中國冶金報社
泰斯剛
“手撕鋼”即寬幅超薄不銹精密帶鋼，它是國家重大戰略和重點新興領域急需的關鍵核心材料之一。從2016年起，太鋼集團成立研發團隊，開始開發“手撕鋼”工藝技術和產品，歷時近10年的研發和創新，先后經歷極限規格的突破、功能新材料量產等階段，在生產一代、研發一代、儲備一代的新產品開發思想指導下，“手撕鋼”正開啟新一代智能材料研發與創新，讓“手撕鋼”從跟跑者變身為領跑者。
極限規格及性能的突破
2016年以前，由于技術質量要求高、工藝控制難度大，“手撕鋼”制造技術長期被日本、德國、美國等國外少數企業壟斷，而且寬度僅有350毫米到400毫米，400毫米以上是國際空白。在“手撕鋼”研發之前，國內超薄精密帶鋼全部依賴進口，價格最高達每公斤20萬元，且厚度0.03毫米以下產品對我國嚴格禁售，使得我國長期面臨“高價買”和被“卡脖子”困境。特別是航天、核電等領域的快速發展，對超寬幅超薄帶鋼提出了向更薄更寬更硬的發展需求，市場潛力巨大。
寬幅“手撕鋼”的研發生產是世界性難題，由于其寬、薄、精的特點和產品的尺寸精度、性能、板形、表面等方面的要求，生產中面臨著鋼質純凈度、帶材控形控性、多品種柔性化、穩定生產、極限性能這五大難題和缺少成熟工藝技術且沒有成套裝備和產線的“兩缺”局面。面對國家重大戰略和重點新興領域飛速發展，在“鼓勵創新、寬容失敗、反對守成”“聞新則喜、聞新則動、以新制勝”的創新理念驅動下，“手撕鋼”研發團隊勇挑重擔，迎難而上，決心突破被“卡脖子”的局面。
太鋼作為全球不銹鋼行業的領軍企業，曾經冶煉出新中國第一爐不銹鋼，多少年來，堅持不忘產業報國初心，牢記大國重器使命，勇挑技術創新責任。別人能干，我們也能干得更好。針對“手撕鋼”生產的問題，團隊成立了鋼質純凈度、軋制控形工藝、高等級表面精度、產品性能五大核心工藝技術組。
“手撕鋼”的研發生產先要解決的是原料鋼質純凈度問題。常規冶煉鋼質中存在一定的夾雜物，一般鋼中夾雜物直徑為5微米~50微米，幾乎與超薄帶鋼的厚度相當，會導致帶鋼軋制穿孔。團隊提出了鋼質高純凈和夾雜物微細化調控思路：首次創新開發了高純度精煉技術，攻克了不銹鋼低氧高純凈化與夾雜物塑性化雙向調控難題，精密帶鋼中夾雜物尺寸小于1微米，且呈塑性化，達到世界最高水平。
解決了原料問題，超薄“手撕鋼”軋制難題緊隨而來。軋制“手撕鋼”就像“搟面”一樣，要經過軋制、退火等多個工序。由于帶鋼寬厚比大，軋制過程軋輥撓曲變形，輥端壓靠嚴重，無法實現高精度軋制。同時，帶鋼幅寬大、厚度薄，生產過程更容易發生抽帶、斷帶、塌卷等嚴重問題。團隊經過700多次試驗開發出“手撕鋼”高精度軋制控形技術，實現了世界最薄最寬的0.02毫米×640毫米帶鋼高精度穩定軋制，厚度精度達±1微米，板形平整度達到＜0.1毫米/米。
航天、電子等高端領域的基礎材料需求特點是：品種多、性能功能要求高。硬態產品要求硬度高、疲勞壽命長，軟態產品加工變形量大，塑性要求高，功能性產品要求超平、磁性低等，技術含量高，工藝難度大。團隊首創精密帶鋼性能控制技術，研制出世界綜合性能最優的硬態超薄帶鋼產品（維氏硬度＞600、疲勞壽命達20萬次）和世界綜合性能最優的軟態超薄帶鋼產品，極限變形量比國外最高水平大56%。
在以上工藝生產技術基礎上，團隊自主設計、集成建設全球首條寬幅超薄不銹精密帶鋼的全流程、智能化生產線，研制出微張力均衡控制、螺旋芯軸展平輥等關鍵裝備，實現寬幅超薄精密帶鋼高質量穩定生產，單卷長度達2萬米以上，是窄幅世界最高水平的2.5倍，引領國際超薄不銹鋼精密帶鋼裝備及生產技術發展。
2020年7月份，一場基于厚度為0.015毫米寬度400毫米以上的新能源汽車電池用特殊不銹鋼精密箔材攻關開始了。軋機設計極限是0.02毫米，從理論上來說要做到0.015毫米根本不具備條件，熱處理、清洗、拉矯、縱切機組都面臨著同樣的問題。因此，全公司的設備必須進一步升級改造，必須提高設備功能精度和工藝控制精度。面對這次全新的挑戰，研發團隊在太鋼領導的部署下組織了多次專題會議，分析0.015毫米精密不銹鋼箔生產的可行性，在解決了一系列難題后，終于在2020年8月16日完成軋制，標志著太鋼精密帶生產技術又上了一個臺階。
