第119章 给古人看钢铁是怎样炼成的！（2/2）
合金钢是在碳素钢的基础上,添加一种或几种合金元素,如铬、镍、钼、钒、钨等,以改善钢铁的某些性能。合金钢的强度、韧性、耐热性、耐腐蚀性等性能比碳素钢更优异。根据合金元素的种类和含量不同,合金钢还可分为特殊合金钢和结构合金钢等。
不锈钢是一种耐腐蚀性特别优良的钢铁材料,之所以称为\"不锈钢\"是因为它具有出色的抗氧化性能。不锈钢的主要成分是铁,含铬在12%以上,此外还含有镍、钼等其他合金元素。不锈钢的抗腐蚀性能优异,适用于制造厨房用具、医疗器械、化工设备等对耐腐蚀性有严格要求的产品。不同用途的不锈钢牌号也有所不同,如食品级不锈钢、建筑级不锈钢等。
4.2各类钢材的力学性能指标
不同类型的钢铁材料在力学性能方面存在较大差异。力学性能是衡量钢铁材料质量的重要指标,主要包括抗拉强度、屈服强度、硬度、伸长率和冲击韧性等。
碳素钢的强度、硬度随碳含量的增加而提高,但延伸性和韧性下降。一般而言,低碳钢具有较高的延伸率和冲击韧性,适合用于制造像汽车车身等需要一定塑性变形的零件;中碳钢强度和硬度较高,适用于制造齿轮、轴承等需要耐磨损的零件;高碳钢则具有最高的强度和硬度,但延伸率和冲击韧性较低,多用于制造刀具、弹簧等需要高硬度的零件。
合金钢通过添加合金元素,可以在提高强度的同时,保持良好的韧性。不同牌号的合金钢,其力学性能指标也存在一定差异。一般来说,结构合金钢的强度和硬度较高,适用于制造需承受较大应力的零件,如汽车传动轴、齿轮等;特殊合金钢则具有出色的耐热性、耐腐蚀性等性能,多用于制造高温、腐蚀环境下使用的设备零件。
不锈钢因含铬较高,具有良好的耐腐蚀性,但相对于碳素钢和合金钢,其强度和硬度略有欠缺。不同牌号的不锈钢,根据合金元素的不同,在力学性能上也会有所差异。通常来说,奥氏体不锈钢具有较高的延伸率和冲击韧性,ferrite不锈钢的强度和硬度较高,artensitic不锈钢则介于二者之间。
4.3钢铁材料的热处理工艺
钢铁材料的力学性能不仅取决于其化学成分,还与热处理工艺密切相关。通过合理的热处理,可以进一步优化钢铁材料的各项性能指标,满足不同应用领域的需求。
碳素钢的常见热处理工艺包括正火、淬火、回火等。正火是让钢料经过一定升温后,在炉内缓慢冷却的过程,可以提高钢料的均匀性和组织稳定性。淬火则是将钢料加热到奥氏体区域后,迅速冷却,可以大幅提高钢料的硬度。回火是在淬火后,适当提高钢料温度并缓慢冷却,用以调整硬度和韧性的平衡。通过不同的淬火和回火工艺组合,可以生产出具有不同力学性能的碳素钢。
合金钢的热处理工艺相对更加复杂,除了常见的正火、淬火、回火外,还包括淬火后回火、调质处理等。合金元素的加入,使得合金钢在热处理过程中会产生更加复杂的相变,从而获得更优异的力学性能。例如,添加镍、铬等元素的合金钢可以获得更高的淬火硬度,添加钼、钒等元素的合金钢则具有更好的高温强度。
不锈钢的热处理工艺与碳素钢和合金钢也有所不同。奥氏体不锈钢无需淬火即可获得较高的强度,但需要进行回火以提高韧性;ferritic和artensitic不锈钢则需要经历淬火和回火工艺。不锈钢在热处理过程中,还需要特别注意避免应力腐蚀等问题的发生。
4.4钢铁材料的成型和加工方法
除了化学成分和热处理工艺,钢铁材料的成型和加工方法也是影响其性能的重要因素之一。通过不同的加工工艺,可以赋予钢铁材料特定的形状和尺寸,满足工程应用的需求。
对于钢铁材料的成型加工,主要有锻造、轧制、铸造等方法。锻造是通过机械作用,使钢料发生塑性变形而获得所需形状的一种加工方法,可以提高材料的力学性能。轧制是利用辗压力对钢料进行塑性变形,生产出各种钢材型材,如钢板、钢带、钢管等。铸造则是将熔融的钢料浇注到预先制作的模具中,经凝固后获得所需形状的工艺。不同的成型方法会对钢铁材料的组织结构和性能产生一定影响。
