“掰弯”这件事,这群钢铁直男有话说

2010年10月4日,下午一点半,匈牙利阿杰卡小城的人们刚刚吃完午饭,地面突然咆哮着涌来近百万立方米的红色泥石流,很多人猝不及防被卷入其中,浓烈的气味直刺鼻腔。

这场事故造成一百多人化学灼伤、八人重伤死亡,泥石流所到之处,树林、河流生态全面崩溃,800公顷土地被污染,至今还不能耕种。

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这场灾难的罪魁祸首就是“电解铝”的副产品——“赤泥”

自1886年电解铝被发明以来,铝在我们的生活中大面积地取代了其它金属制品,从门窗到厨具,从易拉罐到手机外壳,从航天航空到舰船汽车再到建筑材料,美观轻便又坚固还容易加工的铝合金无处不在。

然而,鲜为人知的是,每生产1吨电解铝,就会产生1.5~3.5吨赤泥

这种物质含有氢氧化钠、氟化物,浸出液PH值在12.1到13,极具腐蚀性。由于混了氧化铁等多种金属化合物,而呈现红色。

因为成分太复杂,导致赤泥回收难度极大,即便不计成本强行提炼金属,也只会带来更多污染。放任不管,则会严重污染土壤、地下水和河流,导致生物绝迹、农作物减产,严重时发生溃坝,就会酿成匈牙利阿杰卡小城那样的“赤泥”惨案。

长期以来,铝制品的优点和赤泥的污染,就成了一对难以调和的矛盾

今天我想聊的是,有一群中国的理工男,正在尝试用一种看起来“怪异”的方式来解决这一矛盾——用钢铁去取代铝

电解铝,顾名思义是个极其耗电的产业。因此,欧洲电解铝产业在这一轮俄乌战争所引发的能源危机当中,首当其冲。

欧洲最大的电解铝公司,法国敦刻尔克铝业公司,在今年年初和九月底分别进行了15%和22%的减产,原本28.5万吨的产能被砍到只剩18万吨。而另一家欧洲铝业巨头,德国斯佩拉,则直接宣布减产50%。

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欧洲地区总建成电解铝产能大约1035万吨,占全球的13%,近一年来铝厂产能已经缩减了将近一半,产量降至20世纪70年代以来的最低水平

这背后最主要的原因当然就是电价高企。

据中辉期货统计,欧洲的工业电价已经高到离天下之大谱的程度,法国和德国的电解铝电力成本分别为48104元/吨和47061元/吨,光这一项成本就已经是伦敦金属交易所铝价的将近三倍,上海期货交易所铝价的2.5倍。

国内外电解铝成本差距如此悬殊,这当然对于中国的铝产业增产出口是个重大的利好。

目前,中国铝产能占全球一半,拥有出口创汇的实力。然而,即便可以出口创汇,电解铝产业的高能耗高污染本身就是难以承受之重

2020年全年,我国总用电量7.51万亿度。其中,近七成是工业用电,能耗最高的电解铝一家就占了全国用电的近7%。整个铝材产业的碳排放量则占了全国总碳排放的10%!伴随的年增赤泥超过4000万吨,总存量已达十亿多吨,回收率却不足百分之一。

露天存放,代价是毁掉了十几万亩土地。

电解铝,就是我们拿环境换发展最明显的案例,起码是之一。

而且,在“双碳”已经被定为国策的今天,铝型材的广泛应用,让很多致力于碳中和的产业并没有大家想象中那么低碳

比如中国强势逆袭的光伏产业,光伏面板用硅做,原料是沙子,污染极低。但考虑到运输与加工成本,边框组件却只能用高碳排高污染的铝合金。2021年光伏行业就消耗了200万吨铝,而且还在以每年30~40%的速度增长。

还有如火如荼的电动汽车,车身、车轮等闪亮的铝合金,导致每辆电动车大概消耗250公斤铝。预计2030年,电动汽车年消耗铝将达到1000万吨

所以,铝看似轻便容易加工价格还不贵,实际上是我们签下了一张“赤泥”围城、碳排放失调的天价欠条。

把产品给别人,把污染留自己,铝行业污染长期积累下来,会成为一个非常复杂又不得不面对的问题。

有没有可能从根本上解决这个问题?

