中國工程院院士毛新平：“雙碳”背景下，再生鋼鐵原料高質(zhì)化利用勢在必行

 

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。”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(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。”

 

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)展到從化學成分的角度進行分類分級，這必然是未來的發(fā)展趨勢。”他指出。

 

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

 

同時，在連鑄層面，建立殘余元素熱力學數(shù)據(jù)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(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(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。”毛新平表示，“還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、偏聚的問題，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。“只有把相關(guān)的基礎(chǔ)科學問題和關(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。”毛新平強調(diào)。