日本、韩国钢铁新材料研发情况对我国的启示

肖邦国，霍咚梅

（冶金工业规划研究院轧钢处，北京 100711）

专论与综述

日本、韩国钢铁新材料研发情况对我国的启示

肖邦国，霍咚梅

（冶金工业规划研究院轧钢处，北京 100711）

在研究了日本、韩国钢铁行业新材料发展及研发模式的基础上，对我国钢铁行业新材料研发工作提出了几点建议。指出，我国钢铁工业仍然存在先进生产技术、高端产品研发和应用依靠引进和模仿等问题，需要继续大力开展基础性、前沿性的科研工作来不断提高企业的创新能力。建议企业逐年加大科研开发资金投入，并与优秀企业合作联合开发，同时先期介入到下游行业，将新技术和新工艺研发视为企业未来发展新动力。

钢铁新材料；超级钢；研发模式；先期介入

1 前言

钢铁材料是我国国民经济发展的物质基础，亦是影响经济建设的重要因素。2013年，我国粗钢产量再创历史新高，达到7.79亿t，连续多年位居世界第一。钢铁产业的迅猛发展，在满足我国经济快速发展需要的同时，也由于生产规模的不断扩大，面临产能过剩、产业布局不合理、集中度低、资源保障能力差等诸多问题，同时，给资源和能源供应、交通运输、环境保护等带来了巨大压力。对于钢铁行业而言，当前加快推动结构调整既是国家转变发展方式的战略要求，也是市场倒逼企业转型发展的必然选择。在这种形势下，广大钢铁企业必需按照“转方式、优结构、提质量、增效益”的思路，由规模效益向品种质量效益转变。可见，提高钢铁材料的质量和性能，延长使用寿命，同时，尽可能减少资源、能源消耗和环境污染，已成为钢铁材料研究、生产和使用部门共同面临的紧迫问题，开展钢铁新材料的工业生产研究已迫在眉睫。

相比现有钢铁材料，钢铁新材料是指通过改变钢铁化学成分或生产工艺、改善组织结构、提高纯净度等措施而获得的具有优异性能的钢材品种。本研究介绍日本、韩国钢铁行业新材料的发展情况，同时，就其研发模式进行分析，并对我国钢铁行业新材料研发工作提出建议。

2 钢铁行业新材料发展情况

一直以来，世界主要产钢国均在进行钢铁产品工艺、性能优化研究。近年来，不仅在传统加工工艺上有了明显进展，一些常规产品的性能水平也得到了很大提高，而且相继启动了新一轮钢铁新材料研发工作。

2.1 日本钢铁新材料发展情况

1993年，日本提出开发极限功能材料的设想，目标是“提高钢材强度1～2倍，提高使用寿命1倍以上，降低环境负担，降低包括钢构件维修费用在内的使用期间总成本”。1997年4月，日本正式启动了“超级钢材料计划”（Structural Materials X for 21 Century），简称STX-21，即面向21世纪的结构材料计划。目标是在10年内开发出强度相当于现有钢铁材料2倍的超级钢，用于道路、桥梁、高层建筑等基础设施用钢材的更新换代。截至目前，该项目实施完成了两个五年计划，基本达到预期目标。

总的来看，日本钢铁新材料的研究开发主要集中在以下方面：800 MPa级焊接性能和可再利用性得到改善的高强度钢，1 500 MPa级以上超高强度钢，650℃使用条件下超临界蒸汽锅炉用高级铁素体耐热钢，海上和近海环境用耐蚀结构钢及其他特殊用钢等。

2.1.1 800MPa级铁素体焊接结构钢

传统普通低合金钢抗拉强度低，但焊接性能和可再利用性好。高强度钢由于添加合金元素而提高了强度，但焊接性能和可再利用性差。800 MPa级以铁素体为基体的一般焊接结构用钢是将低强度钢变成细晶粒高强度钢，将钢材强度提高1倍而不降低安全性。

目前，日本JFE钢铁公司采用淬火+回火的生产工艺，已经成功研制800 MPa级系列钢板。其中，高强度中厚板HITEN980系列产品，厚度范围6～120 mm，屈服强度≥865 MPa，抗拉强度930～1 110 MPa，抗弯性能和冲击韧性良好；高施工型高强度板HITEN780EX系列产品，厚度范围6～60 mm，屈服强度≥685 MPa，抗拉强度760～910 MPa，抗弯性能和冲击韧性良好；工业机械和建筑用高强板HITEN980S系列，厚度范围6～50 mm，屈服强度≥885 MPa，抗拉强度950～1 130 MPa，综合性能良好。

