話說鋼鐵

供稿|毛新平

內(nèi)容導讀

見過晴雯撕折扇，見過手撕鋼嗎？被評為新世界7 大奇跡的北京首都機場和港珠澳大橋用的鋼材可以建造多少座埃菲爾斜塔？人類的世界格局被所謂的夕陽產(chǎn)業(yè)左右嗎？碳中和背景下鋼鐵行業(yè)如何發(fā)展……本文從鋼鐵與人類文明，鋼鐵材料的特性，碳中和背景下的鋼鐵工業(yè)幾個方面為您話說鋼鐵。

鋼鐵與人類文明

材料是人類文明、社會進步、科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎和技術(shù)先導，鋼鐵材料是人類文明所依賴的重要物質(zhì)基礎，也是影響世界格局的重要因素。社會的文明程度通常用人類社會在不同時期所用的材料來標明，如圖1 所示[1]。其中的鐵器時代和鋼鐵時代與鋼鐵材料密切相關。

圖1 人類社會文明進程

鐵器時代

鐵器的廣泛使用帶來了社會的巨大變革。春秋末期中國社會開始進入鐵器時代，到戰(zhàn)國晚期鐵器已經(jīng)開始廣泛使用。相較于原來的銅器，鐵器的硬度更高，極大的提高了農(nóng)耕作業(yè)的生產(chǎn)效率，促進了社會生產(chǎn)力的大力發(fā)展，并導致了社會制度的變革，使部分民族從原始社會發(fā)展到奴隸社會，也推動了一些民族脫離了奴隸制的枷鎖進入封建社會?？梢娨环N新材料的使用，可以提高生產(chǎn)力，改變生產(chǎn)關系和上層建筑，從而帶來社會的變革。

鋼鐵時代

鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)革命的基礎。18 世紀中葉，以蒸汽機為標志的第一次工業(yè)革命開始，蒸汽機的使用替代了人力和畜力，從而極大的提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了極大的社會財富。但是第一次工業(yè)革命除了蒸汽之外實際上還有兩個前提：一個是物質(zhì)的前提，即鋼鐵的大量使用；第二個是能源的前提，即煤炭的大量使用。因此蒸汽、煤炭、鋼鐵是促成第一次工業(yè)革命加速發(fā)展、推動人類新技術(shù)革命的三駕馬車。使人類進入“電氣時代”的第二次工業(yè)革命同樣離不開鋼鐵的大量使用，其支柱產(chǎn)業(yè)是電力、鋼鐵、石油和汽車制造。所以說鋼鐵的大量使用推動了人類由農(nóng)業(yè)經(jīng)濟社會進入工業(yè)經(jīng)濟社會。

鋼鐵與世界格局

雷德．戴蒙德教授在同時獲得普利策獎和英國科普書獎的《槍炮、疾病與鋼鐵》一書中寫道：“現(xiàn)代世紀的不公平起源于使用鋼鐵武器的帝國能征服或消滅使用石制和木制武器的部落?！保▓D2）可見鋼鐵對世界格局和人類社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。19 世紀后葉乃至20 世紀中葉，鋼產(chǎn)量一直是一個國家的工業(yè)水平和綜合實力的重要的標志。

圖2 雷德．戴蒙德教授和他的《槍炮、疾病與鋼鐵》

圖3中的粗實線是第一次工業(yè)革命以來全世界鋼產(chǎn)量變化曲線，可以看出這個曲線一直上升，說明開始大量使用鋼鐵以來，直至今天，鋼產(chǎn)量不斷上升，同時說明鋼鐵在我們經(jīng)濟社會發(fā)展當中發(fā)揮的作用一直在持續(xù)，而且不斷擴大。1890 年之前英國的鋼鐵產(chǎn)量超過世界總量的1/3，這一時期英國國家實力是最高的，隨后美國持續(xù)81 年鋼產(chǎn)量超過英國，成為世界第一，而這一時期同樣是美國的國家實力最高時期，蘇聯(lián)和日本也可以得出相同的結(jié)論。近些年隨著中國改革開放的不斷發(fā)展，我國成為第二大經(jīng)濟體，我們的鋼鐵產(chǎn)量開始穩(wěn)居世界第一，我們的國家實力也同期不斷增強，因此說鋼鐵工業(yè)的發(fā)達程度和國家的綜合國力高度相關。

