2021年某国钢铁生产和技术

董敬松¹³³³⁷⁸⁸³⁰⁸⁶钢铁材料2022-08-22 16:03886

2021年某国钢铁生产和技术

Production and Technology of Iron and Steel in Japan during 2021

2021年某国钢铁生产和技术

1. 日本钢铁工业概况

2021年是新型冠状病毒(COVID-19)灾难(冠状病毒大流行)的第二年,也是世界各国面临既要阻止感染传播又要同时保持经济活动的艰难挑战的一年。根据对新冠肺炎医学认识的进展和应对措施的实施,有重启经济活动的举措。然而,与以前一样,生活方式仍是冠状病毒大流行期间的典型生活方式,东京奥运会推迟一年举行,然后在没有观众的情况下举行,这是前所未有的现实,随着新冠病毒的变种反复出现,仍然没有希望进入后冠状病毒时代。本文回顾了全球和日本经济的状况,在前一年的不确定性中世界钢铁工业和日本钢铁工业。
2021年,全球经济摆脱了冠状病毒大流行导致的极度经济收缩。与前一年相比世界作为一个整体实际经济增长率在2021年估计为+ 5.9%,美国+5.6%,欧盟+5.2%,中国+8.1%,印度+9.0%和日本+1.6%,这是所有这些国家从2020年以来的一场漂亮的翻身仗,除了中国负增长之外。[1]另一方面,尽管疫情大流行,没有结束的迹象。
在日本经济中,虽然实际经济增长率出现了正增长,但还没有宣布摆脱通货紧缩。[2] 2021年的经济恢复也在发达国家中处于最弱的行列。与其他发达经济体相比,日本的复苏步伐之所以缓慢,是因为日本的独特条件,即在大流行造成的衰退的同时,在对财政刺激和减税抱有很高期望的通货紧缩环境下,日本又提高了消费税。由于日本失去的20”(或失去的30)的长期低实体经济增长率,日本的国际排名正在下降,即使在国际劳动生产率(实际GDP增长/工作人口)的比较中也是如此。[3]日本是国内消费支出是GDP的最大组成项目,[4]岸田文雄第二届内阁公布了创造需求的经济政策,[5]为了实现与发达国家相同的增长水平,预计将继续创造需求。
1显示了2021年粗钢产量前10位的国家,[6,7]2018年以来,顺序没有变化,中国排名第一,印度第二,日本第三。世界粗钢总产量增加到大约为19.5亿吨,比前一年增加了3.8%。中国粗钢产量下降至约10.3亿吨(2020年相比下降了3.0%),而印度则大幅增长至约1.2亿吨(2020年相比增长了17.9%)。有报道称,中国粗钢产量在2020年达到峰值,并将在2022年连续第二年下降。根据全球钢铁产能过剩论坛(GFSEC)部长级报告,[8]结构性钢铁产能过剩仍处于高位,2020年约为6亿吨。

1  粗钢产量前10位国家(单位:百万吨[6,7]

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(e)基于部分数据或WSA以外的数据的值

2021年,日本钢铁行业粗钢产量达到9633万吨,较上年大幅增长+15.8%[9] 2020年,受新冠肺炎疫情影响,日本粗钢产量降至8319万吨(2019年下降16.2%),低于全球金融危机后的8753万吨(2009)。然而,在2021财年,粗钢产量随着经济复苏而增加,仅比1972年以来保持的约1亿吨/年水平低了一点。此外,2022财年国内需求将呈现强劲趋势,预计外需也将与2021财年持平。[10]
受新型冠状病毒感染症(covid - 19病毒)的影响,日本经济恢复,国内钢铁需求增加,供需均衡趋于紧张,价格上涨,海外企业也起到了一定的作用,日本综合钢铁企业整体表现良好。然而,尽管有这种有利的短期环境,在目前的情况下,国内钢铁产品需求的长期增长是不可预期的。在这种情况下,日本钢铁企业继续对国内设施进行结构性改革,并按计划进行关闭高炉、巩固生产基地等工作。另一方面,新日铁制铁公司和日本JFE制铁公司都决定增加电气用钢板的生产能力,并决定建设能够高效生产超高强度钢板的新一代热带钢轧机等针对高附加值生产的设施进行扩充和强化。从长远来看,日本三家综合钢铁企业已经制定并宣布了到2050年实现碳中和的长期愿景。因此,2021年也象征着碳中和现在是钢铁行业最重要的目标。
在技术方面,两个关键词是关注的焦点。正如预期的那样,它们分别是“DX(数字转型)”碳中和。目前,大部分企业正在通过获得钢厂数据通信所需的5G无线基站的运营许可,以及数字人力资源开发等扩大DX投资规模等方式,获得DX业务认证,并在生产现场推进实施。企业也在通过无人机(小型无人机)集成数字技术,收集现场和设备相关的信息(数据),并在生产现场快速部署数字技术。第二个关键词是碳中和。自从首相宣布日本打算在2050年实现碳中和以来,[11]减少钢铁工业的二氧化碳排放也成为技术方面最优先考虑的问题。工业进一步加速努力达到零碳钢铁技术 [12]作为绿色创新基金项目(规模:约2万亿)的一部分,[13]由新能源和工业技术发展组织(NEDO:国家研究和发展署制定的“炼钢工艺采用氢还原项目”其利用基金达到约2000亿元。[14]日本钢铁协会(ISIJ)还举办了全球环境碳极限利用技术的第一次研讨会[15]此外,ISIJ决定建立一个新的钢铁碳中和研究资助体系,[16]以吸引钢铁领域的新的智慧,以帮助积累技术有助于减少二氧化碳排放。并且正在推动超越工业领域框架的以科学为基础的合作。以下从钢铁原材料的趋势、钢铁消费行业的趋势以及日本和世界粗钢生产的状况等角度对2021年日本钢铁产业的环境进行概述。

1.1. 钢铁原材料趋势

三巨头(力拓、必和必拓、淡水河谷)2021年的铁矿石总产量受到冠状病毒危机影响导致开采率恢复速度延迟的影响,同时也受到澳大利亚暴雨的影响,[17]最终总产量为8.4667亿吨,对比2020.年增长0.6%[18~20]
铁矿石(CFR China, Fe 62%)现货价格从20211月的月平均168.13美元/吨大幅上涨至6月的月平均214.55美元/吨,反映出自2020年下半年以来,受冠状病毒危机影响,需求出现复苏趋势。
1显示了铁矿石和炼焦煤年平均进口价格的长期状况,与2020年相比,铁矿石和炼焦煤的进口价格都有所上涨,反映出中国铁矿石和煤炭的现货价格大幅上涨。

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1  世界粗钢产量与进口铁矿石、炼焦煤单价(历年) [6,24]

2显示了东京地区废钢年平均价格(H2)的转变。由于冠状病毒危机期间汽车产量减少、建筑物拆除等导致废钢产量减少,以及中国为实现其“30-60目标而增加了废钢进口,废钢价格(H2)202012月的月平均1.8万日元/吨迅速上涨到202112月的月平均4.2万日元/吨,这是过去10年的最高价格。[25,26]

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2  东京地区废钢历年平均价格(H2) [25]