此外，日本还成功研制出0.5 μm级微细晶钢，该材料具有抗拉强度800 MPa、均匀伸长率7%、冲击实验脆性转变温度-200℃等优良性能。针对超细晶粒钢结构件焊接的问题，已开发出大功率脉冲变频CO2雷射焊接法和随机波形控制脉冲电弧焊。这两种焊接方法相比传统的焊接方法，速度快，效率高，缺陷出现的概率小。同时，为了获得超细晶母材强度水平的结构件，日本开发出低弥散度相变温度的焊料，从而使焊缝疲劳强度提高2倍以上，解决了超细晶粒钢在工业应用中装备连接困难的问题，进一步提高了钢材的综合性能。

从上述可以看出，日本对800 MPa级结构用钢的研究已经进入了稳定的工业应用阶段，在传统热处理工艺的基础上进行了化学成分和加工工艺的优化，成功研制出这种具备优良综合性能的高强钢，并广泛应用于大型桥梁和工程机械设备。

2.1.2 1500 MPa级以上超高强度钢

现有钢材中强度最高的是低碳马氏体钢丝绳，一般用作超大型建筑和桥梁的结构材料。它是通过马氏体时效析出而进行强韧化的，强度可以达到2 500～4 000 MPa，而一旦强度超过1 000 MPa，材料的塑性性能则会明显下降，疲劳强度也会降低。耐延时破坏或疲劳破坏1 500 MPa级超高强度钢不仅能在大型建筑和桥梁建设中发挥巨大的作用，而且对军事工业也有较好的应用前景。

超高强钢的典型工业应用是在汽车用板领域，典型产品是DP钢和TRIP钢。目前，日本已将抗拉强度为1 000～1 200 MPa级的超高强钢成功应用于汽车保险杠和车门横梁等关键车体零件，抗拉强度达到1 500 MPa的超高强度钢板已开始应用于热成型及同时淬火的热加工技术方法，这是目前超高强度钢在汽车工业领域应用的最高强度水平。

2.1.3 超超临界蒸汽锅炉用铁素体耐热钢

铁素体耐热钢具有优良的导热性、低的热膨胀系数、良好的抗晶间腐蚀、抗应力腐蚀性能和较低的生产成本，是锅炉管的首选钢种。超超临界蒸汽锅炉用铁素体耐热钢主要用于制造火力发电厂高温高压下使用的涡轮或锅炉，使用环境温度为650℃，环境压力为33.5 MPa。采用这种新材料，能将铁素体系耐热钢的使用温度界限从原来的600℃提高至650℃，使现有条件（540℃，24.9 MPa）下的发电效率从39.8%提高到43%，CO2排放量减少3%，不但提高了煤炭的使用效率，也大幅度减少CO2的排放量。

日本对超高临界电站用9%～12%Cr铁素体耐热钢的研究非常活跃，从起步阶段的CMn钢到目前的9%～12%Cr钢，经历了Mo钢、低合金CrMo钢的发展。在发展过程中通过采用合金化和组织结构控制、使用不同的强化机制，使蠕变强度不断得到提高。目前，9%～12%Cr耐热钢是铁素体耐热钢中蠕变强度最高的钢系。日本能够稳定生产的代表钢种是新日铁公司在T91基础上进一步改善的T92，采用以W为主的W-Mo复合固溶强化，加入V、Nb形成碳氮化物弥散沉淀强化以及加入0.001～0.006%的B形成晶界强化，从而研制开发出新型铁素体耐热合金钢。T122是日本住友金属株式会社以德国X20CrMoV121为基础研制成功的，其基本化学成分与T92相当，为了提高抗氧化性，将Cr含量提高到12%，并加入1%的Cu来平衡高Cr含量影响到的相稳定性。但这两种钢材价格昂贵且长期运行有蠕变脆性倾向。

目前，日本已经掌握了使用温度达650℃的耐热钢的关键生产技术，具备生产高性能耐热钢的能力，并有一定的工业应用。

2.1.4 海上和近海环境用耐蚀结构钢

耐腐蚀结构钢是在钢中加入少量合金元素，如Cu、P、Cr、Ni、等，使其在金属基体表面形成保护层，从而提高钢材的耐腐蚀性能。海洋环境用节能不锈钢、海滨环境用耐候钢以及开发相关的焊接技术与使用性能评估技术等是近年日本钢铁新材料研究的重要方向。

