冶金工程技术学科发展报告

编者按：中国金属学会组织40余位冶金行业的专家学者撰写的《2012－2013冶金工程技术学科发展报告》，侧重总结近几年冶金工程技术学科的发展研究成果，为冶金科技工作者提供了我国冶金工程技术的新理论、新成果、新技术、与国外的对比差距、我国的发展方向等有关信息和观点，本站选载其中的部分章节，以飨读者。

3．冶金工程技术学科的研究现状与发展前景

冶金工程技术学科是工程技术学科中的重要学科，它是推动冶金行业发展的基础和保证。尤其是2008年世界金融危机出现以来，冶金工程技术学科的新发展已经成为中国钢铁工业战胜困难、优化结构、节能降耗，与国民经济其他部分一起实现持续稳定发展最重要的动力[1-3]。

冶金工程技术学科在基础科学研究上，分别在冶金热力学、冶金动力学、冶金熔体和溶液理论、冶金与能源电化学、资源与环境物理化学等多个分支学科，提出一些创新理论、观点及应用成果[4,5]。例如，①提出了描述硅铝酸盐熔体结构，计算其中氧离子含量，预报复杂熔渣体系黏度和电导率的新模型，建立电导率和黏度的定量关系。②通过实验证明，中国学者提出的气固相反应动力学模型具有普适性，对抗高温氧化的无机材料研制和筛选具有指导作用。③将熔盐电解与碳热还原结合，有效改进了金属钛及合金制备技术。④中科院过程所团队提出以亚熔盐提供高化学活性和高活度的负氧离子的碱金属高浓度离子介质处理钒渣，可提高钒回收率，实现钒铬同步提取的尾渣综合利用。

在冶金技术学科上，既重视单工序、单体设备、单项技术的技术开发和应用研究，更重视系统集成和交叉学科集成的技术研发，如综合利用选矿各种新工艺技术，进行优化组合，解决了我国低品位、难选矿的综合利用水平；大中型高炉利用自主创新技术在高风温、长寿化取得长足的进步；在冶金设备大型化、自动化和智能化上取得新进展。在剖析和优化炼钢各工序流程的基础上进行系统技术集成，提出了高效、低成本洁净钢生产系统技术。新一代控轧控冷技术根据产品组织和性能需要，基于超快冷技术和冷却速度可精确控制、冷却路径可选择的工艺技术，综合利用析出强化、相变强化和细晶强化，同时实现节能减排和提高钢材综合性能的目的。在现代化装备及自动化技术基础上，利用高效低成本的洁净钢生产系统技术，在量大面广的产品上普遍提高了钢材的洁净度、均匀性、强度和韧性的综合性能及质量。在关键品种开发上满足了新兴产业发展的需要（如高铁、超超临界火电机组、高牌号取向和无取向硅钢、核电和航空航天工业等）。推广“三干、三利用”等关键共性技术，进而利用系统节能理论和能量流网络优化技术，使我国吨钢综合能耗、吨钢耗新水、污染物综合排放水平大幅度下降。

进入21世纪以来，冶金热能工程学科在工业领域率先开展了工业生态学的研究，提出“源头治理”是治本，“末端治理”是治标。为进行“源头治理”，本学科把物质的减量化和保护生态环境的视野扩展到产品的整个“生命周期”，即产品设计、原燃料供应、产品生产、产品使用，一直到产品报废后的回收等各环节，都要符合保护生态环境的要求。

现代钢铁企业在发展进程中，提出了要在基础科学、技术科学基础上，发展解决综合性、集成性的工程科学命题，以解决更大尺度、更高层次的复杂性、集成性问题，而这些问题对企业和社会发展极其重要[6,7]。1993年起由中国工程院院士殷瑞钰进行了“冶金流程工程学”探索性研究，在2004年出版了《冶金流程工程学》专著， 2011年出版了英文版，2012年该书日译本出版。2013年，殷瑞钰院士又出版了新作《冶金流程集成理论与方法》。这两本书是我国独创的关于冶金流程工程理论的重要著作，把钢铁生产流程中相关的物质流、能量流以及循环过程所涉及的有关要素-功能-结构-效率问题上升到工程科学的层次上来认识、研究和分析，形成冶金流程工程学。冶金流程工程学从宏观层面上研究冶金制造，流程动态运行的物理本质、结构和整体行为。应用这些理论，指导了京唐钢铁公司、重庆钢铁公司等新一代大型钢铁生产流程的设计、建设和运行。沙钢和唐钢等原有生产流程中“界面技术”的优化和改造，也是冶金流程工程学研究成果的应用结晶。

