鋼鐵冶金從技藝走向工程科學(xué)的演化進(jìn)程研究

張福明

工程科學(xué)與技術(shù)

鋼鐵冶金從技藝走向工程科學(xué)的演化進(jìn)程研究

張福明1，2

（1. 首鋼集團(tuán)有限公司，北京 100041；2. 北京冶金三維仿真工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

以工程哲學(xué)的視野，研究了鋼鐵冶金的起源、發(fā)展和演化進(jìn)程。闡述了鋼鐵材料的功能與地位，論證了鋼鐵對人類社會進(jìn)步和文明發(fā)展的重要作用。研究了古代鋼鐵冶金技藝的發(fā)展、傳承和創(chuàng)新，討論了17世紀(jì)以后，文藝復(fù)興以及近代科學(xué)的肇始對鋼鐵冶金技術(shù)和科學(xué)的影響。論述了近代科學(xué)對鋼鐵冶金從技藝走向工程科學(xué)的重大和深遠(yuǎn)的影響，并對以冶金物理化學(xué)為代表的鋼鐵冶金基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)建進(jìn)行了詳細(xì)論述。闡述了以冶金反應(yīng)工程為代表的鋼鐵冶金技術(shù)科學(xué)對現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的重大意義，討論了宏觀鋼鐵冶金工程科學(xué)、冶金流程工程學(xué)對鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義。提出了鋼鐵冶金基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程科學(xué)協(xié)同發(fā)展、相互支撐的學(xué)科體系，以及未來鋼鐵工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的目標(biāo)和方向。

鋼鐵冶金；工程演化；物理化學(xué)；冶金反應(yīng)工程；冶金流程工程學(xué)；工業(yè)革命

1 鋼鐵材料的功能與地位

長期以來，鋼鐵由于資源儲備豐富、制造成本相對低廉、材料綜合性能優(yōu)越、易于加工且便于循環(huán)利用，成為了當(dāng)前世界上重要的結(jié)構(gòu)材料，也是世界上消費(fèi)量最大的功能材料（例如電工鋼、不銹鋼等）[1]。毋庸置疑，鋼鐵是伴隨著人類文明演化發(fā)展的重要材料和重要標(biāo)志，甚至可以說，人類文明的發(fā)展史與鋼鐵息息相關(guān)，鋼鐵是人類生存發(fā)展不可或缺甚至是無可替代的重要基礎(chǔ)材料、結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

考古學(xué)認(rèn)為鐵器時(shí)代是人類發(fā)展進(jìn)程中一個(gè)極為重要的時(shí)代，是繼石器時(shí)代、青銅器時(shí)代之后的一個(gè)新時(shí)代，鐵器時(shí)代以人類能夠進(jìn)行鐵的冶煉和鐵器的制造為標(biāo)志。人類從石器時(shí)代演變到青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代，其重要的標(biāo)志就是人類生產(chǎn)和生活的工具從石器變成了青銅器和鐵器。眾所周知，無論是舊石器時(shí)代、中石器時(shí)代還是新石器時(shí)代，人類先祖?zhèn)冮_始使用三角形、梯形或不規(guī)則四邊形的尖銳、鋒利且容易持握的天然石器作為工具，所用的石材全部來自于自然界，僅是對石器進(jìn)行簡單的挑選、打磨和加工而已，談不上對石器的“深加工”和精雕細(xì)刻。究其原因，一方面是人類當(dāng)時(shí)還找不到比石器更加堅(jiān)硬鋒利的材料和工具，另一方面是當(dāng)時(shí)人類還處于從蒙昧向智人的過渡時(shí)期，人們對自然的認(rèn)知能力還極其有限。直到進(jìn)入新石器晚期，人類才開始使用陶器，人類社會才開始進(jìn)行農(nóng)業(yè)和畜牧生產(chǎn)，人類農(nóng)耕文明時(shí)代從公元前8000年一直延續(xù)到了17世紀(jì)[2]。

2 古代鋼鐵冶金技術(shù)的發(fā)展

中華民族大約在春秋戰(zhàn)國時(shí)期，創(chuàng)造了舉世聞名的青銅文化，在冶金領(lǐng)域制造和生產(chǎn)出許多絕世經(jīng)綸、莊重精美的國之重器，如20世紀(jì)考古發(fā)現(xiàn)的司母戊鼎（1939年出土）、曾侯乙青銅編鐘（1978年出土），充分證實(shí)了我國古代先民高超的制造技藝和水平[3]。在當(dāng)時(shí)，除了制造精美無比的青銅器制品，人們還探索了青銅冶煉、鑄造的一般規(guī)律，進(jìn)行了初步的理論性總結(jié)。我國著名的古代科技名著《考工記》中“金有六齊”、“改煎金、錫則不耗，不耗然后權(quán)之”的論述，闡述了青銅冶金的成分調(diào)劑，利用標(biāo)準(zhǔn)量器準(zhǔn)確計(jì)量，是商周以來積累的青銅合金中銅、錫、鉛的成分配比的系統(tǒng)總結(jié)和歸納，在世界上屬于首次闡述；“鑄金之狀”總結(jié)了冶煉和鑄造青銅時(shí)的幾種情狀，以及對“火候”的描述，通過觀察火焰顏色變化規(guī)律，根據(jù)焰色變化規(guī)律掌握火候，這可以認(rèn)為是現(xiàn)代高溫冶金工藝中，通過觀察冶金過程火焰和溫度來判定冶金進(jìn)程的“濫觴”。

