1中国工程院院士国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇院士

先进钢铁材料在双碳中的作用中国钢研科技集团有限公司干勇张启富

一、先进钢铁材料的发展对我国实现碳达峰碳中和具有重要意义

先进钢铁材料的发展对我国实现碳达峰碳中和具有重要意义Ø 钢铁材料和钢铁工业的发展有力支撑了人类社会工业化进程Ø 在碳达峰碳中和背景下，钢铁材料将继续发挥重要作用

实现领跑

1998 2008 2010 2015 2020 2025 2030

1998 2008 2010 2015 2020 2025 2030

我国超超临界电站用钢已经跨入国际第一方阵。2030年，700℃耐热合金及其工程化技术将达到国际领先，实现应用。举例1：超超临界电站用耐热合金推动我国高效清洁燃煤发电技术跃居世界领先水平

• 节能减排：每年可节约标煤约32万吨，减排二氧化碳83.2万吨，百万机组年耗煤量约300万吨，每建10台示范机组就相当于建成一个百万千瓦规模的能效电厂。Ø 630℃超超临界电站装备G115钢

Ø 700℃超超临界电站装备特种合金

节能减排：较600℃机组热效率提高10%，进一步降低约40g/kWh煤耗，进一步降低10%以上的CO2、SO2等污染物排放。

起步阶段

适度发展

积极发展

• 秦山(CNP300)-1985开工

• 大亚湾(M310)-1987开工

• 秦山二期(CNP600)-1996

• 岭澳一期(M310)-1997

• 三门一期(AP1000)-2008

• 石岛湾示范(CAP1400)-2013

• 福清5号机组(华龙一号)-2015

1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

1985 1994 2006 2012

秦山一期核岛主设备原材料基本依赖进口百万千瓦核岛主设备原材料全部依赖进口三代核电核岛主设备原材料国产化率已达90%以上核设备材料l 2006年后，引进美AP1000、法EPR、俄VVER，世界最先进三代、四代核电首堆均在我国l 我国自主开发 “华龙一号”、“国和一号”三代核电和高温气冷堆，示范工程相继建成l 铅铋快堆、钍基熔盐堆等正在开展关键技术攻关和实验平台搭建

J用压水堆 二代/二代加压水堆 三代压水堆 四代堆 聚变堆• 石岛湾示范(高温气冷堆)-2012

• 中国实验快堆(CEFR)-2013

• 霞浦示范（快堆）-2020

• 中国聚变工程实验堆（CFETR）-2018 高温气冷堆、钠冷快堆四代核电和聚变堆设备正在国产化和原创技术攻关举例2：新一代核电用特种合金支撑我国建设世界最先进核电堆

卡点风险部分自主完全自主汽车

新一代绿色低碳排放钢

高疲劳乘用车气门弹簧钢

新能源汽车动力电池壳体用

预镀镍钢带

轨道交通

时速200-350公里高铁车

轮用钢

时速400公里高铁车轮和车

轴用钢

城市轨道交通用绿色低噪音

车轮用钢

船舶核动力重载破冰船船体结构

用钢

液化气船用深冷钢

高湿热环境耐腐蚀钢

航空航天大飞机发动机高温涡轮盘棒材GH4065A航空发动机高温叶片GH2787合金小规格棒材飞机模具及导弹用殷瓦合金薄规格高强度极低铁损无取

向硅钢

1500MPa镀层超高强度钢 超细化高强度重轨用钢

**结构用低屈强比易焊接高

强钢

新一代可回收重型火箭发动机用高温合金环锻件特殊钢时速200-350公里高铁车

轴用钢

举例3：先进钢铁材料促进交通运载装备轻量化和节能降碳吨钢碳排放高；特殊服役

环境下的材料需要进口；

新能源促生新的材料要求

时速200~350公里高铁车轮

、轴进口，时速400公里高

铁车轮、轴国际空白。

超低温等极端和特殊服役

条件下应用的大型船舶用

钢需进口，未完全自主

航空航天重大装备用先进钢铁材料需要自主研发

举例4：新型绿色钢铁建材实现建筑全生命周期的绿色低碳发展n 《2030年前碳达峰行动方案》明确了减少城乡建设领域降低碳排放的任务要求。n 通过研发与推广新型绿色钢铁建材，推动建筑运行管理高效低碳，实现建筑全生命周期的绿色低碳发展。

p 建立基础设施用钢全生命周期超低能耗、高原/极地/火灾/碰撞等极端复杂环境适应的生态化理论；构建动态有序、协同高效的先进钢铁材料全生命周期研发及“钢+”生态链协同理论与技术体系。

