鋼鐵科技的新角色
102/04/10
瀏覽次數
11636
林東毅｜
高雄大學化學工程及材料工程學系
黃維彬｜
高雄大學扣件及鋼鐵技術研究中心
能源短缺時代
2005年京都議定書生效後，許多國家的領袖都認知到能源是影響經濟發展、環境保護及民生福祉的重要因素，因此施政無不以兼顧能源、經濟及環境的永續發展為首要課題。
目前世界能源的蘊藏量正快速減少，且2000年的石油、煤、天然氣3種傳統能源占能源消費約90％，其中石油占一半以上，並將在2040年達到最高峰。造就人類生活便利的地球資源並非取之不盡、用之不竭，若不思考如何節能或更有效率地使用，有可能在不久的將來會陷入「能源浩劫」。
近幾年，先進國家為降低地球能源枯竭對國家發展的衝擊，無不殫精竭慮思考對策，尤其在發展能源產業時更必須考慮對地球暖化及環境汙染的影響，因而紛紛提出發展綠色能源的新政策。
在臺灣，因為資源有限、對化石能源依存度過高，以及再生能源的發展受到地理上、成本上、技術上的限制，能源永續發展所面臨的挑戰較其他國家高。面對人類21世紀最嚴峻的地球暖化與氣候變遷問題，我國雖不是京都議定書的締約國，但對於議定書規範溫室氣體的減量不但不能逃避，而且應該更積極參與。目前政府也已擬訂了更有效的節能減碳政策，追求低（無）碳能源時代。
鋼鐵產業與節能減碳息息相關，因為鋼鐵產業是能源消費量與溫室氣體排放的大宗，且近年來為提高產能，而有逐年上升的趨勢。因此，鋼鐵產業就成了推動節約能源與減少二氧化碳排放的重點對象。惟環境保護固然重要，但也不能為了呼應「節能減碳」而放棄經濟發展。
鋼鐵科技舉足輕重
鋼鐵業雖屬於高能耗與高溫室氣體排放的產業，但其產品—鋼鐵材料—可回收再生利用，因此被稱為綠色環保材料。它在追求節能減碳的時代中扮演何種角色？
鋼鐵是支撐現代文明的重要基礎材料，鋼鐵工業也是一個國家工業發展程度的指標。在食、衣、住、行、育、樂中，鋼鐵材料的影子無所不在。而當人類思考如何節能與減碳時，材料科學家認為從鋼鐵材料著手，無論是製造過程的效率提升，或是提高其使用率，都能有效發揮節能減碳的效果。
從鋼鐵的製程來看，主要分成煉鐵、煉鋼與軋鋼3大部分。以一貫作業鋼鐵廠為例，投入的能源大部分用於煉鐵製程的鐵礦熔融、還原反應，以及因應下游製程的加熱熱源。因此，鋼鐵產業的節能減碳對策包括多使用低碳燃料或再生能源、提高能源效率與提高生產效率、有效執行捕捉二氧化碳技術、開發綠色鋼材進行外部減量等。
其中，新製程技術開發部分是使用低碳燃料。由於煉鐵原料的鐵礦砂是高含氧量的鐵氧化物，熔煉時高爐中的鐵礦砂、焦炭（煤礦）及部分溶劑，因氧氣不足，焦炭燃燒不全而生成一氧化碳。之後一氧化碳與鐵礦砂反應生成二氧化碳，這是煉鋼廠排放的二氧化碳大多來自高爐的原因。若能改善或開發新的製程技術，會有效降低二氧化碳排放。
最新減碳技術的研究開發以日本為例，目前COURSE 50（CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50）計畫的主要技術是利用氫氣的高還原性取代部分焦炭的作用，預計可降低10％的二氧化碳排放量。
多利用再生能源則屬於新能源開發。在提高能源效率方面，則研究開發新的製程。而在能源使用上，強調提升燃燒效率、加強廢熱回收，並整合區域能源與資源，讓能源在使用過程中做最有效的利用，以減低能源消耗，進而降低二氧化碳排放量。
