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钒钛磁铁矿是以铁、钒和钛为主的复合矿产，具有极高的综合回收利用价值。非高炉冶炼钒钛磁铁矿工艺具有流程短、碳排放低、钛回收率高等优势。由于钒钛磁铁矿具有复杂的矿物组成和结构，非高炉冶炼时存在反应效率低、金属化率不足、元素分离困难等问题。此外，当还原温度大于1 200 ℃时，加热装备维持还原气氛存在技术难题，因此目前非高炉冶炼钒钛磁铁矿工艺尚未实现产业化应用。使用添加剂可以显著改善这些问题。各种添加剂由于自身特性和作用机理不同，使用后对钒钛磁铁矿还原-分离效果也存在较大差异。本文梳理了不同添加剂对钒钛磁铁矿还原-分离影响的研究进展，包括钠基、钙基、镁基、硼砂等其他添加剂以及复合添加剂，总结了不同添加剂的强化还原机理和工艺路线，分析了各自的优势、问题和发展前景。研究认为，钠基低温还原-熔分工艺和B2O3复合添加剂低温还原-磁选工艺具有较好的发展前景，符合低碳发展要求，但仍需要更多研究验证。未来需要聚焦复合添加剂的设计，注重还原-分离协同优化以及环境友好。
电弧炉短流程炼钢是实现钢铁行业“碳达峰”“碳中和”目标的关键路径。系统综述了电弧炉能量高效供给技术及其控制模型的研究进展，解析了电弧炉多元能量结构，介绍了物理热高效强化利用技术、电能高效供给技术、化学能强化利用技术的应用特性及优缺点，并对当前多元能量供给技术的创新突破方向进行了展望。最后，系统梳理了电弧炉高效供能模型的机理模型、统计模型的研究进展及发展趋势，深入探究电-氧协同作用下的电弧炉物质-能量转化机制，明确电弧炉炉料熔化及熔池反应机理是开发电弧炉高效能量利用技术的关键环节，并展望了电弧炉高效供能模型的智能化发展途径及前景，为后续多元炉料结构的电弧炉物质-能量智能化模型开发及炼钢工艺的精准控制提供参考。
低合金高强度钢以其优异的综合性能和成本优势等被广泛应用于建筑桥梁、油气输送管线、船舶及海洋平台等领域。屈强比是低合金高强度钢开发应用过程中的关键指标。首先，概述了铁素体钢、珠光体钢、马氏体钢等单相组织钢及含铁素体/奥氏体复相组织钢不同强度水平下的屈强比；不同显微组织钢的屈服强度较高时，屈强比也较高，钢中铁素体或奥氏体相的引入有利于其屈强比的降低。随后，讨论了高强度低屈强比钢多相显微组织设计及轧制与热处理工艺控制研究现状。最后，介绍了机器学习和人工智能辅助研究低合金高强度钢力学性能的进展。实现低屈强比、高韧性及高塑性的优异匹配是低合金高强度钢的重要发展趋势，构建多相、亚稳、多尺度及多形态的显微组织为高强韧、低屈强比钢的开发提供了有效手段，物理冶金学与数据科学融合正成为实现该类钢种显微组织设计的关键路径。
随着全球应对气候变化和实现“碳中和”目标的推进，钢铁工业的减碳任务愈加紧迫，传统的冶炼工艺面临着巨大的碳排放挑战。氢基直接还原技术作为一种低碳冶炼方法，能够在减少CO2排放的同时保持高质量的钢铁生产，因此成为当前冶金领域的研究热点。然而，氢基直接还原铁(DRI)的高温熔化行为尚未得到充分探讨，特别是金属化率对其熔化特性的影响仍不明确。本文基于中等品位球团矿制备了不同金属化率的氢基DRI，通过对不同金属化率氢基DRI的熔化过程进行高温图像分析、三维孔隙结构检测以及熔化温度测量，探讨金属化率对氢基DRI熔化行为的影响。结果表明，氢基DRI在1 470 ℃时未出现显著的熔化现象，且随着金属化率的增加，其大孔隙数量逐渐增加，而小孔隙数量降低。在存在碳源的条件下，氢基DRI可在较低温度下发生熔化，同时伴有明显的体积膨胀。随着金属化率的提升，熔化温度区间逐渐缩小，且渣铁分离温度逐步增加，氢基DRI熔化过程中体积膨胀趋于在短时间内进行，且体积最大值增加，需警惕熔渣的泡沫化和喷溅。研究结果为氢基DRI的熔化行为提供了理论依据，在实际炼钢生产中，应根据金属化率的不同特点，选取适宜的氢基DRI以优化炼钢过程。
