在“碳达峰”“碳中和”背景下,氢冶金凭借其炼铁过程无直接二氧化碳排放的特点受到广泛关注,被认为是钢铁工业实现“碳中和”目标的重要潜在路径之一。作为一种具有发展潜力的氢冶金工艺,流化床直接还原技术可直接使用铁矿粉,并凭借高相间传质速率及良好混合特性而展现出优势。然而,该技术在发展应用中面临若干关键挑战,如黏性铁矿石颗粒易导致流化失稳、气体利用率偏低易引发高能耗,以及床内气固结构非均匀性所带来的放大风险。为实现流化床直接还原过程的稳定与高效运行,本文系统梳理并评述了该领域近年来的研究进展。在抑制失流方面,研究提出了降低颗粒表面黏性与增大颗粒粒径两类主要途径。具体包括通过调控新生铁的形态演变、添加MgO和CaO等非黏性添加剂进行表面改性,以及采用人工造粒与自团聚等技术增强颗粒抗黏结能力。在提升工艺能效方面,通过推动散式流态化、构建多级流化床反应系统、优化颗粒停留时间分布等措施,可有效提高氢气利用率和系统热效率。针对工程放大过程中的结构效应与传递反应耦合难题,基于流动结构‑反应模型的计算流体力学模拟为反应器设计与放大提供了有效的数值工具,并在千吨级中试装置中得到验证。最后,对未来研究方向提出了若干建议。

在钢铁材料的热加工过程中,碳作为关键合金元素,对其热变形行为及组织演变具有重要影响。碳含量不仅能显著调控流变应力水平,还深刻影响动态再结晶（dynamic recrystallization,DRX）与动态回复（dynamic recovery,DRV）等软化过程的动力学行为,进而决定最终材料的微观组织和性能。然而,碳对不同类型钢种（尤其是普碳钢与微合金钢）热变形机制的具体作用规律仍存在诸多争议,亟待系统梳理与深入解析。本文系统综述了碳含量对普碳钢和微合金钢热变形行为影响的研究进展,从宏观力学响应和微观机制2个层面展开分析。宏观层面,重点探讨了碳对应力-应变曲线特征、热变形激活能及应变速率敏感性的影响规律;微观层面,深入阐述了碳对动态再结晶形核与长大、动态回复过程的调控机制,以及碳通过改变层错能、扩散行为和析出动力学对变形机制的影响。基于现有研究,指出当前该领域研究在碳影响机制的定量描述、多因素耦合效应及宏微观关联等方面仍存在不足。展望未来,应加强碳含量与热变形工艺的协同调控研究,发展多尺度模拟与原位试验相结合的方法,建立“成分-工艺-组织-性能”的定量预测模型,为高性能钢铁材料热加工技术的创新提供理论支撑。

二次硬化型超高强度钢主要通过碳及碳化物形成元素（钼、铬、钨、钒、钛等）形成的二次碳化物相（M₂C）提升强度,以钴固溶强化基体并促进二次相析出,以镍调控马氏体转变温度（M_s）、残余奥氏体含量及逆转变奥氏体含量,形成 “低碳高镍位错马氏体+钴固溶强化基体+钴优化沉淀析出相”的复合强化体系。新型二次硬化超强钢中还通过添加铝形成NiAl纳米相,添加铜形成碳化物伴生相,使得材料在获得极高强度的同时,保持理想的韧性。该合金工程需与热处理工程精准配合,以调控组织含量、形态和尺寸。二次硬化型超高强度钢通常采用固溶+时效的热处理工艺制度。随碳含量增加,钢的马氏体转变温度下降,若块状残余奥氏体过多,则采用淬火空冷+深冷的冷却方式。为获得均匀细化的马氏体组织,开发了高、低温二次时效的热处理工艺;为调控析出相的弥散度并获得薄片状逆转变奥氏体,需优化时效温度与时间组合。等温二次时效可在保持M₂C纳米形态尺寸的同时,使逆转变奥氏体富镍;高、低温二次时效热处理工艺可在不影响逆转变奥氏体形态的同时,调控其含量;含铝的二次硬化型超高强钢中,高、低温二次时效分别形成纳米M₂C及NiAl相;二次时效+高温闪时效可在形成纳米异质结构的同时,增加逆转变奥氏体含量;在临界奥氏体转变温度下进行层化处理的二次时效,可同样增加逆转变奥氏体含量。通过上述合金化及热处理工程调控,最终得到高角度细晶位错马氏体、与之共格的碳化物相以及均匀分布的薄片状高镍稳定逆转变奥氏体,这是二次硬化型超高强钢获得强度-塑性-韧性综合性能的协同策略。