圖3 1868—2016 年世界粗鋼產(chǎn)量及不同國家的實力水平

圖4可以看出新中國成立以來，我國GDP 的增長與粗鋼產(chǎn)量高度相關，說明一方面我們經(jīng)濟社會的發(fā)展離不開鋼鐵材料的支撐，另一方面年我國粗鋼產(chǎn)量已超過全世界產(chǎn)量的一半，我國鋼鐵產(chǎn)量如此快速增長是受到經(jīng)濟社會發(fā)展需求的牽引與拉動。由此可見鋼鐵材料是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，正如我們偉大領袖毛澤東主席曾經(jīng)說過：一個糧食，一個鋼鐵，有了這兩個東西什么事情都好辦了。

圖4 鋼鐵與經(jīng)濟發(fā)展的關系

19 世紀中葉以后，除了美國，歐洲國家的鋼鐵產(chǎn)量也比較多，而日本自1871 明治維新運動后，政府積極引進西方先進的科學技術(shù)，工業(yè)得到飛速發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)量也一直位居世界前十。到了二戰(zhàn)期間，中國鋼產(chǎn)量開始上升，建國后我國國力不斷提高，我國的鋼鐵產(chǎn)量也在不斷地躍升，改革開放后我國鋼鐵產(chǎn)量大幅增加，1993 年首次超過1 億t，從1996 年開始我們鋼鐵產(chǎn)量高居世界榜首，到2020 年我國的鋼鐵產(chǎn)量是10.68 億t，大約占全世界鋼產(chǎn)量的56%。

我國鋼鐵與經(jīng)濟發(fā)展

2021 年中國的鋼產(chǎn)量超過10 億t，用于經(jīng)濟社會的方方面面，我國實現(xiàn)了從弱國向大國的轉(zhuǎn)變。港珠澳大橋主梁用鋼量42 萬t，相當于10 個鳥巢，60 座埃菲爾鐵塔（圖5），北京大興機場鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量7.2 萬t（圖6），汽車的主要材料是鋼鐵，中國的名片高鐵、鐵路軌道、車輪和車軸都是鋼鐵，最重要的是我們大多數(shù)產(chǎn)品均實現(xiàn)完全的國產(chǎn)化，例如重軌，船舶，航母、潛艇、大型驅(qū)逐艦，海上的一些裝備、鉆井平臺，西氣東送所使用的管線鋼（圖7）[4]等。

圖6 北京大興國際機場[3]

圖7 中俄東線——21.4 mm×80 m 板卷

經(jīng)過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，我們在諸多的領域從過去的跟跑，實現(xiàn)了部分的并跑，還有部分領跑。曾經(jīng)我們經(jīng)常談到，我們這么大一個國家，筆的使用量如此龐大，卻一度筆尖鋼全部依靠進口，但是通過這幾年我們鋼鐵行業(yè)的不斷努力，滿足了筆尖制作的精度要求，筆尖鋼已經(jīng)完全實現(xiàn)自主供給（圖8）。

圖8 筆尖鋼實物圖

以前我們知道有晴雯撕折扇、大街上賣的有手撕餅，現(xiàn)在有一種新的不銹鋼片，俗稱“手撕鋼”，它的厚度只有0.02 mm，是普通A4 紙厚度的1/4，可以用來折飛機、如同撕紙一般輕而易舉的撕成任何形狀，但是其韌性卻很大，雙手扯住兩端用力往兩邊拽，卻毫不變形。這個材料主要用于手機印刷電路底板，之前主要依靠從日本和德國進口，現(xiàn)在我國太原鋼鐵攻關、實現(xiàn)了該項目的國產(chǎn)化，為此習近平總書記專門去視察鼓勵。

鋼鐵材料的特性及我國的機遇

圖9是4000 多年前的埃及人打造的法老的匕首[5]，早期人類的冶煉技術(shù)并不發(fā)達，而鋼鐵的熔點至少在1530 °C 以上——即使因合金元素的不同，熔點有所下降，也需1500 °C 以上——4000 多年前的人類是如何實現(xiàn)熔煉鋼鐵，從而打造出這樣一把匕首呢。通過考證發(fā)現(xiàn)并非當時的熔煉技術(shù)已經(jīng)達到如此高的水平，而是大自然的恩賜——隕鐵（圖10），因為含鐵量豐富，故稱之為隕鐵。鋼鐵對人類文明和社會發(fā)展起到了如此重要的作用，主要與其的特性有關。

