近日，国内外舆论关注到了中国的“闪速炼铁”技术。许多人说，这是“彻底改变全球钢铁行业”的大事。
按新闻介绍，传统高炉炼铁过程要5-6小时，“闪速炼铁”只要3-6秒就能完成，快了3600倍以上。而且方法不依赖进口的高品位铁矿石，本土中低品位的铁矿石也行。还有很多优点，过程中不使用碳，铁水中没有碳。不使用煤和焦炭，原本会引入的磷和硫大幅减少。这样，就是零碳排放的炼铁工艺。而且，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。
从这些描述上看，“闪速炼铁”技术如果能够大规模应用，将会是效益极为惊人的技术进步。一些外网舆论对此也很有兴趣，但还不是太正式，如有人开玩笑说，澳大利亚要被这个技术毁灭了。
实际情况是什么样？本文将介绍基础的钢铁冶炼工业技术，然后在这个体系内，向读者解释“闪速炼铁”到底如何，目前到了什么阶段。
图为新闻相关论文截图：http://ysyl.bgrimm.cn/ysjsylbf/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=YSYL202400418&flag=1&year_id=2024&quarter_id=11
基本结论是，“闪速炼铁”是多国学者前期都有研究的概念，直接借鉴了有色金属的“闪速熔炼”技术。两位学者（张仁杰一作，通讯作者张文海是工程院院士）基于前期小规模的实验结果，提出了100万吨的闪速炼铁装置设想，并用工程软件模拟运行，计算了装置的指标。新闻报道的几项指标，是软件推理估算的。
目前这个成果还是一种理论设想。如得到业界认可，有投资进行论证，实验数据符合预期，那么有可能进一步研发。在一些细节问题攻克之后，有可能进入产业应用。我们期待这个成果得到进一步的确认，并最终产业应用。
了解了来龙去脉之后可以判断，这个成果如果要改变全球钢铁行业，还有许多工作要做，目前只是展现了相当的潜力。这个潜力也是许多前期研究追求的目标，并不是特别新。这次不一样的是，新闻界忽然对“闪速炼铁”的概念产生了很大兴趣。
笔者认为有趣的事情是，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”，人们本能地觉得中国会不时创造工业奇迹。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，新闻舆论也愿意进行夸张传播。夸张是可以理解的行业惯例，愿意传播就是好的。
一．高炉炼铁
目前全球90%以上的铁是高炉冶炼的，高炉是主流炼铁技术，“闪速炼铁”也是和高炉炼铁对比。
要注意，高炉炼出来的是生铁，不是钢。不是“高炉炼钢”，也不是“闪速炼钢”。生铁的含碳量在2.11-4.3%之间，高于钢的含碳量0.02-2.1%。从生铁到钢，要用“转炉炼钢”、“电炉炼钢”等工艺降低含碳量。
含碳量低于0.02%的叫做纯铁，延展性好，但强度和硬度低，还容易生锈。钢强度高硬度高，用来做工具更为合适。铁有一个特点，就是铁的磁性较好，钢的磁性差一些。
生活中纯铁应用较少，但也有一些。在电磁铁芯中，铁用来增强磁场，是较为常见的应用。电焊的焊条，也有一定比例的纯铁，让焊接的金属有一定流动性。其它纯铁应用就较为罕见了，连铁锅都不是纯铁的。
钢的应用就很多了，随处可见，建筑行业只要说“钢铁”材料，基本是钢。但“铁合金”是很常见的，铁加入别的金属元素，合金性能就很广阔了。
无论如何，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、钢等多种产品。
铁矿石主要有两种比较多，磁铁矿Fe3O4和赤铁矿Fe2O3，前者容易被氧化后变成后者。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，结构式FeO(OH)·(H2O)n；菱铁矿是FeCO3，碳酸亚铁。由于地壳铁元素极为丰富，即使含量低一些的铁矿，与别的金属相比，储量也是极多的。
从结构式来看，磁铁矿和赤铁矿含铁量高，质量比例超70%。褐铁矿中铁元素占62.9%，菱铁矿只占49%。但这不是铁矿石的含铁量，铁矿石里还有不少杂质。如我国的铁矿是以磁铁矿和赤铁矿为主，但属于贫铁矿，平均铁含量只有34.5%。澳大利亚有些地区的矿石铁含量高于50%。
下面以赤铁矿和磁铁矿为例，说明高炉炼钢的化学过程。
古人最初获得铁，是天上掉下来的陨铁。突破性的进展是把焦炭和铁矿石放一起加热，就炼出了铁。这里的科学原理是氧化还原反应。从铁到磁铁矿、赤铁矿是氧化反应，铁失去电子，化合价从0变成+2、+3。铁矿石跟一氧化碳CO反应是还原反应，氧原子被CO“抢走”，+2、+3价的铁得到电子，被还原成0价的铁，即单质铁。
焦炭在氧气中燃烧时，一般是生成二氧化碳。但如果氧气不足，就会生成有毒的一氧化碳。紧闭门窗烧炉取暖，就可能酿成悲剧，通风不好，无色无味的一氧化碳会让人中毒。笔者一位朋友的岳父，十年前大冷天一个人在家紧闭门窗烧炉子取暖，在床上睡着了，一氧化碳中毒不幸去世。
另外，在高炉中焦炭和二氧化碳也会发生反应，生成一氧化碳，是一个重要过程。
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，要和铁分离，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。
