国产精品人成视频免,狠狠婷婷,一级透明内内特黄A片

陳經：最近爆火的“閃速煉鐵”技術，到底是什么？

點擊：作者：陳經來源：鉛筆經濟學微信號發布時間:2024-12-22 14:02:53

近日，國內外輿論關注到了中國的“閃速煉鐵”技術。許多人說，這是“徹底改變全球鋼鐵行業”的大事。

按新聞介紹，傳統高爐煉鐵過程要5-6小時，“閃速煉鐵”只要3-6秒就能完成，快了3600倍以上。而且方法不依賴進口的高品位鐵礦石，本土中低品位的鐵礦石也行。還有很多優點，過程中不使用碳，鐵水中沒有碳。不使用煤和焦炭，原本會引入的磷和硫大幅減少。這樣，就是零碳排放的煉鐵工藝。而且，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。

從這些描述上看，“閃速煉鐵”技術如果能夠大規模應用，將會是效益極為驚人的技術進步。一些外網輿論對此也很有興趣，但還不是太正式，如有人開玩笑說，澳大利亞要被這個技術毀滅了。

實際情況是什么樣？本文將介紹基礎的鋼鐵冶煉工業技術，然后在這個體系內，向讀者解釋“閃速煉鐵”到底如何，目前到了什么階段。

基本結論是，“閃速煉鐵”是多國學者前期都有研究的概念，直接借鑒了有色金屬的“閃速熔煉”技術。兩位學者（張仁杰一作，通訊作者張文海是工程院院士）基于前期小規模的實驗結果，提出了100萬噸的閃速煉鐵裝置設想，并用工程軟件模擬運行，計算了裝置的指標。新聞報道的幾項指標，是軟件推理估算的。

目前這個成果還是一種理論設想。如得到業界認可，有投資進行論證，實驗數據符合預期，那么有可能進一步研發。在一些細節問題攻克之后，有可能進入產業應用。我們期待這個成果得到進一步的確認，并最終產業應用。

了解了來龍去脈之后可以判斷，這個成果如果要改變全球鋼鐵行業，還有許多工作要做，目前只是展現了相當的潛力。這個潛力也是許多前期研究追求的目標，并不是特別新。這次不一樣的是，新聞界忽然對“閃速煉鐵”的概念產生了很大興趣。

筆者認為有趣的事情是，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”，人們本能地覺得中國會不時創造工業奇跡。這個光環，讓外界對于有想象力的中國科研成果愿意高看一眼，新聞輿論也愿意進行夸張傳播。夸張是可以理解的行業慣例，愿意傳播就是好的。

一．高爐煉鐵

目前全球90%以上的鐵是高爐冶煉的，高爐是主流煉鐵技術，“閃速煉鐵”也是和高爐煉鐵對比。

要注意，高爐煉出來的是生鐵，不是鋼。不是“高爐煉鋼”，也不是“閃速煉鋼”。生鐵的含碳量在2.11-4.3%之間，高于鋼的含碳量0.02-2.1%。從生鐵到鋼，要用“轉爐煉鋼”、“電爐煉鋼”等工藝降低含碳量。

含碳量低于0.02%的叫做純鐵，延展性好，但強度和硬度低，還容易生銹。鋼強度高硬度高，用來做工具更為合適。鐵有一個特點，就是鐵的磁性較好，鋼的磁性差一些。

生活中純鐵應用較少，但也有一些。在電磁鐵芯中，鐵用來增強磁場，是較為常見的應用。電焊的焊條，也有一定比例的純鐵，讓焊接的金屬有一定流動性。其它純鐵應用就較為罕見了，連鐵鍋都不是純鐵的。

鋼的應用就很多了，隨處可見，建筑行業只要說“鋼鐵”材料，基本是鋼。但“鐵合金”是很常見的，鐵加入別的金屬元素，合金性能就很廣闊了。

無論如何，鋼鐵工業需要先把鐵元素從鐵礦石中“煉”出來，后面再加工成純鐵、鐵合金、鋼等多種產品。

鐵礦石主要有兩種比較多，磁鐵礦Fe₃O₄和赤鐵礦Fe₂O₃，前者容易被氧化后變成后者。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，結構式FeO(OH)·(H₂O)_n；菱鐵礦是FeCO₃，碳酸亞鐵。由于地殼鐵元素極為豐富，即使含量低一些的鐵礦，與別的金屬相比，儲量也是極多的。

從結構式來看，磁鐵礦和赤鐵礦含鐵量高，質量比例超70%。褐鐵礦中鐵元素占62.9%，菱鐵礦只占49%。但這不是鐵礦石的含鐵量，鐵礦石里還有不少雜質。如我國的鐵礦是以磁鐵礦和赤鐵礦為主，但屬于貧鐵礦，平均鐵含量只有34.5%。澳大利亞有些地區的礦石鐵含量高于50%。

