董學民，張敏，陳長軍，林培晨，農(nóng)光壹

1.蘇州大學機電工程學院激光加工中心 江蘇蘇州 215021

2.江蘇智遠激光裝備科技有限公司 江蘇丹陽 212399

1 中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國是全球鋼鐵生產(chǎn)第一大國，據(jù)世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計，2021年全球粗鋼總產(chǎn)量達18.78億t，其中我國全年粗鋼產(chǎn)量為10.65億t，排列為全球第一位，占全球粗鋼產(chǎn)量的56.71%。

我國鋼鐵企業(yè)經(jīng)營規(guī)模和經(jīng)營質(zhì)量與世界一流鋼鐵企業(yè)差距大。從營業(yè)收入看，海外鋼鐵企業(yè)基本是我國鋼鐵企業(yè)收入規(guī)模的2～40倍。從噸鋼收入看，我國鋼鐵企業(yè)遠低于世界一流水平。寶武集團生產(chǎn)規(guī)模是浦項制鐵、新日鐵住金的1.5倍左右，但噸鋼收入只有浦項制鐵的一半，新日鐵住金的70%；河鋼股份與浦項制鐵、新日鐵住金生產(chǎn)規(guī)模相當，但噸鋼收入分別只是對方的1/4～1/3。

從凈利潤看，除寶武集團外，我國鋼鐵企業(yè)低于世界一流水平。從凈利潤和凈利潤變化兩個角度看，寶武集團與浦項制鐵、新日鐵住金、JFE等為第一陣營，具有利潤高且穩(wěn)定的特點；盧森堡的安賽樂米塔爾等公司利潤高但不穩(wěn)定，為第二陣營；鞍鋼股份、河鋼股份與德國的蒂森克虜伯為第三陣營，利潤較低。

從凈利率看，我國鋼鐵企業(yè)忽高忽低，平均利潤率低于世界一流水平。2017年我國鋼鐵企業(yè)凈利潤率普遍高于海外鋼鐵企業(yè)，但日本、韓國鋼鐵企業(yè)的平均利潤率是我國鋼鐵企業(yè)（除寶武集團）的2～5倍。

2 鋼鐵行業(yè)發(fā)展機遇

碳中和與高質(zhì)量發(fā)展為我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展提供了新的機遇。我國宣布將力爭于 2030 年前達到碳排放峰值，并努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和。工業(yè)部門近一半的碳排放來自于生產(chǎn)水泥、鋼鐵、合成氨及化工等行業(yè)。這些重工業(yè)碳排放的產(chǎn)生主要來自三個方面：一是來自用于生產(chǎn)的原料，比如生產(chǎn)水泥過程中的石灰石和合成氨生產(chǎn)過程中所用的天然氣；二是來自工業(yè)生產(chǎn)高溫加熱的燃料燃燒，如高爐煉鐵所用的燃料；三是來自其他能源需求，比如用于生產(chǎn)中間產(chǎn)品、低溫供熱等的化石燃料[1]。

因為鋼鐵行業(yè)是排碳大戶，所以接下來會是我國重點整治對象。所謂整治，首先要嚴控并壓縮產(chǎn)量，對于技術(shù)落后的企業(yè)要淘汰掉，優(yōu)質(zhì)企業(yè)要增加環(huán)保、減碳方面的投入。這些措施對龍頭企業(yè)是絕對有利的。另外，再加上美國不斷印制美元，我國的產(chǎn)品如果不能提高價格，勢必會被美國買空，因此在當前的形勢下，我國各行業(yè)，尤其是鋼鐵行業(yè)，必須富日子窮過，高質(zhì)量發(fā)展就顯得更為重要。

