日本、韓國鋼鐵新材料研發情況對我國的啟示

肖邦國，霍咚梅

（冶金工業規劃研究院軋鋼處，北京 100711）

專論與綜述

日本、韓國鋼鐵新材料研發情況對我國的啟示

肖邦國，霍咚梅

（冶金工業規劃研究院軋鋼處，北京 100711）

在研究了日本、韓國鋼鐵行業新材料發展及研發模式的基礎上，對我國鋼鐵行業新材料研發工作提出了幾點建議。指出，我國鋼鐵工業仍然存在先進生產技術、高端產品研發和應用依靠引進和模仿等問題，需要繼續大力開展基礎性、前沿性的科研工作來不斷提高企業的創新能力。建議企業逐年加大科研開發資金投入，并與優秀企業合作聯合開發，同時先期介入到下游行業，將新技術和新工藝研發視為企業未來發展新動力。

鋼鐵新材料；超級鋼；研發模式；先期介入

1 前言

鋼鐵材料是我國國民經濟發展的物質基礎，亦是影響經濟建設的重要因素。2013年，我國粗鋼產量再創歷史新高，達到7.79億t，連續多年位居世界第一。鋼鐵產業的迅猛發展，在滿足我國經濟快速發展需要的同時，也由于生產規模的不斷擴大，面臨產能過剩、產業布局不合理、集中度低、資源保障能力差等諸多問題，同時，給資源和能源供應、交通運輸、環境保護等帶來了巨大壓力。對于鋼鐵行業而言，當前加快推動結構調整既是國家轉變發展方式的戰略要求，也是市場倒逼企業轉型發展的必然選擇。在這種形勢下，廣大鋼鐵企業必需按照“轉方式、優結構、提質量、增效益”的思路，由規模效益向品種質量效益轉變。可見，提高鋼鐵材料的質量和性能，延長使用壽命，同時，盡可能減少資源、能源消耗和環境污染，已成為鋼鐵材料研究、生產和使用部門共同面臨的緊迫問題，開展鋼鐵新材料的工業生產研究已迫在眉睫。

相比現有鋼鐵材料，鋼鐵新材料是指通過改變鋼鐵化學成分或生產工藝、改善組織結構、提高純凈度等措施而獲得的具有優異性能的鋼材品種。本研究介紹日本、韓國鋼鐵行業新材料的發展情況，同時，就其研發模式進行分析，并對我國鋼鐵行業新材料研發工作提出建議。

2 鋼鐵行業新材料發展情況

一直以來，世界主要產鋼國均在進行鋼鐵產品工藝、性能優化研究。近年來，不僅在傳統加工工藝上有了明顯進展，一些常規產品的性能水平也得到了很大提高，而且相繼啟動了新一輪鋼鐵新材料研發工作。

2.1 日本鋼鐵新材料發展情況

1993年，日本提出開發極限功能材料的設想，目標是“提高鋼材強度1～2倍，提高使用壽命1倍以上，降低環境負擔，降低包括鋼構件維修費用在內的使用期間總成本”。1997年4月，日本正式啟動了“超級鋼材料計劃”（Structural Materials X for 21 Century），簡稱STX-21，即面向21世紀的結構材料計劃。目標是在10年內開發出強度相當于現有鋼鐵材料2倍的超級鋼，用于道路、橋梁、高層建筑等基礎設施用鋼材的更新換代。截至目前，該項目實施完成了兩個五年計劃，基本達到預期目標。

總的來看，日本鋼鐵新材料的研究開發主要集中在以下方面：800 MPa級焊接性能和可再利用性得到改善的高強度鋼，1 500 MPa級以上超高強度鋼，650℃使用條件下超臨界蒸汽鍋爐用高級鐵素體耐熱鋼，海上和近海環境用耐蝕結構鋼及其他特殊用鋼等。