近年来，在冶金前沿技术研究，如薄带铸轧、薄板坯的半无头轧制技术、清洁能源在钢铁生产中应用和低温冶金技术理论和实践等都取得新进展。

根据行业发展的形势变化以及学科发展情况，本年度学科专题报告除保留冶金物理化学、冶金反应工程、钢铁冶金（炼铁、炼钢）、轧制、冶金机械及自动化分学科外，特别增加了冶金原料与预处理、冶金热能工程、冶金流程工程学和冶金工厂设计等分学科。

虽然受到国际金融危机和钢铁工业低利润周期的影响，但国内外钢铁学术交流仍很活跃，冶金科技进步奖和中国金属学会冶金青年科技奖的评审推动了行业的科技进步。2010-2012年度，行业科技成果中有25项获国家发明奖和国家科技进步奖，冶金科技奖一等以上共33项。其中宝钢“特薄带钢高速酸轧工艺与成套装备研究开发”、“低温高磁感取向硅钢制造技术的开发与产业化”和“先进高强度薄带钢制造技术与产业化”分别获“中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖”2011、2012和2013年度特等奖。冶金科技书籍的出版和期刊优化也是冶金工程技术学科发展的一个重要方面。

近些年来，冶金企业、科研院所和高校重视自主创新能力的提升，既重视国外专利专有技术的消化、吸收、再创新，更重视自主专利技术的申报和专有技术的研发，以及创新方法的推广应用。这是实现钢铁工业结构调整和振兴的强大基础。

2012年，我国钢产量达7.17亿t，占世界46%以上。国内钢材自给率达104.5%，市场占有率达97.0%。钢材品种、质量、性能不断提高，已能基本满足国民经济快速发展的需要，大部分企业具备较强的竞争力。但就行业总体上看与世界先进钢铁企业比还存在一定差距。

企业盈利能力下降，自主创新水平仍有待提高，创新环境有待改善，钢铁行业创新支撑体系还有待完善和加强，钢铁前沿技术的研发和应用还需投入更多的财力和人力。我国重点统计企业吨钢SO2排放2012年达1.53kg/t，而新日铁2009年为0.44kg/t。吨钢烟粉尘排放2012年我国重点统计企业为0.99kg/t，而蒂森钢铁集团2009年为0.42kg/t，浦项2009年烟粉尘排放为0.14kg/t，如果考虑烟粉尘无组织排放（这部分没列入统计），差距将更大[8]。部分企业和工序未能达到节能减排，低碳发展国家规定新标准要求，冶金生态文明建设应引起我们高度重视。我国冶金行业发展的原料保障程度低，对外依存度高，发展的资源环境和生态压力不断增大。

7．冶金工程技术学科展望及对策

近些年，我国冶金工程学科发展很快，尤其是冶金装备制造、冶金工艺流程优化和产品开发在理论和工程技术上都有长足的进步，人才培养也同步发展，中国已成为世界钢铁冶金研发的重点国家之一。

钢铁是21世纪最具创新潜力和可持续发展的材料之一，不仅在支撑我国国民经济快速发展和满足人民群众消费需求升级上具有重要作用，而且在推动我国经济绿色化进程中也发挥重要作用。在清洁生产、重化工循环经济的发展中，钢铁生产流程将起重要作用；另外废钢的回收已超过废纸、废塑料、玻璃等其他可回收材料的总量。钢铁行业要充分认识到，这不仅是我们的社会责任，更是提高未来竞争力的必然选择。

钢铁冶金企业绿色发展必须实现“两个转变”，即在发展模式上，从传统资源消耗、环境负荷增加的粗放发展走向更加注意节能减排、清洁生产、低碳发展的科学发展模式。在企业功能上，从单纯产品制造向钢铁产品制造、能源转换和消纳社会废弃物的生态型钢铁企业转变。钢铁企业在产品研发上，既要重视节能环保型材料的研发，更要重视质量和质量稳定性的提高；既要重视产品生产中的节能减排，更要重视产品在其他行业应用中带来节能减排的效果。