直观感觉会非常难,因为铝合金在生活中的存在就如同空气一样,自然到你甚至无法注意到它,它现在的生态位显然是市场长期竞争的结果,如果真有能替代它的东西应该早就替代了。

这就要说到我们今天要讲的故事了,国内真的有一群人在尝试用钢铁去替代铝。

理论上说,可行。

成本角度来看,据上海期货交易所10月27日的数据,钢卷的价格是3641元/吨,铝是18550元/吨,差了5倍多

从环境代价来看,生产一吨钢铁,碳排放只有一吨氧化铝的20分之一,难以处理的有害废物极少,铝钢行业整体碳排放之差高达二三十倍

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而且钢铁强度高,安全性更好,虽然它更重一些,但是满足同样结构强度的前提下它能做得更薄,更省材料,这意味着成本更低、碳排放更少。

那铝又是凭借什么席卷全球的呢?其实核心就是一个点,相对于钢铁,铝更便于加工。

铝的熔点更低,六百多度,用柴火都可以融成铝水,搭个灶就可以熔化易拉罐浇铸铝盆铝锅;铝也更加柔软,铝窗铝框,用简单的工具甚至是用手都可以调整它的角度。

并且,铝还有一种非常高效的精密成型技术,叫做热熔挤,就好像压面条一样,把铝棒加热之后,从机器的一头往里挤,另外一头就会从模具中得到各种毫米级别复杂精细的材料,特别适合用来做占铝合金用量百分之六十多的建筑型材

而钢铁的熔点在1500度以上,融化后流动性也很差,用类似的方法会便秘挤不出来。

这就是为什么在我们的生活当中看到的钢铁制品,要么是粗壮笨重的钢管、钢筋、铸铁,要么是廉价感满满的不锈钢铁皮,而那些既需要结构强度又需要美观精细的金属部件往往都是铝合金。

要让钢铁取代铝,至少部分地取代铝,关键就是要找到钢铁低成本精密成型的技术。

故事回到2010年,湖南几个理工男一起去参观一场国际幕墙门窗展。当时,他们惊讶地发现欧洲从中国进口的廉价钢卷,居然可以加工成精密复杂的各种幕墙型材,并且居然可以卖到20万元一吨

同时期,国内一般钢材能卖到五六千一吨就很不错了,他们的公司金为,也是做钢材的,当时金为主打的产品锌钢护栏,能卖八九千块钱一吨,已经让他们很骄傲了。

这一对比,手头的饭突然间就不香了。

尤其是听欧洲公司的负责人说,精密钢型材产品性能是铝型材的4~5倍,碳排放才二十分之一,他们彻底不淡定。

“碳排放”已经框定了未来几十年产业竞争底层逻辑,高污染高能耗的铝型材最终要兑现巨额碳排放交易成本,这一点普通人可能不太敏感,但是在行业内属于常识。如果能掌握精密钢型材的制造技术,这是一个短期能赚翻,长远有发展,甚至往大了说是利国利民的事业!

虽然是做栏杆的,金为对技术的尊重,是发自肺腑的。因为,技术先进一点点,都能多赚亿点点。

早些年,他们为了完成客户订单而设计的各种造型结构的栏杆,本以为申请专利只是“面子”好看,没想到竟然有人为此给他们付专利费,这让他们深刻认识到从纯制造往技术研发方面转型的“好处”

于是金为这几个理工男就押上当时全部的研发资源:老板的表弟,一位来自985高校的化学专业本科生;一间养猪场改造而来的工厂车间;另外,一咬牙拿出做栏杆好几年的利润三百多万去买了设备

就这样,他们开启了国内首款精密钢型材研发之路。

然后不出意外地,就出现了意外。

当时金为的“工程师”并不懂这个东西要怎么做,只知道欧洲人用的是一种叫做冷弯的技术,专业术语叫做连续辊压成型,直接把钢卷连续掰成需要的复杂形状。

他们也尝试这么去做,但事实证明钢材真不是那么容易掰的,不是说你控制力度把它掰成某个角度就完事儿,精密型材意味着你要在几十厘米的材料上掰出七八个甚至十多个角,角度加起来三四千度。

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这个过程中你得考虑弯折地方的角度的精确度,掰多了会不会断,掰完了之后会不会回弹等问题。并且,所有这些问题会在掰这十几个角的过程中叠加在一起,需要一次性搞定没有回头补救的机会。

没有欧洲人精密的模具、设备,几十上百年积累的数据,刚开始做出来的东西,用一句话形容:很难形容它到底是个啥。

正是因为相关技术专利对中国的封锁已经实施半个世纪,连国内院士级别的材料大拿都对此一筹莫展,欧洲人才好意思叫卖十几二十万一吨。

不得不说,当时,金为的几个创始人过于理想主义了。这个技术能力实际上在欧洲也只有的德国和瑞士分别有一家公司掌握,美国人眼馋已久,早把它列在国家科学基金攻关项目上已经很多年了,国内有些大型国企也搞了十多年也搞不出来……

当初他们根本就不知道这些,所以才一头扎了下去,据老板本人说如果早知道,根本就不敢干这件事。

但是,养猪场已经改造了,几百万已经砸进去了,要是放弃,几年的栏杆就白卖了。这时候湖南人那股霸蛮劲儿就上来了,送完一血难道就不能越塔了吗?

