2025年, 第35卷, 第3期　刊出日期：2025-03-15

  

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  钢铁行业低碳发展对策研究：回顾与展望

  殷瑞钰, 上官方钦, 崔志峰

  中国冶金. 2025, 35(3): 1-15.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20250058

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  回顾分析了中国粗钢年产量、2023-2024年粗钢月度日均产量和月末螺纹钢价格以及钢材直接出口量、钢铁制品间接出口量、CO₂排放量等的变化,认为中国粗钢产量总体呈现供大于求的态势,钢铁行业已经进入减量化波动下行阶段;在粗钢产量不明显增加的前提下,可以说中国钢铁行业已开始步入CO₂排放稳定期。从未来粗钢产量的预测、供给侧结构性改革、进出口政策调整等方面探讨了中国粗钢产出总量控制的目标和措施;结合未来粗钢产量和废钢资源量的预测,提出了在"双碳"背景下,未来钢铁行业将逐步形成3类典型的钢铁制造流程,即高炉-转炉长流程、全废钢电炉流程和氢还原-电炉流程,并对3类流程的交替演变过程进行讨论,指出中国钢铁工业也应该借助"双碳"大背景,引导废钢资源尽可能流向电炉流程,进而逐步调整全行业的铁素资源结构、产品结构和流程结构的布局;从界面技术优化、动态精准设计与全流程智能化等方面来探讨钢铁制造全流程的连续性提升的路径。最后,通过钢铁行业"双碳"分析模型的构建与分析,提出控制并削减粗钢产量是最有效的降碳措施,同样重要的是钢厂流程结构优化。
综述
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  GH4738合金的研究进展

  崔天亮, 侯为学, 杨成斌, 王广磊, 唐超, 曲敬龙, 杜金辉

  中国冶金. 2025, 35(3): 16-33,112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240649

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  GH4738合金是一种沉淀强化型镍基高温合金,因其卓越的抗疲劳蠕变能力和良好的强韧匹配性能,在航空、航天和石化等关键领域发挥着举足轻重的作用。系统梳理了GH4738合金在过去半个世纪(1973年至今)的基础研究进展,涵盖合金成分设计、冶炼工艺、均匀化处理、热变形行为、热处理和发展趋势等多个维度。详细阐述了协同增加Al和Ti含量、以W替代Mo等提升综合性能的策略,回顾了三联熔炼工艺的发展以及夹杂物和有害元素控制技术的进步,介绍了热变形本构方程和再结晶粒组织演变模型的建立及有限元数值模拟技术在大尺寸复杂锻件组织预测中的应用。同时,结合当前的研究现状,对GH4738合金的未来发展进行了展望,旨在满足新一代航空发动机对材料高性能、高可靠性和长寿命的迫切需求,并促进GH4738合金的进一步推广。
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  中国废杂铜回收工艺现状及研究进展

  王占昊, 刘硕, 杨思原, 包申旭

  中国冶金. 2025, 35(3): 34-43,75.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240686

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  随着国内铜资源需求量不断增加,精炼铜的生产量与消费量之间存在巨大缺口,废杂铜的回收利用成为解决铜资源紧缺的必要途径。废杂铜按铜品位常分为高、中、低3类,其中高品位废杂铜可通过直接利用或一段法等工艺进行回收,中低品位废杂铜则主要采用两段法、浮选和湿法等工艺回收。通过论述不同类别废杂铜的回收工艺,详细分析火法、湿法及浮选法处理废杂铜的实施案例,归纳总结了各种工艺的原理与优缺点。基于中国废杂铜回收现状进行了展望,若能完善废杂铜的分类标准和回收体系,可有效提升废杂铜资源的综合利用水平。
冶金英才特约
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  钒钛磁铁矿非高炉冶炼与钛渣综合利用技术研究进展

  李兰杰, 张彩东, 刘洋, 赵素兴, 赵建琦, 徐坤

  中国冶金. 2025, 35(3): 44-54,64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240790

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  钒钛磁铁矿是中国特色战略金属资源。国内外现有主流高炉炼铁-转炉提钒工艺碳排放高、钒钛回收率低,含钛高炉渣累计堆存上亿吨,不仅浪费资源,也显著增加了环保压力。介绍了非高炉冶炼工艺,包括直接还原技术和熔融还原技术,概述了其工艺流程和应用现状;总结了国内外含钛炉渣的提钛途径,如改性富集、碳化-氯化和湿法浸出等工艺的原理、应用现状和优缺点,评价了其资源化利用前景;认为钒钛磁铁矿氢基竖炉还原-电炉熔分-钛渣综合利用全流程技术极具发展前景,可有力支撑中国钒钛钢铁产业实现"双碳"目标实现。
专题研究
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  高炉布料过程中多元炉料偏析的时空分布

