鋼鐵材料與鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展分析

供稿|馮凱 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

近年來(lái)隨著材料科學(xué)的發(fā)展各種新材料的研發(fā)和問(wèn)世層出不窮。對(duì)于已經(jīng)使用上千年的鋼鐵材料來(lái)說(shuō)，是即將被新型材料所取代，還是依然會(huì)作為最主要的工業(yè)基礎(chǔ)材料繼續(xù)占據(jù)主要地位呢？面對(duì)類(lèi)似問(wèn)題的還有鋼鐵工業(yè)。在國(guó)內(nèi)環(huán)境保護(hù)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的壓力下，我國(guó)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模是會(huì)慢慢萎縮或轉(zhuǎn)移到其他亟需發(fā)展的國(guó)家呢，還是會(huì)繼續(xù)保有目前的規(guī)模產(chǎn)能，甚或繼續(xù)擴(kuò)張呢？本文將用工程思維和工業(yè)思維分析和預(yù)判這兩個(gè)問(wèn)題未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，使人們從全新的角度認(rèn)識(shí)鋼鐵材料和鋼鐵工業(yè)未來(lái)的發(fā)展。

近年來(lái)，隨著各種新材料的問(wèn)世，如：塑料、鋁合金、陶瓷、納米材料等，哪種材料未來(lái)有可能替代鋼鐵材料成為下一代新的工業(yè)基礎(chǔ)材料，一直是工業(yè)材料領(lǐng)域熱議的話(huà)題之一。同樣，自二十多年前中國(guó)粗鋼產(chǎn)量突破1億t，成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)以來(lái)，中國(guó)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能是否過(guò)剩，是否即將下滑，也一直是鋼鐵行業(yè)熱議的話(huà)題之一。時(shí)至今日，鋼鐵材料依然是最主要的工業(yè)基礎(chǔ)材料，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)接近10億t，針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的討論依然在繼續(xù)。

鋼鐵材料未來(lái)發(fā)展分析

各類(lèi)新型材料的發(fā)現(xiàn)為各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的材料需求提供了更多的選擇。在很多領(lǐng)域，如：航空航天、氫能儲(chǔ)備、生物醫(yī)學(xué)等，正是因?yàn)樾滦筒牧系膽?yīng)用，從而推動(dòng)了這些領(lǐng)域有了重大發(fā)展和進(jìn)步。但是，要想成為工業(yè)社會(huì)的基礎(chǔ)材料，能夠被所有行業(yè)廣泛使用，必須滿(mǎn)足特殊的條件和要求。

工業(yè)基礎(chǔ)材料的必備條件

工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料必須具備的三個(gè)條件：(1)原材料易開(kāi)采，且廣泛存在；(2)主元素或主成分可以回收再生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)；(3)潛在性能要足夠?qū)挘缂瓤梢宰龀筛邚?qiáng)度材料，又可以做成韌性材料。

第一條是為了滿(mǎn)足規(guī)模性和經(jīng)濟(jì)性的要求，這是成為基礎(chǔ)材料被廣泛使用的前提；第二條是為了滿(mǎn)足可持續(xù)使用的要求，如果無(wú)法循環(huán)再利用，勢(shì)必會(huì)形成資源恐慌和枯竭，進(jìn)而不滿(mǎn)足第一條；第三條是為了使基礎(chǔ)材料可以在各個(gè)行業(yè)各種場(chǎng)景下都會(huì)被使用，不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)材料性能的要求往往天差地別，具備足夠?qū)挿旱臐撛谛阅苁鞘蛊浔粡V泛使用的必要條件[1]。

不同類(lèi)型材料的對(duì)比篩選

如果把目前所有已經(jīng)被開(kāi)發(fā)的或正在被研究的新型材料按照材料性能原理進(jìn)行分類(lèi)，則總體可以分為基材型材料和結(jié)構(gòu)型材料。

基材型材料是以某種元素或化合物為基材，通過(guò)摻雜其他元素或化合物，實(shí)現(xiàn)不同的材料性能，金屬類(lèi)、陶瓷類(lèi)等都屬于這一類(lèi)；結(jié)構(gòu)型材料是由于某種特定結(jié)構(gòu)而使材料達(dá)到某種特定的性能，石墨烯[2]、納米材料[3]等都屬于這一類(lèi)，其本身的元素構(gòu)成并不特殊，但可以通過(guò)特殊的微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特殊的性能。

