无缝钢管
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天津天管宝仓钢管销售有限公司,地处天津,是中国能源工业钢管基地。销售主要产品为天津无缝钢管厂石油套管、油管和管线管、高压锅炉管、高压气瓶管、液压支架管等各类专业管材始建初期,公司分别从德意美英等国引进了世界最先进的炼钢、轧管管加工和直接还原铁设备技术,并配备了完善的自动化系统...

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欧洲冶金路线图及其对中国冶金行业发展的启示

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欧洲冶金路线图及其对中国冶金行业发展的启示
2015-12-23

2.面临的挑战
  (1)如何继续保持有色金属行业的前沿领先地位。力争为有色金属下游终端应用提供功能强大的材料解决方案。
  (2)如何继续保持冶金技术领域的高附加值竞争力。这就需要着重加强对冶金行业教育培训的力度,提高冶金业的就业吸引力,并做好长期持续教育的准备;更好地协调科研成果与产业实际需求之间的差距;鼓励建立研究机构与产业间的动态创新合作机制。
  (3)如何应对原材料供给短缺的问题。为解决欧盟原材料供给问题,需要重点关注原材料价值链,包括金属冶炼以及金属可持续生产。这就需要对从低等级的初级材料和二次材料中生产原材料的冶金工艺进行创新;寻求原材料替代品以及替代应用等;提高从废弃物中回收再利用的技术。
  (4)如何实现产学研用相结合。在欧洲,从冶金基础研究到产业应用的整个知识链尚不健全,产学研用结合不紧密,只有一部分欧洲冶金领域的科研成果转化为工业产品。因此,需要加大欧洲对整个冶金领域研发项目的支持力度;实现在欧洲工业领域内有效的知识转移;缩短新材料从研发到产品商业化生产的时间;力图开展新材料研发和通过改善现有材料加工工艺改进现有材料这两种创新模式;研究开发多功能材料或多级材料等研发流程。
  (5)如何提升欧洲冶金行业竞争力。为了提升冶金行业竞争力,需要降低研发成本、缩短研发周期。主要包括:加强对金属生产和材料研发等相关的建模工作,提高其在材料研发中应用建模和仿真工具的能力,建立国家先进的检测设施。
  九、2020年欧洲冶金业研发关键领域
  1.交通行业
  (1)提高能源使用效率和材料性能
  第一,改进钢材等金属合金的强度。优化高强度热处理钢材和高强度调质钢,从而减少焊接时间和人员数量、缩短焊接流程、消除切削步骤、稳定制作部件质量、降低成本;研发高强度钢材(HSS),研发如高强度低合金(HSLA)、改进耐腐蚀性的超低碳贝氏体钢材(ULCB),等等,并以合理的价格供给;通过冷成型技术处理车身用第三代先进超高强度钢,从而实现在保持材料同等性能的同时降低材料的厚度及用量;大规模生产含铝低密度钢,如车身用锰铝碳钢;利用热压成型技术改善钢材强度,实现钢材强度达到1 500MPa、具有良好的成型性、延伸率大于10%。同时,关注先进高强度钢的低成本生产;提高轨道应用所需的贝氏体钢材的焊接性(包括高强度、高耐磨性、有效载荷等);研发用于轨道交通主体制造的冷成型钢材;研究在降低成本的前提下生产高强度、高耐磨性和耐腐蚀性的合金钢(类似于不锈钢);研发包含合金元素的低成本不锈结构钢,以增强机械性,提高能源使用效率和有效载荷力,增强耐海水腐蚀性;研发广泛用于汽车生产的镀锌钢板。
  第二,以不含铁合金作为大型结构的替代材料。
  ——铝:扩展5xxx到6xxx等级合金的应用,提高合金质量;改进合金的制造和热处理工艺,以缩短产品硬化时间;提高机械性能,如缩小产品尺寸不小于100nm;研发高强度可焊接合金,如7xxx系列;改进焊接接头的机械性能;延长疲劳寿命,提高抗腐蚀性;利用特定挤压技术扩展设计理念;研发5xxx系列镁铝合金,改进强度、成型性和耐腐蚀性;改进铝表面隔绝防护技术;利用类似或不同材料改进焊接性;研究铝在超过250℃(300℃)条件下的耐高温性;铝锂合金的供给;铝镁钪合金的焊接性。