1.2. 钢铁消费行业的趋势

根据《钢铁供求季度报告》和日本汽车工业协会、日本造船工业协会、日本电器工业协会的网站,2021年钢铁消费行业的趋势大致如下。详情请参阅日本钢铁联合会(JISF)、国土交通省(MLIT)和相关行业协会的原文或网站。
[土木工程]在公共土木工程方面,由于日本政府实施了“防灾减灾、国家恢复力5年加速措施,承揽的订单量比去年有所增加。在民间土木工程方面,从上一财政年度开始复苏,当时由于冠状病毒的影响,需求下降,主要是制造业和运输业。在整个土木工程领域,预计从2020财年开始,钢铁产品的消费量将略有增加。
[建筑业]预计到2020财年,建筑业的住宅和非住宅建筑钢材需求都将超过这一水平。在住宅建设领域,随着住宅购买支持措施的出台,预计自住住宅的需求将大幅增加,在地段(房地产小区和公寓)销售领域,由于新冠肺炎疫情的扩散,独立住宅的销售也在增加。由于这两个因素的影响,预计新屋开工总数将比去年增加。在非住宅建筑方面,2020财年期间,为应对冠状病毒大流行的蔓延,经济活动受到限制,需求下降。然而,在本财政年度,随着经济的重新开放和人口广泛接种疫苗,办公楼、商店、工厂等的建设已逐步恢复,预计从2020年开始整体增加。因此,预计整个建设领域的钢材消费量将比去年有所增加。
[造船]随着船舶价格的上涨,接单环境(出口船舶合同量)正在好转。截至202010月底,手头的工作量也减少到大约1年,即1403万吨总吨位,但现在又回到了约1.6年的积压状态。出口船舶合同数量正在恢复,但由于订单和建造之间的时间滞后,以及许多船舶将在2022~2023年完工,预计2021财年的新建筑开工(铺设新龙骨)和钢材消费量都将比上一财年减少。
[汽车]尽管需求强劲,但由于供应无法跟上需求,预计国内销量将低于2020财年。受新型冠状病毒感染症(Covid-19病毒)导致零部件供应中断的影响,所有汽车企业的工厂接连停产,预计从2020财年开始,国内生产将保持不变。尽管许多国家的需求强劲,但由于所有制造商产量下降的影响,整车出口预计从2020财年开始将持平。虽然由于汽车零部件供应短缺,钢铁产量持平,但预计钢铁消费量将增加,受装配件(KD)等出口的支持。
[工业机械]无论是日本还是其他国家,新冠肺炎大流行后的经济复苏都可以看到,企业的资本投资也有增加的趋势。2020财年受新冠肺炎疫情影响的反弹增长将持续到本财年,特别是在外部需求复苏的支撑下,建筑机械、金属加工机械和机床正在逐步复苏。根据这些趋势,预计钢材消费量将超过上一财年。
[电机]虽然家用电器和消费电器产品的生产近年来一直保持在较高的水平,但预计会下降。在重型电机方面,在2020财年因冠状病毒大流行而大幅下降,以及日本和海外汽车生产和资本投资复苏的背景下,出现了增加的趋势。在工业电子领域,可以看到电子计算机和类似设备的需求周期结束,但由于5G需求主导的电信设备的强劲趋势,预计工业电子和电信设备领域将超过2020财年。在此基础上,预计钢材消费量将超过上年。

1.3. 日本粗钢生产

在新冠肺炎疫情需求复苏的支撑下,2021年日本粗钢产量为9633万吨,同比增长15.8%[8]由于土木工程、建筑、机械和汽车行业的国内需求复苏,以及经济活动恢复带来的全球钢铁需求增加,产量较2020年有所回升。但没有达到2019年大流行前的水平,[28]因为最近采取了整合设施的措施,比如关闭了新日铁的高炉。尽管存在各种风险因素,包括新型冠状病毒变种的影响、全球供应链中断、原材料费用大幅上升、美中贸易摩擦和中国经济趋势,但预计2022年国内外需求都将出现强劲趋势。[8]
按炉型分,转炉钢产量7194万吨(比上年增长16.0%),电炉钢产量2439万吨(比上年增长15.4%),电炉钢占比25.3%(比上年下降0.1%)(3)。按钢种类型分,普通碳钢产量7391万吨(比上年增长12.4%),特钢产量2242万吨(比上年增长28.6%)(4)2014年以来特钢连铸率基本稳定在95%左右。[8,29]

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3  日本粗钢历年产量 [9,29]

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4  普通钢、特殊钢粗钢产量及连铸比 [29]

1.4. 世界粗钢产量

1显示了世界前10个国家以及整个世界粗钢产量的状况。2021年世界粗钢产量19.5143亿吨,相比上一年的1 8.8041亿吨增长3.7%[6]粗钢产量的主要国家中,中国粗钢产量同比下降了3.0%,为10.3279亿吨,而第2印度生产1.1823亿吨,或比前一年增长了17.9%,第3是日本,恢复到9633万吨,较2020年增长15.8%。除其他外,尽管欧盟和北美和南美地区的粗钢产量在2020年大幅下降,但在2021年,这些地区的产量恢复到与2019年大致相同或更高的水平。
印度2021年粗钢产量1.1823亿吨,自从2017年连续5年超出1亿吨。[6]尽管负面因素,包括新冠状病毒的回潮,由于减少了半导体的短缺,前几年汽车销量的减少,汽车增加造成粗钢在2021年春天以来继续增长的一个条件。[30]2022年财政年度,春季以来的由于人口流动性增加和新冠病毒变种的涌入,感染风险再次增加,这导致人们担心经济活动可能暂时停滞。然而,由于广泛使用疫苗等,经济活动正在正常化,可以看到商业环境正在逐步恢复稳定的感觉。由于预计2022年的实际GDP增长率将达到+7.6%,因此预计钢铁需求也将保持稳定。

2. 技术和设备

作为日本金属材料工业面临的问题,经济产业省(METI)确定了以下几点:i) 用户对材料需求的复杂性和多样化;ii) 海外竞争对手迎头赶上,国内需求减少,能源和环境限制减少;提出的技术发展战略包括:材料设计技术的发展、制造技术的发展、分析和评估技术的发展、人力资源的培训、利用数字数据的预防性维护、开发资源和能源的有效利用技术。[32]加强国内制造业基础的战略包括预防工业事故、通过业务重组增强竞争力、应对能源和环境问题以及应对数字化带来的变化。一项全球战略是资源循环,包括回收利用,以应对与原材料供应有关的风险。日本的钢铁制造商也在推动技术发展和引进符合这些方向和问题的设备。
近年来,数字化、网络化在全球范围内快速发展,物联网、人工智能、传感器、生物认证、机器人等科技不断进步。利用这些成果的技术开发正在得到促进,特别是在monodzukuri(日式制造)领域。日本在《第5次科学技术基础计划》中将实现世界上第一个超级智慧社会的努力定义为社会5.0”,并将科学技术成果渗透到所有领域和地区,以创造新产业和社会变革为目标。随着信息空间”(网络空间)现实空间”(物理空间)不断融合,并延伸至心理空间”(大脑等),网络空间信息数据的获取、整合、分析和平台化变得至关重要。同样在钢铁行业,各大综合钢铁企业也在继续努力,通过应用AI技术,解决生产现场的操作和设备维护、研发和生产开发等问题。
在此背景下,日本钢铁行业正在稳步推进满足用户需求的产品开发,如开发具有高成形性的超高强度钢来与其他材料竞争,同时也在考虑材料之间的合作,如通过将不同类型的材料结合在一起的复合材料来追求新的价值。
在应对全球变暖的对策中,日本的目标是到2050年实现碳中和,它宣布了到2030财年将温室气体(GHG)2013年的水平上减少46%的目标,并提出了一个理想的未来模式的长期愿景。包括能源部门和工业部门,在其《巴黎协定下的长期战略作为增长战略》中。[33] 日本钢铁行业也宣布将接受零碳钢作为脱碳的挑战,并已经开始了各种努力。
以下将按钢铁技术领域介绍ISIJ支持成员在技术和技术主题方面的主要趋势。

2.1. 炼铁

2021年生铁产量为7034万吨,较前一年增长14.2%,但较2019年下降6.1%[8]作为生产系统的一部分,新日铁于20219月关闭了濑户内工场的1号、2号高炉和1号、2号烧结厂,关西工场和山工场的1号高炉、5号焦炉和5-1号烧结厂。和歌山地区4号焦炉原定关闭时间从2022财年上半年推迟至2024财年年底。新日铁还宣布,将在2024财年结束前关闭东日本制铁(East Nippon Works)3BF2ABCD焦炉和3号烧结厂。由于这些举措,到2021年底,日本有21座高炉投入运行,比2019年底减少了4座。其中包括14个运行中的高炉,其内部容积为5000m3或更大。
在设备改造方面,新日铁完成了名古屋厂3号焦炉的维修,JFE钢铁完成了西日本厂仓市区4号高炉的加固和西日本厂福山区3号焦炉B室的维修。
在技术开发方面,作为与日本钢铁、神户制钢、日本金属研究开发中心(JRCM)共同进行应对不可避免的贫铁矿石的创新、整合高级钢种冶炼工艺的一部分,新日铁在其Hasaki研究开发中心完成了小规模试验工厂的建设,并于2022.1月开始验证试验。[34]

2.2. 炼钢

2021年粗钢产量为9633万吨,比2020年增长15.8%,但比2019年下降3.0%[9]作为上述对新日铁生产系统的审查的一部分,濑户内工厂库尔地区的炼钢设施于20219月关闭。除了将于2022财年上半年关闭的关西厂和山地区3号连铸机部分设备外,新日铁还宣布,计划在2021财年末(20223月底)关闭东新日厂Kimitsu地区的1号连铸机。为了引进新设备,JFE钢铁公司在西日本厂仓市区引进了新的7号连铸机。
由于中国环境法规的加强,自去年以来,由于供求紧张而导致的价格上涨已变得明显。此外,2021年,由于中国电力短缺,作为镁质耐火材料原料的镁砂和作为氧化铝耐火材料原料的熔凝氧化铝的产量也大幅下降,加剧了采购焦虑,尤其是对熔凝镁砂采购的焦虑。[35]
同样,硅铁、镍、锰和作为脱氧材料的市场价格也在上涨,[26,34]伴随钢铁生产的复苏,石墨电极的价格也呈现上涨趋势,因为原料针焦的价格再次上涨,这些都是导致炼钢成本上升的因素。[36,37]
JFE钢铁利用碳氢燃料烧嘴冶炼铬矿石还原工艺获得第53(2020财年)一村工业杰出成就奖,建立废旧耐火材料闭环回收技术获得2021财年资源回收技术与系统奖和经济部工业科技政策与环境局局长奖

