话说钢铁

供稿|毛新平

内容导读

见过晴雯撕折扇，见过手撕钢吗？被评为新世界7 大奇迹的北京首都机场和港珠澳大桥用的钢材可以建造多少座埃菲尔斜塔？人类的世界格局被所谓的夕阳产业左右吗？碳中和背景下钢铁行业如何发展……本文从钢铁与人类文明，钢铁材料的特性，碳中和背景下的钢铁工业几个方面为您话说钢铁。

钢铁与人类文明

材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导，钢铁材料是人类文明所依赖的重要物质基础，也是影响世界格局的重要因素。社会的文明程度通常用人类社会在不同时期所用的材料来标明，如图1 所示[1]。其中的铁器时代和钢铁时代与钢铁材料密切相关。

图1 人类社会文明进程

铁器时代

铁器的广泛使用带来了社会的巨大变革。春秋末期中国社会开始进入铁器时代，到战国晚期铁器已经开始广泛使用。相较于原来的铜器，铁器的硬度更高，极大的提高了农耕作业的生产效率，促进了社会生产力的大力发展，并导致了社会制度的变革，使部分民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁进入封建社会。可见一种新材料的使用，可以提高生产力，改变生产关系和上层建筑，从而带来社会的变革。

钢铁时代

钢铁是现代工业革命的基础。18 世纪中叶，以蒸汽机为标志的第一次工业革命开始，蒸汽机的使用替代了人力和畜力，从而极大的提高了生产效率，创造了极大的社会财富。但是第一次工业革命除了蒸汽之外实际上还有两个前提：一个是物质的前提，即钢铁的大量使用；第二个是能源的前提，即煤炭的大量使用。因此蒸汽、煤炭、钢铁是促成第一次工业革命加速发展、推动人类新技术革命的三驾马车。使人类进入“电气时代”的第二次工业革命同样离不开钢铁的大量使用，其支柱产业是电力、钢铁、石油和汽车制造。所以说钢铁的大量使用推动了人类由农业经济社会进入工业经济社会。

钢铁与世界格局

雷德．戴蒙德教授在同时获得普利策奖和英国科普书奖的《枪炮、疾病与钢铁》一书中写道：“现代世纪的不公平起源于使用钢铁武器的帝国能征服或消灭使用石制和木制武器的部落。”（图2）可见钢铁对世界格局和人类社会的发展产生深远的影响。19 世纪后叶乃至20 世纪中叶，钢产量一直是一个国家的工业水平和综合实力的重要的标志。

图2 雷德．戴蒙德教授和他的《枪炮、疾病与钢铁》

图3中的粗实线是第一次工业革命以来全世界钢产量变化曲线，可以看出这个曲线一直上升，说明开始大量使用钢铁以来，直至今天，钢产量不断上升，同时说明钢铁在我们经济社会发展当中发挥的作用一直在持续，而且不断扩大。1890 年之前英国的钢铁产量超过世界总量的1/3，这一时期英国国家实力是最高的，随后美国持续81 年钢产量超过英国，成为世界第一，而这一时期同样是美国的国家实力最高时期，苏联和日本也可以得出相同的结论。近些年随着中国改革开放的不断发展，我国成为第二大经济体，我们的钢铁产量开始稳居世界第一，我们的国家实力也同期不断增强，因此说钢铁工业的发达程度和国家的综合国力高度相关。

图3 1868—2016 年世界粗钢产量及不同国家的实力水平

图4可以看出新中国成立以来，我国GDP 的增长与粗钢产量高度相关，说明一方面我们经济社会的发展离不开钢铁材料的支撑，另一方面年我国粗钢产量已超过全世界产量的一半，我国钢铁产量如此快速增长是受到经济社会发展需求的牵引与拉动。由此可见钢铁材料是经济社会发展的重要物质基础，正如我们伟大领袖毛泽东主席曾经说过：一个粮食，一个钢铁，有了这两个东西什么事情都好办了。