對(duì)照工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的必要條件，基本上可以認(rèn)定，結(jié)構(gòu)型材料是很好的功能材料，在特定場(chǎng)景下會(huì)發(fā)揮很好的作用，卻無(wú)法成為廣泛使用的工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料，原因是其不滿(mǎn)足第三條，由于其某一方面功能的強(qiáng)大和特異性，使其成為這個(gè)應(yīng)用方向上的“霸主”，但代價(jià)是犧牲了其他方面性能的可能，喪失了寬泛的潛在性能。

如果把基材型材料按照基材組成繼續(xù)分類(lèi)，則可以分為單質(zhì)基材和化合物基材。單質(zhì)基材型材料是以單一元素作為基材，例如：鋼鐵(鋼鐵材料本身也是一種鐵基材料的合金，不過(guò)與通常認(rèn)為的鐵合金的概念不同)、鋁合金等；化合物基材型材料是以化合物作為基材，例如：陶瓷、水泥等。

通過(guò)這個(gè)分類(lèi)，對(duì)照基礎(chǔ)材料的要求，基本上可以認(rèn)定，化合物基材型材料雖然有一定可能性拓展其潛在性能，但由于其化合物基材的特點(diǎn)，決定了其難以實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用?；衔镒鳛榛囊笃浔仨毦哂袠O高的穩(wěn)定性，因而極大地增加了回收利用的難度。

通過(guò)對(duì)工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的兩步粗選，最后只剩下單質(zhì)基材型材料具備成為工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的條件。那么，在這一類(lèi)材料中，哪種材料有可能代替鋼鐵材料呢？

首先，按照基礎(chǔ)材料的必要條件第一條進(jìn)行篩選，查閱地球上各元素的含量[4]。若依質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)排序地殼中元素含量的豐富程度，前8位分別是氧(46.6%)、硅(27.7%)、鋁(8.1%)、鐵(5.0%)、鈣(3.6%)、鈉(2.8%)、鉀(2.6%)、鎂(2.1%)；若考慮包括地幔及地核的整個(gè)地球進(jìn)行排序，則含量最豐富的元素前8位分別是鐵(32.1%)、氧(30.1%)、硅(15.1%)、鎂(13.9%)、硫(2.9%)、鎳(1.8%)、鈣(1.5%)、鋁(1.4%)。將二者取并集，有可能作為單質(zhì)基材的元素有氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、硫、鎳共10種元素。日常廣泛存在的碳元素并不在其中，這也間接決定了通過(guò)石油化工或煤化工生產(chǎn)的碳化工材料難以作為被整個(gè)工業(yè)社會(huì)廣泛使用的基礎(chǔ)材料。

然后，通過(guò)元素周期表，對(duì)這10種元素進(jìn)行第二步篩選，可以將其分成三類(lèi)。

第一類(lèi)是硅、鋁、鈣、鈉、鉀、鎂。這6種元素具有較強(qiáng)還原性，以至于生產(chǎn)過(guò)程以電解法為主，或者需要以更強(qiáng)的還原劑置換還原。這一類(lèi)元素只能進(jìn)行還原操作的提煉工藝，決定了此類(lèi)單質(zhì)基材型材料一旦摻入其他元素則在重復(fù)利用的過(guò)程中幾乎無(wú)法分離。這也是為什么鋁合金、鎂合金的綜合性能比鋼鐵材料要好，并且已經(jīng)被很多領(lǐng)域使用，但依然難以成為循環(huán)材料，進(jìn)而完全代替鋼鐵材料的原因。

第二類(lèi)是氧、硫。這兩種元素本身無(wú)法制作成基材材料，在常溫常壓下，一個(gè)是氣態(tài)，一個(gè)是固態(tài)粉末狀或塊狀，可以直接排除。

第三類(lèi)是鐵、鎳。從基礎(chǔ)材料的必要條件來(lái)看，鎳是惟一有可能代替鋼鐵材料的金屬材料，三個(gè)條件都滿(mǎn)足，只可惜儲(chǔ)量有限。從儲(chǔ)量數(shù)據(jù)可以看出，地球上大量的鎳主要儲(chǔ)存在地球深層，地表礦非常稀缺，真正可采儲(chǔ)量?jī)H占總儲(chǔ)量的10%。由此看來(lái)，在發(fā)明太空采礦和地心采礦之前，鎳元素也并不滿(mǎn)足工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料要求的第一條。

