一種全新的煉鋼技術(shù)
——微波煉鋼

供稿| 汪常明，陳曉潔/ WANG Chang-ming, CHEN Xiao-jie

一種全新的煉鋼技術(shù)
——微波煉鋼

A New Steelmaking Technology——Microwave Steelmaking

供稿| 汪常明，陳曉潔/ WANG Chang-ming, CHEN Xiao-jie

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

鋼鐵是一種對于國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響的材料，它廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。隨著中國、印度等發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增長，社會對鋼材的需求將大大增加。目前全世界每年鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破10億t大關(guān)，而我國2009年鋼產(chǎn)量已經(jīng)超過5億t，為世界上最大鋼生產(chǎn)國[1]。盡管鋼鐵的生產(chǎn)數(shù)量巨大，但目前煉鐵所使用的基本技術(shù)仍然是古代所發(fā)明的高爐冶煉技術(shù)[2],雖然這種技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展已經(jīng)得到極大的改進(jìn)，但還是存在冶煉過程時間長、所耗能量多以及產(chǎn)生環(huán)境污染等問題。如何克服這些問題，進(jìn)一步提高鋼鐵的產(chǎn)量和質(zhì)量，一直是鋼鐵研究人員努力的方向。最近，出現(xiàn)了一種全新的煉鋼技術(shù)——微波煉鋼，因其有望有效克服目前煉鋼技術(shù)缺陷以及解決世界能源的合理利用問題，從而引起了世人的廣泛關(guān)注。文章將簡要介紹這種技術(shù)的產(chǎn)生、特點(diǎn)、影響及其應(yīng)用前景。

緣起

2004年初，美國、德國、加拿大、中國等眾多媒體相繼報道一則科技消息[3]，那就是美國密歇根理工大學(xué)（Michigan Technological University）兩位華裔科學(xué)家發(fā)明了一種革命性的煉鋼新技術(shù)——微波煉鋼。這兩位科學(xué)家一位是Jiann-Yang（Jim）Hwang（黃建陽 ）教授，另外一位是 Xiao-di Huang（黃曉弟）博士。黃教授是密歇根理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系材料加工研究所所長，主持了近百項(xiàng)美國政府、企業(yè)科研項(xiàng)目，發(fā)明專利數(shù)十項(xiàng)，在礦業(yè)、能源、材料加工等領(lǐng)域已取得了豐碩成果[4]。黃曉弟博士是密歇根理工大學(xué)材料加工研究所科學(xué)家，早年畢業(yè)于北京鋼鐵學(xué)院（即，北京科技大學(xué)），專長于金屬加工和煉鋼領(lǐng)域。兩人自2000年開始合作研究微波應(yīng)用于鋼鐵冶煉，并于2001獲得美國“微波金屬加工”專利[5],此后在美國政府和一些企業(yè)的支持下，對微波煉鋼工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究[6]，通過不斷摸索試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)新的煉鋼設(shè)備，制造多種便于生產(chǎn)的微波發(fā)生器，最終于2004年獲得重大突破[7]，引起了科技界和各大媒體的廣泛關(guān)注。

微波是一種頻率范圍為0.3～300 GHz的電磁波。它一定程度上遵循光學(xué)定律，根據(jù)材料的不同，它能夠被轉(zhuǎn)移、吸收和反射，材料在吸收微波之后溫度升高。微波應(yīng)用于冶金的理論和試驗(yàn)開展較早，20世紀(jì)60年代末，有科學(xué)家開展過利用微波加熱提取金屬的試驗(yàn)[8]。此后有科學(xué)家也作過微波應(yīng)用于冶金的一些努力和嘗試。但在21世紀(jì)之前，這種理論和試驗(yàn)并沒有得到足夠的重視，相關(guān)的研究也未取得明顯進(jìn)展。近幾年來，國內(nèi)曾有學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)理論探討[9-10]，但到目前為止只有密歇根理工大學(xué)材料加工研究所自2000年來不間斷地進(jìn)行著這方面的研究，并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行了嘗試，形成較為完整的理論和試驗(yàn)方案以及次工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)流程。

特點(diǎn)

高爐煉鐵技術(shù)發(fā)明于古代，雖然經(jīng)過了不斷改進(jìn)，但它仍是當(dāng)前最基本的鋼鐵冶煉技術(shù)。鐵礦燒結(jié)球團(tuán)、焦炭、石灰石裝入高爐后，吹入高速熱空氣，部分消耗焦炭產(chǎn)生CO和熱，鐵礦燒結(jié)球團(tuán)在2100℃時被CO還原成鐵。這個過程通常需要8 h。這個技術(shù)路線造成了大量能量浪費(fèi)以及環(huán)境污染。被還原出來的鐵水然后被送到氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（BOF）中，在那里純氧被吹入鐵水，除碳而得到鋼。與傳統(tǒng)煉鋼工藝相比，最新發(fā)明的微波協(xié)助電弧爐煉鋼是一種革命性的技術(shù)變革。它通過聯(lián)合微波、電弧和放熱加熱完成整個煉鋼過程（圖1）。這種技術(shù)能夠可以從由濃縮鐵礦、煤和熔劑組成“生球”中直接得到鋼液，整個過程中無需煉焦、燒結(jié)、高爐冶鐵以及吹氧煉鋼等步驟。該技術(shù)充分利用微波的體加熱、能源高效吸收以及高速化學(xué)反應(yīng)等特點(diǎn)。