  ——钛:利用近净成型制造技术或利用原材料的电解还原技术降低钛的生产和精炼成本;研究替代品生产工艺,从而降低钛合金的生产成本;研究新工艺下钛的焊接和表面处理技术。
  ——铜:研究利用铜满足所有电器需求;研究汽车用电导体的轻量化;研究更有效的电动车用新型导电合金。
  第三,基于缺陷的冶金学。缺陷冶金已经存在于现有产品、材料和技术的前沿研究中。主要是在产品设计的基础上,利用特定的缺陷,实现预定的机械属性,从而预测其性能。
  第四,金属间化合物。金属间化合物生产技术打破了单一元素合金的传统束缚。目前,欧洲研究机构已经开始此类研究。钛铝合金已应用到高温、高密度的推进系统中。由于对这种耐高温的金属间化合物需求量较大,而这些材料难于铸造、焊接以及加工,因此,金属间化合物的生产技术将成为未来研究的重点,并将对汽轮机高温应用以及公共事业发电等行业产生重大影响。
  第五,粉末处理和粉末冶金。需建立粉末冶金材料的供应链,主要生产难以生产的产品。例如,美国GE公司利用加入硼的钛合金进行生产,而常规手段难以实现其固化。
  第六,改善金属合金生产和耐气蚀金属涂层,提高金属涂层的防污性能。
  第七,研发大型金属泡沫夹芯材料。生产这种夹芯材料需要改进焊接技术,特别是铝芯钢材料。按照设想,最经济的方式是以这种金属夹芯材料制成金属板,从而实现金属车身面板厚度达到0.1~0.3mm的目标。因此,需进一步加强对新材料的研发和改进加工制造技术,主要涉及激光焊接技术、搅拌摩擦焊接技术、冷金属过渡技术以及金属材料连接技术等。
  第八,多功能材料。研究形状记忆合金材料、智能材料等。
  第九,复合材料。包含金属和非金属的混合结构是最常见的设计方案,但需解决复合材料存在的脆性和损伤容限等诸多问题。研究铁路行业的高架线路,研发成本更低、导电性能更好、更耐磨的金属和合金高架线。
  (2)提高产品使用寿命
  提高耐腐蚀性和耐疲劳性的同时,要考虑材料的成本。从冶金的角度来说,改进冶金设计就意味着现有金属和非金属合金关键材料中高成本的合金元素会被低成本的取代。而这些元素替代将进一步促进疲劳特性的改进。而耐腐蚀性的改进可以直接应用到现有产品中,但需要满足REACH法规的限制。
  研究功能化技术和预处理技术,以增强外部保护涂层的附着力,延长操作寿命。研究用于金属/非金属涂层的物理气相沉积技术,以便更好地解决环境污染提出的新要求。研究新材料(新合金)的振动阻尼,减振降噪是汽车和铁路行业关注的两大领域,由此引发了对新材料振动阻尼研发的需求。目前,振动阻尼金属材料包括形状记忆金属、铁合金和其他合金。因此,需要在降低生产成本的前提下,改善这些材料的性能。研究复合材料和混合型结构,例如由两种或两种以上不同材料组成的结构材料。同时,这也引发了对异种材料连接技术进行改进的问题。研究先进的铸造技术,铸造技术是水陆交通部门,尤其是发动机部件制造部门的关键环节。新型铸造技术需进一步提高产品质量,降低生产成本。此外,可进一步研究新的铸铁结构,以实现对所需力学性能和导热系数之间的有效衔接;研究复杂机械故障中,热机械疲劳载荷条件和环境条件与微结构变量之间的关系;研究铜及铜合金的压铸发展;研究用于海洋应用的新型环保防污技术。
  (3)增强产品安全性
  一是生产。材料和使用方式的任何改进都必须符合现有工作场所的安全规定,并且不能给工人增加健康风险。
  二是操作。任何新材料的使用都必须遵守严格的防火规定。这意味着新金属基复合材料的开发和使用都必须具备阻燃能力,如配有夹芯板材或金属箔片。
  三是回收。未来研发的不需要化学涂层和处理的金属结构可能更易回收。这一成果将会促进基于金属涂层的表面处理技术的发展。
  2.建筑行业
  加大建筑行业现有技术的技术转移,开展示范工程,加大相关培训和教育力度。
  3.消费品行业
  消费品行业正努力改善产品性能,保持欧洲产品竞争力。而传统冶金技术,如铸造、制模、成型、连接、加工、热处理和表面处理等,只有不断提高资源使用效率和加工效率,提高产品质量,才有可能继续保持领先地位。此外,还需进一步研究先进集成技术和材料建模技术,包括改善数据质量、通过过程模拟建模。同时,应用成本更低的新制造材料来进行表面处理,将成为未来的长期研究领域。