  滕召杰, 陈建, 杨宜璋, 李晨瑞, 武建龙, 吴胜利, 徐健

  中国冶金. 2025, 35(3): 55-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240697

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  并罐式无料钟高炉炉顶由于料罐的偏心布置,导致在布料过程中发生炉料颗粒偏析分布。虽然该偏析现象的量化表征与形成机理已被系统研究,但是由炉料颗粒连续运动所带来的偏析特征随布料时间与空间转变的规律却鲜有报道。为此,先建立大型并罐式无料钟高炉布料系统的三维数学模型,再采用离散单元法模拟和量化解析5种炉料颗粒依次在运输皮带、料罐和炉喉处的质量分布,进而归纳布料过程中多元炉料偏析特征的时空分布规律。研究结果表明,料罐内炉料颗粒的偏析主要受运输皮带上分布层级和布料时序的影响,时序最先的炉料倾向于堆积在料罐底部,料罐顶部则主要由布料时序最长的炉料所占据。从料罐的径向方向来看,位于运输皮带下层的炉料易集中在料罐中心区域,而上层的炉料更倾向于堆积在靠近料罐壁面的区域。在高炉炉喉处,炉料颗粒的偏析主要受布料操作的影响,而不直接受运输皮带上分布层级和布料时序的影响。然而,由于料罐内部的炉料颗粒偏析以及排料时各区域排出顺序的差异,炉料在炉喉处径向的混合均匀度分布存在显著差异。因此,运输皮带上炉料的分布时序和结构能够通过决定料罐内部的偏析来影响炉喉处炉料的质量分布,进而改善炉料结构并提升高炉的整体性能,这为高炉操作提供了新的优化方向。
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  高炉含氟、钾、钠气体生成反应的热力学模拟

  曹麟翔, 罗果萍, 王紫微, 孙权, 白晓光, 刘曙光, 刘景权

  中国冶金. 2025, 35(3): 65-75.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240647

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  为了揭示高炉冶炼过程中含含氟、钾、钠气体的生成规律,以包钢7号高炉为例,将高炉沿高度方向划分为4个温度区域;根据不同区域的主要化学反应,通过吨铁的原燃料用量、原燃料成分和炉缸煤气成分,结合差分计算法求出沿高炉高度方向任一温度的混合炉料组成和煤气组成;将欧根公式、混合矿熔滴试验与高炉热风压力和炉顶煤气压力相结合,确定不同温度区域的煤气压力损失及高炉任一温度的煤气压力;基于高炉任一温度的混合炉料成分、煤气成分、煤气压力和反应温度,采用FactSage7.1热力学软件,模拟高炉不同温度区域含含氟、钾、钠气体的生成反应。模拟结果表明,在高炉200~800℃区域,含含氟、钾、钠气体的生成量较少,主要为HF和少量KF;在800~1 025℃区域,含含氟、钾、钠气体的生成量有所增多;在1 025~1 365℃的软熔带中,KCN、NaCN、KF的最大生成量显著增加,可分别达1.74、1.06、1.08 kg/t;在1 365~1 500℃的滴落带中,生成的碱金属气体NaCN、KCN、K、Na的量最多。本研究可为深入认识含含氟、钾、钠气体循环富集对矿石、焦炭和炉衬性能的影响奠定基础。
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  铁浴熔融还原炉冶炼过程能质输运模型

  贾利军, 秦德越, 姜山, 李宝宽

  中国冶金. 2025, 35(3): 76-85,122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240612

