这些年，在烧结工艺不断完善的背景下，进一步提产的空间不大。如果烧结面积和风机大小不变，则提高烧结效率即提产的关键在于提高烧结料层的透气性和优化料层的风量分布。对于料层透气性，提出了返矿分流工艺来进一步提高料层透气性。传统上烧结返矿均经过配料室、一混和二混的工艺流程。21世纪初，针对矿粉资源粒度的细化，日本东北大学葛西荣辉提出了镶嵌烧结的概念，以此提高料层的透气性，但是由于镶嵌物质强度等原因，该理念一直未能工业化。2008年后日本住友（现属于新日铁）开始逐步实施了返矿镶嵌工艺。项目组对该工艺跟踪和调研后，认为其在两方面可进一步优化，以进一步提高烧结效率和改善质量，一是其返矿镶嵌的粒度不易控制，二是镶嵌的返矿粒级偏细。 对于烧结风量分布，除了长期存在的烧结机漏风高的问题，前人对于烧结机长度方向，即前、中、后区域的适宜风量分布未有充分研究，关于烧结机宽度方向风量不匹配问题的研究也较少。烧结靠燃料与风的反应来进行，如何通过强化措施优化风量分布，对于烧结提产降耗有重要意义。 基于中天钢铁烧结自身，提高烧结矿产量、减少外购球团矿配比，从而降低高炉炉料成本一直是近几年工作的目标。在这个背景下，项目组围绕烧结返矿分流和风量优化开展了一系列攻关研究。在攻关前，北区180m2烧结的上料量（不含内返矿）在280t/h水平，折算系数在1.55水平，期望通过技术攻关，上料量能在325t/h，折算系数能提到1.8水平，提产15%以上；预计北区180m2双机通过技术创新实现烧结矿年增产57万吨，替代外购高价球团矿的效益显著。

钢铁企业副产品种类多、产量大、成分杂、处理难，对环境影响十分突出。返矿是钢铁工业中一种典型的副产品，是烧结作业中无法避免的产物，粒度一般在5mm以下，块矿少粉矿多。目前国内大部分钢铁企业是将返矿返回烧结配料，生产实践中有30%～45%返矿会进入烧结系统循环再烧。既浪费人力、物力，又浪费能源，返矿量过多会影响烧结过程控制，烧结矿强度差，造成烧结生产恶性循环，炼铁成本上升[6]。因此，回收和利用好烧结返矿对钢铁企业提高资源利用水平、减少矿产资源的开采、释放炼铁原料供给压力、减少污染物排放量具有极强的现实意义。 冷压球团因其制备工艺无高温处理过程、能显著减少能耗和降低污染、可吸纳部分冶金固废、充分利用二次含铁原料，同时具有流程简单和投资少等优点，成为冶金固废处理和新型炉料制备的关注热点[7]。基于此，将返矿高效利用、固废协同运用与冷压球团有效衔接，形成与高炉运用相适配的返矿冷压球团技术，发挥更大的社会和经济效益，则是推动钢铁企业降碳增效的重要路径.

大型整体构件是现代大型飞机关键结构件，其性能是影响整机性能与可靠性的重要因素。而此类结构件制造中所面临的问题，已成为制约我国乃至世界各主机厂急需解决的重大关键技术问题。随着飞机结构件向着轻量化、大型化、整体化制造方向发展，低成本高效率地制造高性能高可靠性、功能结构一体化的大型整体轻量化航空结构件对航空制造技术提出新的挑战。例如，尺寸为3600 mm×1500 mm×150 mm的铝合金主承力构件飞机框梁、飞机吊挂、吊挂盒段。一体化的设计可减轻结构重量，但采用传统减材、等材加工的制造方法面临巨大困难。如美国F35的主承力构件需万吨级水压机压制成形，之后还需要大量繁琐的铣削、打磨等复杂工序，制造周期和流程长。又如，吊挂底梁腹板模锻件重量为760 Kg，而实际成品只有77.625 Kg，材料利用率仅10%。由此可见，大型结构件的传统制造方法，不仅需要大型水压机、大型多轴数控机床，而且其材料利用率低，工序繁多，制造周期长，有些构件甚至无法用传统工艺完成加工。正是由于传统加工技术的局限性，现代飞机的大型复杂形状零部件往往只能在结构、重量、形状、性能等诸多方面进行妥协，因而，严重制约了其高性能一体化设计的灵活性。为此，本项目的出发点是：面向高性能一体化大型复杂结构的设计与制造需要，研究一种大型整体结构制造的新技术。

