低碳冶金研究所

所长：范鼎东

副所长：李杰

成员：尹振兴、芮其宣、吴宝国、夏云进、万勇、陶素芬、孙桂林

低碳冶金研究所针对钢铁工业的“铁-煤”化工流程，其能源结构以煤为主，焦炭、电和原煤的能源消耗量占总能源消耗量的80%以上，钢铁工业实际上是典型的“碳”工业以及钢铁行业的高能耗、重污染、高消耗的特点，研究开发低碳冶金技术。2012年以来研究所在钢铁冶金新工艺新技术的开发，冶金炉渣高附加值循环利用，高品质钢的品种开发与质量控制以及物理场在冶金中的应用等方面承担过多项科研项目，取得了丰硕成果。先后承担过国家自然科学基金、安徽省重大科技攻关、广东省重大科技攻关、安徽省自然科学基金等项目，并与马钢、南钢、中天钢铁、韶钢、新余钢铁、梅钢等多家大中型钢铁企业建立了良好的合作关系。

一、研究队伍

团队现有教授2人，副教授4人，讲师2人，从事博士后研究工作1人，在读博士、硕士研究生10余人。

范鼎东博士，教授，博士生导师，低碳冶金研究所所长

安徽工业大学特聘教授，2002年至2010年，担任安徽省金属学会炼钢技术委员会主任。曾在钢厂担任12年总工程师，长期从事工艺技术研究，主持过平炉、转炉、连铸的工艺技术攻关，指挥了“平”改“转”的重大工艺装备改造工程，进行了SKF钢包精炼炉、LF-VD精炼炉及RH真空炉的工艺技术研究，攻克了KKD、GKD等快速、高速列车车轮用钢和CSP短流程生产无取向电工钢等一系列技术难题，具有十分丰富的理论和工程实践经验。先后获得多项国家、省部级以及市级技术进步奖，其中国家科技进步二等奖一项，冶金科学技术二等奖两项、三等奖两项、四等奖一项，安徽省技术进步二等奖一项、三等奖一项、四等奖一项，马鞍山技术进步一等奖两项、二等、三等、四等奖各一项。在钢铁、中国冶金、特殊钢、炼钢、连铸等刊物上发表学术论文近40篇。

李杰博士，教授，硕士生导师，副所长，教务处副处长

1999年7月毕业于安徽工业大学（原华东冶金学院）钢铁冶金专业，获工学学士学位；1999年8月~2001年8月，就职于济南钢铁集团总公司第一炼铁厂，助理工程师；2001年9月~2004年2月，就读于安徽工业大学冶金与材料学院钢铁冶金专业，2004年3月获工学硕士学位；2008年1月毕业于北京科技大学钢铁冶金专业，获工学博士学位。2008年2月至今，任教于安徽工业大学冶金工程学院，主要从事高质量钢的品种和质量控制、炼钢和精炼技术、冶金二次资源利用等研究工作。承担安徽省自然科学基金项目1项，主持国家自然科学基金项目3项，主持校企合作项目多项。在国内外学术期刊发表论文20余篇，申请专利3项。

吴宝国博士，副教授，硕士生导师

2000年于安徽工业大学获得冶金工程硕士学位，2006年于北京科技大学获得冶金物理化学博士学位。主要从事于钢铁生产中磷含量控制、低成本炼钢新工艺以及新钢种开发等方面的研究。承担本科生《冶金过程物流管理》、《冶金系统工程学》等的教学工作。参与5项国家自然科学基金资助项目以及多项省部级和校企合作科研项目的研究工作。获教育部科技进步二等奖1项，安徽省自然科学三等奖2项，安徽工业大学教学成果三等奖1项。已发表科研、教学论文20余篇，其中第一作者12篇，SCI收录1篇、EI收录2篇。参与出版安徽省高等学校规范教材1部。

