中國冶金報 中國鋼鐵新聞網
記者 樊三彩
碳達峰、碳中和是一次深刻的產業革命，更是一次極具挑戰的科技革命，將給我國經濟社會系統帶來影響深遠的社會變革。作為中國制造業中碳排放量最高的行業，鋼鐵行業2021年二氧化碳排放量為18.6億噸，占全國的16%，鋼鐵行業碳中和面臨著巨大壓力。
在7月13日召開的第十五屆中國金屬循環應用國際研討會暨中國廢鋼鐵應用協會七屆三次會員大會上，中國工程院院士毛新平在做題為《再生鋼鐵原料的高質化利用》的報告時指出：“在‘雙碳’背景下，再生鋼鐵原料將成為我國鋼鐵工業生產的主要原料，采用再生鋼鐵原料組織生產是實現鋼鐵工業碳中和的重要路徑。因此，其高質化利用勢在必行。”
未來已來，碳中和迫在眉睫
鋼鐵是重要的基礎結構材料，鋼鐵工業的快速發展有力支撐了國民經濟、社會發展和國防建設。毛新平表示：“過去30年，鋼鐵行業的平均利潤率不到6%，遠低于其他原材料行業，為經濟社會發展做出了巨大貢獻。”
毛新平認為，我們必須認識到鋼鐵行業在“雙碳”背景下面臨的巨大壓力。這些壓力來源于：一是鋼鐵產能總量大。經濟社會發展需求推動鋼鐵產能不斷創新高，2020年我國粗鋼產量為10.65億噸，占全球的56.8%。二是高爐—轉爐長流程占主導，電爐鋼占比偏低。2018年，我國電爐鋼比約為11.6%，世界平均約為29%（不含中國為47%）。三是以煤炭為主的能源結構。2020年煤炭在我國一次能源中的占比高達58%，其中鋼鐵工業能源結構中煤炭的占比達到83%。四是行業集中度不高。2022年，我國鋼產量排名前10位的企業（CR10）合計產量為4.34億噸，占全國鋼產量的42.8%，比2021年提升1.36個百分點。
與此同時，市場層面也對生態鋼鐵材料提出了迫切需求。在國內，2022年8月份，寶馬集團與河鋼集團簽署了《打造綠色低碳鋼鐵供應鏈合作備忘錄》，從2023年中期開始，河鋼需將汽車用鋼生產過程的二氧化碳排放降低10%～30%；2026年起，基于綠電和電爐等工藝，汽車用鋼生產過程中的二氧化碳排放將逐步降低95%。2022年11月份，北京奔馳與寶鋼簽署《關于構建綠色鋼鐵供應鏈的合作備忘錄》，寶鋼將在2023年逐步提供碳排放強度大幅降低的汽車用鋼；從2026年起，借助氫基豎爐—電爐的技術路徑，寶鋼提供汽車用鋼的碳排放強度將逐步降低50%～80%，隨后還將進一步提供減碳95%的綠鋼。在國外，2023年2月份，歐洲議會通過了歐盟碳邊境調節機制（CBAM），歐盟將從2026年開始，針對鋼鐵等5個領域的產品征收碳關稅。
“這幾個事件說明，鋼鐵工業實現碳中和已迫在眉睫。鋼鐵行業實現碳中和，要將18.6億噸二氧化碳消納掉，是一件非常復雜的事情，需要鋼鐵行業諸多領域全面的技術創新才能實現，是一項艱巨的任務?！泵缕饺绱苏J為。同時，他強調，實現碳中和對鋼鐵行業意義重大，碳中和目標實現的過程是鋼鐵工業技術創新能力全面提升的過程，是綜合競爭力顯著提高的過程，更是實現從鋼鐵大國向鋼鐵強國邁進的過程。
解決業界“頭疼”的殘余元素問題
實現再生鋼鐵原料高質化利用