目前，我国重载铁路采用世界最大的75kg/m钢轨，最长定尺长度为75m。线路应用表明，钢轨的焊接接头伤损和疲劳伤损是制约重载钢轨服役寿命的主要因素。采用100m长定尺，钢轨焊接接头数量较75m钢轨显著降低，可以从本质上减少焊接接头伤损。同时，采用大断面连铸坯大压缩比轧制可以提高钢轨致密度，从而提高钢轨的强韧综合性能指标。当前国内主要钢轨生产企业均采用280mm×380mm断面生产重载钢轨，本项目立足钢轨长尺化和性能提升两方面，开展了大断面连铸坯生产100m长尺75kg/m重载钢轨关键技术研究及应用。 实现大断面连铸坯高质量生产百米长尺重载钢轨，主要面临以下技术难题。 1、无成熟的重载轨连铸大断面设计经验可供借鉴。国内某厂此前开展过大断面连铸重轨钢的研究，由于大断面连铸坯和钢轨质量难以控制，大断面连铸坯生产重载钢轨难度大而未开展工业化批量生产。因此，首要任务就是设计适合百米长尺重载钢轨稳定生产的大断面连铸坯。 2、大断面连铸坯质量控制难度高。连铸断面越大，高碳、高硅、高锰含量的钢轨钢越容易产生中心偏析、疏松和缩孔等缺陷，最终导致钢轨轨腰缺陷严重。连铸坯断面越大，凝固过程铸坯角部传热控制难度越大，容易产生角部裂纹、凸包等缺陷，轧制钢轨若形成封闭缺陷则难以检查发现，严重影响钢轨服役性能。 3、大断面连铸坯生产百米长尺重载钢轨高效高精度轧制难度大。随着轧制压缩比增加，轧制过程钢轨头部开裂的风险增大；铸坯单重及材质强度的提升导致钢轨通长规格尺寸波动大，表面缺陷增加，特别是轧疤缺陷控制难度更大。 因此，采用大断面连铸坯轧制大断面长尺钢轨已成为我国重载铁路钢轨亟待解决的问题。

通过对国内近百条热连轧生产线的过程控制模型精度和产品质量指标研究发现，造成非稳态过程难以控制的原因，既有板带材轧制本身的工艺因素，又受制于热连轧自身的控制特点，长期面临如下突出问题： （1）热连轧各机架存在着弹性变形和塑性变形的交叉耦合作用。热连轧各机架与带材直接接触并产生压下量时，轧机设备会发生弹性变形，轧件又会发生塑性变形，这种设备弹性状态和带钢压下产生的塑性状态耦合到一起，导致传统数学模型很难对其进行精准计算和表述，尤其在频繁换规格或换钢种状态下，一种弹塑性耦合状态下的模型未完自学习至最优状态，又会过渡到另外一种弹塑性状态，导致整个机组形成长时间的非稳态过渡过程。 (2)非稳态过程难以建立高精度的热轧数学模型。该过程具有不确定性、非线性等特点，存在润滑状态、设备工况等多种多样难以表述的变化，这些对薄带材轧制的影响远超过普通带材。而实际控制过程采用的单一常参数模型难以满足连续变化的要求，模型匹配性差，实际生产过程中轧制力、前滑等关键参数存在很大偏差。 (3)多工序间的过程控制参数波动的影响。热连轧生产过程装备由加热炉、定宽压力机、粗轧机组、精轧机组、控制冷却及卷取机组等多个区域组成，各个工序均具有非线性、快响应以及时变、不确定性、工艺控制模型复杂、过程变量维数高、规模大等特点，这就决定了各个工序的建模过程比一般的工业过程复杂得多。这种非稳态下的过程参数波动，均可对下游工序产生很大的影响，从而导致产品质量问题，如板形、尺寸精度以及工艺性能等。 针对热连轧制造领域内过程精准控制科学问题和相关技术瓶颈，2019年河钢集团有限公司、华为、东北大学在深圳举行联合组建“工业互联网赋能钢铁智能制造联合创新中心”签约挂牌仪式。三方成立的联创中心将作为钢铁行业工业互联网与智能制造产学研用平台，以钢铁全流程产线为基点，着力实现网络化、数字化、智能化的新钢铁，促进钢铁产业转型升级、高质量发展。 项目团队依托河钢邯钢公司邯宝2250mm热连轧生产线，基于现有自动化与信息化系统，深度融合数据驱动模型与机理模型，首次开发了热连轧过程动态数字孪生模型并建立了CPS控制系统平台，提高了轧制工艺对复杂多变工况的原位分析能力，改善了热连轧过程三维尺寸控制指标。

