、Sialon-刚玉砖及Si₃N₄-SiC砖为研究对象,在930 ℃ H₂中保温5、10、15、20、25 h,结合X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,SEM）以及质量、体积密度、显气孔率和常温耐压强度测试,考察物相结构与宏观性能的响应规律。结果显示,Al₂O₃骨架相在该条件下保持稳定,而SiO₂、Fe₂O₃、TiO₂等敏感组分更易参与还原反应或结构重排。25 h后5种材料的质量变化率依次为-0.318%、-0.477%、+0.063%、-0.044%和-0.262%。其中,Ⅱ等高铝砖失重最大,表明较高SiO₂和Fe₂O₃含量会削弱其在高H₂气氛中的稳定性;刚玉-SiC微孔砖质量变化最小,其体积密度增加、显气孔率下降,表现出较好的结构保持能力和抗H₂渗透能力。综合分析认为,高H₂区炉衬材料的侵蚀可描述为H₂经开口气孔和微裂纹进入材料内部,诱发活性组分还原或重构、孔隙网络变化以及力学性能响应的耦合过程;材料抗侵蚀性主要受组分热力学稳定性、气孔连通程度和结合相演化共同制约。研究结果可为氢基竖炉高H₂区炉衬材料的筛选与优化设计提供依据。

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生物质重整高炉煤气制备合成气热力学分析

夏梓峰, 何志军, 张军红, 储满生, 唐珏, 高立华

钢铁. 2026, 61(8): 356-366.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260343

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高炉煤气（blast furnace gas, BFG）是钢铁长流程工艺中CO₂排放的核心载体。为破解“双碳”目标下的降碳难题,本文提出生物质协同重整BFG新工艺,通过将CO₂定向还原为CO,实现体系深度固碳与合成气热值的大幅提升。借助HSC Chemistry软件构建了重整过程热力学平衡模型,系统考察了气化温度、n（C）/n（CO₂）（两者物质的量比）及系统压力对气化性能的影响。基于计算和能量衡算获得的工艺参数,确定了重整过程最佳效率。结果表明,适度提升气化温度与n（C）/n（CO₂）可显著增强合成气质量,但参数过载将导致热损耗激增及转化效率受限,而体系压力的升高则对合成气产率起抑制作用。综合评估得出,在温度1 000 ℃、n（C）/n（CO₂）=10∶3和压力0.1 MPa最佳条件下,体系的碳转化率与合成气产率均高达99%,产出合成气的高位热值达209.80 MJ/kmol,较原始高炉煤气提升了2.41倍。进一步的经济效益分析表明,每吨生物质与1 767.36 m³高炉煤气重整可产出3 314.55 m³的高热值合成气,能创造出5 668.59元的价值,展现出显著的工业应用潜力与经济可行性。本研究开发的生物质与高炉煤气协同重整技术,为钢铁企业副产气的高效、高值化利用及减污降碳提供了重要的理论支撑与工程借鉴。

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真空碳热还原PbO-Fe₂O₃相变路径与挥发动力学

蔡微红, 袁佳程, 张明才, 杨晶, 吕晓东, 林一波, 黄青青, 黄润

钢铁. 2026, 61(8): 367-378.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260331

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电弧炉粉尘（electric arc furnace dust,EAFD）作为电弧炉炼钢过程中产生的典型危险固体废弃物,因富含铅、锌、铁等有价金属元素,具有较高的资源化利用价值。本研究以EAFD中铅的高效回收为目标,围绕PbO-Fe₂O₃体系的交互作用,重点考察PbO与Fe₂O₃的物质的量之比为1∶1的条件下真空碳热还原过程中铅还原挥发行为。通过FactSage 8.0热力学软件对体系饱和蒸气压、平衡物相组成及吉布斯自由能变化进行计算,并结合X射线衍射分析（X-ray diffraction analysis,XRD）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱仪（scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer,SEM-EDS）等表征手段,系统分析配碳量、还原温度和保温时间对物相演变、微观形貌及铅挥发率的影响。热力学结果表明,真空条件可显著降低体系反应起始温度,有利于PbO还原及金属铅挥发。铁氧化物的还原过程主要遵循Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe的逐级转化路径,而铅主要经历PbO（s）→Pb（l）→Pb（g）的还原挥发过程。试验结果表明,当还原温度为1 150 ℃、配碳量（碳质量分数）为16%、保温时间为60 min时,体系中铅的挥发效果最佳,铅挥发率可达到99%以上,实现了铅与铁相的高效分离。动力学分析进一步表明,PbO真空碳热还原过程可分为不同控制阶段。反应前期主要受界面化学反应控制,表观活化能由123.60 kJ/mol升高至152.17 kJ/mol;反应后期逐渐转变为气体扩散控制,表观活化能稳定在150.33~155.49 kJ/mol。研究结果阐明了PbO-Fe₂O₃体系在真空碳热还原过程中的物相转化规律与铅挥发机制,可为电弧炉粉尘中铅的选择性分离与高效回收提供理论依据和工艺参考。

