钢铁工业对我国国民经济的发展和国家建设有着举足轻重的地位。高品质钢具有洁净化、均质化和细晶化的要求，其中洁净化指的是钢中非金属夹杂物。所有钢都有夹杂物的问题，解决了夹杂物的问题就解决了所有钢种的三分之一以上的问题。合金结构钢中的脆性夹杂物会导致产品的开裂失效，非调质钢和易切削钢中硫化物沿晶界析出会导致产品的疲劳伤损，大型铸锻件模铸过程聚合形成的大型夹杂物会导致产品的探伤不合。因此，钢中非金属夹杂物的特征直接影响钢产品的质量和性能，同时高熔点夹杂物会引起钢连铸过程浸入式水口结瘤。钙处理技术是改性钢中非金属夹杂物的最常用、最直接、最有效的方法，在过去的几十年里，钙处理在减少水口结瘤和夹杂物控制等方面一直扮演着无可替代的角色。 然而，由于钙金属本身化学性质活泼以及沸点低等特性，导致工业生产钙处理过程存在着喂钙量经验化、钙合金收得率波动大、改性夹杂物效果不稳定的行业瓶颈难题。因此，有必要针对高品质钢钙处理改性夹杂物的精准性和稳定性开展深入和系统的研究，使钙处理技术始终处于最优效果，准确有效地实现钢中夹杂物数量、成分和形态的稳定控制，为我国高端特殊钢产品质量的稳定提升和自主生产制备提供技术支撑。

高端特殊钢具有洁净化、均质化和细晶化的要求，其中洁净化指是钢中非金属夹杂物。所有的钢都有夹杂物的问题，解决了夹杂物的问题就解决了所有钢种的三分之一以上的问题。夹杂物的控制是生产高端特殊钢洁净化控制的重中之重。合金结构钢中的脆性夹杂物会导致产品的开裂失效，非调质钢和易切削钢中硫化物沿晶界析出会导致产品的疲劳伤损，大型铸锻件模铸过程聚合形成的大型夹杂物会到导致产品的探伤不合。因此，钢中非金属夹杂物的特征直接影响钢产品的质量和性能，同时高熔点夹杂物会引起钢连铸过程的浸入式水口结瘤。钙处理技术是改性钢中非金属夹杂物的最常用、最直接、最有效的方法，在过去的几十年里，钙处理在减少水口结瘤和夹杂物控制等方面一直扮演着无可替代的角色。 然而，由于钙金属本身化学性质活泼以及沸点低等特性，导致工业生产钙处理过程存在 着喂钙量经验化、钙合金收得率波动大、改性夹杂物效果不稳定的行业瓶颈难题。因此，有 必要针对高端特殊钢钙处理改性夹杂物的精准性和稳定性开展深入和系统的研究，使钙处理 技术始终处于最优效果，准确有效地实现钢中夹杂物数量、成分和形态的稳定控制，为我国 高端特殊钢产品质量的稳定提升和自主生产制备提供技术支撑。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

中国钢研自主设计开发的基于多尺度公网云计算、区块链数据共享与高通量增材制备的行业级材料数字化研发平台（简称“Material-DLab”）。该平台集材料计算、工艺模拟、服役模拟及高通量制备于一体，开辟了全图形云计算、材料APP、材料区块链、元素级3D打印高通量制备等新的技术理念和应用场景。 平台突破了高性能计算（HPC）架构下的图形/指令一体化的材料多尺度云计算技术，设计了基于“云堡垒”的智能路由系统，实现了基于Windows-Linux多许可证调度的多尺度材料、工艺软件公网云计算。在确保软件产权的前提下实现了资源共享，实现了20余款国际知名材料、工艺软件的远程计算、移动计算和排队计算，覆盖纳观、微观、介观、宏观的全尺度计算资源。 首创基于区块链的材料数据对等发现及共享技术，突破了数据产权确认、数据汇聚和共享的行业难题，满足了材料数据确权管理及安全溯源需求，促进企业级、行业级科研检测数据矿山的形成，实现FAIR原则下的跨团队、跨部门数据可发现、可访问、可操作、可重用。 首创元素粉末SLM原位合金化高通量制备技术，建立了行业内首个块体样品的高通量增材制备系统，突破了高速打印条件下元素粉末扩散、均质化难题，可实现一次上百种不同成分块状合金的高效制备，大幅度提升材料研发、优化迭代效率。已成功应用高熵合金、不锈钢、高温合金、超硬合金和梯度功能材料等材料开发中。 建立了全球首个材料APP专业资源平台，开发并上线350余款材料APP应用，以解决材料、工艺和计算工程师的知识衔接和知识沉淀难题，支持多种广义APP的云端生成、云端远程计算。支持企业专区设立，可共享、可修改、可移植、可保护版权。算法覆盖纳观、微观、介观、宏观全尺度，具备从材料设计、组织性能预测、工艺模拟到服役仿真全流程的微应用计算解决方案。提供了材料原创性研发所必需的计算-数据-场景迭代升级能力。 Material-DLab平台开放运行6个月期间，累计实现在线计算任务6000余项；完成在线科研检测及数据上传任务1000余项，开发和众筹各类材料APP超过350项，向行业发布悬赏征算任务18项、参与团队170多个，认证数字化研发教师/工程师64人，完成行业培训2000余人，直接收益超过3000万元。已与包括鞍钢北京研究院、北京钢研高纳、安泰科技、中石化广州工程等多家用户单位合作，为其带来收益超过2亿元。

