中國冶金報 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 樊三彩 報道
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，將給我國經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)帶來影響深遠(yuǎn)的社會變革。作為中國制造業(yè)中碳排放量最高的行業(yè)，鋼鐵行業(yè)2021年CO2排放量為18.6億噸，占全國的16%，鋼鐵行業(yè)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(huán)應(yīng)用國際研討會暨中國廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)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(zhì)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(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)化利用勢在必行。”
圖為毛新平
未來已來，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)展有力支撐了國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和國防建設(shè)。毛新平表示：“過去30年，鋼鐵行業(yè)的平均利潤率不到6%，遠(yuǎn)低于其他原材料行業(yè)，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。”
毛新平認(rèn)為，我們必須認(rèn)識到鋼鐵行業(yè)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(chǎn)能總量大。經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求推動鋼鐵產(chǎn)能不斷創(chuàng)新高，2020年我國粗鋼產(chǎn)量10.65億噸，占全球的56.8%。二是高爐-轉(zhuǎn)爐長流程占主導(dǎo)，電爐鋼比偏低，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(jié)構(gòu)。2020年煤炭在我國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，我國鋼產(chǎn)量排名前10位的企業(yè)（CR10）合計產(chǎn)量為4.34億噸，占全國鋼產(chǎn)量的42.8%，比2021年提升1.36個百分點(diǎn)。
與此同時，市場層面也對生態(tài)鋼鐵材料提出了迫切需求。國內(nèi)，2022年8月，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年中期開始，河鋼需將汽車用鋼生產(chǎn)過程的CO2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)過程中的CO2排放將逐步降低95%。2022年11月，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。國外，2023年2月歐洲議會通過了歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制（CBAM），歐盟將從2026年開始，針對鋼鐵等5個領(lǐng)域的產(chǎn)品征收碳關(guān)稅。
“這幾個事件說明，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CO2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)。”毛新平認(rèn)為。同時，他強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳中和對鋼鐵行業(yè)意義重大，碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程，是鋼鐵工業(yè)技術(shù)創(chuàng)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(shí)現(xiàn)從鋼鐵大國向鋼鐵強(qiáng)國邁進(jìn)的過程。
解決業(yè)界“頭疼”的殘余元素問題 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)品過去須用長流程工藝生產(chǎn)，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(shí)現(xiàn)。在原料結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流程簡約高效3條減碳路徑中，相對容易調(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(xù)加工過程中，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(chǎn)建筑用鋼等一般性產(chǎn)品，往往通過原料配比、稀釋的方式調(diào)整殘余元素，但在未來，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)世界級難題。2020年，德國科學(xué)基金會與中國教育部啟動“鋼鐵循環(huán)—面向碳中和的鋼鐵循環(huán)”合作項(xiàng)目，開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，英國基金會設(shè)置研究機(jī)構(gòu)，開展鋼鐵資源高效循環(huán)利用研究，目的是為英國鋼鐵資源高質(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于解決這項(xiàng)世界級難題路徑的思考。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、尺寸等的評級和分析發(fā)展到從化學(xué)成分的角度進(jìn)行分類分級，這必然是未來的發(fā)展趨勢。”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，會產(chǎn)生氮含量高的問題，這對生產(chǎn)汽車鋼等材料是致命的。如何解決這一問題，也是全球的技術(shù)難題。”毛新平指出。
同時，在連鑄層面，建立殘余元素?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)庫，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，揭示殘余元素對制備加工過程產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)制，通過成分設(shè)計和工藝優(yōu)化形成無害化加工技術(shù)。
在產(chǎn)品端，還需要研究殘余元素賦存狀態(tài)對材料服役性能的影響規(guī)律和作用機(jī)制，比如對成形性能、疲勞性能、氫致延遲開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，“還可以通過采用新的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)殘余元素從有害到無害的轉(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、偏聚的問題，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，他們承接了國家自然科學(xué)基金委員會重大項(xiàng)目——“變革性低碳鋼鐵制造流程理論與技術(shù)”，開展一些基礎(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)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題解決好，未來廢鋼的使用領(lǐng)域才會更廣闊，廢鋼產(chǎn)業(yè)才能發(fā)展好。”毛新平強(qiáng)調(diào)。
