一种全新的炼钢技术——微波炼钢

供稿| 汪常明，陈晓洁/ WANG Chang-ming, CHEN Xiao-jie

一种全新的炼钢技术
——微波炼钢

A New Steelmaking Technology——Microwave Steelmaking

供稿| 汪常明，陈晓洁/ WANG Chang-ming, CHEN Xiao-jie

内 容 导 读

钢铁是一种对于国家经济发展具有重要影响的材料，它广泛应用于各个行业。随着中国、印度等发展中国家的经济增长，社会对钢材的需求将大大增加。目前全世界每年钢产量已经突破10亿t大关，而我国2009年钢产量已经超过5亿t，为世界上最大钢生产国[1]。尽管钢铁的生产数量巨大，但目前炼铁所使用的基本技术仍然是古代所发明的高炉冶炼技术[2],虽然这种技术经过长期的发展已经得到极大的改进，但还是存在冶炼过程时间长、所耗能量多以及产生环境污染等问题。如何克服这些问题，进一步提高钢铁的产量和质量，一直是钢铁研究人员努力的方向。最近，出现了一种全新的炼钢技术——微波炼钢，因其有望有效克服目前炼钢技术缺陷以及解决世界能源的合理利用问题，从而引起了世人的广泛关注。文章将简要介绍这种技术的产生、特点、影响及其应用前景。

缘起

2004年初，美国、德国、加拿大、中国等众多媒体相继报道一则科技消息[3]，那就是美国密歇根理工大学（Michigan Technological University）两位华裔科学家发明了一种革命性的炼钢新技术——微波炼钢。这两位科学家一位是Jiann-Yang（Jim）Hwang（黄建阳 ）教授，另外一位是 Xiao-di Huang（黄晓弟）博士。黄教授是密歇根理工大学材料科学与工程系材料加工研究所所长，主持了近百项美国政府、企业科研项目，发明专利数十项，在矿业、能源、材料加工等领域已取得了丰硕成果[4]。黄晓弟博士是密歇根理工大学材料加工研究所科学家，早年毕业于北京钢铁学院（即，北京科技大学），专长于金属加工和炼钢领域。两人自2000年开始合作研究微波应用于钢铁冶炼，并于2001获得美国“微波金属加工”专利[5],此后在美国政府和一些企业的支持下，对微波炼钢工业应用进行了深入的研究[6]，通过不断摸索试验方案，设计新的炼钢设备，制造多种便于生产的微波发生器，最终于2004年获得重大突破[7]，引起了科技界和各大媒体的广泛关注。

微波是一种频率范围为0.3～300 GHz的电磁波。它一定程度上遵循光学定律，根据材料的不同，它能够被转移、吸收和反射，材料在吸收微波之后温度升高。微波应用于冶金的理论和试验开展较早，20世纪60年代末，有科学家开展过利用微波加热提取金属的试验[8]。此后有科学家也作过微波应用于冶金的一些努力和尝试。但在21世纪之前，这种理论和试验并没有得到足够的重视，相关的研究也未取得明显进展。近几年来，国内曾有学者进行过相关理论探讨[9-10]，但到目前为止只有密歇根理工大学材料加工研究所自2000年来不间断地进行着这方面的研究，并结合工业生产进行了尝试，形成较为完整的理论和试验方案以及次工业规模生产流程。

特点

高炉炼铁技术发明于古代，虽然经过了不断改进，但它仍是当前最基本的钢铁冶炼技术。铁矿烧结球团、焦炭、石灰石装入高炉后，吹入高速热空气，部分消耗焦炭产生CO和热，铁矿烧结球团在2100℃时被CO还原成铁。这个过程通常需要8 h。这个技术路线造成了大量能量浪费以及环境污染。被还原出来的铁水然后被送到氧气顶吹转炉（BOF）中，在那里纯氧被吹入铁水，除碳而得到钢。与传统炼钢工艺相比，最新发明的微波协助电弧炉炼钢是一种革命性的技术变革。它通过联合微波、电弧和放热加热完成整个炼钢过程（图1）。这种技术能够可以从由浓缩铁矿、煤和熔剂组成“生球”中直接得到钢液，整个过程中无需炼焦、烧结、高炉冶铁以及吹氧炼钢等步骤。该技术充分利用微波的体加热、能源高效吸收以及高速化学反应等特点。

图1 微波/电弧炉炼钢技术路线图[11]

通常，非导电材料的导热性能非常差，外部加热方法往往不能使其有效升温。对于浓缩氧化铁这种粉末材料尤其如此，这是传统炼钢中的一个基本问题。而微波加热是一种内在的、均匀的体加热，它具有极高的加热效率。微波加热对于粉末材料包括聚结的粉末材料更有效，其加热效率高达90%～95%。两位科学家的试验结果表明，磁铁矿在微波加热条件下，1 min内温度可升至1000℃，这就解决了炼钢中基本的热转换问题。

