中國工業報記者   孟凡君

在全球攜手應對氣候變化的大背景下，“雙碳”戰略已成為重塑世界經濟和產業格局的重要力量。中國金屬學會常務副理事長田志凌認為，鋼鐵工業作為現代工業文明的基石，正站在能源革命與產業變革的歷史交匯點。歐盟碳邊境調節機制的實施、氫冶金技術的加速迭代、數字化孿生平臺的廣泛應用，正在重塑鋼鐵產業的價值鏈。“鋼鐵行業綠色低碳發展是一場深刻而持久的變革，當前面臨全球氣候變化壓力日益加劇、碳約束機制逐步收緊、市場競爭更加激烈、技術瓶頸亟待突破等嚴峻挑戰，需要全球業界的共同努力，共同開創全球鋼鐵工業更加綠色、高效、智能的未來。”中國鋼鐵工業協會副秘書長馮超表示。

4月12日至13日，第六屆冶金創新國際論壇在北京科技大學召開。北京科技大學副校長張衛冬分析，當前，全球正處于應對氣候變化的關鍵窗口期，“雙碳”戰略不僅是重塑經濟格局的核心驅動力，更是人類可持續發展的必由之路。國家鋼鐵行業節能降碳專項行動計劃明確提出，到2030年底鋼鐵行業要實現綠色低碳高質量發展“質”的飛躍。面對這一使命，鋼鐵行業急需以科技創新為引擎，推動全產業鏈向綠色化、低碳化、智能化深度轉型。田志凌表示，我國鋼鐵工業在實現粗鋼產能、產量“雙控”向碳排放總量強度“雙控”轉型過程中，已率先完成超低排放改造產能超過5億噸，建成全球最大的全氧高爐和氫基豎爐示范項目，為世界鋼鐵低碳轉型提供了“中國方案”。

碳中和已成為世界主要國家的共識

全球氣候變暖，人類正面臨災難，碳中和已成為世界主要國家的共識。中國工程院院士毛新平認為，鋼鐵材料可持續發展已成為世界范圍內的前沿熱點。一是可持續發展成為全球共識，面臨日益嚴峻的資源匱乏與環境污染問題，追求材料產業與資源環境協調，實現可持續發展已成為全球共識。二是可持續金屬材料基礎研究受到關注，近5年來發表的相關論文數量快速上升。三是鋼鐵材料可持續發展是全球科技創新和產業布局競爭的焦點，英國成立“金屬循環跨學科中心”，德國馬普鋼鐵研所調整為“可持續材料研究所”。四是我國材料可持續發展已拉開序幕，2024年10月中國資源循環集團成立，每年度廢鋼鐵利用量達到2.6億噸。

鋼鐵工業是國民經濟的支柱性產業，也是實現碳達峰、碳中和目標的關鍵領域。馮超介紹，近年來，中國鋼鐵行業堅決貫徹落實黨中央、國務院決策部署，以供給側結構性改革為主線，以綠色低碳為引領，以創新驅動為支撐，扎實推進結構調整和轉型升級，取得了顯著的成效。從去產能到超低排放改造、從電爐煉鋼到氫冶金，從建設行業第一個BAT平臺到制定中國低碳排放高標準，中國鋼鐵工業綠色低碳道路邁出了堅實的步伐，為全球鋼鐵行業低碳轉型提供了重要參考，也得到了全球同行的高度認可。

毛新平表示，鋼鐵材料可持續發展是我國實施“雙碳”戰略的重大現實需求。一是鋼鐵工業是國民經濟的重要基礎產業，2024年全球鋼產量18.83億噸，其中我國10.05億噸，占全球53.4%。二是鋼鐵工業是工業領域重點減碳行業，2023年我國鋼鐵產業碳排放18.25億噸，占全國15.3%，在全球氣候治理和我國推動碳中和戰略背景下面臨嚴峻挑戰。三是鋼鐵材料可持續發展是鋼鐵工業實現減碳的必然選擇，可持續鋼鐵材料以再生鋼鐵為原料，是具有低碳屬性的鐵素資源，在鋼鐵生產中使用1噸廢鋼而非高爐生產的生鐵，可以減少二氧化碳排放約58—64%，降碳潛力顯著。