鋼鐵材料的未來(lái)

通過(guò)以上分析可以看出，在現(xiàn)有材料研發(fā)體系和工業(yè)社會(huì)需求的前提下，不管是哪種研發(fā)思路開(kāi)發(fā)的新型材料都很難替代鋼鐵材料成為大規(guī)模使用的工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，鋼鐵材料作為最主要的工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的地位依然無(wú)法撼動(dòng)，而新型材料的研發(fā)則更多的是面向特定領(lǐng)域和特定需求的功能材料，成為鋼鐵材料的有益補(bǔ)充。

鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展分析

既然鋼鐵材料無(wú)法被替代，那么鋼鐵工業(yè)就是社會(huì)發(fā)展的必然需要。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，鋼鐵工業(yè)合理的產(chǎn)業(yè)規(guī)模應(yīng)該是多少呢？這是一個(gè)典型的社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域問(wèn)題，需要通過(guò)對(duì)比的方法進(jìn)行分析。

發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵工業(yè)發(fā)展規(guī)律

中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，正在進(jìn)行工業(yè)化進(jìn)程，要想判斷中國(guó)鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展的走勢(shì)，對(duì)比分析已經(jīng)完成工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)達(dá)國(guó)家十分必要。

世界上主要的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)家或地區(qū)主要有美國(guó)、歐洲、日本、俄羅斯、印度和中國(guó)。判斷和分析鋼鐵工業(yè)規(guī)模的最重要指標(biāo)是粗鋼產(chǎn)量。對(duì)上述幾個(gè)國(guó)家或地區(qū)在1871—2015年間的粗鋼產(chǎn)量[5]繪制變化規(guī)律曲線(xiàn)，如圖1所示。圖1中所顯示的歐洲鋼產(chǎn)量是英國(guó)、德國(guó)和法國(guó)三個(gè)核心國(guó)家鋼產(chǎn)量之和，與真實(shí)的歐洲總產(chǎn)量有所差異，但總體規(guī)律是一致的；所顯示的俄羅斯鋼產(chǎn)量，前期是前蘇聯(lián)的粗鋼產(chǎn)量數(shù)據(jù)，前蘇聯(lián)解體后是俄羅斯國(guó)家的粗鋼產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

圖1 1871—2015年世界主要產(chǎn)鋼國(guó)粗鋼產(chǎn)量

通過(guò)圖1可以看出，除了前蘇聯(lián)由于聯(lián)邦解體導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)大崩潰鋼鐵產(chǎn)量急劇下滑外，歐洲、美國(guó)、日本的鋼鐵產(chǎn)量的規(guī)律是：在20世紀(jì)70年代先后出現(xiàn)峰值，之后不再增長(zhǎng)，而是在一個(gè)產(chǎn)量區(qū)間內(nèi)震蕩，保持總體穩(wěn)定。

以鋼產(chǎn)量看似下滑嚴(yán)重的美國(guó)為例，歷史最高值出現(xiàn)在1973年，當(dāng)時(shí)鋼產(chǎn)量1.36億t，隨后經(jīng)歷了10年的下滑，并觸底反彈，但即使到近幾年，美國(guó)粗鋼產(chǎn)量依然維持在9000萬(wàn)t左右的規(guī)模，這是經(jīng)歷了布林頓森林體系瓦解、多次能源危機(jī)、大量中低端制造業(yè)轉(zhuǎn)移到其他國(guó)家之后的結(jié)果[6]。如果考慮到美國(guó)擁有的3540萬(wàn)t鋼材進(jìn)口量，則每年美國(guó)真實(shí)的鋼材消費(fèi)水平與歷史峰值相差甚小。同樣的方法分析歐洲和日本的鋼產(chǎn)量也可以得出相同的結(jié)論。因此，一個(gè)政治、經(jīng)濟(jì)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的國(guó)家，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)能達(dá)到一定水平后并不會(huì)嚴(yán)重下滑，而是保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，這是社會(huì)工業(yè)化完成后維持社會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行所需要的。

對(duì)比之下，如果同樣的發(fā)展規(guī)律也適用于中國(guó)，那么可以推斷，中國(guó)正處于工業(yè)化進(jìn)程中，對(duì)鋼鐵材料的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，并在未來(lái)某個(gè)時(shí)段達(dá)到峰值，之后稍微下降后開(kāi)始保持相對(duì)穩(wěn)定。

