闪速炼铁改变全球钢铁行业？其实是外界对中国的光环 | 袁岚峰

　　2024年12月，中国的“闪速炼铁”技术引起了国内外的关注。许多人说，这是“彻底改变全球钢铁行业”的大事。甚至有人开玩笑说，澳大利亚要被这个技术毁灭了。

　　据新闻介绍，传统高炉炼铁要5 - 6小时，闪速炼铁只要3 - 6秒。而且它不依赖进口的高品位铁矿石，本土中低品位的铁矿石也行。它还是零碳排放，因为不使用煤和焦炭，磷和硫也大幅能耗也比高炉工艺大幅减少，推广应用能让钢铁行业能源利用率提高三分之一以上。

　　居然有这么多好事？其实每当见到这种消息，一个自然的问题就是：如果它全是优点没有缺点，为什么以前不用？如果你能想到这一层，你的思维水平就超过了90%的人。

　　我的朋友、风云学会会员陈经是一位人工智能专家，不过他最擅长的就是调研各个领域的情况，对化学也至少比普通人了解得多得多。于是他调研了一番，还咨询了我们共同的朋友、化工专家、南非科学院院士“橡树村”刘歆颖教授，再加上我作为化学博士的解读，共同写了一篇文章《最近爆火的“闪速炼铁”技术，到底是什么？| 陈经》。下面，我就向大家介绍一下。

　　最基本的结论是：闪速炼铁并不是个新概念，而是多国学者研究了几十年的老概念。它借鉴了对有色金属的闪速熔炼技术，如闪速炼铜。但由于铜和铁在化学性质上的区别，闪速炼铜和闪速炼铁用的气体完全不同。闪速炼铜用的是氧气，而闪速炼铁用的是氢气。氢气的成本远高于氧气，而且处理起来有许多困难。由此导致，闪速炼铜早就是主流技术了，而闪速炼铁还在实验室验证阶段。如果你了解这些，你的知识水平就超过了99%的人。

　　在这些背景下，就会发现这次最有趣的是，新闻界忽然对闪速炼铁产生了很大兴趣，原因是——它是中国提出来的。这反映出，许多人天然地就觉得中国会不时创造工业奇迹。任何一个奇迹，只要是中国的，似乎就有了可信度。用陈经的话说，中国科研与工业体系近年来飞速进步，成果辈出，已经产生了相当的“光环效应”。这个光环让外界对于有想象力的中国科研成果愿意高看一眼，媒体也愿意进行夸张传播。如果你理解到这一层，预判了新闻界的预判，你就超过了99.9%的人。

　　下面，我们来真正介绍其中的科学。如果你全都能理解，你就超过了99.99%的人。

　　首先，炼的是什么？是闪速炼铁，不是闪速炼钢。我们需要区分三种物质：熟铁（或者叫做纯铁）、钢和生铁。

　　纯铁的含碳量低于0.02%，钢的含碳量在0.02 - 2.1%之间，生铁的含碳量在2.11 - 4.3%之间。纯铁的延展性好，但强度低硬度低，还容易生锈。钢的用处比铁多得多，因为它强度高硬度高。每当我们说到“钢铁”的时候，其实十有八九是钢，——就好比“我跟科比合砍83分”。铁有一点比钢好，就是磁性。因此铁有一个应用，就是在电磁铁芯中用来增强磁场。钢铁工业需要先把铁元素从铁矿石中炼出来，后面再加工成纯铁、铁合金、钢等等。

　　再来看闪速炼铁的原料，铁矿石。有两种铁矿石比较多，磁铁矿Fe3O4和赤铁矿Fe2O3，前者容易被氧化变成后者。有的赤铁矿晶体薄片透光，称为镜铁矿，算是变种。还有两种少一些的，褐铁矿是含水氧化铁（FeO(OH)·(H2O)n），菱铁矿是碳酸亚铁（Fe2O3）。我国的铁矿属于贫矿，平均铁含量只有34.5%，而澳大利亚有些地区的矿石铁含量高于50%。

　　从铁矿石到铁元素，是怎么炼出来的？下面来看闪速炼铁的背景板，高炉炼铁。这个技术简直成熟得不能再成熟了，目前全球90%以上的铁是高炉冶炼出来的。高炉炼出来的是生铁，含碳量比钢高。后面我们会知道，闪速炼铁炼出来的是纯铁，含碳量比钢低，在这方面两者正相反。

　　学过高中化学的人都能明白，炼铁的原理是氧化还原反应。跟铁元素相比，铁矿石中的铁是被氧化的，即失去电子，化合价从0变成+2、+3。要让它变成铁元素，就需要还原剂。例如把铁矿石跟焦炭放在一起加热，焦炭不完全燃烧变成一氧化碳。CO作为还原剂，放出电子，夺走铁矿石中的氧原子。+2、+3价的铁离子得到电子，被还原成0价的铁，即单质铁。

