首钢秘鲁铁矿（简称秘铁）是我国首个在南美投资铁矿资源最早、最成功的典型，同时秘鲁也是我国在南美洲推行“一带一路”建设的主要国家。随着秘铁矿山开采范围的扩展，高硫、高锌难选磁铁矿石已进入实质性开发阶段，由于缺少铁精矿高效降杂技术，导致铁精矿中锌硫等杂质含量高，产品积压滞销，严重影响企业经济效益。针对这一问题，2015年以来，长沙矿冶研究院与首钢秘铁密切合作，从基础理论、关键技术、工程化应用方面开展系统研究，在铁精矿深度除杂、海水体系下复杂共伴生铜铅锌多金属高效富集与分离、高浊度选矿废水高效澄清回用等关键技术取得了重大突破，以研究成果为支撑建成了现代化大型节能选矿厂。本项目主要特点如下： （1）基于化学清洗与定向氧化协同作用原理，重构矿物表面，开发了多活化功能耦合协同的广谱活化剂CYA-29，开发了极细粒锌、硫载体矿物多矿相同步活化技术，解决了铁精矿深度除杂技术难题。首钢秘铁新区选矿厂2019年1月至2020年底累计生产品位TFe70.8%、Zn0.018%、S0.08%、SiO20.5%的高纯铁精矿1205万吨。 （2）基于铜铅锌复杂硫化矿界面亲水/疏水精确调控，研发出耐盐型抑制剂CYZ-10，开发了海水体系下铜铅锌同步浮选、异步失活-选择性抑制浮选技术，工业应用获得铜精矿品位Cu 20%、Cu回收率68%，锌精矿品位Zn 40%、Zn回收率67%的技术指标，实现了伴生铜铅锌多金属的综合利用。 （3）基于有机聚合物混凝剂在固体悬浮物表面的电性吸附及絮凝剂分子对聚团的“桥联”效应，开发了高浊度选矿废水快速澄清净化技术，实现了选矿废水100%回用，对选矿技术指标无不良影响，回水成本为0.5美元/吨精矿。 （4）超细碎-高效预选短流程、铁精矿深度除杂、智能控制等节能绿色高效技术的集成创新，建成了年产1000万吨高纯铁精矿的大型现代化选矿厂。 本项目通过实施上述成套关键技术，盘活了首钢秘鲁铁矿14#矿体（1.3亿吨）高硫高锌难选磁铁矿资源，生产出高纯铁精矿，综合利用了伴生铜铅锌资源。在用技术优势和产品质量优势助力“一带一路”国家战略、提升国际形象等方面起到了重要作用，为国内外高硫、高锌复杂难选铁矿石高值化利用提供了示范，具有很好的推广应用价值。

钢铁行业面临着日益严峻的资源、市场、环保、竞争等重大挑战，迫切需要加快实施转型升级和提质增效。行业普遍面临的重大考验包括：（1）钢铁需求减少，钢铁总体产能过剩；（2）环保压力日益增大；（3）企业间同质化竞争日趋激烈。装备大型化、流程高效化日益成为钢铁工业的发展趋势。 除日韩等少数先进企业采用高效生产外，采用“转炉-RH精炼-板坯连铸”工艺生产低碳、超低碳钢的大部分钢铁企业普遍存在如下问题：（1）连铸拉速普遍较低；（2）转炉和精炼工艺效率不高；（3）转炉出钢温度高；（4）浇铸过程水口易堵塞制约连浇炉数提高。首钢京唐公司致力于建设高效、优质板材生产基地。在项目开展前，也面临着国内外板材生产企业的行业难题：超低碳钢连铸拉速低于1.7m/min；转炉和RH冶炼周期分别为43min和50min，转炉出钢温度1687℃，浇铸超低碳钢4炉更换一次SEN，浇铸后期水口堵塞严重。 从2012年开始，首钢与北京科技大学合作，自主研发了"炼钢全流程高效生产技术"系列项目，创新点如下： （1）创新集成了板坯高拉速连铸技术，开发了结晶器强冷却、无锂高拉速保护渣与高拉速结晶器流场控制技术，解决了高速连铸拉漏和结晶器卷渣两大技术难题，建成了智能浇注平台，常规厚度板坯最大连铸拉速达到2.5 m/min，突破铸机设计最高拉速。 （2）开发了大型转炉强供氧技术、RH高效耦合脱碳技术，300吨转炉冶炼周期从43 min大幅度降至35 min、超低碳钢RH真空处理时间大幅度降低至20 min。超低碳钢转炉出毕至开浇时间降至70 min之内，结合全流程温度管控技术，转炉出钢温度降至1647℃，年产能从900万吨提高至1100万吨。 （3）开发快节奏条件下浸入式水口无粘附技术：通过转炉终点氧含量精准控制、全流程钢-渣反应控制、夹杂物快速去除、中包吹氩密封及浸入式水口防堵技术的开发，超低碳钢中间包钢水平均全氧含量达0.0015%，300t钢包连浇7炉不更换浸入式水口，浇铸结束后水口无堵塞率达90%以上。 （4）从生产组织、过程管理、精细管理三个方面集成了全流程智能化管控系统，解决了复杂品种、规格条件下的组织排产，提高了钢包周转效率，周期缩短22min，每台铸机钢包数量降至4个，实现铁钢界面、钢轧界面和生产过程信息全面感知、智能决策、精准执行，稳定支撑了炼钢全流程高效专线化生产。