中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展主客觀條件

中國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程對(duì)鋼鐵材料的需求是增長(zhǎng)后持續(xù)穩(wěn)定的過(guò)程。但是，中國(guó)鋼鐵工業(yè)是否會(huì)按照社會(huì)需求進(jìn)行產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)張呢？這就需要分析中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主客觀條件了。

在客觀條件方面，鋼鐵工業(yè)發(fā)展所面臨的最大的外在客觀約束就是能源和環(huán)境壓力。不管是國(guó)內(nèi)環(huán)境保護(hù)力度的加大(“環(huán)境保護(hù)法”的嚴(yán)格執(zhí)行)[7]，還是國(guó)際條約的約束(“巴黎協(xié)定”對(duì)碳排放的限制)[8]，都是對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)規(guī)模的極大限制。面對(duì)這種情況，對(duì)于中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)有兩種發(fā)展思路：

一種思路是把國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到周邊亟需發(fā)展鋼鐵工業(yè)的國(guó)家，同時(shí)滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)鋼鐵材料的需求。但事實(shí)上，對(duì)于中國(guó)而言，客觀上沒(méi)有這樣的條件，主觀上也沒(méi)有這樣的愿望。

從客觀上分析，目前，英、法、德、美、日、俄、印等國(guó)家的粗鋼產(chǎn)量之和約占世界總產(chǎn)量的1/4左右，中國(guó)占了1/2，全世界剩下的190多個(gè)國(guó)家占了1/4。因此，從客觀的外部環(huán)境來(lái)看，要想保證鋼鐵整體供給水平，同時(shí)要把中國(guó)鋼鐵產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到其他國(guó)家，即使只轉(zhuǎn)移一半，也要把全世界剩下的190多個(gè)國(guó)家的鋼產(chǎn)量翻一番。這里面涉及到技術(shù)擴(kuò)散、工程建設(shè)、市場(chǎng)需求、政治穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理等諸多條件才有可能實(shí)施，即使有條件實(shí)施，需要建設(shè)和發(fā)展的周期也不會(huì)少于三四十年。從這個(gè)角度看，希望通過(guò)鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移來(lái)滿(mǎn)足中國(guó)鋼鐵材料的需求是幾乎不現(xiàn)實(shí)的。

從主觀上分析，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和宏觀政策也沒(méi)有進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的傾向。對(duì)于工業(yè)社會(huì)而言，鋼鐵工業(yè)作為生產(chǎn)整個(gè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)是不可或缺的一環(huán)。在中國(guó)發(fā)展過(guò)程中，從建國(guó)之初至今屢次經(jīng)歷軍事圍堵和經(jīng)濟(jì)制裁，為了保證不受制于人，對(duì)構(gòu)建完整的工業(yè)體系和保障充足自給能力的重要性有極為深刻的認(rèn)識(shí)。并且，從當(dāng)下中美大國(guó)博弈來(lái)看，完整的產(chǎn)業(yè)鏈的確為持久戰(zhàn)提供了足夠的戰(zhàn)略縱深和緩沖空間，更加堅(jiān)定了這種“認(rèn)識(shí)”的正確性。

另一種思路是推動(dòng)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，通過(guò)面向綠色化的轉(zhuǎn)型升級(jí)，在現(xiàn)有約束條件下進(jìn)一步發(fā)展鋼鐵工業(yè)。這既符合“人類(lèi)命運(yùn)共同體”的總體規(guī)劃，又體現(xiàn)中國(guó)的大國(guó)擔(dān)當(dāng)。

鋼鐵工業(yè)的綠色化有兩個(gè)維度，一是鋼鐵材料的綠色化，二是鋼鐵生產(chǎn)的綠色化。

鋼鐵材料的綠色化是指研制開(kāi)發(fā)性能更好的鋼鐵品種以減少鋼鐵材料本身的消耗，從而減少能耗和污染。例如：隨著高強(qiáng)鋼的品種不斷得以研究和開(kāi)發(fā)以及強(qiáng)度的不斷提高，在相同環(huán)境下使用的鋼鐵用量會(huì)相應(yīng)減少，生產(chǎn)這些鋼鐵產(chǎn)生的污染和消耗的能源自然也就減少[9]。

