碳中和背景下激光再制造技术在钢铁冶金行业中发展的机遇与挑战

导读：本文主要介绍了我国钢铁产业的总体现状、激光再制造技术在钢铁冶金中的应用，以及在碳中和背景下激光再制造技术发展的机遇与挑战。

1 中国钢铁产业现状

我国是全球钢铁生产第一大国，据世界钢铁协会统计，2021年全球粗钢总产量达18.78亿吨，其中我国全年粗钢产量为10.65亿吨，排列为全球第一位，占全球粗钢产量的56.71%。

图0 中国国内主要省市钢铁厂的分布（部分港澳台地区没有进行统计）

我国钢铁企业经营规模和经营质量与世界一流钢铁企业差距大。从营业收入看，海外钢铁企业基本是我国钢铁企业收入规模的2～40倍。从吨钢收入看，我国钢铁企业远低于世界一流水平。宝武集团生产规模是浦项制铁、新日铁住金的1.5倍左右，但吨钢收入只有浦项制铁的一半，新日铁住金的70%；河钢股份与浦项制铁、新日铁住金生产规模相当，但吨钢收入分别只是对方的1/4～1/3。

从净利润看，除宝武集团外，我国钢铁企业低于世界一流水平。从净利润和净利润变化两个角度看，宝武集团与浦项制铁、新日铁住金、JFE等为第一阵营，具有利润高且稳定的特点；卢森堡的安赛乐米塔尔等公司利润高但不稳定，为第二阵营；鞍钢股份、河钢股份与德国的蒂森克虏伯为第三阵营，利润较低。

从净利率看，我国钢铁企业忽高忽低，平均利润率低于世界一流水平。2017年我国钢铁企业净利润率普遍高于海外钢铁企业，但日本、韩国钢铁企业的平均利润率是我国钢铁企业（除宝武集团）的2～5倍。

2 钢铁行业发展机遇

碳中和与高质量发展为我国钢铁行业发展提供了新的机遇。我国宣布将力争于 2030 年前达到碳排放峰值，并努力争取 2060年前实现碳中和。工业部门近一半的碳排放来自于生产水泥、钢铁、合成氨及化工等行业。这些重工业碳排放的产生主要来自三个方面：一是来自用于生产的原料，比如生产水泥过程中的石灰石和合成氨生产过程中所用的天然气；二是来自工业生产高温加热的燃料燃烧，如高炉炼铁所用的燃料；三是来自其他能源需求，比如用于生产中间产品、低温供热等的化石燃料[1]。

因为钢铁行业是排碳大户，所以接下来会是我国重点整治对象。所谓整治，首先要严控并压缩产量，对于技术落后的企业要淘汰掉，优质企业要增加环保、减碳方面的投入。这些措施对龙头企业是绝对有利的。另外，再加上美国不断印制美元，我国的产品如果不能提高价格，势必会被美国买空，因此在当前的形势下，我国各行业，尤其是钢铁行业，必须富日子穷过，高质量发展就显得更为重要。

3 激光再制造技术在冶金行业中的应用

激光技术在钢铁冶金中的应用非常早，大家对此并不陌生。据报道，1999年在武钢和华中科技大学、华工激光等单位的联合攻关下，开发出了激光汽车板、激光光亮板、激光装饰板和激光防伪板等产品（见图1）。武钢集团与华工激光很早就强强联手，并于2012年成立新公司——武汉武钢华工激光大型装备有限公司，开展研究激光再制造技术在钢铁冶金行业中的应用。经过多年的研发和试验，宝钢在激光修复和激光再制造技术方面积累了宝贵的经验，目前参与编制了冶金板带轧机牌坊、扁头套等部件的激光修复方面的国家标准。