针对褐铁矿型红土镍矿成分复杂、结晶水质量分数高、镍铁品位低,导致常规红土镍矿烧结工艺存在能耗高、碳排放量大、成品率低等问题,提出对褐铁矿型红土镍矿进行磁化焙烧提质改性处理,以强化其烧结效果。本文探究了磁化焙烧关键参数对某红土镍矿主要元素物相转化的调控作用,结果表明,在焙烧温度为850 ℃、焙烧时间为25 min、还原剂添加量（质量分数）为4%时,分选效果达到最佳,所得磁选精矿铁质量分数为60.23%、镍质量分数为1.13%,铁、镍回收率均达到96.00%以上;精矿中SiO₂、Al₂O₃的质量分数分别为3.19%、4.58%,脱除率分别为23.17%、7.12%;在磁化焙烧过程中,适当升温与延时可促进针铁矿、赤铁矿转化为磁铁矿,并改善其结晶程度,镍与铁反应生成铁酸镍,因此,镍随铁迁移并同步富集;升温使SiO₂、Al₂O₃与FeO结合生成铁橄榄石和铁铝尖晶石,从而使SiO₂、Al₂O₃在磁选过程中进入精矿,导致脱除率降低。本研究为褐铁矿型红土镍矿磁化焙烧过程中铁、镍的回收及SiO₂、Al₂O₃的脱除提供参考,为后续制备低碳烧结原料提供一定的理论依据。

高炉炼铁对入炉原料的粒度分布具有严格要求,粒度过细将导致料柱透气性下降,过粗则会影响还原反应效率。为此,本文提出了基于图像分割的球团矿粒度检测方法,利用机器视觉替代传统人工筛分,实现球团粒度的实时、精准获取。首先搭建模拟实际工况的球团图像采集平台,采集多组球团图像,并基于分割一切模型（segment anything model, SAM）完成图像掩膜的高效标注。其次,将注意力机制引入U-Net的编码-解码结构,构建改进的二维Attention U-Net模型,使其能够自适应增强球团区域的关键特征表达,同时抑制背景噪声干扰。为进一步提升模型的边界识别能力,本文采用加权损失函数策略,通过数字图像处理对球团掩膜中各像素赋予权重,从而在训练阶段优化边界区域的识别性能,加快模型收敛速度。最后,在模型输出的分割结果基础上,对每个球团实例应用最小二乘圆拟合算法,提取拟合圆的直径作为粒度估计值,实现粒度定量分析。试验结果表明,所提出的Attention U-Net模型在加权损失训练策略下,能够有效处理球团粘连、遮挡等复杂场景,分割准确率达到98.96%,交并比（intersection over union, I_oU）为97.96%,相似系数为98.97%,均显著优于当前主流分割方法。在最小二乘圆拟合环节中,粒度估计结果与真实分布高度一致,平均误差在-2%~2%内,这验证了该方法在球团矿高精度粒度识别与统计分析方面的有效性与应用潜力。

综合考虑富氢气体喷吹对直接还原度、风口燃烧碳素、风量及热收支的影响,构建了高炉喷吹富氢气体能质平衡模型,分析了喷吹H₂、CO、CH₄、焦炉煤气（coke oven gas,COG）对高炉燃料消耗、热量供给、提产潜力和碳排放等方面的影响。明确了降低直接还原度、保证热量充足是降低焦比的先决条件,得到H₂、CO、CH₄、COG对焦炭的置换比分别为0.35、0.08、0.91、0.41 kg/m³。当COG喷吹量大于150 m³/t时,理论燃烧温度（theoretical flame temperature,TFT）降低至2 000 ℃以下;当CH₄喷吹量大于100 m³/t时,理论燃烧温度降低至1 800 ℃以下,需要在提高富氧率的同时降低风量以维持炉况稳定,调整后由于热风带入热量减少,焦比有所回升。维持理论燃烧温度与基准工况相同时,喷吹H₂、CH₄、COG的置换比分别为0.21、0.42、0.18 kg/m³,喷吹CO则无节焦效果。调整鼓风富氧后吨铁炉腹煤气量的降低是提高产量的关键条件,以炉腹煤气指数不变为原则,当H₂、CO、CH₄、COG喷吹量由0 m³/t增加至200 m³/t时,利用系数可以由2.77 t/（m³·d）分别增加至3.05、2.84、3.28、3.07 t/（m³·d）。随着H₂、CH₄、COG喷吹量的增大,参与间接还原的CO减少、H₂增多;喷吹CO则与之相反。增大CO、CH₄、COG喷吹量时,由于炉腹煤气中还原性气体体积增幅大于其参与间接还原的体积增幅,H₂和CO利用率均降低;增大H₂喷吹量时,H₂和CO利用率先升高后降低。CO₂排放量的变化规律与参与间接还原的CO完全一致。

