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

金属和合金可广泛应用于包括高新技术产品在内的各个领域。欧洲冶金业不仅在基础研究领域表现出色,而且在合金工业生产、下游处理、终端应用和回收领域也表现突出。促进欧洲金属和冶金研发创新,一方面可以缓解能源短缺,实现碳排放减量,促进可再生能源发展,提供医疗保健和就业保障;另一方面也有助于进一步提高整个冶金及金属制品业的附加值。
  为此,2012年,欧洲科学基金会(ESF)发布了《冶金欧洲——2012—2022复兴计划》[1]科技报告。在此基础上,2014年9月22日,ESF又启动了一项为期7年的“冶金欧洲”项目。2015年1月,为进一步落实“冶金欧洲”计划的后续行动,欧盟委员会发布了《欧洲冶金路线图:生产商与终端用户展望》[2]报告,对目前欧洲冶金工业领域中面临的诸多问题,以及未来中长期发展目标和发展主题做了明确的分析和界定。欧洲冶金路线图的发布可以进一步促进欧洲在金属新材料及其制造技术等领域的研发。同时,加大研发创新和推动下游应用行业发展也是我国冶金行业发展面临的关键问题。因此,本文将重点介绍欧洲冶金路线图的发布背景和具体内容,并在此基础上提出促进我国冶金行业在各个高新技术领域应用的措施建议。
  一、欧洲冶金路线图发布背景
  1.欧洲冶金行业发展现状和趋势
  地球上自然存在的元素共有90种,其中18种为非金属元素,如惰性气体和卤素等,7种为半金属元素,而剩余的65种均为金属元素,其中有60种已经作为商用。金属和合金对于诸多工业及工业制品业来说至关重要。在这些金属元素中,约有20多种被认为是欧洲工业发展的关键金属元素。
  通常来说,冶金行业主要包括金属矿物的勘探、开采、精选、冶炼、轧制成材等相关行业,以及涉及金属的材料科技发展。整个冶金行业创新涉及基础理论、金属冶炼、原料添加、规模化生产、新应用,以及新产品开发、材料回收,等等。
  从历史上看,欧洲一直在冶金领域独树一帜。目前,欧盟冶金行业的生产总值占整个制造行业总产值的46%,占国内生产总值的11%,是欧洲工业发展的重要部门。然而,随着美国和亚洲的技术发展,欧洲要想保持在金属制品领域的领先地位,则需要提高其在产品生产方面的创新能力。
  冶金行业的发展需要原燃料及其预处理技术等多方面的支持。处理技术的逐步升级,不仅提高了生产效率和熟练程度,降低了环境污染的风险,原料消耗也逐步下降。此外,纳米技术、原燃料和废弃物最小化技术以及节能技术的发展,也将长期成为冶金工业创新领域的研究重点。
  因此,考虑到材料学和冶金学对经济、能源、环境和社会发展等方面的影响,欧洲冶金工业的发展战略将主要侧重以下4个方面:一是推动产品创新,满足产品和应用的新需求,以及经济和社会发展的新需求;二是提升材料特性和性能;三是充分利用金属冶炼、制造、加工和再利用等技术,改进矿山勘探、开采、金属回收技术;四是改善基础设施,促进技术创新。
  2.欧洲冶金路线图制定的意义
  冶金行业的发展对解决整个欧洲面临的社会挑战具有重要意义。该报告为今后10~20年乃至更长时期内,欧洲在金属新材料以及材料性能改善方面的研发活动制定了一份详细的议程安排。该路线图综合考虑了全部金属材料的应用领域:包括交通、建筑、消费品、电子、能源和工具等行业。这些行业代表了终端应用领域对冶金科技的不同需求。同时,路线图还指出了各个领域为满足未来应用新需求所应达到的必要条件。该路线图的实施,将极大地增强未来欧洲关键冶金技术的研发需求和创新,并提升欧洲在先进冶金技术方面的实力。
  二、欧洲冶金业发展现状
  1.交通行业(陆面、海洋和航空)
  (1)陆面交通
  目前,欧洲冶金行业在陆面交通领域的应用主要包括:
  一是涂层。欧洲冶金涂料行业发展较为零碎,因此需更好地协调这一领域的研发活动。目前,冶金涂层领域的应用主要包括:锌和锌合金镀层用于防腐;物理气相沉积(PVD)技术、可替代热浸镀锌(HDG)技术,应用于汽车行业以减少涂层重量,提高耐久性;热障涂层陶瓷,用于降低发动机舱温度;纳米摩擦学,主要提高纳米级润滑性;化学气相沉积(CVD)和等离子辅助化学气相沉积(PACVD)技术,用于动力传动应用中的磨损保护,并减少摩擦;热喷涂层技术,用于减少燃烧发动机内的摩擦,并降低重量。