尹振兴博士，副教授，硕士生导师

1993年至1997年就读于江西理工大学（原南方冶金学院），获得有色冶金专业学士学位；1997年至2001年在铜陵有色（集团）公司第一冶炼厂工作，担任熔炼车间技术副主任；2001年至2004年就读于中南大学，获得有色金属材料专业硕士学位；2004年至2008年就职于安徽工业大学冶金与资源学院；2008年至2012年就读于上海大学，获得钢铁冶金专业博士学位。主要从事于金属熔体的净化与变质处理、金属凝固过程和组织控制、冶金过程热力学、冶金资源回收新工艺开发等方面的研究。承担本科生《物理化学》、《冶金物理化学》、《再生金属冶金》等课程，以及研究生《冶金与材料热力学》等课程的教学工作。主持安徽省教育厅重点项目1项，上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室开放课题1项，参与国家自然科学基金5项，主持或参与校企合作项目2项，校实验室开发基金1项。目前发表学术论文10余篇，教学论文2篇，获国家发明专利多项。

芮其宣博士，副教授，硕士生导师

1997年于安徽工业大学获得钢铁冶金学士学位；1997-2001年就职于合肥钢铁有限公司第二炼钢厂；2001年9月~2004年2月，就读于安徽工业大学冶金与材料学院钢铁冶金专业，2004年3月获工学硕士学位；2013年于北京科技大学获得钢铁冶金博士学位。主要从事于炉外精炼新技术开发、低成本炼钢新工艺以及洁净钢冶炼技术等方面的研究。承担本科生《炼钢厂工程设计》，研究生《冶金物理化学》的教学工作。主持校企合作项目一项，参与国家自然科学基金5项，参与校企合作项目多项。目前发表学术论文10余篇。

夏云进博士，副教授，硕士生导师

2007年于安徽工业大学获得冶金工程学士学位，2012年于北京科技大学获得钢铁冶金博士学位。主要从事于钢中非金属夹杂物控制、低成本炼钢新工艺以及新钢种开发等方面的研究。承担本科生《钢的凝固与连铸》、《炼钢厂工程设计》等的教学工作。主持安徽省教育厅重点项目1项，主持国家自然科学基金2项，主持与参与校企合作项目10余项。目前发表学术论文20余篇，获国家发明专利1项。

万勇博士，讲师，硕士生导师

2009年于江苏大学获得冶金工程学士学位，2014年于北京科技大学获得钢铁冶金博士学位。主要从事于钢中夹杂物及第二相粒子的控制、洁净钢冶炼新工艺以及钢的晶体学织构控制等方面的研究。承担本科生《冶金工程概论》、《环境工程与冶金环保》等的教学工作。目前，主持国家自然科学基金1项，发表学术论文16篇，申请国家发明专利2项。

陶素芬博士，讲师

2010年于安徽工业大学获得冶金工程专业工学学士学位，2015年6月于北京科技大学获得冶金工程专业工学博士学位。2015年7月进安徽工业大学冶金工程博士后流动站，2017年9月留校任教。主要从事于高强海洋平台用钢组织和性能、燃烧合成制备金属基陶瓷复合耐磨材料关键技术等方面的研究。主持国家自然科学基金青年基金项目1项，安徽省博士后经费资助项目1项，参与国家自然科学基金项目1项，发表学术论文10余篇。

孙桂林博士后

2006.09-2016.01于北京科技大学攻读本、硕、博，获得冶金工程博士学位，2016.02入职安徽工业大学冶金工程学院。参与国家自然科学基金项目1项、校企合作项目3项，主持安徽省博士后研究人员科研活动经费资助项目1项，以第一作者身份发表学术论文7篇，被SCI收录3篇，以第一发明人身份申请国家发明专利3项，授权3项。

二、研究特色与优势

（1）低成本炼钢工艺关键技术

转炉炼钢的传统工艺是使用普通高炉铁水，为了脱硅、脱磷、脱硫需要加入大量的石灰而造成大量熔渣，大量熔渣吹炼带来金属收得率低、溶剂消耗高、冶炼时间长、粘枪及喷溅现象严重、热浪费等缺点；同时还由于钢包处理技术的在线应用和连铸生产的需要，要求较高的出钢温度而导致脱磷困难。而低成本炼钢工艺通过减少渣量，降低铁耗，直接利用炼钢废弃物和氧化物熔融还原等核心技术来实现转炉炼钢，通过对低成本炼钢工艺关键技术的研究，我研究所成功开发了低成本炼钢关键技术，并先后与马钢、中天钢铁等国内大中型钢铁企业进行产学研合作，大幅降低了企业生产成本。