铁水温度作为高炉炼铁与转炉炼钢衔接的核心参数,其精准预测对提升钢材质量、优化生产流程及降低能耗具有决定性意义。针对传统检测方法滞后、传统预测模型难以捕捉复杂非线性关系的问题,本文构建了高精度、实时的铁水温度预测系统。首先,通过皮尔逊相关性分析结合高炉热平衡机制,以显著性水平p<0.05（用于衡量变量间线性相关程度）筛选出铁流时间、硅质量分数、硫质量分数、钛质量分数和冶炼参数K_pt共5个关键自变量,全面覆盖“冶炼放热-热状态表征-热量损失”全过程;采用箱线图法剔除异常数据,并通过最小-最大归一化消除量纲干扰,最终获得492组有效样本,按8∶2划分为训练集与测试集。在模型构建上,设计了双隐藏层反向传播（back propagation,BP）神经网络（输入层-隐藏层1-隐藏层2-输出层为5-256-128-1）,并采用网格搜索交叉验证系统优化超参数,确定以tanh为激活函数、Adam为优化器、学习率为0.001、批处理大小为32及L2正则化系数为0.001的最优组合,以均方误差为损失函数进行训练。测试集验证结果表明,该模型在99组样本上取得了均方误差r_MSE为0.417 9、均方根误差R_MSE为0.646 5、平均绝对误差r_MAE为0.407 7、决定系数R²为0.993 8的卓越性能,预测精度显著优于随机森林、XGBoost、CNN（convolutional neural network）及Stacking集成等对比模型。同时,模型单样本预测时间小于50 ms,满足工业高频实时决策需求。为实现系统落地,开发了基于Tkinter的轻量化GUI交互界面,支持参数输入、实时预测与结果可视化,极大降低了操作复杂度与培训成本。此外,通过SHAP（Shapiro-Hartman Analysis of Perturbations）可解释性分析揭示了硫、钛等特征与铁水温度间的复杂非线性作用机制,验证了特征筛选的合理性与模型预测的物理可释性。本研究形成了从数据处理、模型优化到工业应用的完整技术方案,为铁水温度的精准感知与智能调控提供了可靠支撑,具备显著的工程应用价值。

氧枪作为转炉炼钢的核心设备,其工艺参数直接影响着转炉脱磷和脱碳的冶炼效果。针对转炉炼钢过程中脱磷与脱碳需不同氧枪吹炼的问题,设计了一种可在脱磷压力与脱碳压力下切换工作的双压力氧枪。通过数值模拟,分析了双压力氧枪在2种工况下的纵截面速度、速度区域分布、冲击坑尺寸及飞溅量,并与传统脱磷氧枪和脱碳氧枪对比。结果表明,采用双压力氧枪,随着枪位升高,熔池死区先增大后减小并维持体积分数在2%~6%,高速区体积分数为6%~12%。脱碳压力下,高速区比例相较于脱磷压力下高1.6%~2.9%;冲击坑直径随枪位升高呈先缓后急再平缓的增加趋势,枪位在30d_e、35d_e、40d_e （d_e为喷管出口直径）时冲击坑形态完整,40d_e时脱磷和脱碳压力下冲击坑直径分别为2.670、2.864 m。枪位高于40d_e后,射流冲击减弱导致冲击坑变形,但冲击直径仍在增大。冲击坑深度随枪位升高而降低,脱碳压力下冲击坑深度平均比脱磷压力下高24.2%;飞溅量随枪位升高而降低,脱碳压力下飞溅量比脱磷压力下平均提高18.8%。分析表明,冶炼枪位在40d_e时,双压力氧枪性能最优。与专用脱磷氧枪和脱碳氧枪的对比分析表明,脱磷压力下,双压力氧枪死区比例较脱磷氧枪降低约50%,体平均速度为0.415 m/s,与脱磷氧枪相当,飞溅量提高32%;脱碳压力下,双压力氧枪死区比例较脱碳氧枪减少29%,体平均速度为0.497 m/s,较脱碳氧枪提升9.23%,飞溅量基本相当。