　　还有一步也很重要，铁以外的杂质形成炉渣。铁矿石里有不少杂质，如硅和铝等元素。用石灰石和氧化硅、氧化铝反应，生成炉渣，高温下和铁水可以分离。

　　高炉有大有小，小高炉有几百立方米容积，巨型高炉超过5000立方米。高炉就是让铁矿石在下部炉底反应，可以理解为把铁矿石“烧”成铁，但要加焦炭、石灰石组成“炉料”来烧。铁水从出铁口排走，炉渣从出渣口排走。

　　跟闪速炼铁相比，高炉炼铁最大的缺点就是比较慢，要五六个小时。为什么要这么长时间呢？

　　这么多东西，要加热到1500度以上的高温发生反应，需要时间。更关键的是，炉料不是一下全反应好，而是从下到上地发生。下面的炉料反应生成铁水和炉渣，排走了，上面的炉料下降到炉底继续反应。高炉会连续作业，上面有装料系统，下面的烧化了排出去，上面又不停加料进来，连续生产。因此，这个过程需要给炉料充分时间反应，要时间加料连续作业，还要对炉况精确控制，做不了太快。

　　但是高炉也有显著的优点，就是规模大，产量高。它的能源利用率也是比较高的，因为原料都在高炉里面封闭地反应。铁都变成铁水出来了，焦炭也烧光了，提供了反应需要的热量。

　　有些化工产业的反应釜引出很多管子，气体液体不停流动，多步反应，流程很复杂。高炉相比之下就简单多了，只要一个炉子，上面加料，下面出铁水。

　　因为高炉应用简单，所以在全球铺开来了。由此导致的问题之一，是碳排放。钢铁工业碳排放占全世界排放的5 - 6%，其中高炉炼铁就占约70%。无论如何改进高炉工艺，由于它需要CO作为还原剂，碳排放都少不了多少。

　　一种改进是搞“无焦炼铁”，也就是“非高炉炼铁”技术。目前也有一些应用，但占比不高，各有缺点。如用天然气代替焦炭当还原剂，想法很好，但天然气比焦炭价格高，而且对铁矿石的形状有要求，要合适的颗粒，高炉就没啥要求。这些替代性工艺的普遍特点是对原料需要做烧结、球团等预处理，复杂，流程长，炼铁需要的时间比高炉更长，而且能源利用率低。

　　高炉，不是那么好取代的。别看傻大黑粗，其实它的优点很强大。

　　了解了高炉炼铁，就可以来学习闪速炼……不是闪速炼铁，而是闪速炼铜。对于有色金属即铁、铬、锰之外的金属，“闪速熔炼”（flash smelting）已经是成熟工艺了。

　　2022年我国前十种有色金属产量为6774.3万吨，全球约为1.2亿吨，中国占比56%。产量最大的两种有色金属是铝和铜。2022年我国氧化铝产量8186.2万吨，占全球1.39亿吨的59%。2022年中国精铜产量1106.2万吨，占全球的43.1%。

　　2016年，中国工程院院士张文海在报告中说（https://news.wust.edu.cn/info/1051/67691.htm），我国的闪速冶金技术，不仅技术居于世界前沿，同时还拥有最强的市场竞争力，在境内外已承建了20余座特大型闪速炉工厂，几乎垄断了全球工程。

　　张文海2004年在南昌有色冶金设计研究院工作时，就总结过闪速熔炼在中国的进展。中国第一座闪速炉是江西贵溪1980年引进、1985年投产的，用于闪速炼铜，减少炼铜的严重污染。但并未推广，因为工艺复杂、专用设备多，不易国产化，推广就要重复引进，九十年代一套要80亿。

　　1997年，在污染严重的安徽铜陵第一冶炼厂，中国有色界携手合作攻关多年，终于建成国内第一座自主研发、设备国产化的闪速炼铜厂（金隆铜业），达到世界先进水平。2004年，国内有两座铜闪速炉，占铜产量的40%，一座镍闪速炉，占镍产量的95%。

　　说来说去，闪速熔炼究竟是什么呢？它最大的特点是“空间熔炼”，反应物在空中反应。而传统工艺是“熔池熔炼”，反应物扎堆组成“熔体”，在空间底部池子里反应。如图，硫化物粉精矿微粒，经过深度脱水（含水少于0.3%），在喷嘴处与空气或氧气混合，以100米每秒的高速喷入1000度以上高温的反应塔。单个精矿微粒体积很小，比表面很大，弥散在空间中，外面被气体包裹，所以反应迅速，两秒就能完成熔炼的过程。这就是闪速熔炼的基本原理。

　　图为闪速炼铜的化学方程式。硫化物跟氧气反应生成氧化物（注意不是直接在空中烧出铜），硫化物和氧化物掉到下方的沉淀池中汇集，继续反应生成铜和炉渣，“澄（dèng）清分离”后分别处理。这个反应的好处是，参与反应的气体是氧气，用空气就可以。

　　贵溪的闪速炉是引进的，用的是“热风”，而铜陵的闪速炉是自主创新的，用的是“冷风”。这段历史，就是中国闪速熔炼取得国际领先地位的关键。对此感兴趣的，欢迎到“风云之声”看陈经的原文。