于是,他们做了一个很头铁的选择,继续搞!

问题是这个领域本来就冷门,欧洲人的技术封锁本身也非常细,连相关的论文、技术资料都找不到,找了国内几家大学,教授自己也没听说过,没有办法,只能从0开始摸索。

在此过程中发生了很多很不专业、甚至搞笑的故事

比方说当时他们为了研究一种能精密控制钢材弯折过程的算法,配备了手头最强力的设备:一台X星人游戏本。这个笔记本毕竟配置太低了一点,大概跑十五分钟工程软件就要死机。

他们的技术总监也就是老板的表弟就真的很拼,给自己定了个闹钟每次只睡十五分钟,到点起来检查死机了没有,导致被他老婆说成是15分钟先生。

再就是有次金为的老板在厂房检查产品,钢材堆在那儿居然发生了“爆炸”。这也能爆炸?

其实就是他们不懂原理,掰出来的材料有个回弹应力,一大堆材料堆那儿,大概是某条钢材回弹了一下造成连锁反应,一时间整个厂房都在那里弹,跟地震一样,导致上面的钢材掉下来直接把老板右手的食指和无名指最后一个关节给砸掉了。

老板捡起来送到医院救治,当时医生建议算了吧,都砸扁啦。在危机时刻,金为老板依旧保持了清醒的头脑,“你说这个没用,我说有用”,最后还真给他接回去了。

就是在这样看似荒唐的背景下,一摸索就是九年。

然后自然就进入到了常规剧情,资金链濒临断裂,创始人卖房子,卖完房子家庭关系破裂……

下一步按一般剧情应该是破产跑路,但就在2018年的一天,厂房传来喜讯:成功了,而且实现的方式还跟欧洲不一样

金为把这种独有的钢铁精密加工技术称为冷流变,它的特点是可以以冷加工的方式实现原本只能靠热加工得到的晶体流动效果,而且是精准控制金属晶体。就像是擀面条,想让哪里厚哪里就厚,想让哪里薄哪里就薄,在常温状况下,高效率低成本的实现钢铁晶体的精密可控流动。

这种冷流变具体的实现方式,涉及到关键技术机密不太好展示,但我可以给大家看一下成品钢型材。

左边这个是一家欧洲公司的内扩凹槽料头,大家注意看这里转角的地方,是不是有一块明显凹进去的地方,原因也很好理解,因为转角需要根号二倍的厚度,但是这块型材是用一片厚度均匀的钢卷折出来的,转角这边自然就凹进去了,而这样的缺陷势必会削弱整体的结构强度。

我们再来看右侧金为的产品,同样是内扩凹槽的料头,转角的地方,很平顺。这就是冷流变,可以精准控制金属晶体的流动,想厚就厚想薄就薄。

而且,传统折弯技术把一块材料弯过来,那外面这一侧就会被拉伸。即便肉眼看不出来,它里面的材料经过拉伸之后势必变得稀疏,强度降低。所以在传统钢铁冷弯工艺中有一个“折弯系数”的概念,就是需要平衡折弯角度和材料拉伸,不能拉过头了。

金为的料头角的外侧,非常的干净利落,跟刀锋一样。也就是用冷流变技术实际上可以做出任意尺寸的外圆角,不需要考虑折弯系数。

再来看下面这款T型料头的内部,内部很多的弯弯绕绕,之所以这样绕一是为了形成一个支撑结构,二是为了这里要连接别的部件,具有功能属性。

要做出这个结构就意味着,要在极窄距离下把一块钢板连续掰来掰去,掰的过程要非常精准这就不必说,关键是用传统折弯技术这样掰来掰去,金属疲劳、晶体破裂,就会容易断。

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而冷流变可以对钢板实现180°弯折,而且晶体流动使折角处单板从3mm加厚到5mm,外角还能保持90度。任意折角放大500倍观察,不但没有任何晶体破损,晶体反而聚集更多。

