綠能減碳的再生能源政策下 鋼鐵產業的演進發展令人期待

「鋼鐵」是世界上極為重要的工程材料，在人類的歷史演進中，它的發展不僅有高度韌性也更堅固輕巧，從鐵罐、車輛到建築物等食、衣、住、行上皆息息相關。在可再生能源基礎設施中，鋼鐵也發揮極大作用，是地球上回收率最高的金屬廢料，能不斷地來回再生使用。

文﹒李振麟

鋼鐵是重要的工業材料之一，從國家的基礎建設，甚至於小到不起眼的螺絲，都對我們生活層面的影響至關重要。鋼材的堅硬物性與持久性，不僅讓商業產品的用途更廣泛與生活化，還可以當廢鐵無限回收與重新煉製。

鋼鐵金屬材料起源於十九世紀的歐洲與北美工業革命時代， 然而在古代的印度以及中國鐵器時代，就已有工匠冶鍊刀劍技術，將其轉化成為生活中所需要的工具及武器。鐵並不是「鋼」，鐵器時代的金屬工人在冶煉過程中，發現了鐵的卓越性質，意外也發現鋼的優越特性，因此將其轉化為工具和刀劍等武器。早期生活中的鋼製品必備器材，如同斧頭、鑿子等製成配件，以增加其生活實用性，儘管鋼鐵的用途是越來越頻繁廣泛，然而煉鋼技術上，仍然是一個緩慢、耗時而且昂貴的演進過程。

冶鐵煉鋼是將鐵與少量的碳，以及其他相關的微量元素混合，經由「軋製」、「退火」以及「塗層」等繁複處理過程，甚至於更進一步的淬火硬化，加工後的鋼材在水或油中快速冷卻，以提高其硬度特質，也就是藉由「淬火硬化」等技術，提煉出各式各樣以及不同用途的鋼材。然後， 這些材料經過「 軋製」、「退火」和「塗層」等處理過程，以穩定其所需要的物性用途，雖然在早期時代，「煉鋼」是一個漫長且辛苦的人工作業過程，然而所生產出來的稀有鋼鐵，仍然受到各界高度重視，塑造出不同演進過程中的鋼鐵產業歷史進程。

鐵匠師傅的冶煉技能
奠定煉鋼技術的發展演進

早期鋼鐵的消費需求，大多來自於戰爭因素，軍隊士兵都希望能擁有堅固耐用的盔甲和武器。然而，鐵並不是「鋼」，某些鐵匠師傅從木炭火中加熱鐵礦石，逐漸提煉出來一種海綿狀鐵塊，然後再慢慢地錘擊鍛造成型。也有鐵匠注意到，當元素材鐵塊長時間放置於木炭爐中，鐵塊本身的物性延展會越來越強，也就是越來越硬，尤其是後續鍛造金屬時，因為材料不斷地反覆「加熱」、「摺疊」與上下「敲打」，金屬材料的基本特質，就會得到一定程度上的改變。

另一方面，也有工匠學會如何透過加熱方式，再使其冷卻以及不斷地回火加工，最終硬化成鋼與降低其脆性。煉鋼技術上，鐵匠師傅各憑其長期以來的煉鋼經驗而為之，鋼鐵不僅擁有時代背景的技術經驗傳承，也有著推動未來產業發展的潛能動力。

由於鋼鐵物性上，擁有不易分解而易於回收的材料特性，隨著時代演進，各種不同的煉鋼知識，傳播到歐洲和亞洲，鋼鐵製造商不斷地研發新的技術，造就出重量更輕便，以及強度更高的「鍛造鋼」、「合金鋼」，甚至於「低碳鋼」等金屬材料，一個全球性的冶煉製鋼產業順勢展開。

十五世紀時期，鋼鐵產品就已經開始普及化，從大馬士革的劍到日本武士的刀，「鋼鐵」都是那個時代背景中的首選材料。當時的煉鋼廠多數是將熟熱的鐵，分層置入「木炭粉」中並長時間加熱，以增加合金中的碳含量，但是這樣的製作過程，既繁複又耗時。

後來在一九七四年時，來自於英國的亨茨曼，發明了「熔鑄煉鋼」法，這是歐洲史上第一次提煉出來的液態鋼水，藉由耐高溫熱度的「陶罐」來處理，這種耐高溫的熱圓錐形杯狀器皿，也就是所謂的「坩堝」。以「熔鑄」方式來取得其液態鋼水，待冷卻後再創造出物性品質較均勻的「鋼錠」，鋼錠製程的技術產生，就是後來俗稱的「高爐煉鋼」。雖然這樣的冶煉發明，改變了以往的傳統作業模式，但還是無法到達大量生產的目標，而且提煉過程中所付出的成本代價也高。

