1 前言

在鋼鐵工業(yè)，大部分二氧化碳排放是在煉鐵過程中產(chǎn)生的，而煉鐵過程仍以使用煤作為主要能源載體的綜合高爐路線為主。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。但為了滿足未來的數(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，未來將使用氫氣）將變得越來越重要。

圖1展示了目前仍占主導(dǎo)地位的典型綜合（BF-BOF）煉鋼路線與未來使用氫基直接還原（H2-DR）后采用兩步法（Smelter-BOF）的綠色鋼鐵生產(chǎn)路線的比較。比較表明，向綠色鋼鐵生產(chǎn)的過渡需要徹底改變能源消耗；雖然綜合路線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)的碳排放強度（gCO2/kWh）。

雖然目前主要采用球團礦豎爐工藝進行直接還原，隨后在電弧爐中熔煉，但未來直接還原將會有更多選擇，例如使用燒結(jié)礦的流化床（HYREX）或使用超細粉礦的流化床（HYFOR）。對于脈石含量較低的高品位鐵礦石，熔煉時產(chǎn)生的渣量較少，因此電弧爐（EAF）是熔煉的理想設(shè)備。對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），主要通過電阻加熱和電刷電弧提供能量。由于其封閉式設(shè)計，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，進行最終還原，并將金屬與爐渣分離。從該熔爐排出的爐渣類似于高爐渣，經(jīng)造粒后可用于水泥工業(yè)。熔融金屬類似于高爐鐵水，被送至轉(zhuǎn)爐進行精煉。由于爐渣中的FeO含量非常低，因此熔爐對低金屬化率的DRI不太敏感，這使得DR設(shè)備和熔爐單元能夠進行組合優(yōu)化，以實現(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，將推高高品位鐵礦石的價格，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，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)的金屬類似于高爐生產(chǎn)的鐵水。通過添加碳可調(diào)整碳含量，目標值取決于轉(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)整以滿足水泥工業(yè)的要求。

熔爐是連續(xù)運行的，因此電源輸入和物料進料都是連續(xù)進行的；通過鉆孔和噴補周期性地從熔池中排出金屬和爐渣。爐渣具有一定的電阻，因此可以通過爐渣電阻加熱。但爐渣的熱導(dǎo)率相當?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提高生產(chǎn)率。因此，通過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)計要涵蓋從純電阻加熱到高比例電刷電弧的整個范圍。

加入熔爐的典型DRI具有相對較高的電導(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DRI爐料的電流受到限制。那么加料方式如下：①在電極周圍的主要熔化區(qū)域；由于其密度低，爐料會漂向電極，并通過電弧和高渣溫（工藝區(qū)）的作用下在那里熔化。②進入側(cè)壁，以保護爐料，并支持形成爐渣凍結(jié)層（爐壁區(qū)）。圖3對熔爐內(nèi)的工藝流程及工藝區(qū)域進行了簡化表示（爐壁區(qū)：藍色，工藝區(qū)：橙色）。通過電阻加熱以及電極頭與爐渣表面之間的短弧燃燒來輸入能量。熔爐既可以通過將電極浸入爐渣中進行純電阻加熱（圖3右）運行，又可以通過短弧刷弧與電阻加熱相結(jié)合的方式（圖3左）運行。

3 熔爐設(shè)計

原則上，熔爐可以設(shè)計成圓形（3個電極）和矩形（6個電極）兩種形狀。這兩種設(shè)計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。對于這種新工藝，應(yīng)采用保守的設(shè)計參數(shù)，圓形熔爐的最大產(chǎn)能約為60MW或0.8萬噸/年的DRI，矩形熔爐約為120MW或1.6萬噸/年的DRI。采用這樣的設(shè)計參數(shù)，典型的耐火材料使用壽命可達數(shù)年。隨著從首批應(yīng)用中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，這些數(shù)值在未來可能會有所增加。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）。

