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前言

在钢铁工业，大部分二氧化碳排放是在炼铁过程中产生的，而炼铁过程仍以使用煤作为主要能源载体的综合高炉路线为主。在钢铁生产中，回收利用钢铁和提高废钢比是减少二氧化碳排放的首要也是最有效的措施。但为了满足未来的数量需求，仍将在很大程度上需要使用以铁矿石为基础的炼钢。因此，直接还原（目前主要使用天然气，未来将使用氢气）将变得越来越重要。

图1展示了目前仍占主导地位的典型综合（BF-BOF）炼钢路线与未来使用氢基直接还原（H2-DR）后采用两步法（Smelter-BOF）的绿色钢铁生产路线的比较。比较表明，向绿色钢铁生产的过渡需要彻底改变能源消耗；虽然综合路线使用了大量的碳载体（通常每吨铁水需要400-700kg的碳载体），但绿色路线需要大量的电能。其中最大的一部分电能用于制氢。根据电解技术和直接还原工艺（例如，有或无电加热）的不同，每吨直接还原铁（DRI）需要3800-4400kWh的电能。因此，这种绿色生产路线的总二氧化碳排放量在很大程度上取决于电网的碳排放强度（gCO₂/kWh）。

虽然目前主要采用球团矿竖炉工艺进行直接还原，随后在电弧炉中熔炼，但未来直接还原将会有更多选择，例如使用烧结矿的流化床（HYREX）或使用超细粉矿的流化床（HYFOR）。对于脉石含量较低的高品位铁矿石，熔炼时产生的渣量较少，因此电弧炉（EAF）是熔炼的理想设备。对于脉石含量高的低品位铁矿石，则需要采用熔炉（Smelter）与转炉（BOF）相结合的两步工艺。熔炉是一种电熔炉（ESF），主要通过电阻加热和电刷电弧提供能量。由于其封闭式设计，在熔炉内可形成还原气氛。在熔炉中，热直接还原的物料被熔化，进行最终还原，并将金属与炉渣分离。从该熔炉排出的炉渣类似于高炉渣，经造粒后可用于水泥工业。熔融金属类似于高炉铁水，被送至转炉进行精炼。由于炉渣中的FeO含量非常低，因此熔炉对低金属化率的DRI不太敏感，这使得DR设备和熔炉单元能够进行组合优化，以实现最大生产率。

虽然符合电弧炉要求的高品位铁矿石的供应有限，但熔炉能够处理的铁矿石品位范围更广，见图2。高品位铁矿石供应有限，加上众多DR-EAF工厂在建，需求不断增长，将推高高品位铁矿石的价格，并提升熔炉的商业潜力。

由于熔炉采用了封闭式密封设计，因此在炉内维持了还原性气氛，确保了添加碳的高利用率，避免了进入炉内的热DRI再次氧化，并生成富含一氧化碳的废气，该废气可用于生产过程（例如，在直接还原工艺中作为加热或还原气体）。熔炉中生产的金属类似于高炉生产的铁水。通过添加碳可调整碳含量，目标值取决于转炉的要求；通常约为3.5%。由于熔炉的还原能力较低，硅含量会略低于高炉的值。如果未采取相应措施，这些铁水化学成分的变化会导致转炉中的废钢比略有降低。提高转炉废钢比的工具很多，例如双流道后燃烧喷枪、废钢预热喷枪或复合吹炼转炉等。熔炉产生的炉渣类似于高炉渣，需要与耐火材料匹配，并且可以在很大范围内调整以满足水泥工业的要求。

2、熔炼工艺原理

熔炉是连续运行的，因此电源输入和物料进料都是连续进行的；通过钻孔和喷补周期性地从熔池中排出金属和炉渣。炉渣具有一定的电阻，因此可以通过炉渣电阻加热。但炉渣的热导率相当低，因此能量传输和熔化速度也较低。因此，需要采用电刷电弧来提高生产率。因此，通过电阻加热和电刷电弧的组合作为电能输入，最大电压和变压器抽头数量的设计要涵盖从纯电阻加热到高比例电刷电弧的整个范围。