为大幅度提高焊接效率，降低建造成本，大线能量高效焊接技术在现代钢结构制造业中应用日益广泛。在大线能量焊接条件下，热影响区组织急剧恶化，强度和韧性下降，并且随着钢板强度的提高，焊接裂纹敏感性增加，给大型钢结构的安全带来危害。开发适于大线能量焊接，同时具有高强度、低焊接裂纹敏感性的钢材是国内外钢铁研发领域的重要课题。 船舶、海工、原油储罐等立式结构多采用EGW气电立焊大线能量焊接方式，而桥梁隧道等平面结构焊接中气电立焊并不适用，一般采用常规多道次焊接工艺，严重制约施工进度。针对平面结构，工程上采用FCB焊接技术，可一道次成型，使施工效率成数十倍提高。但FCB焊接过程中上下表面同时被焊剂覆盖，导热性能极差，又缺少气电立焊采用的强制水冷，导致焊后冷却速度更为缓慢，热影响区的组织粗化、脆化问题更为严重，这对大线能量焊接用钢的性能要求更为苛刻。特别在重大工程的大规模应用中，对钢板大线能量焊接性能的稳定性要求极高，这又对高效批量化稳定生产提出特殊要求。 鞍钢股份有限公司、东北大学和广船国际有限公司等单位针对上述背景和问题，联合开展了大线能量焊接桥隧用钢开发及重大工程应用项目研发工作，取得了创新性成果。

我国钢结构建筑日益向大型化、高层化、装配化、高效化的趋势发展，对钢铁材料提出了抗震性、强韧性、耐火耐候性等功能多样化的服役要求。为此，必须解决以下主要技术问题： 问题1：为保证建筑钢结构良好的抗震性能，对钢材提出的关键技术指标要求是较低屈强比（≤0.83）、更高抗层状撕裂性能（Z35）、窄屈服强度波动（≤110MPa），以及具有明显的屈服平台。对于420MPa以上大厚度高强韧建筑钢，依靠原有技术难以稳定控制显微组织中软硬相比例，无法实现特厚钢板心部晶粒细化。 问题2：为解决结构耗能、消能、减震设计需求，对制作钢结构“减震器”的软钢，提出了极低屈服强度等级（100MPa）、低屈强比（≤0.6）与小波动范围（±20MPa）、极高断后伸长率（≥50%）等技术要求，需要创新设计低屈服强度软钢成分体系，突破轧制和热处理精准化工艺技术。 问题3：为提高建筑钢结构综合抗灾能力（火灾和腐蚀），要求开发适应不同防火等级的耐火耐候钢，特别是在600℃高温并保持3小时的条件下，690MPa的屈服强度不低于室温目标值的2/3（≥460MPa），需要探明抗震、耐火耐候组织与性能耦合机制，系统开展耐火极限等服役性能评价。

