以原生能源為主的新廢鋼煉鋼法

近十幾年來，為了提高電爐的生產效率，作為對電力的補充，化石能源的使用持續增長。但在電爐煉鋼法中原生能源的效率非常低，且僅限于廢鋼熔化階段。最新的研究結果表明，以原生能源為主要燃料的新式廢鋼煉鋼法有望取代電爐煉鋼法，并可大大減少二氧化碳的排放量以及節省能源成本。

上世紀末，由于平爐煉鋼基本上被淘汰，電爐煉鋼成為最主要的廢鋼煉鋼法。2006年電爐鋼已占世界鋼產量的40%左右。在過去的數十年中，為了提高生產能力，除了電能以外越來越多的化石能源用于電爐煉鋼。然而，在廢鋼未完全熔化的短期內電爐中原生能源的有效利用時間范圍是有限的。在此期間內，不僅能量輸入的密度提高，出鋼-出鋼時間縮短，而且能量通過對廢鋼表面的傳熱而得以有效利用。這一事實引出的問題是如何使用于廢鋼煉鋼輸入的能量（指用于生產鏈的總能量）利用優于電爐煉鋼。

1．電爐各種能源的最佳利用

電爐廢鋼煉鋼的3個階段的能耗：加熱、熔煉和過熱。絕大部分能源（約70%）用于第一階段，因為大量的廢鋼表面需要傳熱，這是利用原生能源的最重要的前提。在這一前提下，化石能源加入電爐，熔化效果比僅用電能要好。只是在最后的過熱階段，化石燃料的效率低或是無效的。爐料熔化后其比表面積很低，原生能源的利用效果很差。這正是平爐被淘汰的原因之一。比較起來，在此階段利用電爐才真正有意義。

在這些邊界條件下，反應器必須設計成在前兩個階段利用原生能源，而在第三階段利用電能。

2．電能的產生

目前，電爐所用電能主要來自原生能源。例如德國的電爐所用電能的來源是：核能占26%，褐煤占26%，煤占23%，再生能源占11%，天然氣占10%，水占2%，燃油和其他占2%。從這一統計可以看出，幾乎三分之二的電能來自化石能源。

煉鋼車間電能的產生和利用的轉換如下：原生能源→加熱→電能→冶煉加熱。在煉鋼車間之間無能量損失，原生能源轉換為熱。這是電爐的耗能情況，首先，能源在發電站轉換為熱能，后又轉換成電能。為同其他形式的轉換一樣，這兩個過程中的能量損失是由發電站的效率決定的。現代化的發電站的效率不會高于40%～42%，德國的平均效率是36%，在其他國家甚至更低一些。

電能輸入煉鋼車間，又有損失，然后又轉換為熱能來煉鋼。如果三分之二的原生能源在進入煉鋼車間之前不經過轉換的損失，就可能將其熱能直接用于煉鋼。

3．原生能源熔煉爐的概念

在逆流反應器中，在加熱和熔化階段有效地利用原生能源是可能的，在反應器的頂部如連續地加入廢鋼，通過化石燃料和氧的燃燒熔化為鋼水并達到液相線以上的出鋼溫度。在單獨的容器內僅靠電來熔化固態材料并達到足夠的過熱實際上是不可能的。總而言之，傳統電爐的熔化和加熱的時間是分開的，利用原生能源的熔煉過程，這些階段也是分開的。逆流反應器是按照上述條件設計的熔煉爐，過熱熔煉爐是類似于鋼包爐的電弧爐。這一概念的特性是：

（1）熔煉電耗<530kWh/t；

（2）鋼的收得率>90%；

（3）熔煉爐的出鋼口與過熱爐的傾轉軸成直線排列。

這一設計概念多少類似于上世紀70年代和80年代曾做過的試驗。

以前單獨加熱及回火時，此鋼的組織是0.18%碳含量熱調質鋼的典型組織，即帶有位錯亞組織的板條型馬氏體晶體，晶界上有析出的滲碳顆粒及釩碳化物。雖然是高溫回火，但其位錯亞組織未顯現多邊化跡象，而是開始再結晶形成細晶鐵素體。眾所周知，馬氏體錯位亞組織多邊化乃是保持高強度以及微觀和宏觀組織的前提。

馬氏體組織非常硬，這使板子很難平整；同時，馬氏體一旦變形便產生組織缺陷，導致材料易于破損。

在平整機上平整當中適當用水冷卻時，形成的鋼組織是不同形態相的混合組織。其主要成分是由貝氏體及針狀鐵素體構成的厚實片狀晶體。這種組織位錯充足，在γ→α轉變中碳順利擴散到邊界，形成孿晶化馬氏體，使整個晶體內遍布很細的馬氏體。這說明碳發生二次擴散分配，使奧氏體中碳含量增高，因而在隨后奧氏體富碳轉變中不但形成高碳馬氏體，而且還生成貝氏體及珠光體、針狀鐵素體。

因此，板子在精軋結束后立即在平整中用水冷淬火產生的組織是從極硬孿晶馬氏體到較軟針狀鐵素體的多相聚集體。由于最初發生在馬氏體晶體內的峰值應力得到松馳，重新分配到不太硬的鐵素體及珠光體上，所以這種多相組織會具有更高的抗斷裂強度。這樣，鋼的機械性能便有所提升。這啟示我們：只有通過應力松馳及峰值應力重新分配才可保持高強度以及微觀和宏觀組織。

至于高強度可焊鋼寬厚板之所以能在平整和淬火合并進行的條件下達到要求的平直度，如前所述，是因為平整是淬火過程中，在鋼組織發生相變中進行的。在淬火相變中，鋼有了較好的加工塑性，因而無需用能力更高的平整機，即可達到每米不超過10mm的平直度。而傳統熱調質工藝靠應力進行峰值應力重新分配的條件很有限，因而鋼的韌性很差，致使板子仍存在明顯的不平直，甚至進行多次冷平整也無濟于事。

研發并實施高強度可焊鋼寬厚板平整的新方法，即不再作單獨的熱調質，而是在板子精軋后進入平整機時立即適當進行水冷淬火，在γ→α相變中完成平整。而原先的高耗能熱調質工藝，使能力不足的平整機難以達到要求的平直度，并會帶來鋼板內在質量問題。將淬火與平整配合起來平整，能取得優異成效，是因為鋼經相變發生了加工塑性，從而可用只能平整800N/mm²強度以下的寬厚板的平整機圓滿平整極限強度在1000N/mm²以上的高強度可焊鋼寬厚板，使平直度在每米不超過10mm。新方法由于使鋼組織形成從極硬孿晶化馬氏體到較軟針狀鐵素體的多相聚集體，所以還提升了板的機械性能等級。抗斷裂強度提高的原因則是馬氏體內峰值應力二次分配到較軟的鐵素體及珠光體相。