半焦替代无烟煤作为高炉喷吹燃料对降低焦比、节约炼铁能耗具有重要的意义。本文以“神府”地区36种工业半焦(简称半焦)作为研究对象、8种高炉喷吹用无烟煤作为对比，从组成、燃烧、可磨及爆炸性能综合分析了半焦作为高炉喷吹替代燃料的可行性。结果表明, 半焦组成波动大于无烟煤，有35%左右的半焦其固定碳和挥发分含量与无烟煤接近，灰分含量则低于无烟煤；半焦火焰返回长度均为0 mm，作为高炉喷吹燃料可保证安全生产；超过80%的半焦可磨指数低于55，无法满足高炉制粉车间对可磨性的要求。半焦着火温度区间为399.25~509.25 ℃，超过90%的半焦燃尽温度区间为580.19~702.15 ℃；无烟煤着火温度区间为488.22~518.04 ℃，燃尽温度为681.79~700.57 ℃；快速燃烧条件下半焦燃尽率的均值为93.10%, 高于无烟煤的87.10%；2种评价体系下半焦均表现出良好的燃烧性能。综合工业喷吹半焦试验结果及半焦组成和性能与无烟煤的差异可知，欲实现半焦作为高炉喷吹替代燃料，保证半焦燃烧性能的前提下，通过优选合适的原料煤种，同时控制干馏工艺，以降低挥发分质量分数(9%~10%)、提高固定碳质量分数(＞79%)、提高热值(＞30 kJ/g)、改善可磨性能(可磨指数G＞55)是实现半焦作为高炉喷吹燃料的重要手段。
竖炉氢冶金是钢铁行业节能降碳的重要途径，基于中国多组分复杂气源的条件，确定关键操作参数的合理范围对气基竖炉工艺的国产化至关重要。本文基于国内某焦炉煤气零重整竖炉氢冶金工艺对喷氧燃烧段进行数值仿真，获得了多组分气体在喷氧段的燃烧气化改质机理，并对合适喷氧量的范围进行了探索。研究结果表明，喷氧段喷入的O2先与H2、CH4、CO发生燃烧反应，三者燃烧速率的最大值分别为0.030、0.002、0.005 mol/(L·s)，H2燃烧速率比CH4和CO燃烧速率高1个数量级，CH4重整反应和水煤气反应主要发生在高温区，且主要与H2O发生重整反应。随着O2的喷入，出口煤气温度和还原势随之发生变化，当工艺气流量为146 161 m3/h、喷氧量为2 111 m3/h时，出口煤气温度为1 053 ℃，比入口增加了103 ℃，煤气量增加7.7%，煤气还原势φ(H2+CO)升高了4.7个百分点。随喷氧量的增加，喷氧段出口煤气温度和φ(CO)上升，φ(CH4)和φ(H2)下降，O2过量喷入会造成可燃气体的过烧而影响出口煤气还原势。综合考虑出口煤气温度和还原势，当工艺气量为12.0万~14.6万m3/h时得到合适喷氧量范围为不大于2 687 m3/h，工艺气量平均每增大1万m3/h，合适的喷氧量相应增多195 m3/h。
基于计算流体力学(CFD)数值模拟手段，针对缩小尺寸的实验室3套管TSL(浸没式顶吹)熔炼喷枪，研究了设计和操作参数对其在1 450~1 550 ℃高温环境下熔炼冶金固体废弃物时的冷却效果。冶炼温度控制在1 180 ℃以上时可防止磁铁从熔体中冷凝析出，也能有效避免熔体黏度增加产生泡沫渣的风险，但熔体温度过高会加速喷枪烧损，所以将喷枪温度控制在1 180~1 220 ℃之间能更好地延长喷枪的使用寿命。研究通过调节喷枪冷却剂管隙宽度、冷却剂流速、燃料旋转流速以及炉温以达到降低喷枪外管壁温度的目的。数值模拟结果表明，在所研究的参数范围内，冷却剂流速为65 m/s，冷却剂管隙宽度分别为0.50、0.75和1.00 mm时，喷枪外管壁最高温度分别降低至1 276、1 188、1 193 ℃，其中0.75 mm管隙比0.50和1.00 mm管隙的喷枪降温更均匀、平稳。