生产率提升3600倍！闪速炼铁新突破，或告别对澳依赖
生产率提升3600倍！闪速炼铁新突破，或告别对澳依赖
钢铁是世界上最重要的工业、工程和建筑材料，在我们的生活中无处不在，但钢铁也是世界上污染最严重的行业之一。2020年，全球生产了约18.64亿吨钢，由于炼钢所用的能源大约75%来自煤炭，因此生产每吨钢时向大气中排放约1.9吨二氧化碳，钢铁行业碳排放量占全球排放总量的 7% 以上。
今年11月，中国工程院院士张文海教授领导的研究团队在期刊《有色金属》上发表了革命性的闪速炼铁新工艺，该方法可以在短短三到六秒内完成炼铁过程，而传统高炉则需要五到六个小时。这意味着与传统方法相比，这种新方法的生产效率提高了3600倍。据《南华早报》报道，研究人员表示，新方法对低品味或中品味矿石也表现出色，而中国这类矿石储量丰富。
图说：中国炼铁“爆炸性”突破，生产效率提升3600倍
来源：南华早报
炼铁技术大突破，整个过程仅需三到六秒
闪速冶炼是有色行业中的一种成熟高效的冶炼工艺，该工艺无烧结、球团、焦化等高污染的原料预处理工序，具有适用性强、低能耗、低投资、规模化、可实现零碳排放等显著优点。
虽然将这一工艺应用于炼铁的概念源自美国，但张文海教授的团队开发了一种能够直接生产铁水的闪速熔炼技术。他们于2013 年获得了专利，并在接下来的十年里不断完善这一方法。
图说：闪速炼铁技术研究金针
来源：有色金属
张文海研究团队立足“钢铁－有色－氢还原”的多学科交叉，此次提出的闪速炼铁新工艺，直接利用铁矿砂，将其干燥后通过炉顶的喷嘴喷入闪速炉还原塔内，使其呈极大比表面积状态弥散于高温高还原度的塔内空间，形成“爆炸式”的化学动力学条件，大约只须3-6秒即可完成传统高炉5-6小时的炼铁过程。
这种氢基闪速炼铁工艺的动力学基本原理与其他所有间接还原炼铁工艺相同，均符合气－固动力学模型。不过，其他炼铁工艺中，物料为密实布料（小的比表面积）的大直径球团或块矿，采用气体还原剂间接还原时，还原时间一般为数小时。
氢基闪铁工艺则采用矿砂喷嘴，将粉状铁矿砂（小粒度）直接喷入（好的弥散程度）高温强还原氛围的闪铁炉内，进而形成极优的还原动力学条件（更小的物料直径、更大的比表面积），可于数秒内实现常规炼铁工艺需数小时才能完成的还原过程。
闪速炼铁的一大技术难题是喷矿枪，它必须将铁矿石有效地分散在高温、高还原性、大比表面积的塔内空间，以引发必要的化学反应。张教授的团队开发了一种涡流喷枪，每小时可喷射 450 吨铁矿石颗粒，配备三台这种喷枪的反应堆每年可生产 711 万吨铁。
该论文里提及，这种“高均布性能的旋涡矿砂喷枪” 已出口国内外并实现产业化应用。
图说：中试试验炉、产物形貌及成分
来源：有色金属
同时，闪速炼铁技术的目标是在闪铁炉内实现一步炼钢，产出合格钢水，同时产出含氧化亚铁低的所谓“白渣”，并实现高温烟气余热回收及氢气返回利用。原则工艺流程为配料—蒸汽干燥—闪铁熔炼—余热回收—除尘、脱碳及净化系统。
对100万吨钢规模经济技术指标模拟结果显示，闪速炼铁技术综合能耗指标优于现有高炉炼铁（闪铁吨钢351kgce＜高炉吨铁553kgce），且能取消使用焦炭等，实现近零碳排放。
图说：原则工艺流程
来源：有色金属
或将摆脱对澳依赖，改变全球钢铁行业格局
中国目前已成为全球最大的钢铁生产国，其钢铁产能已远超全球所有其他国家的总和，在高铁、造船和汽车制造等关键行业中处于不可撼动的地位。
铁矿石则是钢铁生产的关键原料。现有的炼铁技术在很大程度上依赖于高品味铁矿石，中国每年都在花费巨资从澳大利亚、巴西和非洲进口这些矿石。
而闪速炼钢技术的革命性创新将具备高效处理低品位复杂矿的能力，对中国储量丰富的低品质或中品质矿石非常有效。这一重大突破或将改变全球钢铁产业格局，中国广泛应用这一革命性的炼铁方法的话，将不必再一定要从澳洲，巴西及非洲进口高品位矿石来制钢。
因此，澳媒惊呼：新技术将毁了澳大利亚。
图说：新技术将毁了澳大利亚
来源：news.com.au
澳媒指出，长期以来，澳大利亚凭借丰富的高品位铁矿石出口，在中国钢铁产业蓬勃发展过程中赚得盆满钵满。过去四十年来，澳大利亚经济的成功很大程度上得益于中国对铁矿石的巨大需求。
据澳媒统计，仅2022 年，澳大利亚便向中国出口了 7.36 亿吨铁矿石，占铁矿石出口总量的 80% 以上。而在2023年，仅铁矿石出口就为澳大利亚经济注入了 1360 亿美元。
对澳大利亚而言，“闪速炼铁”技术的出现，可能会显著降低中国对澳大利亚铁矿石的依赖，这无疑是个严峻挑战。其高品位铁矿石的优势将被削弱，经济支柱之一的铁矿石出口面临巨大压力。
图说：澳大利亚等待出口的铁矿石
来源：Shutterstock
降低对外部铁矿石供应的依赖可增强中国经济的自主性与稳定性，分散因国际市场波动和地缘政治因素带来的潜在风险，为经济的可持续发展提供支撑。有助于中国进一步巩固在钢铁领域的统治地位的同时，这项技术也将为碳减排目标做出贡献。
张文海研究团队表示，新技术可以将中国钢铁行业的能源使用效率提高三分之一以上。此外，通过完全消除对煤炭的需求，它将帮助钢铁行业实现二氧化碳排放接近零的目标。
“实验室和中试已经证实了这一工艺的可行性，”张教授指出。政府统计数据显示，在中国，经过中试的新技术成功率超过 80%。
写在最后
上世纪70年代，张文海教授已曾成功将类似的闪速冶炼技术应用于铜的生产，当时彻底革新了生产方式。他主持金隆铜业“冷风”闪速炼铜技术攻关 ，结束了世界"热风闪速冶金"的历史，实现了闪速炼铜设备国产化并成套输出 。
图说：中国工程院院士张文海
来源：江西理工大学
本文原文来自环球零碳