缺陷化瑕为玉、废料变废为宝，答好未来答卷！重读“新”钢铁是怎样炼成的

　　央视网消息：如今，从航空航天到深海装备，对高性能钢的需求越来越迫切。在河北唐山的一间钢铁实验室，正尝试用一种新思路来补上这块短板。

　　这是钢做的，生活中都不陌生的锤子。而这也是钢做的，是每天都需要承载成千上万吨列车来回碾压的特种钢材。同样是钢差别怎么这么大，是因为它们的成分还有制作工艺的不同。从我们生活中常见的自行车、汽车到深海装备，到航空航天等都需要用到这样的特种钢材，但是传统大家最常用的制作方法是往钢里添加大量合金元素，但是其中有不少合金元素都得依赖国外进口，而且价格昂贵。这个实验室提出了一种新路径，不需要往里面添加大量的合金元素，也能造出高性能的钢铁。

　　这台透射电镜能把样本放大到上百万倍，研究人员盯着的正是这些原子的“队形”。钢之所以硬和韧秘密都藏在这里，哪怕只是挪动几个原子的位置，钢的性能都可能大不一样。

　　理想状态下，原子的排列应该是规整的，但是在热加工过程中可能会出现碳化物，碳化物虽然会让钢的耐磨性提升，但是也会让钢变脆，还会因为受力产生片状的结构——孪晶，它是属于钢的一种缺陷。但是现在，科研人员通过提升工艺可以定制这些缺陷，比如孪晶已经把碳化物包裹起来，这样一来就相当于给它穿上了一层防护“铠甲”，让钢变得既耐磨又有韧性，可以说把原本的缺陷变成了提升钢铁性能的帮手，这个叫作力学冶金技术，科研人员把这个称为化瑕为玉。

　　这样的微观变化究竟是怎么实现的？这台热模拟实验机像一位“原子级的指挥官”，能精准控制温度、压力、反应时间等因素来调节原子排布。研究人员会通过智能分析模型找出最理想的“排兵布阵”方案。

　　燕赵钢铁实验室执行主任杨志南表示，当前，我国有些装备能够达到国际领先水平，给他们做力学冶金技术提供了很大的基础，能够实现精准控制，提升钢铁的性能。

　　力学冶金技术造出的钢铁的性能究竟如何，还得靠实验数据说话。

　　杨志南介绍，常规处理以后这个材料很快就断裂，而这个3GPa的钢铁材料它承受了很长的拉伸、应变，断裂应变达到近11%，抗拉强度达到3050兆帕。比方说有一个1平方厘米面积大小的钢片，它能够承受住30吨的重物。

　　过去想要让钢又强又韧得往钢里添加总量超过30%合金，算下来一吨成本要几万元起步，而力学冶金技术通过精准调控微观缺陷，把合金元素的总用量压到约5%。

　　杨志南表示，通过这个中试平台把实验室里面的技术放大，在放大过程中还会出现一系列问题。在这里面他们把这些问题给解决掉，最终能够为技术走到实际产线奠定很好的基础。

　　截至目前，燕赵钢铁实验室已经有40多项绿色化、智能化、高端化的科研成果走出实验室，在河钢、首钢、敬业、冀南等钢铁企业落地应用。一块块“实验室里的钢”正逐渐变成生产线上的钢、大国重器里的钢。

　　好钢用在刀刃上

　　从大海深处到雪域高原，那些最吃劲的工程正是高性能钢真正的试金石。

　　这是一大片海上风电场，这个高大的风电机的塔筒足足有20多层楼高，是钢制的，坐落于海床上的这个导管架有近50米，也是钢制的。由于海上的风很大，而且它们还常年泡在海水里，这对于钢的性能提出了很大的要求。

　　华北理工大学冶金学院教授、敬业集团特聘专家张朋介绍，风电钢讲究综合力学性能，包括强度、韧性，在风中来回摇摆不会产生脆断。还有耐腐蚀性，不会在海水里快速发生腐蚀，把它的寿命能够进一步提升。