2.3. 钢铁产品

2.3.1. 薄板

在汽车钢板领域,为了进一步提高燃油经济性和减少二氧化碳排放,迫切需要使用更高强度的钢板来减轻汽车车身重量,从而使降低钢板厚度成为可能,而高抗拉强度钢板的应用也在不断扩大。然而,由于强度与成形性之间的权衡关系,迄今为止,强度在980 MPa及以上的高强度薄板产品的应用范围仅限于形状简单、易成形的零件。
为了克服这一问题,新日铁开发了一种剪切成形方法,该方法适用于成形具有鲜明特征的S形零件,如汽车零部件的前件和后件。通过模拟技术对模具中钢材的行为进行了分析,发现通过改变钢材的毛坯形状和变形方式可以避免裂纹和起皱,为使用超高强度材料时形成复杂形状提供了可能。这一技术被各大汽车企业采用,在世界上首次在难以成型的前车体上采用了1180 MPa级更高强度的钢。
此外,新日铁还开发了一种冲压成形技术,利用模拟技术对汽车车身零件中常见的具有L形或T形曲线或连续凸缘的复杂形状进行冲压成形过程中材料变形的最优控制,并获得了第53届市村工业杰出成就(贡献奖)。与传统工艺相比,成形过程中的材料变形量减少到50%或更少,使得将超高抗拉强度钢板成形为具有复杂几何形状的零件成为可能。
另一方面,JFE Steel开发了一种针对1.5 GPa (1 470 MPa)HTS的回弹抑制成形方法,该方法在冷冲压成形汽车结构件中具有世界最高强度水平,该方法被用于车顶中心加固。由于高温高压成形时钢板的回弹量比普通钢板大,所以要想在回弹后得到正确的零件形状,必须对模具形状进行更精确的设计,但提前制作模具成本极高且耗时耗力。利用包辛格效应,JFE Steel提出了一种减小压成形过程中影响回弹的残余应力的方法。
但是,如果将超强度材料应用在前、后侧构件等需要吸收碰撞能量的部件上,会导致部件受到冲击发生屈曲,或者在弯曲变形过程中基材断裂,无法获得必要的能量吸收。为了克服这一问题,使超高强度技术能够应用于吸能部件,JFE Steel开发了一种多材料结构,其中由超高强度技术制成的部件本体和由薄钢板制成的部件之间夹有一种高延展性、高附着力的树脂。当吸能部件在碰撞过程中发生屈曲或弯曲时,树脂的夹心极大地扩大了变形区域的弯曲半径,并且由于超高强度部件不断裂,使得该部件的吸能能力大幅提高。作为一个额外的优势,在旅行中产生的振动被树脂广泛地减少,它很容易吸收振动。
JFE钢铁公司为高强度钢开发了一种热连轧工艺(以下简称无头轧制)。高强度钢的无头轧制是通过带钢集卷箱连接技术实现的。该技术在东日本工厂(千叶区)的热连轧带钢轧机中得到应用,有助于提高热轧带钢的生产率和稳定高强度钢的质量。
在具有冲压成形性能的同时,为了提高车身的耐久性,高强度、薄规格的车身零件也必须具有耐腐蚀性能。JFE钢铁公司正在推动具有优良成形性能的高抗拉强度镀锌钢板(以下简称HTS GA)的发展,并因开发了采用创新气氛控制的热镀锌薄钢板制造技术而获得了教育、文化、体育、科技部部长科技表彰(发展类)JFE钢通过精确控制制造过程中的气氛,成功地抑制了钢板表面的强化元素浓度,从而消除了这一缺陷的来源。因此,现在有可能增加强化元素的添加,生产590980 MPa级无表面缺陷的HTS GA钢板,同时提高伸长率,这是一项冲压成形性指标,与传统钢相比约提高20%
JFE Steel因开发了一种适用于高速电机的节约硅合金梯度磁钢片而获得2020Steelie奖。世界钢铁协会每年都会颁发7个奖项。JFE Steel获得了2020年度创新奖项,该奖项表彰了新型硅梯度钢在减少环境负荷和提高生产率等领域做出贡献的创新技术的发展。该新产品通过优化钢片厚度方向上的Si浓度梯度,同时实现低高频铁损耗和高磁通密度,从而实现更高的效率和更紧凑的设计。JFE钢铁公司也是第一个获得斯蒂尔奖的日本钢铁企业。
20213月,神户制钢在其Kakogawa Works冷轧带钢厂开始商业运行连续热镀锌线(3CGL)CGL 3号生产线是冷轧钢板和热镀锌(镀锌)钢板的联合生产线,具有最先进的热处理功能。除了扩大公司的生产能力外,新工厂使其能够响应未来对更高强度和更高成形性的需求。

2.3.2. 钢板

在钢板领域,新日铁开发出了用于船体的抗碰撞、耐触底接地的高延展性钢板,并获得了国土交通省颁发的第三届日本开放创新大奖。船舶碰撞造成的石油泄漏对海洋环境造成巨大污染,为了通过改善钢铁材料的性能来减轻船舶损伤,新日铁通过尽可能减少和弥散分布炼钢过程中的杂质和夹杂物,开发出了这种比传统钢材高50%的伸长率值的新型高延性钢,并通过利用热机工艺来细化微观组织,消除影响伸长率的因素,实现理想的冶金结构。
JFE钢铁公司开发了世界上第一块高热量输入焊接的780 N/mm2级钢板,并获得了建筑结构用低屈强比780 N/mm2级钢板的部长级认证,它主要应用于高层建筑钢框架柱低层段的焊接组合箱形柱,其高强度和高变形能力(低屈强比)的结合有助于确保建筑的抗震安全。与传统结构相比,研发的这种钢板可以建造更高的大楼结构和更大的跨度,也提高了设计的自由度,例如,通过确保较低楼层大的开放空间成为可能。由于高热量输入焊接成为可能,新产品也响应了建筑行业日益严重的施工现场焊工短缺对节省人力的需求,在箱柱焊接方面实现了大幅缩短焊接时间。采用新引进的淬火设备,通过成分设计和冷却控制,同时实现了高强度和低屈强比。

2.3.3. 钢管

北极光合资公司(以下简称JV)采用了新日铁生产的高合金OCTG(石油管材)无缝管,该公司是由挪威国家石油公司(Equinor ASA)(总部:挪威王国)牵头的欧洲北海CCS(碳捕获与存储)项目。该合资公司的目标是将一项服务商业化,该服务将从挪威和邻国城市地区工业排放的废气中收集二氧化碳,并将其运输到一个中间存储设施,然后通过管道运输到海上100公里处,注入位于海底2600米下的地下储层。在海底注入二氧化碳时,对注入高浓度液化二氧化碳的钢管有较高的耐腐蚀性要求。新日铁开发的高合金石油管材OCTG具有优良的耐腐蚀性能,即使在高浓度二氧化碳环境下使用也不会产生腐蚀。合资企业已经开始工作,目标是在2024年开始运营。虽然到目前为止新日铁已经提供了大约130根钢管(1550)的碳钢OCTG,但该合资公司最近也下了高合金OCTG的新订单。供应计划于202110月开始,总共将涉及约120根钢管(1390)
新日铁和住友株式会社共同被评为2020年年度设备供应商,该奖项由荷兰皇家壳牌集团(以下简称壳牌)每年评选一次,世界上每年只有一家公司被选为该奖项的获得者。这是新日铁继2015年之后第四次获得该奖项,2018年、2019年、2020年已经连续3年获得该奖项。
该奖项授予对壳牌发展和生产目标做出最重要贡献的供应商,并推进壳牌到2050年实现温室气体净零排放的目标。该奖项的颁发是基于对新日铁持续供应壳牌必要和不可缺少的钢管的评估,以高水平的准时交付性能,从而为保持壳牌的竞争力做出了关键贡献。