图1 武钢激光板强化项目验收现场

据《宝钢日报》2010年报道，宝钢与沈阳大陆激光技术有限公司已经形成了轧机牌坊在线激光修复的规范体系和内部实施技术条件，并形成了国家标准。以上事实均说明，激光在钢铁冶金行业中的应用还是非常早的，但之所以没能普及，是因为当时一来钢铁行业的整体效益是不错的，二来也没有国家政策对其能源消耗提出限制。如今在碳中和大背景下，就不得不采取一切可能的措施来提质增效和降碳。

钢铁行业中可以用到激光再制造技术的地方很多，主要包括以下几个方面。

（1）轧辊的再制造与强化

冶金行业生产设备大部分是在高（交变）应力、高热应力的恶劣环境下工作，如连铸辊、校直辊、槽型辊、半钢辊、铸管模、热（冷）轧工作辊、高炉溜槽及料钟等。在这些设备中，各种轧辊无疑是其中最关键的设备零件，其消耗量大、价格昂贵、使用寿命短，不仅与产品成本密切相关，而且直接决定钢铁制品的质量，尤其是表面质量和板型。采用激光再制造修复各种轧辊，其中以小型轧辊和局部修复更为擅长，性能如同新件，如图2、图3所示。

图2 在沙钢现场进行的棒线材激光表面强化

图3 昆钢激光毛化成套设备现场

激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊及滚轮零件进行表面强化。激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽度高，在国外被称为“镜面钢板”，它是生产高级轿车面板的优质板材，因此激光毛化冷轧薄板（带）是汽车、家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。

（2）各种轴类零件磨损、抱瓦、裂纹的再制造

各种轴类零件经激光堆焊处理后，堆焊层无粗大的铸造组织，堆焊层及界面组织细密、晶粒细化，无孔、砂眼、夹杂及裂纹等缺陷[2]，服股性能如同新件，如图4所示。

图4 激光再制造恢复轴颈的磨损

（3）冶金行业中的各种高附加值的大中小型齿轮类零件的再制造与强化

激光再制造技术可使各种高附加值的大中小型齿轮类零件性能得到恢复。验收指标按仍原制造标准进行，大型齿轮激光强化如图5所示。

图5 大型齿轮激光强化

（4）高压高速风机叶片的修复

叶片因其工作环境较为恶劣，所以在叶轮叶片进风口部位易产生严重的腐蚀与磨损，一般使用3000 -4000h就因叶轮叶片腐蚀与磨损失去平衡而报废。若采用激光再制造技术，则可以使修复层与原基材形成冶金结合，硬度达到55 HRC左右，服役性能如同新件。

（5）超高速激光熔覆

超高速激光熔覆由德国Fraunhofer ILT 首先发明，被誉为当前可替代电镀技术最具竞争力的工艺，因其为工业界带来的革新性技术进步，在代替钢铁行业中一些部件的镀铬替代上具有十分重要的作用。该技术已经在煤炭行业中的液压支架上得到了应用。在钢铁冶金行业中，存在大量的喷涂和镀铬产品，高速激光熔覆技术将会在钢铁冶金行业中逐步替代上述技术并发挥出重要的作用。图6所示为智远公司所研制的超高速激光熔覆装备及其加工的产品实物。

图6 超高速激光熔覆装备及其加工的产品

（6）现场再制造及其他再制造应用

为切实推进钢铁行业节能减排，推动机电产品再制造工作，2010年12月24日工业和信息化部在沈阳召开钢铁行业激光再制造技术现场交流会，会上相关人士表示，再制造作为节能环保产业的重要组成，已被列为战略性新兴产业[3]。目前，再制造技术在我国得到快速发展，有关再制造的法律法规、基础理论、关键技术及行业标准等不断完善。经过10多年的发展，激光现场再制造也得到了长足的发展，尤其是钢铁行业中轧机牌坊的现场激光再制造已经得到了广泛应用。内孔的再制造也开始逐步得到应用，图7所示为智远公司开发的内孔熔覆专用设备，该技术已经过近10年的实践应用检验。

