碳达峰、碳中和是一次深刻的产业革命，更是一次极具挑战的科技革命，将给我国经济社会系统带来影响深远的社会变革。作为中国制造业中碳排放量最高的行业，钢铁行业2021年CO2排放量为18.6亿吨，占全国的16%，钢铁行业碳中和面临着巨大压力。
近日，中国工程院院士毛新平在做题为《再生钢铁原料的高质化利用》的报告时指出：“在‘双碳’背景下，再生钢铁原料将成为我国钢铁工业生产的主要原料，采用再生钢铁原料组织生产是实现钢铁工业碳中和的重要路径。因此，其高质化利用势在必行。”
未来已来，碳中和迫在眉睫
钢铁是重要的基础结构材料，钢铁工业的快速发展有力支撑了国民经济、社会发展和国防建设。毛新平表示：“过去30年，钢铁行业的平均利润率不到6%，远低于其他原材料行业，为经济社会发展做出了巨大贡献。”
毛新平认为，我们必须认识到钢铁行业在“双碳”背景下面临的巨大压力。这些压力来源于：一是钢铁产能总量大。经济社会发展需求推动钢铁产能不断创新高，2020年我国粗钢产量10.65亿吨，占全球的56.8%。二是高炉-转炉长流程占主导，电炉钢比偏低，2018年我国电炉钢比约为11.6%，世界平均约为29%（不含中国为47%）。三是以煤炭为主的能源结构。2020年煤炭在我国一次能源中的占比高达58%，其中钢铁工业能源结构中煤炭的占比达到83%。四是行业集中度不高。2022年，我国钢产量排名前10位的企业（CR10）合计产量为4.34亿吨，占全国钢产量的42.8%，比2021年提升1.36个百分点。
与此同时，市场层面也对生态钢铁材料提出了迫切需求。国内，2022年8月，宝马集团与河钢集团签署了《打造绿色低碳钢铁供应链合作备忘录》，从2023年中期开始，河钢需将汽车用钢生产过程的CO2排放降低10%-30%；2026年起，基于绿电和电炉等工艺，汽车用钢生产过程中的CO2排放将逐步降低95%。2022年11月，北京奔驰与宝钢签署《关于构建绿色钢铁供应链的合作备忘录》，宝钢将在2023年逐步提供碳排放强度大幅降低的汽车用钢；从2026年起，借助氢基竖炉-电炉的技术路径，宝钢提供汽车用钢的碳排放强度将逐步降低50%-80%，随后还将进一步提供减碳95%的绿钢。国外，2023年2月欧洲议会通过了欧盟碳边境调节机制（CBAM），欧盟将从2026年开始，针对钢铁等5个领域的产品征收碳关税。
“这几个事件说明，钢铁工业实现碳中和已迫在眉睫。钢铁行业实现碳中和，要将18.6亿吨CO2消纳掉，是一件非常复杂的事情，需要钢铁行业诸多领域全面的技术创新才能实现，是一项艰巨的任务。”毛新平认为。同时，他强调，实现碳中和对钢铁行业意义重大，碳中和目标实现的过程，是钢铁工业技术创新能力全面提升的过程，是综合竞争力显著提高的过程，更是实现从钢铁大国向钢铁强国迈进的过程。
解决业界“头疼”的残余元素问题实现再生钢铁原料高质化利用
汽车钢这类高端产品过去须用长流程工艺生产，而面对大幅降低全生命周期碳排放量的需求，长流程却无法实现。在原料结构调整、能源结构优化、流程简约高效3条减碳路径中，相对容易调整的还是原料结构。
“为此，使用低碳属性优异的再生钢铁原料生产低碳的高端产品，就成为迫在眉睫的技术选择。实现再生钢铁原料的高质化利用，残余元素的问题必须解决。”毛新平表示。
残余元素主要来源于两方面。一类是在初次冶炼过程中就没有完全剔除掉的、与生俱来的一些元素；另一类是在后续加工过程中，为了调整组织性能加入的元素，这些元素在二次或者多次使用过程中就成为残余元素。目前，这些残余元素大约有Cu、Ni、Cr、Mo等19种，容易导致偏析偏聚、热塑性低、铜脆等问题，恶化材料性能及其加工性。
毛新平表示：“过去再生钢铁原料主要用于生产建筑用钢等一般性产品，往往通过原料配比、稀释的方式调整残余元素，但在未来，再生钢铁原料成为钢铁生产的主要原材料之后，这条路径将不再可行。”
他坦言，再生钢铁原料的高质化利用是一项世界级难题。2020年，德国科学基金会与中国教育部启动“钢铁循环—面向碳中和的钢铁循环”合作项目，开展再生钢铁原料高质化利用的基础和应用基础研究；2021年，英国基金会设置研究机构，开展钢铁资源高效循环利用研究，目的是为英国钢铁资源高质化利用和钢铁工业碳中和提供最前沿的科学支撑。
毛新平分享了自己对于解决这项世界级难题路径的思考。他认为，在原料层面，要强化原料的分类管理，尽可能提高废钢智能分选的技术含量。“从基于外形、尺寸等的评级和分析发展到从化学成分的角度进行分类分级，这必然是未来的发展趋势。”他指出。
在冶炼层面，要尽可能剔除相应的残余元素（包括铜，表面的锌、锡、铅等），实现洁净化冶炼。“特别是大量使用废钢、采用电炉工艺时，会产生氮含量高的问题，这对生产汽车钢等材料是致命的。如何解决这一问题，也是全球的技术难题。”毛新平指出。
同时，在连铸层面，建立残余元素热力学数据库，明确残余元素的作用机制，形成残余元素无害化连铸集成技术；在制备加工层面，揭示残余元素对制备加工过程产品质量的影响机制，通过成分设计和工艺优化形成无害化加工技术。
在产品端，还需要研究残余元素赋存状态对材料服役性能的影响规律和作用机制，比如对成形性能、疲劳性能、氢致延迟开裂和焊接性能等的影响，进而研发出改善材料服役性能的残余元素调控技术。
“解决了这些问题，就基本能够生产出符合质量标准的合格产品。”毛新平表示，“还可以通过采用新的工艺技术，实现残余元素从有害到无害的转变，生产出高性能的钢铁材料。”例如，利用近终形制造快速凝固和直接轧制的技术特点，可以解决残余元素的偏析、偏聚的问题，提高容忍极限；充分发挥近终形特点和部分残余元素对材料强度、耐蚀性能的有益作用，研发出高性能的钢铁材料。
毛新平表示，基于行业发展需求，他们承接了国家自然科学基金委员会重大项目——“变革性低碳钢铁制造流程理论与技术”，开展一些基础研究工作，其中便设立了残余元素洁净脱除、残余元素耦合作用机理等相关课题。“只有把相关的基础科学问题和关键技术问题解决好，未来废钢的使用领域才会更广阔，废钢产业才能发展好。”毛新平强调。
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