这让冷流变在折角上可以有恃无恐,一次成型的总角度可以达到8000-9000度,不超过30道工序,而欧洲一次成型角度最多在4000-5000度,并需要60-80道工序。

在更强的折角结构支撑下,金为的T型料头仅靠空腔就可以支持高达9米的玻璃,如果是实心,14m高都没问题,而且视觉效果非常纤细。

边框更细,意味着玻璃的占比提升了,站在窗前,有全面屏手机的既视感

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更神奇的是,钢材经过冷流变加工后,材料回弹的应力也消除了大部分,媲美热加工之后自然放置几个月释放应力才有的效果,而欧洲的精密冷弯技术只能做到消除一小部分。

这一突破常识的现象,吸引了核物理材料专家欧阳晓平院士的注意,他认为这个技术很有用,就担任了金为与高校联合成立的“钢铁冷流变技术”研发中心的首席技术顾问。

一旦精密加工技术被解决之后,钢铁的优势就体现出来了。

钢铁的熔点是铝合金三倍,钢度(弹性模量)也是三倍,强度是3-5倍,导热系数仅为1/3,同等重量上性能上碾压铝合金,说人话就是更不容易失火、更牢固、更安全。

而比起只能处理1-3毫米的较软钢材的欧洲技术,冷流变可以对普通钢、高强钢、特种钢、不锈钢等几乎所有钢材实现0.3-5毫米厚度下的精密复杂成型,几乎覆盖了铝合金型材的绝大多数应用场景。

钢铁本身密度比铝大,但是它可以做得更薄,于是在很多场景进行钢替代铝时,可以把相对铝合金的重量增加控制在5%以内

使用同样轻便的钢型材,玻璃幕墙、钢龙骨不但防火碾压铝合金,还能支撑起最高9米的玻璃外墙,使得大型建筑整体产生浑然天成的通透效果,颜值翻番,更安全更便宜。

所以问世不到三年,金为已经参与了一大批幕墙与防火领域的国家和地方重点工程,比如:北京大兴国际机场、雄安高铁、冬奥场馆、温州奥体中心、杭州亚运村、南京园博园等等。

建材之外,冷流变技术还可以制造光伏防腐钢框架,不比铝合金重多少,成本却低30%,并且,日夜温差下的热胀冷缩影响小一倍,让地处沙漠戈壁的光伏阵列更加坚固耐用,碳排放更只有二十分之一,对铝合金形成了降维打击。

2022年6月,中国太空在轨构建专家韩静涛教授找到了金为讨论合作,因为中国有一个在轨建造千米级别的太空站的构想,制造这么大的空间站很多材料是要在上面就地加工的,而且必然是高强度的精密特殊金属材料,能够在常温和低温下处理金属复杂造型的冷流变技术就成为了太空基建时代的重要的选项

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也就是说,从一个养猪场开始,金为实现了钢型材的低成本精密成型,完美平衡了钢铁“精密造型、力学性能与成本造价”的不可能三角,填补了国内空白,把欧洲精密钢材压到几万元一吨,打开了通往“钢代铝”的大门。

多年后,金为再带着自己的冷流变材料去参加了那个当年让他们虎躯一震的国际幕墙展,欧洲厂商的负责人在金为展台前默默看了半天,从此退出了展会,之后再也没有来参展。

封锁中国半个世纪的技术神话终于破产了。

最初听到这个故事,我是不大在意的,因为他们的一个负责人是我的朋友,他跟我反复说了很多次这个事情,我都没往心里去。毕竟,创业的人吹牛是常态,肯定不能你说什么我就信什么。

现在做这种高科技攻关项目的团队哪个不是清华北大,哪个不是海龟博士,哪个不是大厂研究所,哪个不是政府几千万上亿的支持,你一个本科生带个草台班子这也行吗?

我不当众戳穿你已经是给你面子了,你还在那儿反复横跳,你当我是智障吗。最后,碍于情面,我自己跑到了长沙湘阴工厂。

直到最后眼见为实,惨遭打脸,也让我有了一些和以往不同的思考。

我们知道,数量众多、覆盖供应链上下游的所谓隐形冠军是发达国家制造业的基石,是终端产品性能优势背后的基础,也是他们能享受高利润、高福利而我们只能卷成本的根本原因所在,但到底什么是隐形冠军呢?