加入熔炉的典型DRI具有相对较高的电导率，因此，DRI炉料不能直接加入到电极，以避免DRI与电极的直接接触以及通过DRI炉料的电流受到限制。那么加料方式如下：①在电极周围的主要熔化区域；由于其密度低，炉料会漂向电极，并通过电弧和高渣温（工艺区）的作用下在那里熔化。②进入侧壁，以保护炉料，并支持形成炉渣冻结层（炉壁区）。图3对熔炉内的工艺流程及工艺区域进行了简化表示（炉壁区：蓝色，工艺区：橙色）。通过电阻加热以及电极头与炉渣表面之间的短弧燃烧来输入能量。熔炉既可以通过将电极浸入炉渣中进行纯电阻加热（图3右）运行，又可以通过短弧刷弧与电阻加热相结合的方式（图3左）运行。

由于熔炉采用了封闭式密封设计，因此在炉内维持了还原性气氛，确保了添加碳的高利用率，避免了进入炉内的热DRI再次氧化，并生成富含一氧化碳的废气，该废气可用于生产过程（例如，在直接还原工艺中作为加热或还原气体）。熔炉中生产的金属类似于高炉生产的铁水。通过添加碳可调整碳含量，目标值取决于转炉的要求；通常约为3.5%。由于熔炉的还原能力较低，硅含量会略低于高炉的值。如果未采取相应措施，这些铁水化学成分的变化会导致转炉中的废钢比略有降低。提高转炉废钢比的工具很多，例如双流道后燃烧喷枪、废钢预热喷枪或复合吹炼转炉等。熔炉产生的炉渣类似于高炉渣，需要与耐火材料匹配，并且可以在很大范围内调整以满足水泥工业的要求。

熔炉是连续运行的，因此电源输入和物料进料都是连续进行的；通过钻孔和喷补周期性地从熔池中排出金属和炉渣。炉渣具有一定的电阻，因此可以通过炉渣电阻加热。但炉渣的热导率相当低，因此能量传输和熔化速度也较低。因此，需要采用电刷电弧来提高生产率。因此，通过电阻加热和电刷电弧的组合作为电能输入，最大电压和变压器抽头数量的设计要涵盖从纯电阻加热到高比例电刷电弧的整个范围。

加入熔炉的典型DRI具有相对较高的电导率，因此，DRI炉料不能直接加入到电极，以避免DRI与电极的直接接触以及通过DRI炉料的电流受到限制。那么加料方式如下：①在电极周围的主要熔化区域；由于其密度低，炉料会漂向电极，并通过电弧和高渣温（工艺区）的作用下在那里熔化。②进入侧壁，以保护炉料，并支持形成炉渣冻结层（炉壁区）。图3对熔炉内的工艺流程及工艺区域进行了简化表示（炉壁区：蓝色，工艺区：橙色）。通过电阻加热以及电极头与炉渣表面之间的短弧燃烧来输入能量。熔炉既可以通过将电极浸入炉渣中进行纯电阻加热（图3右）运行，又可以通过短弧刷弧与电阻加热相结合的方式（图3左）运行。

3、熔炉设计

原则上，熔炉可以设计成圆形（3个电极）和矩形（6个电极）两种形状。这两种设计的限制因素是由最大允许炉膛功率密度决定的炉子熔池面积，以及由最大电流密度和电极消耗率决定的电极直径。对于这种新工艺，应采用保守的设计参数，圆形熔炉的最大产能约为60MW或0.8万吨/年的DRI，矩形熔炉约为120MW或1.6万吨/年的DRI。采用这样的设计参数，典型的耐火材料使用寿命可达数年。随着从首批应用中吸取经验教训，这些数值在未来可能会有所增加。由于矩形熔炉容量更大，更适合典型联合钢铁厂的需求，而圆形熔炉则适用于特殊应用（例如，处理含钒和钛矿石的小型工厂）。

矩形炉需要坚固的夹紧系统在整个炉工作期间保持耐火材料的稳定和预应力。P公司为此采用坚固的框架结构；在该框架中，安装了由弹簧元件加载的面板，以在炉子的纵向、横向和垂直方向对耐火材料施加压力，见图4。

