揭秘“手撕钢”
马氏体
2022-05-25 10:54
薄如蝉翼，手撕即破，你能相信这是不锈钢吗？
这就是太原钢铁集团（简称“太钢”）研制的“手撕钢”。能够被手撕开，是因为它的厚度非常薄，只有0.02毫米，不到普通A4纸厚度的四分之一，但一张A4纸大小的手撕钢，价格就高达400元。
专业地讲，手撕钢是一种不锈钢箔，即厚度在0.1毫米以下的不锈钢精密带钢。
不锈钢箔的生产难度巨大，但用途非常广泛而重要，可被用于航空航天、石油化工、军工核电、高端电子、柔性显示、柔性太阳能电池、储能电池等领域，因而数次登上中央电视台，也得到领导人的高度评价。
不锈钢箔用在柔性显示屏上（即厚度0.03毫米的“柔性屏钢”）是非常容易理解的，因为超薄不锈钢在具有良好的变形能力的同时仍能维持一定的强度，能够支撑起屏幕而允许屏幕高达20万次的反复折叠。至于在其他领域的应用，网上则语焉不详。
作为一种超薄金属材料，不锈钢箔能够以非常轻的重量实现电磁屏蔽；作为耐腐蚀的不锈钢材料，它亦可作为航空航天和电池的包装材料。但有一项用途你或许想不到——核反应堆的隔热保温材料。上面截图是太钢在接待访客时，屏幕上正在播放的太钢不锈钢箔在核电领域应用的宣传视频。
这种隔热材料被称为金属反射式保温层，由外部的盒体和内部层层排列的金属箔（厚度0.05毫米左右的不锈钢箔或铝箔）构成。光亮的金属表面能够反射热辐射，盒体内的空腔降低了热传导。密集排布的金属箔除了起到层层反射热辐射的作用，还把空腔割裂成一个个非常狭小的区域，阻碍其中的空气对流。这样的保温材料具备和非金属保温材料相似的保温性能，且具有重量轻、强度高、耐老化、无腐蚀、无粉尘、易清洁（哪怕沾染上放射性物质，用水一冲就好了）、可在浸水的条件下使用等优势，被大量应用于核电、火电、化工等领域。
除了在正常运行状态下给300多度的反应堆保温隔热，保温层在确保核电安全上亦能起到十分重要的作用——当反应堆异常升温数百度而造成堆芯熔化事故时，向反应堆压力容器外壁和保温层内壁之间注水，冷却压力容器，防止压力容器被熔穿，从而把放射性物质“封印”在压力容器内，防止泄漏。
为了获取自主研制的保温层导热能力的第一手资料，科研人员必须要钻到反应堆压力容器外壁与保温层内壁之间的狭小空隙内，紧挨着压力容器300多度的高温采集数据（上图为中广核广东阳江核电站3号机组，采用中国自主品牌的二代核电技术CPR1000）。没有哪一项自主技术的突破是能够轻而易举取得的，正是无数人在各自的行业里做出自己的贡献，才换来我国科技实力的长足进步。
怎样，是不是觉得不锈钢箔的战略价值非常巨大？
那么，这种材料是如何生产出来的呢？
让我们走进中国第一炉不锈钢的诞生地、我国重要的不锈钢专业生产商——太原钢铁集团（属中国宝武钢铁集团旗下）的精密带钢生产车间。
和大部分薄钢板一样，手撕钢是冷轧出来的。不过，手撕钢挑战的是“薄”的极限，每减薄0.01毫米，都是巨大的考验。
轧制手撕钢用的是二十辊轧机。
直观地想，要轧制的钢材越薄，为了精准发力，轧辊的直径就要越小，尤其是对不锈钢这种具有较强加工硬化效应的材料（随着加工变形，强度提升，使后续变形加工变得更加困难）。然而，过细的轧辊的刚度很差，容易变形。为了解决这一对矛盾，多辊轧机设置了多根支撑辊和中间辊，层层传递力量，对与钢材“硬碰硬”的工作辊进行支撑。所谓二十辊轧机，就是一共有20根轧辊，在钢材上下分成两组，每组包括4根支撑辊、5根中间辊和1根工作辊。
轧辊看起来都是笔直的圆柱体，其实形状上有肉眼难以察觉的细微差异，比如中间粗两边细的凸型、一头粗一头细的锥形等等，轧辊的形状和轧制的力度决定了轧出的钢材能否做到均匀平整。从不同轧辊的数万种排列组合中找到最佳组合，是轧出手撕钢的诀窍之一。
轧辊的精确形状是靠磨床精密研磨加工出来的。
轧制过程中的张力控制也是关键因素。张力过小，带钢易发生褶皱打卷，即“抽带”；张力过大，则易拉断带钢，即“断带”。张力与压力要做到精准匹配，就好比手艺精湛的大厨才能擀出薄如蝉翼的饺子皮。
刚刚轧制出的不锈钢箔处于硬化状态，需要经过退火软化才能提供给下游用户使用，且热处理（包括加热和冷却）过程还有调整钢材内部组织结构的作用。因钢种不同，加热温度在900~1150℃。另外，加工过程中积累的应力使得不锈钢箔变得皱巴巴的，而退火能够消除应力，从而把带钢拉平。
不锈钢退火使用的是光亮退火炉，由氢气和氮气气氛提供保护，防止不锈钢在高温退火过程中发生氧化，并除去钢材表面的氧化物，使钢材光亮如镜。（对比上下两图，上图退火之前钢材表面布满深色氧化斑点，下图为退火后）
连绵不断的带钢进入太钢的光亮退火炉，在其中穿行数百米，经历加热、冷却等诸多温度段，才能得到成品。在退火之前，还要先经过碱液洗涤，去除带钢表面的油脂（轧制过程中加入的起润滑和冷却作用的轧制油）。
长期以来，世界上只有德国和日本等少数国家能够生产厚度在0.02毫米的超薄不锈钢箔，我国只能高价进口这种战略材料，每年进口金额超百亿元。
从2016年开始，太钢投入两年时间，终于轧制出我国最薄的0.02毫米不锈钢箔，而宽度可达600毫米，成为世界上唯一能够生产宽幅超薄不锈钢精密带钢的企业（德日企业只能轧制幅宽在350-400毫米的不锈钢箔），还取得了出口德国的业绩。
2020年8月16日，全世界最薄的0.015毫米宽幅不锈钢箔在太钢成功下线。尽管日本东洋精箔能够轧制出0.01毫米的世界最薄不锈钢箔，但只能做出窄幅宽的产品。在追求更薄更宽的道路上，太钢不会止步。在追求更高更强的道路上，中国钢铁行业不会止步。
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参考资料：
中央电视台. 《钢铁脊梁》第5集钢魂铁志.（34:08开始）
中央电视台. 《壮丽70年奋斗新时代——共和国发展成就巡礼》世界最薄柔性屏钢，太钢造！http://tv.cctv.com/2019/07/23/VIDEqRg2TSAqnGGZDhlL50R9190723.shtml
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刘东杰,冉小兵,戴长年,周万云,于晓雷. 改进型反应堆压力容器金属保温层设计方案.核工业勘察设计（2014年第4期）.2014:58-63.
程挺宇,郑锋,薛为林.精密不锈钢带冷轧生产工艺.金属材料与冶金工程,2009,37(01):25-27.
张志仁,王中伦. 超薄不锈钢专用KT轧机. 太钢译文,2010, (4):40-47.
秦海峰. 0.01毫米的一小步，产业发展的一大步. 中国质量报,2019-07-29(001).
