我國鋼鐵冶金工程的演變與發(fā)展

我國鋼鐵冶金工程的演變與發(fā)展

1主要材料是鐵與其他動物的主要區(qū)別在于它們是如何使用和制造工具，這是人類發(fā)展和創(chuàng)造人類文化的重要前提。人類祖先要使用工具就要尋找制造工具的材料，首先是石頭，然后是青銅，最后是鐵。人類社會發(fā)展階段劃分為舊石器時代，新石器時代，青銅時代和鐵器時代，就是以制造工具的主要材料為依據(jù)的。考古研究認為，公元前2900年就已冶煉出金屬鐵(埃及金字塔中發(fā)現(xiàn)的)，但至今未發(fā)現(xiàn)有古代文獻的記載。關(guān)于冶煉過程的第一個描述是埃及公元前1500年古墓墻上的壁畫。我國約在公元前1500年進入青銅時代，公元前600年進入鐵器時代。鐵以其在地球上特有的賦存狀況和物理化學性能優(yōu)勢，在人類文明形成過程中，成為人類社會所使用的最主要的材料，而且在可預(yù)見的未來中不會改變。鋼鐵工業(yè)已成為支撐人類社會文明的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。工業(yè)革命以來，人類社會所使用的材料總體上可以分為兩大類：金屬材料與非金屬材料。在金屬材料中也可以分為兩大類：鋼鐵與非鐵金屬材料。由于自然賦存條件的不同，以及鋼鐵材料本身固有的特性，目前人類社會使用量最大，使用面最廣的材料是鋼鐵。不同金屬材料的制造工藝是千差萬別的，本文僅對鋼鐵冶金工程的發(fā)展過程加以回顧、分析。2古代鐵、鋼的加工技術(shù)金屬鐵在地球上是不能自然賦存的。人類如何從礦石中得到第一批金屬鐵，至今仍是個謎。但可以肯定的是古人從富鐵的氧化物，如富鐵礦中得到鐵(有人說是從隕石中得到的)。由于工藝簡陋，不可能達到金屬鐵融化的溫度，首先冶煉出的不是液態(tài)金屬，而是還原并軟化了的、含有渣的金屬鐵的混合物。由于當時知識的限制，冶煉過程的溫度低，從鐵礦石中還原出的金屬鐵不能大量吸收碳，含碳量低的鐵熔點較高，因而處于半熔融狀態(tài)，相對而言由氧化物、硅酸鹽等形成的渣熔點低于金屬鐵而處于液態(tài)。實際上，當時由富鐵礦經(jīng)還原得到的是半熔融狀態(tài)的金屬鐵和液體渣的混合物，人們經(jīng)過反復(fù)鍛打把渣擠壓出去得到含碳低的熟鐵。按現(xiàn)代的分類，熟鐵屬于鋼的范疇。因此可以認為，在人類文明史上，人類先冶煉出“鋼”，許多年之后才冶煉出現(xiàn)代意義上的生鐵。據(jù)考古學者的研究，早期的冶煉爐是熔融洞，用石塊砌筑并涂上泥襯，用風箱送風(見圖1)。風箱是人力驅(qū)動的，使用的燃料和還原劑是木炭。熟鐵太軟，不能制造器具，古代人創(chuàng)造了熟鐵滲碳的技術(shù)，使熟鐵轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兴鑿姸?、硬度和韌性的鋼。由于送風設(shè)備的機械化，送風能力增大，使冶煉爐容增大，爐體高度的增加，冶煉爐演變成立式爐。隨著爐容增大，熱效率提高，豎爐內(nèi)溫度升高，冶煉出的不是熔融狀態(tài)的熟鐵而是液態(tài)鐵水。由于溫度升高，鐵液熔池發(fā)生了增碳過程，鐵水中的含碳量提高，鐵水凝固后得到生鐵。生鐵流動性好可以鑄成器具。14世紀歐洲出現(xiàn)了豎爐，這種豎爐是近代高爐的前身，如圖2所示。生鐵與熟鐵不同，可以直接鑄成器具，雖硬但質(zhì)脆，不具備韌性和延展性，可加工性差。要得到具備韌性和延展性的鋼，必須使生鐵中的碳降低并除去含有的雜質(zhì)。辦法是將生鐵中含有的碳元素氧化，并降到所需要的含碳量，從而使生鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殇?。西方采用的煉鋼工藝是用攪鋼爐將生鐵煉成熟鐵(含碳量很低的一種“鋼”)，然后再用滲碳工藝得到不同性能的鋼。歐洲大量采用坩堝爐滲碳，見圖3及圖4。我國是最早掌握冶鐵技藝的世界文明古國之一。秦朝時期已在主要產(chǎn)鐵地區(qū)設(shè)置鐵官，可見當時已形成了一定規(guī)模的手工作坊性的產(chǎn)業(yè)，當時我國的冶鐵技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。詳細記載我國古代冶鐵技藝的書有宋應(yīng)星著的《天工開物》(此書初刊于1637年)。該書對當時鐵、鋼冶煉過程均有詳細的描述。圖5為該書描述鋼鐵冶煉工藝的插圖。我國古代用的裝備與西方不同，但基本原理是相同的：即先從鐵礦石中冶煉出生鐵(鐵水)，把鐵水中的碳氧化掉一部分得到鋼(或熟鐵)。隨著冶鐵工藝的不斷改進，鋼、鐵產(chǎn)量規(guī)模不斷擴大，長期經(jīng)驗的積累，使鋼鐵冶煉和加工成為一門技藝。無論在西方或東方，鋼鐵冶煉加工均以一定規(guī)模的冶鐵手工作坊的形式成為農(nóng)牧業(yè)之外手工業(yè)的重要組成部分。3現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的誕生進入18世紀，歐洲的工業(yè)革命已經(jīng)開始。