目前，日本JFE公司已经具备生产Cr-Cu-Mo成分特征的MARIN400～490Y系列耐海水腐蚀钢产品的能力，产品厚度范围为6～40 mm，综合性能优良。此外，还研制成功了Cr-Cu-Al成分体系的10CrMoAl耐蚀钢，利用材料中的Al，与空气中的O化学反应生成Al2O3保护膜，从而达到防腐蚀的目的。10CrMoAl中的Cr、Mo离子在海水中能自动补充Cl-1离子对钢材点腐蚀形成的空隙，形成致密保护层，阻止点腐蚀向纵深发展，达到耐腐蚀、延长使用寿命的效果。

此外，耐海水不锈钢的主要研究思路是采用热喷射技术，在钢材表面形成一层保护膜，作为耐海水腐蚀层。但表面喷涂技术的研究还在实验室阶段，热喷涂仪器和涂层的开发还处于研究初期。

2.2 韩国钢铁新材料发展情况

在日本超级钢研究项目的带动下，1998年韩国启动了“21世纪高性能结构钢”的钢铁新材料研究项目，这是以POSCO钢铁公司为主体的国家级研究项目，主要研究开发800 MPa级结构钢、600 MPa级耐候钢和1 500 MPa级高强螺栓钢，研究方向侧重于新一代建筑用钢，目标是使建筑用钢的强度和使用寿命达到己有钢材的2倍。与其他国家的超级钢项目相比，韩国进行的超级钢研究以微合金钢为对象，采取低温大变形的技术路线。

韩国企业在2001年6月完成了抗拉强度600 MPa级建筑用钢板和具有超级焊接强度高氮钢板的试验，试验项目包括焊接工艺和夹杂物控制。新开发的建筑用材使用的Cr、Mo、Ni等强化元素的比例大大减少。同时，为了获得高强度，采用低温轧制，细化材料内部晶粒尺寸，强度相应提高，能源消耗下降。由于新材料使用的合金元素很少，焊接时无需进行退火，缩短了制造周期，降低了生产成本。

2006年11月，浦项钢铁公司与现代汽车公司共同开发出一种高强、轻质的汽车钢板。该新型钢板的强度1 180 MPa，为目前使用强度590 MPa的2倍，厚度为目前的1/3。采用该钢板作为原料生产的汽车，强度得到大幅提高，且重量减轻，安全性能大大增强。目前，浦项计划大规模生产该汽车钢板，并将在汽车工业领域推广应用。

3 钢铁企业研发模式

3.1 日本钢铁企业研发模式

日本钢铁企业与下游企业合作研发的模式主要体现在先期介入和产品前瞻性研发。

1）先期介入。为满足制造业不断发展的要求，钢铁企业与用户建立了非常好的合作关系，做到先期介入。例如，新日铁和JFE在汽车板生产研发方面突出特点是做到了全面的先期介入。经过几十年的合作，新日铁和JFE已经和日本、美国和德国等汽车生产企业深度合作，在其新车型研发设计的先期阶段，就介入到钢材的设计、选型、冲压试模等，这样就可以将汽车企业与钢铁企业紧密地联系在一起，其他企业很难替代。这反映出日本钢铁企业具有强大的研发实力。

2）产品前瞻性研发。日本钢铁企业紧跟制造业的发展动向，进行了大量前瞻性的材料开发研究作为储备，以确保日本制造业产品水平能够保持在世界前列。例如，提前开发出超超临界发电机组用特殊不锈钢管，满足了100万kW超超临界新发电机组推向市场的材料需求；初步开发出更环保的耐腐蚀高强船板，为新型环保船舶的发展奠定了基础。

3.2 韩国钢铁企业研发模式

韩国钢铁企业产品研发模式主要体现在联合研发和先期介入。

1）产品联合研发。2000年浦项与日本新日铁成立战略联盟，共同开发基础技术，并扩大第三国的合资事业和情报咨询合作。2001年，浦项和新日铁的技术战略联盟共有23个研究开发和技术交流项目。2002年，浦项又与奥钢联公司就激光拼焊板生产技术结成技术联盟。