当冷却剂管隙为0.75 mm、冷却剂流速为45~65 m/s时，结果显示冷却剂流速为65 m/s时可使熔炉内喷枪管壁外表面的最高温度降低至1 188 ℃，并且喷枪上5个监测点的温度值也普遍低于其他工作条件下的数值。燃料旋转流速分别为0、0.1和0.3 m/s时，喷枪外壁表面的平均温度分别为1 008、1 009、1 009 ℃左右，燃料旋转流速改变不明显时对喷枪的冷却效果影响甚微。研究结果表明，冷却剂管隙和冷却剂流速分别为0.75 mm和65 m/s、炉温为1 500 ℃时，喷枪外管壁表面最高温度可降低至1 188 ℃，冷却效果最好，具备在熔炼冶金固体废弃物过程中所处高温环境里稳定工作的潜力。结果可为TSL熔炼技术喷枪的设计提供计算依据。
随着汽车工业对轻量化、安全性和环保性要求的提高，热成形钢应用日益广泛。然而，其传统制备流程存在能耗高、碳排放大的问题。为解决此问题，本研究对多模式连铸连轧短流程热成形钢(MHS)与传统流程热成形钢(THS)进行了系统的对比研究，重点分析了其微观组织演变、力学性能及强化机理。结果表明，热轧态下，2种流程试验钢的显微组织均为铁素体和片层状的珠光体，沿轧制方向交替分布，表现出明显的条带状形貌。但是与THS钢相比，MHS钢珠光体团簇尺寸更小，珠光体占比更小。淬火后MHS钢中均匀分布的渗碳体在后续奥氏体化过程中提供了高密度的形核位点，从而获得了更为均匀细小的原始奥氏体晶粒，并将其大角度晶界比例提升至57.7%。最终，在高密度位错(2.8×1015m-2)、细小奥氏体晶粒(1.27 μm)以及细小的纳米级TiC析出相(25.7 nm)多尺度耦合强化机制的协同作用下，MHS淬火钢展现出卓越的综合力学性能，其屈服强度和抗拉强度分别高达1 176 MPa和1 609 MPa，同时保持了优良的塑性，强塑积达16.7 GPa·%，性能优于传统流程钢。进一步的强化机制分析显示，2种钢均呈现多机制协同强化的特性。位错强化贡献最大，为740 MPa，细晶强化贡献为186 MPa。本研究为短流程热成形钢的工艺优化与性能提升提供了理论依据和数据支持，对推动汽车轻量化与绿色制造具有重要意义。
无间隙原子(IF)钢是现代汽车制造行业的关键基础材料，目前针对IF钢加工全流程中夹杂物演变行为的系统性研究较为匮乏。深入探究这一演变过程，对于优化IF钢生产工艺、提升汽车板质量、满足汽车工业不断增长的高质量需求具有重要的现实意义和理论价值。本文系统研究了汽车板用IF钢在铸坯、热轧板和冷轧板全流程中非金属夹杂物的类型、尺寸、分布及演变行为。通过对某厂IF钢铸坯、热轧板和冷轧板样品进行系统的金相、扫描电镜(SEM)及三维腐刻分析，结合热力学计算，揭示了夹杂物的形成机制与演变规律。研究结果表明，IF钢中主要夹杂物为TiN、TiN-Al2O3复合夹杂物及少量Al2O3，其中Al2O3主要来源于RH精炼脱氧产物，TiN-Al2O3复合夹杂物主要源于凝固过程中析出的TiN，其依附Al2O3异质形核而形成复合夹杂物；铸坯中夹杂物尺寸较大(等效直径2.1~2.7 μm)，从边部到中心呈现先增大后减小的趋势；热轧过程中TiN发生部分回溶，导致复合夹杂物外层TiN形貌由规则六面体变为不规则形态，热轧后夹杂物尺寸显著减小(1.9~2.0 μm)，钢的洁净度提高；冷轧后夹杂物尺寸与热轧材中的大小相近，但分布更均匀。热力学计算及错配度分析表明，TiN在凝固后期固相率fs=0.89时开始析出，以Al2O3为异质形核核心形成TiN-Al2O3复合夹杂物。