2.3.4. 棒材,型材和铸造和锻造用钢

新日铁开发的用于桥梁电缆的环保型超高强度线材制造技术在2021财年获得了教育文化体育科学技术部部长科学技术奖(发展类)。传统上,用于悬索桥主缆的桥用钢丝由一家钢铁企业提供的高碳钢线材生产,线材厂家对该材料进行加热,将材料浸泡在熔融铅浴中进行热处理,调整其冶金结构和抗拉强度(以下简称LP工艺),然后进行拉丝和镀锌。但是,由于LP工艺的低生产能力和国家政府对铅的环保规定,生产不使用LP工艺也可以拉丝的线材的呼声很高。
在这次开发中,新日铁在世界上首次成功地开发出了一种桥梁钢丝用线材,这种线材无需LP工艺就可以通过有效添加硼和钛进行拉制,这在该应用中是史无前例的,目的是避免形成降低线材延展性不利的微观组织,以及在轧制后立即将材料浸入熔盐浴中进行DLP(直接在线专利)来调整材料的微观结构和拉伸强度。
日本钢铁工程机电有限公司在其Muroran工厂的3000吨压力机上引进了由Lazorkin Engineering(乌克兰)开发的四模锻造装置(FDFD)FDFD可以通过同时施加垂直和水平压力的四模锻实现圆坯和方坯的简单四面锻造,使锻造时间缩短40%之多。

2.3.5. 钢铁材料清洁度评定

三洋特钢开发了清洁度评价技术,进一步提高了特钢产品的可靠性。为了提高钢材料的疲劳强度,必须减少非金属夹杂物的存在数量,而非金属夹杂物是疲劳断裂的根源。然而,由于高洁净度钢中存在非金属夹杂物的概率较低,因此有必要对高洁净度产品的评价进行更大的体积量来测评。常规的显微观察和超声探伤技术难以在短时间内准确地评价夹杂物的最大尺寸和各类夹杂物。为解决这一问题,三洋特钢使用较大体积量的钢进行来调查钢中最大的夹杂物,采用原来试样用的材料,加大试样的尺寸,采用氢脆和超声疲劳试验相结合的方法诱导疲劳断裂,开发了一种快速、准确的测量技术。将极值法的统计量应用于多种测量结果,也使估计钢材料中最大夹杂物的尺寸比过去有了更高的精度。

2.4. 测量/控制/系统

在测量相关技术方面,JFE钢铁将自行走机器人与超声波探伤仪相结合,研制出了钢板自动超声波探伤机器人,并在东日本工厂庆浜区中板厂的钢板轧机探伤过程中引进了3台设备。该机器人采用室内高精度自定位识别系统,通过识别自身位置与机器人在钢板上应移动的目标位置的差异,在目标路线上自动移动的同时进行超声波探伤。由于从实际探伤操作到判定合格与否的所有过程都可以实现自动化,因此探伤可靠性与在线自动探伤相当,替代人工探伤工作的自动化设备提高了探伤可靠性和工作效率。此外,检测结果自动存储为数字数据,有助于提高可追溯性,简化质量趋势管理。机器人的体积和重量都减少到一个人就能举起和移动运输的程度,使用性也得到了显著提高。JFE Steel还将基于人类视觉感知的图像处理技术应用于在线检测,开发了中板表面纹理分析检测系统。传统的图像式表面检测方法,在一些情况下,由于对比度差小的缺陷难以检测,因此无法避免人工肉眼检测,但随着该方法的发展,自动检测成为可能,可以自动检测传统技术难以自动检测的只有微小的对比度差异的缺陷。该系统基于人的视觉感知,计算拍摄到的图像与不同长度和方向的条纹图案之间的相似程度,并对结果进行统计评估,通过将条纹图案与正常部分之间的差异量化为异常程度来识别缺陷部分。该系统已应用于西日本厂仓市区热镀锌钢板的生产过程中,通过自动化目视检测确保钢板表面缺陷的检测,有助于提高钢板表面质量。
日本钢铁联合会收集了钢铁企业的需求,并在内阁府规制改革/行政改革国务大臣的领导下,成立了放宽无人机高度限制和明确无人机许可标准的协调小组,并作为政府与民间的合作,与相关机构进行了协商和安排,经过这些努力,在一定条件下,对与居民区划清界限、全面实施安全和预防犯罪控制的地区放宽了规定。以此为基础,钢铁企业可以在以前限制飞行高度(150米以上)的检查中更多地使用无人机,通过无人机自动操作对广阔的区域进行检查,在钢铁企业的码头岸边的海边飞行,对码头和设备进行检查。
在运营支持系统领域,JFE 钢厂开发了一种基于数据科学技术检测钢铁厂设备异常迹象的系统,并将该系统引入了包括西日本工场和东日本工场在内的所有地区的热轧带钢厂。该技术于2018财年首次在西部日本工厂仓市区热连轧带钢厂引入,已证实其故障预防效果相当于50小时/年或以上(可以避免产量为3万吨/年或以上的损失)。公司正在全范围内推进最优模式的发展,将该系统推广到所有地区,使所有地区都能轻松共享。该系统通过大数据分析技术,从电流、压力、流量、温度、振动等数据开始,对代表设备运行状态的海量数据进行分析,并将正常运行时与标准值的偏差程度作为异常程度,从而提前预防故障的发生。该系统不仅仅局限于过去经历的麻烦,还可以用来防止意外的麻烦。此外,将异常程度随时间的变化与其量级相对应,可以快速识别发生异常的设备或部件,从而采取适当的维护措施。今后,JFE钢铁公司将把该系统发展到从炼铁炼钢开始的其他生产环节,通过提前预防设备故障,进一步提高生产效率。
JFE钢铁公司开发了一套优化钢铁厂铁矿石物流计划的系统。公司独创了一套库存布置图规划系统,将对稳定运行影响较大的区域(如配调频率高的矿石等)生产的矿石进行存储和分散,并每天从大量的可能的库存布置图中选择堆场最少的模式。因此,现在可以通过计算在大约1分钟或更少的时间内完成,在几个月的时间内准备最佳的堆场操作计划。通过该系统的引入,对铁矿堆场作业计划进行了优化,实现了物流效率的大幅度提高和稳定运行。该系统已经在该公司福山地区的西日本工场(West Japan Works)推出。未来,JFE还将在炼焦煤和其他钢铁厂部署该系统,并计划在全公司范围内推进优化,涵盖从原料采购到回收、排放到下一工序的整个原料管理流程。
新日铁获得了经济产业省制定的“数字转型(DX)认证企业认证。日本政府以信息处理便利化法为基础,对符合数字治理规范基本要求的企业进行认证。新日铁在202135日发表的中长期经营计划中,将推广DX战略作为四大支柱之一。新日铁的目标是,通过充分利用数据和数字技术,进行生产和业务流程的革新,成为钢铁行业的数字先进企业

2.5. 建筑及土木工程

在建设领域,爱知钢铁在国际不锈钢论坛(ISSF)年会上,在爱知天空博览国际会展中心安装的垂直绿化圆柱体获得了最佳发展奖(发展奖)铜奖。由于会展中心位于中部国际机场所在的机场岛上,为了满足抗风压、抗盐损、抗风化的要求,采用了不锈钢材质。垂直绿化圆筒安全可靠,实现了高设计效果的垂直绿化,同时也降低了设施建成后的维护成本。
在建筑材料中,出现了许多钛合金的应用实例。在京都清水寺大殿的保存和修复工作中,在广岛市久雷市龟山神社刻有捐赠者姓名板的屋顶上,在中祖寺大殿的屋顶瓦片上,都使用了新日铁生产的钛合金建筑材料。新日铁以设计为导向的钛及钛合金生产线获得了由日本设计振兴院主办的2021年优秀设计奖,这是该奖项首次在世界上授予有色金属材料。公司设计的钛合金产品线,以钛的材料特性为特色,寿命长(100年以上)、重量轻、强度高、环保性能好,材料表面的光泽和颜色由加工控制的表面性能、阳极氧化等控制,由材料本身提供的色相和色调来设计。
在环保方面,新日铁开发了一种使用钛氧化物的可见光响应型光催化钢板。氧化钛是一种光催化剂,在可见光照射下,其表面表现出强烈的氧化作用,具有抗病毒、抗菌、除臭和抗过敏的作用。这种光催化功能被添加到镀膜钢板的设计性能、耐腐蚀性能、耐指纹性能和其他性能中,并在加工产品中保持,因为光催化层在成形后仍然存在。由于冠状病毒大流行还提高了卫生意识,预计在大量陌生人聚集或交叉路径的环境中,对该产品的需求将增加。
在土木工程领域,环境保护方面的努力也很明显。在与Obayashi CorporationPozzolith Solutions的联合项目中,新日铁开发了适合现场施工的地聚合物混凝土,并将这种材料应用于该公司东日本工场(East Nippon Works) Kashima地区高温环境下的挡土墙(钢筋混凝土结构)修复。地聚合物混凝土的主要原料是粉煤灰(粉煤灰)和高炉矿渣细粉,与普通混凝土相比,地聚合物混凝土具有更高的耐热性,同时也具有优良的环保性能,其生产过程中产生的二氧化碳不到常规产品的1/4。另一方面,由于它的高粘度和硬化速度快,很难在狭窄的空间内浇筑或用于修复大截面的结构。在这种开发中,通过使用Pozzolith Solutions开发的特殊外加剂,可以满足建筑工作中使用的流动性和室温固化时的强度。神户制钢和Pozzolith Solutions还联合开发了一种地聚合物试验产品,与普通混凝土和砂浆相比,它可以在生产过程中减少二氧化碳排放,比传统产品具有更高的流动性和强度,适用于多种应用。此外,神户制钢还通过生产过程中使用后碱溶液的有效利用、高炉细渣等,促进了成本的降低。在与日本东北大学(Tohoku University)和日本大学(Nihon University)的联合开发项目中,JFE Steel开发了一种原始的地聚合物,除了在施工期间具有流动性和固化后的强度外,还具有较高的抗冻性。
新日铁开发了一种新型的高耐蚀镀锌钢板,其耐蚀性能比传统的高耐蚀镀锌钢板和后涂镀锌钢板更高,广泛应用于土木工程和社会基础设施领域。在公司进行的测试中,钢板构建的耐腐蚀性能与高耐腐蚀的镀锌钢板和热浸镀锌钢板(GI)相比有明显提高。市场对高耐蚀性的需求并不局限于在项目中不断地需要省略过程和节省劳动力,以提高日本的国家韧性,应对社会基础设施老龄化和劳动年龄人口减少。随着世界范围内可再生能源的需求迅速增加,在特别恶劣的环境下安装的项目以及在沿海地区和高温、高湿条件下使用的材料的各种应用中,高耐腐蚀性能也有望得到广泛的应用。

