近年來(lái)，隨著各種新材料的問(wèn)世，如：塑料、鋁合金、陶瓷、納米材料等，哪種材料未來(lái)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(guó)粗鋼產(chǎn)量突破1億t，成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)以來(lái)，中國(guó)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能是否過(guò)剩，是否即將下滑，也一直是鋼鐵行業(yè)熱議的話題之一。時(shí)至今日，鋼鐵材料依然是最主要的工業(yè)基礎(chǔ)材料，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)接近10億t，針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的討論依然在繼續(xù)。
1. 鋼鐵材料未來(lái)發(fā)展分析
各類(lèi)新型材料的發(fā)現(xiàn)為各個(gè)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(chǔ)備、生物醫(yī)學(xué)等，正是因?yàn)樾滦筒牧系膽?yīng)用，從而推動(dòng)了這些領(lǐng)域有了重大發(fā)展和進(jìn)步。但是，要想成為工業(yè)社會(huì)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(huì)基礎(chǔ)材料必須具備的三個(gè)條件：（1）原材料易開(kāi)采，且廣泛存在；（2）主元素或主成分可以回收再生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)；（3）潛在性能要足夠?qū)?，例如既可以做成高?qiáng)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(jì)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(wú)法循環(huán)再利用，勢(shì)必會(huì)形成資源恐慌和枯竭，進(jìn)而不滿足第一條；第三條是為了使基礎(chǔ)材料可以在各個(gè)行業(yè)各種場(chǎng)景下都會(huì)被使用，不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)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(lèi)型材料的對(duì)比篩選
如果把目前所有已經(jīng)被開(kāi)發(fā)的或正在被研究的新型材料按照材料性能原理進(jìn)行分類(lèi)，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(guò)摻雜其他元素或化合物，實(shí)現(xiàn)不同的材料性能，金屬類(lèi)、陶瓷類(lèi)等都屬于這一類(lèi)；結(jié)構(gòu)型材料是由于某種特定結(jié)構(gòu)而使材料達(dá)到某種特定的性能，石墨烯[2]、納米材料[3]等都屬于這一類(lèi)，其本身的元素構(gòu)成并不特殊，但可以通過(guò)特殊的微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特殊的性能。
對(duì)照工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的必要條件，基本上可以認(rèn)定，結(jié)構(gòu)型材料是很好的功能材料，在特定場(chǎng)景下會(huì)發(fā)揮很好的作用，卻無(wú)法成為廣泛使用的工業(yè)社會(huì)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(qiáng)大和特異性，使其成為這個(gè)應(yīng)用方向上的“霸主”，但代價(jià)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(lèi)，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(guò)與通常認(rèn)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(guò)這個(gè)分類(lèi)，對(duì)照基礎(chǔ)材料的要求，基本上可以認(rèn)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(diǎn)，決定了其難以實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用?；衔镒鳛榛囊笃浔仨毦哂袠O高的穩(wěn)定性，因而極大地增加了回收利用的難度。
通過(guò)對(duì)工業(yè)社會(huì)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(huì)基礎(chǔ)材料的條件。那么，在這一類(lèi)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(jìn)行篩選，查閱地球上各元素的含量[4]。若依質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)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(gè)地球進(jìn)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(guò)石油化工或煤化工生產(chǎn)的碳化工材料難以作為被整個(gè)工業(yè)社會(huì)廣泛使用的基礎(chǔ)材料。
然后，通過(guò)元素周期表，對(duì)這10種元素進(jìn)行第二步篩選，可以將其分成三類(lèi)。
第一類(lèi)是硅、鋁、鈣、鈉、鉀、鎂。這6種元素具有較強(qiáng)還原性，以至于生產(chǎn)過(guò)程以電解法為主，或者需要以更強(qiáng)的還原劑置換還原。這一類(lèi)元素只能進(jìn)行還原操作的提煉工藝，決定了此類(lèi)單質(zhì)基材型材料一旦摻入其他元素則在重復(fù)利用的過(guò)程中幾乎無(wú)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(jìn)而完全代替鋼鐵材料的原因。
第二類(lèi)是氧、硫。這兩種元素本身無(wú)法制作成基材材料，在常溫常壓下，一個(gè)是氣態(tài)，一個(gè)是固態(tài)粉末狀或塊狀，可以直接排除。
第三類(lèi)是鐵、鎳。從基礎(chǔ)材料的必要條件來(lái)看，鎳是惟一有可能代替鋼鐵材料的金屬材料，三個(gè)條件都滿足，只可惜儲(chǔ)量有限。從儲(chǔ)量數(shù)據(jù)可以看出，地球上大量的鎳主要儲(chǔ)存在地球深層，地表礦非常稀缺，真正可采儲(chǔ)量?jī)H占總儲(chǔ)量的10%。由此看來(lái)，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(huì)基礎(chǔ)材料要求的第一條。
1.3 鋼鐵材料的未來(lái)
通過(guò)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(huì)需求的前提下，不管是哪種研發(fā)思路開(kāi)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(huì)基礎(chǔ)材料。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，鋼鐵材料作為最主要的工業(yè)社會(huì)基礎(chǔ)材料的地位依然無(wú)法撼動(dòng)，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(bǔ)充。
2. 鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展分析
既然鋼鐵材料無(wú)法被替代，那么鋼鐵工業(yè)就是社會(huì)發(fā)展的必然需要。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，鋼鐵工業(yè)合理的產(chǎn)業(yè)規(guī)模應(yīng)該是多少呢？這是一個(gè)典型的社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域問(wèn)題，需要通過(guò)對(duì)比的方法進(jìn)行分析。
2.1 發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵工業(yè)發(fā)展規(guī)律
中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，正在進(jìn)行工業(yè)化進(jìn)程，要想判斷中國(guó)鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展的走勢(shì)，對(duì)比分析已經(jīng)完成工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)達(dá)國(guó)家十分必要。
世界上主要的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)家或地區(qū)主要有美國(guó)、歐洲、日本、俄羅斯、印度和中國(guó)。判斷和分析鋼鐵工業(yè)規(guī)模的最重要指標(biāo)是粗鋼產(chǎn)量。對(duì)上述幾個(gè)國(guó)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(guó)、德國(guó)和法國(guó)三個(gè)核心國(guó)家鋼產(chǎn)量之和，與真實(shí)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(guó)家的粗鋼產(chǎn)量數(shù)據(jù)。