蒸汽機的出現(xiàn)，帶動了紡織、鐵路、輪船等的發(fā)展，當時，需要大量生產(chǎn)鋼鐵來支持工業(yè)、交通、運輸業(yè)的發(fā)展。當時鐵路的軌道是木制的，上面包一層鐵皮，船舶、建筑物、大部分橋梁都是木制的，甚至容器也是木制的。工業(yè)革命帶來的經(jīng)濟增長期盼著現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的誕生?，F(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的演化經(jīng)歷漫長的歷史過程，其中充滿著技術(shù)創(chuàng)新和舊技術(shù)的淘汰，同時也充滿著工程系統(tǒng)的集成和演進。就技術(shù)創(chuàng)新而言，既有漸進性的改進，又有突變性的發(fā)明，與此同時，相應(yīng)落后的工藝裝備被淘汰出局。就工程系統(tǒng)的集成而言，也經(jīng)歷了“萬能化”的鋼廠到以“專業(yè)化”生產(chǎn)的鋼廠，鋼廠的生產(chǎn)流程發(fā)生了重構(gòu)性的演進。進入新世紀以來，隨著循環(huán)經(jīng)濟等概念的發(fā)展，鋼廠的功能拓展也提到學界和產(chǎn)業(yè)界的日程上來?？偟目磥?，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)歷了豐富多彩的演化，并且將繼續(xù)演變進化著。鋼鐵工業(yè)屬于流程制造業(yè)。流程制造業(yè)的功能是把自然資源加工成制造業(yè)所需的材料。工業(yè)革命前，無論流程制造業(yè)和加工制造業(yè)都以手工作坊的形式存在。工業(yè)革命促使所有的制造業(yè)和手工作坊演化為門類不同的工業(yè)，即現(xiàn)在稱之為的傳統(tǒng)制造業(yè)。下面將對若干在形成鋼鐵工業(yè)的演化過程中重要的技術(shù)創(chuàng)新和工程系統(tǒng)的集成作簡要的描述：3.1焦炭取代焦炭18世紀以前煉鐵作坊的高爐使用的燃料是木炭，當時英國作為產(chǎn)鐵大國不得不大量砍伐森林來燒制木炭，從而產(chǎn)生了不少問題。進入18世紀，英國政府下令禁止砍伐森林燒木炭，使許多高爐停產(chǎn)。英國人試用煤代替木炭煉鐵，但效果不理想。直到1718年英國人A.達比(A.Darby)在什羅普郡(Shropshire)的Coalbrookdale廠的高爐上成功地用焦炭全部取代了木炭。由于A.達比為了保持個人利益，此項技術(shù)在1771年以后才得以推廣，但這一技術(shù)創(chuàng)新為其后煉鐵高爐進一步發(fā)展提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。3.2降低燃燒溫度早期的煉鐵高爐使用的是冷風，當時的高爐冬天產(chǎn)量高，夏天產(chǎn)量低。有人錯誤地認為冷風比熱風好，卻忽視了冬天空氣濕度低，利于提高燃燒溫度的特點。直到1828年，J.B.尼爾森(J.B.Neilson)在蘇格蘭的高爐上進行了加熱鼓風試驗成功后，使高爐煉鐵由冷風改為熱風，這一技術(shù)創(chuàng)新為高爐提高生產(chǎn)力、降低能源消耗提供了重要的技術(shù)支撐。3.3堿性平爐的起源工業(yè)革命的市場需求對煉鋼工藝在提高生產(chǎn)力上有新的要求。1850年至1860年間英國人H.貝塞麥(H.Bessemer)根據(jù)化學熱力學計算方法，推算出在使用鐵水煉鋼時，向鐵水中吹入空氣，一方面可以去除鐵水中碳和其他雜質(zhì)，同時其所產(chǎn)生的熱量足以使得到的鋼水處于高溫的流動狀態(tài)。貝塞麥提出了用轉(zhuǎn)爐替代攪鋼爐的設(shè)想，并進行了多次試驗，最終在謝菲爾德(Sheffield)取得成功。貝塞麥的技術(shù)創(chuàng)新使煉鋼工藝的生產(chǎn)力上了一個大臺階，開創(chuàng)了煉鋼史上第一次重大的工藝技術(shù)革命，為大規(guī)模的現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的形成奠定了基礎(chǔ)。這一工藝被稱為貝氏煉鋼法，如圖6所示。由于當時攪鋼爐一爐的產(chǎn)量只有500磅，生產(chǎn)一爐鋼要6—7個小時，而貝塞麥轉(zhuǎn)爐一爐鋼數(shù)以噸計，冶煉一爐鋼只要數(shù)十分鐘，適應(yīng)了工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)對鋼的市場需求。貝塞麥轉(zhuǎn)爐的鋼水可以直接鑄成鋼錠，同時此法的煉鋼過程不需要外加燃料，生產(chǎn)效率高，成本相對低，并適合于規(guī)?；a(chǎn)，貝塞麥轉(zhuǎn)爐迅速得到推廣。貝塞麥法也顯示出其缺點，主要是不能脫除硫、磷等鋼中有害元素，鋼水中氣體含量高，鋼的質(zhì)量不如攪鋼爐的熟鐵。其后，1855年，英國工程師W.