4次重大技术创新给现代钢铁工业带来了哪些变化

  当前，中国钢铁企业面临着前所未有的困难与挑战。渡过艰难时期，既要调结构、降产量，又要加强科技创新。

  回顾20世纪以来现代钢铁工业的发展成果，加强技术创新很重要。未来，钢铁行业要进一步提高生产效率，降低生产所带来的成本，提升产品质量，丰富生产品种，建立环境友好、可持续发展的现代化钢铁厂，迎接能源革命的时代挑战和发展机遇。

  目前，钢铁材料仍是全球应用最广泛、价格最便宜、综合性能最优良的基础材料。通常材料水映时代特征：石器时代数万年，铁器时代3000多年，而钢时代仅短短300多年，却带来了翻天覆地的变化。钢铁材料的发展得益于钢铁冶金学的进步，钢铁冶金学孕育出现代钢铁工业。

  17世纪—18世纪文艺复兴解放思想，推动了以牛顿经典力学为代表的科学革命，也诞生了钢铁冶金学科。钢铁生产从口授身传、师徒相继、经验积累的传统技艺转变为理论科学指导下的技术发明与创新，逐步形成了近现代钢铁工业。

  钢铁冶金学是研究从矿石提取有价金属或其化合物并将之加工成材料的应用性学科。钢铁冶金学中氧化与还原理论奠定了炼铁与炼钢的基础理论：高炉用碳还原铁矿石生产铁水，炼钢用氧氧化铁水还原产生的磷、硫、硅、锰等杂质。以铁—碳相图为基础的金属学，阐明控制不同碳含量或加入其它元素改变钢材强度、塑性等性能的机理，满足了各种服役状态的应用要求，扩大钢材应用场景范围。冶金反应热力学和动力学研究各种条件下元素化学反应达到的极限、反应方向和反应速度；金属组织和相结构变化改变钢材性能，推进热处理工艺发展。

  20世纪，广义相对论和量子力学的发展掀起了新的科学革命。特别在半导体、计算机和信息传输等领域不断引发新的技术革命。但钢铁冶金学科发展并未引起重大变革。时至今日，钢铁冶金学研究仍停留在分子层面。熟知的自然规律，如物质与能量守衡、菲克扩散和付立叶传热以及质量作用定律等均属于经典力学范畴，主要研究宏观物体运动、传输、反应与变化的各种物理化学工程。

  钢铁冶金学科是成熟的经典科学，违背冶金科学，必然会受到惩罚。20世纪末，国际冶金界掀起了“融熔还原”开发热潮，许多国际知名钢铁公司投入巨资，开发新工艺流程，力图在氧化条件下实现稳定的矿石还原，最终没获得工业化成功。

  在钢铁冶金科学的指导下，20世纪以来钢铁生产技术发生4次重大技术创新，形成了完整的现代钢铁工业。

  彼时钢铁工业已初步健全产品体系，但受到钢材纯净度、夹杂物、凝固缺陷、轧制组织、表面上的质量和尺寸精度等因素的困扰，产品质量存在许多问题。当时主要是采用以下技术大幅度提高钢材质量。

  超纯净钢冶炼：通过工艺创新，先后开发出铁水预处理和炉外精炼等先进工艺与装备技术，在减少相关成本的前提下大幅度提高钢水纯净度，钢中杂质元素的含量可稳定降低到100ppm（百万分率）以下，改善钢材各种加工和服役性能。

  精细控制钢中夹杂物：采用真空冶金和大容量中间包等先进的技术，大幅度降低钢中氧成分的含量，实现夹杂物变性。对于高品质钢材，不仅降低钢中夹杂物含量，还能控制夹杂物形态，避免产生脆性夹杂，同时严控夹杂物尺寸，避免或完全杜绝产生≥50微米的大型夹杂物。

  消除凝固缺陷：凝固产生的中心偏析、中心疏松和表面裂纹等缺陷曾长期阻碍钢铁产品质量提升。采用低过热度浇铸、电磁搅拌、凝固末端压下等先进工艺，基本解决了各种凝固缺陷造成的质量问题。

  高效轧制工艺：不仅提高了轧材尺寸精度，严控板形，还通过控轧控冷工艺优化，精准控制轧制相变过程，改善钢材组织，提高钢材性能。

  随着氧气顶吹转炉诞生，传氧方式由传统的“间接传氧”转向“直接传氧”，大幅度提高了脱碳反应速度。和平炉相比，氧气顶吹转炉的生产效率提高了20多倍。转炉生产效率大幅度提高，促进了全流程各个生产环节的技术创新。例如出现5500立方米大型高炉；模铸被连铸取代，大幅度提高凝固成型的生产效率；采用连轧、连铸—连轧、连铸—直轧等连续化生产方式，进一步缩短了加工变形的生产周期。围绕全流程高效化生产，通过各工序技术创新，建立起今日现代化的钢铁工业。