Al-Mg-Si-Mn合金中合金元素含量较高，凝固过程中易形成粗大金属间化合物，直接影响合金热加工性能。为了改善合金热加工性能，本研究采用双辊铸造(TRC)和水冷铜模(MC)制备了热处理弥散强化Al-Mg-Si-Mn铝合金，并通过表征手段和热压缩试验探究了双辊铸轧对Al-Mg-Si-Mn合金热变形行为和微观组织演化的影响。在430 ℃下进行均质处理6 h，然后进行单轴热压缩试验。研究结果表明，与铸态MC样品共晶相3.1%的面积分数和18.3 μm的等效长度相比，铸态TRC样品的统计结果分别为2.3%和3.4 μm，证明TRC样品固溶体浓度较高；在430 ℃下均质处理过程中，试验合金析出大量α-Al(Fe, Mn)Si弥散相，铸轧过程引入的大量位错形成合金元素扩散通道导致TRC样品中的弥散相数量密度大于MC样品。在共晶区附近形成无析出区(PFZ)，TRC样品的PFZ分数低于MC样品。TRC试样由于具有较强的弥散强化作用，其热变形流变应力高于MC试样。变形后的MC试样由于含有较多的AlFeMnSi金属间化合物而产生了严重的边缘裂纹，而变形后的TRC试样由于含有较少的金属间化合物而没有形成边缘裂纹，从而提高了TRC试样的热加工性能。研究结果可为开发高性能Al-Mg-Si-Mn合金提供理论依据。
TD2(Ti2AlNb)合金以其“中密度、中温高强度”特性，成为航空发动机热端部件轻质耐高温的候选材料。然而，该部件在600~650 ℃环境中长期服役时，易出现O相粗化与氧化层剥落等组织劣化现象，严重制约其工程应用。为揭示该合金在长期高温环境下的组织演变规律与稳定性机制，本研究对TD2合金在500、600及650 ℃下进行了25~3 000 h的高温氧化试验。通过扫描电镜(SEM)量化氧化层厚度，结合高分辨透射电镜(HRTEM)分析相组成，并运用线性/抛物线氧化方程、Ostwald粗化模型及阿伦尼乌斯方程对相关机制进行解析。结果表明，经3 000 h氧化后，500、600和650 ℃条件下的氧化层厚度分别为16.6、30.5和45.9 μm，氧化动力学呈现“界面反应控制-扩散控制”两阶段特征。在650 ℃条件下，线性速率常数(kl)为0.30 μm/h，抛物线速率常数(kp)为0.69 μm2/h，均显著高于500 ℃。在相演变方面，500 ℃时B2基体中析出纳米级O相且粗化缓慢；600 ℃以上则以O相粗化为主，未观察到明显新相析出。铌的扩散系数随温度升高呈指数增长，650 ℃时达到5.1×10-14 m2/s，主导合金的相演变过程。组织稳定性评估显示，500 ℃下合金综合性能最优，氧化层无剥落且O相粗化缓慢；在650 ℃时氧化层出现明显剥落与微裂纹，稳定性显著下降。本研究明确了TD2合金在高温服役过程中的组织劣化机制，为热端部件的温度适配与寿命设计提供了科学依据。后续可通过成分优化或表面强化手段进一步提升其高温稳定性。
不同的微观组织特征使得高强化材料在变形过程中呈现出截然不同的力学特征。为深入探究组织与性能之间的内在关联，本研究通过不同工艺设计制备了F/GB和F/BF 2种类型的铁素体/贝氏体双相钢，并分析其微观组织形貌特征及其对强度、断后伸长率及扩孔等力学性能产生的影响。结果表明，F/GB双相钢的微观组织由体积分数为63%的粒状贝氏体、26%的再结晶铁素体+先共析铁素体及11%的块状残留奥氏体组成，其屈服强度和抗拉强度分别为612、1 016 MPa，表现出低屈强比(0.602)、高延展性(断后伸长率18.6%)的特征；F/BF双相钢的微观组织包括体积分数为64%的板条状贝氏体铁素体、17%的再结晶铁素体及19%的片层状富碳残留奥氏体，其屈服强度和抗拉强度分别为1 108、1 305 MPa，并具有高屈强比(0.849)、高强塑性(21.8 GPa·%)匹配的特点。此外，F/BF双相钢中贝氏体铁素体的板条宽度在亚微米尺度(0.12~0.38 μm)，片层状残留奥氏体组织厚度介于45~170 nm。在扩孔变形过程中，该材料在应力弛豫、体积膨胀及加工硬化3种机制的协同作用下表现出更优异的扩孔性能，其扩孔率达到24%。