西門子(W.Siemens)發(fā)明了以蓄熱室加熱燃燒用煤氣和空氣，使燃燒后獲得高溫的技術(shù)，采用此項技術(shù)可將廢鋼和生鐵融化成液態(tài)進行精煉，燃燒廢氣將熱量傳給蓄熱室，如此反復(fù)循環(huán)，可以成為一種以生鐵和廢鋼為原料的煉鋼方法，這就是近代煉鋼平爐的雛形。法國人皮埃爾?艾米莉?馬丁(Pierre-EmileMartin)取得西門子的專利權(quán)后加以改進，1864年西門子-馬丁煉鋼法(平爐煉鋼法)出現(xiàn),其鋼質(zhì)優(yōu)于貝氏煉鋼法。由于在起始階段平爐和轉(zhuǎn)爐使用的耐火材料都是酸性的，因而都難以脫除鋼中的有害雜質(zhì)(硫、磷)，1875年英國的S.G.托馬斯(S.G.Thomas)和P.G.吉爾吉里斯特(P.G.Gelchrist)在發(fā)明了堿性耐火磚的基礎(chǔ)上，發(fā)展出稱為托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼法，由于托馬斯煉鋼法采用堿性爐襯和堿性爐渣，這樣鋼中的有害雜質(zhì)—硫和磷就可以脫除，鋼的質(zhì)量明顯提高，并可以利用歐洲的高磷鐵礦資源。其后平爐也改用了堿性爐襯和堿性爐渣，由此，堿性平爐煉鋼工藝得到大發(fā)展，由于平爐易于擴大爐子噸位并大量利用社會廢鋼資源，逐步成為19世紀后期和20世紀中期占統(tǒng)治地位的煉鋼工藝。圖7為當時堿性平爐的簡圖。在煉鋼工藝革命過程中，冶金物理化學過程的理論研究的深化發(fā)揮了重要作用。除了上述貝塞麥煉鋼法是在物理化學原理指導下出現(xiàn)的，堿性轉(zhuǎn)爐，堿性平爐的演化也都是在冶金物理化學理論的指導下完成的。在這方面，物理化學家的貢獻功不可沒。3.4現(xiàn)代鋼鐵軋鋼技術(shù)的發(fā)展攪鋼爐煉出的是熟鐵，經(jīng)過滲碳?增碳提高強度后使用。當時對熟鐵的加工成型方法是用鍛錘加工成所需的形狀。焦炭高爐代替木炭高爐后，加上高爐使用熱風代替冷風，生鐵產(chǎn)量增加，攪鋼爐產(chǎn)量增加，使鋼加工材料應(yīng)用范圍擴大，并開始出現(xiàn)以鋼材替代木材和石材的格局。1779年英國建成第一座鐵橋(Ironbridge，橋長59.8米，橋高13.7米，橋重378.5噸)。1839年J.內(nèi)史密斯(J.Nasmyth)發(fā)明了蒸汽機鍛錘，大幅度提高了加工鋼材的能力，鋼材的市場供應(yīng)能力增大，使得建筑物、工作機械、動力機械、運輸機械的部件由木質(zhì)變?yōu)殇?鐵)制。為了適應(yīng)更大規(guī)模生產(chǎn)鋼材，軋鋼機開始出現(xiàn)，蒸汽機、電動機的出現(xiàn)，軋機的動力增加，使得熱壓力加工的軋機出現(xiàn)，隨后軋鋼機替代鍛錘成了鋼材加工的主要設(shè)備。軋機由兩輥式演變?yōu)槿伿?，并出現(xiàn)了初軋/開坯軋機，棒材、線材、型鋼軋機，大型/軌梁軋機，中/厚板軋機，薄板軋機，無縫鋼管等多種軋機。在軋鋼工藝上逐步由可逆軋制進化為半連續(xù)軋制、連續(xù)軋制。軋鋼技術(shù)進步，使鋼軌、棒、線、板和型材的批量生產(chǎn)成為現(xiàn)實。1876年用貝氏鋼建造的美國第一座懸索橋——布魯克林大橋建成。其后，英國用平爐鋼建造了福布斯(Forbs)橋。1877年英國用厚鋼板建造軍艦。管材以及棒材、線材、型鋼、鋼軌、厚板、薄板的加工技術(shù)進步使鋼鐵成為人類社會主要的結(jié)構(gòu)材料。19世紀確立了線材和帶材的連續(xù)軋鋼工藝。進入20世紀以后,連續(xù)軋鋼技術(shù)在寬幅薄板軋機上的應(yīng)用實現(xiàn)了工業(yè)化。1923年在美國建成了第一套熱軋薄板連軋機。連軋機的出現(xiàn)一方面為鋼鐵企業(yè)的大型化創(chuàng)造了條件，同時為汽車工業(yè)、機械制造業(yè)、電器制造業(yè)以及制罐業(yè)的發(fā)展提供了可能。3.5企業(yè)的誕生和早期實踐自1880年堿性平爐煉鋼法出現(xiàn)后，由于生產(chǎn)規(guī)模大，原料適應(yīng)性好，得到快速發(fā)展，鋼的生產(chǎn)能力大幅度提高，攪鋼爐工藝逐漸被淘汰。以液態(tài)煉鋼工藝為核心，形成了高爐-平爐煉鋼-鑄錠-開坯-軋鋼-熱處理等工藝集成的近代鋼材生產(chǎn)流程，從而出現(xiàn)了鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。與以前的鋼鐵生產(chǎn)手工作坊相比，該流程不僅生產(chǎn)規(guī)模大，成本低，而且產(chǎn)品質(zhì)量好。最重要的是，這一工藝流程適時地滿足了當時社會經(jīng)濟發(fā)展對鋼鐵產(chǎn)品的需求，支撐了人類社會的工業(yè)化進程(當時這一進程主要出現(xiàn)在歐洲和北美)。隨著鋼鐵生產(chǎn)能力的大幅度提高，鋼鐵廠數(shù)量增多，從業(yè)人員增加，使在手工作坊為主的鋼鐵冶煉技藝的基礎(chǔ)上形成了產(chǎn)業(yè)——近代鋼鐵工業(yè)?？梢?