圖9 圖坦卡蒙的匕首[5]

圖10 伊米拉克隕石[6]

資源豐富

天體中蘊含豐富的鐵元素。根據(jù)宇宙大爆炸理論，恒星形成之后在其體內(nèi)不停的產(chǎn)生核聚變反應，所謂核聚變是小原子核結(jié)合成為大原子核的過程，從最初的氫元素和氦元素開始，依次產(chǎn)生宇宙中的其他元素，56Fe 的比結(jié)合能是原子中最高的，成為核聚變的終點：H>He>C>O>Si>Mg>Fe（圖11）。除了聚變反應，自然界中大原子核也會分裂成小原子核，這個過程稱為核裂變反應。元素周期表中Fe 元素剛好處在核反應中元素的聚變和裂變的遞變規(guī)律的分界點上，且鐵元素的平均結(jié)合能最大，因此說Fe 元素在宇宙中最穩(wěn)定（圖12）。

圖11 天體及元素分布

圖12 原子核的平均結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)的關系

地球內(nèi)部的主要元素也是鐵元素，地殼中的Fe 的豐度約為5%，僅次于氧（49%）、硅（26%）和鋁（7%）。其他的一些比較豐富的元素則是向鐵的核聚變這個過程因為外界條件無法滿足而使聚變行程停滯而產(chǎn)生的中間產(chǎn)品，留存在地球表面。

性能優(yōu)良

鋼鐵材料性能多樣（表1），具有良好的綜合性能：良好的機械性能、化學性能、電子性能等。優(yōu)良的成型性能：通過鍛壓、軋制、拉拔、擠壓等方式可以加工出管、板、帶、絲等多種形式的材料（圖13），滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和國防的諸多需求。

表1 金屬材料性能匯總

圖13 不同的軋制方式及產(chǎn)品

優(yōu)良的連接性能：連接問題是影響結(jié)構(gòu)材料性能很重要的因素，鋼鐵材料可采用經(jīng)濟的焊接等方式進行連接。汽車由上萬個零部件焊接而成，鋼橋、飛機采用鉚接連接，中國第一座長江大橋——武漢長江大橋則采用螺栓連接，叫栓接。從經(jīng)濟的角度講焊接的連接質(zhì)量好、效率高、成本低，而鋼鐵材料的焊接技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

生態(tài)化：鋼鐵是世界上循環(huán)利用最多的工業(yè)材料，每年的循環(huán)利用量超過5 億t。自1990 年以來，已有超過220 億t 鋼鐵被循環(huán)利用。（圖14）

圖14 鋼鐵的全生命周期圖

綠色環(huán)保：直觀上認為鋼鐵行業(yè)是二氧化碳產(chǎn)生大戶，但是世界鋼協(xié)統(tǒng)計過汽車行業(yè)使用的幾種材料的CO2排放量情況，如圖15 所示。從中可以看出，1 kg 鋼鐵的CO2排放量是低于2.5 kg，現(xiàn)在可以做到1.89 kg，相較于鋁、鎂、碳纖維的>16 kg，>36 kg，>21 kg，鋼鐵實際上是一個低碳的材料。

圖15 不同材料生產(chǎn)階段碳排放比較

正是由于鋼鐵的這些屬性：資源的豐富性，性能的多樣性，良好的可加工性能、連接性能，可無限次的循環(huán)，低碳屬性，價格低廉，使得鋼鐵材料在3000 多年的使用過程當中不斷的在擴大他的使用范圍和使用量。

我國的機遇與挑戰(zhàn)