Ø光伏：

主要用于光伏发电系统的中的光伏逆变器。 1GW 光伏装机量约需要软磁材料 200 吨。

Ø储能：

为储能系统提供了高效的磁性支持，具有高效节能特性，在高温、高湿等恶劣环境下仍能保持稳定。

Ø电网：

以非晶软磁合金材料制造的高效节能变压器空载损耗较硅钢变压器降幅可达到 60%左右。

Ø新能源汽车：

l 高等级无取向硅钢提升新能源汽车降碳效率。

l 非晶材料制造的节能高效的非晶电机具有小电流启动输出大扭矩、高速下扭矩不衰减和高速节能等突出优势。

举例5：软磁合金在新能源领域广泛应用

Ø ±1100KV电网覆盖我国西部能源集中分布区和东部负荷中心，电网总损耗1.6%，其中，变压器损耗约50%

Ø 常规取向硅钢（90牌号）制造±1100KV变压器，单台运输重量约500吨，与道路桥梁设计载荷相当，运输成本高昂Ø 取向硅钢提高一个排号可减重25吨Ø 2019年，宝钢B20P075、B20R060、B18P075全球首发，打破日本垄断，实现国际领先极低损耗取向硅钢的应用提升我国特高压输电装备能效

11p 减碳需求：2021年，我国钢铁工业能耗占全国能耗总量的11%，碳排放量占全国碳排放总量的15%；

p 能效：钢铁流程能效较国外先进水平仍差10%左右

p 目标：工信部提出“十四五”吨钢综合能耗降低2%

举例6： 钢铁工业节能减排对我国碳排放总量控制具有重要影响高炉长流程

电炉短流程

氢冶金流程

“高碳”

“低碳”

“近零碳” 淘汰落后

扩

大

比

例

前

瞻

布

局

二、光伏行业发展对钢铁材料的需求

钢铁材料在光伏投资中的占比高p 光伏硬件的三大件：组件，支架，逆变器。

p 支架成本约占光伏电站的18%，其中钢结构占支架总成本的70%以上。

光伏支架结构

GB50797-2012 《光伏发电站设计规范》要求

p光伏支架应保证在运输、安装和使用过程中满足强度、稳定性和刚度要求，并符合抗震、抗风和防腐等要求；p光伏支架采用钢材，符合GB50017《钢结构设计规范》；p光伏支架的设计使用年限为25年。光伏支架的设计使用年限要达到25年14

光伏支架需满足我国不同地理位置的腐蚀差异要求p 光伏支架的腐蚀包括大气腐蚀和土壤腐蚀；

p 大气腐蚀主要取决于环境因素：湿度、温度和大气污

染物等；

p 土壤的腐蚀的影响因素：通风率、电解质、电子因素、

其他方面（回填土、细菌等）；

p 我国幅员辽阔，气候与环境的特点，造成腐蚀环境的

不同——潮湿炎热（海南）、工业基地（京津唐）、

沿海地区（渤海湾、长三角）、内陆干旱（西北、内

蒙古）。

我国地理气候环境变化大，钢材的腐蚀差异大。

15我国锌在不同区域的年腐蚀情况

山地光伏山地光伏、农光互补、牧光互补对钢铁材料的耐大气环境腐蚀和土壤环境的耐碱腐蚀有更高要求

荒漠光伏荒漠光伏、牧光互补对钢铁材料的耐大气环境腐蚀和土壤环境的耐碱腐蚀有更高要求

海上光伏海上光伏、渔光互补对钢铁材料的耐大气环境氯离子腐蚀和海水环境的氯离子腐蚀有更高要求

选取国内不同区域大气暴晒结果：p普通厚度层镀锌钢板（275g/m2，双面）在大部分区域满足不了25年设计要求；p锌铝镁镀层钢板由于耐蚀性大幅提升（中铝系锌铝镁镀层耐蚀性达镀锌的3~10倍），可满足设计要求。锌铝镁镀层钢板是满足光伏支架设计要求的最佳选择19

