基础材料强国制造技术路线 钢铁材料卷

本书描述了钢铁行业领域先进基础材料所面临的问题和形势，了解和掌握我国相应材料领域先进基础材料供需状况，深入分析未来先进基础材料发展趋势。统筹提出先进基础材料领域强国战略思路、发展目标及重点任务，制定先进基础材料2020-2035发展技术路线图。并提出合理可行的政策与保障措施建议，为我国材料强国2035战略实施提供基础支撑.

钢铁行业是支撑我国制造业和国防工业发展的基石，也是国民经济中举足轻重的基础产业。建国初期我国钢产量仅为16 万吨，经过“156 项工程”中钢铁项目的建设、“三大五中十八小”建设、三线建设，逐步形成规模化钢铁生产工业体系，改革开放后宝钢的兴建开启了我国钢铁工业现代化发展阶段。进入新世纪以来，我国钢铁产量和消费量长期占世界一半以上，钢铁行业进入加速发展阶段，我国已经成为当之无愧的世界第一钢铁生产大国和消费大国。
当前，我国钢铁企业的生产、研发和管理水平不断提高，诞生了一大批世界一流的产品和技术。曾经“卡脖子”的大型舰船用钢、轴承钢、核电用钢、高铁用钢等材料则被一一攻克。在钢铁工业绿色制造方面，我国绿色环保标准体系和工艺技术已经整体处于世界领先水平，吨钢能源消耗达到世界一流水平【2020 年我国钢铁综合能耗545kg（标准煤）/t（钢）】。尤其是在京津冀地区，由钢铁生产带来的粉尘、SO2、NOx 等主要大气污染物已经得到有效控制，生态环境明显改善。在钢铁工业智能制造方面，我国已具备了良好的自动化和信息化条件，正在积极探索智能生产方面的技术突破。未来，我国钢铁行业将实现大数据、人工智能、云计算等新一代信息技术与研发、设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节深度融合，建立具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造系统与模式，充分发挥信息技术在缩短产品研发周期、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗等诸多方面的巨大作用，真正实现钢铁工业的“智慧制造”。
如今，在我国“碳达峰”“碳中和”重大战略目标指引下，钢铁行业也在制定自身的“双碳”时间表，积极探索实施路径，布局“双碳”技术和人才。可以预见的是，未来我国钢铁领域将产生一大批先进的低碳和无碳工艺技术。应对减碳压力对传统流程产生极大冲击的同时，也是我国钢铁产业实现从跟随到引领的重大机遇。
本书是对中国工程院化工、冶金与材料学部2018—2020 年“新材料强国2035 战略研究”中的“先进基础材料强国战略研究”及“2035 我国基础材料绿色制造和智能制造技术路线图研究”两个重大咨询项目中钢铁领域研究成果的提炼总结。全书内容分为3 篇，第1 篇是精品制造，从钢铁产品出发，主要对基础零部件用钢、船舶及海洋工程用钢、先进轨道交通用钢、能源用钢等11类主要品种，介绍其应用范围，分析现状问题，描绘发展愿景。第2、3 篇则是绿色制造和智能制造，主要从生产流程和工艺技术出发，分别着眼于近期、中期及远期目标，梳理三大“关键技术”（推荐应用的关键技术、加快工业化研发的关键技术和积极关注的关键技术）。绿色制造篇从能源消耗、资源综合利用和污染物排放3 个方面，梳理了石灰、焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢、轧钢、污废处理等流程中共101 项推荐应用的技术、73 项加快研发的技术和46 项积极关注的技术。智能制造篇从智能装备、智能系统、工业软件和新一代信息技术4 个方面归纳整理了24 项推荐应用的关键技术、23 项加快工业化研发的关键技术和17 项积极关注的关键技术。
本书汇集了近百位专家学者的学识与智慧，得到了翁宇庆、聂祚仁、钱锋等院士高屋建瓴的指导，中国金属学会专家委员会诸多行业同仁等多次通过各种方式提出了大量具体修改意见。本书的撰写及数据统计主要由中国金属学会相关专业分会及挂靠单位组织专家完成，其中精品制造篇由中国钢研科技集团有限公司、北京科技大学、中国宝武钢铁集团有限公司、鞍钢集团等单位相关专家编写，绿色制造篇由中国冶金科工集团有限公司组织中冶赛迪集团有限公司、中冶建筑研究总院有限公司、中冶焦耐工程技术有限公司等单位负责编写，智能制造篇由中国钢研科技集团有限公司自动化研究院、中国宝武钢铁集团有限公司相关专家编写。项目历时3 年多的调研、整理、编写和修改，很多专家、学者及工程技术人员都倾注了大量的心血和热情，在此不一一列举，谨通过本书向所有参与课题研究、审定和资料撰写的院士、专家及工作人员表示崇高的敬意和感谢，同时，也向我国钢铁强国之路上不断奋斗的广大冶金科技工作者致敬，希望本书能为一线科技工作者提供借鉴。
由于编者水平所限，书中不足之处敬请读者批评指正！