在微波炼钢过程中，铁矿石通过传统方式被压碎、辗磨和浓缩，然后和磨成粉的煤炭及石灰石混和。这里煤炭作为还原剂，通过放热氧化反应成为辅助热源，石灰石则充当助熔剂。与传统炼钢相比，微波炼钢使用的是资源较为丰富的煤炭，而非高价格的焦炭。在温度1000 ℃、空气存在的条件下，煤炭与空气中氧反应生产CO2，在足量煤炭存在下，最终炉子里只存在CO （CO2+ C = 2CO），铁矿石粉小球在CO气氛中直接生成钢，从而省去了注氧除碳这一步骤，其反应温度的控制通过电弧炉也很容易完成。整个炼钢过程不但节省大量时间，而且节省了大量能源。根据科学计算，整个过程与传统炼钢相比节省能力达48.5%。

两位科学家于10余年前开展微波直接炼钢研究，他们开始使用单一的微波烧结系统炼钢并取得成功，但是这种直接炼钢仅限于10 g以下的样品。经过长期对微波、电弧和放热加热等联合技术进行探索之后，终于确定了一个联合使用微波、电弧和放热加热工作模型。并设计出一个实验室规模的能够进行大样本加工的设备。在这个设备中，经过约5 min的微波辐射、紧接着进行5～10 min的电弧处理，可以产生约500 g的熔铸钢（图2）。对所炼得的钢产品进行分析表明，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，没有观察到挥发性有机化合物（VOC）废气产生，因煤炭所产生的SO2也随时间迅速减少[11]。

图2 密歇根理工大学实验室微波炼钢所炼得的钢产品照片（照片由Jim Hwang提供）

前景

冶金技术，尤其是青铜和钢铁冶炼技术的发展在人类文明史中具有至关重要的作用。北京科技大学柯俊院士曾指出春秋战国时期的钢铁技术是古代中国的第五大发明[12]。这些冶金技术的掌握和变革极大地推进了生产力的发展和社会的进步。在进入电子和信息时代之前，人们依然将一个国家的钢铁生产的数量和质量作为综合实力的指标[12]。在很长一段时间内，钢材在人类生产和生活中将会是一种极其重要的材料，时至今日，发展出一种新型的节省能源、环境友好的炼钢技术已成为社会的迫切需要，微波炼钢技术的出现恰好满足了这种需要。

微波炼钢由于过程得到简化，所以其所需的资金更少、具有更高的生产效率、更少的环境污染和生产成本以及更高能源效率。此外，这是一种具有弹性的生产工艺，同一个炉子中也可以用于冶炼回收钢铁。由于这种技术潜在地节省近50%的能量，因此它对于环境也是极为有利的。钢铁工业是目前最大的能源集中工业，它约消耗整个生产行业能源的8%。这种能源的减少将导致温室气体和酸雨的减少。而避免焦炭的使用对于保护环境作用十分明显（我们知道，焦炭的生产过程中会产生较为严重的污染）。

这种新技术的出现可能导致钢铁产业中出现更多新成员。因为无需依赖冶金焦炭，铁矿公司可以发起他们自己的炼钢生产，而新技术所需的煤炭是一种丰富、低价、供应稳定的能源。部分制造商比如铸造厂和汽车公司也可以在他们的工厂里建立小型的炼钢设备。这种新的技术允许进行一些低成本的小型运作，因此节省了大型钢厂的冷却、重新加热以及运输等成本。

这种新的技术也具有很大的经济潜力。它的成本主要依赖于煤炭、铁和电能。这几种商品较之于传统炼钢中所使用的焦炭、天然气和石油价格更稳定，世界上丰富的铁和煤炭足以保证他们未来的供应及价格的稳定性。

微波炼钢作为一种全新的、优点突出的炼钢技术具有重要的经济价值和广阔的应用前景。目前两位科学家正在孜孜不倦地开展他们的下一步研究——使之尽快实现工业化生产。也许在不久的将来，在我们的日常生活之中就会出现这种新技术的钢铁产品，让我们拭目以待微波炼钢技术给人类社会带来的变化。

[1] 张其仔.产业蓝皮书：中国产业竞争力报告（2010）. 北京：社会科学文献出版社，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] 陈津.微波加热－电炉直接炼钢新工艺探讨.工业加热,2003（4）：1-8

[10] 王厚昕,李正邦.微波在钢铁冶金中的应用.钢铁研究,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] 陈铁梅.科技考古学.北京：北京大学出版社,2008

最近出现一种全新的炼钢技术——微波炼钢，这种新技术因其简便、节能、省时、环保而引起了世人的关注。文章介绍了微波炼钢技术的产生过程、分析了微波炼钢技术的特点和优点，讨论了微波炼钢技术的应用前景。

广西民族大学 科学技术与社会发展研究中心，南宁 530006

汪常明（1978—），男，湖北通城人，科技史博士，毕业于中国科学技术大学，2007年9月至2008年9月曾在美国密歇根理工大学材料科学与工程系作访问研究，研究方向为科技史与科技考古，E-mail：wng@mail.ustc.edu.cn。陈晓洁，女，安徽滁州人。通讯地址：南宁市大学东路188号 广西民族大学 科学与社会发展研究中心 530006