除基本的成型工艺外,钢铁材料还可以通过机械加工、焊接、热处理等二次加工手段进一步改善性能。例如,机加工可以去除表面缺陷,提高表面质量;焊接则可以实现不同钢种之间或钢与其他材料之间的连接;热处理工艺如正火、淬火、回火等则可以调整材料的组织结构和力学性能。
不同种类的钢铁材料,其成型和加工方法也存在一定差异。总的来说,碳素钢和合金钢由于强度较高,加工难度相对较大,需要更高的加工力和能量。而不锈钢由于含铬较高,易氧化,在加工过程中需要特别注意防护措施。
4.5钢铁材料的应用领域与特点
随着科学技术的不断进步,钢铁材料的应用领域也越来越广泛。不同种类的钢铁材料,凭借其独特的性能特点,在各个行业中扮演着不可或缺的角色。
碳素钢因其成本低廉、加工性能良好,广泛应用于机械制造、建筑工程、家用电器等领域。低碳钢钢被广泛用于制造汽车车身、家电外壳等需要一定塑性的部件;中碳钢则适合制造齿轮、轴承等需要耐磨性的零件;高碳钢则多用于制造各种刀具、弹簧等高硬度制品。
合金钢由于具有优异的力学性能,在一些特殊领域有着不可替代的优势。结构合金钢广泛应用于航空航天、汽车、机械制造等行业的关键零部件;特殊合金钢则ore适用于化工、石油、核电等高温、腐蚀环境下的设备制造。
不锈钢凭借出色的耐腐蚀性能,广泛应用于食品加工设备、医疗器械、建筑装饰等领域。奥氏体不锈钢因其良好的可焊性和成型性,适用于制造厨房用具、家用电器等;ferritic和artensitic不锈钢则更适合制造化工设备、石油管线等耐腐蚀的工业装备。
此外,随着新材料技术的不断进步,一些新型钢铁材料也已经逐步走向应用。如高强度钢因具有更高的强度重量比,在汽车轻量化领域有着广阔的应用前景;dual-phase钢因其优异的强韧性,在关键机械零件制造中发挥着重要作用;不锈钢基复合材料则为工业装备提供了更加耐用的选择。
4.6新型钢铁材料的研发与应用
伴随着工业技术的不断发展,以及对材料性能的不断提升需求,新型钢铁材料的研发与应用正在成为一个热点领域。
从基础研究角度来看,科研人员正在针对钢铁材料的化学成分、组织结构、热处理工艺等进行深入探索,以期突破现有材料的性能瓶颈。例如,通过精细调控合金元素的种类和含量,研发出具有更高强度、韧性、耐热性的新型合金钢;利用新型热处理技术,开发出性能更优异的碳素钢和不锈钢等。
在应用开发方面,工程技术人员正在将新型钢铁材料广泛应用于航空航天、节能环保、生物医疗等前沿领域。如高强韧钢广泛用于制造汽车车身和飞机结构,以达到轻量化目标;不锈钢基复合材料则广泛应用于生物医疗植入体等领域,发挥出优异的生物相容性。
此外,伴随着工业4.0时代的到来,信息化技术与先进制造技术的深度融合,也为新型钢铁材料的研发应用带来了新的机遇。利用大数据分析、人工智能等技术手段,可以更精准地预测和控制材料性能,加快新材料的开发进程;同时,基于数字孪生、增材制造等技术,也为钢铁材料的个性化定制生产提供了新的可能。
总之,新型钢铁材料的研发与应用正处于一个快速发展阶段,必将为推动工业现代化、实现可持续发展做出重要贡献。
5.现代钢铁工业的科技创新
5.1炼钢过程的自动化控制技术
钢铁工业作为国民经济的基础产业，其生产过程高度复杂且环境恶劣，对于生产过程的自动化控制提出了严格的要求。近年来，钢铁行业积极推进生产过程的智能化和数字化转型，利用先进的自动化控制技术提高生产效率、产品质量和管理水平。
首先，在高炉炼铁环节，企业广泛应用计算机监控技术、智能化决策支持系统等，实现对高炉炉温、风量、料顶等关键参数的实时监测和精确调控，确保高炉稳定、高效运行。例如宝钢集团在高炉炼铁过程中采用基于人工智能的自适应智能控制系统，能够根据高炉实时运行状况自动调整各项生产参数,大幅提升了高炉的炼铁效率和产品质量。
在转炉炼钢环节，企业广泛应用先进的过程控制系统、机器视觉技术等手段，实现对吹氧过程、出钢温度、合金添加等关键工艺参数的自动检测和精准调控。如武钢在转炉炼钢中采用基于深度学习的智能诊断系统，能够实时分析转炉炼钢过程中的各项参数变化,提前发现异常情况并给出优化建议,大幅提升了转炉运行效率和转炉炼钢质量。