钢液氮含量超标是限制电弧炉短流程生产绿色无间隙原子（interstitial-free,IF）钢的重要因素,IF钢中TiN等夹杂物尺寸增大会显著影响产品表面质量,还会导致冲压开裂。基于氧化物冶金理论对氮含量超标的IF钢液进行镁、稀土铈处理,可以改性钢中夹杂物,减小其尺寸,控制其对IF钢板表面质量和塑性加工性能的影响。通过实验室热态熔炼试验制备了镁、铈处理后的高氮含量IF钢样品,使用扫描电镜、自动夹杂物分析仪分析了夹杂物的形貌、尺寸和数量等特征,并结合高温激光共聚焦显微镜观测夹杂物聚并行为。结果表明,镁处理后钢液中形成的富镁粒子促进了高氮含量IF钢中TiN的异质形核,导致TiN数量大幅增加,平均尺寸由3.96 μm减小至2.58 μm,细化效果明显;铈处理后钢液中形成的富铈粒子也能诱导TiN异质形核,但形成了大尺寸的TiN团簇导致细化效果较差;镁-铈复合处理后TiN平均尺寸减小至2.84 μm,数量增加,大尺寸TiN所占比例减小,且没有TiN团簇的形成。除了尺寸细化,镁处理和镁-铈复合处理样品中夹杂物的空间分布也变得更加均匀。进一步对钢液中夹杂物粒子聚并行为研究发现,相比于富铈粒子,镁-铈复合处理后钢液中粒子之间聚并力更小,不易发生碰撞聚并,因此阻碍了大尺寸TiN团簇的形成。镁处理改性高氮IF钢中夹杂物的效果最好,镁-铈复合处理对大尺寸TiN的改性效果较好,铈处理改性效果最差;相比于低氮含量IF钢,铈处理和镁-铈复合处理使高氮含量IF钢的TiN最大尺寸减小。因此,对高氮含量IF钢进行镁处理或镁-铈复合处理可以显著减小TiN平均尺寸、改善其分布均匀性,这为电炉短流程冶炼高等级IF钢提供了新的思路和研究基础。

针对断面尺寸为350 mm×430 mm的55SiCrA弹簧钢大方坯连铸时存在的碳偏析问题,本研究建立了考虑连铸机弧度、两孔水口以及二冷区不均匀冷却的多物理场耦合模型,系统探究了过热度和结晶器电磁搅拌（mold electromagnetic stirring,M-EMS）对钢液流动、传热、凝固与传质的影响规律,并通过工业试验对优化方案进行验证。结果表明,无M-EMS时,钢液射流持续冲刷铸坯窄面凝固坯壳,致使坯壳生长停滞并形成显著负偏析,碳偏析度最低降至0.899 1,钢液溶质富集于弯月面、宽面中心及弯月面下0.4 m处;当过热度由15 ℃升高至30 ℃后,结晶器出口处铸坯窄面坯壳厚度由25.3 mm降低至20.8 mm,窄面皮下5 mm处的偏析度由0.969 8降低至0.910 3,宽面坯壳中的碳偏析度基本不变,距结晶器弯月面2.5 m处铸坯中心的碳偏析度由1.012 1升高至1.013 3。施加M-EMS能够降低钢液射流冲刷强度,改善偏析,当电磁搅拌参数为200 A/2.5 Hz时,铸坯窄面皮下5 mm处的偏析度升高了0.061 2,宽面内外弧坯壳中最低偏析度的差值降低了64%,距结晶器弯月面2.5 m处铸坯中心的碳偏析度升高了0.002 8。增大M-EMS强度会增强结晶器中溶质冲刷效应,坯壳生长速率降低,坯壳中碳的负偏析程度加剧,距结晶器弯月面2.5 m处铸坯中心的碳偏析度呈现先升高后降低的趋势。工业试验结果表明,在240 A/2.5 Hz的电磁搅拌参数下,过热度由30 ℃降低至20 ℃时,铸坯碳偏析度极差由0.131降低至0.045,等轴晶率由25.17%提高至29.41%;在20 ℃的过热度下,电磁搅拌参数由200 A/2.5 Hz调整为240 A/2.5 Hz和300 A/2.5 Hz时,初轧坯碳偏析度极差由0.070分别变化至0.021和0.074。基于模拟与工业试验结果可知,降低过热度或适当增大电磁搅拌强度能够有效控制55SiCrA弹簧钢大方坯偏析缺陷,提升连铸坯凝固组织的均匀性。

