随着国民经济发展和产业结构升级，高铝钢及微合金钢等高端钢铁材料广泛应用于汽车、能源电力、海洋工程、船舶等重点领域，高效连铸生产的技术质量问题日益凸显。如汽车用DP、TRIP钢因钢中Al含量高达1.0%以上，不仅难以实现多炉连浇，而且连铸板坯存在横向凹陷、裂纹、断坯等问题；高等级桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等因添加Nb、V、Ti等微合金元素，热装铸坯轧后钢板表面容易出现裂纹。这些难题不仅影响生产效率，还会造成资源和能源浪费。此外，随着用户的个性化需求增多，微合金钢品种、规格、连铸短浇次增多，微合金钢连铸漏钢风险增大，直接影响高效连铸过程的稳定性。相对于普通钢材，高铝钢和微合金钢元素多且含量高，质量控制难度大、工艺复杂。原有的高效稳定工艺技术，已无法适应高铝钢和微合金钢生产需求，具体体现在： 1、高铝钢保护渣易反应变性，粘结报警频繁，连铸可浇性差，板坯表面裂纹多，必须下线清理。针对高铝钢板坯连铸，韩国浦项制铁开发了液态保护渣技术，将钙铝系保护渣加热熔化后流入结晶器，控制渣圈达到改善板坯表面质量的目的；国内也有企业直接采用低碱度、低熔点钙硅系保护渣或者直接采用钙铝系保护渣的成功先例。这些技术极大促进了高铝高锰钢的开发与应用，但均未实现常规拉速的多炉连浇。 2、Nb、V、Ti微合金桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等高等级钢实现高温热装（两相区）难度大，钢板易产生红送裂纹。针对高等级微合金高强钢板的热装红送裂纹，国内外普遍采用板坯下线控温、专用淬火池及铸坯切割后淬火等方式，铸坯热量损失大，生产效率低，表层组织细化和抑制第二相粒子析出的效果不充分。 3、多品种、小批量、多规格的高品质钢连铸短浇次多、混浇坯长。混浇钢种成分差异大，混浇模型判定不准确，不得不下线取样化验，降低入炉效率；多断面板坯连铸，为避免漏钢结晶器在线调宽必须低拉速或者降拉速，降低了生产效率。 首钢与北京科技大学长期开展合作，进行高铝钢及微合金钢板坯连铸关键技术攻关。经过长期连铸工业实践和系统攻关，发现并揭示了高铝钢粘结报警及横向凹陷机理。从工艺上对结晶器振动、保护渣性能以及结晶器表面流动进行了优化，实现300吨钢包产线实现高铝钢（[%Al]≥1.0）单浇次稳定浇铸1500吨以上。连铸拉速从0.8 m/min提高至1.2 m/min。

热轧生产过程是钢铁全流程承前启后的重要工序，也是企业建设“云-边-端”高效协同管控体系的关键，热轧数字化智能制造系统对推进“铁钢轧”全流程高质量智能工厂建设具有重要意义。针对当前普遍存在多源异构数据融合与追溯难闭环、生产过程控制与质量溯源非协同、面向多目标决策的精益化管控不精细等痛点问题，具体体现在： 1、现场数据体量庞大、数据残缺和无效项过多，缺乏相应的大数据平台对数据进行统一且有效的采集、清洗、归集和存储。传统的离线存储方式需要大量物理硬盘，残缺数据无法实时还原及重现，并且数据安全性无法得到保证； 2、现场数据归集多采用时间维度，相应的数据时空转换技术不成熟，难以满足实物质量分析和溯源过程中使用空间维度数据的需求； 3、产品质量异常，无法实现精准定位溯源，控制系统L1/L2大多由第三方承建，底层模型黑箱瓶颈难以突破；监控预警场景定制化差异需求大，关键参数零散分布于不同系统导致现有技术无法统计全流程工艺设备状态； 4、设备运维停留在传统的人工点检+周期更换模式，重点设备监控停留在耳听眼看的阶段，一些先进的设备测振、测温、图像识别技术未能得到应用；复杂设备系统依靠单一的仪表阈值进行报警，缺乏劣化趋势和状态的模型判断； 5、轧线、磨辊间、钢卷库、质检等生产单元自动化程度低，存在着大量可用智能装备代替的人工操作，如加热炉板坯核对、钢卷质量判定等，工作效率低、操作失误多； 6、安全、环保、消防各模块分散管理，设备系统多，系统集控技术落后，后台监控人员多，紧急状态下人员协同慢； 7、能源和成本统计方法简单、粗放，部分能源点统计未能实现自动采集，能源消耗靠简单的系数来进行标准成本的分摊，成本统计无法精确到卷、班组、区域； 8、钢卷入库、下线、装车、作业无自动计划，物流无自动优化，作业流程无信息化跟踪，操作人员多、效率低下； 9、生产管理、质量管理、设备管理、成本管理、KPI指标管理和安全管理等各个维度的数据不同域，无法跨域联合分析，需人工拷贝、合并、分析。 因此，亟需汇聚车间级全流程数据，涵盖轧辊间、设备运维、能源环保、消防安全、运营管理及智慧决策开发需求，支撑主轧线及公辅等生产作业单元智能协同管控，建立基于精益化管理的热轧数字化智能制造系统。