图4 钢铁与经济发展的关系

19 世纪中叶以后，除了美国，欧洲国家的钢铁产量也比较多，而日本自1871 明治维新运动后，政府积极引进西方先进的科学技术，工业得到飞速发展，钢铁产量也一直位居世界前十。到了二战期间，中国钢产量开始上升，建国后我国国力不断提高，我国的钢铁产量也在不断地跃升，改革开放后我国钢铁产量大幅增加，1993 年首次超过1 亿t，从1996 年开始我们钢铁产量高居世界榜首，到2020 年我国的钢铁产量是10.68 亿t，大约占全世界钢产量的56%。

我国钢铁与经济发展

2021 年中国的钢产量超过10 亿t，用于经济社会的方方面面，我国实现了从弱国向大国的转变。港珠澳大桥主梁用钢量42 万t，相当于10 个鸟巢，60 座埃菲尔铁塔（图5），北京大兴机场钢结构总用钢量7.2 万t（图6），汽车的主要材料是钢铁，中国的名片高铁、铁路轨道、车轮和车轴都是钢铁，最重要的是我们大多数产品均实现完全的国产化，例如重轨，船舶，航母、潜艇、大型驱逐舰，海上的一些装备、钻井平台，西气东送所使用的管线钢（图7）[4]等。

图6 北京大兴国际机场[3]

图7 中俄东线——21.4 mm×80 m 板卷

经过不断的技术创新，我们在诸多的领域从过去的跟跑，实现了部分的并跑，还有部分领跑。曾经我们经常谈到，我们这么大一个国家，笔的使用量如此庞大，却一度笔尖钢全部依靠进口，但是通过这几年我们钢铁行业的不断努力，满足了笔尖制作的精度要求，笔尖钢已经完全实现自主供给（图8）。

图8 笔尖钢实物图

以前我们知道有晴雯撕折扇、大街上卖的有手撕饼，现在有一种新的不锈钢片，俗称“手撕钢”，它的厚度只有0.02 mm，是普通A4 纸厚度的1/4，可以用来折飞机、如同撕纸一般轻而易举的撕成任何形状，但是其韧性却很大，双手扯住两端用力往两边拽，却毫不变形。这个材料主要用于手机印刷电路底板，之前主要依靠从日本和德国进口，现在我国太原钢铁攻关、实现了该项目的国产化，为此习近平总书记专门去视察鼓励。

钢铁材料的特性及我国的机遇

图9是4000 多年前的埃及人打造的法老的匕首[5]，早期人类的冶炼技术并不发达，而钢铁的熔点至少在1530 °C 以上——即使因合金元素的不同，熔点有所下降，也需1500 °C 以上——4000 多年前的人类是如何实现熔炼钢铁，从而打造出这样一把匕首呢。通过考证发现并非当时的熔炼技术已经达到如此高的水平，而是大自然的恩赐——陨铁（图10），因为含铁量丰富，故称之为陨铁。钢铁对人类文明和社会发展起到了如此重要的作用，主要与其的特性有关。

图9 图坦卡蒙的匕首[5]

图10 伊米拉克陨石[6]

资源丰富

天体中蕴含丰富的铁元素。根据宇宙大爆炸理论，恒星形成之后在其体内不停的产生核聚变反应，所谓核聚变是小原子核结合成为大原子核的过程，从最初的氢元素和氦元素开始，依次产生宇宙中的其他元素，56Fe 的比结合能是原子中最高的，成为核聚变的终点：H>He>C>O>Si>Mg>Fe（图11）。除了聚变反应，自然界中大原子核也会分裂成小原子核，这个过程称为核裂变反应。元素周期表中Fe 元素刚好处在核反应中元素的聚变和裂变的递变规律的分界点上，且铁元素的平均结合能最大，因此说Fe 元素在宇宙中最稳定（图12）。

图11 天体及元素分布

图12 原子核的平均结合能与质量数的关系

地球内部的主要元素也是铁元素，地壳中的Fe 的丰度约为5%，仅次于氧（49%）、硅（26%）和铝（7%）。其他的一些比较丰富的元素则是向铁的核聚变这个过程因为外界条件无法满足而使聚变行程停滞而产生的中间产品，留存在地球表面。

性能优良

钢铁材料性能多样（表1），具有良好的综合性能：良好的机械性能、化学性能、电子性能等。优良的成型性能：通过锻压、轧制、拉拔、挤压等方式可以加工出管、板、带、丝等多种形式的材料（图13），满足社会经济发展和国防的诸多需求。