鐵器時(shí)代是在青銅器時(shí)代之后的人類重要文明時(shí)代。鐵的冶煉和鐵器的制造，在今天看來，仍是人類社會發(fā)展過程中一個(gè)了不起的成就。考古研究認(rèn)為，人類對鐵的冶煉始于距今大約3500年以前，而鐵器的大量使用始于距今1500~2000年以前[4]。古代冶鐵的工藝和現(xiàn)代大不相同，基本是在青銅冶煉和鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。囿于當(dāng)時(shí)的工藝和技術(shù)水平，人們將鐵礦石和木炭放入陶罐中加熱，加熱的溫度只能達(dá)到800~ 1000℃，得到的其實(shí)是一種塊狀海綿鐵，然后再經(jīng)過反復(fù)鍛打的方法脫除海綿鐵中的碳和雜質(zhì)，這種方法被稱為“塊鐵法”，現(xiàn)在從冶金學(xué)的學(xué)術(shù)角度來看，這種方法屬于鐵礦石直接還原工藝。海綿鐵經(jīng)過反復(fù)鍛打脫碳后被稱為“熟鐵”，實(shí)際上就是含碳量低的鐵，性能更加良好，也就是現(xiàn)代的鋼。從含碳量高的生鐵，變成含碳量低的鋼，要經(jīng)過反復(fù)的加熱、鍛打和脫碳，工藝十分復(fù)雜。古代鋼鐵冶金的歷史，也是不斷發(fā)展演進(jìn)的，從“塊鐵法”、“炒鋼法”、“百煉鋼”到“灌鋼法”等，許多工藝方法在不斷發(fā)展變革[5]。大約在2000年前，利用豎爐生產(chǎn)生鐵的工藝開始問世，這是古代高爐煉鐵的起源。中國古代高爐的鼓風(fēng)設(shè)備被稱為“橐”，實(shí)際上是一種用皮革制成的皮囊，也就是鼓風(fēng)用的風(fēng)箱，利用畜力或者水車對橐進(jìn)行反復(fù)壓縮，將空氣鼓風(fēng)送入高爐。

我國北宋著名科學(xué)家、政治家沈括（1031- 1095）撰寫的《夢溪筆談》[6]，是一部涉及古代中國自然科學(xué)、工藝技術(shù)及社會歷史現(xiàn)象的綜合性筆記體著作，在我國乃至世界科技史上具有崇高地位，被英國科技史學(xué)家李約瑟評價(jià)為“中國科學(xué)史上的里程碑”?！秹粝P談》是沈括晚年的總結(jié)性著作，是他一生學(xué)問最精華部分的結(jié)晶，包羅萬象、廣博精深，涉及的門類非常廣泛。書中就記載了“灌鋼”的煉鋼方法，“取精鐵鍛之百余火，每鍛稱之，一鍛一輕，至累鍛而斤兩不減則純鋼也，雖百煉不耗矣”。由此可見，早在900多年前的宋代，我國就已經(jīng)完全掌握了通過反復(fù)加熱、鍛打而脫除碳和其他雜質(zhì)的“百煉鋼”工藝。

我國明代著名科學(xué)家宋應(yīng)星（1587-約1666）在《天工開物》中寫到，“凡鐵分生、熟，出爐未炒則生，既炒則熟。生、熟相合，煉成則鋼”，從工藝制造方法上給出了鐵和鋼的區(qū)別，描述了鋼的制造方法，直到今天來看，這些論述都有很高的學(xué)術(shù)研究價(jià)值?！叭〕黾渝N，再煉再錘，不一而足。俗名團(tuán)鋼，亦曰灌鋼者是也”[7]?！短旃ら_物》中詳細(xì)記載了古代鋼鐵冶煉和加工的方法，是記載我國科技發(fā)展的世界性科技名著，特別是其中的生產(chǎn)工藝圖尤為可貴。在鋼鐵冶煉工藝的記載中，有很多是我國先民的發(fā)明創(chuàng)造，如灌鋼法、以煤煉鐵、直接將生鐵炒制成熟鐵、采用大型活塞式風(fēng)箱鼓風(fēng)煉鐵等，都是我國先民的發(fā)明創(chuàng)造和對人類冶金技術(shù)的貢獻(xiàn)，在人類文明的發(fā)展歷程中，閃爍著熠熠光輝。

