【探索30-7】日常生活中隱形的重要夥伴:臺灣鋼鐵產業的現狀與未來

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1970年代,為了改善臺灣各項基礎建設的不足,政府大興土木推出十大建設,成功使臺灣走過能源危機,並為後來的經濟起飛奠下基礎。這十大建設中的「大煉鋼廠」也就是如今的中鋼。或許大眾會覺得鋼鐵很冰冷,但事實上,大至橋梁、汽車,小至不鏽鋼碗、螺絲,鋼鐵是我們日常生活中的好夥伴,支撐起基礎建設,是隱形但重要的產業。如今,鋼鐵產業既是再生能源建設過程中的重要角色,卻也是高碳排產業。如何因應,產業仍在探索。

講者、審定|中鋼公司鋼鐵研究發展處 蔡宇庭 研究員

彙整、撰稿|謝馥伊

 

現職中鋼鋼鐵研究發展處研究員,擁有臺大材料科學與工程學研究所博士學位的蔡宇庭,利用短短一個半小時,便將臺灣鋼鐵產業發展的過去、現況與未來解釋的清晰。

鋼鐵是指由鐵碳及其他金屬元素形成的固溶體,依照含碳的比例有不同的性質:分類:含碳量低於0.02%為鐵,含碳量大於2%為鑄鐵,含碳量介於之間的稱為鋼鐵,。蔡宇庭說,「我們日常生活中最常使用到的(用品)幾乎都是鋼鐵,反而不是純鐵。」

 

近代臺灣鋼鐵產業的發展
來源:臺大科學教育發展中心

臺灣近代鋼鐵產業的開端,可溯及日據時期。第二次世界大戰期間,民營企業大同鐵工所(現大同公司)、唐榮鐵工所(現唐榮鐵工廠)先後於1939年、1940年建廠,為臺灣鋼鐵產業史最早成立的幾間公司。戰爭亦帶動鋼鐵需求上漲,日本政府開始利用海南島所產的鐵砂礦和臺灣出產的煤礦煉鋼。二戰結束後,鋼鐵業的原物料則仰賴打撈二戰後廢船。民間發展出打撈戰時沉船,拆下金屬重新冶練的金屬加工模式,打撈基隆港、高雄港附近的日軍沈船。「不過,因為拆船拆到後來,船越來越少,國內鋼鐵業者還跑去香港競標廢船。然而,由於臺灣加工業蓬勃發展,鋼鐵需求越來越高,所以必須從煉鋼開始做起。」

1960年代後期中國民國政府推動十大建設,其中一個目標便為減少臺灣對鋼鐵進口產品的依賴,中國鋼鐵公司(中鋼)這座由政府出資的「一貫化鋼廠」因此誕生。蔡宇庭解釋,一貫化作業是指從原物料鐵礦、石灰石、煉焦煤開始,經過高爐煉鋼、轉爐煉鋼、連續鑄造、軋延四個階段的製程。「基本上高爐煉鋼會煉出一種高碳的鐵水,再經過轉爐煉鋼調整成分、去除雜質,降低碳含量,鑄造成鋼坯,再把它軋延成我們要的形狀。」

形狀,是鋼鐵產業區分產品的依據。蔡宇庭說,中鋼主要販售四項產品供下游廠商運用,「厚一點的叫做鋼板,薄一點、捲起來、一圈一圈像是滾筒衛生紙的叫做鋼捲,另外還有直棒(長條形棒狀)、盤元(線狀)。」這些產品的應用也不同:鋼板適用於巨大構件的建造,如:風力發電機、建築物;熱壓鋼捲可應用於汽車的製造;冷軋鋼捲用來製作家電外殼以及馬達;直棒切成小段、重新加工後可以作為汽車零組件或日常生活中會用到的手工具、扣件。

根據統計,2021 年臺灣鋼鐵產業產值約 1.54 兆元新臺幣。蔡宇庭說,「其實這些都是臺灣蠻重要的產業,只是比較少人知道。比如晶圓製造需要的機臺設備,很多也是由鋼鐵材料製作而成。」

 

特性變化多端的鋼鐵,滿足各式工業與民生需求
來源:臺大科學教育發展中心

除了形狀,不同材料特性的鋼鐵,可以滿足的用途也不同。蔡宇庭指出,評估鋼鐵材料特有三個主要的維度:強度、延性、韌性,再來也會考量耐火性、銲接性、耐蝕性等指標。

強度是指鋼鐵單位面積能承受的應力來衡量,常見單位為百萬怕(MPa),舉例來說,一般人站立時腳底承受的最大壓力大約為100千帕;延性則是指材料能夠多大程度的被延展。蔡宇庭特別釐清,「我們當然希望東西可以越強越好,但是,除了考慮強度以外,也要考慮延伸率。鋼鐵強度沒辦法一直加強下去,因為通常強度越強,延伸率越差,材料越沒辦法被拉長、伸展。」

