“十五五”規(guī)劃強調(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)競爭的焦點，更是保障國家資源安全、踐行綠色發(fā)展的關鍵，對現(xiàn)代化建設至關重要。

近日，中國科協(xié)會刊《科技導報》刊發(fā)了我國金屬壓力加工專家、中國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)鋼鐵材料的技術攻堅與產(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、中國工程院院士，主要從事先進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)鋼鐵材料的技術攻堅與產(chǎn)業(yè)突圍

毛新平

習近平總書記在2025年初視察遼寧本溪鋼鐵集團時指出：“鋼鐵產(chǎn)業(yè)是我們國家的重要基礎產(chǎn)業(yè)，實體經(jīng)濟是國民經(jīng)濟的根基所在。要繼續(xù)努力，把短板補上，把結(jié)構(gòu)調(diào)優(yōu)，繼續(xù)為中國式現(xiàn)代化多作貢獻?！边@一指示不僅為鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級指明方向，更揭示了鋼鐵工業(yè)在國家發(fā)展中的戰(zhàn)略定位。

當前，全球產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)與低碳革命交織，中國鋼鐵工業(yè)正處于從規(guī)模擴張向綠色循環(huán)轉(zhuǎn)型的關鍵節(jié)點。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，中國鋼鐵行業(yè)碳排放18.6億t，占全國的15%，在全球氣候治理和國家碳中和背景下面臨嚴峻挑戰(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“中國資源循環(huán)集團”成立，習近平總書記作出重要指示，強調(diào)“堅持循環(huán)利用、變廢為寶，堅持創(chuàng)新驅(qū)動”。2025年《政府工作報告》中首次納入“再生材料”的政策信號，體現(xiàn)可再生材料在當前階段國家發(fā)展中的關鍵地位。

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破解資源困境，保障國家安全

鋼鐵材料再生是解決鋼鐵工業(yè)對原生金屬資源依賴，提高關鍵產(chǎn)業(yè)原材料戰(zhàn)略安全的根本途徑。據(jù)中國地質(zhì)科學院的統(tǒng)計，2024年中國進口鐵礦石12.37億t，創(chuàng)歷史新高。過高的對外依存度嚴重威脅鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈安全。發(fā)達國家高度重視礦產(chǎn)資源安全，并將再生循環(huán)利用作為保障關鍵金屬資源供應安全的戰(zhàn)略共識。美國能源部在《2023年關鍵材料清單》中，將電工鋼等列為與能源相關的關鍵材料，并認為保障關鍵材料和礦產(chǎn)供應鏈安全，對確保美國在新一輪科技革命中的領先地位至關重要。日本于2020年出臺的《日本全球資源新戰(zhàn)略》，明確促進關鍵金屬循環(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)利用是實現(xiàn)歐洲清潔能源關鍵金屬戰(zhàn)略自主的關鍵所在。

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

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賦能經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，應對全球碳關稅壁壘

鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展是應對全球碳關稅壁壘的重要技術路徑，對于提高中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)市場競爭力至關重要。近年來，西方發(fā)達國家碳壁壘政策制定步伐顯著提速，旨在爭奪全球應對氣候變化的主導權及國際貿(mào)易規(guī)則制定權，進而影響全球產(chǎn)業(yè)格局及分工。歐盟已出臺《歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制》《循環(huán)經(jīng)濟行動計劃》等碳壁壘重點法案，鋼鐵等5類產(chǎn)品被納入首批征稅產(chǎn)品范疇，2026年起全面征收碳關稅。美國、英國、加拿大、日本等國家也正在謀劃清潔競爭法案等政策法案。傳統(tǒng)鋼鐵材料及其制品，作為高載能、高排放的產(chǎn)品，其國際貿(mào)易將受到碳關稅壁壘的直接影響和沖擊。以《歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制》為例，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐長流程，噸鋼碳排放顯著高于電爐為主的歐美發(fā)達國家。同時，由于中國和歐盟較大的碳價差，未來中國鋼鐵產(chǎn)品出口歐盟需繳納較多碳關稅，削弱出口企業(yè)在產(chǎn)品價格上的比較優(yōu)勢，進而降低同類產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)品的國際競爭力。

