中國(guó)冶金報(bào) 中國(guó)鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 樊三彩
碳達(dá)峰、碳中和是一次深刻的產(chǎn)業(yè)革命，更是一次極具挑戰(zhàn)的科技革命，將給我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)帶來(lái)影響深遠(yuǎn)的社會(huì)變革。作為中國(guó)制造業(yè)中碳排放量最高的行業(yè)，鋼鐵行業(yè)2021年二氧化碳排放量為18.6億噸，占全國(guó)的16%，鋼鐵行業(yè)碳中和面臨著巨大壓力。
在7月13日召開(kāi)的第十五屆中國(guó)金屬循環(huán)應(yīng)用國(guó)際研討會(huì)暨中國(guó)廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)會(huì)七屆三次會(huì)員大會(huì)上，中國(guó)工程院院士毛新平在做題為《再生鋼鐵原料的高質(zhì)化利用》的報(bào)告時(shí)指出：“在‘雙碳’背景下，再生鋼鐵原料將成為我國(guó)鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的主要原料，采用再生鋼鐵原料組織生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)碳中和的重要路徑。因此，其高質(zhì)化利用勢(shì)在必行。”
未來(lái)已來(lái)，碳中和迫在眉睫
鋼鐵是重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料，鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展有力支撐了國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)。毛新平表示：“過(guò)去30年，鋼鐵行業(yè)的平均利潤(rùn)率不到6%，遠(yuǎn)低于其他原材料行業(yè)，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。”
毛新平認(rèn)為，我們必須認(rèn)識(shí)到鋼鐵行業(yè)在“雙碳”背景下面臨的巨大壓力。這些壓力來(lái)源于：一是鋼鐵產(chǎn)能總量大。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求推動(dòng)鋼鐵產(chǎn)能不斷創(chuàng)新高，2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為10.65億噸，占全球的56.8%。二是高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程占主導(dǎo)，電爐鋼占比偏低。2018年，我國(guó)電爐鋼比約為11.6%，世界平均約為29%（不含中國(guó)為47%）。三是以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)。2020年煤炭在我國(guó)一次能源中的占比高達(dá)58%，其中鋼鐵工業(yè)能源結(jié)構(gòu)中煤炭的占比達(dá)到83%。四是行業(yè)集中度不高。2022年，我國(guó)鋼產(chǎn)量排名前10位的企業(yè)（CR10）合計(jì)產(chǎn)量為4.34億噸，占全國(guó)鋼產(chǎn)量的42.8%，比2021年提升1.36個(gè)百分點(diǎn)。
與此同時(shí)，市場(chǎng)層面也對(duì)生態(tài)鋼鐵材料提出了迫切需求。在國(guó)內(nèi)，2022年8月份，寶馬集團(tuán)與河鋼集團(tuán)簽署了《打造綠色低碳鋼鐵供應(yīng)鏈合作備忘錄》，從2023年中期開(kāi)始，河鋼需將汽車用鋼生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)過(guò)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(guān)于構(gòu)建綠色鋼鐵供應(yīng)鏈的合作備忘錄》，寶鋼將在2023年逐步提供碳排放強(qiáng)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(shù)路徑，寶鋼提供汽車用鋼的碳排放強(qiáng)度將逐步降低50%～80%，隨后還將進(jìn)一步提供減碳95%的綠鋼。在國(guó)外，2023年2月份，歐洲議會(huì)通過(guò)了歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制（CBAM），歐盟將從2026年開(kāi)始，針對(duì)鋼鐵等5個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品征收碳關(guān)稅。
“這幾個(gè)事件說(shuō)明，鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和已迫在眉睫。鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和，要將18.6億噸二氧化碳消納掉，是一件非常復(fù)雜的事情，需要鋼鐵行業(yè)諸多領(lǐng)域全面的技術(shù)創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。”毛新平如此認(rèn)為。同時(shí)，他強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳中和對(duì)鋼鐵行業(yè)意義重大，碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是鋼鐵工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力全面提升的過(guò)程，是綜合競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高的過(guò)程，更是實(shí)現(xiàn)從鋼鐵大國(guó)向鋼鐵強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的過(guò)程。
