在全球攜手應(yīng)對(duì)氣候變化的大背景下，“雙碳”戰(zhàn)略已成為重塑世界經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)格局的重要力量。中國金屬學(xué)會(huì)常務(wù)副理事長田志凌認(rèn)為，鋼鐵工業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)文明的基石，正站在能源革命與產(chǎn)業(yè)變革的歷史交匯點(diǎn)。歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制的實(shí)施、氫冶金技術(shù)的加速迭代、數(shù)字化孿生平臺(tái)的廣泛應(yīng)用，正在重塑鋼鐵產(chǎn)業(yè)的價(jià)值鏈。“鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展是一場深刻而持久的變革，當(dāng)前面臨全球氣候變化壓力日益加劇、碳約束機(jī)制逐步收緊、市場競爭更加激烈、技術(shù)瓶頸亟待突破等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要全球業(yè)界的共同努力，共同開創(chuàng)全球鋼鐵工業(yè)更加綠色、高效、智能的未來。”中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長馮超表示。
4月12日至13日，第六屆冶金創(chuàng)新國際論壇在北京科技大學(xué)召開。北京科技大學(xué)副校長張衛(wèi)冬分析，當(dāng)前，全球正處于應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵窗口期，“雙碳”戰(zhàn)略不僅是重塑經(jīng)濟(jì)格局的核心驅(qū)動(dòng)力，更是人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路。國家鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃明確提出，到2030年底鋼鐵行業(yè)要實(shí)現(xiàn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展“質(zhì)”的飛躍。面對(duì)這一使命，鋼鐵行業(yè)急需以科技創(chuàng)新為引擎，推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈向綠色化、低碳化、智能化深度轉(zhuǎn)型。田志凌表示，我國鋼鐵工業(yè)在實(shí)現(xiàn)粗鋼產(chǎn)能、產(chǎn)量“雙控”向碳排放總量強(qiáng)度“雙控”轉(zhuǎn)型過程中，已率先完成超低排放改造產(chǎn)能超過5億噸，建成全球最大的全氧高爐和氫基豎爐示范項(xiàng)目，為世界鋼鐵低碳轉(zhuǎn)型提供了“中國方案”。
碳中和已成為世界主要國家的共識(shí)
全球氣候變暖，人類正面臨災(zāi)難，碳中和已成為世界主要國家的共識(shí)。中國工程院院士毛新平認(rèn)為，鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展已成為世界范圍內(nèi)的前沿?zé)狳c(diǎn)。一是可持續(xù)發(fā)展成為全球共識(shí)，面臨日益嚴(yán)峻的資源匱乏與環(huán)境污染問題，追求材料產(chǎn)業(yè)與資源環(huán)境協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已成為全球共識(shí)。二是可持續(xù)金屬材料基礎(chǔ)研究受到關(guān)注，近5年來發(fā)表的相關(guān)論文數(shù)量快速上升。三是鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展是全球科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)布局競爭的焦點(diǎn)，英國成立“金屬循環(huán)跨學(xué)科中心”，德國馬普鋼鐵研所調(diào)整為“可持續(xù)材料研究所”。四是我國材料可持續(xù)發(fā)展已拉開序幕，2024年10月中國資源循環(huán)集團(tuán)成立，每年度廢鋼鐵利用量達(dá)到2.6億噸。