汽車鋼這類高端產品過去須用長流程工藝生產，而面對大幅降低全生命周期碳排放量的需求，長流程卻無法實現。在原料結構調整、能源結構優化、流程簡約高效3條減碳路徑中，相對容易調整的還是原料結構。
“為此，使用低碳屬性優異的再生鋼鐵原料生產低碳的高端產品，就成為迫在眉睫的技術選擇。實現再生鋼鐵原料的高質化利用，殘余元素的問題必須解決。”毛新平表示。
殘余元素主要來源于兩方面。一類是在初次冶煉過程中就沒有完全剔除掉的、與生俱來的一些元素；另一類是在后續加工過程中，為了調整組織性能加入的元素，這些元素在二次或者多次使用過程中就成為殘余元素。目前，這些殘余元素大約有Cu、Ni、Cr、Mo等19種，容易導致偏析偏聚、熱塑性低、銅脆等問題，惡化材料性能及其加工性。
毛新平表示：“過去再生鋼鐵原料主要用于生產建筑用鋼等一般性產品，往往通過原料配比、稀釋的方式調整殘余元素，但在未來，再生鋼鐵原料成為鋼鐵生產的主要原材料之后，這條路徑將不再可行。”
他坦言，再生鋼鐵原料的高質化利用是一項世界級難題。2020年，德國科學基金會與中國教育部啟動“鋼鐵循環—面向碳中和的鋼鐵循環”合作項目，開展再生鋼鐵原料高質化利用的基礎和應用基礎研究；2021年，英國基金會設置研究機構，開展鋼鐵資源高效循環利用研究，目的是為英國鋼鐵資源高質化利用和鋼鐵工業碳中和提供最前沿的科學支撐。
毛新平分享了自己對于解決這項世界級難題路徑的思考。他認為，在原料層面，要強化原料的分類管理，盡可能提高廢鋼智能分選的技術含量。“從基于外形、尺寸等的評級和分析發展到從化學成分的角度進行分類分級，這必然是未來的發展趨勢。”他指出。
在冶煉層面，要盡可能剔除相應的殘余元素（包括銅，表面的鋅、錫、鉛等），實現潔凈化冶煉?！疤貏e是大量使用廢鋼、采用電爐工藝時，會產生氮含量高的問題，這對生產汽車鋼等材料會產生致命性問題。如何解決這一問題，也是全球的技術難題。”毛新平指出。
同時，在連鑄層面，建立殘余元素熱力學數據庫，明確殘余元素的作用機制，形成殘余元素無害化連鑄集成技術；在制備加工層面，揭示殘余元素對制備加工過程產品質量的影響機制，通過成分設計和工藝優化形成無害化加工技術。
在產品端，還需要研究殘余元素賦存狀態對材料服役性能的影響規律和作用機制，比如對成型性能、疲勞性能、氫致延遲開裂和焊接性能等的影響，進而研發出改善材料服役性能的殘余元素調控技術。
“解決了這些問題，就基本能夠生產出符合質量標準的合格產品?！泵缕奖硎荆斑€可以通過采用新的工藝技術，實現殘余元素從有害到無害的轉變，生產出高性能的鋼鐵材料?！崩?，利用近終形制造快速凝固和直接軋制的技術特點，可以解決殘余元素的偏析、偏聚問題，提高容忍極限；充分發揮近終形特點和部分殘余元素對材料強度、耐蝕性能的有益作用，研發出高性能的鋼鐵材料。
毛新平表示，基于行業發展需求，他們承接了國家自然科學基金委員會重大項目——“變革性低碳鋼鐵制造流程理論與技術”，開展一些基礎研究工作，其中便設立了殘余元素潔凈脫除、殘余元素耦合作用機理等相關課題?！爸挥邪严嚓P的基礎科學問題和關鍵技術問題解決好，未來廢鋼的使用領域才會更廣闊，廢鋼產業才能發展好。”毛新平強調。
