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(dāng)前，我國(guó)鋼鐵企業(yè)面臨著前所未有的困難與挑戰(zhàn)。渡過艱難時(shí)期，既要調(diào)結(jié)構(gòu)、降產(chǎn)量，又要加強(qiáng)科技創(chuàng)新。
回顧20世紀(jì)以來現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的發(fā)展成果，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新非常重要。未來，鋼鐵行業(yè)需要進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，豐富生產(chǎn)品種，建立環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代化鋼鐵廠，迎接能源革命的時(shí)代挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。
鋼鐵冶金學(xué)
孕育現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)
目前，鋼鐵材料仍是全球應(yīng)用最廣泛、價(jià)格最便宜、綜合性能最優(yōu)良的基礎(chǔ)材料。通常材料水平反映時(shí)代特征：石器時(shí)代數(shù)萬年，鐵器時(shí)代3000多年，而鋼時(shí)代僅短短300多年，卻帶來了翻天覆地的變化。鋼鐵材料的發(fā)展得益于鋼鐵冶金學(xué)的進(jìn)步，鋼鐵冶金學(xué)孕育出現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)。
17世紀(jì)—18世紀(jì)文藝復(fù)興解放思想，推動(dòng)了以牛頓經(jīng)典力學(xué)為代表的科學(xué)革命，也誕生了鋼鐵冶金學(xué)科。鋼鐵生產(chǎn)從口授身傳、師徒相繼、經(jīng)驗(yàn)積累的傳統(tǒng)技藝轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚摽茖W(xué)指導(dǎo)下的技術(shù)發(fā)明與創(chuàng)新，逐步形成了近現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)。
鋼鐵冶金學(xué)是研究從礦石提取有價(jià)金屬或其化合物并將之加工成材料的應(yīng)用性學(xué)科。鋼鐵冶金學(xué)中氧化與還原理論奠定了煉鐵與煉鋼的基礎(chǔ)理論：高爐用碳還原鐵礦石生產(chǎn)鐵水，煉鋼用氧氧化鐵水還原產(chǎn)生的磷、硫、硅、錳等雜質(zhì)。以鐵—碳相圖為基礎(chǔ)的金屬學(xué)，闡明控制不同碳含量或加入其它元素改變鋼材強(qiáng)度、塑性等性能的機(jī)理，滿足了各種服役狀態(tài)的應(yīng)用要求，擴(kuò)大鋼材應(yīng)用范圍。冶金反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究各種條件下元素化學(xué)反應(yīng)達(dá)到的極限、反應(yīng)方向和反應(yīng)速度；金屬組織和相結(jié)構(gòu)變化改變鋼材性能，推進(jìn)熱處理工藝發(fā)展。
20世紀(jì)，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的發(fā)展掀起了新的科學(xué)革命。特別在半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)和信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域不斷引發(fā)新的技術(shù)革命。但鋼鐵冶金學(xué)科發(fā)展并未引起重大變革。時(shí)至今日，鋼鐵冶金學(xué)研究仍停留在分子層面。熟知的自然規(guī)律，如物質(zhì)與能量守衡、菲克擴(kuò)散和付立葉傳熱以及質(zhì)量作用定律等均屬于經(jīng)典力學(xué)范疇，主要研究宏觀物體運(yùn)動(dòng)、傳輸、反應(yīng)與變化的各種物理化學(xué)工程。
鋼鐵冶金學(xué)科是成熟的經(jīng)典科學(xué)，違背冶金科學(xué)，必然會(huì)受到懲罰。20世紀(jì)末，國(guó)際冶金界掀起了“融熔還原”開發(fā)熱潮，許多國(guó)際知名鋼鐵公司投入巨資，開發(fā)新工藝流程，力圖在氧化條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的礦石還原，最終沒有獲得工業(yè)化成功。
20世紀(jì)以來鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的
4次重大技術(shù)創(chuàng)新
在鋼鐵冶金科學(xué)的指導(dǎo)下，20世紀(jì)以來鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生4次重大技術(shù)創(chuàng)新，形成了完整的現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)。
