閃速鍊鐵改變全球鋼鐵行業？其實是外界對中國的光環 | 袁嵐峯_風聞

　　2024年12月，中國的“閃速鍊鐵”技術引起了國內外的關注。許多人説，這是“徹底改變全球鋼鐵行業”的大事。甚至有人開玩笑説，澳大利亞要被這個技術毀滅了。

　　據新聞介紹，傳統高爐鍊鐵要5 - 6小時，閃速鍊鐵只要3 - 6秒。而且它不依賴進口的高品位鐵礦石，本土中低品位的鐵礦石也行。它還是零碳排放，因為不使用煤和焦炭，磷和硫也大幅能耗也比高爐工藝大幅減少，推廣應用能讓鋼鐵行業能源利用率提高三分之一以上。

　　居然有這麼多好事？其實每當見到這種消息，一個自然的問題就是：如果它全是優點沒有缺點，為什麼以前不用？如果你能想到這一層，你的思維水平就超過了90%的人。

　　我的朋友、風雲學會會員陳經是一位人工智能專家，不過他最擅長的就是調研各個領域的情況，對化學也至少比普通人瞭解得多得多。於是他調研了一番，還諮詢了我們共同的朋友、化工專家、南非科學院院士“橡樹村”劉歆穎教授，再加上我作為化學博士的解讀，共同寫了一篇文章《最近爆火的“閃速鍊鐵”技術，到底是什麼？| 陳經》。下面，我就向大家介紹一下。

　　最基本的結論是：閃速鍊鐵並不是個新概念，而是多國學者研究了幾十年的老概念。它借鑑了對有色金屬的閃速熔鍊技術，如閃速鍊銅。但由於銅和鐵在化學性質上的區別，閃速鍊銅和閃速鍊鐵用的氣體完全不同。閃速鍊銅用的是氧氣，而閃速鍊鐵用的是氫氣。氫氣的成本遠高於氧氣，而且處理起來有許多困難。由此導致，閃速鍊銅早就是主流技術了，而閃速鍊鐵還在實驗室驗證階段。如果你瞭解這些，你的知識水平就超過了99%的人。

　　在這些背景下，就會發現這次最有趣的是，新聞界忽然對閃速鍊鐵產生了很大興趣，原因是——它是中國提出來的。這反映出，許多人天然地就覺得中國會不時創造工業奇蹟。任何一個奇蹟，只要是中國的，似乎就有了可信度。用陳經的話説，中國科研與工業體系近年來飛速進步，成果輩出，已經產生了相當的“光環效應”。這個光環讓外界對於有想象力的中國科研成果願意高看一眼，媒體也願意進行誇張傳播。如果你理解到這一層，預判了新聞界的預判，你就超過了99.9%的人。

　　下面，我們來真正介紹其中的科學。如果你全都能理解，你就超過了99.99%的人。

　　首先，煉的是什麼？是閃速鍊鐵，不是閃速鍊鋼。我們需要區分三種物質：熟鐵（或者叫做純鐵）、鋼和生鐵。

　　純鐵的含碳量低於0.02%，鋼的含碳量在0.02 - 2.1%之間，生鐵的含碳量在2.11 - 4.3%之間。純鐵的延展性好，但強度低硬度低，還容易生鏽。鋼的用處比鐵多得多，因為它強度高硬度高。每當我們説到“鋼鐵”的時候，其實十有八九是鋼，——就好比“我跟科比合砍83分”。鐵有一點比鋼好，就是磁性。因此鐵有一個應用，就是在電磁鐵芯中用來增強磁場。鋼鐵工業需要先把鐵元素從鐵礦石中煉出來，後面再加工成純鐵、鐵合金、鋼等等。

　　再來看閃速鍊鐵的原料，鐵礦石。有兩種鐵礦石比較多，磁鐵礦Fe3O4和赤鐵礦Fe2O3，前者容易被氧化變成後者。有的赤鐵礦晶體薄片透光，稱為鏡鐵礦，算是變種。還有兩種少一些的，褐鐵礦是含水氧化鐵（FeO(OH)·(H2O)n），菱鐵礦是碳酸亞鐵（Fe2O3）。我國的鐵礦屬於貧礦，平均鐵含量只有34.5%，而澳大利亞有些地區的礦石鐵含量高於50%。