图7 内孔熔覆专用设备

4 机遇与挑战

2021年11月15 日，国家颁布了《“十四五”工业绿色发展规划》（以下简称《规划》），这是对2021年2月国务院关于《加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》的具体实施举措。《规划》中提到：高端智能再制造、修订再制造产品认定管理办法，建立自愿认证和自我声明相结合的产品合格评定制度，规范发展再制造产业，推动在国家自由贸易试验区开展境外高技术含量、高附加值产品的再制造。至此，国家反复提到的高质量发展以及“碳中和”的大背景，使激光再制造技术在冶金上的应用将迎来前所未有的快速发展。具体需要在以下几个方面开展工作。

（1）冶金专用激光再制造粉末的研制及其大批量生产

以焊丝为例，不同应用场景和不同材料都用专门的焊丝和用于不同焊接设备的焊丝存在。但目前激光再制造所使用的粉末大多直接使用热喷涂而来，或者在热喷涂的基础上稍有改进。但从材料学的角度出发，激光的快速熔化-凝固过程与热喷涂和传统的焊接过程明显不同，因此为了适应激光再制造过程，需要开发专用的粉末。

从另一个角度出发，由于冶金中所用到的耐磨、耐高温的工况因加工的对象不同，而造成实际工况也千差万别，所以从节约能源和保证服役要求出发，更应针对不同的工况开发不同体系的粉末材料，这样才能更好地实现物尽其用。经过多年的快速发展，用于激光增材制造和再制造的粉末价格已经有了很大程度的降低，但目前粉末的生产规模和价格同生产的钢材相比，依然存在价格昂贵和生产规模小的问题。如不锈钢钢材价格可以做到20～30元/kg，对一个生产厂家来说，如果粉末生产规模能达到1000万吨，其价格就会非常便宜，这样就会使更多的应用场合可以使用激光再制造。目前，很多生产厂家的炉子是5 kg、50 kg，上到吨位的在全世界都很少，如果粉末生产的吨位能达到每个炉子几吨，其价格可以想象会非常低，这对扩大应用范围具有非常重要的意义。

（2）冶金行业激光再制造作业规范及其相应标准的建立

当今世界，标准化水平已成为各国各地区核心竞争力的基本要素。一个企业，乃至一个国家，要在激烈的国际竞争中立于不败之地，必须深刻地认识标准对国民经济与社会发展的重要意义。标准是国际经济科技竞争的“制高点”，是企业、产业、装备走出去的“先手棋”。既要着力提高中国标准水平，增强中国标准硬实力，又要全面谋划和参与国际标准化战略、政策和规则的制定，提高我国在全球经济治理中的制度性话语权。

目前，钢铁冶金产品在原冶金部和相关各部委标准化组织的努力工作下，新品的制造都有相关的行业标准、国家标准等在实施中。但对于激光再制造标准，有装甲兵工程学院在开展再制造方面的标准化工作，江苏激光产业联盟也在开展相应的团体标准的建设工作。但标准建设与如火如荼的激光再制造产业现状相比，大家在激光再制造标准建设上的认识还非常不到位，这对我国再制造产业的发展，尤其是具有广阔应用前景和在全世界做大应用市场的钢铁冶金再制造市场来说，如果不抓住机遇，将又是一大遗憾。希望这一产业链上的所有人都有这个意识，共同参与，占据这一制高点[4]。

（3）专用设备的研制和关键核心器件的国产化

以在钢铁冶金行业中应用较为广泛的传统焊机为例，具有各种用途功能的焊机各种各样，但用于钢铁冶金行业的激光设备的种类却不多，根本不能满足冶金行业产品种类多、需求多样、材料纷繁复杂的需求。因此，尚需广大工程人员和研究人员开发出性能各异的满足钢铁冶金行业需求的各种类型的激光再制造设备。前面提到的高速熔覆就可以称之为一种专用设备。