中國自1996 年以來，粗鋼產(chǎn)量已持續(xù)27 年居世界首位，世界鋼鐵的生產(chǎn)中心在中國；中國擁有14 億人口，960 萬平方千米的陸地國土面積，470 多萬平方千米海洋國土面積，市場巨大，世界鋼鐵的消費中心在中國；隨著需求的不斷增加，對現(xiàn)有鋼鐵材料的性能要求越來越高，特別是在深空、深地、深海等極端服役環(huán)境領域，對鋼鐵材料的性能有更為嚴苛的要求，世界鋼鐵的研發(fā)中心正在向中國轉(zhuǎn)移。一個很長的時期之內(nèi)，80 年，100 年，甚至在更久遠的時間，我們找不到任何一個材料可以替代鋼鐵成為我們經(jīng)濟社會發(fā)展和國防需要的重要的基礎結(jié)構(gòu)材料，過去大家一直說鋼鐵是夕陽產(chǎn)業(yè)，夕陽產(chǎn)業(yè)為什么用量還這么大，使用這么廣泛呢，因此鋼鐵作為一個重要的材料今后還會廣泛的使用，鋼鐵作為一個重要的材料，還有若干的科學問題有待于我們進一步的去研究。在可預見的未來，鋼鐵材料作為最重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，依然是不可替代的。

碳中和背景下的鋼鐵工業(yè)

碳中和提出的背景

人類可持續(xù)發(fā)展的危機。全球氣溫上升帶來的氣候變化給人類可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大危機（圖16），為了應對危機必須大幅減少溫室氣體的排放，以減緩全球氣溫上升的趨勢。在新技術(shù)革命來臨之前，地球上的碳是平衡狀態(tài)，新技術(shù)革命以后，由于大量采掘地下的化石能源，造成了C 的不平衡，使得全球的氣候不斷上升，甚至帶來了一些環(huán)境的極端狀況：冰川的融化、海平面的提升、極端的惡劣的天氣等。由此引發(fā)人類對此的關注。

圖16 全球平均表面溫度變化圖

世界各國特別是歐洲基本上達成了碳中和的共識。所謂碳中和是指在一定的時期之內(nèi)人類由于生產(chǎn)生活排出或者產(chǎn)生的二氧化碳與自然界碳匯以及我們?nèi)祟愔鲃拥牟蹲胶褪褂玫牧?，這兩個量是平衡的，也就是在一定的時期之內(nèi)碳的產(chǎn)出和吸納之間是等量的，對整個地球環(huán)境來講碳增量為零。

《巴黎協(xié)定》明確了本世紀下半葉實現(xiàn)全球溫室氣體凈零排放的目標；歐盟委員會2019 年12 月公布了“歐洲綠色協(xié)議”，提出到2050 年將實現(xiàn)碳中和；美國總統(tǒng)拜登上任后立即重返《巴黎協(xié)定》，承諾2050 年實現(xiàn)美國碳中和；日本韓國將爭取2050 年實現(xiàn)碳中和。

2019 年國際能源總署給出的世界主要國家和地區(qū)二氧化碳排放情況（圖17）。中國二氧化碳總排放量100 億t，占全世界30%，是排在第2 位的美國的2 倍，是排在第3 位歐盟的3 倍。如果考慮單位GDP，大概是歐美發(fā)達國家的2.2~2.7 倍。說明我們經(jīng)濟增長方式還有待進一步改進，我們的技術(shù)含量還有待進一步的提高，考慮這兩層因素我們國家要實現(xiàn)碳中和壓力巨大，但是實現(xiàn)碳中和對加快促進生態(tài)文明建設、保障能源安全高效、推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、引領應對氣候變化等諸多方面具有重大意義。

圖17 2019 年世界主要國家和地區(qū)二氧化碳排放量及占比

（1）開創(chuàng)生態(tài)文明新時代：實現(xiàn)碳中和將轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的低效污染發(fā)展模式為綠色、低碳、循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展模式；

（2）邁入能源可持續(xù)發(fā)展新階段：有效隆低油氣對外依存度，改變“一煤獨大”能源格局，切實保障我國的能源安全；

（3）構(gòu)建經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展新格局：推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型增效，開創(chuàng)全球綠色低碳技術(shù)工業(yè)革命。

因此習總書記在2020 年9 月22 號第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論會議上首次向世界宣告我們中國將在2030 年前實現(xiàn)達峰，就是二氧化碳排放達到峰值，2060 年前實現(xiàn)碳中和，這就是我們所謂的“3060”雙碳戰(zhàn)略目標。在黨的二十大，習近平總書記再一次強調(diào)：積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和，立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃有步驟實施碳達峰行動。雙碳已經(jīng)成為國家的戰(zhàn)略，在這個背景之下鋼鐵工業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。