3 近代鋼鐵冶金技術(shù)的突破

3.1 文藝復(fù)興與第一次工業(yè)革命

縱觀人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展史，可以更加清晰地梳理出人類科技進(jìn)步的歷程和現(xiàn)代科技文明起源及其發(fā)展的脈絡(luò)。公元5世紀(jì)后期到公元15世紀(jì)中期，歷史上被稱為“黑暗的中世紀(jì)”（從公元476年西羅馬帝國的滅亡開始，直到公元1453年東羅馬帝國的滅亡終止），歐洲經(jīng)歷了長達(dá)近千年的黑暗時(shí)期，這個(gè)時(shí)期歐洲沒有統(tǒng)一的封建集中政權(quán)，封建割據(jù)帶來頻繁的戰(zhàn)爭，再加上天主教對人們思想的禁錮，造成了科技和生產(chǎn)力發(fā)展停滯，人們生活在毫無希望的痛苦之中。中世紀(jì)對自然現(xiàn)象缺乏興趣，漠視個(gè)人主張，其根源在于一種超自然的觀點(diǎn)、一種向往來世的思想占據(jù)著支配地位[8]。直到14~16世紀(jì)，歐洲開始了文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)[9]，進(jìn)入到了近現(xiàn)代時(shí)期，歐洲文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的代表性人物包括：意大利著名詩人但丁，意大利著名人文主義者弗蘭齊斯科·彼特拉克，意大利著名詩人、文學(xué)家喬萬尼·薄伽丘（《十日談》的作者），文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)最負(fù)盛名的意大利著名畫家達(dá)·芬奇、拉斐爾·桑西，意大利著名雕塑家米開朗基羅·博那羅蒂，以及文藝復(fù)興時(shí)期英國著名的文學(xué)巨匠莎士比亞。所謂“文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)”是由于當(dāng)時(shí)還沒有成熟的文化體系取代天主教宗教文化，人們借助復(fù)興古代希臘、羅馬文化的形式來表達(dá)他們的文化主張。因此，文藝復(fù)興并不是單純的文化文藝的古典復(fù)興，而是一場尊崇古典、弘揚(yáng)人本主義的新文化運(yùn)動(dòng)，其根本目的是擺脫天主教的神權(quán)統(tǒng)治，擯棄宗教禁欲主義對人們思想禁錮和束縛的思想和文化的解放運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是資產(chǎn)階級反封建的新文化運(yùn)動(dòng)。文藝復(fù)興是歐洲近代三大思想解放運(yùn)動(dòng)（文藝復(fù)興、宗教改革與啟蒙運(yùn)動(dòng)）之一，在人類文明進(jìn)程中具有極其重要的地位。

直到18世紀(jì)末至19世紀(jì)初的第一次工業(yè)革命以后，高爐開始使用焦炭、機(jī)械動(dòng)力和熱風(fēng)煉鐵，開啟了近代高爐冶煉的新時(shí)代[10]。第一次工業(yè)革命是人類科技發(fā)展史上的一次巨大革命，開創(chuàng)了以機(jī)器代替手工勞動(dòng)的時(shí)代。這不僅是一次技術(shù)革命，更是一場深刻的社會變革。以蒸汽機(jī)為代表的機(jī)械動(dòng)力的出現(xiàn)，使社會生產(chǎn)力發(fā)生了巨大的變化，從而使人類社會步入了工業(yè)文明、電氣文明和信息文明的新時(shí)代。

3.2 近代科學(xué)的肇始

17世紀(jì)被世界史學(xué)界譽(yù)為近代科學(xué)肇始的時(shí)代[11]。歐洲文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)后期，近代科學(xué)研究開始起源。最具代表性的科學(xué)家是意大利天文學(xué)家、物理學(xué)家和工程師伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564-1642）。伽利略對17世紀(jì)的自然科學(xué)的發(fā)展起到了重大作用[12]，改變了人類對物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和宇宙的認(rèn)識，被后人譽(yù)為“現(xiàn)代物理學(xué)之父”、“科學(xué)方法之父”、“現(xiàn)代科學(xué)之父”，愛因斯坦曾經(jīng)評價(jià)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)和他所用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端！”。伽利略開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)體系，伽利略的科學(xué)發(fā)現(xiàn)不僅在物理學(xué)史上而且在整個(gè)科學(xué)史上都占有極其重要的地位。

17世紀(jì)中后期，荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695），是繼伽利略之后一位重要的物理學(xué)先驅(qū)，是科學(xué)發(fā)展史上著名的物理學(xué)家之一。他對力學(xué)的發(fā)展和光學(xué)的研究都有杰出的貢獻(xiàn)，在數(shù)學(xué)和天文學(xué)方面也有卓越的成就，是近代自然科學(xué)的一位重要開拓者。他建立了向心力定律，提出動(dòng)量守恒原理，并改進(jìn)了計(jì)時(shí)器。

對人類近代自然科學(xué)起源具有重要貢獻(xiàn)的代表性人物是英國著名科學(xué)家艾薩克·牛頓（Isaac Newton，1643-1727），他出生于伽利略去世以后的第二年。牛頓在系統(tǒng)地總結(jié)了伽利略、惠更斯等人的科學(xué)研究工作以后（史稱“牛頓綜合”），1687年發(fā)表論文《自然定律》，提出了萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)三大定律，提出了光的色散原理，發(fā)明了反射式望遠(yuǎn)鏡，還與萊布尼茨共同發(fā)明了微積分，他的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和論述奠定了物理世界的科學(xué)觀點(diǎn)，他在力學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究，奠定了自然科學(xué)研究的基礎(chǔ)，并成為現(xiàn)代技術(shù)科學(xué)、工程科學(xué)的基礎(chǔ)，大力推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)革命。

1687年牛頓發(fā)表巨作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》[13]，開辟了大科學(xué)時(shí)代。牛頓被公認(rèn)為是最具影響力的科學(xué)家，被譽(yù)為“科學(xué)的天才”和“物理學(xué)之父”，他是經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的建立者。他提出的運(yùn)動(dòng)三大定律和萬有引力定律，為近代物理學(xué)和力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，牛頓在科學(xué)上的巨大成就連同他的樸素唯物主義哲學(xué)觀點(diǎn)和一套初具規(guī)模的物理學(xué)方法論體系，對物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展，特別是對于18世紀(jì)的工業(yè)革命、社會經(jīng)濟(jì)變革及機(jī)械唯物論思潮的發(fā)展帶來了巨大和深遠(yuǎn)的影響。

18世紀(jì)中葉至19世紀(jì)中葉，自然科學(xué)基礎(chǔ)理論發(fā)展和第一次工業(yè)革命，有力推動(dòng)了人類科技進(jìn)步，也推動(dòng)人類社會從封建君主專制發(fā)展到了資本主義共和制[14]。