通過鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展可顯著降低鋼鐵生產(chǎn)過程的碳排放，進而建立新的競爭優(yōu)勢。碳中和背景下鋼鐵產(chǎn)品下游制造商越來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，要求通過金屬材料再生、采用綠電等方式，減少交付金屬的碳排放?？梢灶A見，可持續(xù)發(fā)展技術水平的高低將是決定鋼鐵材料行業(yè)國際競爭力的關鍵因素。

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搶占技術制高點，培育新質(zhì)生產(chǎn)力

習近平總書記指出，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。當前，全球每年從消費前和消費后金屬廢料中回收約6.3億t鋼鐵，但普遍存在降級使用和產(chǎn)品低端化的特點。金屬廢料具有成分復雜、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、包裝和運輸過程中易混入廢塑料、油污、灰塵、污泥等非金屬污染物質(zhì)；廢料來源廣泛，合金牌號多樣，鋼鐵材料循環(huán)過程中容易形成元素的累積效應。這些因素共同導致再生鋼鐵原料“臟”的特性，并最終導致不期望的微觀結(jié)構(gòu)效應出現(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、低熔點共晶、晶界和相界偏析、相變響應延遲等，從而嚴重制約其在高性能鋼鐵材料生產(chǎn)上的使用。

為實現(xiàn)可持續(xù)鋼鐵材料的高質(zhì)化利用，必須構(gòu)建完善的科學技術體系，從基礎科學理論和關鍵技術入手，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，即在材料冶金過程中如何高效去除再生金屬原料中的高含量雜質(zhì)元素。可持續(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，容易在鋼中引起晶界弱化、形成軟相或低熔點相，并在熱軋、彎曲和拉伸載荷條件下發(fā)生晶間斷裂，嚴重影響高值鋼鐵材料的機械和功能性能。傳統(tǒng)的熔體凈化方法無法滿足鋼鐵材料高質(zhì)化再生利用的需求，必須充分發(fā)揮化學冶金方法與多物理場耦合的復場協(xié)調(diào)效應，發(fā)展新的熔體凈化原理與技術。

2）殘余元素的賦存狀態(tài)及構(gòu)效關系。

殘余元素是影響可持續(xù)鋼鐵材料組織與性能的關鍵變量，也是鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展的核心問題。受技術與經(jīng)濟性的限制，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，因而明確殘余元素的賦存狀態(tài)及其影響因素，厘清殘余元素對微觀結(jié)構(gòu)和各種性能的影響規(guī)律與作用機理，是實現(xiàn)高質(zhì)化利用的前提和基礎。然而，鑒于殘余元素在材料加工過程中的遺傳效應十分復雜，多組元低劑量條件下殘余元素存在多尺度的微耦復合效應，要想建立殘余元素-微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性能的系統(tǒng)構(gòu)效關系模型難度極大，這也是當前學術界面臨的一個重大挑戰(zhàn)。

3）面向鋼鐵材料可持續(xù)發(fā)展的新材料新工藝設計。

如何設計并開發(fā)出對廢料兼容性好、殘余元素容忍度高的新材料新工藝，并實現(xiàn)在汽車、能源等領域中的高端應用，是高質(zhì)化利用的第3個重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的材料與工藝主要基于原生鋼鐵材料設計，不僅對殘余元素的含量有嚴格限制，往往對主合金元素也有精細的區(qū)分。而廢料成分復雜、殘余元素含量高的特點，為新材料新工藝的設計提供了更廣闊的空間。另外，殘余元素對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，若能通過新工藝的開發(fā)，抑制其不利的影響，同時充分發(fā)揮其有益的作用，提高殘余元素的容忍極限（容限），將可為新材料的設計研發(fā)、可持續(xù)金屬的推廣應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)研究是當前鋼鐵行業(yè)技術發(fā)展的大勢所趨，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)，又蘊含巨大機遇。

供　　稿：科技導報社

責　　編：李蕙帆

審　　核：張敬一

值班編委：宋玉榮