世界首创！我国成功研制高强高韧低密度钢，技术领先全球

据科技日报1月5日报道，全球首款采用百吨电炉冶炼工艺生产的高强度高韧性低密度钢日前在中信泰富特钢集团江阴兴澄特钢有限公司投产，首批钢板下线。

图片来自“兴澄特钢”。

钢铁行业专家介绍，此次高强度高韧性低密度钢生产技术的重大突破，使我国在该钢种工业化生产领域处于世界领先地位，也标志着我国成为世界上唯一掌握高强度高韧性低密度钢规模化生产技术的国家。

那么什么是“高强度、高韧性、低密度钢”呢？我们在初中学习化学元素周期表的时候，都知道铁的密度是7.85g/cm³，也就是7.85吨/立方米。经过冶炼和化学成分调整后，铁的重量是7.8~7.9吨/立方米。合金含量越高，就会越重。因为铬、镍、钼、钨等很多合金都是高密度金属，所以一些高级合金钢会稍微重一些。比如高速切削钢W18Cr4V，比最常见的建筑钢Q235稍微重一些，但整体重量在7.85吨/立方米左右。低密度钢就是把密度降低10%以上，大约在7吨/立方米左右。

福特级“企业”号航空母舰开始建造，切割第一块钢板。

钢铁作为世界第一大金属，已有两千年的使用历史，应用于人类发展的各个方面。可以肯定的是，如果没有钢铁，人类将回到青铜时代，不会有现在的发展。但随着社会的需求和技术的进步，工业产品为了节省资源和能源，要求更轻、更坚固、更耐用。因此，如何让各种强度的钢铁材料更高强度、更轻量化一直是钢铁行业追求的目标。

HY80钢不仅用于核潜艇，还用于美军的“老企业”号核动力航空母舰和首批“尼米兹级”航空母舰。HSLA-100是最后一艘尼米兹级“布什”号和现在的“福特级”航空母舰使用的钢材。“新企业”号也采用这一牌号的钢材。

但既要理化性能高，又要钢质轻，这是个很矛盾的问题！因为除了碳、硅、锰、磷、硫这五种基本元素外，要达到高的理化性能指标，还必须加入铬、镍、钼、钒……等金属来冶炼熔合，形成金属链，才能提高强度、耐腐蚀性能。但加入这些金属，并不会减轻重量……因此，长期以来，各国冶金专家都未能解决这一矛盾。

“老企业号”的飞行甲板长度超过20米，宽度超过5米，厚度≤50毫米。“老企业号”排水量8.5万吨，飞行甲板用钢近7000吨，而“新企业号”的飞行甲板用钢近7600吨。如果在不影响强度和韧性的情况下，将钢材的密度降低10%左右，也就是降到7吨/立方米，用钢量将大大减少。7600吨的10%就是760吨，也就是说，光是航母飞行甲板的重量就要减少760吨。如果航母其他段也采用高强度、高韧性、低密度的钢材，航母总重量就会减少很多。“福特级”的排水量就超过10万吨。 理论上其自重约占排水量的45-50%，也就是说“福特级”航母用钢量约5万吨，若减少10%，就可节省5000吨钢材，对于降低建造和服役后的使用成本来说，是相当可观的！

如果将来我们的军舰都采用这种高强度、高韧性、低密度的钢材建造，在减轻自身“自重”之后，燃气轮机的输出功率将用来提高航速和发电量，节省下来的燃料也可以用来增加续航里程。因此，这种钢材的研制成功具有重大的战略意义！它不仅降低了建造成本。

目前，世界钢铁工业发达国家都在全力发展高强度、高韧性的低密度钢。如日本、韩国等近年来对轧制低密度钢进行了工业试验，但至今未有试验成功的报道。去年，美国计划在未来5年内投资2000万美元进行适合工业化的低密度钢化学成分研究，该计划预计在2025年完成。

我国利用百吨级电弧炉成功实现低密度钢大规模工业化生产，意味着我国在轧制低密度钢产业化和工程化应用相关技术上领先美国近10年，成为世界上唯一掌握热轧“高强高韧低密度钢”批量工业化生产技术和应用技术的国家。

百吨电弧炉冶炼钢水的能耗非常高，如果未来能采用转炉+炉外精炼技术生产高强度、高韧性、低密度的钢材，生产效率和成本将得到大幅提升。

简单来说，“高强高韧低密度钢”密度比现在的普通/高强度钢低10%以上，且具有良好的物理化学性能，未来将应用于汽车/高铁、船舶、航空/航天甚至建筑等行业……我国每年粗钢产能10亿吨，这一成果若能全面推广，将具有广阔的应用前景和重大的战略意义。