解決業(yè)界“頭疼”的殘余元素問(wèn)題
實(shí)現(xiàn)再生鋼鐵原料高質(zhì)化利用
汽車鋼這類高端產(chǎn)品過(guò)去須用長(zhǎng)流程工藝生產(chǎn)，而面對(duì)大幅降低全生命周期碳排放量的需求，長(zhǎng)流程卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在原料結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流程簡(jiǎn)約高效3條減碳路徑中，相對(duì)容易調(diào)整的還是原料結(jié)構(gòu)。
“為此，使用低碳屬性優(yōu)異的再生鋼鐵原料生產(chǎn)低碳的高端產(chǎn)品，就成為迫在眉睫的技術(shù)選擇。實(shí)現(xiàn)再生鋼鐵原料的高質(zhì)化利用，殘余元素的問(wèn)題必須解決。”毛新平表示。
殘余元素主要來(lái)源于兩方面。一類是在初次冶煉過(guò)程中就沒(méi)有完全剔除掉的、與生俱來(lái)的一些元素；另一類是在后續(xù)加工過(guò)程中，為了調(diào)整組織性能加入的元素，這些元素在二次或者多次使用過(guò)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(dǎo)致偏析偏聚、熱塑性低、銅脆等問(wèn)題，惡化材料性能及其加工性。
毛新平表示：“過(guò)去再生鋼鐵原料主要用于生產(chǎn)建筑用鋼等一般性產(chǎn)品，往往通過(guò)原料配比、稀釋的方式調(diào)整殘余元素，但在未來(lái)，再生鋼鐵原料成為鋼鐵生產(chǎn)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(zhì)化利用是一項(xiàng)世界級(jí)難題。2020年，德國(guó)科學(xué)基金會(huì)與中國(guó)教育部啟動(dòng)“鋼鐵循環(huán)—面向碳中和的鋼鐵循環(huán)”合作項(xiàng)目，開(kāi)展再生鋼鐵原料高質(zhì)化利用的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究；2021年，英國(guó)基金會(huì)設(shè)置研究機(jī)構(gòu)，開(kāi)展鋼鐵資源高效循環(huán)利用研究，目的是為英國(guó)鋼鐵資源高質(zhì)化利用和鋼鐵工業(yè)碳中和提供最前沿的科學(xué)支撐。
毛新平分享了自己對(duì)于解決這項(xiàng)世界級(jí)難題路徑的思考。他認(rèn)為，在原料層面，要強(qiáng)化原料的分類管理，盡可能提高廢鋼智能分選的技術(shù)含量。“從基于外形、尺寸等的評(píng)級(jí)和分析發(fā)展到從化學(xué)成分的角度進(jìn)行分類分級(jí)，這必然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。”他指出。
在冶煉層面，要盡可能剔除相應(yīng)的殘余元素（包括銅，表面的鋅、錫、鉛等），實(shí)現(xiàn)潔凈化冶煉。“特別是大量使用廢鋼、采用電爐工藝時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氮含量高的問(wèn)題，這對(duì)生產(chǎn)汽車鋼等材料會(huì)產(chǎn)生致命性問(wèn)題。如何解決這一問(wèn)題，也是全球的技術(shù)難題。”毛新平指出。
同時(shí)，在連鑄層面，建立殘余元素?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，明確殘余元素的作用機(jī)制，形成殘余元素?zé)o害化連鑄集成技術(shù)；在制備加工層面，揭示殘余元素對(duì)制備加工過(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)制，通過(guò)成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化形成無(wú)害化加工技術(shù)。
在產(chǎn)品端，還需要研究殘余元素賦存狀態(tài)對(duì)材料服役性能的影響規(guī)律和作用機(jī)制，比如對(duì)成型性能、疲勞性能、氫致延遲開(kāi)裂和焊接性能等的影響，進(jìn)而研發(fā)出改善材料服役性能的殘余元素調(diào)控技術(shù)。
“解決了這些問(wèn)題，就基本能夠生產(chǎn)出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品。”毛新平表示，“還可以通過(guò)采用新的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)殘余元素從有害到無(wú)害的轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)出高性能的鋼鐵材料。”例如，利用近終形制造快速凝固和直接軋制的技術(shù)特點(diǎn)，可以解決殘余元素的偏析、偏聚問(wèn)題，提高容忍極限；充分發(fā)揮近終形特點(diǎn)和部分殘余元素對(duì)材料強(qiáng)度、耐蝕性能的有益作用，研發(fā)出高性能的鋼鐵材料。
毛新平表示，基于行業(yè)發(fā)展需求，他們承接了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大項(xiàng)目——“變革性低碳鋼鐵制造流程理論與技術(shù)”，開(kāi)展一些基礎(chǔ)研究工作，其中便設(shè)立了殘余元素潔凈脫除、殘余元素耦合作用機(jī)理等相關(guān)課題。“只有把相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解決好，未來(lái)廢鋼的使用領(lǐng)域才會(huì)更廣闊，廢鋼產(chǎn)業(yè)才能發(fā)展好。”毛新平強(qiáng)調(diào)。