3.3 近代鋼鐵冶金技術(shù)的突破

鋼鐵冶金的技術(shù)演化歷史，既是人類文明進(jìn)步的歷史，還是技術(shù)、工程、科學(xué)三元論最有力的實(shí)證。第一次工業(yè)革命以前，直到1825年之前，人們并不清楚鋼鐵冶金的科學(xué)理論，也不完全懂得鋼鐵冶金過程的氧化-還原反應(yīng)和熱量、質(zhì)量、動(dòng)量傳輸和化學(xué)反應(yīng)（“三傳一反”）的傳輸理論。鋼鐵冶金術(shù)長期以來就是一門技藝和技巧，很多技術(shù)的變革和工藝的改進(jìn)都是工匠們奇思妙想或從反復(fù)失敗的教訓(xùn)中總結(jié)得出的，談不上科學(xué)理論依據(jù)和理論基礎(chǔ)，也不是在科學(xué)理論指導(dǎo)下的實(shí)踐，完全是一種經(jīng)驗(yàn)和技藝的總結(jié)、提煉、學(xué)習(xí)、傳承和發(fā)揚(yáng)，屬于典型的實(shí)踐先于理論、技術(shù)先于科學(xué)、工程先于科學(xué)?；仡櫣糯苯鸺夹g(shù)的發(fā)展演化進(jìn)程，是無數(shù)的工匠們經(jīng)過口傳心授、不斷摸索和反復(fù)實(shí)踐，冶金技術(shù)的知識、經(jīng)驗(yàn)和技藝的傳承基本停留在“默會知識”和“隱性知識”的范疇內(nèi)，類似于現(xiàn)在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承，高明的工匠在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，敢于探索創(chuàng)新就會產(chǎn)生新的技藝和方法；一旦這些技藝和經(jīng)驗(yàn)失傳，也就很難再復(fù)原。因此，千百年間，古代冶金技術(shù)和技藝基本沒有取得突破性的躍遷和顛覆性的革命，像陶瓷、紡織等大多數(shù)生產(chǎn)加工技藝一樣，世代相傳，延綿不絕。直到19世紀(jì)中葉，隨著物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，冶金過程熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等知識體系的形成與發(fā)展，才逐漸形成了現(xiàn)代冶金學(xué)及其造塊、煉鐵、煉鋼、連鑄、金屬壓力加工等學(xué)科分支，完成了鋼鐵冶金從技藝到科學(xué)的嬗變[15]。

1856年，英國著名發(fā)明家、冶金學(xué)家和工程師貝塞麥（Bessemer Sir Hery，1813-1898）發(fā)明了轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，將融化的生鐵裝入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，吹入高壓空氣便可通過氧化反應(yīng)脫除生鐵所含的硅、錳、磷、碳等元素，將生鐵冶煉成鋼。這是世界首創(chuàng)的大批量煉鋼的方法，生產(chǎn)效率大幅度提高。貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝后來經(jīng)過馬希特（R.Mushet）父子的改進(jìn)，在鋼水中加鏡鐵（含錳量較低的錳鐵）用來脫硫，使轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝得到進(jìn)一步完善。貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的誕生標(biāo)志著早期工業(yè)革命的“鐵時(shí)代”向“鋼時(shí)代”的演變，在冶金技術(shù)發(fā)展史上具有重要的劃時(shí)代的意義。后來歐洲、美洲都引進(jìn)了這一先進(jìn)煉鋼工藝，世界從此進(jìn)入了現(xiàn)代鋼鐵時(shí)代。直到20世紀(jì)中葉，頂吹純氧的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝在世界范圍內(nèi)推廣普及，極大地推動(dòng)了煉鋼技術(shù)的進(jìn)步。

4 現(xiàn)代鋼鐵冶金科學(xué)、技術(shù)和工程的發(fā)展

4.1 鋼鐵是工業(yè)革命的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)

現(xiàn)代鋼鐵冶金是人類社會進(jìn)步不可或缺的重要支撐。18世紀(jì)中下葉的第一次工業(yè)革命[16]，以英國為代表，開始了將熱能通過蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器化工業(yè)生產(chǎn)，隨后以機(jī)器生產(chǎn)為標(biāo)志的工業(yè)革命浪潮席卷歐洲、北美乃至全球。19世紀(jì)以來，隨著電力技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用，以電力能源技術(shù)、無線電通訊技術(shù)為核心的第二次工業(yè)革命迅速爆發(fā)，電力作為全新的二次能源被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，內(nèi)燃機(jī)得到了普遍應(yīng)用，人類的交通工具從馬車、火車、輪船，躍進(jìn)到汽車、飛機(jī)時(shí)代。20世紀(jì)中葉，電子信息技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路以及信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相繼問世，使人類社會步入了嶄新的時(shí)代。毋庸置疑，工業(yè)化顛覆了人類傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式，極大推動(dòng)了人類文明的快速發(fā)展。鋼鐵材料在第一次和第二次工業(yè)革命中都扮演著重要的角色，是支撐科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要結(jié)構(gòu)材料、功能性材料或首選材料，甚至是不可替代的。圖1是1900～2019年世界粗鋼產(chǎn)量變化的情況。

圖1 1900年以來世界粗鋼產(chǎn)量的變化

4.2 現(xiàn)代冶金科學(xué)的創(chuàng)立

第一次工業(yè)革命以后，鋼鐵冶金科學(xué)、技術(shù)和工程都取得了飛躍發(fā)展，在不同的尺度和層次上，形成了原子、分子為研究對象微觀尺度的基礎(chǔ)冶金科學(xué)，工序、裝置中觀尺度的冶金工藝技術(shù)，以及工廠、鋼鐵企業(yè)宏觀尺度的冶金工程，學(xué)科發(fā)展和學(xué)科知識體系日臻完善[17]。

