碳中和背景下激光再制造技術在鋼鐵冶金行業中發展的機遇與挑戰

董學民，張敏，陳長軍，林培晨，農光壹

1.蘇州大學機電工程學院激光加工中心 江蘇蘇州 215021

2.江蘇智遠激光裝備科技有限公司 江蘇丹陽 212399

1 中國鋼鐵產業現狀

我國是全球鋼鐵生產第一大國，據世界鋼鐵協會統計，2021年全球粗鋼總產量達18.78億t，其中我國全年粗鋼產量為10.65億t，排列為全球第一位，占全球粗鋼產量的56.71%。

我國鋼鐵企業經營規模和經營質量與世界一流鋼鐵企業差距大。從營業收入看，海外鋼鐵企業基本是我國鋼鐵企業收入規模的2～40倍。從噸鋼收入看，我國鋼鐵企業遠低于世界一流水平。寶武集團生產規模是浦項制鐵、新日鐵住金的1.5倍左右，但噸鋼收入只有浦項制鐵的一半，新日鐵住金的70%；河鋼股份與浦項制鐵、新日鐵住金生產規模相當，但噸鋼收入分別只是對方的1/4～1/3。

從凈利潤看，除寶武集團外，我國鋼鐵企業低于世界一流水平。從凈利潤和凈利潤變化兩個角度看，寶武集團與浦項制鐵、新日鐵住金、JFE等為第一陣營，具有利潤高且穩定的特點；盧森堡的安賽樂米塔爾等公司利潤高但不穩定，為第二陣營；鞍鋼股份、河鋼股份與德國的蒂森克虜伯為第三陣營，利潤較低。

從凈利率看，我國鋼鐵企業忽高忽低，平均利潤率低于世界一流水平。2017年我國鋼鐵企業凈利潤率普遍高于海外鋼鐵企業，但日本、韓國鋼鐵企業的平均利潤率是我國鋼鐵企業（除寶武集團）的2～5倍。

2 鋼鐵行業發展機遇

碳中和與高質量發展為我國鋼鐵行業發展提供了新的機遇。我國宣布將力爭于 2030 年前達到碳排放峰值，并努力爭取 2060 年前實現碳中和。工業部門近一半的碳排放來自于生產水泥、鋼鐵、合成氨及化工等行業。這些重工業碳排放的產生主要來自三個方面：一是來自用于生產的原料，比如生產水泥過程中的石灰石和合成氨生產過程中所用的天然氣；二是來自工業生產高溫加熱的燃料燃燒，如高爐煉鐵所用的燃料；三是來自其他能源需求，比如用于生產中間產品、低溫供熱等的化石燃料[1]。

因為鋼鐵行業是排碳大戶，所以接下來會是我國重點整治對象。所謂整治，首先要嚴控并壓縮產量，對于技術落后的企業要淘汰掉，優質企業要增加環保、減碳方面的投入。這些措施對龍頭企業是絕對有利的。另外，再加上美國不斷印制美元，我國的產品如果不能提高價格，勢必會被美國買空，因此在當前的形勢下，我國各行業，尤其是鋼鐵行業，必須富日子窮過，高質量發展就顯得更為重要。

3 激光再制造技術在冶金行業中的應用

激光技術在鋼鐵冶金中的應用非常早，大家對此并不陌生。據報道，1999年在武鋼和華中科技大學、華工激光等單位的聯合攻關下，開發出了激光汽車板、激光光亮板、激光裝飾板和激光防偽板等產品（見圖1）。武鋼集團與華工激光很早就強強聯手，并于2012年成立新公司——武漢武鋼華工激光大型裝備有限公司，開展研究激光再制造技術在鋼鐵冶金行業中的應用。經過多年的研發和試驗，寶鋼在激光修復和激光再制造技術方面積累了寶貴的經驗，目前參與編制了冶金板帶軋機牌坊、扁頭套等部件的激光修復方面的國家標準。