2.6. 环境与能源

2.6.1. 日本政府关于气候变化的国际谈判和努力

据国际能源机构(IEA)分析,为了将全球气温升幅控制在2℃以内,有必要在2070年之前实现温室气体净零排放。在国家层面,瑞典在20176月成为第一个宣布净零排放目标的国家。2019年,欧盟制定了到2050年在欧盟地区实现净零排放的目标,日本、中国、韩国等亚洲国家相继宣布了2020年下半年的净零排放目标。虽然美国于202011月正式退出《巴黎协定》,但20211月上任的新总统拜登签署了一项旨在减少温室气体GHG排放的行政命令。美国还重新加入了《巴黎协定》,并宣布了到2050年在整个经济中实现净零排放的目标。
由于冠状病毒大流行,《联合国气候变化框架公约》第26届缔约方大会(COP26)202110月底至11月在英国格拉斯哥举行。《格拉斯哥气候协定》宣布,将继续努力将全球平均气温升幅控制在工业革命前水平的1.5℃以内。其他成果包括就基于《巴黎协定》第6条的市场机制实施指南达成协议,以及完成《巴黎协定》规则手册。[38]
在日本,政府于20165月制定了以《全球变暖对策促进法》为基础的全球变暖对策计划,全面、有计划地推进全球变暖对策。该计划的中期目标是在2013财年的基础上,到2030财年减少26%的温室气体排放,长期目标是到2050年减少80%的温室气体排放。20196月,日本内阁府通过了《巴黎协定长期战略作为增长战略》,目标是在本世纪下半叶尽早实现脱碳社会,并再次呼吁努力在2050年前减少80%的温室气体排放。
202010月,时任首相菅义伟宣布2050年,日本将致力于将温室气体排放减少到净零,即实现碳中和、脱碳社会[11] 20213月,内阁批准了上述《促进全球变暖对策法》的修订,4月,首相菅义伟宣布,日本将把2030财年的温室气体减排目标与2013财年相比提高到46%。除了制定雄心勃勃的目标,即在2030财年前减少46%的碳排放,这与日本在2050年的目标一致,首相还表示,日本将继续努力迎接更高50%的碳减排挑战。今年10月,《应对全球变暖计划》5年来首次修订,并审议了《巴黎协定长期战略增长战略》。《长期战略》提出了“理想的未来模式”的长期愿景,目标是实现“2050年碳中和,其基本概念是,应对全球变暖的措施不会限制经济增长,而是积极实施全球变暖措施,将导致产业结构和经济社会的改革,从而实现大幅增长。作为各部门的愿景和各部门的对策和方案的方向,在能源部门,长期战略提出了多选,包括利用可再生能源作为日本的主要能源,减少火力发电的二氧化碳排放,推广CCSCCU和碳循环,实现氢能社会、电池、核能、节能等,以促进能源转型和脱碳。在工业领域,建议的方向包括使用无二氧化碳氢,例如,在挑战零碳钢时,作为脱碳制造”,以及由CCU改变原料,人工光合作用和其他生物质利用。《长期战略》还提倡通过不连续的创新来加速绿色增长,而不是简单地对传统技术进行线性延伸,并将日本社会重新设计为一个可持续的、有弹性的经济社会,以实现脱碳社会。

2.6.2. 日本钢铁工业的努力

JISF正在继续《京都议定书》第一承诺期最初实施的钢铁工业自愿行动计划,推动低碳社会承诺——第一阶段目标为2020财年。为了预测到日本2030财年的国家自主贡献(INDC)的设定,日本国际科学研究院于201411月建立了低碳社会承诺的第二阶段,同样以2030财年为目标,并努力实现第二阶段。这些自愿活动的基本概念有四个支柱,包括生态过程生态产品生态解决方案三个生态[39]  2020财年,参与低碳社会承诺的企业二氧化碳排放量(BAU为单位)15233万吨,2020财年修正排放量(考虑生产构成比变化和固定电力排放因子)150.55万吨。这比2005财年的基准减少了648万吨,大大超过了300万吨的目标,减少了348万吨。2019财年钢铁工业排放总量为1.5亿吨。
生态过程是为了钢铁生产过程中的节能和二氧化碳减少而设计的,而生态产品通过提供高性能钢铁产品来减少产品使用阶段,生态解决方案通过转让和扩散日本钢铁工业实际开发和应用的节能技术来在全球范围内减少二氧化碳。日本钢铁工业作为创新技术发展,主要从事创新炼钢工艺(COURSE50)的开发和创新炼铁工艺(-)的开发。表2显示了碳中和行动计划的目标(前称:承诺建设低碳社会)[39]

2  JISF碳中和行动计划的目标39)

2021年某国钢铁生产和技术-钢铁百科

*1 BAU一切照旧简称;在这些目标值中,它指的是假定粗钢生产在这些阶段的二氧化碳排放量,与基准年2005财政年度相比

*2 500万吨二氧化碳减排目标中,除了继续承诺以节能及其他自助活动为基础减少300万吨二氧化碳外,只有与2005财政年度基线相比增加的废物收集量等相等于实际减少的量

*3 建立二氧化碳储存的基础设施,确保商业设备的经济合理性

除了上述第二阶段的努力外,201811月,日本钢铁工业联合会制定了新的日本钢铁工业联合会减缓气候变化长期愿景,以实现零碳钢,着眼于2030年以后(最远延伸至2100)的长期未来,其形式与日本在《巴黎协定》下的长期战略即增长战略相一致。对钢铁工业2100年的二氧化碳排放量进行了6种长期气候缓解情景的试验计算,范围从一切照旧”(BAU)超级创新技术的开发和应用。在创新技术开发中,如进程50Ferro-coke创新技术的实际应用,预计自然资源路线的CO2排放量将减少10%(不包括CO2储存的影响)。然而,仅靠这些努力是不可能实现《巴黎协定》所规定的长期水平的,这表明超越这些技术的超级创新技术是必要的。[12]
20212月,日本钢铁工业联合会公布了《日本政府关于2050年碳中和的日本钢铁工业基本政策》,称日本钢铁工业支持日本到2050年实现碳中和的雄心勃勃的政策,将积极迎接实现零碳钢的挑战,为日本政府的政策做出贡献。具体而言,钢铁行业将继续通过生态解决方案生态产品等形式的技术和产品,以及通过生态过程创新技术发展等措施减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放,但由于实现零碳钢铁是一个极其困难的挑战,钢铁行业也将采取一切可能的手段,探索多种途径。包括目前正在进行的努力,利用进程50和铁焦结合CCUS(二氧化碳捕获、利用和存储)大幅减少高炉的二氧化碳排放,开发超级创新技术的挑战,如氢还原炼铁等,扩大使用废钢,回收未使用的中低温废热和使用生物质。实现这些目标所必需的外部条件包括稳定、大量供应零排放氢气和零排放电力以及经济合理的CCUS。此外,行业要求政府制定国家脱碳战略,设计开发推广体系和制度设计,并提供资金支持。[40]
202110月,日本经济产业省(METI)制定了钢铁行业脱碳过渡财政技术路线图(以下简技术路线图”)。该技术路线图提出了基于科学依据,被认为是实现2050年钢铁行业碳中和所必需的技术。在这些技术中,除了在当前条件下可以使用的节能、高效等可靠的低碳技术外,还结合日本政府的各种政策和国际情景,提出了未来的创新技术,并给出了背景和时间轴,图5显示了这些技术的路线图。[41]

