減碳 70%！鋼鐵業靠 “城市礦產” 破碳關稅壁壘

“十五五”規劃強調，要發展新能源、新材料等戰略性新興產業，并統籌安全與發展。在此背景下，鋼鐵材料作為工業根基，其可持續發展既是全球產業競爭的焦點，更是保障國家資源安全、踐行綠色發展的關鍵，對現代化建設至關重要。

近日，中國科協會刊《科技導報》刊發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《鍛造綠色鋼鐵新質生產力：可持續鋼鐵材料的技術攻堅與產業突圍》。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。

鍛造綠色鋼鐵新質生產力：

可持續鋼鐵材料的技術攻堅與產業突圍

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：“鋼鐵產業是我們國家的重要基礎產業，實體經濟是國民經濟的根基所在。要繼續努力，把短板補上，把結構調優，繼續為中國式現代化多作貢獻。”這一指示不僅為鋼鐵產業轉型升級指明方向，更揭示了鋼鐵工業在國家發展中的戰略定位。

當前，全球產業鏈重構與低碳革命交織，中國鋼鐵工業正處于從規模擴張向綠色循環轉型的關鍵節點。2024年，全球鋼產量18.826億t，是產量最大的金屬材料，中國鋼產量10.051億t，占全球的53%。傳統鋼鐵行業能耗高、排放大，2023年，中國鋼鐵行業碳排放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。

相比以鐵礦石為原料的原生鋼鐵，以廢鋼為原料的可持續鋼鐵材料制造具有減碳60%~70%的潛力。2024年，新央企“中國資源循環集團”成立，習近平總書記作出重要指示，強調“堅持循環利用、變廢為寶，堅持創新驅動”。2025年《政府工作報告》中首次納入“再生材料”的政策信號，體現可再生材料在當前階段國家發展中的關鍵地位。

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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對原生金屬資源依賴，提高關鍵產業原材料戰略安全的根本途徑。據中國地質科學院的統計，2024年中國進口鐵礦石12.37億t，創歷史新高。過高的對外依存度嚴重威脅鋼鐵工業產業鏈安全。發達國家高度重視礦產資源安全，并將再生循環利用作為保障關鍵金屬資源供應安全的戰略共識。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《日本全球資源新戰略》，明確促進關鍵金屬循環再生的戰略意義。2022年5月，歐盟發布的《清潔能源金屬：解決歐洲原材料挑戰的途徑》指出，循環利用是實現歐洲清潔能源關鍵金屬戰略自主的關鍵所在。

隨著國內建筑拆遷、汽車報廢以及各種制造企業產生的廢料積蓄量不斷增長，“城市礦產”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，鋼鐵材料可持續發展對于降低鋼鐵產業礦產資源對外依存度、保障國家礦產資源的戰略安全、提升產業鏈供應鏈韌性和安全水平，將發揮不可替代的作用。

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賦能經濟高質量發展，應對全球碳關稅壁壘

鋼鐵材料可持續發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業市場競爭力至關重要。近年來，西方發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易規則制定權，進而影響全球產業格局及分工。歐盟已出臺《歐盟碳邊境調節機制》《循環經濟行動計劃》等碳壁壘重點法案，鋼鐵等5類產品被納入首批征稅產品范疇，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。傳統鋼鐵材料及其制品，作為高載能、高排放的產品，其國際貿易將受到碳關稅壁壘的直接影響和沖擊。以《歐盟碳邊境調節機制》為例，國內鋼鐵企業主要采用高爐-轉爐長流程，噸鋼碳排放顯著高于電爐為主的歐美發達國家。同時，由于中國和歐盟較大的碳價差，未來中國鋼鐵產品出口歐盟需繳納較多碳關稅，削弱出口企業在產品價格上的比較優勢，進而降低同類產品及產業鏈上下游產品的國際競爭力。

通過鋼鐵材料可持續發展可顯著降低鋼鐵生產過程的碳排放，進而建立新的競爭優勢。碳中和背景下鋼鐵產品下游制造商越來越傾向于選擇可持續和更低碳的鋼鐵材料，例如，汽車行業已明確要求金屬生產商采用更加可持續的生產方法，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。可以預見，可持續發展技術水平的高低將是決定鋼鐵材料行業國際競爭力的關鍵因素。

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搶占技術制高點，培育新質生產力

習近平總書記指出，綠色發展是高質量發展的底色，新質生產力本身就是綠色生產力。鋼鐵材料可持續發展具有綠色化的顯著特征，是最具代表性的綠色生產力。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品低端化的特點。金屬廢料具有成分復雜、雜質元素含量高的特性，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；可持續鋼鐵原料在產生、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；廢料來源廣泛，合金牌號多樣，鋼鐵材料循環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構效應出現，包括大的碳化物和氮化物、金屬間化合物、非金屬夾雜物、帶狀微觀結構特征、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上的使用。

為實現可持續鋼鐵材料的高質化利用，必須構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。

1）殘余元素的去除。

高質化利用的重大挑戰之一，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元素。可持續鋼鐵原料中含有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。傳統的熔體凈化方法無法滿足鋼鐵材料高質化再生利用的需求，必須充分發揮化學冶金方法與多物理場耦合的復場協調效應，發展新的熔體凈化原理與技術。

2）殘余元素的賦存狀態及構效關系。

殘余元素是影響可持續鋼鐵材料組織與性能的關鍵變量，也是鋼鐵材料可持續發展的核心問題。受技術與經濟性的限制，可持續鋼鐵原料由“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及其影響因素，厘清殘余元素對微觀結構和各種性能的影響規律與作用機理，是實現高質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-微觀結構-宏觀性能的系統構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。

3）面向鋼鐵材料可持續發展的新材料新工藝設計。

如何設計并開發出對廢料兼容性好、殘余元素容忍度高的新材料新工藝，并實現在汽車、能源等領域中的高端應用，是高質化利用的第3個重大挑戰。傳統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，抑制其不利的影響，同時充分發揮其有益的作用，提高殘余元素的容忍極限（容限），將可為新材料的設計研發、可持續金屬的推廣應用提供新的思路與選擇。

綜上所述，聚焦高質化利用的鋼鐵材料可持續研究是當前鋼鐵行業技術發展的大勢所趨，是鍛造綠色鋼鐵新質生產力的核心所在。其背后孕育著新興的研究方向，既具有極大挑戰，又蘊含巨大機遇。

供　　稿：科技導報社

責　　編：李蕙帆

審　　核：張敬一

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