，工業(yè)革命促進了近代鋼鐵工業(yè)，特別是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的誕生。電爐煉鋼法的出現(xiàn)比空氣轉(zhuǎn)爐晚。1878年W.西門子進行過電爐煉鋼法試驗，電爐法的應(yīng)用首先在電解鋁方面。1899年，法國電弧爐煉鋼獲得成功，法國Creugot公司在施耐德(Schneider)的普拉格(LaPrag)電爐煉鋼廠建成。從鋼鐵工業(yè)的形成過程看，電爐煉鋼廠的出現(xiàn)是在第一代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)誕生之后。19世紀，工業(yè)發(fā)源地的英國在鋼產(chǎn)量在世界領(lǐng)先。1871年，英國鋼年產(chǎn)量為33.4萬噸，德國為25.1萬噸，法國為8.6萬噸，美國為7.4萬噸。煉鋼工藝技術(shù)革命后，美國由于擁有礦石、焦炭資源優(yōu)勢，貝氏煉鋼法得到迅速推廣，1890年，美國鋼產(chǎn)量超過英國成為第一產(chǎn)鋼國，德國超過英國居第二。堿性平爐出現(xiàn)后，取代了貝氏煉鋼法。19世紀末出現(xiàn)了世界上第一代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，如：美國鋼鐵公司(1882年)，德國的蒂森鋼鐵公司(1890年)，日本八幡制鐵所(1891年)，美國伯利恒鋼鐵公司(1892年)，加拿大鋼鐵公司(1895年)。我國第一個鋼鐵聯(lián)合企業(yè)漢冶萍公司，1890年開始建設(shè)，從歐洲引進當時的先進技術(shù)，1894年投產(chǎn)，時間也并不晚，但由于清政府的腐敗，這座鋼廠在民國初期就倒閉了。部分設(shè)備在抗日戰(zhàn)爭初期拆遷到重慶建了鋼廠。現(xiàn)在漢陽的遺址已不存在。4世界鋼產(chǎn)量演變堿性平爐煉鋼工藝的開發(fā)成功和推廣，使其成為煉鋼的主導工藝，特別是在美國。1900年全世界鋼產(chǎn)量是2850萬噸，其中美國鋼產(chǎn)量為1035.2萬噸，占世界產(chǎn)量的36.3%。電力的出現(xiàn)使蒸汽機被電動機取代。這一創(chuàng)新加速了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。世界鋼產(chǎn)量1906年超過5000萬噸。第一次世界大戰(zhàn)后，1927年全世界鋼產(chǎn)量超過一億噸。盡管20世紀30年代的經(jīng)濟危機使全球鋼產(chǎn)量下降到一億噸以下，但危機后鋼產(chǎn)量又恢復(fù)到一億噸以上。二次大戰(zhàn)后，戰(zhàn)后重建和經(jīng)濟發(fā)展對鋼鐵的需求發(fā)生了顯著的變化。二戰(zhàn)之前，鋼鐵主要用于機械、鐵路、運輸、造船、軍工等方面。二戰(zhàn)以后，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，住宅、高速公路、港口、機場等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，農(nóng)業(yè)機械化、家用電器的應(yīng)用推廣，石油天然氣輸送管道的建設(shè)以及機械化、自動化技術(shù)的推廣應(yīng)用，對性能好、價格低的結(jié)構(gòu)材料和功能材料的需求越來越迫切。由此鋼鐵制品進入所有的制造業(yè)和工程領(lǐng)域，并大量進入居民家庭。與其他材料相比，鋼材在質(zhì)量、性能和性價比上都是最佳的，與其他金屬材料相比，鐵資源的蘊含量較為豐富，鋼鐵成了人類社會實現(xiàn)工業(yè)化的首選材料，從而成為發(fā)展的重點。二次大戰(zhàn)后，在全球范圍內(nèi)，出現(xiàn)了許多高品位的鐵礦石供應(yīng)基地(例如巴西、澳大利亞等)，加上遠洋運輸技術(shù)和能力快速增長，使鐵礦石的供應(yīng)趨向國際化，進而為鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，并使鐵礦石資源貧乏的國家(例如日本、韓國等)能夠依靠科技進步和沿海港口的優(yōu)勢，逐步成為主要產(chǎn)鋼國。20世紀以來世界鋼產(chǎn)量的演變見圖8。20世紀中期以來出現(xiàn)的鋼鐵制造技術(shù)創(chuàng)新推動了鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展，鋼鐵工業(yè)成為世界性的重要產(chǎn)業(yè)。由圖8可見，20世紀以來世界鋼鐵工業(yè)出現(xiàn)了兩次高速增長期。第一次高速增長期，從50年代開始到70年代初，世界鋼年產(chǎn)量由2億噸增至7億噸。第二次高速增長期，由20世紀末開始，鋼產(chǎn)量由2000年的8.43億噸升至2007年的13.4億噸，目前仍在持續(xù)之中。兩次高速增長期都是世界經(jīng)濟增長需求的拉動力和技術(shù)進步的推動力的結(jié)果，如表1所示。