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转底炉用典型冶金尘泥特性分析及其微波还原焙烧机制

李强, 陈铁军, 赖炜, 陈思琪, 石梦雅, 李圣辉, 李奇勇

钢铁. 2026, 61(8): 379-395.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260103

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转底炉是当前处理钢铁冶金尘泥的主流技术,但其生产实践仍面临球团还原均匀性差、深度脱锌困难、关键指标协同优化不足等挑战。本研究首先对转底炉用典型冶金尘泥的原料特性进行系统解析,并探究其微波还原焙烧效果;其次,运用Maps统计分析法对球团还原均匀性及孔隙结构特性进行可视化、数据化分析;最后,采用递进式能谱（energy dispersive spectroscopy,EDS）分析法对锌物相演变及脱锌机制进行从宏观到微观的系统研究。结果表明,冶金尘泥中铁物相主要包括Fe_xO、Fe、Fe₂O₃和Fe₃O₄,而锌物相包括ZnS、ZnFe₂O₄和ZnO,且各原料在微波场中均具有优异的升温特性;相较于常规焙烧,微波焙烧可将金属化球团的金属化率提高约15个百分点、脱锌率增加约20个百分点、抗压强度提高约1 kN;同时,微波焙烧可同步提升金属化球团内部各区域的还原程度、结构致密性及脱锌效果,并改善球团径向还原及纵向脱锌的均匀性,具有低碳高效的优势。此外,金属化球团内部金属化率与残余锌质量分数的分布特性呈典型负相关关系,可为间接推断残余锌的分布特征提供有效依据,方便简单直观分析其分布规律;同时,冶金尘泥中的硫难以在还原焙烧过程中有效脱除,且易将锌捕集为ZnS或（Zn,Fe）S固溶体,导致脱锌效果不理想,而微波焙烧可减少锌被捕集固定。通过对转底炉用典型冶金尘泥的特性分析,结合Maps统计分析和递进式能谱分析,系统剖析了微波焙烧机制,揭示了其显著效果与作用机制,为冶金尘泥的低碳高效资源化利用提供了理论依据与技术指导。

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转炉除尘灰基冷却剂中钾、钠固化行为与机制

柴轶凡, 刘文英, 张永航, 李栋栋, 胡文贤, 罗果萍, 邢金鑫

钢铁. 2026, 61(8): 396-409.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260393

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转炉除尘灰是富含铁氧化物的冶金二次资源,将其制备为冷却剂返回转炉循环利用,可高效回收其中的铁资源。然而,转炉除尘灰中钾、钠等碱金属含量偏高,现场在采用链箅机-回转窑工艺制备冷却剂的过程中,碱金属易在链箅机预热段挥发,引发设备黏结,影响设备稳定运行。针对上述问题,以转炉除尘灰与铁精矿粉为原料,以现场生产的转炉冷却剂原料配比为基准,采用单因素变量法设计对照组与试验组,通过调整原料中石灰石与膨润土的配比,采用压块的方式开展钾、钠的固化机制研究,冷却剂团块试样的干燥-预热过程严格模拟现场链箅机热工制度,采用BFD-1200型鼓风-抽风干燥高温箱式炉模拟链箅机干燥段,使用CVD型三段式高温管式炉模拟现场链箅机预热一段与预热二段的工况。借助X射线衍射、FactSage热力学计算、扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）及能量色散X射线谱（energy dispersive spectroscopy,EDS）分析（SEM-EDS）、化学分析等方法,系统表征了冷却剂团块的物相组成、微观结构与化学成分,确定了最佳原料配比,明确了碱金属固化机制。结果表明,膨润土中的主要组分SiO₂、Al₂O₃可与K₂O、Na₂O反应生成KAlSiO₄和NaAlSiO₄,实现对钾、钠元素的有效固化,抑制其高温挥发,减轻对现场生产的不利影响。随着膨润土添加量的增加,体系中钾、钠元素得到了显著固化,当膨润土的添加量达到4%（质量分数）时,钾、钠的固化基本趋于稳定,钾、钠元素的固化率分别为85.8%和74.6%。该研究揭示的碱金属高温固化规律也为其他富碱金属冶金二次资源的无害化处置与资源化利用提供了重要理论参考。

