鋼是一種對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響的材料，它廣泛應(yīng)用于建筑、工廠設(shè)備、汽車、家具、電器等各個(gè)行業(yè)。目前煉鋼所使用的基本技術(shù)是高爐冶煉技術(shù)，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)。然而，如何進(jìn)一步提高鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量，解決耗能和污染問題，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，因其有望解決能源合理利用等問題，從而引起了關(guān)注。
將微波用于冶金
2004年初，美國、德國、加拿大、中國等國的眾多媒體相繼報(bào)道一則科技消息，那就是美國密歇根理工大學(xué)兩位華裔科學(xué)家發(fā)明了一種煉鋼新技術(shù)——微波煉鋼。這兩位科學(xué)家自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，此后在美國政府和一些企業(yè)的支持下，對(duì)微波煉鋼工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，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，于2004年獲得重大突破。這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0.3GHz~300GHz的電磁波。它遵循光學(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，自上世紀(jì)60年代末，即有科學(xué)家開展過利用微波加熱提取金屬的試驗(yàn)。此后，也有科學(xué)家作過微波應(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，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年來不間斷在進(jìn)行這方面的研究，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。
節(jié)省時(shí)間和能源
高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)過了不斷的改進(jìn)，仍是當(dāng)前最基本的煉鋼技術(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)被CO還原成鐵。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。作為一種技術(shù)革新，微波協(xié)助電弧爐煉鋼是通過聯(lián)合微波、電弧和放熱加熱完成整個(gè)煉鋼過程。這種技術(shù)能從由濃縮鐵礦、煤和熔劑組成“生球”中直接得到鋼液，整個(gè)過程中不需要煉焦、燒結(jié)、高爐冶鐵以及吹氧煉鋼等步驟。該技術(shù)可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)。
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(duì)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(gè)基本問題。而微波加熱具有極高的加熱效率，微波加熱對(duì)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，一分鐘內(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(jià)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，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(gè)煉鋼過程不但節(jié)省時(shí)間，而且節(jié)約能源。據(jù)計(jì)算，其與傳統(tǒng)煉鋼相比節(jié)省能源可達(dá)48.5%。
兩位科學(xué)家于10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克以下的樣品。經(jīng)過長期對(duì)微波、電弧和放熱加熱等聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行探索之后，他們終于確定了一個(gè)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(gè)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(gè)設(shè)備中，經(jīng)過約5分鐘的微波輻射、緊接著進(jìn)行5分鐘~10分鐘的電弧處理，可以產(chǎn)生約500克的熔鑄鋼。對(duì)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(shí)間迅速減少。
有望帶來新變革
冶金技術(shù)，尤其是鋼鐵技術(shù)的發(fā)展在人類文明史中具有至關(guān)重要的作用。在很長一段時(shí)間內(nèi)，鋼材在人類生產(chǎn)和生活中是一種極其重要的材料。時(shí)至今日，發(fā)展新型的節(jié)省能源、環(huán)境友好型煉鋼技術(shù)是順應(yīng)社會(huì)節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一種需求，而微波煉鋼技術(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，因此其所需的資金更少、具有高效率、少污染和低成本、更節(jié)能的特點(diǎn)。此外，這是一種具有彈性的生產(chǎn)工藝，同一個(gè)爐子中也可以用于冶煉回收鋼鐵。由于其使用煤炭代替焦炭資源，也具有間接節(jié)能環(huán)保的效果。
可以預(yù)想，采用這種新技術(shù)無須依賴冶金焦炭，鐵礦公司可以自行煉鋼生產(chǎn)，部分制造商比如鑄造廠和汽車公司也可以在自己的工廠里建設(shè)小型的煉鋼設(shè)備。這種新的技術(shù)允許一些低成本的小型運(yùn)作，因此節(jié)省了大型鋼廠的冷卻、重新加熱和運(yùn)輸?shù)瘸杀尽４送?，這種新的技術(shù)也具有一定經(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(jià)格更穩(wěn)定，世界上豐富的鐵和煤炭足以保證未來的供應(yīng)及價(jià)格的穩(wěn)定性。
微波煉鋼作為一種全新的煉鋼技術(shù)對(duì)于促進(jìn)世界冶金的發(fā)展和變革有著突出的意義。目前，使該技術(shù)盡快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在實(shí)踐中發(fā)揮其本身應(yīng)有的優(yōu)勢是下一步研究的重點(diǎn)。也許在不久的將來，微波煉鋼技術(shù)將給人類社會(huì)帶來新的變化。
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