1840~1847年，德國醫(yī)生邁爾（1814-1878）、英國物理學(xué)家焦耳（1818-1889）和德國物理學(xué)家赫爾姆赫茲（1821-1894），相繼在卡諾熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，提出并闡述了熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律。1850年，德國物理學(xué)家克勞修斯（Ruddof Lulius Emanuel Clausius，1822-1888）發(fā)表重要論文，首次提出熱力學(xué)第二定律的概念，即熱量不可能從低溫的物體轉(zhuǎn)移到高溫的物體，要實(shí)現(xiàn)這一過程就必須做功；隨后克勞修斯又引入熵的概念，因此熱力學(xué)第二定律又被后人稱之為熵增定律。1851年，英國物理學(xué)家、發(fā)明家開爾文（Lord Kelvin，1824-1907）提出了另一種形式的熱力學(xué)第二定律，即不可能從單一熱源吸收熱量使其完全做功，而不發(fā)生其他變化。與此同時(shí)，卡爾文對熱力學(xué)第一定律和第二定律的公式化做出了重要貢獻(xiàn)，是熱力學(xué)的主要奠基者之一。鋼鐵冶金熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)是建立在經(jīng)典熱力學(xué)三大定律——能量守恒（熱力學(xué)第一定律）、反應(yīng)進(jìn)行的可能性及最大限度（熱力學(xué)第二定律）、絕對零度不能達(dá)到（熱力學(xué)第三定律）的基礎(chǔ)上，主要體現(xiàn)是熱力學(xué)第二定律在鋼鐵冶金過程中的應(yīng)用[18]。

1925年，英國法拉第學(xué)會（Faraday Society）在倫敦召開的“煉鋼過程物理化學(xué)”討論會，對當(dāng)時(shí)乃至以后的冶金學(xué)和鋼鐵冶金工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了重要和深遠(yuǎn)的影響。1932年，德國物理學(xué)家申克（R.Schenck，1900-？）出版了學(xué)術(shù)專著《鋼鐵冶金過程物理化學(xué)導(dǎo)論》，首次提出了鋼鐵冶金物理化學(xué)的概念，奠定了鋼鐵冶金物理化學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)，新的學(xué)科由此誕生。經(jīng)過20世紀(jì)近70年的發(fā)展，鋼鐵冶金已經(jīng)初步形成了現(xiàn)代鋼鐵冶金科學(xué)、技術(shù)和工程三元體系。冶金學(xué)從20世紀(jì)初開始跨入了現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。然而，冶金學(xué)又是有別于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)等以研究自然物理現(xiàn)象為主要目標(biāo)的基礎(chǔ)科學(xué)的。從根本上看，冶金學(xué)是屬于研究人工物世界的工程科學(xué)、技術(shù)科學(xué)范疇，是重在研究發(fā)展現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的工程知識、技術(shù)知識和工程科學(xué)知識。其知識的來源是多元化、多層次、集成、綜合性的，不僅是只來源于基礎(chǔ)科學(xué)。冶金學(xué)的知識重在對各類要素、各類知識集成起來，并能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的、直接的生產(chǎn)力，發(fā)明、集成、綜合、轉(zhuǎn)化是其特征。

4.3 現(xiàn)代冶金技術(shù)科學(xué)的形成

20世紀(jì)是鋼鐵冶金發(fā)展成為科學(xué)，特別是成為技術(shù)科學(xué)的關(guān)鍵時(shí)期。20世紀(jì)20年代，化學(xué)熱力學(xué)理論應(yīng)用于鋼鐵冶金領(lǐng)域中，逐漸發(fā)展為冶金過程物理化學(xué)；其中化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)主要解決冶金化學(xué)反應(yīng)過程中分子與分子之間的反應(yīng)問題，包括化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向上的可能性，反應(yīng)平衡的極限，不同元素之間反應(yīng)的選擇性、排序性，反應(yīng)平衡時(shí)的焓變化等?；瘜W(xué)反應(yīng)熱力學(xué)主要是對冶金過程中化學(xué)變化本質(zhì)的認(rèn)識和規(guī)律的揭示，對冶金學(xué)而言，具有劃時(shí)代的科學(xué)意義。上述屬于基礎(chǔ)科學(xué)性質(zhì)的理論研究，主要是從原子或分子尺度的微觀層次上進(jìn)行一系列的研究，通過合理的簡化、假設(shè)、典型化，采用“還原論”的研究方法，將發(fā)生在原子/分子間的冶金反應(yīng)過程假設(shè)成為“孤立系統(tǒng)”進(jìn)行研究，再將研究結(jié)果“還原”到實(shí)際冶金反應(yīng)過程中。顯然，這些基礎(chǔ)科學(xué)的研究對解釋各類冶金-材料方面的現(xiàn)象、理解過程的本質(zhì)，具有非常重要的理論價(jià)值，使冶金-材料的生產(chǎn)過程從手藝、技藝、經(jīng)驗(yàn)逐步邁入科學(xué)[19]。

