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)現的)，但至今未發(fā)現有古代文獻的記載。關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產業(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，人們經過反復鍛打把渣擠壓出去得到含碳低的熟鐵。按現代的分類，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代意義上的生鐵。據考古學者的研究，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，使熟鐵轉變?yōu)榫哂兴鑿姸?、硬度和韌性的鋼。由于送風設備的機械化，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。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，從而使生鐵轉變?yōu)殇摗Ｎ鞣讲捎玫臒掍摴に囀怯脭囦摖t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鐵地區(qū)設置鐵官，可見當時已形成了一定規(guī)模的手工作坊性的產業(yè)，當時我國的冶鐵技術處于世界領先地位。詳細記載我國古代冶鐵技藝的書有宋應星著的《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、鐵產量規(guī)模不斷擴大，長期經驗的積累，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牧業(yè)之外手工業(yè)的重要組成部分。3現代鋼鐵工業(yè)的誕生進入18世紀，歐洲的工業(yè)革命已經開始。蒸汽機的出現，帶動了紡織、鐵路、輪船等的發(fā)展，當時，需要大量生產鋼鐵來支持工業(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)革命帶來的經濟增長期盼著現代鋼鐵工業(yè)的誕生?，F代鋼鐵工業(yè)的演化經歷漫長的歷史過程，其中充滿著技術創(chuàng)新和舊技術的淘汰，同時也充滿著工程系統(tǒng)的集成和演進。就技術創(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，也經歷了“萬能化”的鋼廠到以“專業(yè)化”生產的鋼廠，鋼廠的生產流程發(fā)生了重構性的演進。進入新世紀以來，隨著循環(huán)經濟等概念的發(fā)展，鋼廠的功能拓展也提到學界和產業(yè)界的日程上來。總的看來，鋼鐵工業(yè)已經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，當時英國作為產鐵大國不得不大量砍伐森林來燒制木炭，從而產生了不少問題。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。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，此項技術在1771年以后才得以推廣，但這一技術創(chuàng)新為其后煉鐵高爐進一步發(fā)展提供了重要的物質基礎。3.2降低燃燒溫度早期的煉鐵高爐使用的是冷風，當時的高爐冬天產量高，夏天產量低。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，這一技術創(chuàng)新為高爐提高生產力、降低能源消耗提供了重要的技術支撐。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力上有新的要求。1850年至1860年間英國人H.貝塞麥(H.Bessemer)根據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，同時其所產生的熱量足以使得到的鋼水處于高溫的流動狀態(tài)。貝塞麥提出了用轉爐替代攪鋼爐的設想，并進行了多次試驗，最終在謝菲爾德(Sheffield)取得成功。貝塞麥的技術創(chuàng)新使煉鋼工藝的生產力上了一個大臺階，開創(chuàng)了煉鋼史上第一次重大的工藝技術革命，為大規(guī)模的現代鋼鐵工業(yè)的形成奠定了基礎。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量只有500磅，生產一爐鋼要6—7個小時，而貝塞麥轉爐一爐鋼數以噸計，冶煉一爐鋼只要數十分鐘，適應了工業(yè)化大規(guī)模生產對鋼的市場需求。貝塞麥轉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，生產效率高，成本相對低，并適合于規(guī)?；a，貝塞麥轉爐迅速得到推廣。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，采用此項技術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后加以改進，1864年西門子-馬丁煉鋼法(平爐煉鋼法)出現,其鋼質優(yōu)于貝氏煉鋼法。由于在起始階段平爐和轉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(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上，發(fā)展出稱為托馬斯轉爐煉鋼法，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—硫和磷就可以脫除，鋼的質量明顯提高，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的，堿性轉爐，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現代鋼鐵軋鋼技術的發(fā)展攪鋼爐煉出的是熟鐵，經過滲碳?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，生鐵產量增加，攪鋼爐產量增加，使鋼加工材料應用范圍擴大，并開始出現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變?yōu)殇?鐵)制。為了適應更大規(guī)模生產鋼材，軋鋼機開始出現，蒸汽機、電動機的出現，軋機的動力增加，使得熱壓力加工的軋機出現，隨后軋鋼機替代鍛錘成了鋼材加工的主要設備。軋機由兩輥式演變?yōu)槿伿?，并出現了初軋/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。軋鋼技術進步，使鋼軌、棒、線、板和型材的批量生產成為現實。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、薄板的加工技術進步使鋼鐵成為人類社會主要的結構材料。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)軋鋼技術在寬幅薄板軋機上的應用實現了工業(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后，由于生產規(guī)模大，原料適應性好，得到快速發(fā)展，鋼的生產能力大幅度提高，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流程，從而出現了鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。