　　從鐵礦石到鐵元素，是怎麼煉出來的？下面來看閃速鍊鐵的背景板，高爐鍊鐵。這個技術簡直成熟得不能再成熟了，目前全球90%以上的鐵是高爐冶煉出來的。高爐煉出來的是生鐵，含碳量比鋼高。後面我們會知道，閃速鍊鐵煉出來的是純鐵，含碳量比鋼低，在這方面兩者正相反。

　　學過高中化學的人都能明白，鍊鐵的原理是氧化還原反應。跟鐵元素相比，鐵礦石中的鐵是被氧化的，即失去電子，化合價從0變成+2、+3。要讓它變成鐵元素，就需要還原劑。例如把鐵礦石跟焦炭放在一起加熱，焦炭不完全燃燒變成一氧化碳。CO作為還原劑，放出電子，奪走鐵礦石中的氧原子。+2、+3價的鐵離子得到電子，被還原成0價的鐵，即單質鐵。

　　還有一步也很重要，鐵以外的雜質形成爐渣。鐵礦石裏有不少雜質，如硅和鋁等元素。用石灰石和氧化硅、氧化鋁反應，生成爐渣，高温下和鐵水可以分離。

　　高爐有大有小，小高爐有幾百立方米容積，巨型高爐超過5000立方米。高爐就是讓鐵礦石在下部爐底反應，可以理解為把鐵礦石“燒”成鐵，但要加焦炭、石灰石組成“爐料”來燒。鐵水從出鐵口排走，爐渣從出渣口排走。

　　跟閃速鍊鐵相比，高爐鍊鐵最大的缺點就是比較慢，要五六個小時。為什麼要這麼長時間呢？

　　這麼多東西，要加熱到1500度以上的高温發生反應，需要時間。更關鍵的是，爐料不是一下全反應好，而是從下到上地發生。下面的爐料反應生成鐵水和爐渣，排走了，上面的爐料下降到爐底繼續反應。高爐會連續作業，上面有裝料系統，下面的燒化了排出去，上面又不停加料進來，連續生產。因此，這個過程需要給爐料充分時間反應，要時間加料連續作業，還要對爐況精確控制，做不了太快。

　　但是高爐也有顯著的優點，就是規模大，產量高。它的能源利用率也是比較高的，因為原料都在高爐裏面封閉地反應。鐵都變成鐵水出來了，焦炭也燒光了，提供了反應需要的熱量。

　　有些化工產業的反應釜引出很多管子，氣體液體不停流動，多步反應，流程很複雜。高爐相比之下就簡單多了，只要一個爐子，上面加料，下面出鐵水。

　　因為高爐應用簡單，所以在全球鋪開來了。由此導致的問題之一，是碳排放。鋼鐵工業碳排放佔全世界排放的5 - 6%，其中高爐鍊鐵就佔約70%。無論如何改進高爐工藝，由於它需要CO作為還原劑，碳排放都少不了多少。

　　一種改進是搞“無焦鍊鐵”，也就是“非高爐鍊鐵”技術。目前也有一些應用，但佔比不高，各有缺點。如用天然氣代替焦炭當還原劑，想法很好，但天然氣比焦炭價格高，而且對鐵礦石的形狀有要求，要合適的顆粒，高爐就沒啥要求。這些替代性工藝的普遍特點是對原料需要做燒結、球團等預處理，複雜，流程長，鍊鐵需要的時間比高爐更長，而且能源利用率低。

　　高爐，不是那麼好取代的。別看傻大黑粗，其實它的優點很強大。

　　瞭解了高爐鍊鐵，就可以來學習閃速煉……不是閃速鍊鐵，而是閃速鍊銅。對於有色金屬即鐵、鉻、錳之外的金屬，“閃速熔鍊”（flash smelting）已經是成熟工藝了。