而核心关键器件的国产化具有更重要的意义：一是可提高整个激光再制造装备水平；二是会进一步降低设备成本和使用成本。以核心光源激光器为例，我们不能制造芯片时，芯片就会被国外卡脖子；当我们能够制造芯片时，芯片的原材料和制造芯片的装备就会被卡脖子。从大的目标来说，是为了实现中华的伟大复兴，从小的目标来说，为了我国自主设备使用起来真正的物美价廉，就需要我们攻克难关，将核心技术掌握在自己手中。以激光头为例，高性能的激光头，就需要我们自己攻克，实现国产化和亲民的价格。前面提到的内孔熔覆设备的国产化就是一个很好的例子。

可以预见，多年以后，激光加工设备在冶金行业中的应用将同传统焊机一样普遍，这意味着激光加工设备需要进一步降低成本，提高使用性能；也意味着我们要不断努力，提高性能，降低成本，这方面汽车行业是一个最好的榜样。

（4）专业化人才的培养和维修保障人员的培养和考核

不管多么伟大的战略，如果没有合适的人才来有效地执行，则一切都是空谈。仍然以焊接为例，焊接人才的大学科班人才的培养以及社会职教体系人才的培养，是相当完备的。而激光制造和再制造人才的培养方面，我国可以用刚刚起步来形容，全国开设激光专业人才培养的本科院校更是少而又少。苏州大学自2011年是全国首家申报获批了激光制造工程二级学科博士点，目前武汉华中科技大学是为全国培养激光人才最多的高校。同焊工考核分级一样，需要全社会建立相应的激光加工人才的培养网络和考评体系，才能更好地推动行业人才的培养和使用。这一点，武汉的激光协会已经在开展这方面的工作，江苏激光联盟也正在积极地同各方资源进行整合来推动人才的培养，以推动整个行业的健康和快速发展。

（5）再制造后现场加工设备的便利性和有效性以及现场快速检验和现场热处理技术

现场的再制造同新品的制造存在很大的区别，新品制造可以方便地进行各种机加工和热处理，但在再制造时，进行机加工和热处理就不如新品方便了。由于现场再制造的机加工和热处理还受环境空间的拘束，因此针对现场进行机加工和热处理技术及其设备的开发也进入一个新的天地。这一目标的实现，可以毫不夸张地说，对整个智能智造都将是一个非常重要的组成部分。

（6）寿命预测和性能评估

再制造的对象是经历一次或多次服役周期的零件，该零件是否还有剩余寿命，其剩余寿命能否再适应下一服役周期，这是再制造加工前应首要解决的问题。再制造工程的目标是使废旧产品经过再制造加工性能达到或超过新品，不经寿命评估将已无剩余寿命的零件再装机使用，都会给用户和企业带来损失[5]。产品再制造的可行性和可行度是发展再制造产业首要面临的问题，特别是产品附加值（人力、能源等）高的关键零件是否可以修复而不需要替换。

零件失效的主要形式有断裂、磨损、腐蚀和变形，其中磨损、腐蚀和变形比较直观或者易于检测，只有引起断裂的疲劳寿命不易检测，因此研究再制造产品关键零件剩余疲劳寿命和产品的再制造性，对我国再制造产业的发展具有重要的意义[6]。

目前，再制造零件疲劳寿命评估方法，即通过标准试样拉伸、疲劳试验以及估算获得材料特性；通过几何建模、动态仿真获得载荷；通过有限元分析获得局部应力；最后将获得的材料特性、载荷和局部应力带入相应的疲劳损伤模型，便可以预测零件的疲劳寿命，在此基础上发展了基于有限元的疲劳寿命预测模型。而实际的操作需要大量这样的数据，即数据库，因此国家层面和行业协会需要倡导和组织，并引导各企业首先建立数据库，然后这些数据库再组织起来形成一个钢铁冶金行业激光再制造的数据库，从而加速和有效地促进钢铁冶金行业再制造的发展。目前，激光切割的数据库正在建立中，金属3D打印的数据库也初具规模，但钢铁行业激光再制造的数据库的建立才刚刚开始，需要国家制定政策进行引导，大家共同参与来推动这个事情。