三、锌铝镁镀层钢板技术进展

1、热镀合金镀层的发展历程21

22合金镀层的耐蚀性的发展

p Zn-4.5%A1-0.1%Mg合金镀层----SuperZinc

日新制钢在1985年研制的Zn-4.5%A1-0.1%Mg镀层钢板，在大气中经过十个月的暴露实验得到的结果表明，热镀锌镁合金钢板比普通的热镀锌钢板耐蚀性提高一倍以上。p Zn-0.5%Mg合金镀层----Dymazinc

日本新日铁公司开发的成份为Zn-0.5%Mg的镀层钢板，比传统镀锌板具有更高的耐蚀性，且成本和生产工艺均无大的变化。p Zn-6%A1-3%Mg合金镀层----ZAM

日新制钢公司在20世纪90年代开发成功Zn-6%A1-3%Mg镀层，该镀层耐蚀性为纯锌镀层(Zn-0.2%Al)的18倍，为Galfan合金的5倍。被称为继第三代高耐蚀镀层Galvalume、Galfan以后的第四代高耐腐蚀镀层材料。p Zn-11%A1-3%Mg-0.2%Si合金镀层----Super Dyma

2000年，日本新日铁公司又开发出高耐蚀性新型热镀合金钢板，其成份为Zn-11%A1-3%Mg-0.2%Si，产品耐蚀性为镀锌板的15倍以上，为Galfan镀层板的5～8倍，切口耐蚀性优于Galvalume镀层，且涂漆性及耐黑变性也均优于Zn-5%A1-0.1%Mg镀层钢板。铝锌镁镀层钢板起源于日本，开发出中铝系锌铝镁镀层。锌铝镁镀层的发展

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欧洲钢铁公司重点关注汽车用Zn-Al-Mg镀层钢板：

p 成分：

Al：[1.0~3.0%] + Mg: [1.0~3.0%]

p 组织：

锌枝晶(Zn)

二元共晶(MgZn2

/ Zn)

三元共晶(MgZn2

/ Zn/Al-rich Zn phase)

24欧洲开发出锌铝系锌铝镁镀层

24

BlueScope公司是世界著名的Galvalume镀层钢板生产商，产品质量居于世界领先地位。为解决Galvalume镀层钢板切边保护性差的问题，BHP开发了商品名为“ZINCALUME”合金镀层钢板。

p 成分：

Al：47～57% Mg：2.0%

p 耐蚀性

3年暴晒试验表面切边耐蚀性和变形加工后耐蚀性得到大幅提高澳大利亚开发了高铝系锌铝镁镀层

25

26锌铝镁合金镀层体系

高铝系锌铝镁镀层由于加工性能差，主要应用于建筑用彩涂钢板，因此在光伏支架领域主要应用低铝和中铝系锌铝镁镀层。

国外锌铝镁镀层产品汇总

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28国内锌铝镁镀层产品汇总

292、锌铝镁镀层的组织与性能低铝系锌铝镁镀层组织

p 镀层截面组织：Zn初晶相（白色）+二元/三元共晶相（灰色）

30中铝系锌铝镁镀层组织

p镀层截面组织：Al 初晶相（深色）+二元/三元共晶相（浅色）

31高铝系锌铝镁镀层组织

p 镀层截面组织：

粗大的Al 枝晶（白色）+二元/三元共晶相+Mg2Si

锌铝镁镀层性能

镀层钢板四大性能指标：

耐蚀性能：平板、切口、变形、缝隙、环境试验、耐酸碱成形性能：摩擦系数、抗刮伤、抗拉毛

涂装性能：磷化、电泳、喷漆、喷塑

连接性能：点焊、激光拼焊、胶粘

32

GI Zn-Al-Mg

Z120 Z200 Z300 Z600 M140 M200 M275

Coating weight

(One side, g/m2) 77.6 149.9 164.4 297.7 85.9 117.9 170.9

10 cycle

70 cycle

120 cycle

§ 平板循环腐蚀试验 : vs GI ：CCT 120 个周期无红锈※ CCT(Cyclic Corrosion Test): Salt spray 2Hr→ Dry 4Hr → Humid 2Hr (8 Hrs for 1 cycle)