AA3102铝合金作为热加工领域广泛使用的材料，其高温变形过程中的流变应力行为与微观组织演变规律是优化热加工工艺的重要理论基础。本研究利用Gleeble-3500热模拟试验机，对AA3102铝合金在变形温度400~600 ℃、应变速率0.01~10 s-1条件下进行等温热压缩试验，获取真应力-应变曲线。为提高模型精度，对原始试验数据进行了温度与摩擦的双重修正。基于修正后的真应力-应变曲线，结合Arrhenius方程与Zener-Hollomon参数将温度与应变速率的影响耦合，构建了能够描述全应变范围内流变应力变化的热变形本构模型。根据动态材料模型(DMM)，计算了不同应变条件下的功率耗散效率与失稳判据，并绘制了热加工图。利用电子背散射衍射(EBSD)对不同应变条件下的试样进行系统微观组织表征，总结其组织演变规律。研究结果表明，所建立动态本构模型的预测值与试验数据吻合良好，平均绝对相对误差仅为4.24%，能够准确预测AA3102铝合金的高温流变行为; 在400~600 ℃、0.01~10 s-1的应变条件下，热变形过程未出现失稳区，表明该合金在此区间具备良好的热加工性能; 尤其在500~600 ℃、0.01~1 s-1条件下，功率耗散效率较高，最高超过30%，为该合金的最佳热加工工艺窗口。微观组织分析显示，在低温低应变速率条件下，动态软化机制以动态回复为主；随着温度与应变速率的提高，动态软化机制逐渐由动态回复向动态再结晶转变。
20MnCrS5作为一种广泛应用的含硫易切削汽车齿轮钢，其内部冶金质量直接决定了齿轮的疲劳寿命和可靠性。针对该钢种在生产中出现的超声探伤缺陷率波动问题，探究了缺陷的成因，为实现该钢种的稳定洁净化生产提供理论依据和工艺指导。本研究采用扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)对不合格轧材中的超声探伤缺陷进行微观表征，明确其成分、形貌和尺寸。对工业生产全流程进行系统取样，追踪钢液与炉渣的成分演变，统计分析了各工序夹杂物的尺寸、类型和成分的演变规律。最后，结合FactSage8.3热力学软件，对关键夹杂物的形成与演化条件进行了计算。研究发现，导致超声探伤不合格的缺陷是尺寸接近300 μm的大型夹杂物。该夹杂物呈现出镶嵌结构，由低Ca含量的CaO-MgO-Al2O3、MgAl2O4与CaS复合而成。全流程分析发现，在RH精炼过程中喂Ca线后生成了大量液态/半液态的CaO-MgO-Al2O3类夹杂物，这些夹杂物是形成最终缺陷的前体。热力学计算表明，缺陷中的MgAl2O4是在钢液凝固过程中从这些液态夹杂物内部析出形成的。20MnCrS5齿轮钢中超声探伤缺陷产生的根本原因是RH精炼阶段钢液Ca含量过高而形成了大量难以去除的大尺寸液态CaO-MgO-Al2O3类夹杂物。这些大尺寸液态夹杂物作为缺陷前体，在钢液冷却凝固时，其内部析出固态的MgAl2O4核心；同时，其富Ca的液态外层与钢液中高浓度的[S]反应，生成CaS外壳。最终，这些复杂的复合夹杂物在凝固前沿聚集长大，形成宏观缺陷。因此，严格控制钢液中的[Ca]含量，谨慎进行或取消RH工序的喂Ca线操作，是避免此类缺陷形成的关键工艺措施。
