中国冶金报社
记者 樊三彩 报道
记者 顾学超 摄影
张福成
1月30日，在钢铁行业科技创新大会上，中国工程院院士张福成做《钢铁新材料创新发展方向思考——钢铁素化科学与技术》专题报告，从钢铁素化的核心定义、实践应用到理论技术层层展开，为钢铁新材料创新发展指明路径。
何为钢铁素化？张福成介绍，传统长流程钢铁冶金存在反复“过度”氧化/还原反应，造成高排放、高合金、多杂质，同时，增加了能耗和成本。而钢铁素化就是实现先进钢铁冶金——低排放（用氢冶金、熔盐电解、碳氧循环等技术，减少炼铁、炼钢、轧钢过程污染物和碳排放），低合金（用力学冶金、微合金化，以及外场协同技术，减少合金元素使用量），少杂质（用洁净原料、外场协同、超纯净冶炼技术，减少有害元素含量、改善夹杂物成分结构和分布）。
他分享了团队在素化炼铁、素化炼钢、素化轧钢3个领域的实践成果。
在素化炼铁方面，其团队研发了零碳排放低温熔盐原位固态电解技术、高炉碳循环炼铁技术。前者，突破全球范围公认的FCC电解技术框架，研制出世界首台套500 kg级熔盐原位固态电解冶炼中试设备，能够将精铁矿、赤泥、低品位矿、伴生矿、新能源固废等的小规模化铁等金属进行高效还原。后者，该团队解析了炉顶煤气+造气高炉碳循环冶炼过程反应机理，开发了炉顶煤气高炉碳循环技术，可为高炉环节降碳20%以上。
在素化炼钢方面，其团队研发了炉后渣洗技术、夹杂物调控技术、CO₂捕集技术。
其中，炉后渣洗技术实现了高端钢种精炼素化处理，节省脱氧用贵合金成本10元/t，LF精炼缩减6-8min，脱硫率超50%，结合全流程夹杂物控制工艺，大幅度提高了钢的冶金质量。该技术可用于冷墩钢、轴承钢、齿轮钢等低碳排放、低能耗、低成本实际生产。
针对钢铁低浓度CO₂捕集难及钢渣利用痛点，该团队开发出钢渣选择性固碳技术直接捕集烟气CO₂，研制出鱼礁/石材/微粉多种负碳产品，用于海洋/建材/环保领域。实现烟气CO₂原位固定及钢渣100%利用，固碳量达170kg/t钢渣以上。该技术已建成千吨级工业示范，实现烟气CO₂原位固定与钢渣协同利用。
在素化轧钢方面，其团队采用力学冶金技术研发了川藏铁路用轨道钢、3GPa高塑韧低合金钢、超高硬韧轴承钢、超淬透性低合金钢、超低温高锰钢、耐磨钢板、普通结构钢板等产品。
以3GPa高塑韧低合金钢为例，其团队利用力学冶金技术，通过晶体缺陷设计成功研制出具有超高塑韧性的3GPa低合金钢，具备抗拉强度达3050MPa、塑性达9%、断裂韧性达60MPa·m1/2等极其优异的力学性能，可用于超级防护装甲等高端装备制造。该成果达到目前世界范围公开报道的最高水平，打破了以往3GPa钢仅有超高合金含量马氏体时效钢制造的局面，而且其塑韧性明显高于马氏体时效钢。
“实现钢铁素化，应该从基础理论和关键技术两方面来开展工作。”张福成强调，基础理论包括钢铁素化全流程冶金理论、钢铁素化晶体缺陷控制理论、钢铁素化非平衡相变理论、钢铁素化合金化理论，关键技术包括钢铁素化力学冶金技术、外场协同技术、冶炼技术、残余应力控制技术、装备制造技术，以及钢铁微合金化技术、AI赋能钢铁素化技术。
以钢铁素化非平衡相变理论为例。“近些年，该理论发展很快，因为钢铁素化要降低合金元素，继而会带来一系列问题，最核心的就是热力学、动力学问题的变化。”张福成进一步阐释道，“最好的办法就是让外场来改变，即采用外加能量场（磁、电、声等）来调控钢的相变规律、增强相变驱动力、调控相变组织。因此，非平衡相变理论是力图建立‘物理合金化’的新理论。”
在关键技术中，微合金化技术为钢铁素化提供了化学成分设计基础，钢中的微合金元素与其他元素交互作用，通过形成化合物、诱导微区偏聚、调控相变过程等机制，在提高洁净度、淬透性，细化晶粒及优化强塑韧性方面发挥作用，是实现钢铁素化设计的核心途径之一。
AI赋能钢铁素化技术，即通过数据—机理混合驱动策略，基于数据、图片等多模态信息融合，嵌入热动力学约束条件及缺陷与合金等效当量规则，开发覆盖成分-工艺-缺陷-性能全链路的智能化模型，建立钢铁素化智能设计平台。“我们的一大特点是加入了‘缺陷’这一要素进行设计。”张福成表示，提升钢性能的传统路径是添加合金元素。但采用力学冶金技术，用晶体缺陷代替合金元素，设计并调控钢铁材料内部位错、孪晶、相界、晶界等缺陷，能实现少、无合金元素钢铁材料性能的跃升。
报告尾声，张福成结合前期技术研发与实践经验，分享了对钢铁素化的深刻哲学思考，为行业发展提供启示。他引用“工欲善其事，必先利其器（工具）”指出，近年来，强力可控轧机/压机、外场和电解装备、氢基竖炉等冶金生产工具的快速升级，加之AI技术的蓬勃发展，为钢铁素化的实现提供了坚实保障。“生产工具是生产力水平的核心标志，我们应充分利用现代冶金设备，以钢铁素化发展钢铁行业新质生产力，推动产业高质量转型。”他说。
