鋼鐵冶金工程演化過程與規律分析

管紅梅

（鋼鐵職業技術學院,內蒙古 包頭 014010）

何 芬

（四川理工學院材料與化學工程學院,四川 自貢 643000）

鋼鐵冶金工程演化過程與規律分析

管紅梅

（鋼鐵職業技術學院,內蒙古 包頭 014010）

鋼鐵是現代工業社會不可或缺的金屬原料，廣泛應用于軍事、民用領域，鋼鐵冶金工程的演化過程，標志著冶金技術的不斷精煉和提升。冶金技術源遠流長，可以追溯到公元前600年，并始終伴隨人類文明的發展。進入新世紀以來，鋼鐵冶金工藝仍然是人類社會的重要工業項目之一，本文講究鋼鐵冶金工程演化過程進行分析，旨在探索其中的發展規律，為鋼鐵行業的發展劃出更為清晰的脈絡。

鋼鐵冶金；工藝演化；過程規律

0 前言

人類進入工業革命時期以來，所使用的材料大致可以分為兩個范疇，金屬類材料與非金屬類材料。而在金屬材料中，又可以分為兩大類別，即非鐵金屬和鋼鐵材料。由于自然條件與鋼鐵自身特性所決定，目前公眾使用最為廣泛的是鋼鐵材料。鋼鐵冶金技術的不斷發展，體現出人類工藝的不斷提升和進步。

1 鋼鐵冶金工程的演化

上世紀四十年代，瑞士的Robert Dürer研發出鋼鐵冶煉的氧氣轉爐技術，由于當時氧氣制備成本較高，所以未能進行工業化生產。發展至五十年代，由于制氧技術的發展，氧氣煉鋼工藝得以大范圍推廣。在二戰之后，鋼鐵冶煉向高爐化演進，尤其是在前蘇聯和日本，高爐冶煉工藝已經被廣泛利用，當時利用焦炭作為高爐工藝的還原劑，焦炭成為上世紀鋼鐵冶煉的主要原料。

1.1 鋼鐵冶煉技術的優化

由于世界工業的發展對鋼鐵需求不斷增加，冶煉工藝除了技術的提升外，同時也對工藝進行了技術優化。由于合理配置鋼鐵制造工序，使鋼鐵冶煉效率明顯提升，促使工序集成的發展成為現實。工序集成能夠大大降低制造成本，從而提高原料的使用效率，同時也使連鑄工藝成為當時的核心工藝。與其他工業材料相比，鋼鐵的性能、質量以及價格都占據了絕對優勢，尤其是鐵礦蘊藏量極為豐富，因此鋼鐵已經成為國際工業發展的首選原料，成為科技研發以及技術升級的重點產業。

隨著全球鋼產量的不斷增加，廢鋼成為一大工業難題，鋼材的循環生產利用成為世界性課題，同時也成為電爐煉鋼工藝發展的一大契機，電爐冶煉無需鐵水，只要原料是廢舊鋼材，初期工藝規模較小，但是進入上世紀七零年代后，電爐鋼逐漸由合金鋼生產轉為長材生產，并促進了連鑄工藝的成熟。

1.2 冶煉工藝升級

其后出現的連續鑄鋼工藝大大縮短了鋼鐵冶煉加工周期，同時也有效節約了能源，該技術對我國鋼鐵工業的發展產生了巨大的推動力。1989 年，德國SMS公司成功推出薄板坯連鑄連軋生產線并在美國成功投產，這鋼鐵冶煉技術的又一次標志性升級。

進入新世紀以來，鋼鐵冶煉技術的不斷升級，使鋼材生產效率、精準標度以及成材率都明顯提升，并相研發出多種高性能鋼材。由于網絡技術與信息技術的滲透，鋼鐵工業的開發已經得到了全面升級，不但在工藝裝置上有所進步，而且產品質量、技術開發、市場配置等手段也更為成熟。

2 鋼鐵生產工藝技術的演變

鋼鐵工業作為國民經濟的基礎產業，其發展演化過程是長期而持久的。最初鋼鐵冶煉以作坊形式出現，隨著工業革命的發展，鋼鐵冶煉的規模也在不斷擴大，同時也形成了不同工藝的鋼鐵冶煉企業。由于冶煉工藝的不斷發展，逐漸形成了以液態鋼為核心的冶煉工藝。由于新工藝、新技術的不斷出現，原有落后技術不斷被淘汰，相繼出現了如下演變態勢：

2.1 鋼鐵冶煉分布演變

鋼鐵冶煉工藝的演變升級可以總結為六個階段，分別為高爐煉鐵、平爐煉鋼、模式鑄錠、初軋開坯、分品種軋鋼、熱處理、成品鋼材。在十九世紀出現的聯合煉鋼工藝，將煉鐵和煉鋼的流程相連接，其他工藝流程則是非銜接性的，具有一定間隔，工序之間依靠倉庫實現緩沖。

