1 前言

在鋼鐵工業(yè)，大部分二氧化碳排放是在煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的，而煉鐵過(guò)程仍以使用煤作為主要能源載體的綜合高爐路線(xiàn)為主。在鋼鐵生產(chǎn)中，回收利用鋼鐵和提高廢鋼比是減少二氧化碳排放的首要也是最有效的措施。但為了滿(mǎn)足未來(lái)的數(shù)量需求，仍將在很大程度上需要使用以鐵礦石為基礎(chǔ)的煉鋼。因此，直接還原（目前主要使用天然氣，未來(lái)將使用氫氣）將變得越來(lái)越重要。

圖1展示了目前仍占主導(dǎo)地位的典型綜合（BF-BOF）煉鋼路線(xiàn)與未來(lái)使用氫基直接還原（H2-DR）后采用兩步法（Smelter-BOF）的綠色鋼鐵生產(chǎn)路線(xiàn)的比較。比較表明，向綠色鋼鐵生產(chǎn)的過(guò)渡需要徹底改變能源消耗；雖然綜合路線(xiàn)使用了大量的碳載體（通常每噸鐵水需要400-700kg的碳載體），但綠色路線(xiàn)需要大量的電能。其中最大的一部分電能用于制氫。根據(jù)電解技術(shù)和直接還原工藝（例如，有或無(wú)電加熱）的不同，每噸直接還原鐵（DRI）需要3800-4400kWh的電能。因此，這種綠色生產(chǎn)路線(xiàn)的總二氧化碳排放量在很大程度上取決于電網(wǎng)的碳排放強(qiáng)度（gCO2/kWh）。

雖然目前主要采用球團(tuán)礦豎爐工藝進(jìn)行直接還原，隨后在電弧爐中熔煉，但未來(lái)直接還原將會(huì)有更多選擇，例如使用燒結(jié)礦的流化床（HYREX）或使用超細(xì)粉礦的流化床（HYFOR）。對(duì)于脈石含量較低的高品位鐵礦石，熔煉時(shí)產(chǎn)生的渣量較少，因此電弧爐（EAF）是熔煉的理想設(shè)備。對(duì)于脈石含量高的低品位鐵礦石，則需要采用熔爐（Smelter）與轉(zhuǎn)爐（BOF）相結(jié)合的兩步工藝。熔爐是一種電熔爐（ESF），主要通過(guò)電阻加熱和電刷電弧提供能量。由于其封閉式設(shè)計(jì)，在熔爐內(nèi)可形成還原氣氛。在熔爐中，熱直接還原的物料被熔化，進(jìn)行最終還原，并將金屬與爐渣分離。從該熔爐排出的爐渣類(lèi)似于高爐渣，經(jīng)造粒后可用于水泥工業(yè)。熔融金屬類(lèi)似于高爐鐵水，被送至轉(zhuǎn)爐進(jìn)行精煉。由于爐渣中的FeO含量非常低，因此熔爐對(duì)低金屬化率的DRI不太敏感，這使得DR設(shè)備和熔爐單元能夠進(jìn)行組合優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)率。

雖然符合電弧爐要求的高品位鐵礦石的供應(yīng)有限，但熔爐能夠處理的鐵礦石品位范圍更廣，見(jiàn)圖2。高品位鐵礦石供應(yīng)有限，加上眾多DR-EAF工廠在建，需求不斷增長(zhǎng)，將推高高品位鐵礦石的價(jià)格，并提升熔爐的商業(yè)潛力。

2 熔煉工藝原理

由于熔爐采用了封閉式密封設(shè)計(jì)，因此在爐內(nèi)維持了還原性氣氛，確保了添加碳的高利用率，避免了進(jìn)入爐內(nèi)的熱DRI再次氧化，并生成富含一氧化碳的廢氣，該廢氣可用于生產(chǎn)過(guò)程（例如，在直接還原工藝中作為加熱或還原氣體）。熔爐中生產(chǎn)的金屬類(lèi)似于高爐生產(chǎn)的鐵水。通過(guò)添加碳可調(diào)整碳含量，目標(biāo)值取決于轉(zhuǎn)爐的要求；通常約為3.5%。由于熔爐的還原能力較低，硅含量會(huì)略低于高爐的值。如果未采取相應(yīng)措施，這些鐵水化學(xué)成分的變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐中的廢鋼比略有降低。提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的工具很多，例如雙流道后燃燒噴槍、廢鋼預(yù)熱噴槍或復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐等。熔爐產(chǎn)生的爐渣類(lèi)似于高爐渣，需要與耐火材料匹配，并且可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整以滿(mǎn)足水泥工業(yè)的要求。