以高强酸洗机组为研究对象,针对1 800 MPa级热成形钢（CR1200/1800HS）破鳞工艺参数、酸洗工艺参数对酸洗效果影响展开试验及分析。首先,采用扫描式电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）和能谱仪（energy-dispersive spectroscopy,EDS）对酸洗前的氧化铁皮截面形貌进行表征,确定各层的铁原子数分数和氧原子数分数,利用X射线衍射 （X-ray diffraction,XRD）对氧化铁皮截面各层物相进行扫描分析,确定氧化铁皮层间物相组成,并分析了超高强钢（ultra-high-strength steel,UHSS）酸洗过程机制;其次,结合高强酸洗机组破鳞机的设备与工艺特点,研究了破鳞机辊压下量和张力对破鳞伸长率和酸洗效果的影响,通过试验、数据回归与机制分析相结合的方法,建立了破鳞机辊压下量、张力与酸洗效果影响关系模型;然后,控制不同的酸液温度和质量分数,采用失重法结合电位法对超高强钢酸洗过程进行描述,得到不同工况下的酸洗失重率和完成率,分析酸液温度、质量分数变化对高强钢酸洗效果的影响,根据试验结果建立了酸液温度-质量分数对酸洗效果的影响关系模型,得到酸洗最优温度、质量分数区间;最后,基于得到的厚度为3 mm超高强钢酸洗过程关键工艺参数以及影响规律,结合高强酸洗机组现场生产,设计了厚度为1.5、2.0、2.5、3.5 mm超高强钢的破鳞机工艺和酸洗工艺参数,应用后各规格钢种酸洗后表面质量保持良好,显著提升了酸洗效率。

为探究U75V钢轨在潮湿环境服役过程中发生的腐蚀疲劳损伤,选取U75V钢轨钢作为研究对象,分别设计“预疲劳-腐蚀疲劳”与“预腐蚀疲劳”2种试验方案,采用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、表面轮廓仪分析2种试验方案对U75V钢轨高周疲劳行为的影响。结果表明,随着腐蚀时间由48 h延长至120 h,预腐蚀疲劳试样表面蚀坑最大深度由44.276 μm扩大至157.205 μm,蚀坑数量由61个减少至37个;预疲劳-腐蚀疲劳试样表面蚀坑最大深度由87.341 μm扩大到194.792 μm,蚀坑数量由48个减少至39个。2种试验方案下试样表面蚀坑深度均增大,其中预疲劳-腐蚀试样表面蚀坑深度相对更大,蚀坑数量因相邻蚀坑的合并均减少。应力-寿命（stress-fatigue life,S-N）试验结果表明,U75V钢轨钢疲劳极限为200 MPa。腐蚀48 h时,腐蚀作用已影响预疲劳-腐蚀疲劳试样疲劳极限;腐蚀96 h时,腐蚀作用开始影响预腐蚀疲劳试样的疲劳极限。应力为280 MPa时,随着腐蚀的进行,预疲劳-腐蚀疲劳试样的疲劳寿命衰减率相较于预腐蚀疲劳试样分别提升了14.91、5.71、8.15个百分点（对应应力为280 MPa时,腐蚀时间分别为48、96、120 h）,这一现象归因于局部改善效应使蚀坑附近的应力集中减小;但随着腐蚀的持续进行,其全局损伤效应会逐渐超越早期的局部改善作用,最终使2种试验方案下试样的疲劳寿命趋于一致。2种试验方案下试样断口形貌一致,裂纹源区均存在引发疲劳断裂的蚀坑;仅预腐蚀疲劳试样表面蚀坑较为陡峭,预疲劳-腐蚀疲劳试样表面的蚀坑相对平缓,在疲劳过程中产生的应力集中更小,疲劳裂纹萌生能力更弱。