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  HIsmelt是熔融还原炼铁中的一种代表性工艺,取消球团、烧结和焦化流程以降低污染物排放是该工艺的突出特点。基于物料平衡和能量平衡建立了铁浴熔融还原炉内冶炼过程能质输运模型,模型中着重考虑了水煤气反应对质量输运和能量输运的影响。比较了有无水煤气反应对铁水、铁渣和烟气成分的影响,与实际生产数据相比,烟气成分模型预报准确性得到提升。与未考虑水煤气反应的模型相比,考虑水煤气反应提高了冶炼能质输运模型的合理性。模型能够准确计算铁水产量、铁渣产量、烟气体积、铁水成分、铁渣成分和烟气成分,计算结果与实际生产结果吻合。在此基础上探究并得出结论,随着铁水温度的升高,铁水中的铁、碳、硫元素含量以及铁渣中锰元素含量逐渐下降,铁渣中氧化亚铁含量逐渐升高;铁渣产量呈先下降后上升的趋势,并在1 748 K达到最低,每吨铁水产生0.47 t铁渣。能质流转模型的建立为生产预测提供了有力的依据。
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  提高钢包自动开浇率的理论分析与实践

  周禹, 巨银军, 张天舒, 王嵘坤, 李万明

  中国冶金. 2025, 35(3): 86-93.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240564

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  在钢水浇注时,如果钢包不能实现自动开浇时需进行烧氧操作,这可能导致大量氧化物进入连铸中间包,造成钢液的二次氧化。因此,提高钢包自动开浇率对提高钢水洁净度有重要意义。研究了引流砂烧结层面积和厚度、引流砂的种类、钢液温度、大罐盛钢时间等参数对钢包自动开浇率的影响规律,对烧结层面积和厚度影响自动开浇率的机理进行了理论分析。研究表明,引流砂烧结层半径每增加1%,其受到的应力增加1.2%,从而使烧结层更容易破裂,钢包自动开浇率更高。在钢液温度小于1 630℃且盛钢时间小于180 min时,使用铬质引流砂钢包自动开浇率更高;在钢液温度大于1 650℃且盛钢时间大于180 min时,使用锆质引流砂钢包自动开浇率更高。影响自动开浇率的主要因素顺序为,烧结层的面积>钢液温度及盛钢时间>引流砂种类。当采取扩大引流砂烧结面积并根据不同钢种选择锆质或铬质引流砂的改进措施后,钢包自动开浇率可提升至99.7%。研究结果对完善钢包自动开浇方法、提高钢铁企业的生产效率和产品质量具有重要意义,对提高管线钢、轴承钢等高合金、高洁净度、超长冶炼时间钢种的钢包自动开浇率也具有借鉴意义。
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  CaO-Al₂O₃-MgO-SiO₂-CaF₂精炼渣系对高锰钢脱硫的影响

  颜世豪, 王志通, 王伟健, 张学伟

  中国冶金. 2025, 35(3): 94-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240660

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  为了研究CaO-Al₂O₃-MgO-SiO₂-CaF₂精炼渣在炉外精炼过程中针对高锰钢的脱硫行为,对1 873 K下CaO-Al₂O₃-5%MgO-5%SiO₂-10%CaF₂(质量分数)精炼渣钙铝比(CaO/Al₂O₃质量比)对ZGMn13高锰钢脱硫效率的影响及脱硫过程的限制性环节进行了理论分析与试验。结果表明,渣中CaO/Al₂O₃质量比为1.8时脱硫效率最高,为97.9%,CaO/Al₂O₃质量比为0.2时的固/液两相精炼渣的脱硫效果最差;硫在渣中的传质系数k_s为1.38×10^-7~1.99×10^-6 m/s之间,硫在高锰钢中的传质系数k_m为7.85×10^-5 m/s。此外,研究表明硫在高锰钢中总传质系数k_o随渣中CaO/Al₂O₃质量比的升高而升高并逐渐趋于平缓。渣中CaO/Al₂O₃质量比在1.2~1.8之间硫在高锰钢中总传质系数k_o变化不大(变化量为8.7×10-6 m/s),说明在渣中CaO/Al₂O₃质量比低于1.2时脱硫限制条件为硫在渣中的传质,而CaO/Al₂O₃质量比在1.2~1.8之间时脱硫反应的限制性环节为硫在钢中的传质。
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  基于PCA-DWT-SVR热连轧带钢板凸度预测

  夏志辉, 李维刚, 毛云飞

  中国冶金. 2025, 35(3): 103-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240641