鋼鐵材料可持續發展對于保障我國資源與產業安全意義重大。一是鋼鐵材料可持續發展可從根本上解決鐵礦石資源的對外依賴，基于再生鋼鐵原料可持續發展是我國從根本上解決鋼鐵工業對鐵礦石資源的依賴，提高鋼鐵產業原材料戰略安全的根本途徑。二是根據再生鋼鐵原料供給發展趨勢，2030年我國廢鋼資源量為3.56億噸，2040年將達到階段性峰值水平4.08億噸。三是根據我國鋼鐵材料需求發展趨勢，隨著國家經濟結構的調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。

鋼鐵材料可持續發展是應對關稅壁壘、提升產品競爭力的重要途徑。一是國際碳關稅壁壘已經形成，從2026年開始歐盟將逐年減少10%的免稅配額直至2035年完全取消，同期要求產品進口者支付碳費用，并逐年提高費率。二是市場對可持續鋼鐵材料需求迫切，以汽車為代表的鋼鐵下游用戶對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，寶馬集團與河鋼集團簽署《打造綠色低碳鋼鐵供應鏈合作備忘錄》，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展的主路線和原動力

碳中和是國家發展戰略，鋼鐵工藝是國家實現碳中和的主戰場，基于再生鋼鐵原料的鋼鐵材料可持續發展是我國鋼鐵工業的必然選擇。但是，由于再生鋼鐵原料中殘余元素種類多，對材料的可制造性及組織性能演變的作用關系復雜，目前缺乏系統研究，嚴重影響了鋼鐵材料的可持續發展。中國工程院院士、燕山大學教授劉日平分析，鋼鐵是國民經濟發展和國防建設用量最多的金屬結構材料，我國巨大的鋼鐵產量帶來了嚴重的能源、資源與環境問題。

能源問題方面，在鋼鐵生產過程以及后期使用過程中，消耗了大量的能源，導致煤炭、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，我國鐵礦石儲量較大，但大多屬于貧礦，且開采難度大，導致我國鐵礦石極度依賴進口，面臨極大的“卡脖子”風險。環境問題方面，鋼鐵工業二氧化碳排放量高，僅生產過程排放量就占全國二氧化碳排放的16—17%，是造成嚴重環境問題的主要根源之一。“從能源、資源、環境等諸方面考慮，減少鋼鐵材料產量、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。

毛新平認為，鋼鐵材料產業發展模式應從重產量、重成本、重性能，逐漸向注重性能、資源能源、環境多維協調的發展模式轉變，而再生鋼鐵原料殘余元素材料性能的危害，本質在于其易偏析偏聚，需要探索對其賦存狀態進行調控的新思路、新方法、新技術。根據國家碳中和戰略和鋼鐵工藝碳中和發展趨勢的重大需求，建立再生鋼鐵原料殘余元素多場協同、潔凈化與高質化利用理論，構建高性能鋼鐵材料設計與制備技術體系、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20余種，具有強偏析偏聚特性，嚴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發展。因此，再生鋼鐵原料高質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，實現可持續鋼鐵材料。”毛新平說。

鋼鐵作為工業革命的支柱性材料以來，輕量化一直是其發展的主路線和原動力。劉日平認為，鋼鐵輕量化主要途徑有四個：一是結構優化設計。在裝備及其零部件的結構優化設計上實現減重，但已經發展到了很高程度，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，應用受到一定限制。三是鋼鐵高強韌化。強韌化一直是材料發展的強大動力，鋼鐵強度由300Mpa增加到200Mpa甚至更高，目前幾乎達到了上限，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，顛覆性創新技術使得鋼鐵跟鈦合金、鋁合金一樣輕。

資源有限，創新無限。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。“輕量化機制較為復雜，鋼鐵材料降低密度的同時造成了一系列技術難題，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用在艦船、汽車、傳動構件、集裝箱、火車轉向架、深地及深海萬米鉆探等領域，為鋼鐵及其相關行業打開了新的一扇窗口，在科學研究、技術開發、工程應用前景廣闊。”劉日平說道。