在全球推进“碳达峰”“碳中和”目标背景下,兼具高强度与高塑性的第3代先进高强钢成为实现车身减重与安全的关键材料。本文聚焦中锰汽车钢,通过冶炼、热轧、冷轧及短流程两相区退火工艺制备试验材料,采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy ,SEM）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、透射电子显微镜（transmission electron microscopy,TEM）及准静态拉伸试验,研究了退火时间与稀土铈微合金化对其微观组织演变、残余奥氏体特性及力学性能的影响。试验钢在两相区650 ℃下分别保温10、20、30 min,结果表明,退火时间可显著调控碳化物溶解和奥氏体逆相变行为,进而影响残余奥氏体的含量与热稳定性。不含稀土铈的试验钢在退火时间为20 min时,残余奥氏体体积分数达到峰值23.32%,并表现出最优的强塑积（28.37 GPa·%）。稀土铈的添加进一步提升了材料的综合性能,在相同20 min退火条件下,其残余奥氏体体积分数提高至25.29%,强塑积显著提升11.74%,达到31.70 GPa·%,同时屈服强度与抗拉强度均获得协同增强。稀土铈的微合金化作用细化了原始奥氏体晶粒,平均尺寸降低15.82%,促进了更细小、弥散且热稳定性更好的残余奥氏体形成。透射电镜观察证实,含稀土铈钢中存在的细小颗粒状和块状奥氏体及其内部的孪晶结构,有效调控了变形过程中的TRIP（transformation induced plasticity）效应与位错运动,从而同步提高了试验钢的加工硬化能力、强度与塑性。

氢能经济发展对具有面心立方结构（face-centered cubic ,FCC）的奥氏体不锈钢和高锰奥氏体钢的需求日益迫切。为了从原子层面揭示面心立方钢铁材料的氢脆敏感性以及氢致失效机制,本研究采用分子动力学（molecular dynamics,MD）拉伸模拟方法,系统研究了氢对含不同缺陷的面心立方纯铁变形行为的影响规律。模拟结果表明,对于含孔洞缺陷的模型,位错优先在缺陷附近的应力集中区形核,随后发生扩展位错向L-C（Lomer-Cottrell）位错锁的转变过程;然而,在方形孔洞体系以及氢质量分数为0.04%的球形孔洞体系中,L-C位错锁的形成受到抑制;氢对2种孔洞缺陷模型的作用在质量分数更高（0.04%）时更为明显,具体表现为氢显著促进了位错的形核与滑移;同时,由于方形孔洞缺陷在尖锐的棱角处更易引起应力集中,其抗变形能力显著低于球形孔洞缺陷。对于FCCΣ3（111）孪晶界模型,氢含量的变化显著影响失效方式,当氢由低质量分数（0、0.01%）增加至较高质量分数（0.04%、0.08%）时,位错形核位置从晶内（0、0.01%）转移至孪晶界处（0.04%、0.08%）,且形核位置的变化也改变了模型的最终断裂方式,断裂方式由无氢时的穿晶断裂转变为高氢质量分数（0.08%）下的晶间断裂。在FCCΣ9（221）晶界模型中,氢促进位错从晶界发射、弱化界面结合强度,进而加速界面分离。由于FCCΣ3（111）孪晶界原子排列紧密,而FCCΣ9（221）晶界原子排列分散,因此FCCΣ3（111）孪晶界的晶界能低于FCCΣ9（221）晶界,FCCΣ3（111）孪晶界变形抗力高于FCCΣ9（221）晶界。

以自主设计的含铈钢NM400Ce及对比钢NM400为研究对象,采用透射电镜、电子背散射衍射扫描电镜、电子探针、透射电镜、硬度测试、拉伸与低温冲击试验以及耐磨性能测试等方法,系统研究了NM400Ce钢与NM400钢的显微组织、铈元素对含钛颗粒析出行为的影响及其对材料力学性能与耐磨性能的作用。研究结果表明,在低温冲击试验中,NM400Ce钢在-20 ℃下的冲击吸收功（75 J）高于NM400钢的（65 J）;在销盘磨损试验中,NM400Ce钢的平均耐磨性较NM400钢提升21.04%。热处理后2种钢的组织均为马氏体,但添加铈使NM400Ce钢的晶粒尺寸（3.01 μm）较NM400钢（3.11 μm）更为细小,同时NM400Ce钢中大角度晶界的比例更高。由于铈在钢液中具有净化作用,易与氧、硫元素结合形成高熔点的含铈夹杂物,且此类夹杂物（如Ce₂O₂S）易成为Ti（C_xN_y）的异质形核核心。NM400Ce钢中Ti（C_xN_y）的尺寸主要为0.5~2 μm,平均尺寸为1.26 μm;而NM400钢中Ti（C_xN_y）尺寸主要为1~4 μm,平均尺寸为2.34 μm。与NM400钢相比,NM400Ce钢中Ti（C_xN_y）的析出总密度显著提高。显微分析结果进一步表明,添加铈能够将长条状或多边形的单一态Ti（C_xN_y）改性为球形复合态Ti（C_xN_y）,使其数量增加、尺寸细化。钢中弥散分布的细小球形Ti（C_xN_y）可有效阻碍裂纹扩展并增强抗磨损能力,从而提升材料的低温冲击韧性与耐磨性能。