钢材的氧化在热轧过程贯穿始终，由于热轧流程长，影响氧化因素多且相互耦合。而对于“轧制+气氛+温度”强耦合氧化理论，国际未见报道，由此造成氧化界面演变及氧化皮相组成控制技术开发方向不明确。同时，考虑到热轧氧化过程无法在线检测，属于典型黑箱过程，仅凭工程师经验控制势必试错量大、稳定性差。因此，实现热轧氧化精准、稳定控制是一项世界性难题。综上所述，构建多因素耦合的热轧氧化控制理论，形成具我国有自主知识产权的热轧氧化控制成套技术，实现热轧氧化调控由经验试错向数字化、智能化控制的转型，是全面提升钢材表面质量，保障制造业转型升级的必由之路。

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。

本项目通过系统分析影响冶金全流程工序界面稳定协调的因素，利用物联网、移动互联等先进信息技术，研究实施钢铁流程工序界面一体化融合技术，实现生产过程中工序间柔性衔接、合理匹配，促进生产流程整体运行的稳定协调和连续化、高效化，从而提高钢铁生产流程的资源效率、能源效率。

钢材氧化在热轧过程中贯穿始终，并受到合金元素及诸多工艺参数的交互影响，国际先进企业虽积累一定经验诀窍，但也未很好解决，实现结构、厚度、均匀性的精准控制是一项世界性难题，而我国在此方面更是缺少理论研究、技术落后，产品因此常被高端用户拒绝，已成为我国制造业转型升级的原材料瓶颈。综上所述，构建钢材热轧氧化控制理论体系，形成具我国有自主知识产权的成套技术，实现热轧氧化调控由经验试错向数字化、智能化控制的转型，是全面提升钢材表面质量，保证我国钢材产品走向高端，保障下游制造业转型升级的必由之路。

该项目属于冶金工程技术领域，是利用多模式磁场净化金属液的电磁冶金新技术。高端金属材料中残留夹杂物和气体对最终产品质量和性能的影响甚大，这类缺陷的控制水平是限制我国相当多的高端金属材料发展的关键技术难题之一。该技术提出多模式定制磁场以去除凝固界面附近的夹杂物和气泡，控制其定向运动，调节熔体流场新作用的基础上；并提出了电磁场控制结晶器内流场的量化综合评价标准体系，为优化多模式定制电磁场设计提供依据，避免电磁力作用导致卷渣吸气和凝固不均等问题的产生；并发明了一整套对合金凝固过程中夹杂物和气泡的新型电磁场控制装备和技术。所生产无氧铜中气体含量仅为世界最先进水平的一半，硬态电导率高达101%IACS，完全替代进口产品，应用于我国大科学装置并实现出口；显著有效改善宝钢高档汽车外板表面质量，钢质不良率降至0.13%，明显优于新日铁技术。

国家自然科学基金委员会现发布“多相反应过程中的介尺度机制及调控”重大研究计划2018年度项目指南，请申请人及依托单位按项目指南中所述的要求和注意事项提出申请。 过程工业涵盖能源和资源转化利用等重要基础产业，但效率低、污染重、资源浪费严重，多数过程的工艺技术开发周期长、风险和费用高，这些问题已成为可持续发展的瓶颈。多相反应是其中最普遍与最核心的过程，探索这些过程中介尺度结构的形成机理、实现其科学定量描述与定向调控已成为过程工业发展的前沿。 　　多相反应过程中的介尺度机制是指由大量单元组成的系统在个体单元与整体系统之间的尺度范围内复杂时空结构的形成与演化规律。主要包括两个层次的介尺度问题，其一，分子尺度到颗粒（包括气泡、液滴等离散单元）尺度间的材料结构或表界面时空尺度；其二，颗粒尺度到反应器尺度间形成的非均匀结构的时空尺度。本重大研究计划将阐明其机理，发展模拟计算与实验表征方法，进而建立相关模型与理论，重点揭示介尺度结构对流动-传递-反应行为的影响及其耦合规律，建立多相反应过程定量设计、优化和调控的方法，形成以介尺度科学为基础的过程工程学科新方向，服务于相关工艺和过程的开发。