鋼鐵工業(yè)的挑戰(zhàn)與機遇

2021 年我國鋼鐵工業(yè)CO2排放量為18.6 億t，占中國總排放16%（圖18），僅次于電力行業(yè)（42%），在制造業(yè)中排名第一，所以鋼鐵行業(yè)在實現(xiàn)雙碳的這個大的社會環(huán)境當中面臨著巨大的壓力，主要原因是鋼鐵產(chǎn)能總量大。我國單位鋼產(chǎn)量的二氧化碳排放是1.89 噸，和世界上發(fā)達國家的先進鋼鐵企業(yè)在一個水平線上，但是粗鋼產(chǎn)量2020 年達到10.65 億噸，占全球56.8%，因此說給我們帶來的壓力同時也是我們鋼鐵行業(yè)發(fā)展的一個機遇：碳中和目標的實現(xiàn)過程，是鋼鐵工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力全面提升的過程，是鋼鐵行業(yè)綜合競爭力顯著提高的過程，更是實現(xiàn)鋼鐵大國向鋼鐵強國邁進的過程。

圖18 我國主要行業(yè)CO2 排放

中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織行內(nèi)的院士、專家進行了研討，回答社會兩個問題：第一鋼鐵行業(yè)能不能實現(xiàn)碳中和，第二如何實現(xiàn)碳中和。我認為中國鋼鐵行業(yè)是能夠?qū)崿F(xiàn)碳中和的，按照未來幾乎40 年時間每10 年一個階段，提出了我們努力的目標：（1）確保2030 年前實現(xiàn)碳達峰，資源條件和技術(shù)能力具備較2020 年排放總量降低15%；（2）到2040 年（近中期）排放總量較2020 年降低40%；（3）到2050 年（中遠期），二氧化碳排放總量較2020 年降低85%，通過產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、更高性能鋼鐵產(chǎn)品升級應用等舉措，可為下游行業(yè)和社會降碳約2.8 億t；（4）到2060 年（遠期），二氧化碳排放總量較2020 年降低95%，實現(xiàn)碳中和（圖19）。

圖19 我國鋼鐵工業(yè)碳中和愿景

為實現(xiàn)這一目標，我們提出了6 大發(fā)展的技術(shù)路徑（圖20）：系統(tǒng)能效提升，資源循環(huán)使用，流程優(yōu)化創(chuàng)新，冶煉工藝突破，產(chǎn)品迭代升級，CCS/CCUS。六大路徑的根本或者說底層邏輯是科技創(chuàng)新，要大量科技的投入，要大量科技人才，需要一批青年科技工作者加入當中來，為之努力、為之奮斗。

圖20 鋼鐵工業(yè)低碳技術(shù)路徑貢獻圖

結(jié)束語

（1）鋼鐵是人類文明和經(jīng)濟社會發(fā)展所依賴的重要物質(zhì)基礎，對推動人類文明進步和社會經(jīng)濟發(fā)展做出突出的貢獻。

（2）鋼鐵材料具有資源豐富、性能優(yōu)異、成本低廉、可循環(huán)使用等綜合性能，未來近百年鋼鐵作為重要的基礎結(jié)構(gòu)材料的地位不會被改變。

（3）未來鋼鐵工業(yè)發(fā)展的方向是綠色化、智能化、鋼鐵產(chǎn)品將向高性能、長壽命、精益化的方向發(fā)展。

（4）我們國家已經(jīng)成為全球鋼鐵的生產(chǎn)和消費中心，并逐步成為全球鋼鐵材料科學與技術(shù)的中心，必將為全球工業(yè)的發(fā)展、為人類美好生活做出更大的貢獻。

（5）作為鋼鐵的從業(yè)人，感到榮幸的同時感到肩負的責任的重大，我們也認識到鋼鐵無論是從制造技術(shù)還是材料本身，還有諸多的科學問題和技術(shù)問題以及工程問題有待于我們?nèi)ソ鉀Q，我們也希望社會給予鋼鐵行業(yè)更多的關注，也希望越來越多的青年學生和青年科技工作者參與其中。