圖1 微波/電弧爐煉鋼技術(shù)路線圖[11]

通常，非導(dǎo)電材料的導(dǎo)熱性能非常差，外部加熱方法往往不能使其有效升溫。對于濃縮氧化鐵這種粉末材料尤其如此，這是傳統(tǒng)煉鋼中的一個基本問題。而微波加熱是一種內(nèi)在的、均勻的體加熱，它具有極高的加熱效率。微波加熱對于粉末材料包括聚結(jié)的粉末材料更有效，其加熱效率高達(dá)90%～95%。兩位科學(xué)家的試驗(yàn)結(jié)果表明，磁鐵礦在微波加熱條件下，1 min內(nèi)溫度可升至1000℃，這就解決了煉鋼中基本的熱轉(zhuǎn)換問題。

在微波煉鋼過程中，鐵礦石通過傳統(tǒng)方式被壓碎、輾磨和濃縮，然后和磨成粉的煤炭及石灰石混和。這里煤炭作為還原劑，通過放熱氧化反應(yīng)成為輔助熱源，石灰石則充當(dāng)助熔劑。與傳統(tǒng)煉鋼相比，微波煉鋼使用的是資源較為豐富的煤炭，而非高價格的焦炭。在溫度1000 ℃、空氣存在的條件下，煤炭與空氣中氧反應(yīng)生產(chǎn)CO2，在足量煤炭存在下，最終爐子里只存在CO （CO2+ C = 2CO），鐵礦石粉小球在CO氣氛中直接生成鋼，從而省去了注氧除碳這一步驟，其反應(yīng)溫度的控制通過電弧爐也很容易完成。整個煉鋼過程不但節(jié)省大量時間，而且節(jié)省了大量能源。根據(jù)科學(xué)計(jì)算，整個過程與傳統(tǒng)煉鋼相比節(jié)省能力達(dá)48.5%。

兩位科學(xué)家于10余年前開展微波直接煉鋼研究，他們開始使用單一的微波燒結(jié)系統(tǒng)煉鋼并取得成功，但是這種直接煉鋼僅限于10 g以下的樣品。經(jīng)過長期對微波、電弧和放熱加熱等聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行探索之后，終于確定了一個聯(lián)合使用微波、電弧和放熱加熱工作模型。并設(shè)計(jì)出一個實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的能夠進(jìn)行大樣本加工的設(shè)備。在這個設(shè)備中，經(jīng)過約5 min的微波輻射、緊接著進(jìn)行5～10 min的電弧處理，可以產(chǎn)生約500 g的熔鑄鋼（圖2）。對所煉得的鋼產(chǎn)品進(jìn)行分析表明，其碳含量低于2%，硫含量低于0.01%，分析也表明煤炭的氧化非常充分，沒有觀察到揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）廢氣產(chǎn)生，因煤炭所產(chǎn)生的SO2也隨時間迅速減少[11]。

圖2 密歇根理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室微波煉鋼所煉得的鋼產(chǎn)品照片（照片由Jim Hwang提供）

前景

冶金技術(shù)，尤其是青銅和鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展在人類文明史中具有至關(guān)重要的作用。北京科技大學(xué)柯俊院士曾指出春秋戰(zhàn)國時期的鋼鐵技術(shù)是古代中國的第五大發(fā)明[12]。這些冶金技術(shù)的掌握和變革極大地推進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展和社會的進(jìn)步。在進(jìn)入電子和信息時代之前，人們依然將一個國家的鋼鐵生產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量作為綜合實(shí)力的指標(biāo)[12]。在很長一段時間內(nèi)，鋼材在人類生產(chǎn)和生活中將會是一種極其重要的材料，時至今日，發(fā)展出一種新型的節(jié)省能源、環(huán)境友好的煉鋼技術(shù)已成為社會的迫切需要，微波煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)恰好滿足了這種需要。

微波煉鋼由于過程得到簡化，所以其所需的資金更少、具有更高的生產(chǎn)效率、更少的環(huán)境污染和生產(chǎn)成本以及更高能源效率。此外，這是一種具有彈性的生產(chǎn)工藝，同一個爐子中也可以用于冶煉回收鋼鐵。由于這種技術(shù)潛在地節(jié)省近50%的能量，因此它對于環(huán)境也是極為有利的。鋼鐵工業(yè)是目前最大的能源集中工業(yè)，它約消耗整個生產(chǎn)行業(yè)能源的8%。這種能源的減少將導(dǎo)致溫室氣體和酸雨的減少。而避免焦炭的使用對于保護(hù)環(huán)境作用十分明顯（我們知道，焦炭的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的污染）。