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钢渣余热驱动生物质气化矿化制备冶金合成气

盛宏沅, 齐义洋, 高立华, 储满生, 唐珏, 何志军

钢铁. 2026, 61(8): 410-421.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260345

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为实现生物质高值化利用、热态钢渣余热回收与CO₂矿化固碳的协同增效,本文以竹屑与转炉热态钢渣为研究对象,采用竖式高温喷吹气化试验,系统研究CO₂载气气体体积分数、钢渣粒度和反应温度对竹屑气化制备合成气及钢渣耦合固碳效果的影响,并结合动力学分析与多表征手段揭示气相释放与固相演化机制。结果表明,温度是调控CO释放和固碳性能的核心因素。随着温度由700 ℃升高至1 100 ℃,CO产率由81.5 mL/g增加至207.8 mL/g;1 000 ℃时CO峰值气体体积分数最高,为10.48%,且反应完成时间最短。动力学结果表明,高温气化阶段表观活化能为222.50~268.69 kJ/mol。提高CO₂气体体积分数可促进竹屑炭气化、干重整反应及钢渣矿化固碳。钢渣粒度效应具有温度依赖性,细粒钢渣在900~1 100 ℃下更有利于提高CO峰值和产率,1 100 ℃时细粒钢渣CO峰值达12.16%,高于粗粒钢渣的9.79%（体积分数）;粗粒钢渣在900~1 100 ℃下更有利于维持颗粒床通道并提高固碳效果。固碳率随温度升高总体增加,并在1 000 ℃达到最高值16.60%。反应后钢渣体系中同时发生碳酸盐化、铁氧化物还原再氧化和钙硅酸盐重构。综合产气与固碳效果,1 000 ℃、较高CO₂分压和合理钢渣粒度可作为兼顾CO释放与CO₂矿化的优先工艺参考;若以CO产率提升为主要目标,则1 100 ℃和细粒钢渣更具优势。本研究为生物质固废与冶金钢渣协同资源化利用提供了试验依据。

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基于机制特征增强与LSTM-TCN的高炉炉热预测方法

李壮年, 唐珏, 储满生, 张峰, 叶健虎

钢铁. 2026, 61(8): 422-433.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260391

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针对高炉炉热调控中热状态判断滞后、化验反馈延迟及复杂工况下特征表征不足等问题,提出基于机制特征增强与LSTM（long short-term memory）-TCN（temporal convolutional network）融合模型的炉热预测方法。基于太钢6号高炉近1年生产数据,采用Z-score与箱线图联合方法剔除异常样本,完成多源异构数据预处理、时间对齐与样本构建。构建入炉料机制模型,推导渣铁热量指数、高温区热损失及多尺度时序特征,同时引入最大相关最小冗余方法对高维特征进行降维优化,筛选出对铁水温度与硅含量有强关联的关键变量,从而提升模型对高炉过程非线性、时变性及多变量耦合关系的表征能力。构建LSTM与TCN融合网络结构,实现对时间依赖性与局部时序特征的协同建模。试验结果表明,该模型在铁水温度预测中平均绝对误差（E_MA）为4.74 ℃、均方根误差（E_RMS）为6.01 ℃,预测准确率达到92.5%;在硅含量预测中E_MA为0.016 7%、E_RMS为0.022 8%,准确率达到93.5%。与传统单一模型及未引入机制特征的对比模型相比,所提方法在预测精度、稳定性及泛化能力方面均表现更优。工业应用验证结果表明,该模型能够有效支持高炉热状态的提前识别与操作调控,对提高铁水质量稳定性、辅助操作人员精准干预及促进高炉稳定顺行具有重要工程应用价值。

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基于视觉感知的高炉风口焦炭粒径在线监测

卢培园, 郦秀萍, 李朝旺, 张建良, 王振阳, 冯忠良, 周继程, 张焜翔

钢铁. 2026, 61(8): 434-447.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260216