　　了解了闪速炼铜之后，很自然就会想到闪速炼铁。美国犹他大学的Hong Yong Sohn教授团队率先进行了探索，做了大量基础实验，2013年发了论文。

　　要注意，闪速炼铁绝不是很容易的事，否则早就有人做了。乍一看，把闪速炼铜的工艺搬过来不就行了？但仔细看看就会发现，用氧气吹氧化铁矿粉，是没法反应的。氧化铁需要的是还原剂，而不是氧化剂！

　　真正有趣的问题是，为什么闪速炼铜可以跟氧气反应？因为它的矿物是硫化物！例如Cu2S，氧气氧化的是S而不是Cu。在整体的反应中，其实还原剂是S，它失去电子，从-2价到+4价，这才使Cu得到电子，从+1价被还原到0价。是S一个还原了Cu和O这两个，——终究还是S扛下了所有。

　　因此，闪速炼铁的气体需要用还原剂，而不是氧化剂。这就是它跟闪速炼铜的本质区别，由此造成了很多困难。Hong Yong Sohn教授团队尝试用氢气当还原剂，它和铁矿砂能在数秒内反应生成“海绵铁”，一种还原失氧形成大量微气孔的低碳多孔状物质。用天然气（主要是甲烷CH4）作为还原剂，就先生成H2 + CO，也能和铁矿砂生成海绵铁。

　　后续还有国内外团队试了各种还原剂，如用CO - H2混合气体、H2 - Ar混合气体。张文海院士2016年的报告（https://news.wust.edu.cn/info/1051/67691.htm）中提到，我国多支“闪铁”团队仍在不断探索，包括北京科技大学、中南大学、武汉科技大学、江西理工大学、东北大学、昆明理工大学等基础研究团队，以及中国钢铁集团、中国航天集团、中国瑞林等工业试验团队。

　　张文海团队在江西理工大学建的试验炉，看上去规模不大，是为了测试生成数据的，论文2020年发表。各国团队的实验都类似，能生成一些铁，不是连续作业的生产装置。但是经过多年努力，国内外学者共同探索清楚了不少问题，初步证明了闪速炼铁工艺的可行性。

　　最近的进展是，张文海团队对闪速炼铁的热力学、动力学、多相流场等方面做了大量基础研究，完成了中试，证实了闪速炼铁的工艺可行性，在此基础上进行了产业化评估。设想的炉体结构示意图如图所示。

　　新闻中介绍的，5 - 6小时的炼铁过程缩短为3 - 6秒“闪速”的秘诀，现在大家其实都可以明白了。传统高炉，物料是紧密堆放的，气体还原剂要与整块充分反应，需要几个小时。而闪铁炉用矿砂喷枪把粉状的矿砂喷入高温的还原塔中，矿粉和别的枪嘴喷进来的天然气、氢气充分混合，几秒就反应好了。关键在于，把团块状的物体变成弥散的粉尘，比表面提升了很多，而且多处都发生爆炸一样的并行反应，总的反应速度就能快数千倍。

　　张文海团队估计，如果用3个每小时喷450吨料的喷枪，单台闪铁炉年产可达711万吨。对于100万吨年产的闪铁炉，用Metsim工程软件模拟的运行结果如下图。

　　这些都是软件模拟出来的结果。新闻中提到“吨钢综合能耗351.32 kgce”，与“高炉吨铁能耗553 kgce”对比，得出能耗表现优秀的结论。其中kgce指的是千克标准煤当量（standard coal equivalent），即烧1千克煤产生的能量。

　　了解了原理之后，我们对新闻就能有判断了。闪速炼铁的优势，都可以归结到原理。如炼铁速度快了几千倍，是因为把样品分散化。碳排放少，是因为用H2替代了CO。由此甚至会导致一个问题，就是闪速法炼出来的铁几乎不含碳。把它变成钢，需要增加碳含量。这跟高炉炼出生铁后需要减少碳含量正相反，这些增加碳的工艺是需要去开发的。

　　而闪速炼铁的劣势，一般就是媒体也不说，公众也不懂了。核心的劣势在于，闪速炼铁需要用还原剂，如氢气、天然气，而炼铜用氧气就行。即使用氢气的闪速炼铁工艺能跑通，氢气的成本也比氧气高得多，因为氢气是电解水或者裂解甲烷产生的。

　　前期国内外学者进行了实验性的小规模不连续生产，初步验证了工艺可行性。张文海团队做了中试，并用工业模拟软件跑出了产业化指标，这是科研机构正常的做法。大规模实验需要的投资会大得多，如果这个设想得到业界认可，投资进行产业化研究，后续将会有更多测试消息出来。如果中国闪速炼铁能够率先成功，那么它有望成为中国钢铁行业的一项核心竞争力、中国的又一张新名片。

　　说完了闪速炼铁，最后我们再回到中国的“光环效应”。以前光环大都是发达国家的事，现在光环到中国身上了，甚至照亮了一些外国人。由于中国科技的影响力今非昔比，在多个领域我国已经处于世界前沿，因此一些产业设想得到了新闻舆论夸张的关注，这是一种时代的喜剧。