在工艺技术上要重点研发钢铁工业节能、环保、清洁生产技术的系统解决方案，并以一些薄弱环节为重点，加强研发。要研究烧结烟气综合治理，焦炉煤气合理利用技术，焦化水的系统处理以及减少CO2排放的低碳冶炼和短流程工艺技术，在产业链延伸和管理上要加强对产品全生命周期的评价和全方位的管理，把设计、采购、运输、生产、营销和产品回收利用有机地结合起来，尽量减少对环境的影响，以符合绿色化的发展方向。

在冶金流程工程学上，应重点抓好与冶金工厂设计方面的结合，以动态-精准设计的理念和方法构建我国冶金工程设计的创新理论和设计方法革新的完整体系。既重视新厂建设中的应用，更要重视现有工厂改造和指导生产中的运用，要结合中国钢铁工业发展的实际，充分认识中国钢铁工业发展的复杂情况。冶金工程是一个复杂的、系统流程工程，要确保工程系统运行中动态有序性、高效协同性和稳定性。要注意现代钢厂功能的拓展优化，以融入我国循环经济和社会生活可持续发展的总体要求。

要高度关注信息学科和云计算技术的快速发展给冶金工程学带来的新机遇和挑战，特别是冶金装备与自动化、冶金工艺研究、冶金材料性能预测预报以及冶金基础理论研究带来新的研究方向、方法和新的进展，充分发挥信息学科和冶金工程学科交叉、优势互补、互相促进的优势，推进冶金流程工程学的知识驱动和信息化的数据驱动的有效结合，带动整个冶金工程技术学科迈上新台阶，并使钢铁工业走向智能化。

（一）冶金工程技术学科展望

今后学科发展的重点体现在以下六方面：

1. 重视钢铁行业的绿色发展。钢铁是21世纪最具创新潜力和可持续发展的材料之一，钢铁冶金的绿色发展，不仅在支撑我国国民经济快速发展和满足人民群众消费需求升级上具有重要作用，而且在推动我国经济绿色发展上将发挥重要作用。

钢铁冶金企业绿色发展必须实现两个“转变”，即发展模式上，从单纯追求数量扩张的粗放型向节能减排、清洁生产、低碳发展的科学发展模式转变，在企业功能上从单纯钢铁产品制造向产品制造、能源高效转换和消纳社会废弃物的生态型钢铁企业转变。

钢铁企业应重视环境经营。环境经营的核心是技术创新，在产品开发上，既要重视节能、环保、新产品的开发，更要重视质量和质量稳定性的提高；既要重视产品本身生产的节能减排，更要关注新产品给其他行业使用过程所带来的节能减排的效果。要研究低碳冶炼和短流程新工艺。在产业链延伸和管理上，要加强对产品全生命周期、全方位的管理，把设计、采购、生产、运输、营销和产品回收利用等有机地结合起来，尽量减少对环境的影响，符合绿色化的发展方向。

2. 应重点抓好冶金流程工程学与冶金工厂设计、生产运行的结合，以动态精准设计的理念构建我国冶金工厂设计创新理论和设计方法的完整体系，既重视在新厂建设中的应用，更应重视现有工厂改造和指导日常生产中的运用。

3. 重视信息学科和云计算技术快速发展给冶金工程和冶金工程技术学科带来的新机遇和挑战，充分发挥信息学科和冶金工程技术学科交叉、优势叠加、互相促进的作用，带动整个冶金工程和冶金工程学更上新水平。

4. 关注国际冶金工程学科在各领域的研发热点和重点，特别是对行业和学科发展可能产生重要影响的研究方向和主要研究成果，集中财力、物力、加大对重点发展项目的投入强度、支持优势团队，力争在重点方向上有较快发展和突破。