  二是粉末冶金。粉末冶金是欧洲发展最突出的领域。根据2011年报告,欧洲粉末冶金产品每年成交额超过60亿欧元。
  三是合金。欧盟是全球第二大钢铁生产国,钢铁行业从业人员超过36万人,钢材年产量达到1.77多亿吨,占全球总产量的11%。同时,欧盟还是世界领先的高附加值钢材产品的设计国和生产国。但是,近年来,日本、韩国、中国、美国等国家的先进高强度钢材(AHSS)发展较为迅速。
  在合金研发领域,欧洲与日本、美国合作开展了关于耐高温钢材的研发。这项研究主要为解决高温车间以及发动机的应用需求;此外,研究还包含了对材料长期断裂全度的预测和中短期的蠕变疲劳作用测试。
  欧洲还开展了钢材在轨道应用方面的研究。随着铁路车辆有效载荷的增加,要求轨道钢的强度要达到1000~1 100MPa,硬度达到300~320HBW,争取达到400HBW。但由于认证方面的问题,铁路多使用碳锰钢,很难引进新等级钢材,这是目前亟需解决的难题。
  高品质钢材的应用越来越广泛,特别是多相超高强度钢发展迅猛。由于解决了焊接性问题,这些钢材也正被引入市场。同时,焊接热循环对微观开发和动态加载的力学性能的影响研究也正在进行。此外,为改善耐蚀性能,推动大范围应用,需进一步研究新的涂层技术。
  欧洲针对轻金属合金的研发工作持续进行,如汽车应用领域的铝合金和镁合金。研究领域包括高强度合金开发、涂层技术、焊接技术和轻质泡沫金属等。目前,欧洲新型合金发展的最大障碍是缺乏经济可行的生产工艺、金属连接技术以及对切割边缘敏感性所带来的危险性的充分认识。
  四是金属复合材料。欧洲金属复合材料研究主要集中于交通运输应用中的高强度轻量化关键部件中。目前,研发工作主要针对发动机零部件,而只有嵌入金属复合材料的阀座尚未应用到汽车行业,这主要是由于生产成本过高,加工操作较为困难。
  (2)海洋交通
  海洋交通领域主要涉及船舶,但是海洋部门还可以包括很多其他与冶金相关的领域,如:海上建筑、石油和天然气管道、深海采矿、焊接、轻量化合金等。这些领域涉及的冶金技术基本类似。
  海洋交通领域的创新通常不会带来巨大的突破,主要是技术的逐步改进。在这一领域,新技术的应用首先要考虑可靠性和经济收益,这也就意味着需要稳定发展现有的成熟技术。然而,需要注意的是,在国际海洋产业领域,即使是应用的微小进展通常也被视为较大的进步。正是由于海洋产业具有如此特性,其不能仅仅局限于单个国家,任何进展都有可能影响全球的航运业。而海洋交通领域所用材料的变化也正反映了这些趋势的变化。正是由于海上建筑物使用了大量的新材料,因而,更要考虑其成本收益率。而从冶金学的角度来看,这就需要解决包括提高能源使用效率、加强环境保护,以及提高项目收益率等诸多挑战。
  (3)航天
  欧洲航天领域发展较为规范,如“洁净天空”联合技术行动制定了一系列详细具体的研究议程。该行动计划拥有较高的技术水平,而后续计划将于2016年开始实施。
  目前,欧洲航空行业发展的优势之一就是基本不存在空白的关键技术领域。但是金属在航空领域的应用仍存在弱点,如耐腐蚀性、损伤容量、重量/强度比、热性能以及制造成本等。
  此外,目前欧洲正在对航空部件的近净成型或净成型制造开展研究,但这将是一个漫长的过程。
  根据欧洲航空研究与创新咨询委员会预计,到2050年,力争实现每乘客公里二氧化碳排放下降75%、氮氧化物下降90%、噪音下降65%的目标。该目标将从长期改变这一领域的产品技术发展。
  三、建筑行业
  建筑行业用金属通常都被用于基桩、结构材料、强化材料、包层、屋顶、窗框、石膏板钉、门、阳台、栅栏、复合地板、屋顶紧固件、隔墙和天花板、管道、水槽、下水管道和设备、加热设备、烟囱、箔绝缘材料、太阳能电池板、浴室、厨房等。目前,主要使用的金属材料有钢铁、铝、铜、锌和不锈钢。此外,市场上也涌现了一些使用钛和其他贵金属材料以及复合材料的新应用,但使用其中一些金属主要是为了加固和表面抛光。