下面以赤鐵礦和磁鐵礦為例，說明高爐煉鋼的化學過程。

古人最初獲得鐵，是天上掉下來的隕鐵。突破性的進展是把焦炭和鐵礦石放一起加熱，就煉出了鐵。這里的科學原理是氧化還原反應。從鐵到磁鐵礦、赤鐵礦是氧化反應，鐵失去電子，化合價從0變成+2、+3。鐵礦石跟一氧化碳CO反應是還原反應，氧原子被CO“搶走”，+2、+3價的鐵得到電子，被還原成0價的鐵，即單質鐵。

焦炭在氧氣中燃燒時，一般是生成二氧化碳。但如果氧氣不足，就會生成有毒的一氧化碳。緊閉門窗燒爐取暖，就可能釀成悲劇，通風不好，無色無味的一氧化碳會讓人中毒。筆者一位朋友的岳父，十年前大冷天一個人在家緊閉門窗燒爐子取暖，在床上睡著了，一氧化碳中毒不幸去世。

另外，在高爐中焦炭和二氧化碳也會發生反應，生成一氧化碳，是一個重要過程。

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

下面解釋為什么高爐煉鐵比較慢，要五六個小時。

高爐有大有小，但即使是小高爐也有幾百立方米容積，巨型高爐容積超過5000立方米，往大里做產量高。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。燒出來鐵水從左邊排走，爐渣從右邊出渣口排走。

這么多東西，要加熱到1500度以上的高溫發生反應，需要時間。更為關鍵的是爐料不是一下全反應好，而是從下到上，有順序地發生。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，這個過程并不快，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，做不了多快。

但是高爐也有顯著的優點，就是規模宏大，能連續作業，產量很高。一個大爐子，里面裝了幾千噸的料在燒，規模很大。它的效率也是比較高的，能源利用率高，東西都在高爐里面封閉地反應。鐵都變成鐵水出來了，沒浪費，焦炭燒光了，提供了反應需要的熱量。高爐規模化應用相對容易，反應步驟較為簡單，在一個爐子里都反應好了，不需要特別精細，復制推廣難度較低。

有些化工廠，反應釜引出很多管子，氣體液體不停流動，多步反應，流程很復雜。高爐相比之下要簡單多了，只要一個爐，上面加料、下面出鐵水。

因為高爐應用簡單，在全球鋪開來了，用了很多焦炭，碳排放不小。鋼鐵工業碳排放占整體排放的5-6%，其中高爐煉鐵碳排放占約70%。無論如何改進高爐工藝提高效率，由于其基礎化學反應需要CO作為還原劑，碳排放少不了多少。

一種改進是搞“無焦煉鐵”，也就是“非高爐煉鐵”技術。目前也有一些應用，但占比不高，各有缺點。如用天然氣當還原劑，不用焦炭了，想法很好，但實際效率一般。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，高爐就沒啥要求一爐子燒了。有些工藝要求把原料預處理成“高品質燒結塊”，麻煩。這些替代性工藝，一般較為復雜，流程長，煉鐵需要的時間比高爐還長，而且能源利用率低。普遍特點是有燒結、球團等預處理工藝，麻煩。

高爐，不是那么好取代的。別看傻大黑粗，優點很強大。

二．閃速熔煉

有了上面的高爐煉鐵常識，再來學習“閃速煉鐵”就有基礎了。

首先，要了解用于有色金屬的“閃速熔煉”（flash smelting）這個成熟工藝。有色金屬就是鐵、鉻、錳之外的金屬，后三者用于鋼鐵冶煉，鉻和錳加鐵就是鐵合金、不銹鋼等多種鋼鐵產品。

2022年我國前十種有色金屬產量為6774.3萬噸，而全球約為1.2億噸，中國占比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，占全球1.39億噸的59%；2022年中國精銅產量1106.2萬噸,全球占比43.1%，相當于其余前12位之和。可以說，產量較高的有色金屬，中國是絕對的生產大戶。產量低的也不是不行，往往優勢還更大，如近期比較火的鎵和鍺。

有色金屬相關知識，可參考我的科普文章：《管制鎵、鍺出口，不要一談就是“反制”，格局要打開 | 陳經》

由于我國在全球有色金屬生產中有絕對優勢，“閃速熔煉”工藝已經處于國際領先地位。但我國也有引進先進工藝的發展階段，引進了再學習、趕超。

2004年，當時張文海在南昌有色冶金設計研究院工作，他總結了“閃速熔煉”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，用于閃速煉銅，減少煉銅的嚴重污染。但并未推廣，因為工藝復雜、專用設備多，不易國產化，推廣就要重復引進，90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，終于建成國內第一座自主研發、設備國產化的閃速煉銅廠（金隆銅業），達到世界先進水平。至2004年，國內有2座銅閃速爐，占全部銅產量的40%，1座鎳閃速爐，占產量95%。

閃速爐和傳統工藝的區別是，它屬于“空間熔煉”，反應物在空中反應。而傳統工藝是“熔池熔煉”，反應物扎堆組成“熔體”，在空間底部池子里反應。如圖，硫化物（銅或鎳，還有鐵）粉精礦微粒，經過深度脫水（含水少于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度以上高溫的反應塔。精礦微粒呈極大表面體狀態彌散在空間中，氣體包裹粒子，這是優越的化學反應條件，反應迅速，2秒就能完成熔煉的過程。這就是“閃速熔煉”的基本原理。

