项目属冶金科学连铸技术领域。项目为“十三五”国家重点研发计划“钢铁流程关键要素协同优化和集成应用”项目中的“钢铁流程铸-轧界面物质流与能量流协同优化及智能控制技术”课题的主要研究任务，以及企业间的横向技术合作。项目的研究时间为2015年9月-2021年12月。针对国内微合金化钢板带材生产中存在的能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，在实验室计算机仿真和模拟加热、轧制等实验研究的基础上，以邯钢、鞍钢、京唐、莱钢等大板坯连铸机-加热炉-轧机生产线为依托，重点开展了连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键工艺与装备技术的研发和工业生产验证工作。形成的关键技术成果与创新如下： （1）探明了边直裂的形成机理，创新性的提出：合理优化铸坯角部形状,可以提高铸坯温度的均匀性，同时有效改善铸坯轧制过程中的角部受力和变形状态，达到消除和避免轧制过程边直裂产生的核心思想。开发出独有的连铸坯角部形状二次倒角工艺与装备系统专利技术，在国际上率先实现工业化应用。大幅度减小板带材的裁边量，使成材率提高约1%。 （2）微合金化钢红送裂纹形成机理研究取得突破，开发出了独家的双工位铸坯红送裂纹在线控制工艺和装备专利技术，一方面使铸坯8～10mm表面层温度快速降低到铁素体相区，实现了微合金化钢由冷装或码垛温装向平均750℃以上快冷直装的跨越，另一方面满足了铸坯高拉速、高效率生产，彻底解决了铸坯表面残水蒸发给厂房及设备带来的污染。 （3）首次开发出基于热流监测的锥度动态控制技术和组合结构的侧面支撑足辊装备以及弧形曲面形状优化的新型倒角结晶器，使低碳钢和超低碳钢大倒角连铸坯正常工作拉速达到1.7m/min，最高拉速达到1.8m/min；同时有效避免了裂纹敏感性宽厚板铸坯的角部横裂纹缺陷发生，使铸坯表面无缺陷率达到99.6%以上。 （4）在世界范围内首次集成连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键技术，并辅助以多种优化工艺与控制模型软件，创建了低成本、高效化板带材绿色制造工业示范生产线。 项目开发实现了系统技术成果在国内大型钢铁企业的推广应用，优化了微合金化钢生产工艺，提高了钢的成材率、节约了能源、大幅度缩短了生产时间。有力的推动了行业技术进步。 项目共获得授权专利33件，其中国际发明专利4件、国际实用新型专利6件。为在国内和国际市场推广奠定良好的基础。

变速箱作为汽车及工程机械传输动力的“大脑”，是汽车及工程机械最主要的三大核心装备之一，对于汽车和工程机械装备性能的发挥至关重要。齿轮作为变速箱的重要传动部件，其品质直接决定着变速箱的整体质量和运行稳定性。近年来，随着国民经济的迅速发展和工业化水平的提高，作为国家重要支柱产业的汽车工业和工程机械装备制造业面临诸多挑战，这对汽车及工程机械齿轮的轻量化、长寿命、高可靠性和安全性等优良服役性能提出了更为严格的要求。而齿轮钢作为齿轮制造的重要基础材料，其强韧性、纯净度、淬透性、均匀性及易切削性等性能要求也日益严苛。但长期以来，受工艺技术及装备水平的影响，超低氧、易切削、高均质等的协同稳定控制难题一直困扰着齿轮钢的生产，严重制约了变速箱高端齿轮钢的品种拓展与升级。如何实现齿轮钢超低氧、易切削、高均质等性能的协同稳定控制是解决高端变速箱齿轮高效稳定运行和长寿命安全服役亟待破解的关键共性难题。 针对上述问题，承德建龙特殊钢有限公司联合北京科技大学、中国汽车工程研究院股份有限公司、晋江市成达齿轮有限公司和山东润通齿轮集团有限公司等多家单位，立足承德建龙“钒钛磁铁矿—高炉铁水—提钒转炉—半钢脱硫—炼钢转炉—LF精炼—VD真空脱气—方坯连铸—控轧控冷—精整—检验—棒材”特色产线，以超低氧、易切削、高均质和长寿命为目标，依托国家自然科学基金项目和企业合作，开展了“产-学-研-用”全链条联合技术攻关，成功研发变速箱用超低氧易切削高端齿轮钢生产成套技术。