中国金属学会
2021 年10 月

中国科协先进材料学会联合体 中国金属学会 组织编写。其中精品制造篇由中国钢研科技集团有限公司、北京科技大学、中国宝武钢铁集团有限公司、鞍钢集团等单位相关专家编写，绿色制造篇由中国冶金科工集团有限公司组织中冶赛迪集团有限公司、中冶建筑研究总院有限公司、中冶焦耐工程技术有限公司等单位负责编写，智能制造篇由中国钢研科技集团有限公司冶金自动化研究设计院、中国宝武钢铁集团有限公司相关专家编写。

《基础材料强国制造技术路线 钢铁材料卷》阐述了用于基础零部件制造、船舶及海洋工程、轨道交通、汽车、能源、油气输送、石油化工、建筑、工程机械等的先进钢铁材料的关键指标和发展战略；钢铁材料主要产品和技术流程，资源综合利用、能耗及排放特征以及节能、环保的关键技术；钢铁行业智能装备、智能系统、工业专用软件、新一代信息技术的应用和冶金流程在线检测、冶金工业机器人、钢铁复杂生产过程智能控制系统、全流程一体化计划调度系统、全流程质量管控系统、能源与生产协同优化系统、设备精准运维系统、钢铁供应链全局优化系统、钢铁工业互联网平台等技术的发展路径。
本书可供钢铁行业、企业、科研院所及主管部门参考。

第1篇 精品制造
第1章 总论 003 
1.1 我国钢铁产业发展概况 004
1.2 先进钢铁材料需求和形势分析 005
1.3 2035 年钢铁强国主要目标 007
1.4 实现钢铁材料强国战略途径分析 008
1.5 实现钢铁材料强国的重大技术措施 009
1.6 技术路线图 010
1.7 政策措施及建议 011

第2章 基础零部件用钢 013 
2.1 齿轮钢 014
2.1.1 应用领域和种类范围 014
2.1.2 现状与需求分析 014
2.1.3 存在的问题 015
2.1.4 发展愿景 016
2.2 轴承钢 016
2.2.1 应用领域和种类范围 016
2.2.2 现状与需求分析 017
2.2.3 存在的问题 019
2.2.4 发展愿景 019
2.3 模具钢 020
2.3.1 应用领域和种类范围 020
2.3.2 现状与需求分析 020
2.3.3 存在的问题 021
2.3.4 发展愿景 022

第3章 船舶及海洋工程用钢 023 
3.1 先进船体用钢 024
3.1.1 应用领域和种类范围 024
3.1.2 现状与需求分析 024
3.1.3 存在的问题 025
3.1.4 发展愿景 025
3.2 先进海洋平台用钢 026
3.2.1 应用领域和种类范围 026
3.2.2 现状与需求分析 026
3.2.3 存在的问题 027
3.2.4 发展愿景 027
3.3 深海油气钻采储用关键材料 028
3.3.1 应用领域和种类范围 028
3.3.2 现状与需求分析 029
3.3.3 存在的问题 030
3.3.4 发展愿景 030
3.4 岛礁基础设施用钢 031
3.4.1 应用领域和种类范围 031
3.4.2 现状与需求分析 032
3.4.3 存在的问题 033
3.4.4 发展愿景 033