鋼鐵生產(chǎn)綠色化包括兩個(gè)階段：第一階段是針對(duì)高污染環(huán)節(jié)增加環(huán)保設(shè)備，增加廢棄物的回收(包括社會(huì)廢鋼的有序回收)；針對(duì)高能耗的主要手段是改進(jìn)生產(chǎn)工藝及采用能源利用效率高的設(shè)備代替能源設(shè)備利用低的設(shè)備。第二階段是系統(tǒng)層次的節(jié)能減排，包括生產(chǎn)過(guò)程的高效穩(wěn)定運(yùn)行、鋼鐵生產(chǎn)與能源系統(tǒng)的協(xié)同匹配、鋼鐵產(chǎn)業(yè)與化工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的耦合等。

中國(guó)鋼鐵工業(yè)的未來(lái)

中國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展雖然存在種種阻力和約束，但是社會(huì)發(fā)展需求和可持續(xù)發(fā)展路徑為未來(lái)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展提供了足夠的動(dòng)力。在這樣的條件下，中國(guó)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模未來(lái)會(huì)有多大？

這個(gè)問(wèn)題非常難回答，因?yàn)椴煌瑓?shù)、不同角度的分析，將會(huì)得到不同的結(jié)論。有些研究通過(guò)粗鋼產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)規(guī)模的比較來(lái)分析，有些研究通過(guò)人均鋼材擁有量來(lái)比較。本文通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)“電爐鋼比例”更能反映社會(huì)對(duì)鋼鐵材料需求的滿(mǎn)足程度，從而判斷未來(lái)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模上限。

鋼鐵生產(chǎn)主要有兩種模式：一種是長(zhǎng)流程模式，以鐵礦石為原料通過(guò)高爐和轉(zhuǎn)爐進(jìn)行生產(chǎn)；一種是短流程模式，以廢鋼為原料通過(guò)電爐進(jìn)行生產(chǎn)。廢鋼主要來(lái)自于社會(huì)鋼鐵資源的回收、利用和循環(huán)[10]。

電爐鋼占總產(chǎn)量中的比例反映了可回收鋼鐵在社會(huì)積累總量中的比例。當(dāng)市場(chǎng)對(duì)鋼鐵的需求量中電爐鋼比例較小時(shí)，意味著社會(huì)積累的鋼材總量不足，需要以鐵礦石為原料進(jìn)行生產(chǎn)，補(bǔ)充鋼鐵資源；反之亦然，當(dāng)社會(huì)積累鋼材總量達(dá)到一定水平，勢(shì)必會(huì)形成一定規(guī)模的廢鋼市場(chǎng)，從而增加廢鋼回收和循環(huán)，提升電爐鋼的比例?；谶@個(gè)指標(biāo)，可以明顯看出中國(guó)鋼鐵工業(yè)的年產(chǎn)量距離峰值還有一定的差距。

如果參照國(guó)際平均水平的情況，目前全球電爐煉鋼比例(不包括中國(guó))占總煉鋼產(chǎn)量的40%左右，而中國(guó)電爐煉鋼比例僅占煉鋼量的10%左右。如果以國(guó)際平均水平計(jì)算，在不增加轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)能的情況下還需要增加5億t電爐鋼才能達(dá)到目前國(guó)際上40%的電爐鋼比例。即使考慮到長(zhǎng)流程落后產(chǎn)能淘汰和產(chǎn)能置換，也存在3～4億t的增長(zhǎng)潛力。

綜上分析，從短期來(lái)看(5～10年)，中國(guó)鋼鐵工業(yè)的規(guī)模還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)張，保守估計(jì)鋼鐵年產(chǎn)量將增長(zhǎng)到14億t以上；從中長(zhǎng)期來(lái)看(10～20年)，鋼鐵年產(chǎn)量會(huì)先增長(zhǎng)然后回落到12～13億t的區(qū)間開(kāi)始震蕩，從而形成穩(wěn)定的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的要求分析以及不同類(lèi)型材料的對(duì)比，闡述了在現(xiàn)有材料研發(fā)體系和工業(yè)社會(huì)需求的前提下鋼鐵材料作為最主要的鋼鐵基礎(chǔ)材料的地位依然無(wú)法撼動(dòng)。通過(guò)分析發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵工業(yè)的發(fā)展規(guī)律以及中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主客觀條件，闡述了國(guó)內(nèi)鋼鐵工業(yè)走“綠色化”道路的必然性，并預(yù)判未來(lái)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模具有增長(zhǎng)到14億t以上的潛力。