在7月13日召開的第十五屆中國金屬循環(huán)應用國際研討會暨中國廢鋼鐵應用協(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?！?/div>
鋼鐵是重要的基礎結(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、社會發(fā)展和國防建設。毛新平表示：“過去30年，鋼鐵行業(yè)的平均利潤率不到6%，遠低于其他原材料行業(yè)，為經(jīng)濟社會發(fā)展做出了巨大貢獻?！?/div>
毛新平認為，我們必須認識到鋼鐵行業(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)量為10.65億噸，占全球的56.8%。二是高爐—轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。2020年煤炭在我國一次能源中的占比高達58%，其中鋼鐵工業(yè)能源結(jié)構(gòu)中煤炭的占比達到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。
與此同時，市場層面也對生態(tài)鋼鐵材料提出了迫切需求。在國內(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)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(gòu)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(shù)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(diào)節(jié)機制（CBAM），歐盟將從2026年開始，針對鋼鐵等5個領域的產(chǎn)品征收碳關稅。
“這幾個事件說明，鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)碳中和已迫在眉睫。鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)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(yè)諸多領域全面的技術(shù)創(chuàng)新才能實現(xiàn)，是一項艱巨的任務?！泵缕饺绱苏J為。同時，他強調(diào)，實現(xiàn)碳中和對鋼鐵行業(yè)意義重大，碳中和目標實現(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，更是實現(xiàn)從鋼鐵大國向鋼鐵強國邁進的過程。
解決業(yè)界“頭疼”的殘余元素問題
實現(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?！?/div>
他坦言，再生鋼鐵原料的高質(zhì)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(huán)—面向碳中和的鋼鐵循環(huán)”合作項目，開展再生鋼鐵原料高質(zhì)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(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(shù)含量?！皬幕谕庑?、尺寸等的評級和分析發(fā)展到從化學成分的角度進行分類分級，這必然是未來的發(fā)展趨勢。”他指出。
在冶煉層面，要盡可能剔除相應的殘余元素（包括銅，表面的鋅、錫、鉛等），實現(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)汽車鋼等材料會產(chǎn)生致命性問題。如何解決這一問題，也是全球的技術(shù)難題?！泵缕街赋觥?/div>
同時，在連鑄層面，建立殘余元素熱力學數(shù)據(jù)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(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)量的影響機制，通過成分設計和工藝優(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(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)量標準的合格產(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，可以解決殘余元素的偏析、偏聚問題，提高容忍極限；充分發(fā)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(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(shù)”，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(shù)問題解決好，未來廢鋼的使用領域才會更廣闊，廢鋼產(chǎn)業(yè)才能發(fā)展好?！泵缕綇娬{(diào)。