图1低成本炼钢静态控制模型

（2）低温及超低温用钢研究与开发

低温钢是指适于在0℃以下应用的合金钢，能在-196℃以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。低温用钢主要应具有如下的性能：(1)韧性——脆性转变温度低于使用温度；(2)满足设计要求的强度；(3)在使用温度下组织结构稳定；(4)良好的焊接性和加工成型性；(5)某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。近年来，随着全球能源资源的多样化，以及对环境保护的日益重视，天然气作为一种清洁能源，将来占据的比重将越来越大。而我国天然气资源丰富但多集中于中、西部地区和海域，导致产地远离消耗区，引发运输和储存等相关技术问题。由于液态天然气储运温度在-162℃以下，要求用于储存液化天然气的材料在超低温下具有良好的低温韧性、强度、足够的抗脆性开裂和止裂能力。目前我国已建或在建的液化天然气储罐采用的均是双容罐，即由材质为含9％镍的镍钢板的内罐与材质为预应力混凝土的外罐双层罐体组成。而作为混凝土建筑结构主要增强材料的钢筋是HRB400、HRB500热轧带肋钢筋，其性能很难满足-162℃液态天然气低温储罐建造的要求，国内天然气低温储罐用钢筋完全依赖进口。研究所与南钢共同开发了-165℃下使用的超低温钢筋，填补了国内空白。另外，同马钢共同开发了-50℃使用的风电法兰用钢，研究所在低温及超低温钢的研究开发方面具有比较丰富的实践经验。

图2超低温钢筋的CCT曲线

（3）冶金炉渣高附加值循环利用

钢铁生产的过程中会产生大量的冶金渣，如高炉渣、转炉渣、精炼渣、含铁尘泥、粉煤灰、铁合金渣等。2015年我国的粗钢产量约为8亿吨，冶金渣的产生量在4亿吨以上。据估算，每堆积1万吨废渣，约占地1亩。截止2015年，全国固体废物堆存量已超过100亿吨，占用和毁坏土地在300万亩以上，对我国已经很少的人均耕地构成严重的威胁。很多渣中含有大量碱性氧化物，可以侵蚀土壤致使土壤碱性化，严重地影响了土地的使用。另外，长期堆积固体废物，也会导致土壤中的重金属含量超标。许多冶金废渣中含有易溶于水的成分，在堆积过程中，经雨水的侵蚀，有害成分会随雨水和地表水流入江河湖海，有的被风吹入水中，或通过土壤渗入地下水，这就污染了堆积地区的水资源，从而危害附近居民的身体健康，甚至会危及原有的生态系统。钢渣在处理过程中，还会产生有害的气体和粉尘，以细粒状存在的废渣和其他废物会随风飘逸到很远的地方，造成大气的粉尘污染。此外，熔融态废渣的高温不合理利用，也会造成热辐射危害。另一方面，冶金废渣含有丰富的铁、钙、硅、铝、锰等元素，对其进行资源综合再利用的前景广阔。因此，研究冶金炉渣循环利用具有重要的现实意义，研究所与马钢积极合作，努力打造我国首个冶金渣综合利用示范基地。

图3冶金渣渣企业内部综合利用技术路线图

（4）超声波及其在冶金中的应用

随着新兴学不断发展和涌现，冶金学科与新兴学科的交差，成为新的生长点，于是出现了诸多新概念、新理论、新方法。冶金与超声波交叉，出现了冶金超声学科分支。冶金超声属于金属和材料外场加工新工艺新技术范畴，涉及超声波在冶金过程中的效应与作用、过程机理、新工艺及装置设计、过程优化与控制等。研究所长期从事于超声波在冶金中的应用方面的基础研究，获得了多项国家自然科学基金资助支持。