熔爐是連續(xù)運(yùn)行的，因此電源輸入和物料進(jìn)料都是連續(xù)進(jìn)行的；通過(guò)鉆孔和噴補(bǔ)周期性地從熔池中排出金屬和爐渣。爐渣具有一定的電阻，因此可以通過(guò)爐渣電阻加熱。但爐渣的熱導(dǎo)率相當(dāng)?shù)?，因此能量傳輸和熔化速度也較低。因此，需要采用電刷電弧來(lái)提高生產(chǎn)率。因此，通過(guò)電阻加熱和電刷電弧的組合作為電能輸入，最大電壓和變壓器抽頭數(shù)量的設(shè)計(jì)要涵蓋從純電阻加熱到高比例電刷電弧的整個(gè)范圍。

加入熔爐的典型DRI具有相對(duì)較高的電導(dǎo)率，因此，DRI爐料不能直接加入到電極，以避免DRI與電極的直接接觸以及通過(guò)DRI爐料的電流受到限制。那么加料方式如下：①在電極周?chē)闹饕刍瘏^(qū)域；由于其密度低，爐料會(huì)漂向電極，并通過(guò)電弧和高渣溫（工藝區(qū)）的作用下在那里熔化。②進(jìn)入側(cè)壁，以保護(hù)爐料，并支持形成爐渣凍結(jié)層（爐壁區(qū)）。圖3對(duì)熔爐內(nèi)的工藝流程及工藝區(qū)域進(jìn)行了簡(jiǎn)化表示（爐壁區(qū)：藍(lán)色，工藝區(qū)：橙色）。通過(guò)電阻加熱以及電極頭與爐渣表面之間的短弧燃燒來(lái)輸入能量。熔爐既可以通過(guò)將電極浸入爐渣中進(jìn)行純電阻加熱（圖3右）運(yùn)行，又可以通過(guò)短弧刷弧與電阻加熱相結(jié)合的方式（圖3左）運(yùn)行。

3 熔爐設(shè)計(jì)

原則上，熔爐可以設(shè)計(jì)成圓形（3個(gè)電極）和矩形（6個(gè)電極）兩種形狀。這兩種設(shè)計(jì)的限制因素是由最大允許爐膛功率密度決定的爐子熔池面積，以及由最大電流密度和電極消耗率決定的電極直徑。對(duì)于這種新工藝，應(yīng)采用保守的設(shè)計(jì)參數(shù)，圓形熔爐的最大產(chǎn)能約為60MW或0.8萬(wàn)噸/年的DRI，矩形熔爐約為120MW或1.6萬(wàn)噸/年的DRI。采用這樣的設(shè)計(jì)參數(shù)，典型的耐火材料使用壽命可達(dá)數(shù)年。隨著從首批應(yīng)用中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，這些數(shù)值在未來(lái)可能會(huì)有所增加。由于矩形熔爐容量更大，更適合典型聯(lián)合鋼鐵廠的需求，而圓形熔爐則適用于特殊應(yīng)用（例如，處理含釩和鈦礦石的小型工廠）。

矩形爐需要堅(jiān)固的夾緊系統(tǒng)在整個(gè)爐工作期間保持耐火材料的穩(wěn)定和預(yù)應(yīng)力。P公司為此采用堅(jiān)固的框架結(jié)構(gòu)；在該框架中，安裝了由彈簧元件加載的面板，以在爐子的縱向、橫向和垂直方向?qū)δ突鸩牧鲜┘訅毫Γ?jiàn)圖4。

