一、研究的背景与问题
特殊钢是新能源汽车零件性能升级的关键材料。相较燃油车，新能源汽车具有加速更快、整车质量更重、噪声振动要求更高、车型迭代周期更短（1～2年）、绿色低碳要求更高等新特征。传统燃油车特殊钢体系，无法满足瞬时大扭矩、高转速、高静音、低碳化及高效精准研发的苛刻要求。“绿色化—高品质—规模化”协同已成为新能源汽车零件用特殊钢的核心诉求（图1）。叠加新能源汽车迭代加速，人工智能赋能特殊钢研发与生产成为突破行业瓶颈的必然趋势。
图1 新能源汽车用特殊钢的新需求
新形势下，新能源汽车关键零件用特殊钢面临多重技术升级难题：
1、低碳排放与高品质协同难度大：传统特殊钢生产依赖转炉流程，吨钢碳排放高；全废钢电炉短流程虽符合绿色转型趋势，但存在残余元素不可控、纯净度保障难、氮含量偏高等问题，无法满足新能源汽车用钢的高纯净度要求。
2、全产业链能耗高、流程长：现有特殊钢生产及零件制造需多道次热处理工序，流程繁琐、能源消耗大，零件制造过程能耗偏高，不符合低碳制造理念。
3、特殊钢高品质化瓶颈突出：相较于传统燃油车，新能源汽车整车重量增加10%～30%、电驱系统转速提升3～10倍、扭矩提升2～3倍，对关键零件的强韧性、寿命和制造精度等要求显著提高。传统钢材存在强度提升伴随韧性下降、夹杂物控制不佳、成分与组织均匀性差等问题，难以满足高端产品的性能需求。
4、智能化研发滞后：新能源汽车研发周期大幅压缩（从3～5年压缩至1～2年），亟需人工智能技术赋能特殊钢研发，但现有AI模型受机理约束不足、泛化能力有限，易产生模型幻觉，难以输出适配的研发与生产方案。
为突破上述瓶颈，自2018年起，南钢联合上海大学等高校及产业链上下游企业，依托工信部强基项目支持，开展新能源汽车关键零件用特殊钢相关技术研发。项目开始前，团队已在特殊钢领域形成显著技术积累和先发优势。南钢深耕电炉特殊钢领域30余年，依托产学研协同机制及工信部首批“领航级智能工厂”培育平台，构建了全产业链闭环协同创新的研发团队，为项目实施提供坚实支撑。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目以新能源汽车关键零件用特殊钢“绿色化、高品质化、智能化”为目标，基于全废钢电炉短流程突破低碳排放技术，通过“纯净度、均匀度、组织度”三维协同调控实现高品质化，依托AI技术缩短研发周期，构建全产业链协同创新模式，解决行业核心技术瓶颈。
（一）全废钢电炉短流程生产高品质特殊钢技术
本项目开发了废钢多级递进质量管控、高硫废钢冶炼分级脱硫与双渣调控、高真空去氮等技术，为生产高品质电炉特殊钢提供技术支撑。图2为全废钢电炉冶炼技术路线图。
图2 全废钢电炉冶炼技术路线图
（二）全产业链绿色化技术
图3 新能源汽车用特殊钢从材料到零件的低碳路径
现有特殊钢生产及零件制造需多道次热处理工序，流程长，能源消耗较大，效率低下。针对该问题，围绕减免热处理工序进行攻关，形成了控轧控冷免离线正火/退火的钢材生产关键技术和形性协同调控免调质、AlN微合金化高温短时渗碳等零件制造关键技术，见图3。
（三）“纯净度、均匀度、组织度”三维协同高品质化技术
针对特殊钢强韧性难兼顾、热处理易变形、耐疲劳性能低等问题，围绕“纯净度、均匀度和组织度”开展系统攻关，见图4，形成了超纯净冶炼、夹杂物塑性化、高均质连铸、组织精准调控等关键技术，为突破“低、中、高”碳全系列新能源汽车特殊钢的高品质化提供理论与技术支撑。
图4“纯净度-均匀度-组织度”三维协同控制技术与产品矩阵
（四）“AI4P”产品研发导向人工智能体系