當(dāng)前，冶金過程化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)理論已經(jīng)得到了較為系統(tǒng)的研究，其理論體系集中地表現(xiàn)在：（1）冶金化學(xué)反應(yīng)過程中氧化-還原的基本規(guī)律；（2）凝固過程中晶體形核的熱力學(xué)；（3）金屬固態(tài)相變熱力學(xué)；（4）金屬再結(jié)晶過程熱力學(xué)；（5）冶金化學(xué)反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)。這些以分子尺度進(jìn)行研究的微觀動(dòng)力學(xué)理論，并不研究反應(yīng)分子如何達(dá)到反應(yīng)區(qū)，也不研究反應(yīng)產(chǎn)物如何離開反應(yīng)區(qū)。這種化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是以反應(yīng)體系均相分布為前提的，研究純化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理、步驟和速率等問題，實(shí)際上是分子層次上的微觀動(dòng)力學(xué)。

在鋼鐵冶金過程中，多數(shù)的冶金化學(xué)反應(yīng)是在相界面進(jìn)行的多相反應(yīng)或非均相反應(yīng)，因此，研究其反應(yīng)速率和機(jī)理時(shí)，必然要解析反應(yīng)物到達(dá)反應(yīng)區(qū)以及反應(yīng)產(chǎn)物離開反應(yīng)區(qū)的物質(zhì)傳輸過程，這也是實(shí)際的冶金化學(xué)反應(yīng)過程的一部分。對某一反應(yīng)過程而言，這屬于“宏觀”動(dòng)力學(xué)。而這種“宏觀”是相對于原子/分子尺度的微觀而言的，實(shí)際上仍然是分子層次的動(dòng)力學(xué)問題，只不過是包括了對反應(yīng)區(qū)附近的傳質(zhì)過程的綜合分析。因而，這類關(guān)于冶金過程化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究及其知識，仍然屬于冶金基礎(chǔ)科學(xué)的研究范疇。

鋼鐵冶金的基礎(chǔ)科學(xué)主要解決原子、分子尺度上的問題；技術(shù)科學(xué)主要解決工序、裝置、場域尺度上的問題；工程科學(xué)主要解決制造流程整體尺度/層次以及流程中工序、裝置之間關(guān)系的銜接、匹配、整合、協(xié)同、優(yōu)化問題。物理學(xué)、化學(xué)、金屬學(xué)、物理化學(xué)、傳輸理論等基礎(chǔ)科學(xué)和學(xué)科知識是鋼鐵冶金學(xué)的理論基礎(chǔ)。冶金學(xué)科的發(fā)展使得人們研究冶金問題的思路和方法越來越開闊，基礎(chǔ)學(xué)科理論知識奠定了冶金學(xué)科的基礎(chǔ)。

冶金反應(yīng)工程學(xué)是20世紀(jì)70年代興起的一門新的學(xué)科，最初始于20世紀(jì)中葉，50年代以后，冶金學(xué)家分別在不同的條件下將化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的觀點(diǎn)、原理和方法應(yīng)用于冶金過程。以日本的鞭巖和森山昭為代表，他們合著出版的《冶金反應(yīng)工程學(xué)》開創(chuàng)了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)在冶金過程的應(yīng)用[20]。冶金反應(yīng)工程學(xué)主要研究某些典型冶金反應(yīng)器的工藝特性及其功能改進(jìn)，如鋼水連鑄的中間罐冶金、鋼包冶金等裝置。這些研究主要是應(yīng)用數(shù)學(xué)模型化的方法，首先建立物理模型，進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型，給定初始條件和邊界條件，選用或開發(fā)適用的計(jì)算軟件（如CFD、FEM模型軟件），借助于編程和計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算，解析研究某一類冶金反應(yīng)器及其系統(tǒng)操作過程的現(xiàn)象、特性和規(guī)律，從而通過對比研究和參數(shù)優(yōu)化，得到優(yōu)選的解決方案、工藝參數(shù)或結(jié)構(gòu)尺寸；與此同時(shí)對新工藝、新裝置、新設(shè)備的開發(fā)過程中可以預(yù)測其功能的特性，或者進(jìn)行數(shù)值化的動(dòng)態(tài)運(yùn)行（仿真模擬），進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)操作工藝的改進(jìn)以及裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而且，對于已運(yùn)行的冶金裝置的革新、改造以及操作優(yōu)化，冶金反應(yīng)工程學(xué)都能夠提供較完備的解決方案和相應(yīng)的技術(shù)信息的支持。

4.4 鋼鐵冶金工程科學(xué)的創(chuàng)建與發(fā)展

現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的演變、集成、完善、變革和創(chuàng)新的過程。其中理論體系的形成、建立和發(fā)展，技術(shù)的發(fā)明、開發(fā)、應(yīng)用和革命，生產(chǎn)工藝流程的組合、集成、演變和完善，在第一次工業(yè)革命以后大約200年的歷史進(jìn)程中，不斷交替出現(xiàn)和相互促進(jìn)，理論的形成、發(fā)展和不斷完善，是指導(dǎo)技術(shù)發(fā)明和技術(shù)創(chuàng)新，以及工程集成和工程創(chuàng)新的重要?jiǎng)恿Α?/p>

與此同時(shí)，回顧鋼鐵冶金的發(fā)展演進(jìn)歷程不難看出，由于鋼鐵冶金包括礦物開采與加工、高溫冶金過程、凝固-成形過程、金屬塑性變形過程與材料性能控制過程，具有工序繁多、功能各異、過程復(fù)雜、流程結(jié)構(gòu)多樣等特點(diǎn)，因而鋼鐵冶金基礎(chǔ)理論的形成、建立和發(fā)展，是多領(lǐng)域、多學(xué)科的理論研究和相互交叉發(fā)展的過程，呈現(xiàn)出一種典型的解析-組合-再解析-再組合的不斷發(fā)展和不斷完善的過程。

