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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

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(原标题: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。

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