“手撕鋼”團隊對不銹鋼超薄精帶制造系列理論和工藝技術進行了重大創新。其整體工藝技術已獲得授權發明專利20件，擁有專有技術227項，制定國家標準、行業標準、團體標準各1項，發表論文74篇。該團隊首次實現了世界最寬最薄“手撕鋼”的批量生產，解決了超薄不銹鋼材料被“卡脖子”難題，填補了寬幅超薄帶鋼的世界空白。行業專家評價：“填補多項空白，成果達到國際領先水平”。
“手撕鋼”項目在2019年榮獲了冶金科學技術獎唯一的特等獎和2020年中國工業大獎，第二十一屆中國國際工業博覽會CIIF大獎，第四屆全國質量創新大賽QIC-V級成果（一等獎），領跑了世界不銹鋼工業技術發展，提升了我國高端鋼鐵新材料制造水平。2021年，山西太鋼不銹鋼精密帶鋼有限公司榮獲了全國五一勞動獎章。央視《新聞聯播》、《人民日報》、新華社、中新社、《中國冶金報》等媒體相繼對“手撕鋼”進行了報道。
寬幅超薄不銹精密帶鋼支撐了我國高科技領域的創新與突破，對保障國家關鍵材料供給安全具有重大戰略意義。“手撕鋼”在戰略和尖端領域應用實現由無到有，用于軍工防爆片、航天壓力傳感器、核電屏蔽罩等；在高端制造領域實現替代進口，用于軍工防輻射服（占有率100%），蘋果手機背板（占有率60%）、新一代USB接口（占有率33%）等。在其它高端領域應用廣泛。特別是“手撕鋼”引領了鋼鐵工業的技術發展，解決了國家關鍵材料被“卡脖子”的難題，“手撕鋼”家喻戶曉、蜚聲中外，增強了民族自信心。
功能性“手撕鋼”的產品開發
2020年5月12日，習近平總書記在太鋼視察時，高度評價“手撕鋼”：“把百煉鋼變成了‘繞指柔’”，同時強調“產品和技術是企業的安身立命之本”，勉勵太鋼“再接再厲，在高端制造業科技創新上不斷勇攀高峰，在支撐先進制造業方面邁出新的更大步伐”。總書記的囑托和期望，對“手撕鋼”研發團隊是巨大鼓舞和鞭策。研發團隊始終堅持“生產一代、研發一代、儲備一代”為引領，著眼國際前沿科技研發，立足本職本崗以實際行動加快新產品、新工藝創新和自主研發。
近年來，該團隊在第一代極限規格“手撕鋼”系列產品基礎上，圍繞“手撕鋼”研發生產全過程，以高技術產品應用為導向，緊跟材料應用前沿，同時，組建了先進不銹鋼全國重點實驗室、山西省科技創新領軍團隊、山西省企業技術中心等，并與上海交通大學、北京科技大學、太原科技大學等高校聯合，在新產品、新技術、新材料等方面發力，在5G無磁不銹鋼精密帶材為代表的7個高端市場急需的關鍵材料及技術創新攻關組。
超導材料因其獨特的零電阻、完全抗磁性等特征，引導著能源、電力、交通、醫療、大科學裝置等領域的顛覆性變革，是科技前沿的關鍵材料。2023年工信部印發了前沿材料產業化重點發展指導，高溫超導成為我國第一批15項重點發展的前沿材料產業之一，同年工業強基專獲批立項，太鋼和上海超導等行業領頭企業成立創新聯合體，加速建設超導全產業鏈生產研發基地，推動高溫超導產業的快速發展。
新產品C276箔材由于其具有高強度、高耐蝕等特性成為第二代高溫超導基材首選。它具有多層氧化物的載體，主要功能是提供支撐和力學性能。由于需在基材表面進行磁控濺射、脈沖激光沉積精密加工，對基材提出了超薄、高溫力學性能、高平整度、高表面質量、低粗糙度、大卷重長米數要求。針對C276箔材超薄、高強度等特性，他們研究開發了特殊合金軋制工藝和輥系、多軋程+精準熱處理工藝和全流程多維度張力調整工藝，順利實現了最薄0.03毫米、最長5000米箔材的量產。同時，太鋼提供的基材用到了多個高精尖領域，創造了多項全球第一，比如應用于全球首臺高溫超導聚變裝置、以及助力中科院等離子體所創造超導磁體26.8T世界紀錄等。它的量產為國產高溫超導基材提供了材料保障，助力行業快速發展。
