中國(guó)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(shì)在必行

 

汽車鋼這類高端產(chǎn)品過(guò)去須用長(zhǎng)流程工藝生產(chǎn)，而面對(duì)大幅降低全生命周期碳排放量的需求，長(zhǎng)流程卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在原料結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流程簡(jiǎn)約高效3條減碳路徑中，相對(duì)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(shí)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(lái)源于兩方面。一類是在初次冶煉過(guò)程中就沒有完全剔除掉的、與生俱來(lái)的一些元素；另一類是在后續(xù)加工過(guò)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(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(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(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(diào)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。”

 

他坦言，再生鋼鐵原料的高質(zhì)化利用是一項(xiàng)世界級(jí)難題。2020年，德國(guó)科學(xué)基金會(huì)與中國(guó)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(xiàng)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(guó)基金會(huì)設(shè)置研究機(jī)構(gòu)，開展鋼鐵資源高效循環(huán)利用研究，目的是為英國(guó)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(duì)于解決這項(xiàng)世界級(jí)難題路徑的思考。他認(rèn)為，在原料層面，要強(qiáng)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(píng)級(jí)和分析發(fā)展到從化學(xué)成分的角度進(jìn)行分類分級(jí)，這必然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。”他指出。

 

在冶煉層面，要盡可能剔除相應(yīng)的殘余元素，實(shí)現(xiàn)潔凈化冶煉。“特別是大量使用廢鋼、采用電爐工藝時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氮含量高的問題，這對(duì)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(shí)，在連鑄層面，建立殘余元素?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，明確殘余元素的作用機(jī)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(duì)制備加工過(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)制，通過(guò)成分設(shè)計(jì)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(duì)材料服役性能的影響規(guī)律和作用機(jī)制，比如對(duì)成形性能、疲勞性能、氫致延遲開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(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(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品。”毛新平表示，“還可以通過(guò)采用新的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)殘余元素從有害到無(wú)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(diǎn)，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(diǎn)和部分殘余元素對(duì)材料強(qiáng)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大項(xiàng)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(jī)理等相關(guān)課題。“只有把相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題解決好，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。”毛新平強(qiáng)調(diào)。