中科院沈阳金属所孙明月项目团队在长期从事大锻件材料与先进控形控性技术研究工作的基础上，借鉴建筑领域的“砌墙”原理，将传统的锻造与新兴的增材制造技术巧妙结合，在国际上率先提出了解决大尺寸材料偏析问题的构筑成形新思路：采用多块易于制备的小尺寸均质化的板坯作为基元，通过表面加工、清洁活化、堆垛组坯、真空封焊、高温锻造、多向变形等手段，获得大尺寸均质化材料。该技术兼具颠覆性、可操作性和经济性的特点，可有效解决大锻件制备过程中因铸锭凝固速度缓慢造成的“尺寸效应”问题，在显著提升大锻件冶金品质的同时，可提升材料利用率，吨钢制造成本降低30%以上。同时，还可实现压力容器等大锻件的一体化成形，减少容器焊缝数量约50%，显著提升结构的安全性、可靠性和装备建造进度。

制约模具钢中厚板技术进步以及全行业推广三方面技术瓶颈如下： 1、高碳-高合金模具大板坯开发瓶颈—模具钢中厚板谱系化问题 受转炉冶炼高合金化损耗大、均质化困难，尺寸效应引发的大板坯裂纹问题制约，世界上尚没有采用“转炉+立弯式连铸” 进行高碳-高合金大板开发的先例（C：0.36-0.45wt%，合金：9-15wt%），基于不对称变形条件下等向冲击性能（≥0.8）及满足NADCA标准的组织控制技术，1000-4000mm超宽板短制程生产技术亦是空白。 2、复合模具钢开发瓶颈—模具钢中厚板厚度提升问题 真空复合坯料在成本上、生产节奏上优于钢锭，在轧制规格及内部质量方面上优于400mm以上规格连铸坯。其技术本质在于金属 “熔化-凝固”的延申，因此模具钢的易裂难焊性（CE:0.56-3.38）、模具钢的高磁性对电子束的磁偏吹等成为利用复合坯生产模具钢最大的技术瓶颈。世界上尚没有采用“真空电子束复合”技术进行模具钢开发的成功案例。 3、低圧缩比、短制程模具中厚板生产工艺瓶颈—生产的轧制极限和效率的问题 无论是谱系化模具钢中厚板生产，还是复合技术生产，均需最大程度的挖掘连铸坯料的轧制极限，即突破行业内中厚板生产最小压缩比，达到压缩比≤2的水平，同时实现短流程并保证质量长期稳定、可控。 鞍钢股份有限公司项目团队依托省、集团重大项目，开展高品质模具钢中厚板关键制备技术攻关，突破传统连铸生产模具钢的合金化极限，坯料规格极限以及压缩比极限，形成“高效生产-稳定控制”一体化工艺，实现“关键制备技术-材料应用”全链条自主创新，开发出五大系列30余种模具中厚板产品。

东北大学特殊钢冶金团队经过十五年的探索和实践，提出了电渣重熔过程“洁净度控制”和“均质化凝固”2个原创性理论，系统研究了电渣工艺理论，创新开发绿色高效的电渣重熔成套装备和工艺及系列高端产品，节能减排和提效降本效果显著，产品质量全面提升，形成两项国际标准，实现我国电渣技术“从跟跑、并跑、到领跑”

上海大学先进凝固技术中心（简称CAST）经过系统的理论和实验研究，揭示了ECP细化金属凝固组织的机制和条件。热分析和分阶段处理实验表明，ECP通过“电致过冷”促进形核，其作用的最有效时间是形核阶段（图1a）。隔离网实验证实，形核的位置是固液界面附近，晶核在电磁力和重力作用下脱落、漂移、增殖，形成“结晶雨”（图1b），从而细化整个金属熔体。

连铸在钢铁制造流程中具有中心地位，目前我国超过98%的铸坯母材均采用连铸生产。然而，实际生产过程，微合金钢铸坯频发表面裂纹缺陷、大断面铸坯中心偏析与疏松控制不理想，已成为钢铁行业的共性技术难题，制约了高端钢材的高质、高效与绿色化生产。针对该共性技术难题，立足于连铸坯表面组织高塑化控制和高温连铸坯断面逆向温度场分布特性，开发了曲面结晶器及二冷控冷的铸坯表面裂纹控制技术和凝固末端重压下的铸坯高致密均质化技术，从根本上改善/消除铸坯凝固缺陷，实现连铸高效与绿色化生产的关键。 针对微合金钢连铸坯表面裂纹频发难题，立足于微合金钢表层组织析出与组织生长行为，研发形成了基于连铸结晶器角部快冷以弥散化析出碳氮化物和连铸二冷高温区循环相变以超细化晶粒实现凝固组织高塑化的裂纹控制新工艺，并研制出了角部高效传热曲面结晶器和结晶器窄面足辊横向3喷嘴超强控冷装备与工艺技术。 针对大断面连铸坯的中心偏析、疏松等凝固缺陷难题，从理论、工艺、装备等方面入手，研发了适用于我国“一线多产”特点的连续、动态重压下关键工艺与装备技术，形成了以基于溶质非均匀分布“软测量”与压力压下量实时反馈“真检测”的凝固末端位置形貌高精度在线标定、同步控制中心偏析与疏松的两阶段连续重压下工艺、精准控制驱动扭矩提升铸坯心部变形的高效挤压工艺、避免压下裂纹与滞坯风险的实施保障措施等为代表的“准确、高效、稳定”压下的连铸凝固末端重压下集成技术，并开发了宽厚板连铸用增强型紧凑扇形段与大方坯连铸用渐变曲率凸型辊，突破了常规连铸机无法稳定实施大变形压下的装备瓶颈。