近年來，隨著各種新材料的問世，如：塑料、鋁合金、陶瓷、納米材料等，哪種材料未來有可能替代鋼鐵材料成為下一代新的工業(yè)基礎材料，一直是工業(yè)材料領域熱議的話題之一。同樣，自二十多年前中國粗鋼產量突破1億t，成為世界上最大的鋼鐵生產國以來，中國鋼鐵工業(yè)產能是否過剩，是否即將下滑，也一直是鋼鐵行業(yè)熱議的話題之一。時至今日，鋼鐵材料依然是最主要的工業(yè)基礎材料，中國粗鋼產量已經接近10億t，針對這兩個問題的討論依然在繼續(xù)。
1. 鋼鐵材料未來發(fā)展分析
各類新型材料的發(fā)現(xiàn)為各個領域發(fā)展的材料需求提供了更多的選擇。在很多領域，如：航空航天、氫能儲備、生物醫(yī)學等，正是因為新型材料的應用，從而推動了這些領域有了重大發(fā)展和進步。但是，要想成為工業(yè)社會的基礎材料，能夠被所有行業(yè)廣泛使用，必須滿足特殊的條件和要求。
1.1 工業(yè)基礎材料的必備條件
工業(yè)社會基礎材料必須具備的三個條件：（1）原材料易開采，且廣泛存在；（2）主元素或主成分可以回收再生產，實現(xiàn)循環(huán)；（3）潛在性能要足夠寬，例如既可以做成高強度材料，又可以做成韌性材料。
第一條是為了滿足規(guī)模性和經濟性的要求，這是成為基礎材料被廣泛使用的前提；第二條是為了滿足可持續(xù)使用的要求，如果無法循環(huán)再利用，勢必會形成資源恐慌和枯竭，進而不滿足第一條；第三條是為了使基礎材料可以在各個行業(yè)各種場景下都會被使用，不同應用場景下對材料性能的要求往往天差地別，具備足夠寬泛的潛在性能是使其被廣泛使用的必要條件[1]。
1.2 不同類型材料的對比篩選
如果把目前所有已經被開發(fā)的或正在被研究的新型材料按照材料性能原理進行分類，則總體可以分為基材型材料和結構型材料。
基材型材料是以某種元素或化合物為基材，通過摻雜其他元素或化合物，實現(xiàn)不同的材料性能，金屬類、陶瓷類等都屬于這一類；結構型材料是由于某種特定結構而使材料達到某種特定的性能，石墨烯[2]、納米材料[3]等都屬于這一類，其本身的元素構成并不特殊，但可以通過特殊的微觀結構實現(xiàn)特殊的性能。
對照工業(yè)社會基礎材料的必要條件，基本上可以認定，結構型材料是很好的功能材料，在特定場景下會發(fā)揮很好的作用，卻無法成為廣泛使用的工業(yè)社會基礎材料，原因是其不滿足第三條，由于其某一方面功能的強大和特異性，使其成為這個應用方向上的“霸主”，但代價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，則可以分為單質基材和化合物基材。單質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，不過與通常認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。
通過這個分類，對照基礎材料的要求，基本上可以認定，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，決定了其難以實現(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。
通過對工業(yè)社會基礎材料的兩步粗選，最后只剩下單質基材型材料具備成為工業(yè)社會基礎材料的條件。那么，在這一類材料中，哪種材料有可能代替鋼鐵材料呢？
首先，按照基礎材料的必要條件第一條進行篩選，查閱地球上各元素的含量[4]。若依質量分數(shù)來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地球進行排序，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石油化工或煤化工生產的碳化工材料難以作為被整個工業(yè)社會廣泛使用的基礎材料。
然后，通過元素周期表，對這10種元素進行第二步篩選，可以將其分成三類。