溫度曲線(xiàn)、熱通量、夾緊系統(tǒng)以及耐火材料的性能對(duì)于此類(lèi)熔爐的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備的長(zhǎng)壽命至關(guān)重要。對(duì)于耐火材料而言，最關(guān)鍵的部位是所謂的沖刷區(qū)，在該區(qū)域中，金屬和爐渣的存在取決于熔池的液位。由于爐渣中氧化鎂或氧化鋁未飽和，因此需要在爐渣區(qū)形成一層凍結(jié)層以保護(hù)耐火材料。已對(duì)首批耐火材料的潛在候選材料進(jìn)行了測(cè)試，見(jiàn)圖5（左），冷卻系統(tǒng)也已設(shè)計(jì)完成，溫度曲線(xiàn)也已模擬完成，見(jiàn)圖5（右）。

模擬結(jié)果預(yù)測(cè)，金屬區(qū)和熔池上方的自由空間溫度較高，而爐渣區(qū)的強(qiáng)冷卻則確保耐火材料溫度較低，從而支持該區(qū)域形成爐渣凍結(jié)層。模擬用于優(yōu)化每個(gè)熔爐區(qū)域的冷卻系統(tǒng)，并預(yù)測(cè)和優(yōu)化此類(lèi)熔爐的能耗損失。

圖6展示了全尺寸工業(yè)裝置，包括一個(gè)年產(chǎn)250萬(wàn)噸DRI的大型MIDREX模塊，通過(guò)兩條傾斜的熱輸送帶將熱DRI送入兩座熔爐，每座熔爐功率約為100MW，年產(chǎn)能均為125萬(wàn)噸。

4 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算的正確性，首先在改造后的現(xiàn)有電爐上進(jìn)行了低品位DRI試驗(yàn)。由于低品位DRI在市場(chǎng)上不容易獲得，所以將天然氣基的MIDREX裝置生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)DRI與高爐渣混合，以模擬較高的脈石含量。

首次試驗(yàn)于2023年初在奧地利萊奧本ARP公司的400kW電爐上進(jìn)行。這座交流電爐的內(nèi)殼直徑為0.9m，有三個(gè)150mm的電極，最大總出鋼量為1.1噸。由于變壓器的限制，二次側(cè)（低壓側(cè)）的最大電壓被限制在120V，允許密集的電阻加熱，但無(wú)法形成穩(wěn)定的電弧。

對(duì)于第一批試驗(yàn)爐次，第一步是建立金屬和高爐渣共存的熱熔池，然后連續(xù)加入約600kg的DRI和助熔劑，以調(diào)整堿度和碳載體，從而實(shí)現(xiàn)最終的還原和熔池滲碳。滲碳使用了低揮發(fā)性無(wú)煙煤。進(jìn)行了兩個(gè)爐次試驗(yàn)，期間通過(guò)爐體傾斜部分出鋼（圖7右），每次試驗(yàn)大約生產(chǎn)了780kg金屬和220kg爐渣。在第二批試驗(yàn)爐次中，初始高爐渣從150kg增加到350kg，以模擬更高的爐渣水平。

在爐頂安裝了熱像儀，監(jiān)測(cè)電極之間的區(qū)域（圖7左）：

①在電極之間的中心可以形成DRI的進(jìn)料堆。

②DRI的熔化主要發(fā)生在電極周?chē)狣RI球團(tuán)漂浮到這個(gè)區(qū)域，并在那里迅速熔化。

③在電極周?chē)^察到一些渣湍流，但沒(méi)有真正的爐渣起泡，主要是由于最終還原過(guò)程中一氧化碳的生成所致。

圖8展示了兩批試驗(yàn)爐次的選定結(jié)果以及計(jì)算的平均值。這些值被繪制為向熔爐累計(jì)添加的總進(jìn)料量的函數(shù)，表明以下幾點(diǎn)：

①工藝計(jì)算和質(zhì)量平衡與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

②在低堿度爐渣中熔化DRI是可行的，平均堿度B2（C/S）為1.05。觀察到堿度有一些波動(dòng)——主要是由于進(jìn)料系統(tǒng)的限制以及溶解助熔劑所需的時(shí)間。

③通過(guò)簡(jiǎn)單地從頂部加入碳載體和DRI，可以實(shí)現(xiàn)良好的熔池滲碳，碳含量平均為4.1%。

④爐渣中FeO含量較低，平均為1.5%，從而提高了該工藝的收得率，證實(shí)了其使用低品位鐵礦石具有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)所有試驗(yàn)爐次都編制了能量平衡表，但由于爐子尺寸較?。ū砻娣e大，能量損失大）、工藝時(shí)間短（仍在加熱爐子耐火材料，未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)）以及爐子密封性差（廢氣量大），目前還無(wú)法從試驗(yàn)中得出每噸DRI的可靠能耗數(shù)據(jù)。