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  热连轧带钢板的凸度是衡量热连轧带钢板的凸度是评价板形质量的重要指标,其特性表现为多变量性、非线性及遗传性,增加了其控制与优化的复杂性。为了提高对带钢板凸度的预测精度和建模速度,亟需改进方法,提出了一种结合离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)与主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)模型,旨在优化板凸度的预测精度。使用Pauta准则剔除数据中的异常值,然后使用离散小波变换对数据进行平滑降噪处理,并且采用主成分分析法降维,利用载荷矩阵选取重要变量,结合轧制过程中对板凸度影响显著的变量,筛选出主要变量;然后将数据输入通过网格参数寻优后的支持向量机回归预测模型中,进行板凸度预测。最后构建4种不同的回归模型,包括K近邻(KNN)回归模型、梯度提升决策树(GBDT)回归模型、极端梯度提升(XGBoost)回归模型和随机森林(RF)回归模型,将其进行比较。试验结果表明,PCA-DWT-SVR模型将数据降低到15维,极大减少了预测时间,同时该模型评价指标,均方根误差(E_RMS)、平均绝对误差(E_MA)和相关性系数(R)分别为3.26、2.11和0.921,为各模型中最优,且98%以上样本点的预测绝对误差在10 μm以内。该模型不仅实现了对板凸度的高精度预测,还显著缩短了建模和预测的时间,为板凸度的质量控制及相关研究提供了重要的借鉴与参考。
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  时效工艺对Cu时效硬化钢组织及性能的影响

  张正延, 王森才, 柴锋, 罗小兵, 柴希阳

  中国冶金. 2025, 35(3): 113-122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240617

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  为探索Cu时效硬化钢的时效特性,掌握最佳强韧性匹配的时效工艺,指导生产实践,利用扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、原子层析技术(APT)及Thermo-Calc计算软件对轧态、淬火态,以及不同时效工艺下Cu时效硬化钢的显微组织、冲击断口形貌以及纳米级富Cu相进行了表征、分析和计算,并考察和分析了不同热履历状态下试验钢的高强韧匹配性。结果表明,热轧态试验钢微观组织为粒状贝氏体,内含有大量大尺寸马氏体/奥氏体(M/A)岛,导致强度与低温韧性均不佳;淬火后试验钢可得到贝氏体/马氏体(贝/马)混合组织,钢的强韧性匹配较好,但塑性较差;淬火并经时效热处理后,随着时效温度的升高,试验钢的强度先升高后下降,在450℃以下处于欠时效状态,450℃达到峰值强度,但此时低温韧性最低,当温度超过450℃后,强度下降,韧性升高,温度达到650℃时,强度和韧性均降低。在620℃随着时效时间的延长,钢中贝/马亚结构及板条尺寸和富Cu相粒子尺寸均呈增大趋势,试验钢的强度逐渐降低,低温韧性逐渐升高,在620℃时效120 min的条件下能够获得优良的强韧性匹配。相对时效时间而言,时效温度对钢的性能影响更显著。
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  基于Arrhennius、Johnson-Cook以及Fields-Backofen本构模型的GH99合金热变形行为

  王文静子, 马鑫, 彭雨涵, 蒋学禹, 周舸, 张浩宇, 张思倩, 陈立佳

  中国冶金. 2025, 35(3): 123-134.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240530

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  为研究GH99合金在不同变形条件下的热变形行为,在变形温度为1 020~1 170℃、应变速率为0.001~1 s^-1的变形条件下对GH99合金开展了热压缩模拟试验,基于得到的应力与应变数据,建立Arrhennius、修正的Johnson-Cook及Fields-Backofen本构模型来综合预测该合金的流变应力值,并通过EBSD对变形组织进行表征。结果表明,相比高温条件下,Arrhennius本构模型在中低温条件下预测的应力值与试验值略有偏差;而经修正的Johnson-Cook本构模型能够较好地预测合金在中温条件下的流变应力值;在低温条件下,Fields-Backofen本构模型的预测精度较高。动态再结晶是GH99合金主要的软化机制,随着变形温度的升高以及应变速率的降低,动态再结晶程度和晶粒尺寸逐渐增大。
节能环保
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  汽车用IF钢生命周期碳足迹评价

  李卫东, 房晓晴, 马光宇, 蔡秋野, 张宇航, 孙文强

  中国冶金. 2025, 35(3): 135-143,154.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240632