圖為閃速煉銅相關的化學方程式。快速反應生成的硫化物、氧化物（注意不是直接在空中燒出銅）掉到下方的沉淀池中匯集，繼續反應生成銅、爐渣，“澄清分離”（澄這里念dèng）后分別處理。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“閃速熔煉”取得國際領先地位的關鍵。

熱風爐從1949年開始有40年歷史，小爐子高度僅6-7米，精礦微粒在里面以每秒3米的速度運動，停留時間短，需要吹熱風快速反應。直覺也會認為，“大風高溫”反應好、節能。貴溪閃速爐熱風溫度為450度。

但是，為了提高產能，要將爐子做大，送進氧氣也要多，就發現熱風不合適了。氣體加熱后膨脹很多，大風看著吹得猛，實際送進來的氧量有限。理論研究發現，用冷風噴嘴送氧，提高富氧濃度，是唯一選擇。80年代起，熱風改冷風成為重要研究課題。美國亞利桑那州瑪格瑪銅業公司，1988年嘗試了冷風工藝，但有一些技術問題一直沒解決，如化學反應不完全、精礦“流態化”給料失控、爐殼受沖擊損傷燒穿，這些問題導致作業率低，最終90年代末因銅價大跌關閉工廠。這讓全球對冷風工藝產生疑問。

金隆銅業吸取了瑪格瑪的經驗教訓，針對性攻關作出了大量改良，如從單通道進風改為4通道進風，改善了精礦粉彌散的效果，減少了對爐襯的沖擊。1997年投產后，成為全球首個長期、連續、穩定運行的冷風閃速爐，是成熟工藝了。工藝非常成功，貴溪冶煉廠2000年也停了熱風設備，改為冷風。這個進展得到了國際冶金界的贊譽。

2004年時，中國閃速煉銅總體就處于世界先進水平，部分技術國際領先。經過多年發展，中國在有色金屬領域的閃速熔煉技術處于國際領先水平，與超過全球一半的生產規模也相符。從經濟原理上來說，這也是自然的，生產規模擴大的基礎必然是技術進步。技術落后不可能去盲目擴大投資，更不可能擴大至全球一半以上，必然是技術全球領先了才敢這樣擴產。

三．閃速煉鐵

很自然的想法，就是把有色金屬領域的閃速熔煉技術，用來煉鐵。這個想法早就有，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，有不少富有啟發性的研究結果。論文中“閃速煉鐵”英文是“flash iron-making”。

要注意，這并不是很容易的事，要不然早就有人來“閃速煉鐵”了。乍一看，用空氣氧氣吹精鐵礦粉，高溫反應不就可以了？這就需要了解化學原理了，氧化鐵已經是氧化鐵了，它和氧氣無法進一步反應。它需要的是還原劑，而不是氧化劑。而閃速煉銅可以跟氧氣反應，是因為它的礦物是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，這才使得Cu得到電子，從+1價被還原到0價。

Hong Yong Sohn教授團隊嘗試用氫氣當還原劑，——請注意是還原劑，——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。

后續還有幾個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。包括張文海團隊在內，做了多個方向的嘗試，涉及的相關技術問題不少。可以看出，閃速煉鐵應該是不太容易，不如閃速煉銅好辦。

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。但是經過多年來的不斷努力，國內外學者共同探索清楚了不少問題，初步證明了“閃速煉鐵”工藝的可行性。

因此，張文海團隊進一步在論文中，對“閃速煉鐵”進行了產業化評估。圖為設想的爐體結構示意圖。

新聞中介紹的，5 - 6小時的煉鐵過程縮短為3 - 6秒“閃速”的秘訣，看了前文其實不難明白了。傳統高爐，物料是緊密堆放的，塊狀、球狀的大直徑物體，氣體還原劑要與整塊充分反應，需要數個小時。而圖中的閃鐵爐有礦砂噴槍，粉狀的很細的礦砂被噴入高溫的還原塔中，噴得到處都是，彌散程度很好。礦粉和別的槍嘴噴進來的天然氣、氫氣充分混合，物體直徑小、表面積比例大，有極優的“還原動力學條件”。條件這么好，幾秒就反應好了。關鍵在于，把團塊狀的物體變成彌散的粉塵，表面積與直徑的比例提升了多倍，而且多處都發生爆炸一樣的并行反應，總的反應速度就能快數千倍。

還有許多具體的技術問題，可以看論文。但作為科普文章，閃速煉鐵相關的科學原理要點介紹得差不多了。

需要指出，現在科學研究大量使用軟件模擬。張文海團隊的閃速爐，就可以用Metsim工程軟件，計算模擬的運行結果。閃速爐的產鐵規模是，如果用3個每小時噴450噸料的最強噴槍，單臺閃鐵爐年產可達711萬噸。對于100萬噸年產的閃鐵爐模擬運行，結果如下圖。