4次重大技術創新給現代鋼鐵工業帶來了哪些變化
發布時間:2024-09-03
新聞來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網
Abstract
This paper reviews the development of the steel industry since the 20th century and points out the importance of strengthening technology innovation. There is a greater need to improve production efficiency, reduce production costs, improve product quality, enrich product variety and establish environmentally friendly and sustainable modern steel factories, in order to meet the challenges and opportunities during the energy revolution.
當前，我國鋼鐵企業面臨著前所未有的困難與挑戰。渡過艱難時期，既要調結構、降產量，又要加強科技創新。
回顧20世紀以來現代鋼鐵工業的發展成果，加強技術創新非常重要。未來，鋼鐵行業需要進一步提高生產效率，降低生產成本，提升產品質量，豐富生產品種，建立環境友好、可持續發展的現代化鋼鐵廠，迎接能源革命的時代挑戰和發展機遇。
鋼鐵冶金學
孕育現代鋼鐵工業
目前，鋼鐵材料仍是全球應用最廣泛、價格最便宜、綜合性能最優良的基礎材料。通常材料水平反映時代特征：石器時代數萬年，鐵器時代3000多年，而鋼時代僅短短300多年，卻帶來了翻天覆地的變化。鋼鐵材料的發展得益于鋼鐵冶金學的進步，鋼鐵冶金學孕育出現代鋼鐵工業。
17世紀—18世紀文藝復興解放思想，推動了以牛頓經典力學為代表的科學革命，也誕生了鋼鐵冶金學科。鋼鐵生產從口授身傳、師徒相繼、經驗積累的傳統技藝轉變為理論科學指導下的技術發明與創新，逐步形成了近現代鋼鐵工業。
鋼鐵冶金學是研究從礦石提取有價金屬或其化合物并將之加工成材料的應用性學科。鋼鐵冶金學中氧化與還原理論奠定了煉鐵與煉鋼的基礎理論：高爐用碳還原鐵礦石生產鐵水，煉鋼用氧氧化鐵水還原產生的磷、硫、硅、錳等雜質。以鐵—碳相圖為基礎的金屬學，闡明控制不同碳含量或加入其它元素改變鋼材強度、塑性等性能的機理，滿足了各種服役狀態的應用要求，擴大鋼材應用范圍。冶金反應熱力學和動力學研究各種條件下元素化學反應達到的極限、反應方向和反應速度；金屬組織和相結構變化改變鋼材性能，推進熱處理工藝發展。
20世紀，廣義相對論和量子力學的發展掀起了新的科學革命。特別在半導體、計算機和信息傳輸等領域不斷引發新的技術革命。但鋼鐵冶金學科發展并未引起重大變革。時至今日，鋼鐵冶金學研究仍停留在分子層面。熟知的自然規律，如物質與能量守衡、菲克擴散和付立葉傳熱以及質量作用定律等均屬于經典力學范疇，主要研究宏觀物體運動、傳輸、反應與變化的各種物理化學工程。
鋼鐵冶金學科是成熟的經典科學，違背冶金科學，必然會受到懲罰。20世紀末，國際冶金界掀起了“融熔還原”開發熱潮，許多國際知名鋼鐵公司投入巨資，開發新工藝流程，力圖在氧化條件下實現穩定的礦石還原，最終沒有獲得工業化成功。
20世紀以來鋼鐵生產技術的
4次重大技術創新
在鋼鐵冶金科學的指導下，20世紀以來鋼鐵生產技術發生4次重大技術創新，形成了完整的現代鋼鐵工業。
第1次是發生在20世紀初平爐煉鋼時代的產品質量變革。
彼時鋼鐵工業已初步健全產品體系，但受到鋼材純凈度、夾雜物、凝固缺陷、軋制組織、表面質量和尺寸精度等因素的困擾，產品質量存在許多問題。當時主要采用以下技術大幅提高鋼材質量。
超純凈鋼冶煉：通過工藝創新，先后開發出鐵水預處理和爐外精煉等先進工藝與裝備技術，在降低成本的前提下大幅提高鋼水純凈度，鋼中雜質元素的含量可穩定降低到100ppm（百萬分率）以下，改善鋼材各種加工和服役性能。
精細控制鋼中夾雜物：采用真空冶金和大容量中間包等先進技術，大幅降低鋼中氧成分的含量，實現夾雜物變性。對于高品質鋼材，不僅降低鋼中夾雜物含量，還能控制夾雜物形態，避免產生脆性夾雜，同時嚴格控制夾雜物尺寸，避免或完全杜絕產生≥50微米的大型夾雜物。