第一類是硅、鋁、鈣、鈉、鉀、鎂。這6種元素具有較強還原性，以至于生產過程以電解法為主，或者需要以更強的還原劑置換還原。這一類元素只能進行還原操作的提煉工藝，決定了此類單質基材型材料一旦摻入其他元素則在重復利用的過程中幾乎無法分離。這也是為什么鋁合金、鎂合金的綜合性能比鋼鐵材料要好，并且已經被很多領域使用，但依然難以成為循環(huán)材料，進而完全代替鋼鐵材料的原因。
第二類是氧、硫。這兩種元素本身無法制作成基材材料，在常溫常壓下，一個是氣態(tài)，一個是固態(tài)粉末狀或塊狀，可以直接排除。
第三類是鐵、鎳。從基礎材料的必要條件來看，鎳是惟一有可能代替鋼鐵材料的金屬材料，三個條件都滿足，只可惜儲量有限。從儲量數(shù)據(jù)可以看出，地球上大量的鎳主要儲存在地球深層，地表礦非常稀缺，真正可采儲量僅占總儲量的10%。由此看來，在發(fā)明太空采礦和地心采礦之前，鎳元素也并不滿足工業(yè)社會基礎材料要求的第一條。
1.3 鋼鐵材料的未來
通過以上分析可以看出，在現(xiàn)有材料研發(fā)體系和工業(yè)社會需求的前提下，不管是哪種研發(fā)思路開發(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)社會基礎材料。在可預見的未來，鋼鐵材料作為最主要的工業(yè)社會基礎材料的地位依然無法撼動，而新型材料的研發(fā)則更多的是面向特定領域和特定需求的功能材料，成為鋼鐵材料的有益補充。
2. 鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展分析
既然鋼鐵材料無法被替代，那么鋼鐵工業(yè)就是社會發(fā)展的必然需要。對于中國來說，鋼鐵工業(yè)合理的產業(yè)規(guī)模應該是多少呢？這是一個典型的社會經濟領域問題，需要通過對比的方法進行分析。
2.1 發(fā)達國家鋼鐵工業(yè)發(fā)展規(guī)律
中國作為發(fā)展中國家，正在進行工業(yè)化進程，要想判斷中國鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展的走勢，對比分析已經完成工業(yè)化進程的發(fā)達國家十分必要。
世界上主要的鋼鐵生產國家或地區(qū)主要有美國、歐洲、日本、俄羅斯、印度和中國。判斷和分析鋼鐵工業(yè)規(guī)模的最重要指標是粗鋼產量。對上述幾個國家或地區(qū)在1871—2015年間的粗鋼產量[5]繪制變化規(guī)律曲線，如圖1所示。圖1中所顯示的歐洲鋼產量是英國、德國和法國三個核心國家鋼產量之和，與真實的歐洲總產量有所差異，但總體規(guī)律是一致的；所顯示的俄羅斯鋼產量，前期是前蘇聯(lián)的粗鋼產量數(shù)據(jù)，前蘇聯(lián)解體后是俄羅斯國家的粗鋼產量數(shù)據(jù)。
通過圖1可以看出，除了前蘇聯(lián)由于聯(lián)邦解體導致經濟大崩潰鋼鐵產量急劇下滑外，歐洲、美國、日本的鋼鐵產量的規(guī)律是：在20世紀70年代先后出現(xiàn)峰值，之后不再增長，而是在一個產量區(qū)間內震蕩，保持總體穩(wěn)定。
以鋼產量看似下滑嚴重的美國為例，歷史最高值出現(xiàn)在1973年，當時鋼產量1.36億t，隨后經歷了10年的下滑，并觸底反彈，但即使到近幾年，美國粗鋼產量依然維持在9000萬t左右的規(guī)模，這是經歷了布林頓森林體系瓦解、多次能源危機、大量中低端制造業(yè)轉移到其他國家之后的結果[6]。如果考慮到美國擁有的3540萬t鋼材進口量，則每年美國真實的鋼材消費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量也可以得出相同的結論。因此，一個政治、經濟環(huán)境相對穩(wěn)定的國家，隨著經濟的發(fā)展，鋼鐵產能達到一定水平后并不會嚴重下滑，而是保持在相對穩(wěn)定的水平，這是社會工業(yè)化完成后維持社會穩(wěn)定運行所需要的。