此外，企业还广泛应用机器人技术、虚拟仿真等手段,实现了对高炉煤气回收、冶渣处理等辅助环节的自动化操作,进一步提高了生产过程的智能化水平。
5.2钢铁产品品质检测与质量管理
钢铁产品质量是企业核心竞争力的关键所在。近年来,钢铁企业不断加大在产品质量检测与管理方面的投入,利用先进的检测手段和信息技术手段提升产品质量管理水平。
首先,企业广泛应用在线检测技术,实现对钢铁产品的化学成分、尺寸、表面质量等参数的实时监测和智能分析。例如宁波钢铁采用基于机器视觉的在线表面缺陷检测系统,能够准确、快速地识别和定位产品表面的各类缺陷,大幅提升了产品质量检验效率。
其次,企业运用大数据分析和人工智能技术,建立健全的产品质量追溯和预警机制。通过对历史生产数据的深度挖掘分析,企业可以及时发现产品质量异常,并针对性地调整生产工艺参数,确保产品质量稳定。如浦项钢铁公司开发的基于大数据的智能质量管理系统,能够实时监测生产全过程的质量数据,并利用机器学习算法预测潜在的质量风险,大幅提升了产品质量的可控性。
此外,企业还广泛应用移动互联网、物联网等信息技术手段,实现产品全生命周期的质量追溯和信息共享,增强了客户对产品质量的信任度。如宝钢集团推广应用的\"钢铁产品质量追溯系统\",使用手机App即可查询钢材的生产、检验、包装等全过程信息,有效提升了产品质量的透明度。
5.3节能减排与清洁生产工艺
在能源价格不断上涨、环保压力日益加大的背景下,钢铁企业必须加快节能减排和清洁生产技术的创新应用,以降低生产成本、改善环境。
首先,企业积极推广高炉煤气回收利用技术。通过对高炉煤气进行深度净化处理,可回收利用高炉煤气中的燃料成分,满足企业自身的动力需求,减少对外购燃料的依赖。如宝钢集团在高炉煤气回收利用方面的技术创新,使高炉煤气回收利率达到95%以上,大幅降低了生产成本和碳排放。
其次,企业积极推广节能技术改造,提高能源利用效率。例如,鞍钢在炼钢过程中广泛应用余热回收技术,将转炉和连续铸造过程中产生的高温废气进行回收利用,为企业提供蒸汽和电力,显着提升了能源利用效率。
此外,钢铁企业还广泛应用先进的烧结-球团-高炉-转炉一体化炼铁技术,实现了对铁矿石、煤炭等原料的高效利用和转化,大幅降低了单位产品的能耗和排放水平。如宝钢湛江基地采用的REx直接还原工艺,在原料预处理、还原熔融等环节实现了节能减排,产品单位能耗和碳排放指标均达到了国际先进水平。
5.4数字化与智能化在钢铁业的应用
近年来,以大数据分析、人工智能、物联网等为代表的新一代信息技术,正在深度融合到钢铁行业的各个环节,推动着钢铁企业向数字化、智能化转型。
首先,企业广泛应用ES(制造执行系统)等生产管理信息化系统,实现对生产全过程的数字化管控。通过对生产计划、工艺参数、设备状态等信息的实时监测和分析,企业可以快速发现并解决生产过程中的问题,提高了生产效率和产品质量。如宝钢集团开发的\"钢铁生产信息化管控平台\",集成了从原料到产品全流程的数字化管理功能,有效提升了生产管理水平。
其次,企业积极应用工业互联网、工业大数据等技术,实现对生产设备的智能化管理。通过对设备运行数据的实时采集和分析,企业可以及时发现设备故障苗头,并利用人工智能算法进行故障预测和智能诊断,大幅提高了设备管理水平和可靠性。如首钢集团开发的\"智能制造云平台\",融合了工业大数据、人工智能等技术,对公司范围内的生产设备进行全面的监测和智能管理,有效提升了设备利用效率。
此外,企业还广泛应用虚拟仿真、增强现实等技术,在产品设计、工艺优化、设备维护等环节进行数字化创新。例如,宝钢集团利用虚拟仿真技术开展产品设计优化,不仅大幅缩短了产品开发周期,还有效提高了产品质量和可靠性。
总的来说,数字化与智能化技术的广泛应用,正在重塑着钢铁企业的生产和管理模式,推动着钢铁行业向更加高效、绿色、智能的方向发展。
5.5循环经济在钢铁业中的实践