第1次是發(fā)生在20世紀(jì)初平爐煉鋼時(shí)代的產(chǎn)品質(zhì)量變革。
彼時(shí)鋼鐵工業(yè)已初步健全產(chǎn)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(zhì)量和尺寸精度等因素的困擾，產(chǎn)品質(zhì)量存在許多問題。當(dāng)時(shí)主要采用以下技術(shù)大幅提高鋼材質(zhì)量。
超純凈鋼冶煉：通過工藝創(chuàng)新，先后開發(fā)出鐵水預(yù)處理和爐外精煉等先進(jìn)工藝與裝備技術(shù)，在降低成本的前提下大幅提高鋼水純凈度，鋼中雜質(zhì)元素的含量可穩(wěn)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(xì)控制鋼中夾雜物：采用真空冶金和大容量中間包等先進(jìn)技術(shù)，大幅降低鋼中氧成分的含量，實(shí)現(xiàn)夾雜物變性。對(duì)于高品質(zhì)鋼材，不僅降低鋼中夾雜物含量，還能控制夾雜物形態(tài)，避免產(chǎn)生脆性夾雜，同時(shí)嚴(yán)格控制夾雜物尺寸，避免或完全杜絕產(chǎn)生≥50微米的大型夾雜物。
消除凝固缺陷：凝固產(chǎn)生的中心偏析、中心疏松和表面裂紋等缺陷曾長(zhǎng)期阻礙鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量提升。采用低過熱度澆鑄、電磁攪拌、凝固末端壓下等先進(jìn)工藝，基本解決了各種凝固缺陷造成的質(zhì)量問題。
高效軋制工藝：不僅提高了軋材尺寸精度，嚴(yán)格控制板形，還通過控軋控冷工藝優(yōu)化，精準(zhǔn)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(fā)生在20世紀(jì)50年代的生產(chǎn)效率革命。
隨著氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐誕生，傳氧方式由傳統(tǒng)的“間接傳氧”轉(zhuǎn)向“直接傳氧”，大幅提高了脫碳反應(yīng)速度。和平爐相比，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)效率提高了20多倍。轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率大幅提高，促進(jìn)了全流程各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新。例如出現(xiàn)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(chǎn)效率；采用連軋、連鑄—連軋、連鑄—直軋等連續(xù)化生產(chǎn)方式，進(jìn)一步縮短了加工變形的生產(chǎn)周期。圍繞全流程高效化生產(chǎn)，通過各工序技術(shù)創(chuàng)新，建立起今日現(xiàn)代化的鋼鐵工業(yè)。
第3次是在20世紀(jì)末掀起的建設(shè)環(huán)境友好的綠色鋼鐵的技術(shù)創(chuàng)新。
傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)單純追求提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和改善產(chǎn)品質(zhì)量，造成環(huán)境嚴(yán)重污染。為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)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(fā)電技術(shù)）發(fā)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(shù)降低鋼坯二次加熱能耗等新工藝，使鋼鐵生產(chǎn)的綜合能耗降低30%～40%，全流程外購(gòu)電應(yīng)用比例下降30%～50%。
減少環(huán)境污染。鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)生大量粉塵污染環(huán)境。應(yīng)用各種干法除塵工藝和煙氣脫硫、脫硝及脫二噁英等先進(jìn)技術(shù)，不斷提高有組織排放的排放標(biāo)準(zhǔn)，提高治理無組織排放的技術(shù)要求，基本解決了鋼鐵生產(chǎn)對(duì)大氣環(huán)境的污染問題。
節(jié)約水資源。傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)的噸鋼耗水量高達(dá)20噸，水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。解決這一問題采用了3項(xiàng)措施：一是大力降低水耗，先進(jìn)鋼鐵企業(yè)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(jí)管理、污水治理，循環(huán)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(jié)水技術(shù)。