5. 加强行业和学科创新支撑体系建设，包括政策支撑体系、技术服务体系、投融资服务体系、法律（知识产权）服务体系、人才培养和激励体系等。

6. 加强以企业为主体的产学研用之间的协同创新能力建设，掌握行业竞争和发展的主动权，特别要加强工艺和装备的创新、产品研发与升级、节能减排、清洁生产、生态环境协调发展。要通过工程流程完善与优化以及关键共性技术的研发和新成果推广应用等几方面工作，使钢铁企业原材料和能源消耗大幅度降低，环境保护和生态建设取得较大改善。同时在产业链上、下游延伸中注意发挥交叉学科的集成优化作用，提高冶金工程技术学科发展水平，提高我国冶金行业和企业综合竞争力和可持续发展能力。

上述诸多方面的发展方向将进一步体现在如下具体内容：

1 在基础理论研发方面：

1-1 在冶金物理化学学科方面，未来五年应重点研究的方向：洁净钢精炼的相关冶金物理化学研究，特别是夹杂物生成及去除机理的动力学研究；高合金钢、低合金钢精炼相关的冶金物化研究，包括合金液及相关炉渣热力学性质和物理性质；我国贫、杂、多金属复合矿高效综合利用途径的探索；电化学方法在金属提取和合金制备中的应用；将冶金软科学与冶金物化结合进行的过程模拟和过程优化研究；冶金工业副产品及工业废弃物的高效回收和综合利用。希望通过努力继续保持现有优势学科国际领先地位，在下一五年能够从总体上缩小与国际先进水平的差距，力争有1-2个研究方向达到国际前沿水平。

1-2 在冶金反应工程方面，未来五年在开展高效、节能、减排、再资源化中，将工艺理论研究与生产工艺研究更紧密结合，并取得高效成果，大力开展低尺度效应和更大尺度效应的研究，总结普适性规律，取得工业应用成果。

2 在冶金工程技术研发方面：

2-1 在冶金原料与预处理方面，今后应研究采矿设备大型化、高效化、自动化、智能化；要加强深部开采技术的研究，包括深部提升技术、井下选矿厂建设等；要研究矿山数字化、构建生态矿业工程方向发展；研究无人采矿和遥控采矿设备与技术。

要研究适合我国资源特点的高效选矿技术，包括阶磨阶选、细磨深选、提质降杂和低品位、共生矿综合利用技术；要研究高效节能选矿设备的系列化和大型化；高效、低毒（无毒）选矿药剂；采矿-选矿流程优化，选矿过程自动控制和选矿厂信息化管理技术；尾矿资源整体利用技术。

2-2 在冶金热能工程学方面，继续深化冶金过程的物质流、能量流、信息流及其协同优化研究。特别是能量流网络的运行结构及表现形式，多因子能量流控制技术研究；钢铁制造流程中多介质能量流网络优化方法和动态仿真；物质-能量-信息流协同运行机制及控制策略；能量流网络化运行评价及其指标体系。

加强能源管控中心的进一步开发研究，使其能根据生产情况进行动态优化调度，确保生产用能稳定供应，经济运行和高效利用。应加强钢铁生产过程余热余能资源的回收和利用，特别是余热余能的分级回收与阶梯利用。加强高效蓄热式燃烧技术的开发研究，着重研究大型蓄热式加热炉的结构、操作和控制等，重点解决炉压波动大、冒火现象严重、炉子投资高、维修频繁和使用寿命短等问题。

2-3 在炼铁方面应采用新工艺进一步提高焦炭质量，通过压块、捣固等方法提高焦炭质量，满足大高炉的要求，要开展适应大高炉焦炭质量指标评价体系研究；要深入研究矿石日渐贫化形势下的造块技术。要大力推广高风温和富氧技术。在考虑环境友好的前提下，提高高炉操作水平，进一步实现高炉稳定生产的低碳炼铁技术。大力开发新工艺、新技术，加强低CO 2排放，低碳炼铁新工艺、新流程的研究，在取得成果基础上，进行半工业性试验。

2-4 在炼钢方面，应加强提高钢的洁净度的研究，以满足日益提高的钢材性能要求。要进一步提高去除杂质的限度，改进工艺，提高生产效率，优化高效率、低成本洁净钢生产平台集成技术。要加强对钢中非金属夹杂物控制的研究。氧气转炉炼钢全自动“一次命中”控制技术；围绕降低成本、提高质量、减少污染的炼钢新工艺、新设备的研究，包括以RH真空精炼为代表的各种精炼工艺的研究。推进恒拉速连铸，提高板坯高拉速技术；加大对电炉炼钢基础研究（大型化、高效化、智能化）。