20世紀以來，2000年的鋼產(chǎn)量比1900年增長超過28倍，2008年的鋼產(chǎn)量比2000年又超過60%，2009年的經(jīng)濟危機使全球鋼產(chǎn)量下降，仍為2000年產(chǎn)量的140%。把20世紀稱為鋼鐵工業(yè)大發(fā)展的世紀是符合實際情況的。4.1好鋼技術(shù)的發(fā)展20世紀40年代瑞士的R.杜勒(RobertDürer)教授等對氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼進行了研究，但由于當時的技術(shù)限制氧氣價格太貴而不能實現(xiàn)工業(yè)化。進入50年代，制氧工業(yè)的進步使氧氣機產(chǎn)能大幅提高，氧氣成本下降，氧氣煉鋼的條件趨于成熟。1952年奧地利的VOESTALPINE公司在林茨鋼廠成功開發(fā)出30噸的氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即LD(Linz—Donawitz)法，并與瑞士的BOT聯(lián)合以專利方式向全世界推廣。與其他煉鋼工藝相比，LD法熱效率高，控制鋼含碳量的能力強，冶煉周期短，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備大型化。此外，使用高純氧使鋼中含[N]量低，廢鋼使用比例較平爐為低，廢鋼帶入的有害雜質(zhì)少，提高了鋼的質(zhì)量，從而使氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)在全世界得到迅速發(fā)展。第一次鋼鐵高速增長期，日本、歐洲鋼產(chǎn)量的快速增長與氧氣轉(zhuǎn)爐的普及密不可分。我國80年代以后鋼鐵工業(yè)的崛起，氧氣轉(zhuǎn)爐的推廣和平爐煉鋼的淘汰起了重要作用。4.2高爐大型化技術(shù)二次世界大戰(zhàn)以后，高爐大型化的趨勢明顯，特別在日本與蘇聯(lián)。1959年日本最大的高爐是戶畑1號高爐，內(nèi)容積為1603m3;1976年日本大分廠內(nèi)容積為5070m3的2號高爐投產(chǎn)，10多年時間內(nèi)，高爐容積擴大了近3倍。20世紀70年代前期，蘇聯(lián)也在克里沃羅格和切列波維茨建了5000m3級高爐。歐洲也以建3000—5000m3級高爐來淘汰1000m3級高爐。高爐大型化提高了高爐生產(chǎn)水平和勞動生產(chǎn)率并降低了能耗。高壓操作是20世紀40年代出現(xiàn)的高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新。首先在美國和蘇聯(lián)應(yīng)用，以后全世界推廣。提高爐頂壓力促進了高爐增產(chǎn)，并推進高爐大型化。20世紀50年代高爐風溫一般在600—800℃之間，900℃以上就算是高風溫。隨著熱風爐結(jié)構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新和耐火材料的更新?lián)Q代，20世紀90年代高爐風溫水平一般超過了1100℃，相當多的高爐超過了1200℃，這為高爐風口噴吹燃料和降低焦比創(chuàng)造了條件。高爐風口噴吹燃料是20世紀50年代以后的重要技術(shù)創(chuàng)新。最初，從風口噴吹重油來替代焦炭，效果良好。石油危機后，由于油價高漲，為降低煉鐵成本，風口噴吹煤粉大發(fā)展，并可以做到置換焦炭用量的40%左右。20世紀后期，風口噴吹劑趨向多元化，同時富氧鼓風也得到發(fā)展。高爐的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率不斷得到改善。4.3高爐焦炭質(zhì)量技術(shù)進步國際大型富鐵礦山的開發(fā)和鐵礦資源的全球化，促進了煉鐵原料品位的提高。選礦工藝技術(shù)進步，加工、混勻、整粒技術(shù)進步，燒結(jié)及球團工藝技術(shù)改進，提高了煉鐵原料的質(zhì)量水平。許多地區(qū)的高爐根據(jù)具體條件，尋找出合理的爐料結(jié)構(gòu)，為高爐強化冶煉提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。焦炭是煉鐵高爐的發(fā)熱劑、還原劑和料柱支撐骨架。焦炭質(zhì)量對高爐煉鐵的生產(chǎn)能力、效率和經(jīng)濟性具有決定性作用。煉焦工藝的技術(shù)創(chuàng)新，焦炭質(zhì)量的提高，對20世紀鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。4.4連鑄技術(shù)的應(yīng)用第二次世界大戰(zhàn)后，全球經(jīng)濟增長對鋼鐵工業(yè)提出新的需求，是世界鋼鐵工業(yè)出現(xiàn)高速增長的拉動力。需求增長促進了技術(shù)創(chuàng)新。