3 激光再制造技術(shù)在冶金行業(yè)中的應(yīng)用

激光技術(shù)在鋼鐵冶金中的應(yīng)用非常早，大家對此并不陌生。據(jù)報道，1999年在武鋼和華中科技大學、華工激光等單位的聯(lián)合攻關(guān)下，開發(fā)出了激光汽車板、激光光亮板、激光裝飾板和激光防偽板等產(chǎn)品（見圖1）。武鋼集團與華工激光很早就強強聯(lián)手，并于2012年成立新公司——武漢武鋼華工激光大型裝備有限公司，開展研究激光再制造技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)中的應(yīng)用。經(jīng)過多年的研發(fā)和試驗，寶鋼在激光修復和激光再制造技術(shù)方面積累了寶貴的經(jīng)驗，目前參與編制了冶金板帶軋機牌坊、扁頭套等部件的激光修復方面的國家標準。

圖1 武鋼激光板強化項目驗收現(xiàn)場

據(jù)《寶鋼日報》2010年報道，寶鋼與沈陽大陸激光技術(shù)有限公司已經(jīng)形成了軋機牌坊在線激光修復的規(guī)范體系和內(nèi)部實施技術(shù)條件，并形成了國家標準。以上事實均說明，激光在鋼鐵冶金行業(yè)中的應(yīng)用還是非常早的，但之所以沒能普及，是因為當時一來鋼鐵行業(yè)的整體效益是不錯的，二來也沒有國家政策對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來提質(zhì)增效和降碳。

鋼鐵行業(yè)中可以用到激光再制造技術(shù)的地方很多，主要包括以下幾個方面。

（1）軋輥的再制造與強化 冶金行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備大部分是在高（交變）應(yīng)力、高熱應(yīng)力的惡劣環(huán)境下工作，如連鑄輥、校直輥、槽型輥、半鋼輥、鑄管模、熱（冷）軋工作輥、高爐溜槽及料鐘等。在這些設(shè)備中，各種軋輥無疑是其中最關(guān)鍵的設(shè)備零件，其消耗量大、價格昂貴、使用壽命短，不僅與產(chǎn)品成本密切相關(guān)，而且直接決定鋼鐵制品的質(zhì)量，尤其是表面質(zhì)量和板型。采用激光再制造修復各種軋輥，其中以小型軋輥和局部修復更為擅長，性能如同新件，如圖2、圖3所示。

圖2 在沙鋼現(xiàn)場進行的棒線材激光表面強化

圖3 昆鋼激光毛化成套設(shè)備現(xiàn)場

激光淬火技術(shù)可對各種導軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內(nèi)壁、模具、減振器、摩擦輪、軋輥及滾輪零件進行表面強化。

激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國外被稱為“鏡面鋼板”，它是生產(chǎn)高級轎車面板的優(yōu)質(zhì)板材，因此激光毛化冷軋薄板（帶）是汽車、家電、電子和輕工業(yè)生產(chǎn)需求的重要原材料。

（2）各種軸類零件磨損、抱瓦、裂紋的再制造 各種軸類零件經(jīng)激光堆焊處理后，堆焊層無粗大的鑄造組織，堆焊層及界面組織細密、晶粒細化，無孔、砂眼、夾雜及裂紋等缺陷[2]，服股性能如同新件，如圖4所示。

圖4 激光再制造恢復軸頸的磨損

（3）冶金行業(yè)中的各種高附加值的大中小型齒輪類零件的再制造與強化 激光再制造技術(shù)可使各種高附加值的大中小型齒輪類零件性能得到恢復。驗收指標按仍原制造標準進行，大型齒輪激光強化如圖5所示。