为应对资源与环境的双重挑战,钢铁企业积极践行循环经济理念,实现资源的循环利用和废弃物的综合利用,努力构建绿色发展模式。
首先,企业大力推广钢铁废料的回收利用。通过对废钢的收集、分拣和熔炼再利用,钢铁企业不仅节约了大量铁矿石等自然资源,还减少了废钢对环境的污染。如宝钢集团建立了覆盖全国的废钢回收网络,回收的废钢占其生产原料的60%以上,年创造直接经济效益近百亿元。
其次,企业积极开发冶炼过程中产生的工业副产品的综合利用技术。例如,将高炉渣制成水泥、路基材料等建筑材料;将转炉煤气进行深度净化后用作燃料;将烧结灰等废渣制成铁粉回用于生产。通过对这些工业副产品的综合利用,不仅实现了资源的循环利用,还大幅降低了企业的排放和废弃物处理成本。
此外,企业还积极推广钢铁产品的回收利用。通过对报废钢铁产品的回收和再利用,不仅减少了新产品生产过程中的资源消耗,还大大降低了废弃物的排放。如宝钢集团建立了覆盖全国的汽车、家电等钢铁产品的回收网络,年回收利用废钢150万吨以上。
总的来说,通过对废弃物和工业副产品的综合利用,钢铁企业正在逐步构建起循环经济的产业链条,实现了资源价值的最大化,为行业的绿色转型注入了新动能。
5.6钢铁行业的技术创新驱动力
钢铁行业作为传统制造业的代表,正处于向数字化、智能化转型的关键时期。企业持续加大在先进制造技术、信息化技术等方面的研发投入,不断提升自主创新能力,是推动钢铁行业高质量发展的重要动力。
首先,钢铁企业的技术创新离不开政府的政策支持和引导。近年来,国家出台了一系列支持钢铁行业技术创新的政策措施,为企业提供了良好的创新环境。例如,国家出台的《钢铁工业节能减排和绿色发展行动计划》,为企业在节能降耗、清洁生产等方面的技术创新提供了政策支持。
其次,钢铁企业积极加强与科研院所、高等院校的合作,通过产学研联合攻关的方式,不断提高自身的技术创新实力。如宝钢集团与上海交通大学长期开展战略合作,双方在先进钢铁制造技术、智能制造等领域开展了广泛深入的研究与应用,形成了良好的产学研协同创新机制。
此外,企业内部也不断加强创新机制建设,营造有利于技术创新的文化氛围。通过实施技术创新激励政策、完善研发管理体系等措施,激发员工的创新热情,为企业持续注入创新动力。如首钢集团建立了以\"创新引领、共赢发展\"为核心的创新驱动机制,大幅提升了企业的技术创新实力。
总的来说,政府引导、产学研联动、内部机制建设等多方面因素的推动,正在成为推动钢铁行业技术创新的强大动力,为实现行业高质量发展注入新的活力。
6.钢铁在国民经济中的重要地位
6.1钢铁工业对Gdp的贡献
钢铁工业作为国民经济的基础性行业，其发展水平直接影响着整个国家经济的运行状况。在过去的几十年里，我国钢铁行业实现了跨越式发展，已成为世界最大的钢铁生产国和消费国。根据统计数据显示，2021年我国粗钢产量达到10.86亿吨，占全球粗钢产量的53.3%。钢铁工业的蓬勃发展也带动了相关上下游行业的同步增长，为国民经济做出了重要贡献。
具体来说，2021年我国钢铁工业增加值约为31,855亿元，占Gdp的3.24%。尽管这一占比相对较小，但钢铁行业的关联度极高，拉动效应显着。据测算，每1个钢铁行业就业岗位可带动3.6个上下游及相关行业就业机会。此外，钢铁行业还是重要的税收来源，2021年钢铁工业税收约为6,700亿元，占全国税收总额的5.7%。可以说，钢铁工业的发展壮大极大地推动了我国国民经济的持续增长。
6.2钢铁业对基础设施建设的支撑
作为国民经济的基础产业，钢铁工业与基础设施建设密切相关。各类基础设施项目如铁路、公路、桥梁、房地产等都离不开钢材的大量应用。据统计,2021年我国基础设施投资规模达到17.7万亿元,同比增长0.4%,其中钢铁消费量约占建筑和基础设施领域总钢铁消费量的六成。可以说，钢铁行业为我国基础设施建设的高质量发展提供了坚实的物质基础。
