随着高炉冶炼技术的发展及环保意识的增强，CO2减排势在必行，由于H2在还原铁氧化物的热力学和动力学等方面与CO相比具有明显优势，因此富氢还原被认为是提高还原效率和减少CO2排放的重要途径。在高炉内，CO2、 H2、水蒸气及焦炭将发生水煤气反应，所以富氢冶炼时，炉内气氛发生变化，水煤气反应将受到影响。因此，有必要探讨富氢冶炼时，富氢对高炉原料冶金性能产生的影响。　　本文在实验室条件下，考察了高炉富氢冶炼对原料（烧结矿、球团矿和焦炭等）冶金性能的影响规律，高炉原料的冶金性能主要包括铁矿石的低温还原粉化性能(RDI)、中温还原性（RI）、还原膨胀性能(RSI)及焦炭的反应性(CRI)、反应后强度（CSR）等，同时也考察了锌对焦炭冶金性能的影响。在实验室实验研究的基础上，通过热力学与动力学理论研究，结合现代测试技术对研究内容进行了机理分析，从而提出富氢操作条件下应当采取的相应措施。　　本论文设计了三种富氢试验方案，分别为CaseⅠ:根据中国国标进行试验;CaseⅡ:以中国国标为基础，还原气体总量一定，H2等量置换CO; CaseⅢ:以中国国标为基础，H2含量增加时，其它气体含量同比例减少。　　本论文的研究工作和成果主要有:　　(1)热力学计算表明:a）低温时(773K)，H2的还原能力小于CO，H2含量增加时，CO含量降低，还原气氛的氧势升高。b）973K时，H2含量增加时，CaseⅡ方案的还原气氛的氧势逐渐升高，CaseⅢ方案的还原气氛氧势逐渐降低，这是因为气氛氧势是还原气体总量和气体还原能力耦合作用的结果，即CaseⅡ方案时还原气体总量不变，H2还原能力低于CO，导致气氛氧势随H2含量的增加而升高;CaseⅢ方案时虽然H2还原能力低于CO，但还原气体总量增加，从而导致还原气氛氧势随H2含量的增加而降低。c)高温时(1173K)，H2含量增加，CaseⅡ方案和CaseⅢ方案的气氛氧势均呈降低趋势，这是由于高温条件下，H2还原能力大于CO，因此H2含量增加，气氛氧势降低。可见，高温段采取富氢还原比CO还原更具有热力学方面的优势。　　(2)动力学研究表明:H2的还原速度大于CO，随着气氛中H2含量的增加，还原反应速率常数显著增大。虽然H2在热量携带和提供热量方面不具有优势，但由于H2的导热系数远大于CO，有利于热量传递。因此，CO+H2混合还原气的传热系数随着H2含量的增加而增大，从而加速气固间的对流换热，加速还原反应的进行。　　(3)低温还原粉化试验结果表明:CaseⅡ方案时，即H2等量代替CO，由于500℃时H2的还原能力不如CO，导致铁矿石的RDI-3.15随H2含量的增加逐渐减小;CaseⅢ方案时，即H2含量增加，其它气体（CO、N2和CO2等）同比例降低，由于还原气体总量(CO+H2)增加，导致铁矿石的RDI-3.15随H2含量的增加逐渐增大。　　(4)通过压汞仪对铁矿石微孔分布分析可知:以CaseⅠ方案为基准，CaseⅡ方案由于其还原气的还原能力低于CaseⅠ方案，所以还原后矿石孔径较小，强度大，低温还原粉化率较低;CaseⅢ方案由于其还原气总量高于CaseⅠ方案，所以还原后矿石孔径较大，强度小，低温还原粉化率较高。　　(5)不论CaseⅡ和CaseⅢ，铁矿石的RDI-3.15与相同条件下的Ri存在相关性，即RDI-3.15随着Ri的增大而增大。因此CaseⅢ方案时，可采取适量添加MgO的方式来降低Ri，从而降低RDI-3.15，减轻或避免富氢冶炼对铁矿石低温还原粉化性能造成的不利影响。　　(6)烧结矿还原性试验结果表明:CaseⅢ方案时，即H2含量增加，其它气体(CO和N2)同比例降低，烧结矿的还原度RI随H2含量的增加而增加。H2含量从O％增加到12％，烧结矿的还原度RI由72.56％增到94.97％。其原因主要为:a）在900℃时H2的还原能力大于CO;b）还原气体总量(CO+H2)增加。　　(7)计算了水蒸气含量增加对气氛氧势的影响:a）H2含量不变，以水蒸气等量的代替CO2时，随着水蒸气含量增加，气氛的氧势降低，但幅度很小;b）CO2含量不变，以水蒸气等量的代替H2时，随着水蒸气含量的增加，气氛的氧势升高;c）以水蒸气等量代替CO2和H2时，随着水蒸气含量增加，气氛的氧势升高。焦炭反应性及反应后强度试验结果表明:a）水蒸气等量代替CO2后，其与焦炭发生水煤气反应，焦炭反应性增强约2％，相应的焦炭反应后强度降低约1.5％;b）富氢40％时，焦炭反应性降低约15％～17％，相应的反应后强度升高约14％～15％。　　(8)锌吸附量低于0.1％时，锌对焦炭反应后强度影响很小，随着锌吸附量的增加，锌对焦炭的溶损反应催化作用变强，焦炭反应性逐渐增强，反应后焦炭的孔隙较大，孔壁较薄，结构疏松，从而导致焦炭反应后强度降低。锌吸附量为0.67％的焦炭反应后强度比无锌吸附的焦炭反应后强度低11％。因此，应减少含锌矿物的入炉量，控制焦炭的锌吸附量小于0.1％。　　综合本文研究结果表明:高炉采用富氢冶炼时，氢气的加入对高炉原料的影响如表1所示。由表可见，a）氢气等量代替CO时（即CaseⅡ），氢气含量的增加对高炉原料冶金性能具有正面影响;b）CaseⅢ时，氢气含量的增加对铁矿石还原性及焦炭冶金性能具有正面影响，对铁矿石低温还原粉化性能具有不利影响;c）若炉料中有含锌物质，Zn含量过高（大于0.1％），会影响焦炭的高温冶金性能。　　表1富氢冶炼对高炉原料冶金性能的影响Table1 Effect of hydrogen-rich on the metallurgical properties of raw materials in BF┏━━━━━━━┳━━━━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━━━┓┃性能指标┃ CaseⅠ（基准）┃ CaseⅡ┃ CaseⅢ┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃ DRI-3.15┃—┃√┃×┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃烧结矿┃┃┃┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃ RI┃—┃√┃√┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃ DRI-3.15┃—┃√┃×┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃球团矿┃┃┃┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃ RI┃—┃√┃√┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃┃┃┃√（不考虑Zn）┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃ CRI┃—┃√┃┃┃┃┃┃×（考虑Zn）┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃焦炭┃┃┃┃┃┃┃┃√（不考虑Zn）┃┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃ CSR┃┃√┃┃┃┃┃┃×（考虑Zn）┃┗━━━━━━━┻━━━━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━━━┛注:(1)“√”——有利;“×”——不利;　　因此，适量增加氢气含量，采取相应的措施防止铁矿石低温还原粉化，控制含锌原料的入炉量，可改善高炉炼铁原料的冶金性能，有利于降低燃料消耗，强化高炉冶炼，为高炉冶炼工艺开拓新的途径，实现集成创新。