温度曲线、热通量、夹紧系统以及耐火材料的性能对于此类熔炉的稳定运行和设备的长寿命至关重要。对于耐火材料而言，最关键的部位是所谓的冲刷区，在该区域中，金属和炉渣的存在取决于熔池的液位。由于炉渣中氧化镁或氧化铝未饱和，因此需要在炉渣区形成一层冻结层以保护耐火材料。已对首批耐火材料的潜在候选材料进行了测试，见图5（左），冷却系统也已设计完成，温度曲线也已模拟完成，见图5（右）。

模拟结果预测，金属区和熔池上方的自由空间温度较高，而炉渣区的强冷却则确保耐火材料温度较低，从而支持该区域形成炉渣冻结层。模拟用于优化每个熔炉区域的冷却系统，并预测和优化此类熔炉的能耗损失。

图6展示了全尺寸工业装置，包括一个年产250万吨DRI的大型MIDREX模块，通过两条倾斜的热输送带将热DRI送入两座熔炉，每座熔炉功率约为100MW，年产能均为125万吨。

4、验证

为了验证工艺设计和计算的正确性，首先在改造后的现有电炉上进行了低品位DRI试验。由于低品位DRI在市场上不容易获得，所以将天然气基的MIDREX装置生产的标准DRI与高炉渣混合，以模拟较高的脉石含量。

首次试验于2023年初在奥地利莱奥本ARP公司的400kW电炉上进行。这座交流电炉的内壳直径为0.9m，有三个150mm的电极，最大总出钢量为1.1吨。由于变压器的限制，二次侧（低压侧）的最大电压被限制在120V，允许密集的电阻加热，但无法形成稳定的电弧。

对于第一批试验炉次，第一步是建立金属和高炉渣共存的热熔池，然后连续加入约600kg的DRI和助熔剂，以调整碱度和碳载体，从而实现最终的还原和熔池渗碳。渗碳使用了低挥发性无烟煤。进行了两个炉次试验，期间通过炉体倾斜部分出钢（图7右），每次试验大约生产了780kg金属和220kg炉渣。在第二批试验炉次中，初始高炉渣从150kg增加到350kg，以模拟更高的炉渣水平。

在炉顶安装了热像仪，监测电极之间的区域（图7左）：

①在电极之间的中心可以形成DRI的进料堆。

②DRI的熔化主要发生在电极周围——DRI球团漂浮到这个区域，并在那里迅速熔化。

③在电极周围观察到一些渣湍流，但没有真正的炉渣起泡，主要是由于最终还原过程中一氧化碳的生成所致。

5、熔炉实现和升级的发展路线图

虽然目前基于竖炉的球团直接还原技术是最成熟的，但未来人们将看到更多种类的直接还原技术，包括使用流化床的解决方案。P公司目前正在开发两种新的解决方案：用于处理烧结矿的HyREX和用于处理超细铁矿粉的HYFOR。所有这些直接还原工艺在处理高品位铁矿石时都需要与电弧炉（EAF）相结合；在处理低品位铁矿石时，则需要与熔炉（ESF）相结合，如图9所示。因此，熔炉的设计涵盖了未来潜在的各种输入材料，包括多种形式的DRI、回收材料以及碎钢和圆形废钢。

本文探讨了用氢直接还原作为减少钢铁生产中二氧化碳排放的关键战略的前景。

本文提出了一种两步法工艺，将专门用于将高脉石含量的低品位铁矿石加工成铁水的熔炉和用于精炼粗钢的转炉相结合。熔炉在密封环境中运行，最大限度地提高了铁和碳的收得率，并防止热直接还原铁（HDRI）的再氧化。

本文详细讨论了涵盖熔炉的操作原理、炉体设计考虑因素以及通过严格的测试验证，证明其能够熔化低品位的直接还原铁并产出高质量的金属。

此外，本文还描绘出了这种熔炉实现和升级的发展路线图。该路线图是以与战略合作伙伴关系为基础。该路线图的目标是在2027年底之前实现这种熔炉的商业运营，从而推动向可持续的钢铁生产方法的转变。