對比之下，如果同樣的發(fā)展規(guī)律也適用于中國，那么可以推斷，中國正處于工業(yè)化進程中，對鋼鐵材料的需求將持續(xù)增長，并在未來某個時段達到峰值，之后稍微下降后開始保持相對穩(wěn)定。
2.2 中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展主客觀條件
中國的工業(yè)化進程對鋼鐵材料的需求是增長后持續(xù)穩(wěn)定的過程。但是，中國鋼鐵工業(yè)是否會按照社會需求進行產業(yè)規(guī)模擴張呢？這就需要分析中國鋼鐵工業(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。不管是國內環(huán)境保護力度的加大（“環(huán)境保護法”的嚴格執(zhí)行）[7]，還是國際條約的約束（“巴黎協(xié)定”對碳排放的限制）[8]，都是對國內鋼鐵產業(yè)規(guī)模的極大限制。面對這種情況，對于中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展來說有兩種發(fā)展思路：
一種思路是把國內鋼鐵產業(yè)轉移到周邊亟需發(fā)展鋼鐵工業(yè)的國家，同時滿足國內鋼鐵材料的需求。但事實上，對于中國而言，客觀上沒有這樣的條件，主觀上也沒有這樣的愿望。
從客觀上分析，目前，英、法、德、美、日、俄、印等國家的粗鋼產量之和約占世界總產量的1/4左右，中國占了1/2，全世界剩下的190多個國家占了1/4。因此，從客觀的外部環(huán)境來看，要想保證鋼鐵整體供給水平，同時要把中國鋼鐵產能轉移到其他國家，即使只轉移一半，也要把全世界剩下的190多個國家的鋼產量翻一番。這里面涉及到技術擴散、工程建設、市場需求、政治穩(wěn)定、經濟合理等諸多條件才有可能實施，即使有條件實施，需要建設和發(fā)展的周期也不會少于三四十年。從這個角度看，希望通過鋼鐵產業(yè)轉移來滿足中國鋼鐵材料的需求是幾乎不現(xiàn)實的。
從主觀上分析，中國經濟發(fā)展規(guī)劃和宏觀政策也沒有進行產業(yè)轉移的傾向。對于工業(yè)社會而言，鋼鐵工業(yè)作為生產整個社會基礎材料的產業(yè)是不可或缺的一環(huán)。在中國發(fā)展過程中，從建國之初至今屢次經歷軍事圍堵和經濟制裁，為了保證不受制于人，對構建完整的工業(yè)體系和保障充足自給能力的重要性有極為深刻的認識。并且，從當下中美大國博弈來看，完整的產業(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，更加堅定了這種“認識”的正確性。
另一種思路是推動鋼鐵工業(yè)產業(yè)結構調整，通過面向綠色化的轉型升級，在現(xiàn)有約束條件下進一步發(fā)展鋼鐵工業(yè)。這既符合“人類命運共同體”的總體規(guī)劃，又體現(xiàn)中國的大國擔當。
鋼鐵工業(yè)的綠色化有兩個維度，一是鋼鐵材料的綠色化，二是鋼鐵生產的綠色化。
鋼鐵材料的綠色化是指研制開發(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：隨著高強鋼的品種不斷得以研究和開發(fā)以及強度的不斷提高，在相同環(huán)境下使用的鋼鐵用量會相應減少，生產這些鋼鐵產生的污染和消耗的能源自然也就減少[9]。
鋼鐵生產綠色化包括兩個階段：第一階段是針對高污染環(huán)節(jié)增加環(huán)保設備，增加廢棄物的回收（包括社會廢鋼的有序回收）；針對高能耗的主要手段是改進生產工藝及采用能源利用效率高的設備代替能源設備利用低的設備。第二階段是系統(tǒng)層次的節(jié)能減排，包括生產過程的高效穩(wěn)定運行、鋼鐵生產與能源系統(tǒng)的協(xié)同匹配、鋼鐵產業(yè)與化工等相關產業(yè)的耦合等。
2.3 中國鋼鐵工業(yè)的未來