與以前的鋼鐵生產手工作坊相比，該流程不僅生產規(guī)模大，成本低，而且產品質量好。最重要的是，這一工藝流程適時地滿足了當時社會經濟發(fā)展對鋼鐵產品的需求，支撐了人類社會的工業(yè)化進程(當時這一進程主要出現在歐洲和北美)。隨著鋼鐵生產能力的大幅度提高，鋼鐵廠數量增多，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上形成了產業(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。電爐煉鋼法的出現比空氣轉爐晚。1878年W.西門子進行過電爐煉鋼法試驗，電爐法的應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)源地的英國在鋼產量在世界領先。1871年，英國鋼年產量為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，美國鋼產量超過英國成為第一產鋼國，德國超過英國居第二。堿性平爐出現后，取代了貝氏煉鋼法。19世紀末出現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，從歐洲引進當時的先進技術，1894年投產，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。部分設備在抗日戰(zhàn)爭初期拆遷到重慶建了鋼廠。現在漢陽的遺址已不存在。4世界鋼產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年全世界鋼產量是2850萬噸，其中美國鋼產量為1035.2萬噸，占世界產量的36.3%。電力的出現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。世界鋼產量1906年超過5000萬噸。第一次世界大戰(zhàn)后，1927年全世界鋼產量超過一億噸。盡管20世紀30年代的經濟危機使全球鋼產量下降到一億噸以下，但危機后鋼產量又恢復到一億噸以上。二次大戰(zhàn)后，戰(zhàn)后重建和經濟發(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、機場等基礎設施的建設，農業(yè)機械化、家用電器的應用推廣，石油天然氣輸送管道的建設以及機械化、自動化技術的推廣應用，對性能好、價格低的結構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)和工程領域，并大量進入居民家庭。與其他材料相比，鋼材在質量、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，出現了許多高品位的鐵礦石供應基地(例如巴西、澳大利亞等)，加上遠洋運輸技術和能力快速增長，使鐵礦石的供應趨向國際化，進而為鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展提供了物質基礎，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，逐步成為主要產鋼國。20世紀以來世界鋼產量的演變見圖8。20世紀中期以來出現的鋼鐵制造技術創(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業(yè)。由圖8可見，20世紀以來世界鋼鐵工業(yè)出現了兩次高速增長期。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濟增長需求的拉動力和技術進步的推動力的結果，如表1所示。20世紀以來，2000年的鋼產量比1900年增長超過28倍，2008年的鋼產量比2000年又超過60%，2009年的經濟危機使全球鋼產量下降，仍為2000年產量的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好鋼技術的發(fā)展20世紀40年代瑞士的R.杜勒(RobertDürer)教授等對氧氣轉爐煉鋼進行了研究，但由于當時的技術限制氧氣價格太貴而不能實現工業(yè)化。進入50年代，制氧工業(yè)的進步使氧氣機產能大幅提高，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，能夠實現設備大型化。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少，提高了鋼的質量，從而使氧氣轉爐煉鋼技術在全世界得到迅速發(fā)展。第一次鋼鐵高速增長期，日本、歐洲鋼產量的快速增長與氧氣轉爐的普及密不可分。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，內容積為1603m3;1976年日本大分廠內容積為5070m3的2號高爐投產，10多年時間內，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水平和勞動生產率并降低了能耗。高壓操作是20世紀40年代出現的高爐煉鐵技術創(chuàng)新。首先在美國和蘇聯(lián)應用，以后全世界推廣。提高爐頂壓力促進了高爐增產，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。隨著熱風爐結構的技術創(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。高爐的生產成本和生產效率不斷得到改善。4.3高爐焦炭質量技術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。選礦工藝技術進步，加工、混勻、整粒技術進步，燒結及球團工藝技術改進，提高了煉鐵原料的質量水平。許多地區(qū)的高爐根據具體條件，尋找出合理的爐料結構，為高爐強化冶煉提供了物質基礎。焦炭是煉鐵高爐的發(fā)熱劑、還原劑和料柱支撐骨架。焦炭質量對高爐煉鐵的生產能力、效率和經濟性具有決定性作用。煉焦工藝的技術創(chuàng)新，焦炭質量的提高，對20世紀鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。4.4連鑄技術的應用第二次世界大戰(zhàn)后，全球經濟增長對鋼鐵工業(yè)提出新的需求，是世界鋼鐵工業(yè)出現高速增長的拉動力。需求增長促進了技術創(chuàng)新。除了工序本身的技術創(chuàng)新，對鋼鐵制造工序之間的鏈接與組成的合理化與優(yōu)化也出現了創(chuàng)新，結果是提升了鋼鐵制造流程的效率與產品的質量，其主要表現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。連鑄技術的出現是一個典型。連鑄技術的實質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)技術進步的核心是優(yōu)化流程，并不僅僅是縮短流程。連鑄技術屬于縮短了制造流程。社會經濟增長對鋼材產品的質量、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，升溫并調整鋼水成分，使其達到成品要求。