20世紀(jì)是鋼鐵冶金基礎(chǔ)科學(xué)的完善與深化、技術(shù)的集成與進(jìn)步、工程的演化與創(chuàng)新以及鋼鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展的重要時(shí)期[21]。轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的普遍應(yīng)用和連鑄技術(shù)的推廣普及，有利推動(dòng)了鋼鐵工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。全球鋼鐵產(chǎn)量隨著“顛覆性”冶金新技術(shù)的問世、應(yīng)用和普及，快速攀升并不斷增長；鋼鐵冶金裝備大型化和現(xiàn)代化，也推動(dòng)了鋼鐵冶金工業(yè)的迅猛發(fā)展。從近兩百年的現(xiàn)代冶金工程技術(shù)演化發(fā)展的歷史中，可以推斷出，經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和市場的需求是鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“拉動(dòng)力”，而技術(shù)進(jìn)步則是鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“推動(dòng)力”。圖2解析了鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“五力”模型。未來鋼鐵工業(yè)的科學(xué)、健康和可持續(xù)發(fā)展，必須在這幾種力量的平衡協(xié)調(diào)中尋求發(fā)展——走鋼鐵制造流程綠色化和智能化的新型工業(yè)化道路。

從20世紀(jì)90年代開始至21世紀(jì)初，我國冶金學(xué)家開始思考鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)層面的宏觀科學(xué)問題，以鋼鐵聯(lián)合企業(yè)為關(guān)注點(diǎn)，從全局性和系統(tǒng)性的視角，考察鋼鐵制造流程的運(yùn)行規(guī)律及其特征。2004年，我國著名冶金學(xué)家殷瑞鈺院士發(fā)表了開創(chuàng)鋼鐵冶金工程科學(xué)的學(xué)術(shù)專著《冶金流程工程學(xué)》[22]，基于耗散結(jié)構(gòu)理論對鋼鐵制造流程的物理本質(zhì)進(jìn)行了深刻研究，提出了現(xiàn)代鋼鐵制造流程應(yīng)具有產(chǎn)品制造、能源高效轉(zhuǎn)換和消納-處理廢棄物并實(shí)現(xiàn)資源化的“三大功能”。經(jīng)過21世紀(jì)初20年的發(fā)展，鋼鐵冶金工程科學(xué)體系已經(jīng)初步形成，在冶金流程工程學(xué)理論的指導(dǎo)下，我國第一個(gè)自主設(shè)計(jì)建造的沿?？扛矍f噸級新一代可循環(huán)鋼鐵廠——首鋼京唐鋼鐵廠于2010年全面建成、順利投產(chǎn)[23-25]。

圖2 鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“五力”模型

經(jīng)過近百年的探索、研究發(fā)展進(jìn)程，現(xiàn)代鋼鐵冶金學(xué)（冶金科學(xué)與工程）也已形成三個(gè)層次的知識集成體系，即原子/分子層次上的微觀基礎(chǔ)冶金學(xué)、工序/裝置層次上的專業(yè)工藝冶金學(xué)和全流程/過程群層次上的動(dòng)態(tài)宏觀冶金學(xué)（圖3）?？梢?，隨著不同層次科學(xué)問題研究的深入，學(xué)者們的研究目標(biāo)、研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬，認(rèn)識問題的視野發(fā)生了層次性躍遷，并進(jìn)而嵌套集成為一個(gè)新的知識結(jié)構(gòu)，即不囿于經(jīng)典熱力學(xué)孤立系統(tǒng)觀念，跨入探索冶金企業(yè)全流程的過程群的集成優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究的對象發(fā)生了變層次、變軌的躍遷。同時(shí)，擴(kuò)大了研發(fā)領(lǐng)域，既引導(dǎo)企業(yè)全流程中過程和過程群的自組織結(jié)構(gòu)，以及他組織調(diào)控過程中共同形成的耗散結(jié)構(gòu)和耗散過程優(yōu)化的研究，又引導(dǎo)新的工程設(shè)計(jì)、工程運(yùn)行的理論和方法。當(dāng)代冶金學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)也跟隨時(shí)代的發(fā)展，發(fā)生了戰(zhàn)略性的變化；當(dāng)代冶金學(xué)的戰(zhàn)略目標(biāo)除了制造新一代產(chǎn)品以外，已經(jīng)聚焦于冶金工廠的綠色化（綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展）和智能化（智能化設(shè)計(jì)、智能化制造、智能化服務(wù)、智能化管理等）[26]。

圖3 鋼鐵冶金科學(xué)-技術(shù)-工程的集成知識體系

從鋼鐵冶金的發(fā)展演進(jìn)歷程，可以看出鋼鐵冶金工業(yè)現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是多方面的，要解決這些復(fù)雜環(huán)境下的復(fù)雜命題，就必須從戰(zhàn)略層面上來思考鋼鐵廠的要素-結(jié)構(gòu)-功能-效率問題，實(shí)質(zhì)上這是全廠性的生產(chǎn)流程層面上的問題，必須從生產(chǎn)流程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其相關(guān)的工程設(shè)計(jì)等根源著手。進(jìn)而還可以清晰地認(rèn)識到，這樣的系統(tǒng)性、全局性、復(fù)雜性問題，不是依靠技術(shù)科學(xué)層次上的單元技術(shù)革新和技術(shù)攻關(guān)所能解決的，而是需要以工程哲學(xué)的視野，在全產(chǎn)業(yè)、全過程和工業(yè)生態(tài)鏈等工程科學(xué)層次上解決。