下面解释为什么高炉炼铁比较慢，要五六个小时。
高炉有大有小，但即使是小高炉也有几百立方米容积，巨型高炉容积超过5000立方米，往大里做产量高。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。烧出来铁水从左边排走，炉渣从右边出渣口排走。
这么多东西，要加热到1500度以上的高温发生反应，需要时间。更为关键的是炉料不是一下全反应好，而是从下到上，有顺序地发生。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，这个过程并不快，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，做不了多快。
但是高炉也有显著的优点，就是规模宏大，能连续作业，产量很高。一个大炉子，里面装了几千吨的料在烧，规模很大。它的效率也是比较高的，能源利用率高，东西都在高炉里面封闭地反应。铁都变成铁水出来了，没浪费，焦炭烧光了，提供了反应需要的热量。高炉规模化应用相对容易，反应步骤较为简单，在一个炉子里都反应好了，不需要特别精细，复制推广难度较低。
有些化工厂，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。高炉相比之下要简单多了，只要一个炉，上面加料、下面出铁水。
因为高炉应用简单，在全球铺开来了，用了很多焦炭，碳排放不小。钢铁工业碳排放占整体排放的5-6%，其中高炉炼铁碳排放占约70%。无论如何改进高炉工艺提高效率，由于其基础化学反应需要CO作为还原剂，碳排放少不了多少。
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。如用天然气当还原剂，不用焦炭了，想法很好，但实际效率一般。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，高炉就没啥要求一炉子烧了。有些工艺要求把原料预处理成“高品质烧结块”，麻烦。这些替代性工艺，一般较为复杂，流程长，炼铁需要的时间比高炉还长，而且能源利用率低。普遍特点是有烧结、球团等预处理工艺，麻烦。
高炉，不是那么好取代的。别看傻大黑粗，优点很强大。
二．闪速熔炼
有了上面的高炉炼铁常识，再来学习“闪速炼铁”就有基础了。
首先，要了解用于有色金属的“闪速熔炼”（flash smelting）这个成熟工艺。有色金属就是铁、铬、锰之外的金属，后三者用于钢铁冶炼，铬和锰加铁就是铁合金、不锈钢等多种钢铁产品。
2022年我国前十种有色金属产量为6774.3万吨，而全球约为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,全球占比43.1%，相当于其余前12位之和。可以说，产量较高的有色金属，中国是绝对的生产大户。产量低的也不是不行，往往优势还更大，如近期比较火的镓和锗。
由于我国在全球有色金属生产中有绝对优势，“闪速熔炼”工艺已经处于国际领先地位。但我国也有引进先进工艺的发展阶段，引进了再学习、赶超。
2004年，当时张文海在南昌有色冶金设计研究院工作，他总结了“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，90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。至2004年，国内有2座铜闪速炉，占全部铜产量的40%，1座镍闪速炉，占产量95%。
闪速炉和传统工艺的区别是，它属于“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（铜或镍，还有铁）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。精矿微粒呈极大表面体状态弥散在空间中，气体包裹粒子，这是优越的化学反应条件，反应迅速，2秒就能完成熔炼的过程。这就是“闪速熔炼”的基本原理。
图为闪速炼铜相关的化学方程式。快速反应生成的硫化物、氧化物（注意不是直接在空中烧出铜）掉到下方的沉淀池中汇集，继续反应生成铜、炉渣，“澄清分离”（澄这里念dèng）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。
热风炉从1949年开始有40年历史，小炉子高度仅6-7米，精矿微粒在里面以每秒3米的速度运动，停留时间短，需要吹热风快速反应。直觉也会认为，“大风高温”反应好、节能。贵溪闪速炉热风温度为450度。
但是，为了提高产能，要将炉子做大，送进氧气也要多，就发现热风不合适了。气体加热后膨胀很多，大风看着吹得猛，实际送进来的氧量有限。理论研究发现，用冷风喷嘴送氧，提高富氧浓度，是唯一选择。80年代起，热风改冷风成为重要研究课题。美国亚利桑那州玛格玛铜业公司，1988年尝试了冷风工艺，但有一些技术问题一直没解决，如化学反应不完全、精矿“流态化”给料失控、炉壳受冲击损伤烧穿，这些问题导致作业率低，最终90年代末因铜价大跌关闭工厂。这让全球对冷风工艺产生疑问。
金隆铜业吸取了玛格玛的经验教训，针对性攻关作出了大量改良，如从单通道进风改为4通道进风，改善了精矿粉弥散的效果，减少了对炉衬的冲击。1997年投产后，成为全球首个长期、连续、稳定运行的冷风闪速炉，是成熟工艺了。工艺非常成功，贵溪冶炼厂2000年也停了热风设备，改为冷风。这个进展得到了国际冶金界的赞誉。