第4章 先进轨道交通用钢 035 
4.1 钢轨用钢 036
4.1.1 应用领域和种类范围 036
4.1.2 现状与需求分析 036
4.1.3 存在的问题 037
4.1.4 发展愿景 037
4.2 高铁车轮用钢 038
4.2.1 应用领域和种类范围 038
4.2.2 现状与需求分析 038
4.2.3 存在的问题 039
4.2.4 发展愿景 039
4.3 高铁车轴用钢 040
4.3.1 应用领域和种类范围 040
4.3.2 现状与需求分析 040
4.3.3 存在的问题 041
4.3.4 发展愿景 041

第5章 先进汽车用钢 043 
5.1 汽车用先进高强钢 044
5.1.1 应用领域和种类范围 044
5.1.2 现状与需求分析 044
5.1.3 存在的问题 045
5.1.4 发展愿景 046
5.2 汽车弹簧钢 046
5.2.1 应用领域和种类范围 046
5.2.2 现状与需求分析 047
5.2.3 存在的问题 047
5.2.4 发展愿景 047
5.3 汽车紧固件用钢 048
5.3.1 应用领域和种类范围 048
5.3.2 现状与需求分析 048
5.3.3 存在的问题 048
5.3.4 发展愿景 049

第6章 能源用钢 051 
6.1 先进核电用钢 052
6.1.1 应用领域和种类范围 052
6.1.2 现状与需求分析 053
6.1.3 存在的问题 054
6.1.4 发展愿景 056
6.2 630～700℃高蒸汽参数先进超超临界机组关键用材 056
6.2.1 应用领域和种类范围 056
6.2.2 现状与需求分析 057
6.2.3 存在的问题 057
6.2.4 发展愿景 058
6.3 高性能电工钢 058
6.3.1 应用领域和种类范围 058
6.3.2 现状与需求分析 059
6.3.3 存在的问题 059
6.3.4 发展愿景 060
6.4 非晶合金带材 060
6.4.1 应用领域和种类范围 060
6.4.2 现状与需求分析 061
6.4.3 存在的问题 061
6.4.4 发展愿景 062

第7章 油气输送用高强韧管线钢 063 
7.1 应用领域和种类范围 064
7.2 现状与需求分析 064
7.3 存在的问题 065
7.4 发展愿景 066
7.4.1 战略目标 066
7.4.2 重点发展任务 066

第8章 石化压力容器用钢 069 
8.1 石化压力容器用钢应用领域和种类范围 070
8.1.1 应用范围 070
8.1.2 所属钢种 070
8.2 石化压力容器用钢现状与需求分析 070
8.2.1 石化压力容器用钢“十三五”期间现状 070
8.2.2 需求分析 073
8.3 石化压力容器用钢存在的问题 075
8.4 石化压力容器用钢发展愿景 076
8.4.1 战略目标 076
8.4.2 重点发展任务 076
8.4.3 实施路径 077
8.5 措施和建议 077

第9章 新一代功能复合化建筑用钢 079 
9.1 高强耐火耐候房屋建筑钢 080
9.1.1 应用领域和种类范围 080
9.1.2 现状与需求分析 080
9.1.3 存在的问题 082
9.1.4 发展愿景 082
9.2 桥梁用钢 083
9.2.1 应用领域和种类范围 083
9.2.2 现状与需求分析 084
9.2.3 存在的问题 085
9.2.4 发展愿景 086

第10章 工程机械用钢 089 
10.1 700MPa 以上级别高强度钢板 090
10.1.1 应用领域和种类范围 090
10.1.2 现状与需求分析 090
10.1.3 存在的问题 091
10.1.4 发展愿景 092
10.2 高性能耐磨钢 093
10.2.1 应用领域和种类范围 093
10.2.2 现状与需求分析 093
10.2.3 存在的问题 094
10.2.4 发展愿景 094
10.3 掘进机刀具用钢 095
10.3.1 应用领域和种类范围 095
10.3.2 现状与需求分析 095
10.3.3 存在的问题 096
10.3.4 发展愿景 096
10.4 大线能量焊接材料 097
10.4.1 应用领域和种类范围 097
10.4.2 现状与需求分析 097
10.4.3 存在的问题 098
10.4.4 发展愿景 099

第11章 高品质不锈钢及耐蚀合金 101 
11.1 应用领域和种类范围 102
11.2 现状与需求分析 102
11.3 存在的问题 103
11.4 发展愿景 103
11.4.1 战略目标 103
11.4.2 重点发展任务 103

