大国钢铁，向新而行。回望过去五年，中国钢铁工业在科技自立自强中筑就强国基石，走向更高、更智、更绿的跨越之路。在“十四五”科技发展的宏大坐标中，科学家们以深厚造诣洞察产业前沿，其真知灼见如金石之声，振聋发聩。世界金属导报特设《国士金声》专访栏目，以院士对话为轴，着眼新质生产力，追问突破从何而来、未来向何处去。让我们透过这铿锵之音，感悟中国钢铁的创新律动。本期《国士金声》，我们对话姜涛院士，深度聚焦《氢冶金是解决钢铁生产过程碳排放的终极方案》。
记者：在碳达峰碳中和背景下，氢冶金被视为钢铁行业低碳转型的重要技术方向，您如何看待氢冶金的发展？
姜涛院士：我国钢铁生产规模大，粗钢产量占世界一半以上，钢铁行业碳排放量占我国碳排放总量15%左右，减碳任务十分艰巨。氢冶金是解决钢碳排放问题的终极方案之一。从原理上，传统高炉炼铁以焦炭为能源，匹配转炉炼钢，每生产1吨粗钢约排放1.8吨二氧化碳；采用氢冶金工艺时，副产物是水而不是二氧化碳，可以从根本上解决碳排放问题。但氢冶金的落地，首先要解决“氢从哪里来”这一核心问题。
采用绿电电解水可获得绿氢，然而成本等原因导致当前不能实现大规模应用。
天然气重整制氢，氢含量可达60~70%。中东地区国家以及北美地区部分国家，选择以天然气为能源，以天然气为能源、竖炉还原工艺生产直接还原铁，可被视为一种氢冶金路径。但我国天然气资源短缺，在短期内难以实现。
我国煤炭资源丰富，煤制气也是一种方案。但煤制气行业本身的碳排放量很高，吨氢二氧化碳排放在20吨以上。
我国还有一种十分丰富氢资源——焦炉煤气。我国粗钢产量大，长流程占比高，相应的焦炭产量和消耗量比较大，每吨焦炭副产300-400m³焦炉煤气，我国钢铁生产每年副产焦炉煤气1800亿立方米以上。焦炉煤气中氢含量高达55%-60%，且含有甲烷、一氧化碳等可燃成分。所以，我国采用焦炉煤气发展氢冶金是一种非常现实可行的过渡方案。
总之，国外主要以天然气为气源，我国的现实路径是以焦炉煤气为气源，作为发展氢冶金的过渡方案。这些过渡方案可以为发展绿氢冶金积累经验，一旦大规模低成本绿氢制备技术取得突破，可以快速过渡到绿氢氢冶金阶段。
记者：当前我国钢铁以高炉—转炉长流程为主，您如何看待流程结构的变化趋势？
姜涛院士：综合考虑资源和能源变化、发展趋势，预计未来较长时期内高炉—转炉长流程结构还将还将继续存在。主要有两方面原因，一方面是能源问题，如前所述，要找到可替代的新型绿色能源才能实现流程结构的转变，比如绿氢，但还有待成本上的突破。另一方面是资源问题，随着全球钢铁生产的快速发展，铁矿石资源不断劣化，高炉工艺对原料适应性好，可以高效处理中低品位资源，而氢冶金等新工艺对原料的品质和铁品位要求高，其发展还将受制于资源条件。
记者：您在红土镍矿利用方面有很深造诣，请您介绍一下红土镍矿如何支撑不锈钢与新能源产业协同发展？
姜涛院士：世界早期开发利用的镍资源是硫化矿，但硫化镍矿储量不足，且主要集中在加拿大、俄罗斯等国家。随着过去数十年的开发，全世界范围内硫化镍矿资源日渐枯竭。相对于硫化矿，红土镍矿更为丰富，近二十年来逐渐成为生产不锈钢和新能源的主要原料，2024年全球精炼镍产量约350万吨，其中80%以上的产量来自于红土镍矿，其应用变得越来越重要。红土镍矿中可利用的元素包括镍、钴、铁等，可用于生产不锈钢，也可用于发展新能源材料，比如镍钴锂电池。
2024年全球不锈钢产量6262万吨，其中中国不锈钢产量3944万吨，约占全球总产量的63%。采用红土镍矿发展不锈钢，首先要制备镍铁这种中间产品，主流工艺是预还原-电炉法，通过回转窑预还原，在电炉中熔化为含镍铁水，再进一步脱碳及合金化等精炼处理以制备不锈钢。
