中國冶金報 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 樊三彩
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(zhàn)的科技革命,將給我國經(jīng)濟社會系統(tǒng)帶來影響深遠的社會變革。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年二氧化碳排放量為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。”
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、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(dǎo),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(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(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(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(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)新才能實現(xiàn),是一項艱巨的任務(wù)?!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?!泵缕奖硎?。
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?!?/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(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究;2021年,英國基金會設(shè)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(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)成分的角度進行分類分級,這必然是未來的發(fā)展趨勢?!彼赋?。
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),實現(xiàn)潔凈化冶煉?!疤貏e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?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)庫,明確殘余元素的作用機制,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?!泵缕奖硎荆斑€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(xué)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(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理等相關(guān)課題?!爸挥邪严嚓P(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?!泵缕綇娬{(diào)。
來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)
編輯:陳燦
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