2021年某国钢铁生产和技术-钢铁百科

5  钢铁工业脱碳技术路线图 [41]

高炉系统:节能/提效技术:AI-IoT的运用/废热和副产品气体利用/WtE(塑料,轮胎等)/废钢利用/下一代焦炭/焦炉改善效率创新/高生成率产生系统,等等
炼铁焦炭
氢还原炼铁(利用现场产生的氢),氢还原炼铁(利用外部氢资源)
二氧化碳捕捉和分离
连铸-轧钢:节能/提效技术:工艺固化和改进/废热利用/改进烧嘴/安装高产设备,等等
改善热传导,使用节能技术。
热能储存技术    使用免碳电能
电弧炉:节能/提效技术:高生产率电弧炉/烟气温度回用,等等。
冶炼中去除有害元素/采用大电炉     使用免碳电能
直接还原:直接还原(使用天然气)
直接氢还原(基于天然气和氢气),直接氢还原。
脱碳方法(包括与其它工业协作)

  • 为低碳来追求效率和节能

  • 建设H2能源基础设施,利用外部H2来减少焦炭的使用。

  • 利用海藻来替代焦炭

  • 利用CCUS和他工业协调一致达到脱碳目的。


  • 利用无碳能源,(新能源,无碳热能,无碳电能等。)

  • 替代高炉技术,去除原料中的杂质,达到高炉吃富矿的冶金洁净度水平。


  • 直接还原炉,CCUS与其它工业协调一致部分使用天然气脱碳。


*1由于一些条件(生产规模和质量、成本等)不满足,在国内没有实施。

*2国际能源署估计该技术将在2030年实现,但技术路线图考虑到氢基础设施的建立确定了实施年份。

*3有助于脱碳的产品(生态型产品,未在P8中列出)未列在技术路线图中,尽管可以是用于过渡金融的收益。

2020-2021财年,新日铁、JFE钢铁、神户制钢和JRCM开展了名为零碳钢开发”(NEDO:新能源和工业技术发展组织)NEDO可行性研究项目,确定了氢还原炼铁技术的开发和实际应用问题,并制定了实现零碳钢的研发路线图。在NEDO公开提供的绿色创新基金项目/铁和炼钢过程中氢的利用项目中,四个合作伙伴共同提出了开发用于高炉的氢还原技术和开发仅使用氢还原低品位铁矿石的直接氢还原技术,并于202112月入选。该项目计划在2021-2030财年为期10年,总预算为1935亿日元。研发项目如表3所示。

3  “钢铁及炼钢工艺氢利用项目”研发项目

2021年某国钢铁生产和技术-钢铁百科

采用电弧炉炼钢的大同钢铁、爱知钢铁、三洋特钢等特钢企业的二氧化碳排放量低于采用高炉炼钢的综合钢铁企业,但由于电力和城市燃气的二氧化碳排放量占其总排放量的80% - 90%,这些企业的重点是燃料脱碳和电力脱碳。

