中国钢研纯氢冶金技术再创辉煌

中国钢研纯氢冶金技术再创辉煌

2024年1月6日，中国钢研科技集团有限公司自主研发和建设的纯氢多稳态竖炉示范工程正式运行，实现我国纯氢竖炉工程的首次成功应用，标志着我国自主研发纯氢冶金技术从“0”到“1”的突破以及“富氢”冶金向“纯氢”冶金的技术跨越，对推动我国钢铁行业实现高水平科技自立自强、早日达成碳中和愿景目标具有重大意义。

纯氢冶金技术是钢铁行业实现绿色转型的关键。与传统高炉炼铁相比，纯氢冶金技术具有显著的环保优势。在还原冶炼过程中，主要使用氢气作为还原剂，氢是最活泼的还原剂，在铁氧化物的气-固还原反应过程中，提高气体还原剂中氢气的比例，可以明显提高其还原速率和还原效率。与一氧化碳的还原潜能相比，氢气的还原潜能大大高于一氧化碳。用氢气还原氧化铁时，其主要产物是金属铁和水蒸气。还原后的尾气对环境没有任何不利的影响，可以明显减轻对环境的负荷，因此，将碳冶金转变为氢冶金是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。

中国钢研的纯氢多稳态竖炉示范工程采用自主研发设计的成套纯氢竖炉技术，设备国产化率达到100%，为我国纯氢冶金技术的大规模工业化应用奠定了良好基础。工程使用99.5%氢气作为还原气，还原后的金属化球团在炉内直接用氢气冷却，热效率得到极大提高。为保证氢气利用率，采用自主研发的专用材料和加热系统，可以将氢气温度稳定保持在1000℃。目前，顺利运行超过200小时，金属化率超过93%，达到各项持续运行考核指标。产品可以进一步冶炼制备超洁净高纯铁或超纯铁，既可以作为高端特种材料和电磁材料制备的原料，也可以作为高端钢材制备的基材。

在环保和资源利用方面，纯氢冶金技术实现了双重突破。首先，该技术显著降低了碳排放。据统计，我国钢铁生产碳排放的70%以上来自高炉炼铁环节，炼铁环节降碳甚至“零碳”是钢铁行业低碳发展的关键。钒钛磁铁矿因其矿型复杂，冶炼难度大，吨铁碳排放远高于普通铁矿石吨铁排放量，据测算，攀钢高炉冶炼钒钛磁铁矿吨铁的CO₂直接排放为1508.7kg，普通铁矿石冶炼吨铁的CO₂直接排放为1054.35kg。如采用纯氢冶金进行冶炼，降碳幅度可达92.1%～100%，是推动钢铁行业乃至全社会低碳发展的重要举措。

其次，纯氢冶金技术解决了含钛炉渣利用难题。受限于传统高炉钒钛磁铁矿冶炼技术，为解决因Ti(C,N)的生成导致含钛炉渣粘度增大、高炉透气性变差问题，冶炼过程需在入炉原料中添加30%左右的普通铁矿石，导致炉渣中TiO₂的含量通常低于25%且无法资源化利用，一直是摆在行业面前的难题。采用纯氢冶金可将还原和熔分过程分开进行、单独控制，不存在操作透气性等问题，可实现全钒钛磁铁矿冶炼，经电炉熔分后，渣中TiO₂质量分数得到大幅度提高，满足于硫酸法钛白、低品位钛铁合金工艺原料条件。

此外，纯氢冶金技术还提高了钒钛磁铁矿资源的综合利用效率。钒钛磁铁矿是一种铁、钛、钒多金属共生的复合矿石，还伴生有铬、镓、钪、钴、镍、铜、铂族元素等多金属有用元素，传统高炉冶炼工艺操作工艺简单粗放，除了铁、钒，其他元素均无法有效综合利用。采用纯氢冶金能够在理想的温度区间内实现对铁、钛、钒元素的“定向”还原，并通过后续处理工艺实现多种金属元素的有效分离和高效利用。

在全球范围内，中国钢研的纯氢冶金技术处于领先地位。虽然西方工业强国在氢领域专利布局方面占据领先地位，但中国在氢冶金技术应用方面进展迅速，已实现多个全球首次的技术突破。例如，中国钢研纯氢竖炉示范生产线完成第二次生产运行，氢还原海绵铁常态金属化率达到96%以上，已掌握纯氢竖炉常态高效还原生产调控技术，具备大规模工业化应用技术条件。作为全球首条纯氢冶金生产线，该中心纯氢竖炉示范工程是纯氢竖炉的首次工业化应用，技术水平与海绵铁品质已达到全球领先水平。

展望未来，中国钢研将在一期示范工程基础上，与国内外各大钢铁企业携手构建“基础研究-技术创新-工程转化-产品升级”纯氢冶金全产业链创新体系，建设国际领先的钢铁冶金绿色化、高端化技术创新和成果转化基地，为钢铁行业高质量发展做出钢研贡献。随着这一技术的不断成熟和推广，我们有理由相信，钢铁行业将实现更加绿色、高效、可持续的发展。