表1 金属材料性能汇总

图13 不同的轧制方式及产品

优良的连接性能：连接问题是影响结构材料性能很重要的因素，钢铁材料可采用经济的焊接等方式进行连接。汽车由上万个零部件焊接而成，钢桥、飞机采用铆接连接，中国第一座长江大桥——武汉长江大桥则采用螺栓连接，叫栓接。从经济的角度讲焊接的连接质量好、效率高、成本低，而钢铁材料的焊接技术已经非常成熟。

生态化：钢铁是世界上循环利用最多的工业材料，每年的循环利用量超过5 亿t。自1990 年以来，已有超过220 亿t 钢铁被循环利用。（图14）

图14 钢铁的全生命周期图

绿色环保：直观上认为钢铁行业是二氧化碳产生大户，但是世界钢协统计过汽车行业使用的几种材料的CO2排放量情况，如图15 所示。从中可以看出，1 kg 钢铁的CO2排放量是低于2.5 kg，现在可以做到1.89 kg，相较于铝、镁、碳纤维的>16 kg，>36 kg，>21 kg，钢铁实际上是一个低碳的材料。

图15 不同材料生产阶段碳排放比较

正是由于钢铁的这些属性：资源的丰富性，性能的多样性，良好的可加工性能、连接性能，可无限次的循环，低碳属性，价格低廉，使得钢铁材料在3000 多年的使用过程当中不断的在扩大他的使用范围和使用量。

我国的机遇与挑战

中国自1996 年以来，粗钢产量已持续27 年居世界首位，世界钢铁的生产中心在中国；中国拥有14 亿人口，960 万平方千米的陆地国土面积，470 多万平方千米海洋国土面积，市场巨大，世界钢铁的消费中心在中国；随着需求的不断增加，对现有钢铁材料的性能要求越来越高，特别是在深空、深地、深海等极端服役环境领域，对钢铁材料的性能有更为严苛的要求，世界钢铁的研发中心正在向中国转移。一个很长的时期之内，80 年，100 年，甚至在更久远的时间，我们找不到任何一个材料可以替代钢铁成为我们经济社会发展和国防需要的重要的基础结构材料，过去大家一直说钢铁是夕阳产业，夕阳产业为什么用量还这么大，使用这么广泛呢，因此钢铁作为一个重要的材料今后还会广泛的使用，钢铁作为一个重要的材料，还有若干的科学问题有待于我们进一步的去研究。在可预见的未来，钢铁材料作为最重要的金属结构材料，依然是不可替代的。

碳中和背景下的钢铁工业

碳中和提出的背景

人类可持续发展的危机。全球气温上升带来的气候变化给人类可持续发展带来了巨大危机（图16），为了应对危机必须大幅减少温室气体的排放，以减缓全球气温上升的趋势。在新技术革命来临之前，地球上的碳是平衡状态，新技术革命以后，由于大量采掘地下的化石能源，造成了C 的不平衡，使得全球的气候不断上升，甚至带来了一些环境的极端状况：冰川的融化、海平面的提升、极端的恶劣的天气等。由此引发人类对此的关注。

图16 全球平均表面温度变化图

世界各国特别是欧洲基本上达成了碳中和的共识。所谓碳中和是指在一定的时期之内人类由于生产生活排出或者产生的二氧化碳与自然界碳汇以及我们人类主动的捕捉和使用的量，这两个量是平衡的，也就是在一定的时期之内碳的产出和吸纳之间是等量的，对整个地球环境来讲碳增量为零。

《巴黎协定》明确了本世纪下半叶实现全球温室气体净零排放的目标；欧盟委员会2019 年12 月公布了“欧洲绿色协议”，提出到2050 年将实现碳中和；美国总统拜登上任后立即重返《巴黎协定》，承诺2050 年实现美国碳中和；日本韩国将争取2050 年实现碳中和。

2019 年国际能源总署给出的世界主要国家和地区二氧化碳排放情况（图17）。中国二氧化碳总排放量100 亿t，占全世界30%，是排在第2 位的美国的2 倍，是排在第3 位欧盟的3 倍。如果考虑单位GDP，大概是欧美发达国家的2.2~2.7 倍。说明我们经济增长方式还有待进一步改进，我们的技术含量还有待进一步的提高，考虑这两层因素我们国家要实现碳中和压力巨大，但是实现碳中和对加快促进生态文明建设、保障能源安全高效、推动经济转型升级、引领应对气候变化等诸多方面具有重大意义。