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  为应对日益严格的汽车结构材料低碳要求,并对IF钢的绿色化程度进行评价,基于IF钢生产的单元过程及工艺流程,建立IF钢"从摇篮到大门"的生命周期评价模型。得到IF钢的碳足迹结果,对结果中影响碳足迹的关键因素展开分析。进一步分析了碳足迹对影响因素的敏感度,基于敏感度结果制定了相应的降碳措施。结果表明,IF钢的碳足迹(CO₂排放当量,以IF钢连续退火卷计)为2.78 kg/kg,原料加工及运输构成的上游环节仅占22.98%,生产环节占77.02%。其中,炼铁工序和烧结工序产生的碳足迹最大,炼铁工序中碳足迹主要来自焦炭的使用、高炉煤气和喷吹煤的燃烧,烧结工序中碳足迹主要来自焦炭及电力的使用。敏感度分析结果表明,碳足迹对入炉烧结矿比例、自产焦炭比例和高炉煤气回收率的敏感度高。发展自溶性球团、焦炭生产智能化及智能煤气调度优化等技术,有助于钢铁企业实现绿色低碳的IF钢生产。
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  气力雾化水用于高温熔渣粒化及热回收的数值模拟

  赵凯, 白晓军, 王殿新, 甄常亮, 白庚琛, 陈伟

  中国冶金. 2025, 35(3): 144-154.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240457

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  传统的冶金熔渣粒化和热回收工艺主要采用空气或水作为淬冷介质,普遍存在粒化效果差、热回收率低和资源消耗量大的问题。为了提高熔渣资源化利用水平,亟需开发新的淬冷介质。利用Fluent软件模拟气力雾化水作为淬冷介质的工艺过程,与单独使用空气或水的熔渣粒化、显热回收效果进行对比,进而分析作用机理和影响因素,实现工艺参数优化。研究结果表明,双介质雾化喷嘴具有雾化半径大、射流速度高、射流距离远的特点。优化的结构参数为收缩半锥角40°、喉部直径5 mm、扩张段13 mm、扩张半锥角5°。采用气力雾化水对熔渣进行淬冷后,渣中粒径1 mm以下所占比例升高8%,4 mm以上所占比例降低3%,粒化效果明显改善。同时,雾化水使熔渣温降幅度增大200 K,为提高换热效率提供了有效支撑。熔渣凝固冷却过程的模拟结果表明,气力雾化水的进气速度和进水速度是影响粒化和换热效果的关键因素。进水速度为15 m/s、进气速度为65 m/s的工艺参数组合粒化效果好,熔渣凝固程度高。与传统处理方式相比,选择气力雾化水作为淬冷介质,粒化效果和显热回收效率得到增强。研究结果可为冶金企业的高温熔渣余热回收与资源化协同利用提供理论和技术支撑。
智能化技术
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  基于密集小目标检测的废钢智能判定模型

  王超, 肖鹏程, 朱立光, 朱荣

  中国冶金. 2025, 35(3): 155-167.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240449

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  废钢是钢铁行业可循环利用的绿色资源,对行业可持续发展至关重要。废钢的品级和结构关系到钢生产成本及质量,入炉前的分类与定级是当前钢铁行业的重点研究内容之一。针对传统人工判定方法公正与安全等方面的局限性,基于目标检测技术开发了废钢验质模型CSIL-Net。首先,建立了多相机联动的废钢图像采集系统,收集并标注各种料型废钢图片,经图像增强构建废钢数据集。然后,在YOLOv5模型基础上,增加小目标检测层P2优化判定场景中小目标废钢检测的效果,并删除检测层P5以简化模型,设计了新型3层检测层网络IL(Improved Layer);引入双向特征金字塔网络(BiFPN)增强模型跨尺度特征融合与信息传递能力,采用Soft-NMS(Soft Non-Maximum Suppression)改善废钢密集重叠情况下的漏检问题。最后,使用增强后的废钢数据集对模型进行训练与验证,并评估网络层数、复杂度和推理时间等模型指标。试验结果显示, CSIL-Net废钢验质网络模型的所有类别平均精度由88.8%提升到了96.3%,单张图片的推理速度仅为21.8 ms,在准确率以及检测速度方面相较于人工判定方法都具有明显的优势,可有效应用于实际场景,解决废钢判定中的实时性和公正性等难题。
冶金科技英才
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  李兰杰

  中国冶金. 2025, 35(3): 168-168.

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  齐江华

  中国冶金. 2025, 35(3): 169-169.

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冶金科学技术奖
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  基于六机架六辊冷连轧机的高牌号硅钢制造技术集成及创新

  中国冶金. 2025, 35(3): 170-170.

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  铁前“成本-质量-能耗”多目标协同智能配矿系统研发与应用

  中国冶金. 2025, 35(3): 171-171.

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