“十五五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)，要發(fā)展新能源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并統(tǒng)籌安全與發(fā)展。在此背景下，鋼鐵材料作為工業(yè)根基，其可持續(xù)發(fā)展既是全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，更是保障國(guó)家資源安全、踐行綠色發(fā)展的關(guān)鍵，對(duì)現(xiàn)代化建設(shè)至關(guān)重要。

近日，中國(guó)科協(xié)會(huì)刊《科技導(dǎo)報(bào)》刊發(fā)了我國(guó)金屬壓力加工專家、中國(guó)工程院院士毛新平教授的文章《鍛造綠色鋼鐵新質(zhì)生產(chǎn)力：可持續(xù)鋼鐵材料的技術(shù)攻堅(jiān)與產(chǎn)業(yè)突圍》。我們特此摘錄，以饗讀者。

毛新平，金屬壓力加工專家、中國(guó)工程院院士，主要從事先進(jìn)鋼鐵制造流程和高性能鋼鐵材料研究。

鍛造綠色鋼鐵新質(zhì)生產(chǎn)力：

可持續(xù)鋼鐵材料的技術(shù)攻堅(jiān)與產(chǎn)業(yè)突圍

毛新平

習(xí)近平總書記在2025年初視察遼寧本溪鋼鐵集團(tuán)時(shí)指出：“鋼鐵產(chǎn)業(yè)是我們國(guó)家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，實(shí)體經(jīng)濟(jì)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的根基所在。要繼續(xù)努力，把短板補(bǔ)上，把結(jié)構(gòu)調(diào)優(yōu)，繼續(xù)為中國(guó)式現(xiàn)代化多作貢獻(xiàn)?！边@一指示不僅為鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)指明方向，更揭示了鋼鐵工業(yè)在國(guó)家發(fā)展中的戰(zhàn)略定位。

當(dāng)前，全球產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)與低碳革命交織，中國(guó)鋼鐵工業(yè)正處于從規(guī)模擴(kuò)張向綠色循環(huán)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。2024年，全球鋼產(chǎn)量18.826億t，是產(chǎn)量最大的金屬材料，中國(guó)鋼產(chǎn)量10.051億t，占全球的53%。傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)能耗高、排放大，2023年，中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放18.6億t，占全國(guó)的15%，在全球氣候治理和國(guó)家碳中和背景下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

相比以鐵礦石為原料的原生鋼鐵，以廢鋼為原料的可持續(xù)鋼鐵材料制造具有減碳60%~70%的潛力。2024年，新央企“中國(guó)資源循環(huán)集團(tuán)”成立，習(xí)近平總書記作出重要指示，強(qiáng)調(diào)“堅(jiān)持循環(huán)利用、變廢為寶，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”。2025年《政府工作報(bào)告》中首次納入“再生材料”的政策信號(hào)，體現(xiàn)可再生材料在當(dāng)前階段國(guó)家發(fā)展中的關(guān)鍵地位。

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破解資源困境，保障國(guó)家安全

鋼鐵材料再生是解決鋼鐵工業(yè)對(duì)原生金屬資源依賴，提高關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)原材料戰(zhàn)略安全的根本途徑。據(jù)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院的統(tǒng)計(jì)，2024年中國(guó)進(jìn)口鐵礦石12.37億t，創(chuàng)歷史新高。過(guò)高的對(duì)外依存度嚴(yán)重威脅鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈安全。發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視礦產(chǎn)資源安全，并將再生循環(huán)利用作為保障關(guān)鍵金屬資源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略共識(shí)。美國(guó)能源部在《2023年關(guān)鍵材料清單》中，將電工鋼等列為與能源相關(guān)的關(guān)鍵材料，并認(rèn)為保障關(guān)鍵材料和礦產(chǎn)供應(yīng)鏈安全，對(duì)確保美國(guó)在新一輪科技革命中的領(lǐng)先地位至關(guān)重要。日本于2020年出臺(tái)的《日本全球資源新戰(zhàn)略》，明確促進(jìn)關(guān)鍵金屬循環(huán)再生的戰(zhàn)略意義。2022年5月，歐盟發(fā)布的《清潔能源金屬：解決歐洲原材料挑戰(zhàn)的途徑》指出，循環(huán)利用是實(shí)現(xiàn)歐洲清潔能源關(guān)鍵金屬戰(zhàn)略自主的關(guān)鍵所在。

