中國冶金報 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 樊三彩 報道
碳達峰、碳中和是一次深刻的產(chǎn)業(yè)革命,更是一次極具挑戰的科技革命,將給我國經(jīng)濟社會(huì )系統帶來(lái)影響深遠的社會(huì )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(zhù)巨大壓力。
在7月13日召開(kāi)的第十五屆中國金屬循環(huán)應用國際研討會(huì )暨中國廢鋼鐵應用協(xié)會(huì )七屆三次會(huì )員大會(huì )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(shí)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>

圖為毛新平
未來(lái)已來(lái),碳中和迫在眉睫
鋼鐵是重要的基礎結構材料,鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展有力支撐了國民經(jīng)濟、社會(huì )發(fā)展和國防建設。毛新平表示:“過(guò)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(huì )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(lái)源于:一是鋼鐵產(chǎn)能總量大。經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展需求推動(dòng)鋼鐵產(chǎn)能不斷創(chuàng )新高,2020年我國粗鋼產(chǎn)量10.65億噸,占全球的56.8%。二是高爐-轉爐長(cháng)流程占主導,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(yè)能源結構中煤炭的占比達到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(gè)百分點(diǎn)。
與此同時(shí),市場(chǎng)層面也對生態(tài)鋼鐵材料提出了迫切需求。國內,2022年8月,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(kāi)始,河鋼需將汽車(chē)用鋼生產(chǎn)過(guò)程的CO2排放降低10%-30%;2026年起,基于綠電和電爐等工藝,汽車(chē)用鋼生產(chǎn)過(guò)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(chē)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(chē)用鋼的碳排放強度將逐步降低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(huì )通過(guò)了歐盟碳邊境調節機制(CBAM),歐盟將從2026年開(kāi)始,針對鋼鐵等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)現碳中和已迫在眉睫。鋼鐵行業(yè)實(shí)現碳中和,要將18.6億噸CO2消納掉,是一件非常復雜的事情,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,是一項艱巨的任務(wù)?!泵缕秸J為。同時(shí),他強調,實(shí)現碳中和對鋼鐵行業(yè)意義重大,碳中和目標實(shí)現的過(guò)程,是鋼鐵工業(yè)技術(shù)創(chuàng )新能力全面提升的過(guò)程,是綜合競爭力顯著(zhù)提高的過(guò)程,更是實(shí)現從鋼鐵大國向鋼鐵強國邁進(jìn)的過(guò)程。
解決業(yè)界“頭疼”的殘余元素問(wèn)題 實(shí)現再生鋼鐵原料高質(zhì)化利用
汽車(chē)鋼這類(lèi)高端產(chǎn)品過(guò)去須用長(cháng)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(cháng)流程卻無(wú)法實(shí)現。在原料結構調整、能源結構優(yōu)化、流程簡(jiǎn)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?xún)?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?!泵缕奖硎?。
殘余元素主要來(lái)源于兩方面。一類(lèi)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(lèi)是在后續加工過(guò)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(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?!?/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(xué)基金會(huì )與中國教育部啟動(dòng)“鋼鐵循環(huán)—面向碳中和的鋼鐵循環(huán)”合作項目,開(kāi)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(huì )設置研究機構,開(kāi)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(lèi)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(xué)成分的角度進(jìn)行分類(lèi)分級,這必然是未來(lái)的發(fā)展趨勢?!彼赋?。
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(shí)現潔凈化冶煉?!疤貏e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,這對生產(chǎn)汽車(chē)鋼等材料是致命的。如何解決這一問(wèn)題,也是全球的技術(shù)難題?!泵缕街赋?。
同時(shí),在連鑄層面,建立殘余元素熱力學(xué)數據庫,明確殘余元素的作用機制,形成殘余元素無(wú)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(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量的影響機制,通過(guò)成分設計和工藝優(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)對材料服役性能的影響規律和作用機制,比如對成形性能、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)量標準的合格產(chǎn)品?!泵缕奖硎?,“還可以通過(guò)采用新的工藝技術(shù),實(shí)現殘余元素從有害到無(wú)害的轉變,生產(chǎn)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(shù)特點(diǎn),可以解決殘余元素的偏析、偏聚的問(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(xué)基金委員會(huì )重大項目——“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(guān)課題?!爸挥邪严嚓P(guān)的基礎科學(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?!泵缕綇娬{。
來(lái)源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)
編輯:張雨恬
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