目前，钢铁企业智能制造正在兴起，《中国制造2025》中明确提出，“单位工业增加值用水量”以2015年数据为基础，2020年要降低23%，2025年要降低41%，从统计数据来看，2015年我国钢铁企业平均吨钢新水用量为3.53m3/t，2020年已降至2.45m3/t，下降幅度约为30%，但距离2025年下降41%，即平均吨钢新水用量约为2.1m3/t的目标仍有差距，而钢铁企业平均吨钢新水用量的下降速度正不断放缓。 目前我国钢铁⼯业⽔处理存在的主要问题如下：①工艺流程长；②用排水量大；③废水排放节点多且成份复杂；④全厂水质水量难平衡；⑤水系统精细化科学管理及智能化管理水平还有待完善。 钢铁行业近年来的快速发展，决定了钢铁企业必须通过先进技术的应用，在节水减排的战略原则下，建立指导企业水系统生产运行的综合平台，实现生产控制运营的精细化和最优化，实现水质水量的科学核算与调度，实现集约化、智能化的创新运营管理模式，实现环保管理的实时化与零风险，提高水处理的效率、降低运行成本，以解决以上问题。利用信息化技术挖掘更深层次的节水潜能是未来钢铁企业进一步发展的必然措施。

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。

Si3N4结合SiC耐火制品现已是钢铁、有色冶金、陶瓷、电力、化工等行业不可或缺的基础高温材料。目前，这些高温工业所用的Si3N4结合SiC制品形状较为规则或简单，厚度基本上都不超过160mm，产品基本上都采用机压成型，Si3N4结合SiC采用反应烧结工艺，氮气需在高温时由表及内渗透，因此制作厚度≥200mm且形状复杂的Si3N4结合SiC材料一直是业内的技术难点。 欧冶炉竖炉围管砖采用了3层Si3N4结合SiC砖、8个砖型，砖体结构复杂，砖体重量最大近170kg、厚度170~210mm，长度最大933mm，高度最大502mm，需要同时解决高精度成型和大厚度产品充分氮化反应烧结两项技术难点。

近年来，江南造船、沪东中华等我国造船企业承接了大量超大型集装箱船订单，对90 mm厚度以上止裂钢板有大量的需求。最近的2021年，中国船舶集团先后成功揽入法国达飞、瑞士地中海、加拿大塞斯潘等国际班轮巨头的批量集装箱船订单，特别是与法国达飞签订了22艘箱船订单，总价超150亿元，刷新国内最大单笔船舶订单纪录]。沪东中华和江南造船共交付10艘超大型集装箱船，实现全球首创最大最先进23000TEU液化天然气（LNG）双燃料动力集装箱船项目的完美收官，进一步巩固了中国船舶集团在全球超大型集装箱船市场的领先地位[6]。但是国内钢铁行业在大厚度高止裂韧度钢板生产方面的不足，制约了止裂钢产品的供货，打压了当前国内超大型集装箱船建造迅猛发展的势头。 大厚度、高强度、止裂韧性优异的船舶用止裂钢是超大型集装箱船的安全保障。在生产方面难度极大： 1）采用连铸坯生产特厚钢板存在轧制压缩比不足的制约； 2）轧制变形渗透和轧后冷却在钢板厚度方向存在不均匀现象； 3）较低终轧温度极大考验着厚板轧机的轧制力和扭矩极限。 此外，全厚度钢板断裂时，尺寸效应放大了断裂过程的复杂性，钢板止裂韧性与低温冲击、裂纹尖端张开位移（CTOD）及无塑性转变温度（NDTT）等常规断裂测试结果均没有可靠规律。钢板止裂韧性评价成本高、周期长，进一步增加了特厚止裂钢板的生产难度。

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。

海洋油气资源是石油天然气资源的重要组成部分，是未来油气资源开采的重要方向。随着世界能源消耗的不断增大和陆路油气资源的减少，促使油气开发从陆地走向海洋，海洋油气资源所占的比例持续增大。据报道，目前，海洋油气储量占全球储量的30%-40%，未来十年深海油气产量将增长300%以上。海洋油气资源中很大部分分布于水深1000m甚至2000m以上的深水区域，需要建设专用的深海油气采输系统进行开采；其中，深海油气输送管线作为海洋油气储运的一种主要形式，是海上油气田开发与生产不可或缺的生命线，也是最安全、最经济、对环境破坏最小的油气运输方式。 深海管线在铺设和服役过程中会面临发生塑性变形、承受极高水压和海洋暗流等多种复杂恶劣的条件，要求材料具有高强韧性的同时兼具抗应变、抗压溃和耐疲劳等多种综合性能；即要求深海管线用钢板具有厚壁、高强度、高韧性、低屈强比并兼具高均匀变形率、高应变硬化指数和高疲劳强度等综合技术特征，同时，还需满足制作大厚径比直缝埋弧焊管的需要。 近年来，我国海洋油气管线用钢板、钢管等材料的研发取得了一定进展，但主要为基于应力设计产品，满足深海油气输送的高应变海洋管线钢板、钢管的制造和应用尚属空白。