图4钢及合金超声处理后组织变化

（5）复合相（固液共存）炉渣脱磷新技术

脱磷是炼钢的主要任务之一，2014年我国粗钢产量约为7亿吨，为了脱磷产生的炉渣约为7000万吨（平均约为100kg/t钢），消耗3500万吨以上石灰，众所周知，炼钢用石灰是通过石灰石（不可再生资源）煅烧而成，其煅烧过程中会放出大量的CO₂，并且由于脱磷渣中存在着大量未反应的自由CaO，炉渣很难回收利用，造成了极大的资源浪费。并且随着钢铁行业的飞速发展，世界范围内高品位优质铁矿石资源逐渐枯竭，以储量丰富、成本低廉的高磷铁矿为代表的低品位复杂铁矿资源的开发利用逐渐受到关注，高磷铁矿的使用必然会使铁水中磷含量增加，采用高磷铁水冶炼会加重炼钢脱磷负担，使石灰消耗与渣量进一步增加。因此，开发石灰消耗少、渣量少的脱磷技术至关重要。日本研究工作者从2006年开始研究固液共存炉渣脱磷技术，并约于2014年成功运用于工业实践，在实现高效脱磷的同时，大幅降低了石灰消耗及渣量。低碳冶金研究所从2012年开始研究复合相（固液共存）炉渣脱磷技术，取得了显著进展，并将该技术成功应用于低成本炼钢工艺中，为企业带来了显著的经济效益。

图5 复合相炉渣脱磷示意图

（6）高碳硬线钢凝固碳偏析控制技术

高碳硬线钢凝固碳偏析控制技术随着国家大力扶持和加快汽车行业的技术进步和竞争力，提高汽车轮胎子午化率，高碳硬线盘条深加工产品（胎圈钢丝和钢帘线）的需求量不断增大。断丝是高碳硬线盘条在深拉拔及合股过程中最典型的质量问题，而造成其断丝的最主要原因之一是铸坯中心碳偏析。我研究所借助射钉实验反复验证，成功开发了具有高精度的高碳方坯凝固传热控制模型和轻压下控制模型（误差<5%），可根据各钢厂连铸机的装备特点，快速实现拉速、比水量、浇注温度、末搅参数及位置和压下区间及压下量等连铸工艺参数的最优匹配，可将高碳硬线铸坯中心碳偏析控制在1.07以下，并先后与新钢、青钢等国内大中型钢铁企业进行产学研合作，大幅提高了产品质量、降低了生产成本。

图7高碳方坯凝固传热控制模型

三、近年来主要科研项目

部分科研项目列表

级别	类别	名称	项目负责人	时间
国家级项目	国家自然科学基金面上项目	FeCr基复合耐磨材料的气压辅助燃烧合成制备新技术和机理	范鼎东	2015/01-2018/12
	国家自然科学基金面上项目	声-电物理场协同孕育处理对高碳钢中心偏析的影响及作用机理研究	李杰	2014/01-2017/12
	钢铁联合基金	复合相炉渣中磷的富集机理研究	夏云进	2016/01-2018/12
	钢铁联合基金	基于CaO-SiO2-Al2O3-FetO-MgO高铝无氟渣系的中高磷铁水转炉脱磷作用机理研究	李杰	2017/01-2019/12
	国家自然科学基金青年基金	超声波多点直接引入钢液对钢中非金属夹杂物的影响	李杰	2009/01-2011/12
	国家自然科学基金青年基金	无取向硅钢凝固CET转变过程{100}晶粒的形成机理及调控机制	万勇	2017/01-2019/12
	国家自然科学基金青年基金	钢中不同形态MnS的形成机理与转变机制研究	夏云进	2014/01-2016/12
	国家自然科学基金青年基金	亚温淬火和合金元素协同作用下高强海洋工程用钢低温韧化机理研究	陶素芬	2018/01-2020/12
省部级项目	省科技攻关	转炉能量高效利用与低排放工艺技术研究	范鼎东	2016/01-2017/12
	省科技攻关	超低温环境友好型高强钢筋关键技术研究及产业化	范鼎东	2016/01-2017/12
	省自然科学基金	新型Al2O3-SiO2-CaO-FeOn基转炉渣高效脱磷影响因素及作用机理	李杰	2013/07-2015/06
	省教育厅重点项目	电流与细化剂耦合作用下金属凝固过程和凝固组织的基础研究	尹振兴	2015/01-2016/12
	省教育厅重点项目	钢中不同形态MnS的形成机理	夏云进	2013/01-2014/12
级别	类别	名称	时间
校企合作项目	校企合作（马钢）	低耗（降本）炼钢工艺关键技术创新与研发	2013/07-2013/12
	校企合作（中天钢铁）	低耗（降本）炼钢工艺关键技术创新与研发	2014/07-2015/07
	校企合作（马钢）	马钢特钢精炼渣系优化与对应夹杂物研究	2017/10-2018/10
	校企合作（马钢）	马钢特钢精炼渣系控制模型开发研究	2018/03-2019/06
	校企合作（长江钢铁）	转炉低成本炼钢关键工艺技术研发	2015/05-2016/04
	校企合作（新泰钢铁）	低成本炼钢关键工艺技术研发	2015/01-2015/12
	校企合作（南钢）	新一代超低温钢筋的开发研究	2012/12-2013/05
	校企合作（南钢）	低成本高强度带肋钢筋的工艺技术研究	2015/12-2016/12
	校企合作（马钢）	高强度、高韧性、耐低温风电塔筒法兰用钢的开发研究	2012/11-2014/06
	校企合作（南钢）	电炉厂中间包流场优化及小方坯结晶器浸入式水口优化研究	2012/11-2013/08
	校企合作（梅山钢铁）	梅钢少渣冶炼工艺技术基础研究	2013/12-2015/05
	校企合作（长江钢铁）	HRB400、500钢筋微合金化新工艺研究	2013/03-2013/10
	校企合作（新余钢铁）	细钢丝用高碳钢盘条的研究与开发	2014/07-2015/08
	校企合作（江苏苏嘉集团）	抗特殊钢钢渣侵蚀镁碳砖的研究	2014/03-2015/04
其他	实验室开发基金	镁铝尖晶石诱导晶内铁素体形核机制的研究	2014/01-2015/12