我们之前讲到隐形冠军往往就会想到百年老厂,祖孙三代投入在一个专精的领域,生产一个螺丝、螺帽、圆珠笔芯之类的东西,背后是德国人的精益求精,日本人的工匠精神。

那两家德国、瑞士的钢铁加工企业一个有80年历史,一个创立于清朝年间,看一眼他们的宣传册给人的感觉就是如假包换的隐形冠军。

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这些我觉得都是非常牛的国家产业形象宣传,我们也得有这样的东西。

但如果按照他们宣传的那种思路去理解这个世界,那我们岂不是还要积累好几十年、上百年,才有可能成为真正的制造业强国?

而从金为这个案例来看,我想我们是否应该返璞归真地去理解它,隐形冠军就是字面意思,在某个公众认知度不高的领域做到了世界第一,在这个过程当中,这群人解决了前人没法解决甚至没有发现的问题,成为了独一无二的那个团队。

比如说,玻璃这个东西,他能不能再加入铅之后像水晶一样透亮呢?这就是施华洛世奇。

又比如说,内燃机这个东西,它能不能做小之后之后用在载具上?那就是戴姆勒。

再比如说,钢材这个东西,它能不能弯了之后不变脆不回弹?这就是金为。

之前中国的隐形冠军没有那么多,是因为工匠精神不足?是因为我们的产业没有百年的历史积淀?其实不是。

说白了,我们之前主要在补西方工业革命的课,我们遇到的问题别人都遇到过,能做技术转移的就直接转移了,就算是别人封锁我们的,我们自主研发,也就是跟在人屁股后面完成别人已经完成过的事儿,那怎么可能成为第一呢?

所以之前我们能做大的企业,一般都是靠规模,那一代的企业家需要懂人性,懂市场,懂政策,做好技术产品快速复制推广的工作。

而现在时代变了,我们产业赶上来了,技术能转移的都转移得差不多了,没有人在前面蹚路了,我们再往上走突然阻力就变大了。

于是有些人就陷入迷茫了,感觉之前没有人做到过的事情我们怎么可能做到呢,不如去炒个房?

但当一些铁头娃阴差阳错机缘巧合地真的投入进去,一点一滴年复一年的努力,然后蓦然间发现,很多事情它并没有那么难。

中国真的是当今世界工业基础最好的国家,原材料、基建、理工科的人才,啥都不缺,并且我们在美国的竞争对手基本上都自己嗝儿屁了,而欧洲日本的竞争对手正如它们自己宣传的那样,很有工匠精神,换个角度来说就是它们真的老了。

就拿金为做的这件事来说吧,为什么欧洲人看起来遥遥领先,但实际上啥也不是?

我理解其实就是它们的全套技术的成型是在四十年前,当时还没有现在的计算机算力,还没有现在的有限元分析模型,它们的模具再精密,产线再复杂,说一千道一万,仅仅是第二次工业革命的产物,没有充分用上第三次工业革命的成果。而且它们的创始团队早就不知道去哪里了,现在的团队已经是尸位素餐的职业经理人团队,完全没有研发能力。

那对于真正能从物理学的底层,也就是马斯克所说的第一性原理,去思考工程问题的人来说,这就是机会啊。

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一方面随着这一代正儿八经读过大学的企业家和工程师的崛起,我估计未来十到二十年,中国将会以排山倒海之势对于欧美日本的隐形冠军进行颠覆,在这个过程中会涌现出成千上万我们自己的隐形冠军。

另一方面当这些隐形冠军改变了供应链的底层逻辑之后,很多东西,大到造房子造飞机,小到做衣服做饮料,都值得被重新思考,值得重新做一遍,就比如我前两天在711买了一瓶饮料,它里面居然有一颗完整的人参,也就是人参被工业化量产之后居然可以做到这么便宜。

我们得明白很多东西现在只能做成那样不是受到了物理的限制而是受到了人的限制,既然我们接管了相关产业就是要把它推到新的高度。

最近经济非常差,相信大家都很难受,我也一样,而且显然最差的时候还没到。这时候就更需要我们穿越周期去看到一些确定的东西,中国是不会像日本那样失去三十年的。因为肉眼可见,中国的科技在高速发展,各行各业都在升级,全球竞争力在快速提升乃至碾压,像什么房地产周期,国际经济危机,国际关系再平衡,疫情,这些都是短期的因素。

真正重要的是,我们每个中国的企业高校科研机构能不能力求在自己这块事业上超越过去欧美的同行,做到世界第一。

我一直非常敬重能在哪怕是很小的事儿上做到第一的人,因为这些小小的第一累积起来的效果就是,中国经济一定会继续崛起,这也是中国下阶段发展的原动力。

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