　　2022年我國前十種有色金屬產量為6774.3萬噸，全球約為1.2億噸，中國佔比56%。產量最大的兩種有色金屬是鋁和銅。2022年我國氧化鋁產量8186.2萬噸，佔全球1.39億噸的59%。2022年中國精銅產量1106.2萬噸，佔全球的43.1%。

　　2016年，中國工程院院士張文海在報告中説（https://news.wust.edu.cn/info/1051/67691.htm），我國的閃速冶金技術，不僅技術居於世界前沿，同時還擁有最強的市場競爭力，在境內外已承建了20餘座特大型閃速爐工廠，幾乎壟斷了全球工程。

　　張文海2004年在南昌有色冶金設計研究院工作時，就總結過閃速熔鍊在中國的進展。中國第一座閃速爐是江西貴溪1980年引進、1985年投產的，用於閃速鍊銅，減少鍊銅的嚴重污染。但並未推廣，因為工藝複雜、專用設備多，不易國產化，推廣就要重複引進，九十年代一套要80億。

　　1997年，在污染嚴重的安徽銅陵第一冶煉廠，中國有色界攜手合作攻關多年，終於建成國內第一座自主研發、設備國產化的閃速鍊銅廠（金隆銅業），達到世界先進水平。2004年，國內有兩座銅閃速爐，佔銅產量的40%，一座鎳閃速爐，佔鎳產量的95%。

　　説來説去，閃速熔鍊究竟是什麼呢？它最大的特點是“空間熔鍊”，反應物在空中反應。而傳統工藝是“熔池熔鍊”，反應物扎堆組成“熔體”，在空間底部池子裏反應。如圖，硫化物粉精礦微粒，經過深度脱水（含水少於0.3%），在噴嘴處與空氣或氧氣混合，以100米每秒的高速噴入1000度以上高温的反應塔。單個精礦微粒體積很小，比表面很大，彌散在空間中，外面被氣體包裹，所以反應迅速，兩秒就能完成熔鍊的過程。這就是閃速熔鍊的基本原理。

　　圖為閃速鍊銅的化學方程式。硫化物跟氧氣反應生成氧化物（注意不是直接在空中燒出銅），硫化物和氧化物掉到下方的沉澱池中彙集，繼續反應生成銅和爐渣，“澄（dèng）清分離”後分別處理。這個反應的好處是，參與反應的氣體是氧氣，用空氣就可以。

　　貴溪的閃速爐是引進的，用的是“熱風”，而銅陵的閃速爐是自主創新的，用的是“冷風”。這段歷史，就是中國閃速熔鍊取得國際領先地位的關鍵。對此感興趣的，歡迎到“風雲之聲”看陳經的原文。

　　瞭解了閃速鍊銅之後，很自然就會想到閃速鍊鐵。美國猶他大學的Hong Yong Sohn教授團隊率先進行了探索，做了大量基礎實驗，2013年發了論文。

　　要注意，閃速鍊鐵絕不是很容易的事，否則早就有人做了。乍一看，把閃速鍊銅的工藝搬過來不就行了？但仔細看看就會發現，用氧氣吹氧化鐵礦粉，是沒法反應的。氧化鐵需要的是還原劑，而不是氧化劑！

　　真正有趣的問題是，為什麼閃速鍊銅可以跟氧氣反應？因為它的礦物是硫化物！例如Cu2S，氧氣氧化的是S而不是Cu。在整體的反應中，其實還原劑是S，它失去電子，從-2價到+4價，這才使Cu得到電子，從+1價被還原到0價。是S一個還原了Cu和O這兩個，——終究還是S扛下了所有。

　　因此，閃速鍊鐵的氣體需要用還原劑，而不是氧化劑。這就是它跟閃速鍊銅的本質區別，由此造成了很多困難。Hong Yong Sohn教授團隊嘗試用氫氣當還原劑，它和鐵礦砂能在數秒內反應生成“海綿鐵”，一種還原失氧形成大量微氣孔的低碳多孔狀物質。用天然氣（主要是甲烷CH4）作為還原劑，就先生成H2 + CO，也能和鐵礦砂生成海綿鐵。

