張福成院士解讀鋼鐵素化：新質生產力的新路徑

2026-03-27 05:11:10

中國冶金報社

記者樊三彩報道

記者顧學超攝影

張福成

　　1月30日，在鋼鐵行業科技創新大會上，中國工程院院士張福成做《鋼鐵新材料創新發展方向思考——鋼鐵素化科學與技術》專題報告，從鋼鐵素化的核心定義、實踐應用到理論技術層層展開，為鋼鐵新材料創新發展指明路徑。

　　何為鋼鐵素化？張福成介紹，傳統長流程鋼鐵冶金存在反複“過度”氧化/還原反應，造成高排放、高合金、多雜質，同時，增加了能耗和成本。而鋼鐵素化就是實現先進鋼鐵冶金——低排放（用氫冶金、熔鹽電解、碳氧循環等技術，減少煉鐵、煉鋼、軋鋼過程汙染物和碳排放），低合金（用力學冶金、微合金化，以及外場協同技術，減少合金元素使用量），少雜質（用潔淨原料、外場協同、超純淨冶煉技術，減少有害元素含量、改善夾雜物成分結構和分布）。

　　他分享了團隊在素化煉鐵、素化煉鋼、素化軋鋼3個領域的實踐成果。

　　在素化煉鐵方麵，其團隊研發了零碳排放低溫熔鹽原位固態電解技術、高爐碳循環煉鐵技術。前者，突破全球範圍公認的FCC電解技術框架，研製出世界首台套500 kg級熔鹽原位固態電解冶煉中試設備，能夠將精鐵礦、赤泥、低品位礦、伴生礦、新能源固廢等的小規模化鐵等金屬進行高效還原。後者，該團隊解析了爐頂煤氣+造氣高爐碳循環冶煉過程反應機理，開發了爐頂煤氣高爐碳循環技術，可為高爐環節降碳20%以上。

　　在素化煉鋼方麵，其團隊研發了爐後渣洗技術、夾雜物調控技術、CO₂捕集技術。

　　其中，爐後渣洗技術實現了高端鋼種精煉素化處理，節省脫氧用貴合金成本10元/t，LF精煉縮減6-8min，脫硫率超50%，結合全流程夾雜物控製工藝，大幅度提高了鋼的冶金質量。該技術可用於冷墩鋼、軸承鋼、齒輪鋼等低碳排放、低能耗、低成本實際生產。

　　針對鋼鐵低濃度CO₂捕集難及鋼渣利用痛點，該團隊開發出鋼渣選擇性固碳技術直接捕集煙氣CO₂，研製出魚礁/石材/微粉多種負碳產品，用於海洋/建材/環保領域。實現煙氣CO₂原位固定及鋼渣100%利用，固碳量達170kg/t鋼渣以上。該技術已建成千噸級工業示範，實現煙氣CO₂原位固定與鋼渣協同利用。

　　在素化軋鋼方麵，其團隊采用力學冶金技術研發了川藏鐵路用軌道鋼、3GPa高塑韌低合金鋼、超高硬韌軸承鋼、超淬透性低合金鋼、超低溫高錳鋼、耐磨鋼板、普通結構鋼板等產品。

　　以3GPa高塑韌低合金鋼為例，其團隊利用力學冶金技術，通過晶體缺陷設計成功研製出具有超高塑韌性的3GPa低合金鋼，具備抗拉強度達3050MPa、塑性達9%、斷裂韌性達60MPa·m1/2等極其優異的力學性能，可用於超級防護裝甲等高端裝備製造。該成果達到目前世界範圍公開報道的最高水平，打破了以往3GPa鋼僅有超高合金含量馬氏體時效鋼製造的局麵，而且其塑韌性明顯高於馬氏體時效鋼。

　　“實現鋼鐵素化，應該從基礎理論和關鍵技術兩方麵來開展工作。”張福成強調，基礎理論包括鋼鐵素化全流程冶金理論、鋼鐵素化晶體缺陷控製理論、鋼鐵素化非平衡相變理論、鋼鐵素化合金化理論，關鍵技術包括鋼鐵素化力學冶金技術、外場協同技術、冶煉技術、殘餘應力控製技術、裝備製造技術，以及鋼鐵微合金化技術、AI賦能鋼鐵素化技術。

　　以鋼鐵素化非平衡相變理論為例。“近些年，該理論發展很快，因為鋼鐵素化要降低合金元素，繼而會帶來一係列問題，最核心的就是熱力學、動力學問題的變化。”張福成進一步闡釋道，“最好的辦法就是讓外場來改變，即采用外加能量場（磁、電、聲等）來調控鋼的相變規律、增強相變驅動力、調控相變組織。因此，非平衡相變理論是力圖建立‘物理合金化’的新理論。”

　　在關鍵技術中，微合金化技術為鋼鐵素化提供了化學成分設計基礎，鋼中的微合金元素與其他元素交互作用，通過形成化合物、誘導微區偏聚、調控相變過程等機製，在提高潔淨度、淬透性，細化晶粒及優化強塑韌性方麵發揮作用，是實現鋼鐵素化設計的核心途徑之一。

　　AI賦能鋼鐵素化技術，即通過數據—機理混合驅動策略，基於數據、圖片等多模態信息融合，嵌入熱動力學約束條件及缺陷與合金等效當量規則，開發覆蓋成分-工藝-缺陷-性能全鏈路的智能化模型，建立鋼鐵素化智能設計平台。“我們的一大特點是加入了‘缺陷’這一要素進行設計。”張福成表示，提升鋼性能的傳統路徑是添加合金元素。但采用力學冶金技術，用晶體缺陷代替合金元素，設計並調控鋼鐵材料內部位錯、孿晶、相界、晶界等缺陷，能實現少、無合金元素鋼鐵材料性能的躍升。

　　報告尾聲，張福成結合前期技術研發與實踐經驗，分享了對鋼鐵素化的深刻哲學思考，為行業發展提供啟示。他引用“工欲善其事，必先利其器（工具）”指出，近年來，強力可控軋機/壓機、外場和電解裝備、氫基豎爐等冶金生產工具的快速升級，加之AI技術的蓬勃發展，為鋼鐵素化的實現提供了堅實保障。“生產工具是生產力水平的核心標誌，我們應充分利用現代冶金設備，以鋼鐵素化發展鋼鐵行業新質生產力，推動產業高質量轉型。”他說。

來源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯：張雨恬

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