2004年时，中国闪速炼铜总体就处于世界先进水平，部分技术国际领先。经过多年发展，中国在有色金属领域的闪速熔炼技术处于国际领先水平，与超过全球一半的生产规模也相符。从经济原理上来说，这也是自然的，生产规模扩大的基础必然是技术进步。技术落后不可能去盲目扩大投资，更不可能扩大至全球一半以上，必然是技术全球领先了才敢这样扩产。
三．闪速炼铁
很自然的想法，就是把有色金属领域的闪速熔炼技术，用来炼铁。这个想法早就有，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，有不少富有启发性的研究结果。论文中“闪速炼铁”英文是“flash iron-making”。
要注意，这并不是很容易的事，要不然早就有人来“闪速炼铁”了。乍一看，用空气氧气吹精铁矿粉，高温反应不就可以了？这就需要了解化学原理了，氧化铁已经是氧化铁了，它和氧气无法进一步反应。它需要的是还原剂，而不是氧化剂。而闪速炼铜可以跟氧气反应，是因为它的矿物是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，这才使得Cu得到电子，从+1价被还原到0价。
Hong Yong Sohn教授团队尝试用氢气当还原剂，——请注意是还原剂，——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。
后续还有几个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。包括张文海团队在内，做了多个方向的尝试，涉及的相关技术问题不少。可以看出，闪速炼铁应该是不太容易，不如闪速炼铜好办。
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。但是经过多年来的不断努力，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。
因此，张文海团队进一步在论文中，对“闪速炼铁”进行了产业化评估。图为设想的炉体结构示意图。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，看了前文其实不难明白了。传统高炉，物料是紧密堆放的，块状、球状的大直径物体，气体还原剂要与整块充分反应，需要数个小时。而图中的闪铁炉有矿砂喷枪，粉状的很细的矿砂被喷入高温的还原塔中，喷得到处都是，弥散程度很好。矿粉和别的枪嘴喷进来的天然气、氢气充分混合，物体直径小、表面积比例大，有极优的“还原动力学条件”。条件这么好，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，表面积与直径的比例提升了多倍，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。
还有许多具体的技术问题，可以看论文。但作为科普文章，闪速炼铁相关的科学原理要点介绍得差不多了。
需要指出，现在科学研究大量使用软件模拟。张文海团队的闪速炉，就可以用Metsim工程软件，计算模拟的运行结果。闪速炉的产铁规模是，如果用3个每小时喷450吨料的最强喷枪，单台闪铁炉年产可达711万吨。对于100万吨年产的闪铁炉模拟运行，结果如下图。
这都是软件模拟出来的结果。新闻中提了“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），就是烧1千克煤产生的能量。
了解了闪速炼铁相关的知识之后，我们对于这个技术应该有了更深了解，对于新闻中的一些发挥，也能有判断了。一些惊人的指标，如炼铁速度快了3600倍，这是从Hong Yong Sohn教授团队一开始的探索性实验就有的优点。而碳排放少，也是工艺天生的特性，用H2替代了CO。
由于铁与铜等有色金属的化学特性不同，闪速炼铁相对于闪速炼铜应用上有相当的劣势，需要用氢气、天然气作为还原剂，而炼铜用氧气就行。
铜Cu和铁Fe的关键区别是，Cu的矿物是Cu2S，它跟氧气可以反应，结果是生成SO2和Cu，即氧气把S氧化了，与此同时Cu被还原了。而Fe的矿物本来就是Fe的氧化物，它无法跟氧气反应。这就是为什么，氧化铁要用氢气、天然气来反应，因为氧化行不通，只能用还原剂来把氧化铁中的Fe还原出来。
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。另外，闪速法炼出来的铁，从原理上就几乎不含碳。要应用需要增加碳含量，和高炉炼出生铁后续减少碳含量正相反，这些工艺也是需要去开发的。
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。张文海团队提出了产业应用的设想，并用工业模拟软件跑出了指标，这是大学、冶金研究所等科研机构常用的办法。大规模实验需要的投资明显大得多，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。
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，因此一些产业设想能够得到新闻舆论的关注，这是非常好的事情。