45钢制造成本低、综合力学性能优良,广泛应用于机械制造与建筑工程等领域。轧制变形结合电脉冲处理（electrical pulse treatment,EPT）工艺是一种提升其强度与塑性的新方法。对经过82%冷轧变形的45钢进行了电流密度为48 A/mm²、不同时间的电脉冲处理,获得了具有多尺度分布铁素体基体晶粒和高密度纳米级渗碳体颗粒的异质结构（heterostructure,HS）,使冷轧45钢同时具备较高的强度和良好的延展性。采用光学显微镜（optical microscopy,OM）、X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,SEM）和电子背散射衍射（electron backscatter diffraction,EBSD）对样品的微观组织进行了表征,并通过拉伸试验测得了样品的强度和伸长率,进而分析了不同EPT时间下异质结构45钢的强塑化机制。结果表明,EPT能够显著提高冷轧45钢再结晶的形核速率并促进过饱和铁素体中纳米渗碳体颗粒的析出。电脉冲处理30 min（EPT30）样品中,晶粒明显细化,平均晶粒尺寸为841 nm,同时致密的纳米级渗碳体颗粒（平均粒径72 nm）迅速析出。EPT30样品的极限抗拉强度（ultimate tensile stress,UTS）和屈服强度（yield strength,YS）分别达到1 146 MPa和1 114 MPa,伸长率为8.6%。与冷轧样品相比,EPT30样品的UTS和YS分别提升了5%和21.3%,伸长率提升了40%。HS45钢强度和伸长率的提高是位错强化、晶界强化及异质形变诱导（hetero-deformation induced,HDI）强化等多种强化机制协同作用的结果。结果为利用电脉冲技术制备高性能异质结构碳钢及其力学性能调控的工艺制定提供了重要参考。

随着全球能源结构的转型和环境问题的日益严峻,废塑料的资源化利用和传统能源的高效利用等问题成为亟待解决的挑战。废塑料作为难降解的固体废物,传统的处置方法如填埋和焚烧,不仅无法充分利用其能源潜力,还会造成环境污染。所以,寻找高效、环保的处理方式具有重要的现实意义。本研究旨在探讨废塑料与烟煤共碳化制备复合燃料的基础性能,研究不同碳化温度和保温时间对共碳化产物的影响及其协同效应。试验选用废塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯,polyethylene terephthalate,PET）和烟煤为原料,按1∶1的质量比进行混合,研究了不同碳化温度（300~500 ℃）和保温时间（15~60 min）对复合燃料的影响。通过热重分析、X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）和傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy,FTIR）等手段,对共碳化产物的固体产率、热值、固定碳含量、微观结构及官能团演化进行了详细分析。研究结果表明,随着碳化温度的增加,复合燃料的高热值组分生成率下降了42.96个百分点,高位热值升高了11.99%,固定碳质量分数达到了67.33%;同时,随着保温时间的延长,复合燃料的高热值组分生成率下降了33.42个百分点,高位热值升高了13.86%,固定碳质量分数达到了58.91%。进一步分析发现,废塑料与烟煤的共碳化过程中,废塑料中的聚烯烃成分在热解过程中生成小分子烃类自由基,有助于煤中芳香族结构交联聚合,这种协同效应有效提升了复合燃料的热值和碳化程度,为高热值复合燃料的制备提供了理论依据。