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高炉风口回旋区是炼铁过程的动力核心,其焦炭粒径的实时变化可直接反映焦炭热强度劣化程度及炉缸活跃性。然而,传统依靠休风取样的监测手段存在采样间歇性强、人为随机误差大且严重干扰正常生产等弊端,难以满足现代高炉智能化与连续化的监测需求。为此,本文研发了1套高炉风口焦炭粒径在线监测系统,旨在利用计算机视觉技术实现封闭热态环境下焦炭几何尺寸的实时精准感知。研究提出了1种轻量化检测模型ESG-YOLO（EffectiveSE GhostConv-YOLO）。该模型在主干网络引入GhostConv模块以实现轻量化特征提取,利用EffectiveSE机制增强边缘感知,设计加权特征融合（weighted feature fusion,WFF）模块以捕捉跨尺度特征的空间相关性,并采用Focal-PIoU2损失函数优化定位回归。试验结果表明,改进后的ESG-YOLO模型在计算量下降33.33%的前提下,平均精度均值P_mA50、P_mA50：95及调和平均数F₁分数分别提升至98.10%、90.90%和96.40%,显著增强了模型在高温、高亮及喷煤流干扰等低信噪比环境下的鲁棒性。工业现场验证显示,系统平均推理速度达106.8 F/s（frames per second）,能够实时捕捉休复风等非稳态过程中的焦炭粒径演变规律。通过分析周向粒径标准差与透气性指数之间的动态关联关系,表明粒径波动可作为表征炉缸环向不均匀性的量化先验指标。该系统的应用有效降低了人工取样强度,为利用机器视觉在线评价风口区域活跃性提供了科学依据与工程支撑。

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生命周期评价二元形态下钢铁产品碳核算矛盾及优化路径

刘颖昊

钢铁. 2026, 61(8): 448-461.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260447

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钢铁产品的碳足迹核算依赖生命周期评价方法（life cycle assessment,LCA）,该方法在行业应用中已分化为2种功能指向不同的形态,其中分析型LCA锚定实物物料流,服务于合规核查与工艺评估;宣传型LCA则以碳资产流转与低碳信号传递为目标,核算弹性较大。2种形态的混用在实践中引发了核算口径冲突和低碳声明可信度下降的问题,而现有研究对此尚未给予充分关注。本文重点分析宣传型LCA的运行机制与潜在风险,分析型LCA在文中作为对照基准,后者成熟的制度框架和核算原则为判断宣传型LCA的偏差提供了参照。以世界钢铁协会质量平衡法与落基山研究所证书交易法为研究对象,文章揭示了2类工具在规则缺位情形下的风险放大机制。前者通过内部额度调配将减排属性在不同产品间重新分配,后者则依托凭证流转实现减排权益与实物钢材的完全解绑。研究发现,这些工具在规范使用时可通过碳溢价反哺工艺技改,但若缺乏制度约束,则容易演变为漂绿工具,反而抑制实质性低碳投资。基于国内外规则对比与典型案例分析,本文提出刚性划分2类LCA应用边界、完善宣传型LCA核算的披露要求、建立企业三台账管理机制、设置过渡期逐步退出虚拟核算等优化路径。核心判断为2类LCA的冲突不在技术层面,而在功能定位;解决之道不是否定宣传型LCA的市场价值,而是通过制度设计让它回到应有的边界之内运行。

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钢铁企业碳市场启动实施阶段履约策略研究

潘嘉璇, 赵禹程

钢铁. 2026, 61(8): 462-473.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20260111

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为助力中国碳市场钢铁行业扩围启动实施阶段（2024—2026年）企业低成本履约,基于生态环境部最新碳配额分配规则,构建包含碳排放强度系数、配额盈缺量及碳价的最优履约成本模型,以先进（S₁）、中等（S₂）、高排放（S₃）3类典型钢铁企业为研究对象开展模拟分析。结果表明,S₁企业因排放绩效优于行业基准（碳排放强度偏离度X不低于20%）形成配额盈余,S₂企业（X 为-10%~15%）存在少量配额缺口,S₃企业（X不超过-10%）面临较大补足压力;对比“逐年补齐”“一次补齐”“超额购买”3种交易策略,“一次补齐”策略可通过锁定2025年度低价（85元/t）,显著降低S₂、S₃企业资金占用与总履约成本,分别实现成本节约139.35万元、445.5万元,经济性最优。基于研究结论,从企业层面提出差异化履约方案,行业层面建议搭建协同交易平台,政策层面倡导完善配额分配与碳金融配套机制,为钢铁行业高效推进低碳转型提供实操路径与决策参考。

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2026年, 第61卷, 第8期　刊出日期：2026-08-15

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