第12章 其他先进钢铁材料 105 
12.1 高温合金 106
12.1.1 应用领域和种类范围 106
12.1.2 现状与需求分析 107
12.1.3 存在的问题 109
12.1.4 发展愿景 110
12.2 超高强度钢 111
12.2.1 应用领域和种类范围 111
12.2.2 现状与需求分析 111
12.2.3 存在的问题 112
12.2.4 发展愿景 113


第2篇 绿色制造
第1章 钢铁绿色制造概况 117 
1.1 钢铁绿色制造的概念和内涵 118
1.1.1 绿色制造的概念 118
1.1.2 钢铁绿色制造的内涵 118
1.1.3 钢铁绿色制造的现状与趋势 119
1.2 钢铁材料主要产品和技术流程 120
1.2.1 钢铁材料特性及主要产品 120
1.2.2 钢铁材料生产工艺流程 121
1.2.3 中国钢铁产能及分布 123
1.3 钢铁资源综合利用、能耗及排放特征 124
1.3.1 资源综合利用特征 124
1.3.2 能耗品类及工序特征 124
1.3.3 排放物料及工序特征 125
1.4 国外钢铁绿色制造的主要计划 126
1.4.1 日本COURSE50 126
1.4.2 瑞典HYBRIT 127
1.4.3 德国H2FUTURE 128
1.4.4 德国SALCOS 129
1.5 我国钢铁绿色制造的主要成绩 130
1.5.1 政策导向 130
1.5.2 能耗及排放关键技术指标 131
1.5.3 代表性钢企的绿色制造实践 131

第2章 钢铁行业资源综合利用现状和趋势 133 
2.1 中国单位产钢资源综合利用指标 134
2.2 中国与国外单位产钢资源综合利用指标对比 140
2.2.1 行业指标 140
2.2.2 典型钢企指标. 142
2.3 国内外资源综合利用措施现状 143
2.4 与国外的差距和存在的主要问题 146
2.5 未来钢铁行业资源综合利用技术趋势 147

第3章 钢铁行业节能现状和趋势 149 
3.1 中国单位产钢能耗指标规范要求 150
3.2 单位产钢能耗指标实际现状 156
3.2.1 行业指标 156
3.2.2 典型钢企指标 157
3.2.3 钢铁生产能源介质流向示意图 158
3.3 节能措施现状 158
3.3.1 石灰 158
3.3.2 烧结 158
3.3.3 球团 158
3.3.4 焦化 159
3.3.5 高炉炼铁 159
3.3.6 转炉炼钢 159
3.3.7 电炉炼钢 159
3.3.8 连铸 159
3.3.9 轧钢 160
3.3.10 能源公辅 160
3.4 与国外钢铁企业能源消耗对比 160
3.5 未来钢铁产业节能技术趋势 161

第4章 钢铁行业环保现状和趋势 163 
4.1 中国单位产钢环保指标 164
4.2 中国与国外单位产钢环保指标对比 164
4.2.1 行业指标 164
4.2.2 典型钢企指标 166
4.2.3 全流程钢铁生产主要污染物排放示意图 166
4.3 国内外环保措施现状 167
4.3.1 废水 167
4.3.2 SO2 169
4.3.3 NOx 170
4.3.4 颗粒物 171
4.3.5 噪声 172
4.3.6 固废 173
4.3.7 CO2 174
4.3.8 有机物 176
4.4 与国外的差距和存在的主要问题 176
4.5 未来钢铁产业环保技术趋势 178

第5章 钢铁绿色制造发展目标 179 
5.1 基本原则 180
5.2 发展需求与行业总体环境负荷关系 180
5.3 钢铁行业2035 年绿色制造技术路线图 180
5.3.1 发展愿景 180
5.3.2 钢铁行业发展技术路线图 181