圖5 大型齒輪激光強化

（4）高壓高速風機葉片的修復 葉片因其工作環(huán)境較為惡劣，所以在葉輪葉片進風口部位易產(chǎn)生嚴重的腐蝕與磨損，一般使用3000～4000h就因葉輪葉片腐蝕與磨損失去平衡而報廢。若采用激光再制造技術(shù)，則可以使修復層與原基材形成冶金結(jié)合，硬度達到55HRC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國Fraunhofer ILT 首先發(fā)明，被譽為當前可替代電鍍技術(shù)最具競爭力的工藝，因其為工業(yè)界帶來的革新性技術(shù)進步，在代替鋼鐵行業(yè)中一些部件的鍍鉻替代上具有十分重要的作用。該技術(shù)已經(jīng)在煤炭行業(yè)中的液壓支架上得到了應(yīng)用。在鋼鐵冶金行業(yè)中，存在大量的噴涂和鍍鉻產(chǎn)品，高速激光熔覆技術(shù)將會在鋼鐵冶金行業(yè)中逐步替代上述技術(shù)并發(fā)揮出重要的作用。圖6所示為智遠公司所研制的超高速激光熔覆裝備及其加工的產(chǎn)品實物。

圖6 超高速激光熔覆裝備及其加工的產(chǎn)品

（6）現(xiàn)場再制造及其他再制造應(yīng)用 為切實推進鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排，推動機電產(chǎn)品再制造工作，2010年12月24日工業(yè)和信息化部在沈陽召開鋼鐵行業(yè)激光再制造技術(shù)現(xiàn)場交流會，會上相關(guān)人士表示，再制造作為節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要組成，已被列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[3]。目前，再制造技術(shù)在我國得到快速發(fā)展，有關(guān)再制造的法律法規(guī)、基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)及行業(yè)標準等不斷完善。經(jīng)過10多年的發(fā)展，激光現(xiàn)場再制造也得到了長足的發(fā)展，尤其是鋼鐵行業(yè)中軋機牌坊的現(xiàn)場激光再制造已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

內(nèi)孔的再制造也開始逐步得到應(yīng)用，圖7所示為智遠公司開發(fā)的內(nèi)孔熔覆專用設(shè)備，該技術(shù)已經(jīng)過近10年的實踐應(yīng)用檢驗。

圖7 內(nèi)孔熔覆專用設(shè)備

4 機遇與挑戰(zhàn)

2021年11月15日，國家頒布了《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），這是對2021年2月國務(wù)院關(guān)于《加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》的具體實施舉措?！兑?guī)劃》中提到：高端智能再制造、修訂再制造產(chǎn)品認定管理辦法，建立自愿認證和自我聲明相結(jié)合的產(chǎn)品合格評定制度，規(guī)范發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，推動在國家自由貿(mào)易試驗區(qū)開展境外高技術(shù)含量、高附加值產(chǎn)品的再制造。

至此，國家反復提到的高質(zhì)量發(fā)展以及“碳中和”的大背景，使激光再制造技術(shù)在冶金上的應(yīng)用將迎來前所未有的快速發(fā)展。具體需要在以下幾個方面開展工作。

（1）冶金專用激光再制造粉末的研制及其大批量生產(chǎn) 以焊絲為例，不同應(yīng)用場景和不同材料都用專門的焊絲和用于不同焊接設(shè)備的焊絲存在。但目前激光再制造所使用的粉末大多直接使用熱噴涂而來，或者在熱噴涂的基礎(chǔ)上稍有改進。但從材料學的角度出發(fā)，激光的快速熔化-凝固過程與熱噴涂和傳統(tǒng)的焊接過程明顯不同，因此為了適應(yīng)激光再制造過程，需要開發(fā)專用的粉末。從另一個角度出發(fā)，由于冶金中所用到的耐磨、耐高溫的工況因加工的對象不同，而造成實際工況也千差萬別，所以從節(jié)約能源和保證服役要求出發(fā)，更應(yīng)針對不同的工況開發(fā)不同體系的粉末材料，這樣才能更好地實現(xiàn)物盡其用。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，用于激光增材制造和再制造的粉末價格已經(jīng)有了很大程度的降低，但目前粉末的生產(chǎn)規(guī)模和價格同生產(chǎn)的鋼材相比，依然存在價格昂貴和生產(chǎn)規(guī)模小的問題。如不銹鋼鋼材價格可以做到20～30元/kg，對一個生產(chǎn)廠家來說，如果粉末生產(chǎn)規(guī)模能達到1000萬t，其價格就會非常便宜，這樣就會使更多的應(yīng)用場合可以使用激光再制造。目前，很多生產(chǎn)廠家的爐子是5kg、50kg，上到噸位的在全世界都很少，如果粉末生產(chǎn)的噸位能達到每個爐子幾噸，其價格可以想象會非常低，這對擴大應(yīng)用范圍具有非常重要的意義。

