中國工程院院士毛新平：“雙碳”背景下，再生鋼鐵原料高質化利用勢在必行

 

汽車鋼這類高端產品過去須用長流程工藝生產，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。在原料結構調整、能源結構優化、流程簡約高效3條減碳路徑中，相對容易調整的還是原料結構。

 

“為此，使用低碳屬性優異的再生鋼鐵原料生產低碳的高端產品，就成為迫在眉睫的技術選擇。實現再生鋼鐵原料的高質化利用，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；另一類是在后續加工過程中，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建筑用鋼等一般性產品，往往通過原料配比、稀釋的方式調整殘余元素，但在未來，再生鋼鐵原料成為鋼鐵生產的主要原材料之后，這條路徑將不再可行。”

 

他坦言，再生鋼鐵原料的高質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—面向碳中和的鋼鐵循環”合作項目，開展再生鋼鐵原料高質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，開展鋼鐵資源高效循環利用研究，目的是為英國鋼鐵資源高質化利用和鋼鐵工業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含量。“從基于外形、尺寸等的評級和分析發展到從化學成分的角度進行分類分級，這必然是未來的發展趨勢。”他指出。

 

在冶煉層面，要盡可能剔除相應的殘余元素，實現潔凈化冶煉。“特別是大量使用廢鋼、采用電爐工藝時，會產生氮含量高的問題，這對生產汽車鋼等材料是致命的。如何解決這一問題，也是全球的技術難題。”毛新平指出。

 

同時，在連鑄層面，建立殘余元素熱力學數據庫，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；在制備加工層面，揭示殘余元素對制備加工過程產品質量的影響機制，通過成分設計和工藝優化形成無害化加工技術。

 

在產品端，還需要研究殘余元素賦存狀態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、氫致延遲開裂和焊接性能等的影響，進而研發出改善材料服役性能的殘余元素調控技術。

 

“解決了這些問題，就基本能夠生產出符合質量標準的合格產品。”毛新平表示，“還可以通過采用新的工藝技術，實現殘余元素從有害到無害的轉變，生產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特點，可以解決殘余元素的偏析、偏聚的問題，提高容忍極限；充分發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，研發出高性能的鋼鐵材料。

 

毛新平表示，基于行業發展需求，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”，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。“只有把相關的基礎科學問題和關鍵技術問題解決好，未來廢鋼的使用領域才會更廣闊，廢鋼產業才能發展好。”毛新平強調。