部分代表性论文

1. JieLi，Shijun Wang，Yunjin Xia，Hui Kong. Study ondephosphorisation of hot metal pretreatment with Al2O3 to replace CaF2 in slag，Ironmaking andSteelmaking，2015，42（1）：70-73.

2. YunjinXia，Dingdong Fan，Shijun Wang，Haichuan Wang, Jie Li. Simulation of heat transfer and strain behavior in bloom casting mould.Ironmaking and Steelmaking，2014，41（3）：166-172.

3. YunjinXia，Fuming Wang，Jinlong Wang，Guozhong Li，Simulation of thecontinuous casting process in mold of free-cutting steel 38MnVS based on a MiLEmethod，InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，2011，18（5）：562-567.

4. Zhen-xingYin, Yong-yong Gong, Bo Li, Yu-feng Cheng, Dong Liang, Qi-jie Zhai. Refining ofpure aluminum cast structure by surface pulsed magneto-oscillation. Journal ofMaterials Processing Technology, 212: 2629-2634.

5. Zhen-xingYin, Dong Liang, Yu-feng Cheng, Qi-jie Zhai. Effect of electrodes and thermalinsulators on grain refinement by electric current pulse. Trans. NonferrousMet. Soc. China, 23: 92-97.

6. RUIQixuan，JIANG, Fang，MA, Zhuang，YOU, Zhimin，CHENG, Guoguang. Effectof Elliptical Snorkel on the Decarburization Rate in Single Snorkel RefiningFurnace. Steel Research International．2013, 84(2): 192-197.

7. RUIQixuan, CHENG Guoguang. A desulphurization mathmatical model for single snorkelrefining furnace. Advanced Materials Research，2012:340-345.

8. YongWAN, Weiqing CHEN, Qingqing ZHAO. Effect of Ag content on the microstructureand magnetic properties of grain-oriented silicon steels. ISIJ International,2016, 56(4):661-668.

9. WANYong, WU Shao-jie, LI Jie. Effects of complex trace elements on themicrostructure and magnetic properties of non-oriented electrical steels.Metallurgical Research & Technology, 2016, 113(1): 101-109.

10. B G Wu，Y C Dong，S J Wang. Experimental Study on soluble oxygen inHot Metal Pretreatment.Steel ResearchInternational, 2005, 76:715-717.

部分代表性专利

1. 一种金属半固态坯料的制备装置，CN 204644438U.

2. 一种金属半固态坯料的制备装置及其制备方法，CN104846219A.

3. 一种显示中高牌号无取向硅钢凝固枝晶组织的侵蚀方法，2015106649871.

4. 一种向钢液中加入纳米粒子以优化钢组织的方法，20130211127.3.

5. 一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢及其生产方法，20120184463.9.