康俊刚
2025年3月13日，美国波士顿金属公司（Boston Metal）的实验室里，1吨熔融金属(铁水）从反应器中缓缓流出。这个看似普通的生产场景，却吸引了全球钢铁行业的关注，这标志着美国首次在不产生任何二氧化碳的情况下炼出了铁。
采用铁矿石生产铁的技术可以分为两大类：一类是传统的火法冶金工艺，采用还原剂（例如氢或碳）还原生产铁水；另一类是采用电化学反应，当电力供应充足且便宜，尤其是绿色电力成本低且充足时，使用电力电解的方式生产铁。根据电化学反应温度、还原铁的形态等，可将电解炼铁分为熔融电化学电解和溶液电化学沉积两类，其中溶液电沉积又可分为酸性溶液沉积和碱性溶液沉积。就目前而言，铁矿石电解技术已在实验室条件下获得成功，其成品是金属铁和共生产品氧。目前，全球正在积极开发电解炼铁技术的知名企业有两家，一家是安赛乐米塔尔（其主导的电解炼铁Siderwin项目，采用的是低温溶液电解工艺生产铁），另一家就是美国波士顿金属公司（熔融铁矿石电解炼铁工艺技术研究）。
熔融铁矿石电解炼铁是麻省理工学院（MIT）专攻材料化学、熔盐物理化学和电化学的材料研究人员唐纳德·萨多威（Donald Sadoway）和安托万·阿兰诺（Antoine Allanore）在2005年前后着手研发的。最初他们研究的是从废弃物中提取金属的工艺，后来研发范围拓展至采用铁矿石制取氧气和铁。该工艺项目研究获美国能源部（DOE）和美国国家航空航天局（NASA）资助。2013年，依托熔融铁矿石电解炼铁技术，科技创新公司——美国波士顿金属公司应运而生（目前员工有300余人）。2022年10月21日，该公司在巴西成立生产贵金属的电解还原分公司；2024年3月份，巴西的分公司熔融铁矿石电解炼铁设备在米纳斯吉纳斯建成，可以使用采矿废料生产贵金属。
围绕该项目研究的融资，波斯顿金属公司也经历了一番波折。该公司从2018年底发起融资，于2019年1月份完成A轮融资，获得了2000万美元；2021年1月4日完成B轮融资，获得了5000万美元；2023年9月份完成C轮融资，获得了2.62亿美元；2024年1月份完成C2融资，获得了2.82亿美元。经过4轮融资，该公司总计获得6.14亿美元的资金，投资的企业包括阿美风险投资公司、微软（气候创新基金）、必和必拓、淡水河谷、安赛乐米塔尔等。
熔融铁矿石电解炼铁技术可用于生产铝、镁、锂、钠和稀土等金属，原料为铁精矿或纯氧化物，铁离子在阴极被还原成铁。在采用熔融铁矿石电解炼铁技术生产铁时，惰性金属阳极浸入铁矿石混合物中，引入直流电使铁矿石熔化加热到约1600摄氏度。与此同时，混合物里的其他氧化物必须保持稳定，电解槽通电电解后生成的液态金属铁聚集在电解槽的底部。电解产生的铁水从电解槽底部出铁口流出，出铁结束后关闭出铁口，继续电解。电解生产的清洁、高纯度的铁水，可以直接送入钢包进行精炼，实验室规模的产能为1吨/月~2吨/月。熔融铁矿石电解炼铁技术的关键设备之一即惰性阳极反应器。反应器正常运行条件下，惰性阳极不参与反应，如果电流分布和电解质化学等条件之间不匹配，阳极会参与反应、迅速消耗。
波士顿金属公司的熔融铁矿石电解炼铁技术适用于所有品位的铁矿石，生产过程不需要工业水、危险化学品或稀有金属催化剂，为制造“绿色钢铁”提供了最直接、可拓展的解决方案。2025年3月12日，波士顿金属公司发布消息称，其在马萨诸塞州沃伯恩工厂已经完成了多惰性阳极熔融氧化物电解工业试制，惰性阳极的性能得到验证。2023年12月份，波士顿金属公司在西弗吉尼亚州威尔顿开工建设熔融铁矿石电解炼铁工业化示范工厂，规模达到10万吨/年，计划于2026年建成、2027年投产。可以说，此次实验室规模验证成功，为该技术的大规模商业化生产奠定了基础。
熔融铁矿石电解炼铁技术优势，即低碳排放、低成本、模块化。熔融铁矿石电解炼铁技术可以将低品位和中品位的铁矿粉直接电解为高纯度铁水。因此，该工艺受铁矿石原料价格影响较小，熔融铁矿石电解炼铁技术不需要常规流程的焦化、铁矿石加工（球团或烧结）、高炉等工艺。传统的钢铁生产方式，即高炉和碱性氧气炉（BF-BOF），主要依靠煤炭作为燃料，目前大部分企业选择通过使用碳捕获与封存（CCS）、天然气直接还原铁（NG-DRI）和氢直接还原铁等技术实现碳减排；而熔融电解铁矿石炼铁技术则纯粹依靠电力实现“绿色炼铁”，可以成为依赖化石能源生产铁水的替代方案。
实际上，我国的科技工作者也在研究近零碳炼铁的方法，同样对电解炼铁展开了一定研究。2010年，东北大学教授邹宗树等就对熔融铁矿石电解制取金属铁申请了国家专利——以电解槽为主要设备，使用惰性阳极材料，在一定的槽电压和1580摄氏度~1620摄氏度的高温下，直接电解掺有电解质的铁矿石熔盐制取金属铁。北京科技大学教授焦树强团队对熔融氧化物电解炼铁技术以及固废处理进行了一定研究，研发了近零碳排放无废熔融铁矿石电解炼铁技术。电解技术过程不产生二氧化碳，理论上属于净零排放的技术，但前提是电解所需的电在生产过程中不产生排放，并且电极消耗也不会产生碳排放。
有专家认为，电解炼铁工艺得到广泛应用的首要前提条件是充足且实惠的低碳电力。就目前而言，核能、可再生能源发电不断发展，将为熔融电解铁矿石炼铁技术广泛应用奠定基础。
熔融铁矿石电解炼铁技术中的电解工艺图例。 （图片来源于波士顿金属公司官网）
《中国冶金报》（2025年03月28日 02版二版）