圖1 武鋼激光板強化項目驗收現場

據《寶鋼日報》2010年報道，寶鋼與沈陽大陸激光技術有限公司已經形成了軋機牌坊在線激光修復的規范體系和內部實施技術條件，并形成了國家標準。以上事實均說明，激光在鋼鐵冶金行業中的應用還是非常早的，但之所以沒能普及，是因為當時一來鋼鐵行業的整體效益是不錯的，二來也沒有國家政策對其能源消耗提出限制。如今在碳中和大背景下，就不得不采取一切可能的措施來提質增效和降碳。

鋼鐵行業中可以用到激光再制造技術的地方很多，主要包括以下幾個方面。

（1）軋輥的再制造與強化 冶金行業生產設備大部分是在高（交變）應力、高熱應力的惡劣環境下工作，如連鑄輥、校直輥、槽型輥、半鋼輥、鑄管模、熱（冷）軋工作輥、高爐溜槽及料鐘等。在這些設備中，各種軋輥無疑是其中最關鍵的設備零件，其消耗量大、價格昂貴、使用壽命短，不僅與產品成本密切相關，而且直接決定鋼鐵制品的質量，尤其是表面質量和板型。采用激光再制造修復各種軋輥，其中以小型軋輥和局部修復更為擅長，性能如同新件，如圖2、圖3所示。

圖2 在沙鋼現場進行的棒線材激光表面強化

圖3 昆鋼激光毛化成套設備現場

激光淬火技術可對各種導軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內壁、模具、減振器、摩擦輪、軋輥及滾輪零件進行表面強化。

激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國外被稱為“鏡面鋼板”，它是生產高級轎車面板的優質板材，因此激光毛化冷軋薄板（帶）是汽車、家電、電子和輕工業生產需求的重要原材料。

（2）各種軸類零件磨損、抱瓦、裂紋的再制造 各種軸類零件經激光堆焊處理后，堆焊層無粗大的鑄造組織，堆焊層及界面組織細密、晶粒細化，無孔、砂眼、夾雜及裂紋等缺陷[2]，服股性能如同新件，如圖4所示。

圖4 激光再制造恢復軸頸的磨損

（3）冶金行業中的各種高附加值的大中小型齒輪類零件的再制造與強化 激光再制造技術可使各種高附加值的大中小型齒輪類零件性能得到恢復。驗收指標按仍原制造標準進行，大型齒輪激光強化如圖5所示。

圖5 大型齒輪激光強化

（4）高壓高速風機葉片的修復 葉片因其工作環境較為惡劣，所以在葉輪葉片進風口部位易產生嚴重的腐蝕與磨損，一般使用3000～4000h就因葉輪葉片腐蝕與磨損失去平衡而報廢。若采用激光再制造技術，則可以使修復層與原基材形成冶金結合，硬度達到55HRC左右，服役性能如同新件。

（5）超高速激光熔覆 超高速激光熔覆由德國Fraunhofer ILT 首先發明，被譽為當前可替代電鍍技術最具競爭力的工藝，因其為工業界帶來的革新性技術進步，在代替鋼鐵行業中一些部件的鍍鉻替代上具有十分重要的作用。該技術已經在煤炭行業中的液壓支架上得到了應用。在鋼鐵冶金行業中，存在大量的噴涂和鍍鉻產品，高速激光熔覆技術將會在鋼鐵冶金行業中逐步替代上述技術并發揮出重要的作用。圖6所示為智遠公司所研制的超高速激光熔覆裝備及其加工的產品實物。

圖6 超高速激光熔覆裝備及其加工的產品

（6）現場再制造及其他再制造應用 為切實推進鋼鐵行業節能減排，推動機電產品再制造工作，2010年12月24日工業和信息化部在沈陽召開鋼鐵行業激光再制造技術現場交流會，會上相關人士表示，再制造作為節能環保產業的重要組成，已被列為戰略性新興產業[3]。目前，再制造技術在我國得到快速發展，有關再制造的法律法規、基礎理論、關鍵技術及行業標準等不斷完善。經過10多年的發展，激光現場再制造也得到了長足的發展，尤其是鋼鐵行業中軋機牌坊的現場激光再制造已經得到了廣泛應用。