鋼鐵冶金制造過程，利用來自于自然界的鐵礦石、煤炭、水、空氣等天然的資源和能源，經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理-化學(xué)變化和生產(chǎn)加工過程，制造出滿足經(jīng)濟(jì)社會和人們生活所需的鋼鐵產(chǎn)品，而且鋼鐵制造過程所產(chǎn)生的煤氣、蒸汽、電力、冶金渣等副產(chǎn)品也成為其他產(chǎn)業(yè)的資源或能源。與此同時(shí)，鋼鐵制造過程還可以消納、處理大宗人們生活或其他產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的廢棄物，如廢鋼、廢輪胎、城市污水等，經(jīng)過無害化、資源化處理或高值化循環(huán)利用，使其成為新的再生資源或再生能源。面向未來，鋼鐵工業(yè)必須建構(gòu)與自然生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會和相關(guān)產(chǎn)業(yè)之間和諧友好、相互依存、持續(xù)發(fā)展的新格局（見圖4）。

圖4 現(xiàn)代鋼鐵冶金工程與自然和社會的協(xié)同關(guān)系

21世紀(jì)初國際金融危機(jī)以來，全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)新一輪的衰退，經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力不足、增速緩慢，與此同時(shí)，全球政治、經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易形勢錯(cuò)綜復(fù)雜，預(yù)見和不可預(yù)見的各類風(fēng)險(xiǎn)不斷疊加，不確定性和涌現(xiàn)性以及由此帶來的突發(fā)性，造成全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)面臨著新的發(fā)展挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

5 結(jié)語

鋼鐵無論在過去、現(xiàn)在，乃至未來，都是人類文明發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)步不可或缺的基礎(chǔ)材料，具有重要的功能和地位。古代鋼鐵冶金技術(shù)主要依靠技藝的學(xué)習(xí)、傳承和傳播，囿于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，制鐵匠人的技藝、技能和技術(shù)世代相傳，鮮有突破。14～16世紀(jì)的歐洲文藝復(fù)興開啟了近代思想解放運(yùn)動(dòng)，隨后哲學(xué)、藝術(shù)、文學(xué)、技術(shù)、科學(xué)協(xié)同發(fā)展，17世紀(jì)則是近代科學(xué)肇始的時(shí)代。人類從宗教和神學(xué)統(tǒng)治的思想禁錮中解放出來，對自然界的認(rèn)知從模糊的主觀認(rèn)知走向科學(xué)探索和理性研究。鋼鐵冶金在第一次工業(yè)革命以后，在工藝技術(shù)上得到飛躍發(fā)展，貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)明，極大地推動(dòng)了鋼鐵冶金技術(shù)進(jìn)步。

20世紀(jì)初，鋼鐵冶金物理化學(xué)學(xué)科的創(chuàng)立形成了鋼鐵冶金工程的理論基礎(chǔ)；20世紀(jì)70年代，冶金反應(yīng)工程學(xué)的創(chuàng)建標(biāo)志著鋼鐵冶金技術(shù)科學(xué)走向成熟；21世紀(jì)初，冶金流程工程學(xué)的創(chuàng)建則標(biāo)志著鋼鐵冶金工程科學(xué)的形成，從而形成了鋼鐵冶金基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程科學(xué)的三個(gè)學(xué)科層次。

面向未來，到21世紀(jì)中葉，鋼鐵工業(yè)必須堅(jiān)持綠色化、智能化的可持續(xù)發(fā)展道路，在資源、能源、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)和市場等多種要素的耦合作用下，實(shí)現(xiàn)與經(jīng)濟(jì)社會的和諧相融和可持續(xù)健康發(fā)展。

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Research on Iron and Steel Metallurgy Evolution Process from Skill to Engineering Science

Zhang Fuming1, 2

(1. Shougang Group Co., Ltd., Beijing 100041, China；2. Beijing Metallurgical 3D Simulation Engineering Technology Research Center, Beijing 100043, China)

The origin, development, and evolution process of iron and steel metallurgical technology were studied under the view of engineering philosophy. Both the function and status of iron and steel materials were explained, and the significant roles of iron and steel in human society progress and civilization development were demonstrated. Research on ancient metallurgical skills from development and inheritance to innovation was carried out. Further, the influence of Renaissance and modern science initiation on iron and steel metallurgy technology and science since the 17thcentury was discussed. Modern science has had an impressive and profound impact on iron and steel metallurgy in terms of the skill change to engineering science, which was pursued comprehensively. It also focuses on the foundation of basic iron and steel metallurgical courses and metallurgical physical chemistry. The remarkable and far-reaching influence of modern science on iron and steel metallurgy as a skill to engineering science was discussed. The significance of iron and steel metallurgical technical science represented by metallurgical reaction engineering to modern iron and steel metallurgical engineering was expounded. The discipline system of the basic, technical, and engineering science of iron and steel metallurgy was put forward, in addition to the goal and direction of sustainable and healthy development of the industry in the future.

iron and steel metallurgy; engineering evolution; physical chemistry; metallurgical reaction engineering; metallurgical process engineering; industrial revolution

2020–07–21;

2020–09–07

北京學(xué)者培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目

張福明（1967–），男，博士，教授級高工，主要從事工程哲學(xué)及冶金工程設(shè)計(jì)研究。E-mail: zhangfuming2018@163.com

N031

A

1674-4969(2020)06-0527-11

10.3724/SP.J.1224.2020.00527