韌性則是指鋼鐵遭到破壞時,裂縫傳播的情況。韌性低的鋼鐵,質地較脆,遭受外力之後,裂縫相對容易一路延伸、破裂下去;韌性佳的鋼鐵,遭受外力之後則較可能變形而非破裂。一般來說,偏好使用韌性較佳的鋼鐵,因為比較不容易遭受外力撞擊而破裂,僅有少數例外情況需要鋼鐵質地脆、容易裂。蔡宇庭補充,影響韌性的因素比較不容易掌握,「只要多了一點微量物質或雜質,就會大幅影響韌性。」

有了合適的強度、延展性、韌性之後,耐蝕性便是下一個重要的考量。蔡宇庭舉例,發生於2019年10月的南方澳大橋斷裂事件,便是起因於鋼鐵遭受腐蝕:「當時支撐橋面的鋼桿下方已經生鏽,相當於用來支撐的截面積越來越小、越來越薄,最後就撐不住了。」常見預防鋼鐵腐蝕的方法為表面塗漆,以隔絕金屬接觸氧氣,或於表面鍍鋅、鍍錫,阻絕氧氣洩漏進去。舉例來說,我們平常吃的鐵罐頭,正式以表面鍍錫來防止腐蝕。不鏽鋼則是對抗腐蝕的另一種選擇。不鏽鋼是指於鋼鐵當中加入金屬元素鉻,於鋼鐵表面形成緻密的氧化保護層。蔡宇庭解釋,「研究發現含有11%以上的鉻之後,鋼鐵氧化的速率就會大幅下降,不過這不代表永遠不會生鏽,只是速率降低很多而已。」

 

時代變化、永續意識抬頭之下,鋼鐵產業的未來

目前,中鋼最主要的客戶來自用鋼量大的汽車產業。蔡宇庭說,近年來中國鋼鐵業快速成長,若中鋼繼續主打價格低廉,難以維持長期競爭力,「因為我們再怎麼便宜都不會便宜過中國。所以,我們希望可以協助提升下游產業的品質、體質,發展精緻鋼品。因為中鋼算是產業中游,生產哪些產品取決於下游客戶;如果下游發展起來,我們也會更容易發展。」不過,與下游產業合作促成產業升級,著實需要一番努力,「因為客戶多半是幫汽車品牌代工,如果我們要推出新產品,便需要客戶跟品牌端都同意採用。」

此外,近幾年永續意識發展,為鋼鐵的發展同時帶來機會與挑戰。舉例來說,為發展再生能源,離岸風力發電成為各國趨之若鶩的選項之一,帶動鋼鐵需求上升,也促使公司開始研究新技術:「如果離岸風力發電機塔架在外海,會希望要耐用,不用常常派人維修,那蓋風電的塔架就很有挑戰,要能夠抗腐蝕,鋼板的銲接技術等等也都要考量。」

然而,煉鋼過程當中的高碳排也經常是被檢討的目標。根據世界能源總署的統計,2020年全球鋼鐵業的直接碳排放總量約為26億噸,占全人類活動碳排放總量的7~9%,是主要碳排放源之一。蔡宇庭指出,高爐煉鋼這個步驟是鋼鐵廠的核心,但減碳排需要把這道核心製程改掉,執行上並不容易。「目前國際上幾個減碳的選項,比如從煤炭冶金改成氫能,改成用氫氣去還原鐵礦石,或是用再生能源發電、再使用電爐煉鋼,最後就是用碳固存等措施輔助。」

蔡宇庭也分享,目前中鋼能先採取的措施是升高爐加熱的效率,以減少能源的消耗,還在研究中的兩個方案則是氫能冶金和前處理流程。他解釋,「除了換成氫能,也可以增加前處理,先降低鐵砂礦當中含氧量,這樣再經過高爐煉鋼時,因為要去除的氧氣比較少、消耗的能源比較少,自然碳排也比較少。」

歷經數十年變化,鋼鐵產業如今既是再生能源基礎建設過程中的重要角色,又同時被認定為高碳排產業,產業正在探索應對之道的路上前行。

 


圖左為主持人臺大土木工程學系 詹瀅潔 教授、圖右為講師蔡宇庭研究員|來源:臺大科學教育發展中心

 

延伸閱讀:《【人物專訪】站在高「鋼」,眺望未來——專訪蔡宇庭研究員


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