除了工序本身的技術(shù)創(chuàng)新，對鋼鐵制造工序之間的鏈接與組成的合理化與優(yōu)化也出現(xiàn)了創(chuàng)新，結(jié)果是提升了鋼鐵制造流程的效率與產(chǎn)品的質(zhì)量，其主要表現(xiàn)形式是工序的集成與解析。工序集成的目的是縮短鋼鐵制造流程，以提高效率和求較低物耗與能耗。連鑄技術(shù)的出現(xiàn)是一個典型。連鑄技術(shù)的實質(zhì)是煉鋼鑄錠與初軋機開坯的集成。這一集成的主要成果是鋼材成材率大幅提升(平均≥10%)和能耗降低，同時將萬能式大型鋼廠轉(zhuǎn)化為專業(yè)化鋼廠，使鋼鐵制造流程走向以連鑄為中心的格局。流程工業(yè)技術(shù)進步的核心是優(yōu)化流程，并不僅僅是縮短流程。連鑄技術(shù)屬于縮短了制造流程。社會經(jīng)濟增長對鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量、品種要求不斷提高，單獨靠縮短流程不可能予以滿足，從而促成了煉鋼工藝的解析與分工。第一代鋼鐵工業(yè)的流程是高爐將鐵水送到煉鋼，煉鋼的功能是把鐵水煉成鋼水并鑄成鋼錠。煉鋼爐的功能是：脫碳、脫硫、脫磷，升溫并調(diào)整鋼水成分，使其達到成品要求。隨著鋼材質(zhì)量要求的不斷提高，煉鋼爐實現(xiàn)功能的難度越來越大。其解決問題的出路是功能的解析與分工?，F(xiàn)代化的煉鋼工序已解析為：鐵水預(yù)處理解決脫硫問題→脫磷轉(zhuǎn)爐脫磷并穩(wěn)定地產(chǎn)出低磷低硫鐵水→轉(zhuǎn)爐脫碳升溫→二次精煉技術(shù)完成脫氧和成分調(diào)整，生產(chǎn)出符合連鑄工序和成品要求的優(yōu)質(zhì)鋼水。煉鋼工序功能的解析與分工，提高了生產(chǎn)效率，鋼水質(zhì)量和降低了消耗，使鋼鐵制造工藝流程的優(yōu)化前進了一大步。4.5社會廢鋼積極主動，電化學鋼在世界改長期以來，鋼鐵產(chǎn)品中金屬鐵的來源是鐵礦石。隨著世界鋼產(chǎn)量的增長，社會廢鋼積蓄量增加。進入20世紀下半葉，在美國、意大利和瑞典等國，通過大型超高功率電爐，偏心爐底出鋼、強化用氧和噴吹燃料等技術(shù)的開發(fā)成功和集成，使得電爐煉鋼過程由4小時縮短到1小時左右，由此引起了大型超高功率電爐——鋼包精煉爐——連鑄機構(gòu)成的現(xiàn)代電爐煉鋼流程，推動了電爐煉鋼廠的數(shù)量增加。電爐煉鋼不用鐵水，只使用固態(tài)料，主要是廢鋼。電爐煉鋼廠主要生產(chǎn)合金鋼，特殊鋼和鐵合金。電爐鋼比例很低，直到20世紀60年代，美國的電爐鋼產(chǎn)量比才達到10%，其他國家則更低。隨著世界鋼產(chǎn)量的增長，社會廢鋼積蓄量的增加，電爐鋼規(guī)模增加。20世紀70年代以后，電爐鋼由以生產(chǎn)合金鋼、特殊鋼為主轉(zhuǎn)向生產(chǎn)長材(主要為了使用廢鋼降低成本)。薄板坯連鑄連軋工藝的出現(xiàn)，動因之一就是為了尋找一種以廢鋼為原料，用電爐工藝低成本生產(chǎn)板材的工藝流程。電爐鋼的生產(chǎn)規(guī)模主要取決于廢鋼資源的多少。進入21世紀，歐盟電爐鋼產(chǎn)量很大，超過8000萬噸/年，占其總鋼產(chǎn)量40%以上；美國電爐鋼產(chǎn)量超過5000萬噸/年，占其總鋼產(chǎn)量50%以上；日本電爐鋼產(chǎn)量大約3000萬噸/年，約占總鋼產(chǎn)量的25%—30%。我國近年來電爐鋼產(chǎn)量也不少，2010年將超過6000萬噸，但占總鋼產(chǎn)量的比例只有10%左右。隨著中國社會廢鋼積蓄量的增大，今后電爐鋼的比例將上升。從節(jié)能降耗出發(fā)，今后應(yīng)盡量擴大廢鋼的循環(huán)利用，電爐鋼將會發(fā)展，而電爐工藝也將成為第二個鋼鐵制造的主流工藝流程。4.6連鑄技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的重要作用連續(xù)鑄鋼是鋼水凝固技術(shù)的重大創(chuàng)新。將原來的鋼水鑄錠和初軋開坯集成為一個工序，提高了收得率、縮短了加工周期、節(jié)約了能源。20世紀40年代連鑄技術(shù)首先在德國實現(xiàn)工業(yè)化，50年代以后取得顯著發(fā)展。1970年日本大分制鐵所建成世界第一座全連鑄鋼廠。20世紀70年代以來的世界鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和我國90年代以后鋼鐵工業(yè)的崛起，連鑄技術(shù)都發(fā)揮了重要作用。連鑄不僅有效地取代了原來的模鑄、初軋/開坯軋機，而且對鋼廠生產(chǎn)過程中上下游工藝、裝備乃至鋼廠的總平面圖、物流系統(tǒng)都發(fā)生了重大的、結(jié)構(gòu)性的影響。在工藝技術(shù)上，連鑄加速了大型堿性平爐的淘汰，加速了初軋/開坯軋機的淘汰；同時，推動了爐外精煉，各類連軋機，以及鑄坯熱送熱裝等節(jié)能工藝的發(fā)展，鋼材收得率提高了12%—15%，噸鋼能耗大幅度降低，市場競爭力明顯提高。