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。

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。

特殊钢是钢铁强国的重要标志，也是一个国家工业化程度的重要标志之一。轴承、齿轮、紧固件、弹簧、轴类等基础件作为先进制造业的核心部件，量大面广，对制造业具有重大支撑作用，其发展趋势是更高可靠性、更长寿命、以及更好的环境适应性。目前，我国基础件及其用特殊钢整体上与国外先进水平存在较大差距，导致制造业大而不强，汽车、机械、航空、新型能源等行业的先进装备目前尚未完全实现国产化，成为“中国制造2025”制造业转型升级的重要瓶颈。与日本、德国等装备制造业发达国家相比，我国基础件用特殊钢产量大，但其质量稳定性、加工和使用性能与国外先进水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大、服役环境适应性差，无法满足高端装备制造业的需求，急需在相关基础理论、关键共性技术以及应用等方面开展追赶工作，以满足制造业转型升级的发展需求。 针对以上问题，钢铁研究总院联合兴澄特钢等十家单位，在国家重点研发计划“先进制造业基础件用特殊钢及应用”等项目支持下，选取轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、紧固件用钢、轴类用钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，开展了长寿命机理研究及质量稳定性控制等系列关键技术、高效测试表征技术与产品开发攻关，以满足汽车、航空、机床、新能源等先进装备的需求，为先进装备的国产化和制造业升级奠定基础，从而带动我国特殊钢行业的升级换代，提升基础材料产业的整体竞争力。

针对国内微合金化钢生产中存在的板带材表面质量缺陷，以及生产过程能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，钢铁研究总院在2015年9月首先与邯郸钢铁集团有限公司签订技术合作合同，共同开展宽厚板边直裂控制技术和微合金化钢红送裂纹控制技术的研究工作，并取得初步成效。 在此基础上，2017年7月由首钢集团有限公司联合邯郸钢铁集团有限公司、鞍钢股份有限公司、山西太钢不锈钢股份有限公司、新冶高科技集团公司等在微合金化钢生产中具有丰富实践经验和研究基础的单位，共同承担“十三五”国家重点研发计划中“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”课题的研究任务。以期在微合金化钢板带材生产关键技术方面取得突破，首先在国内建成集连铸坯表面无缺陷生产技术、边直裂控制技术、红送裂纹控制技术等为一体的大板坯连铸-轧钢界面高效化、绿色化关键技术集成应用示范生产线，并向钢铁企业进行工程化推广，使连铸坯真正成为物质流、能量流、信息流的载体，被直接输送到下一步轧制工序，彻底打通和捋顺铸-轧界面，为下工序高效率、绿色化、高质量生产奠定坚实的基础。

钢铁行业水污染治理工作经过多年努力，已取得显著成效，但仍存在浓盐水资源化回用难等技术瓶颈。随着国家和各地方排放标准相继实施，结合京津冀地区严重缺水的现状，开发钢铁浓盐水资源化回用新技术意义重大。 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。