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域。馮超介紹，近年來，中國鋼鐵行業(yè)堅(jiān)決貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院決策部署，以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，以綠色低碳為引領(lǐng)，以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)為支撐，扎實(shí)推進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)，取得了顯著的成效。從去產(chǎn)能到超低排放改造、從電爐煉鋼到氫冶金，從建設(shè)行業(yè)第一個(gè)BAT平臺(tái)到制定中國低碳排放高標(biāo)準(zhǔn)，中國鋼鐵工業(yè)綠色低碳道路邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐，為全球鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供了重要參考，也得到了全球同行的高度認(rèn)可。
毛新平表示，鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展是我國實(shí)施“雙碳”戰(zhàn)略的重大現(xiàn)實(shí)需求。一是鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，2024年全球鋼產(chǎn)量18.83億噸，其中我國10.05億噸，占全球53.4%。二是鋼鐵工業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)減碳行業(yè)，2023年我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放18.25億噸，占全國15.3%，在全球氣候治理和我國推動(dòng)碳中和戰(zhàn)略背景下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。三是鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展是鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)減碳的必然選擇，可持續(xù)鋼鐵材料以再生鋼鐵為原料，是具有低碳屬性的鐵素資源，在鋼鐵生產(chǎn)中使用1噸廢鋼而非高爐生產(chǎn)的生鐵，可以減少二氧化碳排放約58—64%，降碳潛力顯著。
鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展對(duì)于保障我國資源與產(chǎn)業(yè)安全意義重大。一是鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展可從根本上解決鐵礦石資源的對(duì)外依賴，基于再生鋼鐵原料可持續(xù)發(fā)展是我國從根本上解決鋼鐵工業(yè)對(duì)鐵礦石資源的依賴，提高鋼鐵產(chǎn)業(yè)原材料戰(zhàn)略安全的根本途徑。二是根據(jù)再生鋼鐵原料供給發(fā)展趨勢，2030年我國廢鋼資源量為3.56億噸，2040年將達(dá)到階段性峰值水平4.08億噸。三是根據(jù)我國鋼鐵材料需求發(fā)展趨勢，隨著國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和鋼鐵材料性能的提升，我國鋼鐵材料需求將逐步下降，2050年約為6.8—7.7億噸。
鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展是應(yīng)對(duì)關(guān)稅壁壘、提升產(chǎn)品競爭力的重要途徑。一是國際碳關(guān)稅壁壘已經(jīng)形成，從2026年開始?xì)W盟將逐年減少10%的免稅配額直至2035年完全取消，同期要求產(chǎn)品進(jìn)口者支付碳費(fèi)用，并逐年提高費(fèi)率。二是市場對(duì)可持續(xù)鋼鐵材料需求迫切，以汽車為代表的鋼鐵下游用戶對(duì)鋼鐵制造過程的碳減排提出了具體且迫切的需求。2022年8月，寶馬集團(tuán)與河鋼集團(tuán)簽署《打造綠色低碳鋼鐵供應(yīng)鏈合作備忘錄》，從2026年起基于綠電和電爐等工藝，汽車用鋼生產(chǎn)過程的二氧化碳排放將逐步降低至95%。
輕量化一直是鋼鐵發(fā)展的主路線和原動(dòng)力
碳中和是國家發(fā)展戰(zhàn)略，鋼鐵工藝是國家實(shí)現(xiàn)碳中和的主戰(zhàn)場，基于再生鋼鐵原料的鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展是我國鋼鐵工業(yè)的必然選擇。但是，由于再生鋼鐵原料中殘余元素種類多，對(duì)材料的可制造性及組織性能演變的作用關(guān)系復(fù)雜，目前缺乏系統(tǒng)研究，嚴(yán)重影響了鋼鐵材料的可持續(xù)發(fā)展。中國工程院院士、燕山大學(xué)教授劉日平分析，鋼鐵是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)用量最多的金屬結(jié)構(gòu)材料，我國巨大的鋼鐵產(chǎn)量帶來了嚴(yán)重的能源、資源與環(huán)境問題。