本项目ESP无头轧制技术在日照钢铁控股集团有限公司得到大规模工业化应用，在ESP技术开发、产品应用及节能减排方面取得了多项国际领先指标。产品形成超薄超宽、高尺寸形状精度、高性能、高成材率、高均一性、高表面质量及低成本的优势和特色。共生产了高质量薄/超薄宽带钢2806万吨，减少能耗235.7万吨标煤，减少CO2排放613万吨；并使相关下游产业在提高成材率、“以热代冷”、结构轻量化、降低成本等方面增效显著，经济、社会效益及环境效益十分显著。

近年来，新能源汽车迎来飞速发展。大力发展新能源汽车产业和普及新能源汽车应用对提升我国工业化水平、改善我国能源结构、防治大气污染等问题均具有不可估量的意义。 电工钢作为电磁转换的核心材料，决定了电机的整体性能。由于汽车行驶过程驱动电机需具备效率高、转速高、转矩大等特点，电工钢与之对应的关键质量特性包括低铁损、高强度和高磁感。与全球领先的新能源汽车企业相比，我国新能源汽车企业应用的电工钢产品电磁性能相对偏低。国内以首钢和宝武为代表的企业正在积极研发新能源汽车用电工钢，特别是0.30mm及以下厚度产品，但是由于市场、技术诀窍等原因，目前新产品仍处于开发试制阶段，尚未形成稳定批量化生产。因此国内新能源汽车用高性能电工钢开发及产业化滞后的现状严重制约了我国新能源汽车行业高质量发展。 为实现电工钢更低高频铁损、更高磁感和更高强度，新能源汽车用高性能电工钢的开发和产业化面临极低高频铁损控制难度大、电工钢强度与电磁性能矛盾难以调和、高合金电工钢生产难度大等行业技术难题。北京首钢股份有限公司和首钢智新迁安电磁材料有限公司牵头产业链多家单位，从2014年起启动“新能源汽车用高性能电工钢的开发和产业化”项目历经8年的开发，形成了以下关键技术： （1）开发以硫化物为核心的析出物无害化控制技术，实现以高熔点析出物为主的类型控制和尺寸粗大化控制；首创近立方织构为核心的系统化控制技术，实现近立方织构比例从45%提高到54%，开发出极低铁损高磁感25SW1250H全球首发产品。 （2）建立多元合金强化设计模型，发明了兼顾强度、磁性能和韧塑性的复合强化技术，综合利用多元合金固溶强化和位错强化技术，开发出目前行业最高强度35SWYS900产品。 （3）提出高合金电工钢轧制增韧增塑技术，突破高合金电工钢的轧制技术瓶颈；发明了退火炉微张力控制技术和高效热处理技术，首次实现(Si+Al)＞4.3%的高合金产品高效稳定生产。 项目开发了以极低铁损高磁感25SW1250H和目前行业最高强度35SWYS900为代表的多项新能源汽车用高性能电工钢产品，并批量应用于大众、比亚迪、理想等国内外知名新能源汽车企业。近三年首钢新能源产品销量累计7.85万吨，实现销售收入6.8亿元，为中国由“汽车大国”向“汽车强国”转变及汽车行业高端材料国产化做出了突出贡献，推广应用前景广阔。

中国科学院金属研究所自建所之初就部署了稀土钢研究方向。2007年以来开展新一轮稀土钢研究，经过多年持续攻关，深入生产企业进行实地考察，通过大量实验室研究和工程化试验，揭示了纯净度尤其是氧含量对稀土钢性能提升的决定性作用，控制氧含量是实现高品质特殊钢“高纯、均质”的关键。受此启发，中国科学院金属研究所发现稀土金属本身的纯净度和稀土加入前钢液的纯净度，是影响稀土在钢中发挥有益作用和工业化生产工艺不稳定的关键因素。研究结果表明，稀土金属中即使含有几百ppm少量的氧，也足以使稀土在钢中的作用由正变负，而部分商业纯稀土中的氧含量甚至高达1000ppm以上。因此，稀土金属与钢水双纯净双低氧是稀土钢获得稳定应用的前提和基础。 基于此，中国科学院金属研究所研发了高纯稀土金属制备关键技术与钢水纯净度控制工艺，通过控制稀土原料中的氧含量、稀土加入前钢水中的氧含量和杂质元素，突破了生产工艺不能顺行和性能不稳定两大难题，成功细化夹杂物到亚微米尺度，制备出超高洁净度亚微米夹杂物的稀土钢。 稀土钢共性关键技术路线示意图如图1所示。中科院金属所通过优化设计炉体结构、优化调整工艺参数、防氧化浇注和防氧化储运等方式实现了高纯低氧稀土金属制备，稀土金属的全氧含量低于100ppm；同时，通过采取低氧纯净化冶炼、创新稀土加入工艺、控氧自动化浇注、低偏析微缺陷控制等手段实现了全流程低氧钢水纯净度控制，能够保障千吨级稀土钢连铸生产顺行，从而形成了稀土钢工业化应用共性关键技术，实现了稀土在钢中工业化应用的实质性突破。