此外，浦项还与韩国汽车生产商通用－大宇签署战略性技术合作协议，共同设立“技术合作委员会”，加强从新车开发到制造全过程的汽车用钢开发与合作。该委员会由两家企业的营销、采购、研究所、生产技术等部门人员共同参与，已完成多个课题的攻关。浦项不断扩大TWB钢板和液压成形部件等新产品的生产销售，通过与汽车制造商合作开发适合新车型的钢材产品，与现代汽车公司共同研发了一种更加坚固和轻质的汽车用钢板。

2）先期介入。以战略产品为核心，特别是汽车板生产体系的研发活动，主要采用先期介入的模式，即在客户开发产品的过程中，在项目的初期阶段便参与客户的技术开发，从而预防钢材使用过程中各种问题的产生，并支援客户的先进技术研发。在汽车板开发方面，主要是与世界大型汽车制造企业合作，集中力量开发加工性能、耐久性能、稳定性能、环保性能优越的轻量化汽车钢板。在API钢材开发方面，主要是为客户量身定制专用的API钢材。

4 对我国钢铁新材料研发的启示

4.1 开展基础研究

我国于1998年启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”的项目，目标是将占我国钢产量60%以上的碳素钢、低合金钢和合金结构钢等“三类”钢的强度和寿命提高一倍。2009年底完成了二期“提高钢铁质量和延长使用寿命的冶金学基础研究”项目，实现了钢铁结构材料中静态和动态承载原型钢使用寿命翻番的冶金学基础研究。可以说，我国的钢铁材料项目形成了以“高洁净度、高均匀度、超细晶粒”的钢铁材料特征控制思路，以实现“强度翻番、寿命翻番”从而降低资源和能源的消耗。从2010年开始，启动“高性能钢的组织调控理论与技术基础研究”第三期项目，建立高性能钢的多相组织、亚稳组织、组织多尺度化调控的组织控制理论与技术研究，为开发我国第三代低合金钢、汽车用高强度钢和耐热钢奠定基础。

经过多年的发展，我国钢铁新材料研究取得了显著的进步。但是，我国钢铁工业由于创新能力不强，仍然存在先进生产技术、高端产品研发和应用依靠引进和模仿，一些高技术含量、高性能产品仍需大量进口，以及消费结构处于中低档水平等问题。可见，我国钢铁业需要继续大力开展基础性、前沿性的科研工作来提高创新能力，以满足我国在经济快速发展期所出现的一些新需求。

4.2 加大研发力度

随着我国钢铁工业装备水平的提高，以及钢材标准的不断完善，我国钢材产品质量有了很大提高，但与下游用户的要求仍存在较大差距，突出表现在产品开发滞后、质量不稳定、尺寸公差大、平整度差、钢材表面有缺陷、加工性能不好等方面。主要原因是由于近年钢材市场产销两旺，钢铁企业研发动力不足，国内技术人才队伍素质相对不高，研发投入相对不足。

目前，我国相当一部分钢铁企业对核心技术只盲目引进，自主品牌意识还不强，企业间创新能力差距较大，行业整体创新能力与国际先进水平相比还有差距，钢材品种研发在世界范围内一直处于“跟跑”的位置。我国钢铁企业与下游用户产品联合研发，先期介入方面还有很大差距。国内钢铁企业只有宝钢做到了与下游客户进行产品联合研发。我国钢铁企业缺乏与下游用户合作的主动性，只是被动的接受下游用户对材料性能要求，钢材产品开发滞后，而不能先期介入获得一手钢材需求信息，从而更好的指导钢材产品的研发。

在钢铁产能严重过剩、行业效益大幅下挫的环境下，钢铁企业“调结构、转方式、促升级”是必然选择，围绕钢铁技术链，钢铁企业有必要将新技术和新工艺研发视为未来发展的主要驱动力，高新技术也将成为企业新的经济增长点。为此，建议我国钢铁企业逐年加大科研开发资金投入，年研发投入费用占销售额的比例保持每年增长；与优秀企业联合开发项目，互相交换先进技术，合作开发具有优异性能的相关产品及技术，通过协作来不断增强各自的竞争力；先期介入下游用户的早期研发阶段，充分了解用户对原材料的性能要求，为客户提供更高性能的材料以及个性化的服务，使企业和下游制造商建立密不可分的合作伙伴关系，从而使企业在今后的产品营销中占领市场的制高点。

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

肖邦国，男，1977年生，2003年毕业于北京科技大学材料加工工程专业，硕士。现为冶金工业规划研究院轧钢处处长，高级工程师，从事金属产品市场定位、深加工产业规划及市场分析预测等工作。