在鋼鐵冶煉中，需要多次溫度升降，由于第一代鋼鐵企業多建于原料出產地，因此產品較為多樣。對著二戰的結束，南美洲及澳洲的鐵礦被發掘，再加上海運行業的不斷發展，是鐵礦石資源流通國際化，所以一些鐵礦儲備匱乏的國家也可以從事鋼鐵冶煉。氧氣煉鋼技術的發展，使落后的鑄錠和初軋工藝遭淘汰，促使鋼鐵冶煉與軋鋼工藝形成了銜接點，連軋機計算機自動控制技術的實現，有效縮短了鋼鐵工藝流程，同時也使生產規模有效擴大，從而促使第二代鋼鐵工藝應運而生。

2.2 工藝升級意識不斷增強

工藝流程的發展升級，往往伴隨公眾對客觀規律認識的加深。以鋼鐵冶煉中的物理化學為例，攪鋼爐是以爐渣中的FeO作為雜質氧化劑的，依靠外部燃料對其進行加熱。但是在空氣轉爐中，則是以氧氣為雜質氧化劑，利用氧化熱量作為熱源供應，無需外部燃料供給。在空氣轉爐轉變為平爐后，氧化劑則還原為爐渣中的FeO，熱量則需要外加燃料供給，實際上是攪鋼爐回歸原理的應用。而氧氣轉爐則實現了空氣轉爐的高效率回歸，加快了工藝升級。由此可見，鋼鐵冶煉工藝的發展實際上是液態煉鋼工藝的螺旋升級過程。

2.3 鋼鐵冶煉技術支撐體系的構建

鋼鐵冶煉工藝的發展需要技術的不斷創新有優化，以此帶動工程以及產業化的全面發展。產業發展需要社會經濟的強大需求作為拉動力，而技術進步則需要以經濟需求為基礎。對鋼鐵冶煉工藝的創新理念進行思考，有利于在實踐工作中起到指導作用。鋼鐵冶煉工程是多種技術的綜合體系，無論的傳統工藝還是新研發工藝，都需要有效的融入實際工程運作中，這樣才能獲得實際的工業化生產發展，對并產業結構、產業升級產生良好的推動作用。

4 結語

二十一世紀的鋼鐵需求，仍將繼續成為社會經濟發展的主要需求。為實現全球資源的整合化發展以及遵守能源條件約束，鋼鐵企業應當根據不同的低于條件，在原料采集、工藝優化上下功夫，繼而形成多形式并存發展模式。鋼鐵冶煉工藝的升級，需要走集約化、低碳化、可持續發展道路，這就需要新的科技力量不斷注入，進行探索研發，實現鋼鐵能源產業的綠色發展模式。

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[2]王新華,于會香.鋼鐵冶煉基本工藝原理和實踐環節探索[J].中國冶金教育,2012（06）.

[3]王太炎,王少立,高成亮.重塑鋼鐵冶金短流程[J].鞍鋼技術,2013（06）.

變壓吸附分離氣體技術的研究進展

何 芬

（四川理工學院材料與化學工程學院,四川 自貢 643000）

摘 要：變壓吸附分離氣體近年來已經發展成一種非常重要的氣體分離技術，廣泛應于個各個工業領域。本文對有關于變壓吸附分離技術的使用區域以及技術的特征詳細地進行了介紹。同時，還對變壓吸附的分離技術在基礎理論、工藝過程、吸附材料方面的研究進展進行了綜述。

關鍵詞：變壓吸附；氣體分離；研究進展

1 變壓吸附分離技術簡介

變壓吸附（PSA）的原理是利用氣體組分在固體材料上吸附特性的差別及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的壓力變換過程實現氣體的分離或提純。該技術實現工業規模的制氫是在1962年。到了70年代以后，該技術迅速得到了發展，規模不斷壯大，裝置數量不斷增加，工藝水平不斷提升，運用范圍不斷擴大，成本不斷降低，漸漸變成了一項高效的、重要的氣體分離科學技術。

2 變壓吸附分離技術特點及應用

變壓吸附氣體分離技術相比其他的氣體分離技術，具有以下優點：投資小、操作費用低、低能耗。操作的彈性程度比較大、裝置的自動化水準比較高、工藝的程序比較簡易、可靠性比較高、操作便捷、調節程度比較強、維護簡單、檢修時間少、開工率高。產品純度高且可靈活調節。吸附劑使用周期長。環境效益好。

由于變壓吸附氣體分離技術具有上述優點，目前已經可用于多種氣體的分離提純，包括：氫氣提純、食品級二氧化碳的提純、一氧化碳提純、提純以及濃縮乙烯、瓦斯氣將甲烷進行提純、凈化天然氣、使用空氣對制氧以及制氮進行分析等等。所以，變壓吸附氣體分離這項科技在保護環境、化工、石油、電子冶金以及國防醫療等各個領域都有比較廣闊的使用, 在某些領域變壓吸附工藝已經從輔助工藝逐漸進入化工工藝主流程。