　　研究人员算了一笔账， 一台海上风电机要用钢数百吨，换上力学冶金技术生产的高性能钢，钢板可以做得更薄，合金用量也大幅减少，一台机组省下来的成本少则几万元，多则十几万元。放眼全国已经建成的数百座海上风电场，这笔账加起来相当可观。

　　而钢的考验不止在海上，高原铁路上的钢还要面对另一番挑战。高原环境紫外线强，昼夜温差大，地壳运动活跃，养护维修不便，一系列因素都给钢提出了很高的要求。通过力学冶金技术，研究人员做出了一种高性能铁路钢，专门应对高原这种“千锤百炼”的服役环境。

　　中国工程院院士、燕赵钢铁实验室教授张福成表示，通过几年的攻关获得了成功，利用他们技术制造的辙叉服役寿命比普通辙叉提高了3倍，是原来道岔寿命的4倍，这个效果还是很明显的。

　　变废为宝 以技术书写未来工业绿色答卷

　　更强的钢、更大的工程背后还藏着一道更难的题——如何能变得更绿色、更环保。钢铁与有色冶金每年产生数以亿吨计的工业固废，长期堆存难以消纳，是世界级的环保难题。能不能把这些“废料”重新变成资源？

　　这些红彤彤的粉末别看颜色漂亮，它的处理可是世界级的难题，它的名字叫赤泥，是生产氧化铝的副产物，每生产一吨氧化铝就会产生1.5吨左右的赤泥。它具有很强的污染性，具有强碱性，而且有很多重金属元素。目前，全球堆放了50亿吨赤泥，而中国堆放了超16亿吨。

　　单论它的成分来说里面还有很多高价值的金属元素，比如有炼钢必备的铁。但是拿磁铁吸却什么也吸不上来，这是因为里面各项金属元素成分非常难以分离。但就在这个实验室取得了新突破，通过这个设备就能让它变废为宝。

　　燕赵钢铁实验室熔盐固态电解技术负责人梁精龙介绍，它主要就是把工业固废赤泥通过用电、通电的形式，把里面的结构打破。赤泥里最主要的成分是铁，主要是三价铁，不好往出拿，但是通过电解形式让它转化成四氧化三铁。电解后的产品磁性很强，可以通过磁选的形式把很纯的磁铁矿分出来，直接可以用到钢铁领域。

　　电解反应让赤泥里的铁被“改造”成强磁性物质，更容易被分离回收，铝、钛、钴、钪这些金属也会在溶液或渣中富集回收。一捧工业固废进到实验室出来的就是铁、铝、钛等这些有价值的资源产品。如今，这套技术已经在中试平台完成了更大规模的试验。

　　梁精龙介绍，它已经可以达到300公斤，他们这个应该是世界上最大的。大体估算过，大概1吨赤泥可以产0.4吨铁矿石铁矿粉，还可以产100公斤氧化铝，渣子含钛能够达到25%—30%，可以卖到1000多元。

　　研究人员表示，整个反应能耗低，不烧煤、不排二氧化碳，还大大降低了赤泥的碱度，达到对水土完全无害的水平。对积存了超16亿吨赤泥的中国来说，这意味着堆了半个多世纪的“红色大山”不再只是环境的负担，而是一座待开采的“矿山”。

　　与此同时，实验室对钢铁的探索还在继续。让钢回归本“素”：少加合金、少掺杂质、少排碳，给整个钢铁行业找一条更轻、更净、更绿的路。

　　张福成表示，新时代钢铁的发展方向就是低碳、绿色、智能和高质量。我们达到了目前整个钢铁领域追求的一个强度极限。面向国家的重大战略重大工程，高原铁路、风电钢还有汽车钢都实现了规模化的生产，都使钢铁的成本得到了降低，性能同时也得到了提升。

　　在这里，缺陷可以化瑕为玉，废料可以变废为宝，传统产业也能“长出”新质生产力。钢铁素化科学与技术，这是新时代钢铁的方向，也是燕赵钢铁实验室交给未来的一份答卷。