洁净钢生产需要低碳、低硫、低磷、有害及残留元素低的铁源原料—洁净钢水或冶炼洁净钢基料。我国目前生产的洁净钢主要采用高炉-转炉传统冶炼流程。我国铁矿资源禀赋差，整体呈现出“贫细杂”的特点，虽然经过复杂的选矿工艺处理可以生产出满足高炉冶炼要求的铁精矿，然而冶炼得到的铁水通常含有较多杂质，这些杂质需在铁水预处理、转炉炼钢等过程中去除，造成了炼钢工艺流程的复杂和成本的上升，限制了我国洁净钢生产技术的发展。此外，高炉炼铁以焦碳为主要能源，排放大量污染物，严重污染环境。 除采用传统的高炉铁水外，高品质纯铁也是冶炼洁净钢的基料。直接还原炼铁是以非焦煤为能源，在不熔化、不造渣的条件下，原料基本保持原有物理形态，铁的氧化物经还原获得以金属铁为主要成分的固态产品的技术方法。其产品直接还原铁中硅、锰、镍、铬、钛、钒等元素含量比高炉铁水及废钢低1～2个数量级，是生产优质钢铁材料不可或缺的原材料。然而，由于受高品位铁矿资源缺乏的制约，我国直接还原铁工业发展极其缓慢。 针对我国铁精矿品质较差、洁净钢基料匮乏的现状，东北大学韩跃新教授项目团队提出了基于源头控制杂质含量的“铁精矿深度提质—直接还原—电炉熔炼”洁净钢基料低成本制备新工艺，并围绕超级铁精矿和洁净钢基料高效制备过程中铁精矿深度去杂、高纯铁精矿直接还原、直接还原铁品质控制等关键技术开展研究工作，以期解决我国直接还原铁原料和洁净钢基料匮乏的问题，为钢铁的短流程绿色生产提供技术支撑，促进钢铁工业的转型升级。

我国查明铁矿资源储量达852.19亿吨，但复杂难选铁矿资源所占比例较高，仅微细粒赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等典型复杂难选铁矿石储量达200亿吨以上，部分国外权益矿山复杂难选铁矿石储量高达300亿吨以上。该类铁矿资源品位低、矿物组成复杂、嵌布粒度微细，采用常规选矿技术无法获得较好的技术经济指标，大部分复杂难选铁矿资源尚未工业化开发利用，少量资源虽得以开发，但选矿工艺复杂、成本高，回收率仅能达到60%～65%，部分排岩矿和尾矿中铁含量高，缺乏高效利用技术。磁化焙烧是处理复杂难选铁矿石最为有效的技术，常规磁化焙烧方式有竖炉焙烧、回转窑焙烧。但均存在以下问题：1）多种铁矿物同步磁化，反应差异大、效果差；2）物料加热和还原在同一炉腔内进行，还原气氛弱、效率低；3）人造磁铁矿矫顽力大，磁选指标差，且冷却过程无法高效回收潜热。因而，研发自主创新技术，实现我国复杂难选铁矿石高效清洁利用，强化我国铁矿资源保障能力，具有重要的战略意义。 东北大学韩跃新教授项目团队针对常规磁化焙烧工艺加热与还原同腔同步进行，导致还原气氛弱、效率低、质量差的缺陷，提出了悬浮态下铁物相分段精准调控新思路，即第一阶段将复杂难选铁矿石在氧化气氛下加热，通过精准控制反应条件，将褐铁矿、菱铁矿氧化或分解为赤铁矿和磁铁矿，提高了物料均一性；褐铁矿脱水反应和菱铁矿分解反应在矿物颗粒内部生成大量的微孔和裂隙，提高了还原反应活性；第二阶段停止加热，通入还原剂创造强还原气氛，利用矿石自身蓄热使赤铁矿悬浮态下快速还原为磁铁矿；第三阶段冷却过程适时风冷再氧化物相精准控制，将部分磁铁矿转化为磁赤铁矿同步释放潜热，物料与冷风对流高效换热，其潜热和显热以热风形式返回系统循环利用。同时提出了“异步分腔蓄热还原”、“非均质矿石颗粒悬浮态还原装置”等技术方案