2.6.3. 几家公司的努力

2021年,日本三家综合钢铁企业以日本政府制定的日本钢铁产业2050年碳中和基本政策为基础,分别发表了到2050年实现碳中和的愿景,三家企业都将其定位为管理的首要问题。新日铁建立了环境品牌标志,代表公司优先开展的零碳钢活动,并通过这一环境品牌标志在日本和海外积极宣传其环境管理措施,特别是在零碳钢方面的努力。为了促进碳中和,JFE Steel加强了内部管理结构,成立了新的专业部门。这些举措包括成立碳循环发展部,以促进碳循环高炉和CCU甲醇合成的基本技术的发展,以及绿色原料部,以开发适合于直接还原法的原料,并确保有助于减少二氧化碳的外部铁源。JFE钢铁公司还成立了一个碳中和推进委员会,负责统一讨论和决策,快速、高效地落实与碳中和有关的组织和项目的重大问题,如钢铁新工艺开发、绿色原材料采购、中长期目标制定等,进一步加快实现碳中和的步伐。
神户制钢将工程业务的天然气直接还原铁炼铁技术与钢铁业务的高炉操作技术相结合,证明该集成技术可以大幅降低高炉过程中的二氧化碳排放。202010月,在该公司Kakogawa工厂使用大型高炉(4844m3)进行了为期约1个月的验证测试。在验证试验中,将天然气直接还原铁炼铁工艺获得的大量的热压铁块(以下简称HBI)送入高炉,证实了决定高炉CO2排放量的还原剂配比可由518 kg/t铁水稳定降低至415 kg/t铁水(相当于比常规工艺减少约20%CO2排放)。神户制钢还实现了世界上最低的焦炭比(239kg /t铁水),为利用现有技术以低成本降低二氧化碳的解决方案提供了前景。
由神户制钢的全资子公司美国公司Midrex Technologies, Inc.和许可方Paul Wurth S.A组成的财团,从俄罗斯公司Mikhailovsky HBI有限责任公司获得了使用天然气的HBI(热压铁块)生产工厂的订单。该工厂将由Mikhailovsky在俄罗斯库尔斯克地区的Zheleznogorsk新建,将拥有世界上最大的HBI产能,达到208万吨/年。该装置的特点包括降低能源消耗和环境负荷,设计还设想在未来完全过渡到氢作为还原剂。该项目计划于2024年上半年开始运营。该财团还完成了一个250万吨/年的产能工厂,该工厂于2016年为阿尔及利亚卡塔尔钢铁公司在阿尔及利亚的贝拉拉钢铁厂订购,并已开始向该公司的电弧炉使用直接还原铁(DRI),使用新工厂生产的DRI,钢铁厂计划通过在工厂的电弧炉中熔化DRI,然后进行连铸和连轧,生产大约200万吨/年的钢筋和线材。作为该设备的特点,该工艺具有良好的节能性能和生产率,由于DRI装置与电弧炉连接,使得具有一定温度的直接还原铁直接从DRI装置进入到电弧炉成为可能。MIDREX是全球领先的环保型天然气炼铁工艺公司,全球份额约为80%(约为所有还原铁的60%),全球有90多家工厂在运营,为全球实现碳中和的绿色社会做出了贡献。
日本碳捕集与再利用(CCR)研究小组船舶碳回收工作组”(WG)成员新日铁、JFE钢铁、日本海司京海(ClassNK)等证实,甲烷化技术产生的碳回收甲烷可被认定为零排放船舶燃料。在沿海钢铁厂,几乎所有的原材料进口和向日本和海外市场运输的钢铁产品都是通过船舶运输的,通过分离和捕获钢铁厂排放的二氧化碳,并将这些二氧化碳合成的甲烷用作船舶燃料,可以减少整个钢铁供应链中的二氧化碳排放。
在“NEDO可行性研究计划/未知领域挑战2050”中,新日铁、大阪城市大学和东北大学开发了世界上第一个绿色催化工艺,在不使用脱水剂的情况下,从常压CO2和二醇直接合成脂肪族聚碳酸酯二醇。为了使从高炉和其他来源排放的常压CO2作为原料发生反应,该小组开发了一种固体催化剂系统,使从CO2合成聚合物成为可能,而不需要使用脱水剂,必须回收和再利用。研究小组发现,如果在常压下吹入CO2,利用化学产物或二醇与水的沸点差蒸发除去水分,则不需要使用脱水剂,而且在研究的金属氧化物中,铈氧化物(CeO2)催化剂的活性最高。
新日铁还参与了中部地区的“氢利用研究小组”,以研究供应链的建设,以实现稳定的、具有成本效益的大量氢供应,以实现零碳钢,以及为此目的所需的基础设施的实施和维护。在迄今为止的活动中,该集团对中部地区各个工业部门的氢的潜在需求进行了试验计算,验证了从海外来源接收氢到日本用户的供应链,并验证了氢的可转换成本。最近,该研究结果被收录在了《中部地区2030年大规模使用氢的可能性研究结果和未来计划》中。未来将通过该小组与其他行业合作提出政策建议。
JFE Steel与必和必拓签署了一份关于在钢铁制造过程中实现低碳的举措的谅解备忘录。两家公司将利用澳大利亚煤炭进行联合研究,包括高炉工艺原材料加工技术和直接还原铁生产的研究,以促进减少二氧化碳排放的有效技术的发展。通过这项联合研究,两家公司的目标是建立一项创新技术,该技术将在钢铁行业的整个供应链中实现二氧化碳排放的大幅减少。另一方面,自201812月以来,JFE钢铁公司一直在与Chugoku电力株式会社、千叶电力株式会社(JFE钢铁公司与中国电力的合资企业)就开发天然气火力发电厂进行可行性研究,但由于该项目被认为缺乏可行性,研究中止,千叶电力公司解散。
新日铁与日本CCS株式会社、日本工程促进会、伊藤忠商事株式会社共同提交了NEDO公开招标项目“CCUS技术研发与示范/ Tomakomai大规模CCUS示范/ CO2运输示范试验,并中标。该示范项目涉及研究和开发长距离、大容量、低成本的二氧化碳运输技术,规模为100万吨/年,从二氧化碳供应区运输到使用和储存地点,目的是通过示范试验和相关研究建立液化二氧化碳的船舶运输技术。具体而言,新日铁和伊藤忠将以CCUS为目的开展海上运输的可行性研究,并将研究包括钢铁厂在内的各种大规模排放源的二氧化碳运输的商业模式,以实现二氧化碳捕获和运输业务。
新日铁与新日铁化学材料股份有限公司、JRCM共同申请了“NEDO可行性研究计划/新能源与环境技术可行性研究计划/追求蓝碳(海洋生态系统碳储存)的供应链建设技术开发并入选。该项目旨在利用沿海钢铁厂生产碳中性的海洋生物质(海藻),并构建本地生产、本地消费的新型供应链,在炼钢过程中使用海洋生物质。该项目将研究利用海洋生物质作为碳源(木炭和碳材料)用于钢铁制造过程。在海洋生物质生产方面,该小组将研究利用利用钢铁厂产生的铁和钢渣在海藻床层培养的技术来积极培育海藻。由于这项关于海洋生物量作为碳中和材料的研究是世界上第一个此类研究,该项目的目的是通过开发上述基本技术并进行可行性研究,包括总经济和二氧化碳减排效果,从而创造一条通往示范阶段的道路。
JFE Steel申请了NEDO委托项目碳循环与下一代火电技术开发/二氧化碳减排与利用技术开发”(项目期限:2021 - 2024财年),通过了以下两个项目: 1)利用二氧化碳合成甲醇优化系统的开发”(与地球创新技术研究院(RITE)合作)中,旨在推进变压吸附(PSA)法低成本二氧化碳分离技术和水膜反应器技术的发展,使二氧化碳高效合成甲醇。并构建包括水预处理设备和甲醇合成反应产生的水的循环利用的最优总系统。由于某钢铁厂高炉煤气具有CO2浓度较高、含COH2为次要成分的特点,因此我们的目标是通过最大限度地利用这些特点来实现低成本、高效率的甲醇合成。2)快速、大量碳化钢渣固定CO2创新技术研究与开发”(与爱姬大学合作)中,JFE Steel将开发一种创新技术,将燃煤工业排放的CO2吹入高温炼钢渣中,使大量CO2在炼钢副产品炼钢渣的氧化钙成分中短时间内固定碳化。同时,通过回收CO2固定后的气体热量来提高能源效率,在整个过程中最大限度地实现CO2固定量和CO2减少量。碳化钢渣用作路基材料,是一种需求量较大的应用。
在同一个NEDO项目中,神户制钢与神钢生态解决方案有限公司共同申请了利用炼钢渣开发CO2固定工艺并入选。几乎100%的钢渣被有效地用于土木工程和建筑材料产品中,其中大量产品被日本《绿色采购法》(官方名称:《国家和其他实体采购环保产品和服务促进法》)指定为公共工程项目的指定采购项目,作为减轻环境负荷的产品。由于钢渣中的钙等碱组分容易与CO2发生反应,作为一种有用的固碳材料,钢渣也引起了人们的关注。但是,提高铁渣中CO2固定后的化学产物碳酸盐的利用价值,对提高铁渣中CO2固定技术的经济性具有重要意义。由于钢渣中除碱成分外还含有杂质,提高碳酸盐的纯度是提高其利用价值的一个挑战。在各类钢渣中,炼钢渣中碱成分的含量特别高。因此,神户制钢正在推动以炼钢渣为重点的CO2固定技术的发展,目的是进一步为减少环境负荷做出贡献。
JFE钢铁公司与广岛大学在广岛大学建立了联合研究课程(第二阶段)”,旨在实现可持续发展目标(SDGs)和贡献社会。日本钢铁公司和广岛大学原本在2011年签署了一份全面协议,共同致力于研究利用钢铁生产过程中产生的钢铁渣作为改善海洋环境的材料。2018年启动联合研究课程(第一阶段)”,研究范围新扩大到土地上使用的肥料领域。日本钢铁公司和广岛大学在这两个领域推动了钢铁渣材料的开发和有效性验证。两家机构旨在通过这些努力,加快铁、钢渣这一可循环资源的有效利用技术的实际应用,早日实现社会落地。
作为代表企业的新日铁将在日本2025年世界博览会协会(大阪世博会)和大阪商工会议所主办的示范试验中,进行钢管桩的使用和超弱地基的地基改善试验。地基改良是以钢渣为原料,通过调整配方,调整粒径,制备钙矾改进剂,以提高混合软质疏浚土强度的一种技术。为有效利用含有碱成分的炼钢渣,将炼钢渣作为海洋环境修复的材料。
Wuhai Baojie新能源材料有限公司生产锂电池负极材料的工厂,JFE化工股份有限公司开始运营。该公司是由JFE化工与中国宝武钢铁集团有限公司下属的宝武炭素材料科技有限公司共同出资组建的合资企业。中国现在已经成为世界上最大的电动汽车市场,未来电动汽车和其他形式的电动汽车(xev)也有望增加。针对锂离子电池负极材料的需求,公司以国内电动汽车和固定式蓄电池产品为核心,从2022年下半年开始全面销售负极材料(产能:10000/)。通过此次合资,JFE化工将为实现可持续社会和低环境影响,获得新的生产基地的针焦基锂离子电池负极材料。
新日铁于201912月获得了可持续管理促进组织(SuMPO)认证的“EcoLeaf”环境标签,从轧辊形成H形状开始,现在已经获得了总共21种产品的认证,包括大截面外形尺寸固定的H型钢、马口铁、无锡钢、层压钢板、油田管用钢(OCTG)、管线钢、焊接轻型H型钢和建筑结构用板,其次是20222月的钢筋和线材产品。在所有案例中,这些产品线获得EcoLeaf认证在日本都是第一次。EcoLeaf计划是一个国际认证系统,通过使用LCA(生命周期评估)技术,考虑产品从资源提取到制造、分配、使用到处理或回收的整个生命周期,公开定量的环境信息。客户可以根据这些信息,客观地评价其所使用产品生命周期中的环境负荷。正在积极推进符合“可持续发展目标(SDGs)”的钢铁产品可回收性高、环境负荷低的环保性能得到积极的提升。
JFE钢铁和日本日铁联合获得了物流环境大奖特别奖(日本物流运输协会赞助)。在从其西部日本工厂福山区运输带钢卷到JFE物流公司的东京配送中心的过程中,JFE钢铁公司使用了特殊的船只,其中带钢卷在船上带有装载托盘,但由于宽窄不一的带钢卷不能稳定地装载在托盘上,这些产品已经由拖车在陆地上运输了734公里的距离,因此,JFE建立了一种运输方法,通过使用专用的框架,可以稳定地捆扎带卷,防止在航行过程中出现产品坠落等问题,并将运输工具切换为定期轮渡,往返于乌野港(冈山县Tamano)和千叶中央港(千叶,千叶县),因此陆路运输距离缩短至87公里(福山-云野63公里+千叶中心港-东京配送中心24公里)。这项工作不仅将拖车司机的实际驾驶和待机时间缩短了76%,而且还成功地减少了22%的运输过程中的二氧化碳排放,得到了高度评价。
爱知钢铁与爱知物流股份有限公司共同获得“2021财年绿色物流合作伙伴大会”“优秀绿色物流计划”“绿色物流合作伙伴大会特别奖。在这种案例中,两家公司努力解决低载荷率航线的可视化问题,并在整个配送网络中进行物流整合,以应对载荷短缺等航运业务面临的挑战。因此,可以将载荷率提高20%,并大大减少行程次数,从而实现210/年的二氧化碳减排。这一成就被高度评价为通过整合跨分销渠道的物流来减少环境负荷的一个案例。

3. 技术贸易与发展

3.1. 技术贸易

6表明2020财年钢铁工业的技术出口收入下降到2018财年的水平,[42]因为2019财年对北美出口大幅增加的影响不再是一个因素。与前一年相比,技术进口的支付大幅下降,2020财年的支付为5亿欧元,是过去10年最低的金额。

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6  钢铁技术贸易平衡 [42]

3.2. 研究经费与研究人员人数

以下三项是根据统计厅、总务省出版的《日本研究统计调查结果纲要》中各统计表表3“公司研究活动中的数据整理的。结果如图7~9所示。[43]

