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高炉富氢冶炼与锌对炉料及焦炭冶金性能的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

钢铁行业作为国民经济的重要支柱产业，在推动国家工业化和现代化进程中发挥着关键作用。然而，钢铁生产过程中的高能耗和高碳排放问题，也使其成为全球关注的焦点。据相关数据显示，钢铁行业碳排放量约占全球碳排放总量的3%-4%，在我国这一比例更是高达15%，占全球钢铁工业碳排放量的60%以上。随着全球气候变化问题日益严峻，“双碳”目标的提出，钢铁行业面临着前所未有的低碳转型压力。

高炉炼铁是目前钢铁生产的主要工艺，在钢铁材料生产过程中能耗和碳排放最高的工序。高炉富氢冶炼作为一种新型的炼铁技术，以氢气替代部分传统碳质还原剂，其还原产物为水，而非二氧化碳，为钢铁行业的低碳转型提供了重要的技术路径。通过高炉富氢冶炼，可有效减少高炉炼铁过程中的碳排放，同时，氢气的高还原活性还能加快炉料的还原速度，提高高炉的生产效率，降低焦比，具有显著的节能减排效果。例如，昌黎县兴国精密机件有限公司成功投运的“30万m3/d绿电电解水制氢—储氢—450m3高炉富氢冶炼”示范项目，在高炉炼铁过程中首次应用了纯氢喷吹技术，有效减碳8%-11%，吨铁喷氢量达到103立方米，每小时纯氢喷入量达到8700立方米，不仅降低了碳排放，还优化了流程，降低了成本。

在高炉冶炼过程中，焦炭作为重要的原料，不仅为高炉提供热量和还原剂，还起着维持高炉料柱透气性和透液性的关键作用。然而，炉料中不可避免地会带入锌等元素，这些元素在高炉内会不断循环富集，即便在原燃料中的含量较少，也会逐渐在炉内积累到较高浓度。锌对焦炭的冶金性能会产生诸多不良影响，如催化焦炭的溶损反应，导致焦炭粉化，降低焦炭的反应后强度，进而影响高炉的正常运行和生产效率。涟钢目前3座高炉锌含量普遍偏高，尤其是6#高炉和8#高炉锌含量达到1.1-1.3kg/t铁水，锌含量的增加对焦炭在高炉中的骨架作用产生了明显影响。因此，深入研究锌对焦炭冶金性能的影响机制，对于保障高炉的稳定顺行、提高钢铁生产的质量和效率具有重要意义。

综上所述，开展高炉富氢冶炼对炉料冶金性能的影响及锌对焦炭冶金性能的影响研究，不仅有助于揭示高炉富氢冶炼过程中的物理化学变化规律，为高炉富氢冶炼技术的优化和推广提供理论依据，还能为解决锌对高炉生产的危害提供有效的技术手段，对于推动钢铁行业实现低碳、高效、可持续发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在高炉富氢冶炼对炉料性能影响方面，国内外学者已开展了大量研究。国外方面，日本的COURSE50项目对高炉富氢冶炼进行了深入探索，研究了富氢气体喷吹对高炉内反应过程和炉料冶金性能的影响，发现富氢喷吹可加快炉料还原速度，降低焦比，但也指出在实际应用中存在氢气成本高、设备改造难度大等问题。韩国的浦项制铁也在高炉富氢冶炼技术上进行了积极尝试，通过实验研究了不同氢含量下炉料的还原特性和软熔性能，为高炉富氢冶炼的工业化应用提供了一定的参考。

国内研究也取得了显著进展。上海大学氢冶金低碳技术团队联合兴国铸业公司建造了我国首台套专业化氢冶金实验高炉系统，通过对富氢高炉进行冷冻-解剖研究，发现高炉富氢喷吹对整体炉料分布结构影响明显，显著拓宽了块状带的范围，软熔滴落带下移，并加速了烧结矿的还原过程。华北理工大学的学者研究了富氢燃料理化特性、富氢还原热力学和动力学条件，分析了高炉富氢冶炼的优势，认为富氢冶炼可发展间接还原，减少直接还原比例，降低吨铁的反应热消耗。然而，目前对于高炉富氢冶炼条件下，炉料在不同温度区间和反应气氛中的冶金性能变化规律，以及各因素之间的交互作用研究还不够深入，缺乏系统性和全面性。

关于锌对焦炭性能影响的研究，国外学者通过实验研究了锌在焦炭中的吸附特性和对焦炭气化反应的催化作用机制，利用先进的微观检测技术分析了锌负载后焦炭微观结构的变化，但对于锌在高炉复杂环境下对焦炭性能的长期影响研究较少。国内方面，东北大学的穆林等人通过气相吸附法制备吸附不同锌含量的焦炭试样，研究发现1000℃条件下焦炭锌的吸附量最大，锌对焦炭的溶损反应具有正催化作用，随着锌吸附量的加大，焦炭的反应性增强。武汉科技大学的陈柏文等人通过实验和第一性原理计算，探究了锌对焦炭冶金性能的影响规律和机理，发现锌会侵蚀焦炭基质，具有扩孔作用，导致焦炭反应后强度下降。然而，现有研究大多集中在单一因素下锌对焦炭性能的影响，对于高炉内多因素耦合作用下锌对焦炭性能的影响研究相对较少，且在锌对焦炭性能影响的定量分析和模型构建方面还存在不足。

1.3研究内容与方法

本研究主要内容包括以下两个方面：一是深入研究高炉富氢冶炼对炉料冶金性能的影响，通过实验模拟不同氢含量的高炉冶炼环境，研究炉料（如烧结矿、球团矿