「坩堝煉鋼技術」改變了傳統提煉

一直到十八世紀時，英國的班傑明‧ 亨茨曼Benjamin，改良了坩堝鋼的煉製方法，達成能夠去除更多雜質，並降低熔鋼過程中的不均勻度。亨茨曼使用「焦炭」來加熱，產生的高熱溫度可以完全融化熟鐵，再製造出物性品質均勻的「鋼錠」。「鋼錠」製程技術產生，改變了以往的傳統作業方式，雖然有了這樣的冶煉發明，但是產能還是無法滿足消費市場期待，而且所花費的成本也高，但是為煉鋼技術開啟了新頁面。

「坩堝煉鋼」技術的出現，激起了歐亞各國技師與學者的熱烈討論，越來越多人前往參觀這樣的新技術。也因此逐漸影響到後續整個歐洲鋼鐵製造業興起，當時擁有豐富的鐵礦石蘊藏量、並且可大量運用於「坩堝」熔鑄生產，以提煉出熟鐵純度的「瑞典」，最具有條件優勢，逐漸成為整個歐洲大陸，優質鋼鐵的主要供應國。

工業革命帶動鋼材品質提升

隨著工業革命興起，大規模工業化逐漸蔓延到整個歐洲，建築與交通運輸，對於金屬的消費需求增加，生活應用的範圍也越來越廣，各國間的金屬貿易交流更盛以往。尤其是現代化工業進程下，「鐵路」與「造船業」，對於鋼材品質的要求也越來越高。發明家亨利‧科特Henry Cort 發明了兩項新的突破性技術，來滿足這些需求，並且也奠定鋼鐵產業走向現代化基礎。

第一、透過爐中攪拌熔解液來提高生鐵品質，其不僅降低碳含量，也促使鋼材物性更加的具有堅韌脆性。第二、將準備好的熱金屬塊，軋製成為最終產品，比傳統的錘擊更溫和，技術上也增加金屬強度，從此拉開軋製薄板的工藝技術，可後續應用在航運貨輪鐵板的生產。

機械化時代逐漸來臨，改變我們傳統的生活習性， 到一七○ 九年時，亞布拉汗‧ 達比Abraham Darby 使用「 焦炭煉鐵」 技術達到高產量目的， 進而也增加焦炭需求量。後續一七一二年時， 湯瑪斯‧ 紐科門Thomas Newcomen 發明了「蒸汽發動機」的原型機，這項革命性發明，不僅帶動後續的鐵路建造， 也將紡織產業轉向機械化生產。

即使此時鋼鐵金屬品尚未大規模使用，然而工業革命促使各行各業走向機械化發展， 也逐漸蔓延到日本、美洲以及世界各地， 有了機械設備的輔助，鐵匠約翰迪爾 John Deere 因此創造了一種帶有鋼刀片的「鋼犁」，讓更多不起眼的草地，變成可以用來耕種的土壤。

生活應用普及化
鋼材的性能持續提升

工業革命下，煉鋼技術取得更新進展，新技術與基礎設施同步推動鋼鐵的物性需求走向多元化，如何才能得到更有利的鋼材應用，成為每一位鋼鐵製造商所面對的挑戰議題。高爐中的「鐵水」，添加各種不同金屬元素，藉以開發更高性能的合金鋼，以適應現代化生活的變革需求，因此造就許多研發單位成立。如「天然氣」與「石油」產業，便需要更堅固強韌的鋼材，以利於開挖輸送，因此擁有完美無縫的「焊接性能」極為重要，才能確保接縫處沒有弱點洩漏，如今研發上得知，添加錳與其他微量元素，便可滿足其需求，這也就是所謂的「錳鋼」。

二十世紀中葉期間，新的冶煉技術出現，煉鋼生產過程有了「電弧爐」發明，從火焰到電力生產提煉，便可將原本的鍋爐燒煉，成為省時、節能的電力生產方式，有了快速便捷以及低耗能的條件，也就有了廢邊料的再回收利用，工業廢料逐漸成為一種廉價的重要資源，也就是後來所謂的「廢鐵資源」。