　　一、科学目标 　　阐明电磁场影响金属材料凝固温度点变化本质和内在机制及其对金属材料形核影响规律；在深入认识和掌握热电磁力和热电磁对流生成机制及其对凝固组织和偏析影响机理的基础上，建立热、电、磁、力协同作用下凝固组织和偏析演变模型；提出电磁场与温度场等协同控制凝固组织和偏析，以及电磁场控制应力作用下固态相变制备织构材料等技术原理；为提高我国高品质金属材料的生产水平提供理论和技术基础。 　　二、研究内容 　　（一）电磁场下相变形核机理。 　　研究电磁场下合金材料的凝固过冷行为和电磁场对材料过冷度的影响规律；研究电磁场对界面能的影响规律和电磁场下微结构演化规律，建立合金界面能与电磁场强度间的关系；研究电磁场下液-固、固-固、气-固转变形核机制，建立电磁场下凝固结晶分子动力学模型。 　　（二）电磁场下冶金相变动力学。 　　研究电磁场作用下原子扩散规律，并揭示其微观机制和建立基本模型；研究电磁场作用下相变过程位错和晶界生成和运动行为，建立电磁场与位错运动等的关系；研究电磁场下冶金相变速率变化规律、晶体长大行为及形貌演变、溶质分布规律，建立电磁场下晶体生长基本模型。提出电磁场下凝固组织和偏析控制方法和原理。 　　（三）热、电、磁、应力协同作用下相变界面行为与组织形态演变规律。 　　研究热、电、磁协同作用下凝固多尺度流动与溶质传输规律，及其对凝固枝晶形态等的影响规律并建立相应模型；研究热、电、磁协同作用下两相区及凝固组织演化规律；建立凝固两相区、晶粒组织和偏析变化模型；研究电磁场和应力共同作用时固-固转变界面行为及组织演化规律并建立相应模型。提出电磁场控制金属材料组织的新技术原理。 　　三、申请注意事项 　　（一）申请书的附注说明选择“电磁场作用下的冶金相变机理” ，申请代码1选择E0418（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理）。 　　（二）申请人申请的直接费用预算不得超过1500万元/项（含1500万元/项）。 　　（三）本项目由工程与材料科学部负责受理。

高性能构件设计与制造目前存在以下三方面问题：一是由于材料分布和多尺度结构特征对构件性能的耦合影响规律复杂，导致构件材料与结构匹配的性能设计困难；二是由于传统设计方法和制造工艺的约束，导致复杂构件整体制造困难；三是由于缺乏构件精确成形调控方法，需反复试错，造成高性能目标控制困难。 　　一、科学目标 　　以航空航天典型高性能复杂构件为研究载体，探明多尺度结构与构件性能的映射规律，揭示材料组织演化与结构变形的交互作用机制，探索材料-结构一体化复合制造原理，形成材料-结构一体化设计与制造基础理论，实现高性能复杂结构的整体制造。 　　二、研究内容 　　（一）材料-结构多尺度建模与一体化设计。 　　研究苛刻服役环境下高性能构件宏微多尺度性能表征建模及材料-结构与性能的映射规律，建立宏微结构构型与材料分布的跨尺度拓扑优化设计新方法。 　　（二）多材料结构逐点/逐域控制的增材制造。 　　研究成形过程熔池的表/界面行为和多材料、多尺度结构的界面问题，揭示界面应力的局部能场调控机理，实现材料-结构的形性协调。 　　（三）异质材料构件的界面行为与结构精确制造。 　　研究异质材料叠层制造中宏细观界面特征形成和几何误差传递规律，探索复合制造过程的调控策略，实现高性能构件几何特征与性能的同步精确制造。 　　（四）材料组织演化与结构变形的精确调控。 　　研究高性能构件材料组织演化与结构变形的耦合机理，揭示外加能场对构件材料组织和变形的影响规律，实现多场耦合作用下结构变形协调与性能的精确调控。 　　（五）高性能构件整体制造新原理与新装备。 　　基于材料-结构一体化设计与制造新方法，探索与验证典型构件整体制造新原理、新工艺与新装备。 　　三、申请注意事项 　　（一）申请书说明选择“高性能构件材料-结构一体化设计与制造”，申请代码1选择E0508 　　（二）申请人申请的直接费用预算不得超过1500万元/项（含1500万元/项）。 　　（三）本项目由工程与材料科学部负责受理。