图17 2019 年世界主要国家和地区二氧化碳排放量及占比

（1）开创生态文明新时代：实现碳中和将转变传统的低效污染发展模式为绿色、低碳、循环的可持续发展模式；

（2）迈入能源可持续发展新阶段：有效隆低油气对外依存度，改变“一煤独大”能源格局，切实保障我国的能源安全；

（3）构建经济高质量发展新格局：推动经济转型增效，开创全球绿色低碳技术工业革命。

因此习总书记在2020 年9 月22 号第75 届联合国大会一般性辩论会议上首次向世界宣告我们中国将在2030 年前实现达峰，就是二氧化碳排放达到峰值，2060 年前实现碳中和，这就是我们所谓的“3060”双碳战略目标。在党的二十大，习近平总书记再一次强调：积极稳妥推进碳达峰碳中和，立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划有步骤实施碳达峰行动。双碳已经成为国家的战略，在这个背景之下钢铁工业面临巨大挑战。

钢铁工业的挑战与机遇

2021 年我国钢铁工业CO2排放量为18.6 亿t，占中国总排放16%（图18），仅次于电力行业（42%），在制造业中排名第一，所以钢铁行业在实现双碳的这个大的社会环境当中面临着巨大的压力，主要原因是钢铁产能总量大。我国单位钢产量的二氧化碳排放是1.89 吨，和世界上发达国家的先进钢铁企业在一个水平线上，但是粗钢产量2020 年达到10.65 亿吨，占全球56.8%，因此说给我们带来的压力同时也是我们钢铁行业发展的一个机遇：碳中和目标的实现过程，是钢铁工业技术创新能力全面提升的过程，是钢铁行业综合竞争力显著提高的过程，更是实现钢铁大国向钢铁强国迈进的过程。

图18 我国主要行业CO2 排放

中国钢铁工业协会组织行内的院士、专家进行了研讨，回答社会两个问题：第一钢铁行业能不能实现碳中和，第二如何实现碳中和。我认为中国钢铁行业是能够实现碳中和的，按照未来几乎40 年时间每10 年一个阶段，提出了我们努力的目标：（1）确保2030 年前实现碳达峰，资源条件和技术能力具备较2020 年排放总量降低15%；（2）到2040 年（近中期）排放总量较2020 年降低40%；（3）到2050 年（中远期），二氧化碳排放总量较2020 年降低85%，通过产业链协同、更高性能钢铁产品升级应用等举措，可为下游行业和社会降碳约2.8 亿t；（4）到2060 年（远期），二氧化碳排放总量较2020 年降低95%，实现碳中和（图19）。

图19 我国钢铁工业碳中和愿景

为实现这一目标，我们提出了6 大发展的技术路径（图20）：系统能效提升，资源循环使用，流程优化创新，冶炼工艺突破，产品迭代升级，CCS/CCUS。六大路径的根本或者说底层逻辑是科技创新，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当中来，为之努力、为之奋斗。

图20 钢铁工业低碳技术路径贡献图

结束语

（1）钢铁是人类文明和经济社会发展所依赖的重要物质基础，对推动人类文明进步和社会经济发展做出突出的贡献。

（2）钢铁材料具有资源丰富、性能优异、成本低廉、可循环使用等综合性能，未来近百年钢铁作为重要的基础结构材料的地位不会被改变。

（3）未来钢铁工业发展的方向是绿色化、智能化、钢铁产品将向高性能、长寿命、精益化的方向发展。

（4）我们国家已经成为全球钢铁的生产和消费中心，并逐步成为全球钢铁材料科学与技术的中心，必将为全球工业的发展、为人类美好生活做出更大的贡献。

（5）作为钢铁的从业人，感到荣幸的同时感到肩负的责任的重大，我们也认识到钢铁无论是从制造技术还是材料本身，还有诸多的科学问题和技术问题以及工程问题有待于我们去解决，我们也希望社会给予钢铁行业更多的关注，也希望越来越多的青年学生和青年科技工作者参与其中。