微波炼钢技术研发及应用

　　钢是一种对国家经济发展具有重要影响的材料，它广泛应用于建筑、工厂设备、汽车、家具、电器等各个行业。目前炼钢所使用的基本技术是高炉冶炼技术，这种技术经过长期的发展已经得到极大的改进。然而，如何进一步提高钢的产量和质量，解决耗能和污染问题，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，因其有望解决能源合理利用等问题，从而引起了关注。

　　将微波用于冶金

　　2004年初，美国、德国、加拿大、中国等国的众多媒体相继报道一则科技消息，那就是美国密歇根理工大学两位华裔科学家发明了一种炼钢新技术——微波炼钢。这两位科学家自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，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，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，于2004年获得重大突破。这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0.3GHz~300GHz的电磁波。它遵循光学定律，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，自上世纪60年代末，即有科学家开展过利用微波加热提取金属的试验。此后，也有科学家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，但到目前为止只有密歇根理工大学材料加工研究所自2000年来不间断在进行这方面的研究，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。

　　节省时间和能源

　　高炉炼铁技术经过了不断的改进，仍是当前最基本的炼钢技术。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，铁矿烧结球团被CO还原成铁。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。作为一种技术革新，微波协助电弧炉炼钢是通过联合微波、电弧和放热加热完成整个炼钢过程。这种技术能从由浓缩铁矿、煤和熔剂组成“生球”中直接得到钢液，整个过程中不需要炼焦、烧结、高炉冶铁以及吹氧炼钢等步骤。该技术可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。

　　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，一分钟内温度可升至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，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时间，而且节约能源。据计算，其与传统炼钢相比节省能源可达48.5%。

　　两位科学家于10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克以下的样品。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，他们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分钟的微波辐射、紧接着进行5分钟~10分钟的电弧处理，可以产生约500克的熔铸钢。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。

　　有望带来新变革

　　冶金技术，尤其是钢铁技术的发展在人类文明史中具有至关重要的作用。在很长一段时间内，钢材在人类生产和生活中是一种极其重要的材料。时至今日，发展新型的节省能源、环境友好型炼钢技术是顺应社会节能减排、发展循环经济的一种需求，而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，因此其所需的资金更少、具有高效率、少污染和低成本、更节能的特点。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。由于其使用煤炭代替焦炭资源，也具有间接节能环保的效果。

　　可以预想，采用这种新技术无须依赖冶金焦炭，铁矿公司可以自行炼钢生产，部分制造商比如铸造厂和汽车公司也可以在自己的工厂里建设小型的炼钢设备。这种新的技术允许一些低成本的小型运作，因此节省了大型钢厂的冷却、重新加热和运输等成本。此外，这种新的技术也具有一定经济潜力。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未来的供应及价格的稳定性。

　　微波炼钢作为一种全新的炼钢技术对于促进世界冶金的发展和变革有着突出的意义。目前，使该技术尽快实现工业化生产，在实践中发挥其本身应有的优势是下一步研究的重点。也许在不久的将来，微波炼钢技术将给人类社会带来新的变化。