  显然,金属的独有特性使其成为建筑行业必不可少的基础材料。而金属的耐用性也确保了其较长的使用寿命。经过适当的表面处理,即可实现防水、防震、防腐蚀、防紫外线等功能。
  在建筑行业中,标准化和合格认证对确保行业安全性和可靠性非常重要。因此,对于建筑行业来说,能否同时实现标准化管理和创新已经成为一个悖论。
  四、消费品行业
  目前,消费品行业面临的主要挑战是如何改善产品性能,包括满足易于清洁、耐用、耐腐蚀、耐磨损、耐生物污染、避免褪色以及增加产品美观性等需求。材料性能增强的研究将主要集中于开发量身定制的表面处理技术,包括耐腐蚀、耐磨损、耐生物污损、红外反射性能、触觉、外观、耐温性、清洁性和自愈性。材料制造和加工技术的改进将主要通过传统生产技术来实现近净成型、减少处理步骤、实现材料设计集成化、避免材料和能源的浪费。而其他处理工艺的改进则需要加强对多种不同材料的使用技术,以及开发测试协议,以预测和控制材料的磨损、腐蚀和耐用性。
  涉及高强度材料的成形性问题,则需要考虑材料成本。建模和仿真过程可以借助数学模型更好地了解物理学变化对材料性能的影响。尽管目前由于计算能力的增强、云计算的出现和算法的改进,仿真技术获得了极大的改进,但是由于缺乏准确的材料数据,可预测性仍然有限,因此在产业上的应用还有很大局限性。
  五、电子行业
  电子行业用金属主要面临的挑战是如何实现装置和部件的小型化,这就引发了对在恶劣环境下可正常工作的耐高温材料的需求量大增。电子和电子应用的传统材料都不适用于此类环境。而现有的金属和合金也都不能满足高性能要求(如高温、腐蚀性环境等)。因此,需要创新技术,开发合适的新材料。
  长期以来,电子行业一直是贵金属的主要消费领域。尽管贵金属在单个应用中的使用量较小,但是电子产品生产量的大幅扩张也驱使生产商开始考虑开发成本较低的同性能替代产品。而稀土在电子行业中的使用量也较为广泛,因此欧洲还需要建立健全战略材料的管理机制,增加替代金属合金的研发投入,以应对稀土限制供应的问题。此外,去除有毒材料也是电子材料行业长期发展的主要任务。
  电子材料发展面临的挑战就是生产微米和纳米级电机系统零部件所用的材料。也就是说,当机械装置的规格越来越小时,系统中的表面动力,如粘性和摩擦力,就会起主要作用,从而可能导致设备发生故障。而运用建模和仿真的方法进行模拟测试材料结构和性能也是这一领域所面临的挑战。
  六、能源行业
  欧洲能源行业拥有一批企业和技术,并制定了相应的发展战略。实现能源的低成本安全供给仍是行业发展的主要驱动力。此外,能源结构、可持续发展、能源分布和储备也同等重要。目前,除了增加可再生能源使用量之外,对先进化石燃料和核能源的需求也一直存在。而实现该目标最关键的因素之一就是开发所需的材料。
  化石燃料电厂发展的主要驱动力是研究如何提高工作温度,以提高热能效率,特别是将发电厂与碳捕获和封存技术结合起来,更是催生了新的能源需求。超临界和超超临界的蒸汽产生需要承受高压力和650℃~700℃甚至更高的温度。而为适应此工作环境的材料需要改善其强度。因此,未来发电厂需要面临更高的温度、更苛刻的环境和更长设计周期的挑战。
  对于像地热发电厂、太阳能热电厂或生物燃料发电厂等可再生能源领域,也需要面对这些新要求。像风车或太阳能发电机所需要的材料通常是功能材料,如磁铁、接触器和连接器等。这些部件通常包含稀土或是贵金属,而这些材料由于供给有限、成本过高、易造成环境污染,是需要减量化或剔除的。此外,用于支撑太阳能塔或大型风车等的结构性元件,以及能源载体的运输、管道或储存器等也同样重要。
  最后,金属冶炼厂本身就需要大量能源,并产生大量碳排放。未来,这些因素也都需要加以考虑并进一步研究应对办法。
  七、工具行业
  对于冶金行业来说,设备和工具的发展也是一个关键组成部分。目前,欧洲的研发活动已开始有针对性地改进冶金设备和工具,包括缩短产品上市时间、改善质量、改进产品质量监测诊断方法等,以提高现有设备的生产速度和生产能力,从而大幅提高产量,同时避免额外的资本支出。而产品小型化的趋势也要求制造工具小型化,但此类工具目前生产成本较高,产品使用寿命短,且生产时间较长。
