中国的“闪速炼铁”技术可能改变世界钢铁行业。最近，张文海院士团队公布的“闪速炼铁”技术在国内外引起了高度关注，该技术将炼铁反应时间从6个小时缩短到3～6秒，还能处理国产低品位铁矿，这将有效改变我国对国外高品质铁矿的依赖。
01
冶铁发展史
1.青铜时代
公元前4500年古人就会炼铜，在地上挖个坑，在木炭上铺上铜矿加热，只要温度超过1084℃就能在这种原始的碗式炉底找到铜颗粒。到了公元前2000—1500年，在铜中添加锡的青铜出现。新铸青铜是金黄色，氧化后才是青铜文物的颜色。史料典籍中称青铜为“金”，精纯而美好的青铜更是被称为“吉金”。
出土青铜器原色金黄
2.块铁法
让铁融化需要达到1540℃，但只要没有风箱供氧，各种炉子本身的优化最多只能达到1150℃，更多地区的古代炉温只能达到800-1000℃，用这样的炉子冶铁只能获得海绵状的铁团，这种技术被称为“块铁法”。
这种海绵状铁的杂质多、碳含量低、质地柔软，需要通过反复加热和锻打来去除其中的杂质和气泡。在锻打过程中，铁块与炭火接触，碳会渗入铁中，改变铁表面的碳含量，这样制成的“百炼钢”兵器，表面是坚硬的钢，内芯是柔韧的熟铁。不过这样炼出的铁产量低，费工多，劳动强度大，只能少量生产。
3.生铁冶炼
中国利用烧制瓷器的经验相继解锁了鼓风机、耐火砖（烧制温度1300℃以上）和高炉（炉心温度超过1600℃）三项前置科技，率先让炉温突破了1500℃，这才用焦炭把铁矿炼成铁水，在铁水中撒入生石灰捞出里面的杂质，就能获得纯净的铁水用于铸造。
这些技术创新让春秋时还极为珍贵的铁器，到了战国就能用于农具了。而世界其他地区由于缺乏高温技术，长期处于块炼铁阶段。
但也正因为鼓风机供氧充分，导致铁矿的脱碳反应速度不及氧化速度，产出碳含量高于2%的生铁。铸造生铁碳含量高、脆硬、内部有气泡，因此机械性能不佳。
鼓风冶铁
4.炒钢法
西汉时期发明的炒钢工艺解决了生铁太脆、熟铁机械强度不足的问题。
炒钢法是通过鼓风，用炭将生铁加热至1200℃，在半熔化状态下，撒入适量铁矿粉，像炒菜一样不断搅拌铁水，增加碳与空气中氧气的接触，使铁水中的硅、锰、碳充分氧化，让铁中的碳含量降至2%到0.05%之间时，就获得了钢。如果继续拌炒，持续降低碳含量，就可以将其炼成熟铁。
炒钢技术是人类炼钢史上的一次重大革命，也帮助汉军在对匈奴的作战中取得重大优势，而英国直到十八世纪才出现炒钢法。
《天工开物》中生铁冶炼联合炒钢工艺
5.灌钢法
钢的碳含量在生铁和熟铁之间，那么把两种铁合炼就能变成钢，这1就是灌钢法（也称团钢法或生熟法）的原理。由于将液态生铁作为渗碳剂，碳的流动性增强，相比于百炼钢（炭火作为渗碳剂）这大大节省了人力物力。
《天工开物》中记载有生铁陷入法、生铁覆盖法和生铁浇淋法三种灌钢法。生铁陷入法就是将生铁块嵌入到熟铁中，然后进行加热和锻打，使生铁和熟铁相互融合，控制两者比例还能调整钢材碳含量，制造出不同硬度和韧性的钢材。
02
1.高炉炼铁
铁矿石包括磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（2Fe2O3．3H2O）、菱铁矿（FeCO3）等品种。各类铁矿石要经过粉碎、选矿、洗矿等工序处理，变成铁精矿或粉矿。将精矿配上焦炭、熔剂烧结，再放在100米高的高炉中，吹入1200℃的热风。
利用焦炭燃烧释放热量，6个小时后炉内温度能超过1500℃，将铁矿熔化成铁水，不完全燃烧产生的CO作为还原剂将氧从铁水（氧化铁）中还原出来。熔剂包括石灰石CaCO3、萤石CaF2，其作用是与铁矿石中的脉石（杂质）结合形成低熔点、密度小、流动性好的熔渣。铁水即生铁液，会送入转炉炼钢。
高炉炼铁
2.炼钢
炼钢就是用燃烧的方法去掉铁水中过量的碳、硫、硅、锰和磷等杂质并加入适量的合金成分。
炼钢炉有三种：转炉、平炉和电弧炉。平炉由于能耗高、生产周期长，现己被淘汰。电弧炉用来将废钢熔化再炼。转炉的炉体可以转动，把铁水注入转炉并吹入氧气，氧气与铁水中的碳发生反应后，铁水中的碳含量就会减少而变成钢了。这种氧化反应本身就会发热，还需要加入一些废钢及少量的冷生铁块来控制升温。同时也要加入一些石灰、石英、萤石等造渣料，去除铁水中的杂质。
03
目前90%以上的铁由高炉冶炼工艺生产，因此产生碳排放占全球碳排放总量的3%～4%。闪速炼铁就是一种可行性很高的“近零碳排放”冶炼技术。
“闪速冶炼”早就在铜、镍等有色金属的冶炼中使用，精铜矿粉也只需2到3秒就能完成氧化和还原过程变成单质铜，这次是将已有的技术拓展到了钢铁冶炼中。而且，当前广泛使用的“冷风闪速冶金”技术正是张文海院士改进出来的，这项技术取代了曾经的主流技术“热风闪速冶金”，并获得全国科学大会奖。
氢基闪铁炉内流场示意图
先将铁矿砂在反应尾气中进行干燥和预还原，然后通过特制炉顶喷嘴喷入闪速炉的还原塔，矿粉在高温下与氢气（也可用天然气和氢气）充分混合，在下落过程中发生爆炸反应，只需3到6秒反应时间，就能完成高炉5到6小时的炼铁过程，产物落到下方熔池中进行铁渣分离，还能根据需要喷入氧气来直接一步炼钢。由于反应过程并没有使用焦炭，可以实现近零碳排放。
该技术已经通过中试，闪速冶炼的主要技术障碍之一是矿石喷枪，它必须将铁矿石有效地分散在高温、高还原性、比表面积大的空间，以启动必要的化学反应。张院士团队耗时十年开发出一种“已经投入商业生产”的涡流喷枪，每小时可喷射450吨铁矿石颗粒。一个配备了三个这种喷枪的单台闪铁炉每年可生产 711 万吨铁。根据测算每吨钢耗能351公斤标准煤，显著优于现有高炉炼铁吨钢553公斤标准煤，节能三成以上。
取消球团烧结、球化、焦化等原料预处理工段，且无需原有的焦炭原料，在大幅节约成本的前提下实现近零碳排放。根据测算即使采用绿氢，其成本仍然低于高炉炼铁。
除了节能降本外，闪铁技术还能高效处理国产低品位复杂矿（含铁量30%以下），这能有效摆脱我国高度依赖国外高品位铁矿石（含铁量62%以上）的局面，对保护国家安全意义重大。
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