2.1.1 800MPa級鐵素體焊接結構鋼

傳統普通低合金鋼抗拉強度低，但焊接性能和可再利用性好。高強度鋼由于添加合金元素而提高了強度，但焊接性能和可再利用性差。800 MPa級以鐵素體為基體的一般焊接結構用鋼是將低強度鋼變成細晶粒高強度鋼，將鋼材強度提高1倍而不降低安全性。

目前，日本JFE鋼鐵公司采用淬火+回火的生產工藝，已經成功研制800 MPa級系列鋼板。其中，高強度中厚板HITEN980系列產品，厚度范圍6～120 mm，屈服強度≥865 MPa，抗拉強度930～1 110 MPa，抗彎性能和沖擊韌性良好；高施工型高強度板HITEN780EX系列產品，厚度范圍6～60 mm，屈服強度≥685 MPa，抗拉強度760～910 MPa，抗彎性能和沖擊韌性良好；工業機械和建筑用高強板HITEN980S系列，厚度范圍6～50 mm，屈服強度≥885 MPa，抗拉強度950～1 130 MPa，綜合性能良好。

此外，日本還成功研制出0.5 μm級微細晶鋼，該材料具有抗拉強度800 MPa、均勻伸長率7%、沖擊實驗脆性轉變溫度-200℃等優良性能。針對超細晶粒鋼結構件焊接的問題，已開發出大功率脈沖變頻CO2雷射焊接法和隨機波形控制脈沖電弧焊。這兩種焊接方法相比傳統的焊接方法，速度快，效率高，缺陷出現的概率小。同時，為了獲得超細晶母材強度水平的結構件，日本開發出低彌散度相變溫度的焊料，從而使焊縫疲勞強度提高2倍以上，解決了超細晶粒鋼在工業應用中裝備連接困難的問題，進一步提高了鋼材的綜合性能。

從上述可以看出，日本對800 MPa級結構用鋼的研究已經進入了穩定的工業應用階段，在傳統熱處理工藝的基礎上進行了化學成分和加工工藝的優化，成功研制出這種具備優良綜合性能的高強鋼，并廣泛應用于大型橋梁和工程機械設備。

2.1.2 1500 MPa級以上超高強度鋼

現有鋼材中強度最高的是低碳馬氏體鋼絲繩，一般用作超大型建筑和橋梁的結構材料。它是通過馬氏體時效析出而進行強韌化的，強度可以達到2 500～4 000 MPa，而一旦強度超過1 000 MPa，材料的塑性性能則會明顯下降，疲勞強度也會降低。耐延時破壞或疲勞破壞1 500 MPa級超高強度鋼不僅能在大型建筑和橋梁建設中發揮巨大的作用，而且對軍事工業也有較好的應用前景。

超高強鋼的典型工業應用是在汽車用板領域，典型產品是DP鋼和TRIP鋼。目前，日本已將抗拉強度為1 000～1 200 MPa級的超高強鋼成功應用于汽車保險杠和車門橫梁等關鍵車體零件，抗拉強度達到1 500 MPa的超高強度鋼板已開始應用于熱成型及同時淬火的熱加工技術方法，這是目前超高強度鋼在汽車工業領域應用的最高強度水平。

2.1.3 超超臨界蒸汽鍋爐用鐵素體耐熱鋼

鐵素體耐熱鋼具有優良的導熱性、低的熱膨脹系數、良好的抗晶間腐蝕、抗應力腐蝕性能和較低的生產成本，是鍋爐管的首選鋼種。超超臨界蒸汽鍋爐用鐵素體耐熱鋼主要用于制造火力發電廠高溫高壓下使用的渦輪或鍋爐，使用環境溫度為650℃，環境壓力為33.5 MPa。采用這種新材料，能將鐵素體系耐熱鋼的使用溫度界限從原來的600℃提高至650℃，使現有條件（540℃，24.9 MPa）下的發電效率從39.8%提高到43%，CO2排放量減少3%，不但提高了煤炭的使用效率，也大幅度減少CO2的排放量。