掩膜板其主要作用為定義顯示屏幕像素密度和大小，通過精準定位遮擋區域，可實現將不同發光材料蒸鍍至基板上，是OLED（有機發光二極管）顯示屏幕生產過程中的關鍵模具，被稱為OLED顯示行業的光刻機。在OLED顯示產業鏈上，掩膜板對OLED顯示品質至關重要，是阻礙產業的發展的瓶頸。由于被國外壟斷，國內顯示屏技術與三星有代差，產業鏈呈現“越往上游越被壟斷”“越是關鍵越空白”局面。掩膜板也是國家“十三五”戰略性新興產業發展規劃中新型顯示技術關鍵材料之一，2022年工信部工業強基項目立項，項目整合產業鏈相關企業，涵蓋了生產、使用、評價全過程，其中太鋼承擔了箔材的研發。
掩膜板加工過程需要在手機大小面積內通過精密光學蝕刻加工200萬個微孔，孔徑只有30微米，并且任意一個孔有問題，整個材料就要報廢，這就對材料提出了：近零夾雜物、微米級尺寸精度、零缺陷等技術要求。針對掩膜板的高要求，他們開發了多聯真空熔煉鋼質超純凈控制技術、特殊合金箔材超平控制技術，同時完成了軋機、清洗、拉矯、TA機組等全封閉改造，分切及TA毛氈壓力工藝改進等，實現了箔材生產過程潔凈化，箔材厚度精度為1微米。在這些關鍵工藝的支撐下，因瓦合金箔材各項指標達到進口先進水平，這是我國首例從原料熔煉開始到因瓦箔材產出真正完全國產化的產品。它的量產突破了日韓聯盟在OLED高端顯示領域對我國的掩膜板產品限制與技術封鎖，為我國顯示產業開辟出一條獨立自主的發展道路。
未來在功能實現領域，“手撕鋼”將圍繞特殊合金（軟磁鎳基合金）表面粗糙度及涂層處理、不同種材料的復合、激光熔覆、磁控濺射，開發新的市場需求。
第三代“智能”“手撕鋼”的儲備
習近平總書記指出，抓創新就是抓發展，謀創新就是謀未來。不創新就要落后，創新慢了也要落后。“改革不止，創新不斷！”“手撕鋼”創新研發團隊始終堅持以習近平新時代中國特色社會主義思想為引領，著眼國際前沿科技研發，立足本職本崗以實際行動加快新產品、新工藝創新和自主研發。近年來，太鋼與華為“2012實驗室”、華新光電、京東方、榮耀、上海超導、浙江眾凌等知名企業創新研發平臺緊密協作，對標國際一流，不斷超越自我，開展新一代“智能”“手撕鋼”系列產品預研，為高端制造業發展提供關鍵基礎材料的保障。在半導體領域，太鋼深度分析相關箔材需求，與華為、北方華創等企業合作，開發光刻機雙機工作臺疏水薄膜相關箔材，目標厚度為0.01毫米，為“卡脖子”領域提供材料支持。
在新能源領域，太鋼長期關注動力電池膜電極發展，與比亞迪、寧德時代、濰柴動力、浙江鋰盾等企業協同，開發動力電池膜電極用高耐蝕性、高平整度、高塑性的特殊合金箔材，為新一代電池技術發展提供新的更安全可靠的箔材，為鋁箔的升級替換提供新的材料選擇。同時，太鋼與蘇州邁為等企業合作，開展太陽能電池板用HJT絲網印刷網板基礎箔材開發，為行業開辟新的賽道。
“手撕鋼”作為電子領域的核心零部件材料，具備雙向控制的傳導介質作用，微型電子的發熱材料，經過疏水表面處理將會在智能領域小型化。未來“手撕鋼”將輻射到硅鋼領域的薄化。加入微量元素后，其可具備極高的強度、極強的抗高溫能力以及既高強且高韌等綜合性能。
在航空、航天領域，太鋼開發鎳基高溫合金箔材系列產品，并與航天二院、鋼鐵研究總院、商飛等單位合作，開展熱紅外反射薄膜、深空太陽能電池帆板襯底、大飛機除冰復合材料開發。
在電子溫度控制領域，太鋼利用極薄帶的特殊功能及材料的居里溫度，控制發熱，生產出更多的智能材料。
在基礎工業領域，太鋼與清華大學團隊合作，開展高精度機床用光柵尺材料開發。
“手撕鋼”智能應用需要跨專業、跨領域的交叉學科支持，未來在智能領域，成立跨專業、跨領域的研發團隊，吸引國內優秀人才，研發滿足我國高精尖需求的微電子、微光伏、高精密機床、軍工核電用“手撕鋼”。智能“手撕鋼”材料的研發，將打破人們對“手撕鋼”的認知。“手撕鋼”不僅僅是一個產品，還是集理論研究、科技創新、新產品研發于一體的產學研用平臺型技術；它的持續創新和廣泛應用，將給新一輪產業革命提供動力，必將隨著我國高科技領域的快速發展，衍生出更多智能材料的需求。