使用不同的碳載體（包括生物炭）和不同形式的DRI（包括來(lái)自HYFOR示范裝置的超細(xì)材料）的進(jìn)一步試驗(yàn)已經(jīng)成功完成。所獲得的結(jié)果與圖8所示的值類(lèi)似。

5 熔爐實(shí)現(xiàn)和升級(jí)的發(fā)展路線(xiàn)圖

雖然目前基于豎爐的球團(tuán)直接還原技術(shù)是最成熟的，但未來(lái)人們將看到更多種類(lèi)的直接還原技術(shù)，包括使用流化床的解決方案。P公司目前正在開(kāi)發(fā)兩種新的解決方案：用于處理燒結(jié)礦的HyREX和用于處理超細(xì)鐵礦粉的HYFOR。所有這些直接還原工藝在處理高品位鐵礦石時(shí)都需要與電弧爐（EAF）相結(jié)合；在處理低品位鐵礦石時(shí)，則需要與熔爐（ESF）相結(jié)合，如圖9所示。因此，熔爐的設(shè)計(jì)涵蓋了未來(lái)潛在的各種輸入材料，包括多種形式的DRI、回收材料以及碎鋼和圓形廢鋼。

為了平衡風(fēng)險(xiǎn)、開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，需要逐步升級(jí)工藝和熔爐設(shè)計(jì)。P公司已與奧地利的奧鋼聯(lián)和澳大利亞的鐵礦商福特斯庫(kù)合作，評(píng)估建設(shè)一座將HYFOR直接還原步驟與熔爐相結(jié)合的首個(gè)工業(yè)規(guī)模樣板廠的可行性。該樣板廠的總產(chǎn)能約為每小時(shí)3噸金屬；工廠完全由綠色氫氣提供動(dòng)力。

P公司將與韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵合作，在第一個(gè)HyREX工藝項(xiàng)目中，建設(shè)下一個(gè)規(guī)模的熔爐，其產(chǎn)能預(yù)計(jì)為40噸/小時(shí)，并采用矩形設(shè)計(jì)。該工藝將基于成熟的FINEX技術(shù)參考的流化床與熔爐相結(jié)合，并使用燒結(jié)礦作為輸入材料。最終將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能為每年125萬(wàn)噸或更高的全工業(yè)熔爐。此類(lèi)熔爐的開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)開(kāi)始。最終的技術(shù)決策將根據(jù)從樣板工廠吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)做出，因此，預(yù)計(jì)此類(lèi)熔爐將于2027年底啟動(dòng)。圖10提供了關(guān)于這一時(shí)間表的概述。

6 總結(jié)

本文探討了用氫直接還原作為減少鋼鐵生產(chǎn)中二氧化碳排放的關(guān)鍵戰(zhàn)略的前景。

本文提出了一種兩步法工藝，將專(zhuān)門(mén)用于將高脈石含量的低品位鐵礦石加工成鐵水的熔爐和用于精煉粗鋼的轉(zhuǎn)爐相結(jié)合。熔爐在密封環(huán)境中運(yùn)行，最大限度地提高了鐵和碳的收得率，并防止熱直接還原鐵（HDRI）的再氧化。

本文詳細(xì)討論了涵蓋熔爐的操作原理、爐體設(shè)計(jì)考慮因素以及通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證，證明其能夠熔化低品位的直接還原鐵并產(chǎn)出高質(zhì)量的金屬。

此外，本文還描繪出了這種熔爐實(shí)現(xiàn)和升級(jí)的發(fā)展路線(xiàn)圖。該路線(xiàn)圖是以與戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系為基礎(chǔ)。該路線(xiàn)圖的目標(biāo)是在2027年底之前實(shí)現(xiàn)這種熔爐的商業(yè)運(yùn)營(yíng)，從而推動(dòng)向可持續(xù)的鋼鐵生產(chǎn)方法的轉(zhuǎn)變。