與此同時，全連鑄鋼廠的出現(xiàn)，使得鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由原來與初軋/開坯對應(yīng)的“萬能化”生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩I(yè)化”生產(chǎn)，從而推動了大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。4.7ordswell公司1989年，德國SMS公司開發(fā)的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線在美國紐科(Nucor)公司的克勞福斯維爾(Crowfordsville)廠投產(chǎn)，這是繼連鑄之后凝固技術(shù)又一重大創(chuàng)新。由于該技術(shù)具有建設(shè)投資省，勞動生產(chǎn)率高，能耗低，生產(chǎn)成本低于常規(guī)熱連軋機而受到廣泛關(guān)注。迄今為止，全世界薄板坯連鑄連軋總生產(chǎn)能力已超過1億1千萬噸，我國已建成的能力已超過3500萬噸/年。薄板坯連鑄連軋技術(shù)為規(guī)模較大的鋼廠生產(chǎn)薄板產(chǎn)品，提供了一種新的解決方案。4.8高級市場品種，市場強20世紀，連續(xù)軋制技術(shù)不斷地得到了發(fā)展，使生產(chǎn)效率、鋼材的成材率、鋼材的尺寸精度和板型，特別是連軋工藝與控軋控冷技術(shù)相結(jié)合，使得鋼材的質(zhì)量明顯提高，并開發(fā)了許多高級的鋼材品種?，F(xiàn)在熱寬帶鋼軋機的年生產(chǎn)能力已達350萬—550萬噸/年，薄板坯過薄連軋作業(yè)線年產(chǎn)能力達到200萬—300萬噸/年，高速線材能力已達60萬—70萬噸/年，棒材連軋機能力已達60萬—100萬噸/年。最近有些國家在開發(fā)薄帶鑄造。從國際市場需求和條件的多樣性出發(fā)，今后的發(fā)展應(yīng)是常規(guī)熱連軋，薄板坯連鑄連軋等多工藝并存。4.9產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高設(shè)備大型化、連續(xù)化、高效化必須依靠信息化和自動化。高新技術(shù)為鋼鐵工業(yè)提供了新的檢測手段、控制手段和計算機調(diào)控系統(tǒng)，使鋼廠的生產(chǎn)效率進一步提高，成本降低，鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度提高，新品種不斷涌現(xiàn)，資源、能源消耗逐年降低，勞動生產(chǎn)力空前提高，從而使鋼鐵在材料工業(yè)中的競爭力不斷增強。由計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)等組成的信息技術(shù)，已經(jīng)在鋼鐵工業(yè)得到較好的應(yīng)用和開發(fā)，不僅已在工藝裝置控制、產(chǎn)品質(zhì)量保證、新產(chǎn)品開發(fā)、各類經(jīng)濟、技術(shù)管理等方面得到應(yīng)用，而且將在新一代鋼廠全流程控制、能量流控制、環(huán)?？刂频确矫孢M一步得到開發(fā)應(yīng)用。5我國鋼鐵連鑄工序的發(fā)展現(xiàn)狀回顧18世紀以來的鋼鐵工業(yè)的發(fā)展史，是社會經(jīng)濟發(fā)展需求拉動的結(jié)果，而從技術(shù)層面上講，則是鋼鐵制造工藝的技術(shù)創(chuàng)新史和鋼鐵制造流程的集成演進史。作為一個重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，鋼鐵廠的組織形式也經(jīng)歷了一個長期的演化過程。自鋼鐵冶煉形成一門技藝起，就出現(xiàn)了以冶煉為中心的手工作坊。工業(yè)革命后，鋼鐵制造流程中各工序隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，形成不同工序鋼鐵制造工廠。工業(yè)革命帶來的技術(shù)創(chuàng)新，形成了以液態(tài)煉鋼工藝為核心，從高爐煉鐵→平爐煉鋼→模式鑄錠→初軋開坯→分品種軋鋼→熱處理、到成品的鋼材制造流程。19世紀末出現(xiàn)了第一代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。第一代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)各工序之間，除了煉鐵與煉鋼工序的直接連接，其他工序之間并非連續(xù)的，而是間歇的，工序之間靠倉庫緩沖。鋼材制造過程中經(jīng)過多次降溫和升溫。第一代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)大多靠近原料產(chǎn)地建設(shè)，產(chǎn)品往往是多品種并存。