优良的耐蚀性（低铝系）: 平板试验

33

优良的耐蚀性（低铝系） : 平板试验

34盐雾试验 vs批量镀锌 1300小时无红锈

Thickness 1.6 mmt 2.0 mmt 3.0 mmt

Products Zn-Al-Mg GI Zn-Al-Mg GL Zn-Al-Mg HGI

Coating Weight

(One side, g/m2) 70 250 70 70 90 70

800 hr

1200 hr

§ 弯曲变形 SST (1t) ，1200 小时无红锈

优良的耐蚀性（低铝系） : 变形后耐蚀性

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p 7年户外暴晒试验表明：中铝系ZAM板耐蚀性为GI板5倍。n大气环境暴晒试验

优良的耐蚀性（中铝系） : 环境试验

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优良的耐蚀性: 耐蚀机理

§ 稳定的腐蚀产物 Zn5(OH)8Cl2

· H2O

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优良的耐蚀性: 切边腐蚀

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p 锌铝镁镀层对端面切口的保护能力，对家电用钢板的冲孔散热性能是极大的提升。p 锌铝镁镀层腐蚀产物能够使得端面切口处也得到保护，钢板厚度达到9.0mm也能够得到有效保护，在光伏支架、公路护栏等的应用领域可替代结构件镀锌。优良的耐蚀性: 切边腐蚀

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试验前 实验室加速腐蚀10天后优良的耐蚀性: 自愈性能

40

0

0.5

1

1.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

GI GL POSMAC

W

eig

ht lo

s

s(g)

pH

■ 耐酸碱试验

优良的耐蚀性: 耐酸碱性

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优良的成形性: 摩擦系数

■ 摩擦系数比GI更低且稳定

42

优良的成形性: 磨损掉粉

■ 镀层磨损更小、粒径更小，节约冲压车间成本

ZM70

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优良的连接性: 焊接性能

■ ZM 镀层的点焊性能、激光束焊接性与GI镀层相当Performance of spot welding (electrode lifetime)

44

pZM 镀层磷化性能与锌镀层相当

p湿态下ZM镀层涂装附着力良好

pZM 镀层涂装性与锌镀层相当

Typical automotive phosphating Cross hatch test

Z (10µm) ZM(10µm) Z ZM

优良的涂装性能:磷化性和涂装性

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46锌铝镁合金镀层性能汇总

1.涂装性能2.冲压摩擦系数3.抗拉毛与划伤性能4.平板与变形耐蚀性5.抗切口腐蚀性能6.点焊性能7.激光拼焊性能8.胶粘性能

宝钢锌铝镁镀层钢板开发

473、我国锌铝镁镀层钢板的开发与应用来源：金鑫焱，第13届中国热镀锌大会，2020，青岛

首钢钢锌铝镁镀层钢板开发

48p首钢锌铝镁镀层的商标产品包括三个大类：SOZAMV®、SOZAMC®和SOZAMB®，产品覆盖铝镇静钢、IF钢、BH钢、结构钢、HSLA钢、大梁钢、DP钢以及超高强钢等。p尤其是首钢京唐热基镀锌线（中铝系锌铝镁专用生产线），钢板厚度可达6.0mm。来源：滕华湘，第14届中国热镀锌大会，2023，常州

其它钢铁企业锌铝镁镀层钢板开发

p鞍钢、攀钢、唐钢、酒钢、马钢、天津新天钢、敬业集团、天津新宇等钢铁企业均已实现一系或多系锌铝镁镀层的商业供货。

鞍钢锌铝镁镀层钢板 酒钢锌铝镁镀层钢板 唐钢锌铝镁镀层钢板 攀钢锌铝镁镀层钢板49

我国锌铝镁镀层钢板的应用

p2022年，我国锌铝镁镀层钢板产量超过200万吨，主要应用于光伏产业、畜牧业、制管、汽车、家电、彩涂基板等。

畜牧业 汽车家电

光伏支架

制管 50