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(chǔ)材料，一直是工業(yè)材料領(lǐng)域熱議的話題之一。同樣，自二十多年前中國粗鋼產(chǎn)量突破1億t，成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國以來，中國鋼鐵工業(yè)產(chǎn)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(chǔ)材料，中國粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)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(lǐng)域發(fā)展的材料需求提供了更多的選擇。在很多領(lǐng)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(lǐng)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(chǔ)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(chǔ)材料的必備條件

工業(yè)社會基礎(chǔ)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(chǎn)，實現(xiàn)循環(huán)；（3）潛在性能要足夠?qū)?，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(jīng)濟性的要求，這是成為基礎(chǔ)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(chǔ)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?qū)挿旱臐撛谛阅苁鞘蛊浔粡V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(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型材料是由于某種特定結(jié)構(gòu)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(gòu)成并不特殊，但可以通過特殊的微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)特殊的性能。

對照工業(yè)社會基礎(chǔ)材料的必要條件，基本上可以認定，結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(zhì)基材和化合物基材。單質(zhì)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(chǔ)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。化合物作為基材要求其必須具有極高的穩(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(chǔ)材料的兩步粗選，最后只剩下單質(zhì)基材型材料具備成為工業(yè)社會基礎(chǔ)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(chǔ)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(chǔ)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(chǎn)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(zhì)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(jīng)被很多領(lǐng)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(lǐng)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(chǎn)業(yè)規(guī)模應該是多少呢？這是一個典型的社會經(jīng)濟領(lǐng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)量。對上述幾個國家或地區(qū)在1871—2015年間的粗鋼產(chǎn)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(chǎn)量是英國、德國和法國三個核心國家鋼產(chǎn)量之和，與真實的歐洲總產(chǎn)量有所差異，但總體規(guī)律是一致的；所顯示的俄羅斯鋼產(chǎn)量，前期是前蘇聯(lián)的粗鋼產(chǎn)量數(shù)據(jù)，前蘇聯(lián)解體后是俄羅斯國家的粗鋼產(chǎn)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(jīng)濟大崩潰鋼鐵產(chǎn)量急劇下滑外，歐洲、美國、日本的鋼鐵產(chǎn)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(chǎn)量區(qū)間內(nèi)震蕩，保持總體穩(wěn)定。

以鋼產(chǎn)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(chǎn)量1.36億t，隨后經(jīng)歷了10年的下滑，并觸底反彈，但即使到近幾年，美國粗鋼產(chǎn)量依然維持在9000萬t左右的規(guī)模，這是經(jīng)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(zhuǎn)移到其他國家之后的結(jié)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(chǎn)量也可以得出相同的結(jié)論。因此，一個政治、經(jīng)濟環(huán)境相對穩(wěn)定的國家，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)鋼鐵產(chǎn)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(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到周邊亟需發(fā)展鋼鐵工業(yè)的國家，同時滿足國內(nèi)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(chǎn)量之和約占世界總產(chǎn)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(chǎn)能轉(zhuǎn)移到其他國家，即使只轉(zhuǎn)移一半，也要把全世界剩下的190多個國家的鋼產(chǎn)量翻一番。這里面涉及到技術(shù)擴散、工程建設、市場需求、政治穩(wěn)定、經(jīng)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(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃和宏觀政策也沒有進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的傾向。對于工業(yè)社會而言，鋼鐵工業(yè)作為生產(chǎn)整個社會基礎(chǔ)材料的產(chǎn)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(jīng)歷軍事圍堵和經(jīng)濟制裁，為了保證不受制于人，對構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，通過面向綠色化的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)這些鋼鐵產(chǎn)生的污染和消耗的能源自然也就減少[9]。

鋼鐵生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)過程的高效穩(wěn)定運行、鋼鐵生產(chǎn)與能源系統(tǒng)的協(xié)同匹配、鋼鐵產(chǎn)業(yè)與化工等相關(guān)產(chǎn)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(chǎn)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(jié)論。有些研究通過粗鋼產(chǎn)量與經(jīng)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(chǎn)業(yè)規(guī)模上限。

鋼鐵生產(chǎn)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(zhuǎn)爐進行生產(chǎn)；一種是短流程模式，以廢鋼為原料通過電爐進行生產(chǎn)。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(chǎn)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(chǎn)，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。基于這個指標，可以明顯看出中國鋼鐵工業(yè)的年產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)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(chǎn)能淘汰和產(chǎn)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(chǎn)量將增長到14億t以上；從中長期來看（10~20年），鋼鐵年產(chǎn)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(nèi)市場。

3. 結(jié)束語

通過對工業(yè)社會基礎(chǔ)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(chǔ)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(nèi)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(chǎn)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(shù)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(zhì)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(jīng)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(jié)構(gòu)及對CO2排放的影響.鋼鐵,2010(5):5

文章來源——金屬世界