能源問題方面，在鋼鐵生產(chǎn)過程以及后期使用過程中，消耗了大量的能源，導(dǎo)致煤炭、石油、天然氣等主要化石能源將面臨枯竭的窘境。資源問題方面，我國鐵礦石儲(chǔ)量較大，但大多屬于貧礦，且開采難度大，導(dǎo)致我國鐵礦石極度依賴進(jìn)口，面臨極大的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境問題方面，鋼鐵工業(yè)二氧化碳排放量高，僅生產(chǎn)過程排放量就占全國二氧化碳排放的16—17%，是造成嚴(yán)重環(huán)境問題的主要根源之一。“從能源、資源、環(huán)境等諸方面考慮，減少鋼鐵材料產(chǎn)量、用量意義重大，其中輕量化是最重要的途徑之一。如果鋼鐵重量減輕10%，我國將減少二氧化碳排放1，7億噸；如果汽車重量降低10%，燃油效率可提高6—8%。”劉日平表示。
毛新平認(rèn)為，鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式應(yīng)從重產(chǎn)量、重成本、重性能，逐漸向注重性能、資源能源、環(huán)境多維協(xié)調(diào)的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，而再生鋼鐵原料殘余元素材料性能的危害，本質(zhì)在于其易偏析偏聚，需要探索對(duì)其賦存狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控的新思路、新方法、新技術(shù)。根據(jù)國家碳中和戰(zhàn)略和鋼鐵工藝碳中和發(fā)展趨勢的重大需求，建立再生鋼鐵原料殘余元素多場協(xié)同、潔凈化與高質(zhì)化利用理論，構(gòu)建高性能鋼鐵材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)體系、變革性低碳鋼鐵制造流程，通過“再生鋼鐵原料 電爐煉鋼 近終形制造”，生產(chǎn)高性能鋼鐵材料。“再生鋼鐵原料來源廣、凈化難、殘余元素多，種類多達(dá)20余種，具有強(qiáng)偏析偏聚特性，嚴(yán)重惡化材料可制備性及服役性能，阻礙了鋼鐵材料的可持續(xù)發(fā)展。因此，再生鋼鐵原料高質(zhì)化利用總體研究思路，即通過廢鋼智能化分選、潔凈化冶煉、無害化連鑄及制備加工，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)鋼鐵材料。”毛新平說。
鋼鐵作為工業(yè)革命的支柱性材料以來，輕量化一直是其發(fā)展的主路線和原動(dòng)力。劉日平認(rèn)為，鋼鐵輕量化主要途徑有四個(gè)：一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在裝備及其零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)減重，但已經(jīng)發(fā)展到了很高程度，難再有顛覆性突破。二是低密度材料替代高密度鋼鐵。采用鋁合金、鈦合金、鎂合金等低密度材料替代現(xiàn)有鋼鐵，但在成本、加工性和綜合性能等方面常常難以與鋼鐵相媲美，應(yīng)用受到一定限制。三是鋼鐵高強(qiáng)韌化。強(qiáng)韌化一直是材料發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，鋼鐵強(qiáng)度由300Mpa增加到200Mpa甚至更高，目前幾乎達(dá)到了上限，而且受到剛度制約。四是降低鋼鐵材料自身密度。當(dāng)今各種類型的鋼鐵材料密度很大，始終在7.8-8.0克/立方厘米之間，夢想在保證性能的前提條件下，顛覆性創(chuàng)新技術(shù)使得鋼鐵跟鈦合金、鋁合金一樣輕。
資源有限，創(chuàng)新無限。劉日平分析，降低鋼鐵材料密度原理很簡單，就是添加密度比鐵低的合金元素，比如碳、鋁、硅、錳、鉻和鈦等，其中碳的輕量化效果最明顯，但含量不可能太高，而鋁是最理想的元素。“輕量化機(jī)制較為復(fù)雜，鋼鐵材料降低密度的同時(shí)造成了一系列技術(shù)難題，比如脆性難題、邊裂難題、主要元素收得率低難題、成材率與成本難題、焊接難題等，但均已找到了解決途徑。低密度鋼面向未來主要應(yīng)用在艦船、汽車、傳動(dòng)構(gòu)件、集裝箱、火車轉(zhuǎn)向架、深地及深海萬米鉆探等領(lǐng)域，為鋼鐵及其相關(guān)行業(yè)打開了新的一扇窗口，在科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工程應(yīng)用前景廣闊。”劉日平說道。