  消费品特有的产品表面性能要求所使用的金属和表面材料具有较好的耐用性、抗腐蚀性(可以预防或控制有毒物质的溶解和泄露)以及易清洁性。
  减少了传统近净成型制造技术的加工步骤,对材料设计进行了集成,从而避免了材料和能源的浪费。
  研发和部署抗菌铜,以减少医疗和食品制备环境中病原体的接触传播。
  4.电子行业
  开发耐高温先进合金;提高先进电子产品中钽的应用;开发柔性电子器件中的柔性材料;开发先进电子器件中的微型和纳米级部件;研究薄膜太阳能电池中吸收层材料的工业化替代;研究有机电子的低温兼容过程;开发具有成本优势的新工艺,如先进电子产品使用的纳米结构材料所需的极度塑性变形工艺(SPD);加强微型和纳米级电子器件应用中所需的铍合金和化合物的功能性。
  5.能源行业
  开发用于超临界复合循环设备的先进奥氏体钢,屈服强度+100MPa、670℃条件下500 000h蠕变;研究可用于能源相关应用在极端环境下的表面优化及处理工具;研究用于超高温燃气轮机以及中间热交换器的金属刀片组件生产的材料和工具,包括DS/SC钢材、ODS、增强纤维金属、金属间化合物以及热障涂层等;减少马达和驱动器磁体中稀土的使用量,寻求稀土的替代品;研发接触器和大型金属表面功能层所用的廉价高纯度金属表面处理技术,推动欧洲制造业向国际领先地位发展;改进能源和能源载体传输组件以及电能和热能的储能材料。
  6.工具行业
  改进工具表面属性,如耐磨性、韧性、强度、疲劳性、热稳定性、化学稳定性等,延长工具使用寿命;研发利用增材制造技术设计生产复杂工具,缩短产品交货时间;改进模具修复工艺;通过改善对微观结构和性能的控制,研发用于生产成型工具的材料和工艺;研发具有复杂几何形状、对尺寸精度要求较高的应用制造工具;研发用于切割工具的新材料;研究难加工但机械性能和强度优良的材料应用,开辟其在热处理领域的发展机遇;了解工具的性能和微观结构;监测性能,包括研究监测工具的性能和使用条件。
  十、2050年欧洲冶金业研发关键领域
  1.交通行业
  加大复合材料在汽车制造领域的应用。力争提高复合材料的强度、韧性、耐腐蚀性和耐磨损性。目前,日本已经研究将复合材料用于齿轮生产,欧洲Ultrawire计划也正在研究超导铜的应用。
  欧盟正在研发功能性梯度材料在制动系统、传输系统等方面的应用。功能梯度材料可以通过新的冶金技术、金属基复合材料以及多层表面技术等进行生产,同时还应考虑对晶粒尺寸的控制要求、接口/界面特性等。
  提高铝合金的回收利用率。如果可以成功研发应用新合金,那么就需要考虑合适的回收利用方法。
  作为未来设计的一部分,研究金属的回收可能包括不同类型和等级的材料,多金属合金的回收和分解,以及分离、提纯和回收等解决方案。
  3D打印、增材制造和粉末开发。这是一个前景广阔的应用领域,涵盖了从医药到航空航天各个领域。因此,该领域的研究主要应集中于研发适合金属部件制造的粉末。此外,3D打印还可以替代铸造,从而使发动机设计更有效。
  研发高强高导合金,主要用于电动汽车发动机和汽车其他应用(包括高效汽车吹风机、门窗升降机、挡风玻璃刮水器、燃油泵、发电机等)的高效无稀土发动机。
  研发镁合金板材的热成型处理技术。
  研发物理表面金属处理/涂层,提高金属耐腐蚀性和防污性。
  研发高温运行状态的金属间化合物。现有单一金属元素的合金体系已经基本最大限度地实现其性能。而未来将主要研发金属间化合物的应用。
  研发一种新的设计理念,如基于缺陷的设计。
  研发混合金属/非金属材料解决方案,包括界面技术等。
  研发变形材料、功能材料、智能材料、自适应金属材料及复合材料。
  泡沫金属前景广阔,但成本相对较高且技术不成熟。其长期的应用研发主要集中于表面运输行业。
  2.建筑行业
  (1)机械性和稳定性
  研发高韧性高强度材料,使其在材料失效前能够给予足够的警报;研发高硬度材料,以防止细长元件的弯曲,如泡沫材料需要更高的硬度;研发轻质材料,但应注意的是,超轻结构可能会产生其他问题,如振动性、热惯量和相似性等。
  (2)消防安全性
  研究金属材料的火灾反应,主要研究夹杂碳化合物的消防安全用钢的创新。对于钢结构建筑来说,消防安全是一个关键问题。因此,研发具有更好性能的材料具有现实意义,而且还应注意主动式和被动式的消防保护。