除了傳統的製造方式改變，鋼鐵製造商的軋製技術也有所突破，可以製造出鋼板板材，以滿足客戶的產品應用。在融化後的鋼液倒入固定模具中，形成「鑄錠」，然後軋製成薄片或更小的形狀和尺寸。鋼液連續輸送入模具中，形成長條型鋼狀，這些條狀物再從模具中出來，切割成為一塊初級胚狀，也就是「鋼胚」，如此一來，將更容易軋製成為成品和半成品。

冷熱加工技術 使得材料更薄

「粗胚鑄錠」只是工業煉鋼的第一步驟，鋼鐵的性能上，不僅有化學成分的基本要求， 還需要「加熱」、「冷卻」、「錘擊」和「軋製」等物性承受功能。這些巨大的鑄錠，經過冷熱退火的繁複軋製過程，以形成所需要的形狀和尺寸。如今，煉鋼製造商的生產工藝，已經有能力製作出厚度如同薄紙的箔片。

在機械性能上，經過不斷來回地淬火（快速冷卻）以及回火（淬火後再加熱）過程，則可以得到更精確的機械性能，也就是加熱到800℃左右再緩慢冷卻，此時金屬鋼板本身的晶體構造將被改變，也提升了鋼片的「延展性」與「抗張強度」，讓鋼品更有其「彈性」、「韌度」與「強度」，退火作業使得金屬物性提升，軟化到足以保持相當的硬度，成為製造汽車零件的主要材料。製成的厚鋼材金屬，經過「防鏽」與「防腐」等塗層處理，將更能適應於冷、熱溫差或含有鹽分的海水中，可適用於橋梁、造船和鐵路等工程應用。

「鋼鐵」成為國家經濟建設的工業材料

如今全球鋼鐵廢料回收率已經超過七十％，高達九十七％左右的鋼鐵副產品可再生利用，就如同鋼爐中的爐渣，通常用於生產製造混凝土。如今，現代化的鋼鐵廠，都比以往更加安全、清潔，事故發生率也減少改進中，「鋼鐵金屬」可視為推動工業革命與國家經濟發展的重要工業材料。鋼鐵商品在我們日常生活中，發揮極大作用，隨著都市化迅速擴張，城市人口密集度越來越高，高樓大廈與捷運交通等基礎設施，對於鋼鐵建材的需求，也在持續增加中，尤其是新興國家的建設與能源探勘，對於鋼鐵建材的需求更不可缺。今日在全球推動綠能碳排政策下，鋼鐵金屬材料，更是「風力發電」與「太陽能」工程建設的主要工業材料，提供了綠能環保技術上所需的硬體設施。

鋼鐵的特性變化多端，不僅擁有「強度」、「延展性」與「韌性」等特質，也擁有「耐火」與「焊接」等物性指標，可以滿足各式民生工業需求。一般常見的鋼鐵防腐方式，則以「鍍鋅」或「鍍錫」在表面，以阻絕氧氣、濕度與金屬面接觸，便可製成我們生活中的鐵罐頭，或者是支撐橋面的防銹鋼桿，鋼鐵如果加上金屬元素「鉻」，便可以形成氧化保護層，也就是力抗腐蝕性的「不鏽鋼」，不僅降低生鏽速度，也帶動很多現代化商品。

近幾年來的綠能環保意識抬頭，為鋼鐵產業帶來許多商機，如離岸風電的再生能源興起，帶動鋼鐵消費需求增加，同樣因為多數風場都位於海邊或架至外海海面上，鋼板的「抗腐蝕」與「焊接性」，就具有高度要求條件。同時，在面臨減碳綠能政策上，煉鋼過程中的碳排放總量，也同樣成為被檢討的對象。

根據「世界能源總署」統計，二○二○年全球鋼鐵的碳排放總量，在減碳需求上，面臨「核心製程」的技術檢討，原傳統的高爐煉鋼製程，必須更換為「電爐煉鋼」。有了電爐煉鋼技術，可以從「煉鋼」執行到「熱軋」，再到最後的「冷軋」一貫作業。目前國際上，所推動的幾項減碳製程方式，如煤炭冶金改成「氫能」，使用「氫氣」技術來還原「鐵礦石」，或是採用「電爐煉鋼」，將廢鐵轉為再生能源材料，重新製程來減少碳排量，達到最終的綠能減碳目的。

目前台灣中鋼是採以「高爐加熱」方式來減少能源消耗，另一項研究方案就是「氫能冶煉」，降低鐵礦砂中的含氧量，自然碳排量也相對減少，在綠能減碳的再生能源政策下，鋼鐵產業已朝正確的道路向前邁進。

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