中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展雖然存在種種阻力和約束，但是社會發(fā)展需求和可持續(xù)發(fā)展路徑為未來鋼鐵工業(yè)的發(fā)展提供了足夠的動力。在這樣的條件下，中國鋼鐵工業(yè)產業(yè)規(guī)模未來會有多大？
這個問題非常難回答，因為不同參數(shù)、不同角度的分析，將會得到不同的結論。有些研究通過粗鋼產量與經濟規(guī)模的比較來分析，有些研究通過人均鋼材擁有量來比較。本文通過研究發(fā)現(xiàn)“電爐鋼比例”更能反映社會對鋼鐵材料需求的滿足程度，從而判斷未來的產業(yè)規(guī)模上限。
鋼鐵生產主要有兩種模式：一種是長流程模式，以鐵礦石為原料通過高爐和轉爐進行生產；一種是短流程模式，以廢鋼為原料通過電爐進行生產。廢鋼主要來自于社會鋼鐵資源的回收、利用和循環(huán)[10]。
電爐鋼占總產量中的比例反映了可回收鋼鐵在社會積累總量中的比例。當市場對鋼鐵的需求量中電爐鋼比例較小時，意味著社會積累的鋼材總量不足，需要以鐵礦石為原料進行生產，補充鋼鐵資源；反之亦然，當社會積累鋼材總量達到一定水平，勢必會形成一定規(guī)模的廢鋼市場，從而增加廢鋼回收和循環(huán)，提升電爐鋼的比例?；谶@個指標，可以明顯看出中國鋼鐵工業(yè)的年產量距離峰值還有一定的差距。
如果參照國際平均水平的情況，目前全球電爐煉鋼比例（不包括中國）占總煉鋼產量的40%左右，而中國電爐煉鋼比例僅占煉鋼量的10%左右。如果以國際平均水平計算，在不增加轉爐煉鋼產能的情況下還需要增加5億t電爐鋼才能達到目前國際上40%的電爐鋼比例。即使考慮到長流程落后產能淘汰和產能置換，也存在3~4億t的增長潛力。
綜上分析，從短期來看（5~10年），中國鋼鐵工業(yè)的規(guī)模還會繼續(xù)擴張，保守估計鋼鐵年產量將增長到14億t以上；從中長期來看（10~20年），鋼鐵年產量會先增長然后回落到12~13億t的區(qū)間開始震蕩，從而形成穩(wěn)定的國內市場。
3. 結束語
通過對工業(yè)社會基礎材料的要求分析以及不同類型材料的對比，闡述了在現(xiàn)有材料研發(fā)體系和工業(yè)社會需求的前提下鋼鐵材料作為最主要的鋼鐵基礎材料的地位依然無法撼動。通過分析發(fā)達國家鋼鐵工業(yè)的發(fā)展規(guī)律以及中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主客觀條件，闡述了國內鋼鐵工業(yè)走“綠色化”道路的必然性，并預判未來鋼鐵工業(yè)產業(yè)規(guī)模具有增長到14億t以上的潛力。
參考文獻
[1]董瀚.鋼鐵材料研發(fā)的技術進展.中國冶金,2008,18(10):1doi:10.3969/j.issn.1006-9356.2008.10.001、
[2]李豐愷.石墨烯研究進展.科研,2016,21(1):5
[3]黃惠忠.納米材料分析.現(xiàn)代儀器與醫(yī)療,2003(1):5doi:10.3969/j.issn.1672-7916.2003.01.002
[4]黎彤等.地球和地殼的化學元素豐度.北京:地質出版社,1990
[5]楊婷.全球鋼鐵工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢.冶金管理,2020(12):23
[6]易大東,王慶安.1968年"黃金危機"和"美國世紀"的衰退.湘潭大學學報:哲學社會科學版,2008(3):96
[7]蔣琰,王逸如,姜慧慧.新《環(huán)境保護法》,環(huán)境信息披露與價值效應.中國經濟問題,2020(4):32
[8]何建坤.《巴黎協(xié)定》新機制及其影響.世界環(huán)境,2016(1):16
[9]王國棟,劉相華,吳迪.節(jié)約型鋼鐵材料及其減量化加工制造//2006中國科協(xié)年會.北京,2006
[10]張春霞,上官方欽,胡長慶.鋼鐵流程結構及對CO2排放的影響.鋼鐵,2010(5):5
文章來源——金屬世界