针对回转窑处理冶金粉尘过程中的结圈问题,系统探究固体碳燃尽率对结圈行为的影响机制,旨在为抑制结圈、保障回转窑连续稳定运行提供理论依据与工艺指导。本研究以唐山某钢厂实际回转窑结圈物为研究对象,系统分析了其化学组成、矿相结构及软熔特性,揭示了结圈物的形成机制,结圈本质为固相主导的固结过程,液相仅起辅助黏结作用。为了深入探究结圈形成机制,本研究通过粉尘压块试验模拟了冶金粉尘（高炉布袋灰、转炉干法灰、电炉除尘灰）在回转窑中的结圈过程,系统地研究了固体碳燃尽率（60.20%~100%）对抗压强度及矿相演变的影响规律。试验结果显示,固体碳燃尽率提升（60.20%→100%）显著降低压块抗压强度（823 N→333 N）,因高效燃烧削弱低温黏结相形成,降低了初始结圈层机械强度,从而抑制结圈倾向。矿相分析表明,结圈物主要由Fe、FeO、Fe₃O₄及硅酸盐相构成。结圈过程的关键在于FeO的生成与转化,固体碳燃尽率低下导致未燃碳含量高,使得Fe₃O₄的还原过程停滞于FeO阶段;过量的FeO进而与SiO₂、Al₂O₃、CaO等脉石组分反应,生成铁橄榄石、钙铁橄榄石等低熔点硅酸盐矿相;微量碱金属（钾、钠）的存在进一步降低了这些液相的共晶点,共同加剧了结圈生长。这使得FeO含量高的Fe₃O₄-FeO体系结圈风险显著高于生成了金属铁的Fe₃O₄-FeO-Fe体系。因此,提升固体碳燃尽率以控制FeO的过量生成,是抑制结圈的核心路径。

针对转炉汽化烟道喷吹生物质炭工艺中部分未转化残渣进入转炉尘泥的情况,研究了生物质炭气化残渣-转炉尘泥复合物料体系的冷固成球及其化渣、脱磷性能。利用高温沉降炉系统模拟转炉汽化烟道环境制备了生物质炭气化残渣,通过冷压成球试验研究了生物质炭气化残渣掺量、黏结剂类型及用量、成型工艺参数（水含量、成型压力、物料粒度）等对生物质炭气化残渣-尘泥复合物料体系成球性能的影响,结合FactSage软件计算以及渣系熔点和黏度实测探究了复合物料中CaO-FeO-SiO₂-MgO-Al₂O₃-Na₂O渣系的基本物化特性,并对该渣系的化渣性能和脱磷能力进行了分析。研究表明,生物质炭气化残渣掺量的增加使得复合物料中非亲水性组分（焦炭）比例增加,从而导致球团强度降低。复合物料冷固球团的最佳成球工艺为气化残渣掺量为10%（质量分数）、水含量为9%（质量分数）、成型压力为45 MPa、粒度为75 μm。膨润土、甲基纤维素、复合黏结剂的最佳添加量（质量分数）分别为5.0%、1.5%、6.0%。生物质炭气化残渣中的Al₂O₃、Na₂O和尘泥中的FeO具有助溶化渣效果,可以降低渣系的熔点和黏度,脱磷试验证实复合球团脱磷率可达79.80%,复合物料球团具备作为化渣剂和脱磷剂的潜力。研究结果可为转炉喷吹生物质炭工艺尘泥的循环利用提供理论支撑。

中国攀西地区钒钛磁铁矿资源丰富,随之产生的大量含钛高炉渣长期堆存,不仅占用土地,更造成钛资源的严重浪费和潜在环境风险。为实现含钛高炉渣的高附加值资源化利用,本文提出了利用铝热还原法同步制备Al₃Ti金属间化合物与Al-Si合金的新工艺。该工艺旨在高效回收渣中有价元素,契合“双碳”目标下资源循环利用的需求。本研究系统考察了铝渣质量比与反应时间对钛、硅还原率的影响规律。试验发现,通过优化铝渣质量比与反应时间等关键参数,可显著提升元素回收效率,在最佳条件下,钛与硅的回收率分别达到98.3%与83.8%。结合扫描电镜-能谱（scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy,SEM-EDS）分析,揭示了还原过程遵循“还原-合金化”的反应路径,并证实产物中形成了Al₃Ti相。为解决反应产物中Al₃Ti相与Al-Si合金相的分离难题,本研究引入超重力分离技术。利用Al₃Ti相与金属铝的熔点差异,在特定温度与重力系数条件下,成功实现了两相的高效分离,获得的Al₃Ti相纯度高,形貌主要为片状。最后,本研究对以废铝为还原剂的工艺路线进行了能耗与成本分析。结果表明,利用来源广泛、成本较低的废铝,特别是难以高值化利用的低品级废铝作为还原剂,可构建“以废治废”的绿色循环模式,大幅降低原料成本。经济性评估显示该工艺具有良好的工业化应用潜力,这为含钛高炉渣的绿色回收与高值化利用提供了坚实的理论依据与技术支撑。