SUH660是典型的高铝高钛铁镍基合金，具有良好的高低温强度，通常用于制造在650 ℃以下环境中长期工作的涡轮增压器、发动机高温承力部件。当前采用“电炉→AOD→LF→铸锭→方坯→成品棒材”的工艺进行生产，然而，生产过程中SUH660存在成品棒材超声探伤报警严重的问题。通过棒材探伤缺陷位置取样，利用扫描电镜、能谱仪、直读光谱分析仪检验缺陷的类型；进一步，通过生产过程取样检验，结合Thermo-Calc热力学软件，分析缺陷的形成机理，并提出对应的控制工艺。结果表明，大尺寸Ti(C，S)团簇、Ti(C，N)团簇引起的裂纹是导致棒材超声波探伤报警的主要原因。模铸阶段，随着钢液温度的降低，TiN在钢液凝固之前析出，形成小尺寸TiN团簇；钢液凝固过程中，固液两相区析出Ti(C，S)，形成大尺寸Ti(C，S)团簇；钢液凝固末期，残余液相中析出大量Ti(C，N)，形成大尺寸Ti(C，N)团簇。铸锭后续变形阶段，大尺寸Ti(C，S)团簇、Ti(C，N)团簇诱导基体中生成大量裂纹，最终导致成品棒材超声波探伤报警。对比铸锭冒口、方坯头部、方坯尾部析出相特征及元素分布特征发现，冷却越弱，元素偏析越严重，加剧了团簇的形成。将SUH660浇铸成较小规格铸锭，增加了冷却强度，减弱了元素偏析，缓解了Ti(C，S)团簇、Ti(C，N)团簇的形成，将棒材的探伤合格率从77.31%提高到了90.14%，产品质量得到显著提高。
钢铁工业产线具有多品种多规格、变工况以及工序连续与离散兼备的特点，单一预测模型难以实现能耗的精准预测。针对多品种和多规格切换、变工况扰动及工序耦合场景下工业产线能源预测精度不足问题，本文提出基于多模型集成与参数迁移的能耗预测算法，以解决多因素超强耦合下线性与非线性模型并行预测问题。首先，通过建立数据预处理均衡机制进行样本筛选与扩充；其次，基于多类典型预测模型设计、模型随机组合原则和动态权重分配框架，结合XGBoost元学习器构建集成学习算法，协调线性/非线性模型并进行预测；最后，针对不可测量的散点能耗，采用参数迁移学习关联函数，实现品种规格-工序-工况多维参数映射，完成单介质全工序预测。利用企业实际钢管产线搭建大数据平台及能源预测系统，并采用热轧工序实际数据进行试验验证。结果表明，动态权重分配框架充分发挥了各基础预测模型的优势，集成模型在典型工序能耗的预测准确度高达99.59%；经参数迁移核算后的总能耗预测模型精度较高，其中，电耗预测精度高达99.67%。
针对当前烧结终点预测模型精度不足、传统调控方法依赖工艺经验等问题，提出一种基于融合注意力机制卷积神经网络与智能算法的烧结终点预测及优化调控模型。采用孤立森林(IF)算法检测并修复数据列中的异常值，结合工艺机理与最大信息系数(MIC)方法综合进行特征筛选。在此基础上，通过串行堆叠的多块卷积残差网络有效捕捉多工况烧结历史数据中的复杂模式，并引入挤压-激励(SE)注意力机制增强模型对关键特征的关注能力，使其能够学习不同工况下的烧结特性，从而构建串行多块融合SE注意力机制的卷积残差网络烧结终点预测模型。为验证模型有效性，设计对比试验及消融试验，系统验证注意力机制与残差结构的协同作用及模型最优结构。以该预测模型为核心，建立烧结终点优化调控数学模型，采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对烧结过程操作参数进行优化。利用某钢铁厂实际生产数据进行试验验证，结果表明，本文提出的烧结终点预测模型性能优良，相关系数(R2)达到0.84；优化调控模型所得结果较优化前平均绝对偏差(DMA)降低27.1%，能够对烧结终点实现有效调控，为烧结过程的智能控制与优化提供了一种新的方法。
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