減少固體廢棄物排放。鋼鐵生產(chǎn)中產(chǎn)生各種類型的爐渣，一般作為固體廢棄物填埋，污染環(huán)境。為解決這一問題，鋼鐵廠大力發(fā)展?fàn)t渣處理技術(shù)，高爐渣作為水泥熟料可全部利用；對(duì)于轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣，一方面改進(jìn)生產(chǎn)工藝減少渣量，另一方面在廠內(nèi)循環(huán)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(jì)的能源革命對(duì)鋼鐵發(fā)展的影響。
21世紀(jì)，人類對(duì)氣候議題愈發(fā)關(guān)注，提出用氫代替碳進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的理念。在此背景下，氫冶金應(yīng)運(yùn)而生。氫冶金的研發(fā)應(yīng)特別注重兩方面：
一是嚴(yán)格定義氫冶金的科學(xué)內(nèi)涵。氫冶金的目標(biāo)是完全取代碳冶金，任何以碳—?dú)浠旌衔镞M(jìn)行礦石還原的組合式冶金過程，無法消除碳冶金產(chǎn)生的二氧化碳，不屬于氫冶金范疇，而只是對(duì)現(xiàn)有碳冶金的改良。
二是不應(yīng)按傳統(tǒng)鋼鐵冶金理論和現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)方式研究氫冶金。因?yàn)闅洹蹰g能量轉(zhuǎn)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(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
因此，開展氫冶金研究不應(yīng)操之過急，更不應(yīng)輕易開展大規(guī)模工業(yè)試驗(yàn)。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展受到發(fā)展水平的限制。只有在大規(guī)模工業(yè)制氫技術(shù)突破后，氫冶金才能得到迅速發(fā)展。
以冶金科學(xué)為指引
推動(dòng)鋼鐵工業(yè)創(chuàng)新能力提升
在冶金科學(xué)的指引下，鋼鐵工業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新不僅未有一刻停止，還發(fā)生了天翻地覆的變化，這充分體現(xiàn)出科技是第一生產(chǎn)力的歷史推動(dòng)作用。
20多年前，一些西方學(xué)者鼓吹鋼鐵工業(yè)是“夕陽工業(yè)”。在這一思潮的鼓動(dòng)下，不少冶金學(xué)院轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠈W(xué)院，大量科技精英不再進(jìn)入冶金領(lǐng)域，這是造成目前西方國(guó)家“制造業(yè)空心化”的重要原因之一。我們必須銘記這一深刻教訓(xùn)。大力支持冶金學(xué)科發(fā)展，積極鼓勵(lì)和推動(dòng)現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新尤為重要。
加強(qiáng)科技創(chuàng)新，必須抓準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，揭示科學(xué)本質(zhì)。現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的發(fā)展再次證明了，理論與實(shí)踐相結(jié)合是加速科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的法寶。實(shí)踐出真知，經(jīng)驗(yàn)主要來自于生產(chǎn)實(shí)踐。但經(jīng)驗(yàn)往往有局限性、片面性和主觀意志。只有把實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合，才能認(rèn)清事物本質(zhì)，抓住技術(shù)關(guān)鍵，推而廣之。希望今后科研立項(xiàng)應(yīng)從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，科研成果評(píng)價(jià)應(yīng)檢驗(yàn)實(shí)踐效果。
現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)發(fā)展一再證明材料進(jìn)展與工藝變革是促進(jìn)冶金科學(xué)發(fā)展的兩個(gè)輪子，相輔相成。許多新鋼種的發(fā)明往往得益于工藝變革與創(chuàng)新，如汽車面板的廣泛應(yīng)用得益于夾雜物控制和表面質(zhì)量的技術(shù)進(jìn)步，高品質(zhì)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(fā)展，既要重視新材料的研發(fā)升級(jí)，又要鼓勵(lì)新工藝技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。（劉瀏）