矩形爐需要堅固的夾緊系統(tǒng)在整個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?，見圖4。

溫度曲線、熱通量、夾緊系統(tǒng)以及耐火材料的性能對于此類熔爐的穩(wěn)定運行和設(shè)備的長壽命至關(guān)重要。對于耐火材料而言，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)層以保護耐火材料。已對首批耐火材料的潛在候選材料進行了測試，見圖5（左），冷卻系統(tǒng)也已設(shè)計完成，溫度曲線也已模擬完成，見圖5（右）。

模擬結(jié)果預(yù)測，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)化每個熔爐區(qū)域的冷卻系統(tǒng)，并預(yù)測和優(yōu)化此類熔爐的能耗損失。

圖6展示了全尺寸工業(yè)裝置，包括一個年產(chǎn)250萬噸DRI的大型MIDREX模塊，通過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125萬噸。

4 驗證

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

首次試驗于2023年初在奧地利萊奧本ARP公司的400kW電爐上進行。這座交流電爐的內(nèi)殼直徑為0.9m，有三個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，但無法形成穩(wěn)定的電弧。

對于第一批試驗爐次，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，從而實現(xiàn)最終的還原和熔池滲碳。滲碳使用了低揮發(fā)性無煙煤。進行了兩個爐次試驗，期間通過爐體傾斜部分出鋼（圖7右），每次試驗大約生產(chǎn)了780kg金屬和220kg爐渣。在第二批試驗爐次中，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的進料堆。

②DRI的熔化主要發(fā)生在電極周圍——DRI球團漂浮到這個區(qū)域，并在那里迅速熔化。

③在電極周圍觀察到一些渣湍流，但沒有真正的爐渣起泡，主要是由于最終還原過程中一氧化碳的生成所致。

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

①工藝計算和質(zhì)量平衡與試驗結(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——主要是由于進料系統(tǒng)的限制以及溶解助熔劑所需的時間。

③通過簡單地從頂部加入碳載體和DRI，可以實現(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，證實了其使用低品位鐵礦石具有優(yōu)勢。

對所有試驗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）、工藝時間短（仍在加熱爐子耐火材料，未達到穩(wěn)定狀態(tài)）以及爐子密封性差（廢氣量大），目前還無法從試驗中得出每噸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（包括來自HYFOR示范裝置的超細材料）的進一步試驗已經(jīng)成功完成。所獲得的結(jié)果與圖8所示的值類似。

5 熔爐實現(xiàn)和升級的發(fā)展路線圖

雖然目前基于豎爐的球團直接還原技術(shù)是最成熟的，但未來人們將看到更多種類的直接還原技術(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都需要與電弧爐（EAF）相結(jié)合；在處理低品位鐵礦石時，則需要與熔爐（ESF）相結(jié)合，如圖9所示。因此，熔爐的設(shè)計涵蓋了未來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。

為了平衡風險、開發(fā)成本和開發(fā)時間，需要逐步升級工藝和熔爐設(shè)計。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合作，評估建設(shè)一座將HYFOR直接還原步驟與熔爐相結(jié)合的首個工業(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3噸金屬；工廠完全由綠色氫氣提供動力。

P公司將與韓國浦項制鐵合作，在第一個HyREX工藝項目中，建設(shè)下一個規(guī)模的熔爐，其產(chǎn)能預(yù)計為40噸/小時，并采用矩形設(shè)計。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。最終將實現(xiàn)產(chǎn)能為每年125萬噸或更高的全工業(yè)熔爐。此類熔爐的開發(fā)工作已經(jīng)開始。最終的技術(shù)決策將根據(jù)從樣板工廠吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)做出，因此，預(yù)計此類熔爐將于2027年底啟動。圖10提供了關(guān)于這一時間表的概述。

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，將專門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。

本文詳細討論了涵蓋熔爐的操作原理、爐體設(shè)計考慮因素以及通過嚴格的測試驗證，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現(xiàn)和升級的發(fā)展路線圖。該路線圖是以與戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系為基礎(chǔ)。該路線圖的目標是在2027年底之前實現(xiàn)這種熔爐的商業(yè)運營，從而推動向可持續(xù)的鋼鐵生產(chǎn)方法的轉(zhuǎn)變。