這種新技術(shù)的出現(xiàn)可能導(dǎo)致鋼鐵產(chǎn)業(yè)中出現(xiàn)更多新成員。因?yàn)闊o需依賴冶金焦炭，鐵礦公司可以發(fā)起他們自己的煉鋼生產(chǎn)，而新技術(shù)所需的煤炭是一種豐富、低價、供應(yīng)穩(wěn)定的能源。部分制造商比如鑄造廠和汽車公司也可以在他們的工廠里建立小型的煉鋼設(shè)備。這種新的技術(shù)允許進(jìn)行一些低成本的小型運(yùn)作，因此節(jié)省了大型鋼廠的冷卻、重新加熱以及運(yùn)輸?shù)瘸杀尽?/p>

這種新的技術(shù)也具有很大的經(jīng)濟(jì)潛力。它的成本主要依賴于煤炭、鐵和電能。這幾種商品較之于傳統(tǒng)煉鋼中所使用的焦炭、天然氣和石油價格更穩(wěn)定，世界上豐富的鐵和煤炭足以保證他們未來的供應(yīng)及價格的穩(wěn)定性。

微波煉鋼作為一種全新的、優(yōu)點(diǎn)突出的煉鋼技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和廣闊的應(yīng)用前景。目前兩位科學(xué)家正在孜孜不倦地開展他們的下一步研究——使之盡快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。也許在不久的將來，在我們的日常生活之中就會出現(xiàn)這種新技術(shù)的鋼鐵產(chǎn)品，讓我們拭目以待微波煉鋼技術(shù)給人類社會帶來的變化。

[1] 張其仔.產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書：中國產(chǎn)業(yè)競爭力報告（2010）. 北京：社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2010

[2] D T Llewellyn， R C Hudd. Steels： Metallurgy and Applications. 3rd ed.Butterworth-Heinemann, 1999

[3] Microwave steel： faster, cleaner cheaper. Science Daily, 2004-1-26;Microwaves can make steel fast and cheap. Washington Times, 2004-1-28;Microwave steelmaking. Mirror （German）, 2004-1-28; Steel-making process. NASA Techbriefs, 2004-1-29; American professor’s wild thought, microwave steel for energy. Beijing Evening News, 2004-1-29;Microwave steel. Sina.com Tech News, 2004-1-30; Microwave steel.Canadian Broadcasting Network, 2004-1-30; Jim Hwang, Michigan Tech, microwave steelmaking. NBC TV6 News （Marquette）, 2004-2-15;Microwave steel. Science Update, Washinton DC Radio, 2004-2-25;Microwave steelmaking. World Journal, 2004-2-27

[4] http：//www.mse.mtu.edu/faculty/hwang/jyh-vita-2010a.pdf

[5] X Huang, J Y Hwang. Method for direct metal making by microwave energy. U.S. Patent 6,277,168. 2001

[6] X Huang, J Y Hwang, S Shi, et al. Potential application of microwaves in steelmaking// 3rd World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications. Sydney, Australia, 2002

[7] J Y Hwang, X Huang. Microwave production of steels// Proceedings of 2004 Conference of Structural Engineers Association of Texas, Invited Speaker. Lakeway, Texas, 2004： 1-10

[8] J D Ford, D C T Pei. High temperature chemical processing via microwave absorption. Journal of Micro-wave Power,1967（2）： 61-68

[9] 陳津.微波加熱－電爐直接煉鋼新工藝探討.工業(yè)加熱,2003（4）：1-8

[10] 王厚昕,李正邦.微波在鋼鐵冶金中的應(yīng)用.鋼鐵研究,2006（4）：59-62

[11] J Y Hwang, X Huang. New steel production technology with microwave and electric arc heating//Advanced Processing of Metals and Materials,Volume 5, Improved and Existing Technologies： Iron and Steel and Recycling and Waste Treatment. Edited by F Kongoli, R G Reddy, TMS,2006： 251-261

[12] 陳鐵梅.科技考古學(xué).北京：北京大學(xué)出版社,2008

最近出現(xiàn)一種全新的煉鋼技術(shù)——微波煉鋼，這種新技術(shù)因其簡便、節(jié)能、省時、環(huán)保而引起了世人的關(guān)注。文章介紹了微波煉鋼技術(shù)的產(chǎn)生過程、分析了微波煉鋼技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，討論了微波煉鋼技術(shù)的應(yīng)用前景。

廣西民族大學(xué) 科學(xué)技術(shù)與社會發(fā)展研究中心，南寧 530006

汪常明（1978—），男，湖北通城人，科技史博士，畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007年9月至2008年9月曾在美國密歇根理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系作訪問研究，研究方向?yàn)榭萍际放c科技考古，E-mail：wng@mail.ustc.edu.cn。陳曉潔，女，安徽滁州人。通訊地址：南寧市大學(xué)東路188號 廣西民族大學(xué) 科學(xué)與社會發(fā)展研究中心 530006