內孔的再制造也開始逐步得到應用，圖7所示為智遠公司開發的內孔熔覆專用設備，該技術已經過近10年的實踐應用檢驗。

圖7 內孔熔覆專用設備

4 機遇與挑戰

2021年11月15日，國家頒布了《“十四五”工業綠色發展規劃》（以下簡稱《規劃》），這是對2021年2月國務院關于《加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》的具體實施舉措。《規劃》中提到：高端智能再制造、修訂再制造產品認定管理辦法，建立自愿認證和自我聲明相結合的產品合格評定制度，規范發展再制造產業，推動在國家自由貿易試驗區開展境外高技術含量、高附加值產品的再制造。

至此，國家反復提到的高質量發展以及“碳中和”的大背景，使激光再制造技術在冶金上的應用將迎來前所未有的快速發展。具體需要在以下幾個方面開展工作。

（1）冶金專用激光再制造粉末的研制及其大批量生產 以焊絲為例，不同應用場景和不同材料都用專門的焊絲和用于不同焊接設備的焊絲存在。但目前激光再制造所使用的粉末大多直接使用熱噴涂而來，或者在熱噴涂的基礎上稍有改進。但從材料學的角度出發，激光的快速熔化-凝固過程與熱噴涂和傳統的焊接過程明顯不同，因此為了適應激光再制造過程，需要開發專用的粉末。從另一個角度出發，由于冶金中所用到的耐磨、耐高溫的工況因加工的對象不同，而造成實際工況也千差萬別，所以從節約能源和保證服役要求出發，更應針對不同的工況開發不同體系的粉末材料，這樣才能更好地實現物盡其用。經過多年的快速發展，用于激光增材制造和再制造的粉末價格已經有了很大程度的降低，但目前粉末的生產規模和價格同生產的鋼材相比，依然存在價格昂貴和生產規模小的問題。如不銹鋼鋼材價格可以做到20～30元/kg，對一個生產廠家來說，如果粉末生產規模能達到1000萬t，其價格就會非常便宜，這樣就會使更多的應用場合可以使用激光再制造。目前，很多生產廠家的爐子是5kg、50kg，上到噸位的在全世界都很少，如果粉末生產的噸位能達到每個爐子幾噸，其價格可以想象會非常低，這對擴大應用范圍具有非常重要的意義。

（2）冶金行業激光再制造作業規范及其相應標準的建立 當今世界，標準化水平已成為各國各地區核心競爭力的基本要素。一個企業，乃至一個國家，要在激烈的國際競爭中立于不敗之地，必須深刻地認識標準對國民經濟與社會發展的重要意義。標準是國際經濟科技競爭的“制高點”，是企業、產業、裝備走出去的“先手棋”。既要著力提高中國標準水平，增強中國標準硬實力，又要全面謀劃和參與國際標準化戰略、政策和規則的制定，提高我國在全球經濟治理中的制度性話語權。

目前，鋼鐵冶金產品在原冶金部和相關各部委標準化組織的努力工作下，新品的制造都有相關的行業標準、國家標準等在實施中。但對于激光再制造標準，有裝甲兵工程學院在開展再制造方面的標準化工作，江蘇激光產業聯盟也在開展相應的團體標準的建設工作。但標準建設與如火如荼的激光再制造產業現狀相比，大家在激光再制造標準建設上的認識還非常不到位，這對我國再制造產業的發展，尤其是具有廣闊應用前景和在全世界做大應用市場的鋼鐵冶金再制造市場來說，如果不抓住機遇，將又是一大遺憾。希望這一產業鏈上的所有人都有這個意識，來共同參與，占據這一制高點[4]。

（3）專用設備的研制和關鍵核心器件的國產化 以在鋼鐵冶金行業中應用較為廣泛的傳統焊機為例，具有各種用途功能的焊機各種各樣，但用于鋼鐵冶金行業的激光設備的種類卻不多，根本不能滿足冶金行業產品種類多、需求多樣、材料紛繁復雜的需求。因此，尚需廣大工程人員和研究人員開發出性能各異的滿足鋼鐵冶金行業需求的各種類型的激光再制造設備。前面提到的高速熔覆就可以稱之為一種專用設備。