隨著鋼材質量要求的不斷提高，煉鋼爐實現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代化的煉鋼工序已解析為：鐵水預處理解決脫硫問題→脫磷轉爐脫磷并穩(wěn)定地產出低磷低硫鐵水→轉爐脫碳升溫→二次精煉技術完成脫氧和成分調整，生產出符合連鑄工序和成品要求的優(yōu)質鋼水。煉鋼工序功能的解析與分工，提高了生產效率，鋼水質量和降低了消耗，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，鋼鐵產品中金屬鐵的來源是鐵礦石。隨著世界鋼產量的增長，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——連鑄機構成的現代電爐煉鋼流程，推動了電爐煉鋼廠的數量增加。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，美國的電爐鋼產量比才達到10%，其他國家則更低。隨著世界鋼產量的增長，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，電爐鋼由以生產合金鋼、特殊鋼為主轉向生產長材(主要為了使用廢鋼降低成本)。薄板坯連鑄連軋工藝的出現，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板材的工藝流程。電爐鋼的生產規(guī)模主要取決于廢鋼資源的多少。進入21世紀，歐盟電爐鋼產量很大，超過8000萬噸/年，占其總鋼產量40%以上；美國電爐鋼產量超過5000萬噸/年，占其總鋼產量50%以上；日本電爐鋼產量大約3000萬噸/年，約占總鋼產量的25%—30%。我國近年來電爐鋼產量也不少，2010年將超過6000萬噸，但占總鋼產量的比例只有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連鑄技術在鋼鐵行業(yè)的重要作用連續(xù)鑄鋼是鋼水凝固技術的重大創(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年代連鑄技術首先在德國實現工業(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、結構性的影響。在工藝技術上，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，使得鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的產品結構由原來與初軋/開坯對應的“萬能化”生產轉變?yōu)椤皩I(yè)化”生產，從而推動了大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的結構調整。4.7ordswell公司1989年，德國SMS公司開發(fā)的薄板坯連鑄連軋生產線在美國紐科(Nucor)公司的克勞福斯維爾(Crowfordsville)廠投產，這是繼連鑄之后凝固技術又一重大創(chuàng)新。由于該技術具有建設投資省，勞動生產率高，能耗低，生產成本低于常規(guī)熱連軋機而受到廣泛關注。迄今為止，全世界薄板坯連鑄連軋總生產能力已超過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為規(guī)模較大的鋼廠生產薄板產品，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)軋制技術不斷地得到了發(fā)展，使生產效率、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相結合，使得鋼材的質量明顯提高，并開發(fā)了許多高級的鋼材品種?，F在熱寬帶鋼軋機的年生產能力已達350萬—550萬噸/年，薄板坯過薄連軋作業(yè)線年產能力達到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)展應是常規(guī)熱連軋，薄板坯連鑄連軋等多工藝并存。4.9產品質量不斷提高設備大型化、連續(xù)化、高效化必須依靠信息化和自動化。高新技術為鋼鐵工業(yè)提供了新的檢測手段、控制手段和計算機調控系統(tǒng)，使鋼廠的生產效率進一步提高，成本降低，鋼鐵產品的質量大幅度提高，新品種不斷涌現，資源、能源消耗逐年降低，勞動生產力空前提高，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、網絡技術、通訊技術等組成的信息技術，已經在鋼鐵工業(yè)得到較好的應用和開發(fā)，不僅已在工藝裝置控制、產品質量保證、新產品開發(fā)、各類經濟、技術管理等方面得到應用，而且將在新一代鋼廠全流程控制、能量流控制、環(huán)保控制等方面進一步得到開發(fā)應用。5我國鋼鐵連鑄工序的發(fā)展現狀回顧18世紀以來的鋼鐵工業(yè)的發(fā)展史，是社會經濟發(fā)展需求拉動的結果，而從技術層面上講，則是鋼鐵制造工藝的技術創(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產業(yè)，鋼鐵廠的組織形式也經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)大多靠近原料產地建設，產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，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)。氧氣轉爐煉鋼技術和連續(xù)鑄鋼技術的出現，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，使鋼鐵制造流程的生產規(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500萬噸以上，有的接近1000萬噸。薄板坯連鑄連軋技術的出現，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，實現高效化，同時使產品走向“專業(yè)化”。隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，鋼鐵工業(yè)的功能除了生產鋼鐵產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)由以供應鋼鐵產品為主要功能，向供應市場需求的鋼鐵產品及副產品、能源轉換和消納社會廢棄物以及地球環(huán)境友好三項功能轉變。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)域內的鋼鐵材料需求，而跨區(qū)域鋼廠則以生產高技術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和相對價廉的電能供應，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。為適應地球環(huán)境與資源能源條件約束，鋼鐵企業(yè)必須依據地域條件的不同，多種形式并存。總體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)，而鋼鐵制造技術由技藝演變并優(yōu)化、集成為鋼鐵冶金工程，進化為現代鋼鐵工業(yè)。進入20世紀，鋼鐵工業(yè)已成為世界上的最重要的產業(yè)之一。從歷史過程看，鋼鐵制造經歷了手工業(yè)作坊→近代