日本對超高臨界電站用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的研究非常活躍，從起步階段的CMn鋼到目前的9%～12%Cr鋼，經歷了Mo鋼、低合金CrMo鋼的發展。在發展過程中通過采用合金化和組織結構控制、使用不同的強化機制，使蠕變強度不斷得到提高。目前，9%～12%Cr耐熱鋼是鐵素體耐熱鋼中蠕變強度最高的鋼系。日本能夠穩定生產的代表鋼種是新日鐵公司在T91基礎上進一步改善的T92，采用以W為主的W-Mo復合固溶強化，加入V、Nb形成碳氮化物彌散沉淀強化以及加入0.001～0.006%的B形成晶界強化，從而研制開發出新型鐵素體耐熱合金鋼。T122是日本住友金屬株式會社以德國X20CrMoV121為基礎研制成功的，其基本化學成分與T92相當，為了提高抗氧化性，將Cr含量提高到12%，并加入1%的Cu來平衡高Cr含量影響到的相穩定性。但這兩種鋼材價格昂貴且長期運行有蠕變脆性傾向。

目前，日本已經掌握了使用溫度達650℃的耐熱鋼的關鍵生產技術，具備生產高性能耐熱鋼的能力，并有一定的工業應用。

2.1.4 海上和近海環境用耐蝕結構鋼

耐腐蝕結構鋼是在鋼中加入少量合金元素，如Cu、P、Cr、Ni、等，使其在金屬基體表面形成保護層，從而提高鋼材的耐腐蝕性能。海洋環境用節能不銹鋼、海濱環境用耐候鋼以及開發相關的焊接技術與使用性能評估技術等是近年日本鋼鐵新材料研究的重要方向。

目前，日本JFE公司已經具備生產Cr-Cu-Mo成分特征的MARIN400～490Y系列耐海水腐蝕鋼產品的能力，產品厚度范圍為6～40 mm，綜合性能優良。此外，還研制成功了Cr-Cu-Al成分體系的10CrMoAl耐蝕鋼，利用材料中的Al，與空氣中的O化學反應生成Al2O3保護膜，從而達到防腐蝕的目的。10CrMoAl中的Cr、Mo離子在海水中能自動補充Cl-1離子對鋼材點腐蝕形成的空隙，形成致密保護層，阻止點腐蝕向縱深發展，達到耐腐蝕、延長使用壽命的效果。

此外，耐海水不銹鋼的主要研究思路是采用熱噴射技術，在鋼材表面形成一層保護膜，作為耐海水腐蝕層。但表面噴涂技術的研究還在實驗室階段，熱噴涂儀器和涂層的開發還處于研究初期。

2.2 韓國鋼鐵新材料發展情況

在日本超級鋼研究項目的帶動下，1998年韓國啟動了“21世紀高性能結構鋼”的鋼鐵新材料研究項目，這是以POSCO鋼鐵公司為主體的國家級研究項目，主要研究開發800 MPa級結構鋼、600 MPa級耐候鋼和1 500 MPa級高強螺栓鋼，研究方向側重于新一代建筑用鋼，目標是使建筑用鋼的強度和使用壽命達到己有鋼材的2倍。與其他國家的超級鋼項目相比，韓國進行的超級鋼研究以微合金鋼為對象，采取低溫大變形的技術路線。

韓國企業在2001年6月完成了抗拉強度600 MPa級建筑用鋼板和具有超級焊接強度高氮鋼板的試驗，試驗項目包括焊接工藝和夾雜物控制。新開發的建筑用材使用的Cr、Mo、Ni等強化元素的比例大大減少。同時，為了獲得高強度，采用低溫軋制，細化材料內部晶粒尺寸，強度相應提高，能源消耗下降。由于新材料使用的合金元素很少，焊接時無需進行退火，縮短了制造周期，降低了生產成本。