隨著國(guó)內(nèi)建筑拆遷、汽車報(bào)廢以及各種制造企業(yè)產(chǎn)生的廢料積蓄量不斷增長(zhǎng)，“城市礦產(chǎn)”逐漸作為二次資源釋放出來(lái)，關(guān)鍵金屬再生供應(yīng)潛力將大幅上升。未來(lái)，鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展對(duì)于降低鋼鐵產(chǎn)業(yè)礦產(chǎn)資源對(duì)外依存度、保障國(guó)家礦產(chǎn)資源的戰(zhàn)略安全、提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈韌性和安全水平，將發(fā)揮不可替代的作用。

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賦能經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)對(duì)全球碳關(guān)稅壁壘

鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展是應(yīng)對(duì)全球碳關(guān)稅壁壘的重要技術(shù)路徑，對(duì)于提高中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。近年來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家碳壁壘政策制定步伐顯著提速，旨在爭(zhēng)奪全球應(yīng)對(duì)氣候變化的主導(dǎo)權(quán)及國(guó)際貿(mào)易規(guī)則制定權(quán)，進(jìn)而影響全球產(chǎn)業(yè)格局及分工。歐盟已出臺(tái)《歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制》《循環(huán)經(jīng)濟(jì)行動(dòng)計(jì)劃》等碳壁壘重點(diǎn)法案，鋼鐵等5類產(chǎn)品被納入首批征稅產(chǎn)品范疇，2026年起全面征收碳關(guān)稅。美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家也正在謀劃清潔競(jìng)爭(zhēng)法案等政策法案。傳統(tǒng)鋼鐵材料及其制品，作為高載能、高排放的產(chǎn)品，其國(guó)際貿(mào)易將受到碳關(guān)稅壁壘的直接影響和沖擊。以《歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制》為例，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程，噸鋼碳排放顯著高于電爐為主的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。同時(shí)，由于中國(guó)和歐盟較大的碳價(jià)差，未來(lái)中國(guó)鋼鐵產(chǎn)品出口歐盟需繳納較多碳關(guān)稅，削弱出口企業(yè)在產(chǎn)品價(jià)格上的比較優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而降低同類產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

通過(guò)鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展可顯著降低鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，進(jìn)而建立新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。碳中和背景下鋼鐵產(chǎn)品下游制造商越來(lái)越傾向于選擇可持續(xù)和更低碳的鋼鐵材料，例如，汽車行業(yè)已明確要求金屬生產(chǎn)商采用更加可持續(xù)的生產(chǎn)方法，要求通過(guò)金屬材料再生、采用綠電等方式，減少交付金屬的碳排放。可以預(yù)見，可持續(xù)發(fā)展技術(shù)水平的高低將是決定鋼鐵材料行業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。

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搶占技術(shù)制高點(diǎn)，培育新質(zhì)生產(chǎn)力

習(xí)近平總書記指出，綠色發(fā)展是高質(zhì)量發(fā)展的底色，新質(zhì)生產(chǎn)力本身就是綠色生產(chǎn)力。鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展具有綠色化的顯著特征，是最具代表性的綠色生產(chǎn)力。當(dāng)前，全球每年從消費(fèi)前和消費(fèi)后金屬?gòu)U料中回收約6.3億t鋼鐵，但普遍存在降級(jí)使用和產(chǎn)品低端化的特點(diǎn)。金屬?gòu)U料具有成分復(fù)雜、雜質(zhì)元素含量高的特性，例如廢舊汽車、家電等零部件拆解過(guò)程中黑色和有色金屬難以完全分離；可持續(xù)鋼鐵原料在產(chǎn)生、收集、包裝和運(yùn)輸過(guò)程中易混入廢塑料、油污、灰塵、污泥等非金屬污染物質(zhì)；廢料來(lái)源廣泛，合金牌號(hào)多樣，鋼鐵材料循環(huán)過(guò)程中容易形成元素的累積效應(yīng)。這些因素共同導(dǎo)致再生鋼鐵原料“臟”的特性，并最終導(dǎo)致不期望的微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)出現(xiàn)，包括大的碳化物和氮化物、金屬間化合物、非金屬夾雜物、帶狀微觀結(jié)構(gòu)特征、低熔點(diǎn)共晶、晶界和相界偏析、相變響應(yīng)延遲等，從而嚴(yán)重制約其在高性能鋼鐵材料生產(chǎn)上的使用。