2-5 在轧钢方面，应加强研究的方向：

（1）开发不同类型的铸坯装送-热装节能技术；

（2）高性能、高强度钢材生产技术相关应用科学探索研究；

（3）大型异形材全轧程及冷却过程热力耦合模拟分析预测；

（4）钢材组织性能精确预报及柔性轧制技术；

（5）结合超快速冷却控制的轧制、冷却与组织性能一体化控制理论与技术；

（6）无头轧制、半无头轧制薄规格、超薄规格热带钢轧制相关的理论与技术；

（7）建立完整的钢材产品的设计、生产和应用评价技术与体系，以及钢铁材料数据库与科学选材系统，为下游用户正确选材、合理用材提供理论与技术支撑。

2-6 在冶金机械及自动化方面，应充分认识到冶金装备是工艺实现手段和载体，是产品制造的工具和质量保障的条件。冶金装备研发能力既反映了冶金机械和自动化学科整体水平，也反映全行业冶金装备及工艺的技术水平和发展潜力。今后五年应重点研发：

（1）产品质量在线监测、性能预测和质量诊断技术；

（2）新型近终型铸轧技术，研发薄带铸轧、无头轧制、新型高速连铸装备；

（3）开发板坯在线快速加热技术；

（4）烟气脱硫、脱硝方法、工艺及装备研究；

（5）热连轧机组机、电、液耦合振动抑制与系统解耦动态设计方法及技术；

（6）冷连轧机组稳定高速轧制技术。

（7）冶金流程在线连续检测和监控系统，采用新型传感器技术，光机电一体化技术，软测量技术，数据融合和数据处理技术，实现关键工艺参数闭环控制，物流跟踪，能量平衡控制，环境排放实时控制和产品质量全过程控制。

（8）计算机流程模拟，支持生产组织、生产流程优化，支持新生产流程设计和新产品开发优化，实现以科学为基础的设计和制造。

（9）知识管理和商业智能，利用企业信息化积累的海量数据和信息，并将企业常年管理经验和集体智慧形式化、知识化为企业持续发展和生产、技术、经营管理各方面创新奠定坚实的核心知识和规律性认识。

各学科既要十分重视本学科发展的重点方向和研发水平，又要高度关注其他学科研发的方向、方法和新的进展。建立起开放而不是封闭的研发体系和机制。充分发挥多学科交叉、优势互补、互相启发、互相促进的优势。

（二）冶金工程技术学科发展对策

1. 提高行业和学科自主创新能力，完善行业科技创新体系和产业技术创新支撑体系建设。国家应从政策上（税收、金融）法规上（知识产权、劳动就业、高级人才培养）制定鼓励创新、激发创新、营造创新环境。应统筹协调行业发展战略，科技、教育和人才规划，建立和完善知识产权服务市场和技术交易体系。应建立高水平的产学研用创新战略联盟和技术研究平台，突破行业重点原始创新和共性关键技术。

2. 抓好新一代钢铁制造流程工艺技术知识的普及和宣传，宣传最近部分钢铁厂重视环保，提出环境经营理念，绿色产品制造，环境友好技术和工艺创新观念，抓好生态文明建设的好典型。改变人们传统上认为冶金行业是“高耗能、高污染”行业的旧观念，支持钢铁企业作为循环经济优先切入点和城市生态文明建设的积极推进者。

3. 利用国家新环保标准和节能减排的新要求，采取各种有效措施，淘汰落后产能、落后工艺和设备。

4. 应加大节能减排新技术的研发和成熟技术的推广工作

5. 加大国内铁矿、锰矿和焦炭资源科学勘探力度，提高资源综合利用水平

6. 加大对学科基础理论研究的支持，特别是学科前沿技术和重点关键领域，以及学科综合性研究领域的支持，力争尽快取得突破。

7. 加强对领军人才和骨干科技人才的培训、培养和激励，包括创新方法、创新文化的培训，鼓励独立提出一些学术见解，培育宽容的学术自由争鸣的气氛。          （来源：中国金属学会）