（2）冶金行業(yè)激光再制造作業(yè)規(guī)范及其相應(yīng)標準的建立 當今世界，標準化水平已成為各國各地區(qū)核心競爭力的基本要素。一個企業(yè)，乃至一個國家，要在激烈的國際競爭中立于不敗之地，必須深刻地認識標準對國民經(jīng)濟與社會發(fā)展的重要意義。標準是國際經(jīng)濟科技競爭的“制高點”，是企業(yè)、產(chǎn)業(yè)、裝備走出去的“先手棋”。既要著力提高中國標準水平，增強中國標準硬實力，又要全面謀劃和參與國際標準化戰(zhàn)略、政策和規(guī)則的制定，提高我國在全球經(jīng)濟治理中的制度性話語權(quán)。

目前，鋼鐵冶金產(chǎn)品在原冶金部和相關(guān)各部委標準化組織的努力工作下，新品的制造都有相關(guān)的行業(yè)標準、國家標準等在實施中。但對于激光再制造標準，有裝甲兵工程學院在開展再制造方面的標準化工作，江蘇激光產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也在開展相應(yīng)的團體標準的建設(shè)工作。但標準建設(shè)與如火如荼的激光再制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀相比，大家在激光再制造標準建設(shè)上的認識還非常不到位，這對我國再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是具有廣闊應(yīng)用前景和在全世界做大應(yīng)用市場的鋼鐵冶金再制造市場來說，如果不抓住機遇，將又是一大遺憾。希望這一產(chǎn)業(yè)鏈上的所有人都有這個意識，來共同參與，占據(jù)這一制高點[4]。

（3）專用設(shè)備的研制和關(guān)鍵核心器件的國產(chǎn)化 以在鋼鐵冶金行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的傳統(tǒng)焊機為例，具有各種用途功能的焊機各種各樣，但用于鋼鐵冶金行業(yè)的激光設(shè)備的種類卻不多，根本不能滿足冶金行業(yè)產(chǎn)品種類多、需求多樣、材料紛繁復雜的需求。因此，尚需廣大工程人員和研究人員開發(fā)出性能各異的滿足鋼鐵冶金行業(yè)需求的各種類型的激光再制造設(shè)備。前面提到的高速熔覆就可以稱之為一種專用設(shè)備。

而核心關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化具有更重要的意義：一是可提高整個激光再制造裝備水平；二是會進一步降低設(shè)備成本和使用成本。以核心光源激光器為例，我們不能制造芯片時，芯片就會被國外卡脖子；當我們能夠制造芯片時，芯片的原材料和制造芯片的裝備就會被卡脖子。從大的目標來說，是為了實現(xiàn)中華的偉大復興，從小的目標來說，為了我國自主設(shè)備使用起來真正的物美價廉，就需要我們攻克難關(guān)，將核心技術(shù)掌握在自己手中。以激光頭為例，高性能的激光頭，就需要我們自己攻克，實現(xiàn)國產(chǎn)化和親民的價格。前面提到的內(nèi)孔熔覆設(shè)備的國產(chǎn)化就是一個很好的例子。

可以預見，多年以后，激光加工設(shè)備在冶金行業(yè)中的應(yīng)用將同傳統(tǒng)焊機一樣普遍，這意味著激光加工設(shè)備需要進一步降低成本，提高使用性能；也意味著我們要不斷努力，提高性能，降低成本，這方面汽車行業(yè)是一個最好的榜樣。