精整生产线是板带从钢厂走向用户的关键环节，在钢铁工业生产中起着举足轻重的作用，是成品板带质量的最终保障。项目开展前，高品质冷轧带钢精整生产装备与关键技术主要掌握在德国西马克、日本三菱、奥地利安德里茨等国外几大钢铁集团手中。国内现有的精整工艺技术很难满足高品质冷轧带钢产品生产的质量要求，成材率与机组产量均很低，没有形成系统性的工艺控制理论，且现场仍然以经验控制为主，导致高品质冷轧带钢的边部质量、板形以及表面质量等指标与国际水平仍存在很大差距。精整装备与工艺的不足严重限制了机组产能与产品质量，更谈不上高品质稳定生产。如何攻克精整生产线的设备与工艺难题就成为解决高品质冷轧带钢产品生产技术瓶颈的关键所在。 针对国内精整装备与工艺现状，燕山大学联合中国重型机械研究院股份公司、宝山钢铁股份有限公司、唐山钢铁集团有限责任公司，以实现高品质冷轧板带高效稳定精整生产为目标，立足高品质冷轧带钢精整成套装备与生产关键技术国内自主设计与开发，从带钢边部质量控制、带钢板形与表面质量控制、拉矫及上下游协同控制三方面入手展开研究，历经十余年持续攻关，突破了高品质冷轧带钢精整生产生产关键装备与技术瓶颈，形成了自主知识产权，最终实现了高品质冷轧带钢高效稳定工业化生产。

本项目ESP无头轧制技术在日照钢铁控股集团有限公司得到大规模工业化应用，在ESP技术开发、产品应用及节能减排方面取得了多项国际领先指标。产品形成超薄超宽、高尺寸形状精度、高性能、高成材率、高均一性、高表面质量及低成本的优势和特色。共生产了高质量薄/超薄宽带钢2806万吨，减少能耗235.7万吨标煤，减少CO2排放613万吨；并使相关下游产业在提高成材率、“以热代冷”、结构轻量化、降低成本等方面增效显著，经济、社会效益及环境效益十分显著。

薄板坯连铸连轧技术的出现，适应了这种客观形势的需要，是近30年来世界钢铁工业取得的重要技术进步之一，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后，又一项带来钢铁工业技术革命的新技术。CSP轧机上的生产工艺研究和生产实践上取得了显著成果，并在国内某些厂家实现了半无头生产模式，在提高产品的厚度精度、板形质量、通卷组织性能稳定性、均匀性和成材率方面体现出显著的优势。但面对钢铁产能过剩，特别是热轧板卷严重过剩的现实，此类薄板坯连铸连轧产线面临着传统产线日益严峻的挑战，需要进一步开发全无头轧制技术，从而更大程度发挥流程优势、增加产品的附加值、降低产品的制造成本并增加生产过程的环境友好性。2009年2月意大利Arvedi无头轧制技术（ESP）投入工业化生产，标志着连铸连轧技术的又一次进步。基于此，2015年，日照钢铁率先引入亚洲第一条，世界第二条薄规格无头轧制生产线。 无头轧制的优势有：1)节能效果显著：同传统热连轧比较，节能40~60%；2)大规模生产高质量薄/超薄宽带钢，实现“以热代冷”；3)带钢高性能均一性、高尺寸形状精度(传统工艺无法实现)；4)成材率比传统工艺提高1%以上(高成材率，低氧化烧损、无切损)；5)吨钢生产成本低，产线投资低。 同时无头轧制生产也存在以下难点：1)产线高拉速、高刚性(无缓冲)、多工序装备一体化集成控制；2)单浇次连轧数千吨薄宽带钢生产组织、质量控制、带出品最低化、事故控制处理等远大于传统工艺。同时ESP生产技术在引进过程中，因国内无可参考技术，生产中发现与理想状况还存在较大差距。为解决ESP产线存在的技术瓶颈问题，日照钢铁联合国内知名高校和科研院所，不断调整思路，优化试验方案，对存在问题逐一分析，开发出ESP线多炉高拉速连铸无缺陷铸坯控制技术、薄规格带钢板形稳定控制技术、基于ESP产线的铁素体轧制工艺技术、超薄宽带钢系列产品的ESP工艺技术等，形成世界规模最大的低碳节能效果显著的高质量薄宽带钢短流程生产基地。。