3 變壓吸附分離技術的研究進展

3.1 基礎理論研究進展

變壓吸附技術基礎研究的主要方向是吸附材料表面性質與多相間物質傳遞規律，如材料表面化學特性以及物理構造對氣體分子的選擇性、容量的吸附性以及擴散的速度、兩相間質量傳遞的影響規律以及吸附質再生等等，理論基礎探究替技術創新起到了非常關鍵的作用。如通過對超臨界溫度下氣體吸附機理研究，這大大推動了中國抽采煤層氣的甲烷的濃縮技術。

3.2 工藝過程研究進展

提高吸附劑床層內死空間氣體的利用率是解決變壓吸附回收率低的關鍵內容，主要通過優化工藝條件實現。目前已開發的幾種新工藝，能顯著提高回收率。

（1）增加均壓次數。均壓是指在吸附階段，當吸附床中氣體雜質峰遠未達到出口要求時即停止吸附步驟，將該床與另外一個完成解吸等待升壓的吸附床聯通，使得兩床壓力均衡，這就是我們所說“均壓”。這樣的操作不僅獲得了一定的能量，同時，還吸附了床內死空間當中的有效氣體，大大加大了氣體的回收效率。頻繁性的加大均壓次數會提高氣體收率，但同時也會增加吸附塔的數量，增加設備投資。楊皓曾經發明了某種運用空罐加大變壓吸附程序中均壓數量的科技，避免了必須要增加塔數量的問題，各個步序的時間靈活可控。這在很大程度上降低了回收的原料壓力，限制了回收產品的構成。不僅降低了能量的消耗，同時還節約了原材料。

（2）真空解吸工藝。真空解吸工藝是在解吸或沖洗步驟結束后，對吸附塔抽真空，持續減少塔當中的吸附質的分壓，讓某些難以脫附的吸附質在負壓的條件之下強行的進行解吸，從而獲得比較好的吸附效果，大大節約了沖洗的步驟，在很大程度上降低了氣體的流失，產品的回收效率大大增加，這個工藝所運用的體系主要是那些分離系數伴隨壓力而發生改變的體系。

（3）快速變壓吸附。快速變壓吸附可以作為輔助裝置進行快速的氣體凈化。如將快速變壓吸附裝置裝到循環氫壓縮機吸入口中，就能夠在一定程度上擺脫循環氫當中的某些雜質，以此來提升純度。該工藝的關鍵是采用傳質系數高的吸附劑，采用專用的多通道旋轉閥，快速切換吸附床層間當中的氣體，提升吸附床層的使用效率。和比較常見的變壓吸附裝置相比，該工藝規模小，能實現集成撬裝。

（4）復合型工藝的應用。在分離任務復雜多樣時，單一的分離工藝無法達到分離要求，往往需要整合不同的分離工藝技術，揚長避短，綜合利用。例如，變壓吸附與膜分離、變溫吸附以及深冷技術的結合。

如對目標性氣體所含量比價低，但是壓力的含量比較高的氣體，能夠先經過膜分離，接著再讓它進入變壓吸附性的裝置當中，膜分離技術去除了很大一部分的雜志，大大降低了變壓吸附裝置當中的負荷量，使得能耗可以得到很大程度 的提高。這種組合充分發揮了膜分離技藝比較簡單。而且，變壓吸附技藝當中產品的純度高以及能耗低都是復合型工藝應用當中的優點。

變壓吸附在處理具有較強吸附性組分的混合性氣體的時候，吸附再生困難，在處理受溫度變化影響較大的體系時，變溫吸附能夠彌補次缺陷。變溫吸附能對變壓吸附劑起到保護作用，帶來裝置運行穩定，吸附劑壽命長，產品純度高等一系列好處。

3.3 吸附材料研究進展

變壓吸附氣體分離技藝的基礎是吸附劑，研究者們非常注重吸附劑的研究開發，包括對原有吸附劑的改性以及新型吸附劑的合成。吸附材料先后經歷過硅膠、活性氧化鋁、活性炭和分子篩等。提高吸附劑的性能，表現主要體現在組分分離系數、吸附量、吸附劑強度的提升等，雜質的組分吸附率比較低、再生比較方便以及吸附材料價格低等等幾個方面。制備分離不同氣體體系對吸附材料的性能要求有所不同，需要根據具體的分離要求開發量體裁衣式的吸附劑。

整體上看，變壓吸附氣體分離技術整體向著裝置規模大型化、集成化發展，應用范圍也越來越廣泛。

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[9]楊洪.變壓吸附裝置中均壓設計的討論[M].化工設計,2003.

作者簡介：何芬（1988—），女，四川自貢人，碩士研究生，研究方向：化工過程開發/模擬。

管紅梅（1972—），女，內蒙古包頭人，研究方向：鋼鐵冶金。

李可彬