  在工具的工业制造过程中,关键点就是要保证生产流程顺畅。从设计到维修包括不同的步骤、工具的设计、使用的材料、热处理、工具生产以及表面处理、工件材料、生产条件和维护等流程。为了确保高生产率和加工经济性,需要正确选择工具,并按规定执行所有步骤。
  工具的磨损和损坏一直是冶金行业要解决的问题。欧洲在这一领域的优势在于其拥有雄厚的知识储备和技术力量,冶金处理工艺在全球领先。欧洲是全球高端工具的顶级生产商之一,而且在表面工程(包括涂层和处理技术)方面也占有一席之地。欧洲工具行业发展的短板在于创新难。主要原因是缺乏能够预测工具使用周期及磨损和损坏机制的相关知识。而其他的问题,诸如关键原材料的获取、知识的系统转移,以及即将到来的全球人才短缺也是行业发展需要面对的挑战。
  八、欧洲冶金业面临的机遇和挑战
  1.发展机遇
  (1)交通行业(陆面、海洋和航空)
  一是有效回收再利用。2015年起,95%的汽车零部件将会实现回收再利用。经验表明,汽车用钢材可以较好地实现材料的环保生产、加工和再利用。
  二是轻量化发展。为了提高能源使用效率,延长产品设计使用周期,目前车用材料、建筑材料以及造船材料等都向轻量化方向发展。到2020年,新车碳排放量要低于平均95g/km。这就要求在车用材料方面要加强对轻质高强度金属和合金的使用,如高强度钢、铝以及夹层结构材料等。
  三是提高产品质量,增强产品耐久性。需要加快改进涂层及材料表面处理工艺。金属表面处理工艺会对海洋交通应用的最终表面保护层产生重要影响。因此,需研发耐腐蚀性更强的新型合金和推进器。
  (2)建筑行业
  一是符合欧洲相关法规。建筑行业用材料需满足欧洲标准(hEN)以及欧洲评估文件(EAD)等的要求。对建筑产品监管的基本要求包括:具有良好的机械性和稳定性、抗火灾的安全性、环境友好、卫生健康、使用安全性、防噪声、节能保温以及可持续性,尤其是自然材料的重复利用性。
  二是材料经济性。建筑材料需要能够规模化生产。另外,在降低成本的前提下,改进建筑材料的耐用性,也有较大的发展空间。
  (3)消费品行业
  消费品行业发展面临的主要机遇包括:定制化表面处理工艺的改进;包括记忆合金材料、自修复材料等在内的智能材料的使用;通过过程建模技术优化材料设计,完善产业链、提高材料性能、降低成本、增强材料的可靠性和质量。
  (4)电子行业
  一是设备小型化发展。设备小型化发展将促使欧洲进一步加强基于金属的微型和纳米级制造能力。而在便携式电子设备领域,欧洲也可进一步对使用的关键金属实施更有效的产品生命周期控制。
  二是金属和铜合金的表面改性处理。改进金属和铜合金的表面改性处理工艺,可以降低贵金属的使用量,并增强材料的耐腐蚀性。此外,还需要加强对新合金性能的高精度测量和建模技术。
  (5)能源行业
  一是更高的操作温度。能源生产操作温度的提高有助于改善热力产生过程,提高能源利用效率。因此,在冶金和材料学领域的创新需要适应更高的操作温度。
  二是粉末冶金的应用。为适应恶劣的工作环境,需要加强粉末冶金技术。另外,该技术也可用于制造形状复杂的零部件。
  (6)模具行业
  一是成型工具。通过表面处理工艺、涂层技术、润滑技术等改善工具表面性能,提高其使用寿命(包括改善耐磨性、硬度、韧性、抗疲劳性、热稳定性和化学稳定性等);通过研发新的工具材料或提升表面处理等级来提高工具寿命,特别是提高工具在高温环境下的寿命;通过增材制造技术缩短工具从设计到生产的周期;通过对微结构和性能的控制来开发新材料及利用加工处理工艺来生产新的工具;而产品小型化也有助于利用微型和纳米结构表面处理技术生产微型工具。
  二是切割工具。开发切割工具所需的新材料;开发针对难加工材料的新涂层技术;进一步利用新型加工工艺制造高品质工具;利用微型制造技术生产切割工具。

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