另外，減少排放量的新技術是在排放源進行二氧化碳捕捉，以避免直接排放進入大氣，這在COURSE 50計畫中也是待開發的一個重要減碳新技術。二氧化碳的捕捉可分為燃燒前捕捉、富氧燃燒捕捉、燃燒後捕捉。其中，高爐二氧化碳的捕捉屬於燃燒後捕捉，有冷凝法、化學∕物理吸收法、吸附及薄膜分離法等。現階段大多利用醇胺類、鹼性水溶液或氨水的化學溶劑吸收法，即利用鹼性溶劑與二氧化碳產生化學鍵結的方式，除去自高爐排出的二氧化碳。
日本鋼鐵產業的二氧化碳排放量占全國的15％，從高爐排出的約占10％，上述的減碳新技術預計會有效降低30％在煉鋼製程中生成的二氧化碳。
近年來做為綠色材料的鋼鐵受到矚目，主要是在工程材料中，相較於鋁、鎂合金，製造鋼鐵材料的溫室氣體排放量是最低的，且在製造過程中不像鋁、鎂合金會產生CF4、C2F6、SF6等破壞臭氧層的氣體。鋼鐵材料之所以稱為綠色材料，是因其可百分之百回收與支援能源生產如石油開採平臺、輸油管線、風力發電塔架等的材料。
另以與生活密切相關的汽車為例。汽車廢氣的排放主要來自行走中的汽車，因此降低車重是一種節能與減低二氧化碳排放的方法。歐盟預計在2020年把汽車減重15％。
汽車主要材料有80％是金屬類，其中鋼鐵就占了60～70％。在輕量化議題發酵下，鋼鐵業也致力研發高強度及輕量化的新鋼品，近年來相繼有TWIP鋼、高強度鋼、先進高強度鋼等。其結合高強度及優異的加工性，用於汽車工業可降低材料使用量，達到車輛減重與提高引擎性能的目的，進而節省油耗並兼顧安全性。
根據世界汽車用鋼組織（World Auto Steel）的統計，汽車重量每減輕1％，耗油量可減少0.6～1.0％，二氧化碳排放量也可減少。如在車體上使用先進高強度鋼，重量上可減少25％，在汽車用鋼的生產製造與使用的二氧化碳排放量可減少5.7％，也就是每部車減少相當2,052公斤重的二氧化碳排放量。
未來，不管是一般常用的碳鋼，還是高附加價值的不銹鋼，在機械強度上會有更大的突破，達到超高強度。在汽車工業上，可把材料使用量降至最低，在不影響行車安全的同時，更有助於對環境的保護。
風力發電的鋼材
目前，許多國家日常生活所需的能源大部分依賴核能發電或火力發電，而核能發電有安全疑慮，火力發電則具高汙染性。在安全考量及環保意識下，各國莫不積極開發替代能源，而風力發電是目前技術最成熟且環保的再生能源之一。
風力發電是利用風力帶動風車葉旋轉，再透過增速機提升旋轉的速率，促使發電機發電，既沒有火力發電會造成環境汙染的問題，也不需要處理核廢料，因此風力是一種乾淨的綠色能源。許多工業先進國家如美國、日本、德國、英國與丹麥，都已進行風力發電的開發與利用。美國預計在2030年以風力發電提供全美20％的用電量。
風力發電機組長年暴露於強風、酷暑、嚴寒、高腐蝕與不易維修的環境中，所用材料須具備高強度、高耐腐蝕等特性，以目前風力發電業界的要求，使用材料的壽命須達10年以上。因此，風力發電機組用的材料以強韌鉻—鉬鋼為主。
鉻—鉬鋼是在鉻鋼中加入合金元素鉬，藉以提升機械強度，並在適當熱處理後，可得到與鎳—鉻鋼同等的韌性。此外，鉬在煉製過程中可以完全回收，鉻—鉬鋼除具較高的經濟效益外，也符合綠色環保材料的要求。
明日之星
為因應地球暖化、資源枯竭與能源短缺，人類必須不斷地尋求解決方法。
在環保意識抬頭的初期，鋼鐵產業曾經被視為環境最大汙染來源與地球暖化的幫兇之一。近年來，經過材料工程師與科學家的不斷努力，鋼鐵材料已超越所有工程材料，被視為21世紀最具代表性的綠色環保材料之一。