而核心關鍵器件的國產化具有更重要的意義：一是可提高整個激光再制造裝備水平；二是會進一步降低設備成本和使用成本。以核心光源激光器為例，我們不能制造芯片時，芯片就會被國外卡脖子；當我們能夠制造芯片時，芯片的原材料和制造芯片的裝備就會被卡脖子。從大的目標來說，是為了實現中華的偉大復興，從小的目標來說，為了我國自主設備使用起來真正的物美價廉，就需要我們攻克難關，將核心技術掌握在自己手中。以激光頭為例，高性能的激光頭，就需要我們自己攻克，實現國產化和親民的價格。前面提到的內孔熔覆設備的國產化就是一個很好的例子。

可以預見，多年以后，激光加工設備在冶金行業中的應用將同傳統焊機一樣普遍，這意味著激光加工設備需要進一步降低成本，提高使用性能；也意味著我們要不斷努力，提高性能，降低成本，這方面汽車行業是一個最好的榜樣。

（4）專業化人才的培養和維修保障人員的培養和考核 不管多么偉大的戰略，如果沒有合適的人才來有效地執行，則一切都是空談。仍然以焊接為例，焊接人才的大學科班人才的培養以及社會職教體系人才的培養，是相當完備的。而激光制造和再制造人才的培養方面，我國可以用剛剛起步來形容，全國開設激光專業人才培養的本科院校更是少而又少。蘇州大學自2011年是全國首家申報獲批了激光制造工程二級學科博士點，目前武漢華中科技大學是為全國培養激光人才最多的高校。

同焊工考核分級一樣，需要全社會建立相應的激光加工人才的培養網絡和考評體系，才能更好地推動行業人才的培養和使用。這一點，武漢的激光協會已經在開展這方面的工作，江蘇激光聯盟也正在積極地同各方資源進行整合來推動人才的培養，以推動整個行業的健康和快速發展。

（5）再制造后現場加工設備的便利性和有效性以及現場快速檢驗和現場熱處理技術 現場的再制造同新品的制造存在很大的區別，新品制造可以方便地進行各種機加工和熱處理，但在再制造時，進行機加工和熱處理就不如新品方便了。由于現場再制造的機加工和熱處理還受環境空間的拘束，因此針對現場進行機加工和熱處理技術及其設備的開發也進入一個新的天地。這一目標的實現，可以毫不夸張地說，對整個智能智造都將是一個非常重要的組成部分。

（6）壽命預測和性能評估 再制造的對象是經歷一次或多次服役周期的零件，該零件是否還有剩余壽命，其剩余壽命能否再適應下一服役周期，這是再制造加工前應首要解決的問題。再制造工程的目標是使廢舊產品經過再制造加工性能達到或超過新品，不經壽命評估將已無剩余壽命的零件再裝機使用，都會給用戶和企業帶來損失[5]。

產品再制造的可行性和可行度是發展再制造產業首要面臨的問題，特別是產品附加值（人力、能源等）高的關鍵零件是否可以修復而不需要替換。零件失效的主要形式有斷裂、磨損、腐蝕和變形，其中磨損、腐蝕和變形比較直觀或者易于檢測，只有引起斷裂的疲勞壽命不易檢測，因此研究再制造產品關鍵零件剩余疲勞壽命和產品的再制造性，對我國再制造產業的發展具有重要的意義[6]。

目前，再制造零件疲勞壽命評估方法[6]，即通過標準試樣拉伸、疲勞試驗以及估算獲得材料特性；通過幾何建模、動態仿真獲得載荷；通過有限元分析獲得局部應力；最后將獲得的材料特性、載荷和局部應力帶入相應的疲勞損傷模型，便可以預測零件的疲勞壽命，在此基礎上發展了基于有限元的疲勞壽命預測模型。而實際的操作需要大量這樣的數據，即數據庫，因此國家層面和行業協會需要倡導和組織，并引導各企業首先建立數據庫，然后這些數據庫再組織起來形成一個鋼鐵冶金行業激光再制造的數據庫，從而加速和有效地促進鋼鐵冶金行業再制造的發展。目前，激光切割的數據庫正在建立中，金屬3D打印的數據庫也初具規模，但鋼鐵行業激光再制造的數據庫的建立才剛剛開始，需要國家制定政策進行引導，大家共同參與來推動這個事情。