當(dāng)前，我國鋼鐵企業(yè)面臨著前所未有的困難與挑戰(zhàn)。渡過艱難時期，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代特征：石器時代數(shù)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(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、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)，必然會受到懲罰。20世紀(jì)末，國際冶金界掀起了“融熔還原”開發(fā)熱潮，許多國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)初平爐煉鋼時代的產(chǎn)品質(zhì)量變革。

彼時鋼鐵工業(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)的能源革命對鋼鐵發(fā)展的影響。

21世紀(jì)，人類對氣候議題愈發(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，積極鼓勵和推動現(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)，科研成果評價應(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，又要鼓勵新工藝技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。