采用红土镍矿生产电池材料，主要以湿法为主，即高压酸浸法。该工艺主要存在两方面问题，一是设备材质要求高。生产过程高温高压，浸出温度为250℃左右，压力为4-5MPa，需要钛合金高压釜等特殊设备。二是浸出渣排放量大。红土镍矿中平均镍品位在1.5%左右，每生产1吨镍金属大约产生120吨酸浸渣。
目前，上述两条发展路径均面临挑战，前者主要是镍铁和不锈钢市场饱和问题，后者的发展因为酸浸渣没有有效的处理利用途径受到限制。为此，我们考虑把两个工艺贯通起来，实现两类产业的协同发展，即以预还原-电炉法生产的镍铁为原料，嫁接湿法浸出工艺生产电池材料。该工艺路线仅在红土镍矿冶炼工序产生冶炼渣，镍铁酸浸工序不产生酸浸渣，可实现酸浸渣近零排放。此外该工艺酸浸工序不需要高温高压并实现铁和镍的同步浸出，铁组分可制备成磷酸铁，镍、钴组分可制备氢氧化镍钴，两者均为电池原材料。通过该工艺路线，镍铁既可用于生产不锈钢，也可用于生产电池材料，增强了生产灵活性、市场适应性，实现了不锈钢产业和电池材料产业的协同发展。我们团队与相关企业合作开发的以镍铁为原料制备电池材料工艺在福建实现产业化，该成果通过了2025年中国有色金属工业科学技术一等奖的会议评审。
记者：面对冶金固废、复合矿等特殊资源，在其规模化、高质化利用方面有哪些战略路径？
姜涛院士：冶金固废可以分成两大类，一类是冶金渣，包括高炉渣、转炉渣等，产生量约占粗钢量的40%左右，其处理技术相对成熟，利用率高，只是目前钢渣的处理遇到建材行业限制的新问题，钢协及有关科研和企业目前积极研发钢渣利用的新途径。另一类是含铁固废，包括烧结除尘灰、高炉灰、轧钢铁皮等，产生量约占粗钢量的5~10%，成分中除铁外，通常还含有钠、钾、铅、锌等碱金属或有色金属元素，其利用效果不如冶金渣好。针对含铁固废，最早是通过烧结进行循环利用，但随着含铁固废不断地循环，碱金属不断富集，对烧结以及高炉炼铁的影响越来越大；之后，国内外开始研究采用单独处理方法，比如转底炉法、回转窑法等，实现锌元素的回收利用，铁氧化物转化为还原铁用于高炉冶炼。但此类方法对钠、钾等元素含量高的含铁固废处理效果不好，主要因为还原过程中碱金属易与硅、铝形成低熔点化合物，附着在炉壁形成“结圈”，导致设备被迫停机、正常生产难。总体而言，含铁固废利用的核心问题是实现钠、钾、铅、锌等有色金属以及铁的高效回收和利用，其难点在于钠、钾的处理。针对这一难题，我们做了大量研究工作，比如，包钢含铁固废非常典型，钠、钾含量高，我们与包钢合作通过大量的研究开发出一种新技术，钠、钾脱出率达到96%-97%。目前正推进技术的产业化，一旦成功将显著促进我国含铁固废资源的利用。
关于复合矿资源的利用，主要问题是提高复合矿资源的利用率，可从四方面考虑：第一，加强选矿工作。进一步提铁降杂，使铁精矿中的铁更纯，为低碳炼铁生产奠定基础。第二，发展球团工艺。针对钒钛矿、稀土、铌伴生铁矿等难处理共伴生铁矿的铁精矿，早年主要采用烧结工艺处理制备炼铁炉料，但烧结矿质量差。而近年来的研究发现这些共伴生矿精矿球团在高炉内的还原行为有其特殊性，采用球团工艺处理复合矿铁精矿并用于高炉冶炼具有一定优势，可显著提高复合矿的利用率，当然高炉冶炼渣型和操作制度需要相应调整和改变。第三，选冶流程再造。如钒钛磁铁矿，现有工艺流程中铁钒精矿中的钛和钛精矿中的铁，没有得到很好回收和利用，导致资源利用率低。对钒钛磁铁矿进行铁钒钛共选，然后在冶炼环节实现梯级回收，可大幅提高铁、钒、钛的回收率。第四，发展氢还原工艺。钒钛磁铁矿和稀土、铌伴生铁矿等的氢还原行为与碳还原行为是不一样的，氢还原技术可为提高复合矿资源的利用率提供另一条新的途径。另外，在产业政策方面，关于复合矿资源利用过程中副产铁所涉及的产能问题，这是共伴生复合资源利用过程无法避免的，建议有关部门要统筹考虑，制定特殊政策，以支持产业创新和我国特有的复合矿资源的开发利用。