2006年11月，浦項鋼鐵公司與現代汽車公司共同開發出一種高強、輕質的汽車鋼板。該新型鋼板的強度1 180 MPa，為目前使用強度590 MPa的2倍，厚度為目前的1/3。采用該鋼板作為原料生產的汽車，強度得到大幅提高，且重量減輕，安全性能大大增強。目前，浦項計劃大規模生產該汽車鋼板，并將在汽車工業領域推廣應用。

3 鋼鐵企業研發模式

3.1 日本鋼鐵企業研發模式

日本鋼鐵企業與下游企業合作研發的模式主要體現在先期介入和產品前瞻性研發。

1）先期介入。為滿足制造業不斷發展的要求，鋼鐵企業與用戶建立了非常好的合作關系，做到先期介入。例如，新日鐵和JFE在汽車板生產研發方面突出特點是做到了全面的先期介入。經過幾十年的合作，新日鐵和JFE已經和日本、美國和德國等汽車生產企業深度合作，在其新車型研發設計的先期階段，就介入到鋼材的設計、選型、沖壓試模等，這樣就可以將汽車企業與鋼鐵企業緊密地聯系在一起，其他企業很難替代。這反映出日本鋼鐵企業具有強大的研發實力。

2）產品前瞻性研發。日本鋼鐵企業緊跟制造業的發展動向，進行了大量前瞻性的材料開發研究作為儲備，以確保日本制造業產品水平能夠保持在世界前列。例如，提前開發出超超臨界發電機組用特殊不銹鋼管，滿足了100萬kW超超臨界新發電機組推向市場的材料需求；初步開發出更環保的耐腐蝕高強船板，為新型環保船舶的發展奠定了基礎。

3.2 韓國鋼鐵企業研發模式

韓國鋼鐵企業產品研發模式主要體現在聯合研發和先期介入。

1）產品聯合研發。2000年浦項與日本新日鐵成立戰略聯盟，共同開發基礎技術，并擴大第三國的合資事業和情報咨詢合作。2001年，浦項和新日鐵的技術戰略聯盟共有23個研究開發和技術交流項目。2002年，浦項又與奧鋼聯公司就激光拼焊板生產技術結成技術聯盟。

此外，浦項還與韓國汽車生產商通用－大宇簽署戰略性技術合作協議，共同設立“技術合作委員會”，加強從新車開發到制造全過程的汽車用鋼開發與合作。該委員會由兩家企業的營銷、采購、研究所、生產技術等部門人員共同參與，已完成多個課題的攻關。浦項不斷擴大TWB鋼板和液壓成形部件等新產品的生產銷售，通過與汽車制造商合作開發適合新車型的鋼材產品，與現代汽車公司共同研發了一種更加堅固和輕質的汽車用鋼板。

2）先期介入。以戰略產品為核心，特別是汽車板生產體系的研發活動，主要采用先期介入的模式，即在客戶開發產品的過程中，在項目的初期階段便參與客戶的技術開發，從而預防鋼材使用過程中各種問題的產生，并支援客戶的先進技術研發。在汽車板開發方面，主要是與世界大型汽車制造企業合作，集中力量開發加工性能、耐久性能、穩定性能、環保性能優越的輕量化汽車鋼板。在API鋼材開發方面，主要是為客戶量身定制專用的API鋼材。

4 對我國鋼鐵新材料研發的啟示

4.1 開展基礎研究

我國于1998年啟動了“新一代鋼鐵材料重大基礎研究”的項目，目標是將占我國鋼產量60%以上的碳素鋼、低合金鋼和合金結構鋼等“三類”鋼的強度和壽命提高一倍。2009年底完成了二期“提高鋼鐵質量和延長使用壽命的冶金學基礎研究”項目，實現了鋼鐵結構材料中靜態和動態承載原型鋼使用壽命翻番的冶金學基礎研究?？梢哉f，我國的鋼鐵材料項目形成了以“高潔凈度、高均勻度、超細晶?！钡匿撹F材料特征控制思路，以實現“強度翻番、壽命翻番”從而降低資源和能源的消耗。從2010年開始，啟動“高性能鋼的組織調控理論與技術基礎研究”第三期項目，建立高性能鋼的多相組織、亞穩組織、組織多尺度化調控的組織控制理論與技術研究，為開發我國第三代低合金鋼、汽車用高強度鋼和耐熱鋼奠定基礎。

