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
风云之声-风云之声官方账号-45分钟前
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。