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著澳洲、南美洲的大富鐵礦基地的被發(fā)現(xiàn)，以及海運業(yè)的發(fā)展，使世界鐵礦石資源走向國際化，鐵礦石資源貧乏的國家也可以發(fā)展鋼鐵工業(yè)。氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)和連續(xù)鑄鋼技術(shù)的出現(xiàn)，淘汰了模式鑄錠和初軋開坯，使煉鋼與軋鋼工藝直接連接，而連軋機計算機自動控制的實現(xiàn)，使鋼鐵制造流程的生產(chǎn)規(guī)模大幅度擴大，流程縮短，形成了第二代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。第二代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，一部分是新建的臨海鋼鐵企業(yè)，一部分是第一代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)改造、擴建后形成的。年產(chǎn)量100萬噸以上就可以算得上第一代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，而第二代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的規(guī)模基本上在年產(chǎn)500萬噸以上，有的接近1000萬噸。薄板坯連鑄連軋技術(shù)的出現(xiàn)，使鋼鐵廠的流程進一步縮短。第二代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)以連鑄工序為核心，使鋼鐵制造工藝能耗降低，實現(xiàn)高效化，同時使產(chǎn)品走向“專業(yè)化”。隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，鋼鐵工業(yè)的功能除了生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品外還要保護地球環(huán)境，從而必須節(jié)約能源，減少排放。鋼鐵企業(yè)由以供應(yīng)鋼鐵產(chǎn)品為主要功能，向供應(yīng)市場需求的鋼鐵產(chǎn)品及副產(chǎn)品、能源轉(zhuǎn)換和消納社會廢棄物以及地球環(huán)境友好三項功能轉(zhuǎn)變。目前正處于第二代鋼鐵企業(yè)向新一代(第三代)鋼廠演化的初始階段。我國鋼鐵工業(yè)由于國情，資源的條件，人口眾多，地域遼闊，鋼鐵工業(yè)的規(guī)模不可能小，人均年耗粗鋼量將在300公斤/人以上。我國鋼鐵企業(yè)將逐步形成兩大類鋼廠:區(qū)域性鋼廠與跨區(qū)域鋼廠。區(qū)域性鋼廠以滿足區(qū)域內(nèi)的鋼鐵材料需求，而跨區(qū)域鋼廠則以生產(chǎn)高技術(shù)附加值和全國性需求的鋼材為主。由于我國鐵礦石對外依賴性高，跨區(qū)域鋼廠將主要設(shè)在沿海沿江地區(qū)。這種格局將在21世紀前期形成。當然，在一些后工業(yè)化社會的國家，由于大量社會折舊廢鋼的出現(xiàn)和相對價廉的電能供應(yīng)，以廢鋼和直接還原鐵為原料的電爐流程(所謂短流程)以其成本低、生產(chǎn)效率高、資源與環(huán)境負荷小等優(yōu)勢，而得到發(fā)展。21世紀鋼鐵材料仍將是人類社會所使用的主要材料。為適應(yīng)地球環(huán)境與資源能源條件約束，鋼鐵企業(yè)必須依據(jù)地域條件的不同，多種形式并存?？傮w上必須走綠色制造的道路，新一代鋼鐵企業(yè)的形成必須依靠科學技術(shù)進步和不斷的研究、探索開發(fā)，這將是一個更為深刻的演化過程。6鋼鐵工業(yè)的發(fā)展過程是長期的工程過程之一(1)人類社會的發(fā)展始終是受經(jīng)濟需求拉動的。最初是人類為了自身生存和繁衍的需求而不得不進行生產(chǎn)活動，向自然界索取，利用地球的資源。也正由于學會了利用，使用和制造工具，使人類從其他動物中區(qū)別開來，最終形成人類社會。人類社會的歷史，從總體上看，就是人類為自身生存、發(fā)展的需要而謀求經(jīng)濟發(fā)展的演變過程。其間，人類對利用、使用和制造工具方式方法的演變，發(fā)揮了重大的作用。鋼鐵作為人類社會所使用的主要材料，參與了這個演變過程。隨著人類社會需求的不斷增長，對自然界物質(zhì)運動規(guī)律的認識不斷加深，鋼鐵材料制造成為一種技藝。在工業(yè)革命的推動下，鋼鐵制造由手工作坊演變?yōu)榻撹F工業(yè)，而鋼鐵制造技術(shù)由技藝演變并優(yōu)化、集成為鋼鐵冶金工程，進化為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)。進入20世紀，鋼鐵工業(yè)已成為世界上的最重要的產(chǎn)業(yè)之一。從歷史過程看，鋼鐵制造經(jīng)歷了手工業(yè)作坊→近代