  (3)卫生、健康与环境
  表面处理和抗菌处理可以有效解决病态建筑综合症。表面抗微生物铜合金就是一个很有效的例子。二氧化钛涂层也可有效实现表面的自我清洁。通风管的空气质量监测可以协助确定是否需要人工干预。另一个需要考虑的影响因素是电磁辐射,而金属表面处理和生物病原体或微生物等材料技术可以解决这一问题。此外,需考虑回收过程中可能带来的健康危害,尤其是放射性污染的潜在影响。
  (4)使用安全性和无障碍性
  墙壁网络监测传感器,可用来跟踪用户、预防入侵、为智能房屋提供无线充电的嵌入式系统;利用室内导航、建筑信息管理,以及交互式环境指导用户运动;等等。
  (5)防噪音
  高阻尼材料可以降低机器和建筑结构的振动和噪音。因此,需研究铁铬合金和铁铝硅合金。这些具有高阻尼的钢材机械性能较高、耐腐蚀性能好。同时,建筑物中低成本铜合金在极端条件下的使用可以降低振动强度以及地震能量。
  (6)能源经济和节能保温
  通过冶金技术有效解决建筑的高效节能问题,包括空调、通风、隔离和能量的产生、捕获和储存,以及功能的集成,如利用嵌入铜导线的高导碳纳米管解决电能传输的效率问题等。研发加入金属氧化锡涂层和薄膜的热反射玻璃;进一步加强相变材料和动态幕墙的使用。通过冶金技术为海洋和海上应用领域提供新的腐蚀保护系统。
  3.消费品行业
  改善材料在触觉、自我修复和成型加工等方面的表面性能;在材料设计时,掌握可通过过程建模来优化产品性能的材料设计方法,从而研发新材料和材料处理工艺,提高材料成型性能;通过过程建模制造净成型金属部件。
  4.电子行业
  研发燃料电池用无腐蚀合金或金属基复合材料,需要克服现有材料高温稳定性差和高成本等缺陷;降低热电材料的热导率;开发高性能散装热电材料;研发出比日本目前开发的铜碳纳米复合材料电迁移耐力更好的材料;研究金属材料在生物电子学的创新发展。
  5.能源行业
  研发可在超超临界混合气内操作的先进奥氏体钢,屈服强度+100MPa、8 000℃条件下500 000h蠕变;制造用于能源领域中极端环境下的表面处理工具,将金属材料的耐高温性提高到8 000℃;研发用于USC、UHT汽轮机以及中间热交换器等组件的先进金属叶片材料,包括DS/SC钢材、ODS、纤维增强金属、包括TBCs在内的金属间化合物;改善能源及能源载体运输和储能设备的组件性能。
  6.工具行业
  掌握成型模具设计与制造的相关知识,用于控制工具加工过程的特定温度、机械度和磨损条件;提高工具耐高温性,以减少使用磨损;打造机械性和耐热性良好的塑料部件模具,提高散热性,减少部件制造过程中的机械运动;制造具有低摩擦性和光滑表面的成型工具,以及用于纳米和微成型的复杂三维成型工具;研发高度耐用自润滑的陶瓷工具,这种材料的工具价格低廉,可丢弃或通过额外的修复过程回收再利用;缩短高硬度可热处理钢材的开发时间;研发不含钨或其他贵金属的切割工具,同时要解决其关键原材料的供给问题。
  十一、对中国冶金行业发展的启示
  总体来看,中国冶金行业一直保持高速发展状态,黑色冶金和有色冶金行业共同发展,在全国形成了多个钢铁和有色金属产业基地。同时,冶金企业的生产规模急剧扩张、企业兼并重组成为业界常态、行业集中度不断提升。但是,中国冶金行业发展整体仍面临着诸多问题:钢铁行业低端产能严重过剩、供需矛盾不断扩大、产品同质化竞争激烈、钢材价格较低、整体盈利水平较低、下游应用行业发展受阻;而有色金属行业也同样面临着冶炼行业产能过剩、高端产品开发能力弱、生产经营成本过高、企业经营困难、抗风险能力较差等问题。
  因此,欧洲冶金路线图的公布,给我国冶金行业的发展带来了一定启示:要促进下游应用行业发展,带动冶金产品消费;加强技术创新,强化行业绿色健康发展;进一步加强有效的产学研合作机制,提高科研成果转化率;提高资源供给能力,加大对关键原材料的储备;加强科学监管,建立公平合理的市场环境;加强职业培训制度建设,提升对复合型人才的培训力度;等等。

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