為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)鋼鐵材料的高質(zhì)化利用，必須構(gòu)建完善的科學(xué)技術(shù)體系，從基礎(chǔ)科學(xué)理論和關(guān)鍵技術(shù)入手，解決以下3大挑戰(zhàn)。

1）殘余元素的去除。

高質(zhì)化利用的重大挑戰(zhàn)之一，即在材料冶金過(guò)程中如何高效去除再生金屬原料中的高含量雜質(zhì)元素?？沙掷m(xù)鋼鐵原料中含有Cu、Ni、Cr、Mo和Sn等殘余元素，這些元素由于較高的晶界偏析系數(shù)和較低的熔點(diǎn)，容易在鋼中引起晶界弱化、形成軟相或低熔點(diǎn)相，并在熱軋、彎曲和拉伸載荷條件下發(fā)生晶間斷裂，嚴(yán)重影響高值鋼鐵材料的機(jī)械和功能性能。傳統(tǒng)的熔體凈化方法無(wú)法滿足鋼鐵材料高質(zhì)化再生利用的需求，必須充分發(fā)揮化學(xué)冶金方法與多物理場(chǎng)耦合的復(fù)場(chǎng)協(xié)調(diào)效應(yīng)，發(fā)展新的熔體凈化原理與技術(shù)。

2）殘余元素的賦存狀態(tài)及構(gòu)效關(guān)系。

殘余元素是影響可持續(xù)鋼鐵材料組織與性能的關(guān)鍵變量，也是鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題。受技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性的限制，可持續(xù)鋼鐵原料由“臟”變“純凈”難度很大，或需要付出較為高昂的成本代價(jià)，因而明確殘余元素的賦存狀態(tài)及其影響因素，厘清殘余元素對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和各種性能的影響規(guī)律與作用機(jī)理，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)化利用的前提和基礎(chǔ)。然而，鑒于殘余元素在材料加工過(guò)程中的遺傳效應(yīng)十分復(fù)雜，多組元低劑量條件下殘余元素存在多尺度的微耦復(fù)合效應(yīng)，要想建立殘余元素-微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性能的系統(tǒng)構(gòu)效關(guān)系模型難度極大，這也是當(dāng)前學(xué)術(shù)界面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

3）面向鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展的新材料新工藝設(shè)計(jì)。

如何設(shè)計(jì)并開發(fā)出對(duì)廢料兼容性好、殘余元素容忍度高的新材料新工藝，并實(shí)現(xiàn)在汽車、能源等領(lǐng)域中的高端應(yīng)用，是高質(zhì)化利用的第3個(gè)重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的材料與工藝主要基于原生鋼鐵材料設(shè)計(jì)，不僅對(duì)殘余元素的含量有嚴(yán)格限制，往往對(duì)主合金元素也有精細(xì)的區(qū)分。而廢料成分復(fù)雜、殘余元素含量高的特點(diǎn)，為新材料新工藝的設(shè)計(jì)提供了更廣闊的空間。另外，殘余元素對(duì)材料的影響往往具有多面性。例如，銅元素在鋼中容易因表面富集和晶界滲透導(dǎo)致銅脆現(xiàn)象，但是銅元素也有利于提高鋼鐵材料的耐蝕性能。因此，若能通過(guò)新工藝的開發(fā)，抑制其不利的影響，同時(shí)充分發(fā)揮其有益的作用，提高殘余元素的容忍極限（容限），將可為新材料的設(shè)計(jì)研發(fā)、可持續(xù)金屬的推廣應(yīng)用提供新的思路與選擇。

綜上所述，聚焦高質(zhì)化利用的鋼鐵材料可持續(xù)研究是當(dāng)前鋼鐵行業(yè)技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨，是鍛造綠色鋼鐵新質(zhì)生產(chǎn)力的核心所在。其背后孕育著新興的研究方向，既具有極大挑戰(zhàn)，又蘊(yùn)含巨大機(jī)遇。

供　　稿：科技導(dǎo)報(bào)社

責(zé)　　編：李蕙帆

審　　核：張敬一

值班編委：宋玉榮