　　後續還有國內外團隊試了各種還原劑，如用CO - H2混合氣體、H2 - Ar混合氣體。張文海院士2016年的報告（https://news.wust.edu.cn/info/1051/67691.htm）中提到，我國多支“閃鐵”團隊仍在不斷探索，包括北京科技大學、中南大學、武漢科技大學、江西理工大學、東北大學、昆明理工大學等基礎研究團隊，以及中國鋼鐵集團、中國航天集團、中國瑞林等工業試驗團隊。

　　張文海團隊在江西理工大學建的試驗爐，看上去規模不大，是為了測試生成數據的，論文2020年發表。各國團隊的實驗都類似，能生成一些鐵，不是連續作業的生產裝置。但是經過多年努力，國內外學者共同探索清楚了不少問題，初步證明了閃速鍊鐵工藝的可行性。

　　最近的進展是，張文海團隊對閃速鍊鐵的熱力學、動力學、多相流場等方面做了大量基礎研究，完成了中試，證實了閃速鍊鐵的工藝可行性，在此基礎上進行了產業化評估。設想的爐體結構示意圖如圖所示。

　　新聞中介紹的，5 - 6小時的鍊鐵過程縮短為3 - 6秒“閃速”的秘訣，現在大家其實都可以明白了。傳統高爐，物料是緊密堆放的，氣體還原劑要與整塊充分反應，需要幾個小時。而閃鐵爐用礦砂噴槍把粉狀的礦砂噴入高温的還原塔中，礦粉和別的槍嘴噴進來的天然氣、氫氣充分混合，幾秒就反應好了。關鍵在於，把團塊狀的物體變成彌散的粉塵，比表面提升了很多，而且多處都發生爆炸一樣的並行反應，總的反應速度就能快數千倍。

　　張文海團隊估計，如果用3個每小時噴450噸料的噴槍，單台閃鐵爐年產可達711萬噸。對於100萬噸年產的閃鐵爐，用Metsim工程軟件模擬的運行結果如下圖。

　　這些都是軟件模擬出來的結果。新聞中提到“噸鋼綜合能耗351.32 kgce”，與“高爐噸鐵能耗553 kgce”對比，得出能耗表現優秀的結論。其中kgce指的是千克標準煤當量（standard coal equivalent），即燒1千克煤產生的能量。

　　瞭解了原理之後，我們對新聞就能有判斷了。閃速鍊鐵的優勢，都可以歸結到原理。如鍊鐵速度快了幾千倍，是因為把樣品分散化。碳排放少，是因為用H2替代了CO。由此甚至會導致一個問題，就是閃速法煉出來的鐵幾乎不含碳。把它變成鋼，需要增加碳含量。這跟高爐煉出生鐵後需要減少碳含量正相反，這些增加碳的工藝是需要去開發的。

　　而閃速鍊鐵的劣勢，一般就是媒體也不説，公眾也不懂了。核心的劣勢在於，閃速鍊鐵需要用還原劑，如氫氣、天然氣，而鍊銅用氧氣就行。即使用氫氣的閃速鍊鐵工藝能跑通，氫氣的成本也比氧氣高得多，因為氫氣是電解水或者裂解甲烷產生的。

　　前期國內外學者進行了實驗性的小規模不連續生產，初步驗證了工藝可行性。張文海團隊做了中試，並用工業模擬軟件跑出了產業化指標，這是科研機構正常的做法。大規模實驗需要的投資會大得多，如果這個設想得到業界認可，投資進行產業化研究，後續將會有更多測試消息出來。如果中國閃速鍊鐵能夠率先成功，那麼它有望成為中國鋼鐵行業的一項核心競爭力、中國的又一張新名片。

　　説完了閃速鍊鐵，最後我們再回到中國的“光環效應”。以前光環大都是發達國家的事，現在光環到中國身上了，甚至照亮了一些外國人。由於中國科技的影響力今非昔比，在多個領域我國已經處於世界前沿，因此一些產業設想得到了新聞輿論誇張的關注，這是一種時代的喜劇。