钒是我国的优势战略资源，是发展现代工业、现代国防不可缺少的重要材料。中国是钒资源大国，储量、产量均居世界第一；其中攀西钒资源得天独厚，钒资源储量占全国63%。目前全球88%的钒来自钒钛磁铁矿—钒渣提钒流程，已工业化的钒渣提钒技术有两种，但均没有解决绿色制造、高品位氧化钒与低成本生产的难题。 传统的钠盐提钒工艺是应用最早、也最成熟的提钒技术，但在人们对美好生活越来越强烈的绿色发展需求下，该工艺存在：高钠高氨氮废水处理能耗高、废硫酸钠难利用、固废总量大、辅材消耗量大、生产成本高等难题，全行业采用该工艺每年产生310万m3高盐废水、170万吨提钒固废，消耗.25×107GJ能源，排放340万吨二氧化碳，这是制约全球钒产业高质量发展的瓶颈问题。 另一种是俄罗斯石灰提钒工艺，因所得产品品位低，仅90%～94%，不能满足市场对高质量氧化钒的需求，目前仅Evraz公司图拉钒厂使用。进一步提纯制备高品位氧化钒产品，同样存在与钠盐提钒工艺相似的废水处理和成本高的难题。 此外，国内外研究了各种绿色提钒工艺，但因存在各种问题，多处于实验室研发或规模验证中，尚未实现大规模产业化。 综上，亟需开发新的钒渣提钒工艺，解决绿色制造、高品位钒产品与低成本生产的全行业共有的难题。

钢铁工业煤气生物发酵法制燃料乙醇新技术使用的菌种为乙醇梭杆菌，是一种严格厌氧细菌，因此对原料气需要进行除氧处理，气体中的苯、萘、焦油、氰化氢、乙炔等均会影响菌体健康生长。保持菌体健康是发酵过程连续稳定运行的先决条件，因此需要通过研究钢铁工业煤气组分特点，优化气体预处理工艺设计及催化剂选型，确保发酵进气得到有效净化。 发酵反应过程在生物反应器中进行，菌体与气体充分接触，吸收气体中的CO并在微生物菌体代谢反应下转化为乙醇等代谢产物，同时实现菌体持续的增殖。CO利用率、乙醇浓度、乙醇产率等参数是影响项目成本及能耗的关键指标，通过研究搅拌速度、气体分布、CO供给等对CO利用率及代谢产物分布的影响，提高CO利用率、乙醇浓度等发酵性能指标。 本项目采用连续发酵工艺，持续的排出含有菌体及乙醇等代谢产物的醪液，发酵醪液中含有大量的菌体蛋白，经提取乙醇后的含菌余馏水如直接排入污水，高含量的菌体蛋白将会使污水系统无法运行。根据菌体蛋白特性，选择分离干燥工艺，开发菌体蛋白的高价值应用，将有助于降低后续污水处理负荷，同时通过回收副产品提高经济效益。 发酵工艺是一种需要在液体环境下进行的高耗水工艺，研究蒸馏余馏水及污水处理后中水回用对发酵性能及代谢产物积累的影响，实现高比例水回用，将有助于降低水及化学品消耗，降低污水处理负荷，进而降低生产成本。 通过以上研究，打通从原料气预处理、发酵、蒸馏脱水、菌体蛋白分离干燥、煤气处理、污水处理等全系统工艺流程，实现高性能发酵及产物高效提取，解决废水处理难题，形成循环化系统集成工艺，并在此基础上建立全球首套钢铁工业煤气发酵法制生物乙醇工业化示范装置，将工业煤气发酵技术从实验室技术转化为工业化应用。

浓盐水是钢铁企业采用超滤-反渗透工艺制备脱盐水产生的尾水，无机盐和有机物含量高，处理难度大，缺乏经济有效的处理措施。目前一般采用蒸发浓缩工艺得到混合无机盐，或分盐后蒸发结晶制备氯化钠和硫酸钠产品，但存在产生的固体盐无合适的消纳渠道、运行成本高等问题。浓盐水如何高效处理回用是目前制约钢铁企业绿色发展的瓶颈问题。 针对钢铁浓盐水资源化处理回用难题，开展臭氧界面活化机理、膜表面污染机理等基础理论研究，开发深度催化臭氧氧化、高效纳滤分盐、抗污染电渗析膜浓缩、电渗析双极膜再生酸碱等核心关键技术、配套催化剂、膜材料及设备，通过中试实验论证技术方案，并根据实际水质进行深度除杂和单元工艺组合优化，开发出最优集成工艺，最终在河钢邯钢建成产业化示范工程，实现浓盐水再生酸碱资源化回用。