消除凝固缺陷：凝固產生的中心偏析、中心疏松和表面裂紋等缺陷曾長期阻礙鋼鐵產品質量提升。采用低過熱度澆鑄、電磁攪拌、凝固末端壓下等先進工藝，基本解決了各種凝固缺陷造成的質量問題。
高效軋制工藝：不僅提高了軋材尺寸精度，嚴格控制板形，還通過控軋控冷工藝優化，精準控制軋制相變過程，改善鋼材組織，提高鋼材性能。
第2次是發生在20世紀50年代的生產效率革命。
隨著氧氣頂吹轉爐誕生，傳氧方式由傳統的“間接傳氧”轉向“直接傳氧”，大幅提高了脫碳反應速度。和平爐相比，氧氣頂吹轉爐的生產效率提高了20多倍。轉爐生產效率大幅提高，促進了全流程各個生產環節的技術創新。例如出現5500立方米大型高爐；模鑄被連鑄取代，大幅提高凝固成型的生產效率；采用連軋、連鑄—連軋、連鑄—直軋等連續化生產方式，進一步縮短了加工變形的生產周期。圍繞全流程高效化生產，通過各工序技術創新，建立起今日現代化的鋼鐵工業。
第3次是在20世紀末掀起的建設環境友好的綠色鋼鐵的技術創新。
傳統鋼鐵工業單純追求提高生產效率，降低生產成本和改善產品質量，造成環境嚴重污染。為實現鋼鐵工業可持續發展，主要采取了以下措施：
余熱、余能利用。如采用干熄焦工藝回收焦碳余熱，采用TRT（高爐爐頂煤氣余壓發電技術）發電回收高爐煙氣余能余熱；采用連鑄—連軋、熱送和蓄熱燃燒等技術降低鋼坯二次加熱能耗等新工藝，使鋼鐵生產的綜合能耗降低30%～40%，全流程外購電應用比例下降30%～50%。
減少環境污染。鋼鐵生產產生大量粉塵污染環境。應用各種干法除塵工藝和煙氣脫硫、脫硝及脫二噁英等先進技術，不斷提高有組織排放的排放標準，提高治理無組織排放的技術要求，基本解決了鋼鐵生產對大氣環境的污染問題。
節約水資源。傳統鋼鐵工業的噸鋼耗水量高達20噸，水資源浪費十分嚴重。解決這一問題采用了3項措施：一是大力降低水耗，先進鋼鐵企業的水耗一般≤3噸/噸鋼；二是水資源綜合利用，普遍采用“階梯用水、分級管理、污水治理，循環利用”等措施；三是開辟新水源，采用海水淡化或污水回收利用等節水技術。
減少固體廢棄物排放。鋼鐵生產中產生各種類型的爐渣，一般作為固體廢棄物填埋，污染環境。為解決這一問題，鋼鐵廠大力發展爐渣處理技術，高爐渣作為水泥熟料可全部利用；對于轉爐渣和精煉渣，一方面改進生產工藝減少渣量，另一方面在廠內循環利用（占50%以上），部分爐渣作為沙石和鋪路材料外銷（占30%～40%）。
第4次是21世紀的能源革命對鋼鐵發展的影響。
21世紀，人類對氣候議題愈發關注，提出用氫代替碳進行能量轉換的理念。在此背景下，氫冶金應運而生。氫冶金的研發應特別注重兩方面：
一是嚴格定義氫冶金的科學內涵。氫冶金的目標是完全取代碳冶金，任何以碳—氫混合物進行礦石還原的組合式冶金過程，無法消除碳冶金產生的二氧化碳，不屬于氫冶金范疇，而只是對現有碳冶金的改良。
二是不應按傳統鋼鐵冶金理論和現代鋼鐵生產方式研究氫冶金。因為氫—氧間能量轉換不一定完全依賴分子層面的氧化還原等過程，更有可能通過離子反應實現能量轉換。
因此，開展氫冶金研究不應操之過急，更不應輕易開展大規模工業試驗。鋼鐵工業的發展受到發展水平的限制。只有在大規模工業制氫技術突破后，氫冶金才能得到迅速發展。
以冶金科學為指引
推動鋼鐵工業創新能力提升
在冶金科學的指引下，鋼鐵工業的技術創新不僅未有一刻停止，還發生了天翻地覆的變化，這充分體現出科技是第一生產力的歷史推動作用。
20多年前，一些西方學者鼓吹鋼鐵工業是“夕陽工業”。在這一思潮的鼓動下，不少冶金學院轉變為材料學院，大量科技精英不再進入冶金領域，這是造成目前西方國家“制造業空心化”的重要原因之一。我們必須銘記這一深刻教訓。大力支持冶金學科發展，積極鼓勵和推動現代鋼鐵工業技術創新尤為重要。
加強科技創新，必須抓準技術發展的關鍵，揭示科學本質。現代鋼鐵工業的發展再次證明了，理論與實踐相結合是加速科學技術創新的法寶。實踐出真知，經驗主要來自于生產實踐。但經驗往往有局限性、片面性和主觀意志。只有把實踐經驗與理論相結合，才能認清事物本質，抓住技術關鍵，推而廣之。希望今后科研立項應從生產實踐出發，科研成果評價應檢驗實踐效果。
現代鋼鐵工業發展一再證明材料進展與工藝變革是促進冶金科學發展的兩個輪子，相輔相成。許多新鋼種的發明往往得益于工藝變革與創新，如汽車面板的廣泛應用得益于夾雜物控制和表面質量的技術進步，高品質低鐵損無取向電工鋼的誕生得益于鋼中碳、硫含量的大幅降低。希望今后鋼鐵科技的發展，既要重視新材料的研發升級，又要鼓勵新工藝技術的創新發展。（劉瀏）