此外,随着我国新型城镀化进程的推进,城市轨道交通、高速公路等重大基础设施建设呈现快速发展态势,这些领域都对钢铁材料有着旺盛需求。有研究预测,未来10年内,我国基础设施建设投资规模将维持在较高水平,这不仅为钢铁行业创造了广阔的市场空间,也将为国民经济发展注入持续动力。
6.3钢铁在制造业发展中的关键作用
钢铁作为工业生产的基础原材料,在制造业发展中发挥着至关重要的作用。从汽车、机械、电力到航天航空等众多领域,钢铁都是必不可少的关键原料。以汽车制造业为例,钢铁材料占汽车总重量的70%左右,是汽车制造不可或缺的主要原材料。在高端装备制造业中,钢铁也是不可替代的关键基础材料。
值得一提的是,近年来我国制造业正加快转型升级,对高性能、高附加值钢材的需求呈现快速增长趋势。比如在新能源汽车领域,对高强钢、不锈钢等特殊钢材的需求就非常旺盛。再如在航天航空装备制造中,对耐高温、耐腐蚀等特种钢材的需求也日益增加。钢铁行业必须顺应制造业转型升级的需求,不断提升产品质量和技术水平,为制造业高质量发展提供坚实的材料保障。
6.4钢铁行业对就业市场的带动效应
钢铁行业作为资本和劳动密集型产业,在吸纳就业方面发挥着重要作用。据统计,2021年我国钢铁行业直接就业人数约为390万人。如果考虑上下游相关产业,钢铁行业带动的就业人数超过1,400万人。可以说,钢铁工业是带动我国就业市场的重要支柱产业之一。
特别是在一些钢铁工业集中区域,钢铁行业成为当地最主要的就业来源。以河北省钢铁重镇承德市为例,钢铁行业直接和间接带动就业人数占当地就业总人数的60%左右。可以说,钢铁行业为当地居民提供了大量就业机会,极大改善了当地居民的生活状况。
未来随着钢铁工业智能制造水平的不断提升,对高素质人才的需求也将进一步增加。钢铁企业应该加大技能培训力度,为职工提供更多发展机会,助力于就业市场的稳定。
6.5钢铁工业与国家经济安全的关系
作为支撑国民经济运行的基础性产业,钢铁工业的发展状况直接影响到国家经济安全。首先,钢铁是重要的战略物资,在国防建设、能源开发、基础设施建设等领域发挥着不可替代的作用。一旦发生突发事件或战争状态,国内钢铁工业的稳定运行对国家安全具有关键意义。
其次,钢铁工业是国民经济运转的\"压舱石\"。钢铁行业是制造业的基础,关联度极高,其发展状况直接影响到上下游产业链的运转。如果钢铁工业出现严重产能过剩或供给短缺,都会引发工业生产、基础设施建设乃至居民生活的重大障碍,威胁国家经济安全。
因此,确保钢铁工业的稳定、健康发展对于维护国家经济安全具有不可替代的战略意义。相关部门和企业应该牢牢把握钢铁行业发展的脉搏,采取有针对性的政策措施,确保钢铁工业始终在合理产能区间运行,为国家经济安全筑牢坚实基础。
6.6推动钢铁工业高质量发展的措施
综上所述,钢铁工业在国民经济中的地位举足轻重。为推动钢铁行业实现高质量发展,需要采取以下措施:
一是持续优化产业布局,加快淘汰落后产能,大力发展智能制造。要按照\"优大限小\"的原则,合理控制总体产能规模,提高行业集中度,增强整体竞争力。同时,积极推进钢铁企业的智能化转型,提升装备水平和工艺技术,降低能耗排放,提高资源利用效率。
二是加强绿色低碳发展,推进行业绿色转型。要大力推广先进的节能减排技术,鼓励钢铁企业开发利用清洁能源,提高资源综合利用水平。同时,要建立健全绿色低碳标准体系,引导钢铁行业绿色转型升级,为实现碳达峰碳中和目标贡献力量。
三是完善产业政策体系,优化营商环境。要制定有针对性的产业扶持政策,加大财税、金融、用地等方面的支持力度,帮助钢铁企业纾困解难。同时,进一步优化行政审批流程,营造公平竞争的市场环境,促进钢铁行业高质量发展。
四是加强产业链供应链协同,提升行业整体竞争力。鼓励钢铁企业加强上下游协作,共享资源、优化布局,构建更加稳定高效的产业链供应链体系。同时,支持龙头企业开展兼并重组,培育更多具有国际竞争力的大型钢铁集团。
只有把握住钢铁行业发展的关键点,采取有力措施,才能推动钢铁工业实现高质量发展,为国民经济持续健康发展提供坚实保障。