针对通用人工智能在钢铁领域普遍存在的模型幻觉、小样本泛化不足、黑箱模型缺乏冶金可解释性等问题，行业首创“AI4P”产品研发导向人工智能体系。区别于材料设计AI（专注成分-性能关系）和流程导向AI（聚焦生产优化），构建“数据驱动初筛+机理工具校核+智能推理优化”三元融合架构，首次将实验室、文献、生产、用户等全链条数据与物理冶金机理深度耦合，如图5。
图5“机理-知识-数据”三元融合的AI4P体系框架
三、主要创新性成果
本项目突破多项核心技术，形成四大创新性成果。
1、开创全废钢电炉短流程生产新能源汽车用高纯净特殊钢新模式，国际首创100%轮胎废丝量产帘线钢。创新废钢AI视觉识别、精炼双渣调控及高真空去氮技术，攻克电炉全废钢冶炼与超高洁净度协同控制难题，实现高纯净度、低碳排放特殊钢的生产，[O]≤4.5ppm、[N]≤40ppm、S≤30ppm，吨钢碳排放低至0.5吨。
2、重构新能源汽车用特殊钢从材料到零件的全产业链低碳制造新范式。形成新能源汽车用特殊钢“微合金化+控轧（锻）控冷+热处理”成套关键技术，攻克驱动轴钢免离线正火、齿轮钢免等温正火、紧固件钢免退火、曲轴免调质、齿轮高温短时渗碳等低碳化行业难题，零件制造过程能耗降低20%～50%。
3、提出并实践“纯净度-均匀度-组织度”三维协同理念，形成特殊钢的高品质化系列技术。创新“超纯净冶炼、夹杂物变性、高均质连铸、组织精准调控”全流程协同技术，攻克新能源汽车零件高精度、轻量化、长寿命对钢材苛刻要求的技术瓶颈，形成超窄淬透性带宽（2~3HRC）齿轮钢、行业最高2200MPa悬架弹簧钢及4700MPa级帘线钢、15.9级耐延迟断裂紧固件钢等产品矩阵。
4、首创“AI4P”产品研发导向的人工智能体系。构建基于“成分-工艺-组织-性能”的“离线设计+在线调控”双层架构模型，首次将实验室、文献、生产、用户使用等全链条数据与物理冶金机理模型深度耦合，率先实现新能源汽车用特殊钢逆向设计，从用户需求提出到产品研发交付周期缩短30%以上。
四、应用情况与效果
本项目研发的特殊钢产品及相关技术应用于新能源汽车驱动轴、齿轮、紧固件、悬架弹簧、帘线等关键零件。产品稳定供应于国内主流新能源车企及国际高端品牌，市场认可度高，系列高性能特殊钢产品市场占有率领先。南钢于2024年入选江苏省首批碳达峰碳中和试点企业及中国工业碳达峰“领跑者”企业，体现了行业对其绿色创新实践的高度认可。
1、低碳环保效果显著：全废钢电炉短流程生产模式，吨钢碳排放低至0.5吨，较传统转炉工艺降低70%以上；零件制造工序能耗降低20%~50%，大幅减少能源消耗和碳排放，符合绿色制造发展趋势。轮胎废丝100%回收利用，实现废弃物资源化，提升行业可持续发展能力。
2、产品性能达到行业领先：形成系列高端特殊钢产品矩阵，包括超窄淬透性带宽（2~3HRC）齿轮钢、2200MPa悬架弹簧钢、4700MPa级帘线钢、15.9级耐延迟断裂紧固件钢等，各项性能指标满足新能源汽车关键零件的严苛要求，填补行业技术空白。
3、研发与生产效率大幅提升：“AI4P”智能研发体系使特殊钢研发周期缩短30%以上，减少试制成本和试错风险；免热处理等技术简化生产流程，提升生产效率，降低企业生产成本，增强产品市场竞争力。
4.、产业链协同效应凸显：项目依托产学研协同机制，整合钢铁企业、研发机构、整车企业、零件制造商等资源，解决了新能源汽车用特殊钢“研发-生产-应用”全链条技术难题，推动产业链上下游技术升级，提升我国新能源汽车关键零部件用钢的自主可控水平。
信息来源：南京钢铁股份有限公司
如需查看科技新进展全部文章，请点击“阅读原文”查看。