  传统钢铁工业单纯追求提高生产效率，降低生产所带来的成本和改善产品质量，造成环境严重污染。为实现钢铁工业可持续发展，主要采取了以下措施：

  余热、余能利用。如采用干熄焦工艺回收焦碳余热，采用TRT（高炉炉顶煤气余压发电技术）发电回收高炉烟气余能余热；采用连铸—连轧、热送和蓄热燃烧等技术降低钢坯二次加热能耗等新工艺，使钢铁生产的综合能耗降低30%～40%，全流程外购电应用比例下降30%～50%。

  减少环境污染。钢铁生产产生大量粉尘对环境造成污染。应用各种干法除尘工艺和烟气脱硫、脱硝及脱二噁英等先进的技术，逐步的提升有组织排放的排放标准，提高治理无组织排放的技术方面的要求，基本解决了钢铁生产对大气环境的污染问题。

  节约水资源。传统钢铁工业的吨钢耗水量高达20吨，水资源浪费十分严重。解决这一问题采用了3项措施：一是大力降低水耗，先进钢铁企业的水耗一般≤3吨/吨钢；二是水资源综合利用，普遍采用“阶梯用水、分级管理、污水治理，循环利用”等措施；三是开辟新水源，采用海水淡化或污水回收利用等节水技术。

  减少固体废弃物排放。钢铁生产中产生很多类型的炉渣，一般作为固体废弃物填埋，对环境造成污染。为解决这一问题，钢铁厂全力发展炉渣处理技术，高炉渣作为水泥熟料可全部利用；对于转炉渣和精炼渣，一方面改进生产的基本工艺减少渣量，另一方面在厂内循环利用（占50%以上），部分炉渣作为沙石和铺路材料外销（占30%～40%）。

  21世纪，人类对气候议题愈发关注，提出用氢代替碳进行能量转换的理念。在此背景下，氢冶金应运而生。氢冶金的研发应特别注重两方面：

  一是严格定义氢冶金的科学内涵。氢冶金的目标是完全取代碳冶金，任何以碳—氢混合物进行矿石还原的组合式冶金过程，无法消除碳冶金产生的二氧化碳，不属于氢冶金范畴，而只是对现有碳冶金的改良。

  二是不应按传统钢铁冶金理论和现代钢铁生产方式研究氢冶金。因为氢—氧间能量转换不一定完全依赖分子层面的氧化还原等过程，更有可能通过离子反应实现能量转换。

  因此，开展氢冶金研究不应操之过急，更不应轻易开展大规模工业试验。钢铁工业的发展受到发展水平的限制。只有在大规模工业制氢技术突破后，氢冶金才能得到迅速发展。

  在冶金科学的指引下，钢铁工业的技术创新不仅未有一刻停止，还发生了天翻地覆的变化，这充足表现出科技是第一生产力的历史推动作用。

  20多年前，一些西方学者鼓吹钢铁工业是“夕阳工业”。在这一思潮的鼓动下，不少冶金学院转变为材料学院，大量科技精英不再进入冶金领域，这是造成目前西方国家“制造业空心化”的重要原因之一。我们一定要铭记这一深刻教训。全力支持冶金学科发展，积极鼓励和推动现代钢铁工业技术创新尤为重要。

  加强科学技术创新，必须抓准技术发展的关键，揭示科学本质。现代钢铁工业的发展再次证明了，理论与实践相结合是加速科学技术创新的法宝。实践出真知，经验大多数来源于于生产实践。但经验往往有局限性、片面性和主观意志。只有把实践经验与理论相结合，才能认清事物本质，抓住技术关键，推而广之。希望今后科研立项应从生产实践出发，科研成果评价应检验实践效果。

  现代钢铁工业发展一再证明材料进展与工艺变革是促进冶金科学发展的两个轮子，相辅相成。许多新钢种的发明往往得益于工艺变革与创新，如汽车面板的广泛应用得益于夹杂物控制和表面上的质量的技术进步，高品质低铁损无取向电工钢的诞生得益于钢中碳、硫含量的大幅度降低。希望今后钢铁科技的发展，既要重视新材料的研发升级，又要鼓励新工艺技术的创新发展。