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7  销售额与研究支出之比的趋势

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8  10,000名雇员中研究人员人数的趋势 [43]

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9  人均研发支出趋势(1000万日元/)  [43]

与上一财年相比,所有行业的研究支出与销售额之比持平,但钢铁行业的研究支出与销售额之比有所下降。2016财年以来,虽然整个行业的科研支出占比变化不大,但钢铁行业的科研支出占比变化较大。在2020财政年度,钢铁行业比上一财政年度下降约0.1个百分点,这相当于研究支出减少约¥100亿/年。
[每万名从业人员中固定研究员人数]在整个行业中,2017财年该项目变为增长,但自2019财年开始连续两年下降。在钢铁行业,该指数在2011财年之前一直呈上升趋势,在2011财年达到最高值,但在2012财年有所下降。尽管此后一直保持在同一水平,但在2020财年出现了相对较大的下降,每10000名员工中固定研究人员的数量为321名。
[普通研究员人均研究支出]过去4~5年,整个行业的研究结果大致保持不变,但在2020财年略有下降。在钢铁行业,与上一财政年度相比,每位研究员的支出有所下降,但自2014财政年度以来,近20年来一直处于最高水平(3600万日元/)

3.3. 利用公共资金进行研究与开发的趋势

在钢铁相关技术开发项目中,主要持续项目为“零碳钢开发”(2020-2021财年,管理机构:NEDO)应对铁矿石不可避免的退化的创新和集成高级炼钢工艺基于热科学的创新节能材料加工技术”(2019-2021财年,管理机构:NEDO)环境协调化炼钢工艺技术开发- (STEP2)”“CCUS技术研究、开发与示范加氢站技术开发”(均为2018-2022年,管理机构:NEDO)超先进材料超高速发展基础设施技术项目”(2016-2021年,管理机构:NEDO)METI/NEDO创新结构材料的研究与开发”(2013-2022财年,管理机构:NEDO)“Mille-Feuille结构的材料科学-新强化原则指导下下一代结构材料的开发”(2018-2022财年)。新项目包括绿色创新基金计划/铁和炼钢过程中的氢利用”(2021 - 2030财年,管理机构:NEDO)可持续钢结构基础设施和使用技术的高性能钢材料研究与开发”(2021财年,管理机构:NEDO)。表4显示了由公共资金开展的与钢铁有关的研究和技术发展课题的主要项目。其中许多项目涉及工艺、环境/能源和材料发展领域。
4  主题利用公共资金在钢铁行业的例子

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NEDO: New Energy and Industrial Technology Development Organization新能源和工业技术发展组织
MEXT: Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology教育、文化、体育、科学技术部

4. 技术领域人力资源开发

日本钢铁研究所(ISIJ)持续开展企业人力资源培训项目(钢铁工程研修班、钢铁工程研修班专题课程、高级钢铁研修班)和学生人力资源培训项目,开发跨行业人力资源。
作为学生的人力资源开发项目,ISIJ除举办了多年的“学生钢铁研讨班”外,还于2011财政年度接管了产学研人力资源开发合作伙伴计划,为硕士班学生举办了钢铁工程概论研讨班,为本科生举办了高级钢铁体验研讨班。然而,与上一财年相比,企业人力资源培训项目和学生培训项目在2021财年都受到了冠状病毒大流行的严重影响。
在针对学生的人力资源培训项目中,以参观工厂为主的“高级钢铁体验研修班”取消了所有活动,原因是无法安排在公司的钢铁厂接待学员,而且在行程中可能会被感染也是一个问题。而“钢铁工程概论研讨会”和“学生钢铁研讨会”则是在网上举行的,因为这些研讨会以讲座和讨论为中心,共有45名学生参加。
在企业人力资源课程中,钢铁工程研修班和钢铁高级研修班因因为营地问题而全部取消。钢铁工程研讨会专题课程方案的5门课程通过网络进行,共有64人参加。
11所高校举办了钢铁企业高层管理人员的企业高层专场讲座9所高校举办了钢铁工业协会高层管理人员的钢铁技术专场讲座。这些讲座活动共吸引了约1 900名学生。

5. 技术创新活动在ISIJ

钢铁工业学会开展的活动包括调查与钢铁生产技术有关的技术资料,查明技术发展问题,并以属于钢铁工业学会的技术委员会和跨学科技术委员会为中心开展旨在解决这些问题的活动。
此外,20184月成立了钢铁行业全球变暖减缓技术委员会(简称:CGS),并对有助于减少钢铁行业二氧化碳排放的技术进行了广泛的研究。工作组在总结迄今为止的活动后,于2021财年末结束其活动。在接受CGS的建议后,在2022财年成立了一个新的碳中性钢委员会,以澄清ISIJ作为一个整体(不仅限于技术协会,也包括学术部门)应该处理的工作。

5.1. 技术委员会

技术委员会促进在其指定领域开展与钢铁生产相关的活动,定期举行委员会会议,将目前的关键问题作为共同和重要议题进行积极讨论(5)。与2020财年一样,2021财年技术委员会的活动受到冠状病毒大流行的严重影响,但在2021财年,举行在线定期会议的委员会数量有所增加。尽管有这些限制条件,通过各种新方法在信息交换平台上寻找连续性的行动可以看到。
5  生产技术科技创新活动的主要组织机构

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2020财政年度只有405人参加,但在2021年中有1610人参加,包括通过互联网参加的人,这一数字还包括来自大学等的39名参与研究人员,而2020财年为零。
也可以看到恢复各种青年人力资源培训计划的行动和各技术委员会各自专题的活动,但仍难以开展与国际交流有关的活动。

5.2. 跨学科技术委员会

跨学科技术委员会(5)研究跨学科和行业间问题,4个委员会活跃。从2021财年开始,这些活动也受到了冠状病毒大流行的影响,因此,会议、研究报告和其他委员会活动都是通过互联网进行的。
在跨学科技术委员会“控制非均匀性以提高现代结构钢的力学性能”会议上,由于冠状病毒大流行,无法在2020财年如期举行会议。因此,原定于2021财年完成的报告活动期延长了1年,现在报告将于2022财年完成。
在“汽车用理想钢材”交叉学科技术委员会上,日本汽车工程师协会(JSAE)、日本金属材料研究所、日本钢铁工业协会(ISIJ)在网上举行了联合研讨会,并与JSAE就特殊钢的氢脆问题进行了讨论。
在“压力容器材料”跨学科技术委员会中,“钢材料标准研究工作组”和“先进耐热钢工作组”继续开展各自的工作,并在其2020财年前活动的基础上,先进耐热钢工作组开始了第二阶段的研究。
“钢结构用结构钢及其相关技术”跨学科技术委员会从2021财年开始开展活动。该委员会主要研究与新建筑、扩建和改进措施、设计和执行以及运营和维护(O&M)有关的问题。特别是,以《土壤污染对策法》相关问题为中心举行了讲座。

5.3. 研究补助金及研究小组

国际科学研究院研究经费的相关制度如表6所示。在钢铁研究促进拨款中,28个新项目(包括12个年轻研究人员的项目)被选为获奖者,并在2021财年开始接受拨款。加上2020财年开始的35个项目,2021财年共开展了63个基于赠款主题的项目。
6   ISIJ研究基金系统

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2021财年,19个研究小组活跃起来,包括5个在该年度完成其活动的小组。因冠状病毒大流行而未能如期开展活动的12个研究小组的活动期延长了1年。在2021财年开始新活动的研究小组中,有4个项目涉及第一研究小组(“种子类”)的活动。将从2022财年开始工作的研究小组包括研究一组的5个小组和研究二组的2个小组(“需求类型)

ISIJ研究项目中,有两个新项目从2021财年开始,而没有新项目从2022财年开始。


参考文献

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43) Portal Site of Official Statistics of Japan (e-Stat): 2021 Survey of Research and Development – List of Statistical Tables, Companies / 11 / Industry, Number of persons employed in R&D, intramural expenditure on R&D, R&D funds received and R&D funds paid outside (Business Enterprises), (Dec. 17, 2021), https://www.e-stat.go. jp/ dbview?sid=0003320423, (accessed 2022-02-09).

作者

E-mail: technica@isij.or.jp
唐杰民20227月在安徽黄山屯溪翻译自某国<ISIJ International>6月期刊。这是一篇技术经济类文章,对管理是门外汉,翻译不准不妥之处请各位看官见笑,多多给与指正。


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  • 天人合一(2024-04-15 15:06:42)回复取消回复

    钢材的知识真的很博大精深,学习中......

  • 锅炉厂(2024-04-15 15:06:42)回复取消回复

    这外材料的锅炉管你们仁成钢管厂好不好做?

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