第6章 钢铁绿色制造关键技术 183 
6.1 关键技术分类及评估 184
6.2 原料 184
6.2.1 排放和能源消耗 185
6.2.2 推荐应用的关键技术 185
6.2.3 加快工业化研发的关键技术 186
6.2.4 积极关注的关键技术 186
6.3 石灰 187
6.3.1 排放和能源消耗 187
6.3.2 推荐应用的关键技术 195
6.3.3 加快工业化研发的关键技术. 204
6.3.4 积极关注的关键技术 209
6.4 烧结 211
6.4.1 排放和能源消耗 211
6.4.2 推荐应用的关键技术 213
6.4.3 加快工业化研发的关键技术 221
6.4.4 积极关注的关键技术 224
6.5 球团 229
6.5.1 排放和能源消耗 230
6.5.2 推荐应用的关键技术 233
6.5.3 加快工业化研发的关键技术 237
6.5.4 积极关注的关键技术 239
6.6 焦化 240
6.6.1 排放和能源消耗 240
6.6.2 推荐应用的关键技术 254
6.6.3 加快工业化研发的关键技术 264
6.6.4 积极关注的关键技术 270
6.7 炼铁 273
6.7.1 排放和能源消耗 273
6.7.2 推荐应用的关键技术 277
6.7.3 加快工业化研发的关键技术 281
6.7.4 积极关注的关键技术 284
6.8 炼钢 288
6.8.1 排放和能源消耗 288
6.8.2 推荐应用的关键技术 294
6.8.3 加快工业化研发的关键技术 303
6.8.4 积极关注的关键技术 309
6.9 连铸 309
6.9.1 排放和能源消耗 309
6.9.2 推荐应用的关键技术 312
6.9.3 加快工业化研发的关键技术 315
6.9.4 积极关注的关键技术 316
6.10 轧钢 317
6.10.1 热轧板带 317
6.10.2 冷轧板带 331
6.10.3 涂镀板带 347
6.10.4 长材 368
6.10.5 钢管 389
6.11 能源管控与环保 394
6.11.1 发电厂与新能源 394
6.11.2 水处理 402
6.11.3 固废处理 413
6.11.4 能源介质 419
6.11.5 工业炉窑 444
6.12 其他废弃物消纳 450
6.12.1 固废 450
6.12.2 废液 452
6.13 特殊钢种生产 453
6.13.1 不锈钢 453
6.13.2 其他 460

第7章 钢铁绿色制造建议 467 
7.1 国家政策 468
7.2 体系建设 468
7.3 产业环境 469
7.4 人才培养 469


第3篇 智能制造
第1章 钢铁行业智能制造发展现状与智能化需求 473 
1.1 钢铁行业智能制造总体发展情况 474
1.1.1 钢铁行业重点领域智能制造发展现状 474
1.1.2 钢铁行业重点领域智能化需求 478
1.2 钢铁行业智能制造案例 480
1.2.1 宝钢智能制造案例 480
1.2.2 河钢集团唐钢智能制造案例 481
1.3 小结 483

第2章 2020—2035 年钢铁行业智能制造目标 485 
2.1 到2025 年钢铁行业智能制造目标 486
2.2 到2035 年钢铁行业智能制造目标 486

第3章 钢铁行业智能制造亟需突破的瓶颈 489 
3.1 智能装备 490
3.1.1 需要应用的技术 490
3.1.2 需要加快工业化研发的技术 491
3.1.3 需要关注的前瞻技术 495
3.2 智能系统 495
3.2.1 需要应用的技术 495
3.2.2 需要加快工业化研发的技术 499
3.2.3 需要关注的前瞻技术 502
3.3 工业专用软件 502
3.3.1 需要应用的技术 502
3.3.2 需要加快工业化研发的技术 504
3.3.3 需要关注的前瞻技术 504
3.4 新一代信息技术 504
3.4.1 需要加快工业化研发的技术 505
3.4.2 需要关注的前瞻技术 506

第4章 2035 年钢铁行业智能制造重点发展领域及重点任务 507 
4.1 冶金流程在线检测装置 508
4.2 冶金工业机器人 509
4.3 钢铁复杂生产过程智能控制系统 510
4.4 全流程一体化计划调度系统 512
4.5 全流程质量管控系统 513
4.6 能源与生产协同优化系统 513
4.7 设备精准运维系统 514
4.8 钢铁供应链全局优化系统 515
4.9 钢铁工业互联网平台 515

第5章 2035 年钢铁行业智能制造技术发展路线图 517 


参考文献 520