（4）專業(yè)化人才的培養(yǎng)和維修保障人員的培養(yǎng)和考核 不管多么偉大的戰(zhàn)略，如果沒有合適的人才來有效地執(zhí)行，則一切都是空談。仍然以焊接為例，焊接人才的大學科班人才的培養(yǎng)以及社會職教體系人才的培養(yǎng)，是相當完備的。而激光制造和再制造人才的培養(yǎng)方面，我國可以用剛剛起步來形容，全國開設(shè)激光專業(yè)人才培養(yǎng)的本科院校更是少而又少。蘇州大學自2011年是全國首家申報獲批了激光制造工程二級學科博士點，目前武漢華中科技大學是為全國培養(yǎng)激光人才最多的高校。

同焊工考核分級一樣，需要全社會建立相應(yīng)的激光加工人才的培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)和考評體系，才能更好地推動行業(yè)人才的培養(yǎng)和使用。這一點，武漢的激光協(xié)會已經(jīng)在開展這方面的工作，江蘇激光聯(lián)盟也正在積極地同各方資源進行整合來推動人才的培養(yǎng)，以推動整個行業(yè)的健康和快速發(fā)展。

（5）再制造后現(xiàn)場加工設(shè)備的便利性和有效性以及現(xiàn)場快速檢驗和現(xiàn)場熱處理技術(shù) 現(xiàn)場的再制造同新品的制造存在很大的區(qū)別，新品制造可以方便地進行各種機加工和熱處理，但在再制造時，進行機加工和熱處理就不如新品方便了。由于現(xiàn)場再制造的機加工和熱處理還受環(huán)境空間的拘束，因此針對現(xiàn)場進行機加工和熱處理技術(shù)及其設(shè)備的開發(fā)也進入一個新的天地。這一目標的實現(xiàn)，可以毫不夸張地說，對整個智能智造都將是一個非常重要的組成部分。

（6）壽命預測和性能評估 再制造的對象是經(jīng)歷一次或多次服役周期的零件，該零件是否還有剩余壽命，其剩余壽命能否再適應(yīng)下一服役周期，這是再制造加工前應(yīng)首要解決的問題。再制造工程的目標是使廢舊產(chǎn)品經(jīng)過再制造加工性能達到或超過新品，不經(jīng)壽命評估將已無剩余壽命的零件再裝機使用，都會給用戶和企業(yè)帶來損失[5]。

產(chǎn)品再制造的可行性和可行度是發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)首要面臨的問題，特別是產(chǎn)品附加值（人力、能源等）高的關(guān)鍵零件是否可以修復而不需要替換。零件失效的主要形式有斷裂、磨損、腐蝕和變形，其中磨損、腐蝕和變形比較直觀或者易于檢測，只有引起斷裂的疲勞壽命不易檢測，因此研究再制造產(chǎn)品關(guān)鍵零件剩余疲勞壽命和產(chǎn)品的再制造性，對我國再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義[6]。

目前，再制造零件疲勞壽命評估方法[6]，即通過標準試樣拉伸、疲勞試驗以及估算獲得材料特性；通過幾何建模、動態(tài)仿真獲得載荷；通過有限元分析獲得局部應(yīng)力；最后將獲得的材料特性、載荷和局部應(yīng)力帶入相應(yīng)的疲勞損傷模型，便可以預測零件的疲勞壽命，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于有限元的疲勞壽命預測模型。而實際的操作需要大量這樣的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫，因此國家層面和行業(yè)協(xié)會需要倡導和組織，并引導各企業(yè)首先建立數(shù)據(jù)庫，然后這些數(shù)據(jù)庫再組織起來形成一個鋼鐵冶金行業(yè)激光再制造的數(shù)據(jù)庫，從而加速和有效地促進鋼鐵冶金行業(yè)再制造的發(fā)展。目前，激光切割的數(shù)據(jù)庫正在建立中，金屬3D打印的數(shù)據(jù)庫也初具規(guī)模，但鋼鐵行業(yè)激光再制造的數(shù)據(jù)庫的建立才剛剛開始，需要國家制定政策進行引導，大家共同參與來推動這個事情。