經過多年的發展，我國鋼鐵新材料研究取得了顯著的進步。但是，我國鋼鐵工業由于創新能力不強，仍然存在先進生產技術、高端產品研發和應用依靠引進和模仿，一些高技術含量、高性能產品仍需大量進口，以及消費結構處于中低檔水平等問題?？梢?，我國鋼鐵業需要繼續大力開展基礎性、前沿性的科研工作來提高創新能力，以滿足我國在經濟快速發展期所出現的一些新需求。

4.2 加大研發力度

隨著我國鋼鐵工業裝備水平的提高，以及鋼材標準的不斷完善，我國鋼材產品質量有了很大提高，但與下游用戶的要求仍存在較大差距，突出表現在產品開發滯后、質量不穩定、尺寸公差大、平整度差、鋼材表面有缺陷、加工性能不好等方面。主要原因是由于近年鋼材市場產銷兩旺，鋼鐵企業研發動力不足，國內技術人才隊伍素質相對不高，研發投入相對不足。

目前，我國相當一部分鋼鐵企業對核心技術只盲目引進，自主品牌意識還不強，企業間創新能力差距較大，行業整體創新能力與國際先進水平相比還有差距，鋼材品種研發在世界范圍內一直處于“跟跑”的位置。我國鋼鐵企業與下游用戶產品聯合研發，先期介入方面還有很大差距。國內鋼鐵企業只有寶鋼做到了與下游客戶進行產品聯合研發。我國鋼鐵企業缺乏與下游用戶合作的主動性，只是被動的接受下游用戶對材料性能要求，鋼材產品開發滯后，而不能先期介入獲得一手鋼材需求信息，從而更好的指導鋼材產品的研發。

在鋼鐵產能嚴重過剩、行業效益大幅下挫的環境下，鋼鐵企業“調結構、轉方式、促升級”是必然選擇，圍繞鋼鐵技術鏈，鋼鐵企業有必要將新技術和新工藝研發視為未來發展的主要驅動力，高新技術也將成為企業新的經濟增長點。為此，建議我國鋼鐵企業逐年加大科研開發資金投入，年研發投入費用占銷售額的比例保持每年增長；與優秀企業聯合開發項目，互相交換先進技術，合作開發具有優異性能的相關產品及技術，通過協作來不斷增強各自的競爭力；先期介入下游用戶的早期研發階段，充分了解用戶對原材料的性能要求，為客戶提供更高性能的材料以及個性化的服務，使企業和下游制造商建立密不可分的合作伙伴關系，從而使企業在今后的產品營銷中占領市場的制高點。

Enlightenment of J apaneseand Korean New Generation Steel Research and Development Situation toOur Country

XIAO Bangguo,HUO Dongmei

（The Rolling Department of China Metallurgical Industry Planning and Research Institute,Beijing 100711,China）

This article makes several recommendations on the new generation steel materials of China’s steel industry,based on the present situation and the research process of new steel materials from Japan and Korea.Point out that China’s steel industry still exist several issues.In instance,the development and applications of advanced technology and high-end product almost rely on the introduction and imitation.It is believed that the new generation steel will be developed on the vigorously knows from fundamental and frontier steel studies.It is suggested that steel enterprises should gradually increase research investment,cooperate with excellent enterprises,early intervene to downstream industries,and make the development of new technologies and new processes as a new momentum in the future development of business.

new generation steel;ultra-steel;research pattern;early intervention

F407.31

A

1004-4620（2014）03-0001-04

2014-04-09

肖邦國，男，1977年生，2003年畢業于北京科技大學材料加工工程專業，碩士。現為冶金工業規劃研究院軋鋼處處長，高級工程師，從事金屬產品市場定位、深加工產業規劃及市場分析預測等工作。