国内外很早就认识到镁在钢中的良好作用。镁加入钢中能降低氧化铝夹杂物尺寸，减少Ⅱ类硫化物数量；镁可以提高钢的低温冲击功、冷脆转变温度和断裂韧性；镁还有净化晶界、改善碳化物分布、提高钢等轴晶率的良好效果。尽管如此，镁处理技术迟迟未能工业化推广和应用，主要原因是：①金属镁熔点、沸点低，蒸气压高（1873K时，蒸气压为2238kPa），加入钢液会迅速气化，收得率极低；②部分钢企对钢液加镁存在认识误区，认定生成的尖晶石对钢种有害，却没有考虑夹杂物尺寸减小带来的巨大冶金优势；③钢的镁处理技术被日本等少数国家垄断，如新日铁HTUFF技术，日本爱知制钢开发的镁处理无铅易切削钢新产品等。 为此，开发具有自主知识产权的钢液镁处理新技术，研制高效、洁净、低成本洁净钢新产品，大幅提升产品性能和附加值，为我国钢铁制造的绿色、可持续化发展提供技术支撑，助力我国洁净钢制造水平的提升。

本项目属于烧结环保领域。目前国内约有900台烧结机，仅26%企业有焦化厂，因此大部分烧结点火采用的是热值在6000KJ/m3以下的混合气。与采用焦炉煤点火相比，低热值煤气点火带来烧结表层点火质量差的问题，进而造成烧结内返矿高和强度低。为了保证点火质量，通常采用高含量煤气点火，这与当前烧结CO排放逐步成为环保关注点的背景相违背，值得关注并急需解决。 为了改善低热值煤气点火质量，降低烧结机头废气中CO含量，项目组围绕中天180m2烧结机，开展了低热值煤气富氧点火工艺仿真和试验等研究。项目通过开展产学研合作研究，攻克了烧结低热值煤气富氧点火的基本理论、工艺制度等关键技术，研发了富氧点火工艺及装备，明确了富氧点火对烧结产质量和废气排放的影响规律。项目取得创新成果如下： 1）提出了基于富氧燃烧的低热值燃气烧结点火方法。系统研究了富氧对低热值燃气反应特性、燃气预混燃烧过程的影响规律，形成了基于富氧燃烧的低热值燃气烧结点火基础理论，为低热值燃气点火工艺和装备的开发提供了新途径和理论依据。 2)研发了低热值燃气富氧点系统及关键装备技术。开发了基于钝体扰流的空氧气逆流混合器，实现了大流量差和大压力差下的空氧气高效混合；研制了分区梯级富氧点火系统，实现了点火炉分区域的富氧浓度调节；开发了基于分级调节的氧气流量精准控制技术，实现了富氧点火过程的精准控制；形成低热值燃气富氧点火成套装备及控制方法，为富氧点火技术的工业化应用提供了系统解决方案。 3）探明了富氧点火对低热值煤气点火烧结CO减排的积极作用，即富氧点火提高了炉膛内煤气的燃尽程度从而减少未燃煤气中CO进入料层，以及因富氧而提高氧含量、温度的废气提升了料层表层内固体燃料的燃烧效率，减少了CO的生成，二者共同作用实现了烧结CO减排10%。 在中天钢铁180m2烧结实施本工艺后，煤气消耗降低10%，点火温度升高30℃，表层结矿强度提高2.27%，内返降低1%，上料量提高5t/h，吨矿效益在1.2元/t水平。富氧可促进炉膛煤气和料层表层料中固体燃料的充分燃烧，从而降低机头风箱烟气中的CO 浓度，贡献整体废气CO减排10%。富氧点火后固体燃耗降低1kg/t。项目获专利7项，发表论文6篇。本项目对于全国70%多不配套焦化而采用低热值煤气点火的烧结有借鉴意义和推广价值，在改善烧结矿产质量的同时促进CO减排。