冶金生產(chǎn)離不開耐火材料的支撐，長流程的轉(zhuǎn)爐煉鋼和短流程的電弧爐煉鋼技術(shù)相關(guān)的耐火材料已投入使用。氫能冶金技術(shù)相關(guān)的耐火材料還處于研發(fā)階段，用氫能還原鐵礦石的溫度雖然不高（600℃～700℃），但氫的還原作用，特別是氫等離子體的火焰輻射高熱負(fù)荷作用，對爐襯破壞不可忽視，必須引起耐火材料工作者注意。

　　在碳中和的背景下，鋼鐵行業(yè)冶煉技術(shù)從長流程轉(zhuǎn)換為短流程，以及隨著氫能冶煉等技術(shù)的成熟及運(yùn)用，必然也將促進(jìn)相適應(yīng)的新型綠色耐火材料需求增長。

　　目前市場上主流的制氫方法：電解水制氫、水煤氣制氫、石油裂解的合成氣和天然氣制氫、核能制氫等。

　　氫冶金的溫度不高，氫氣與氧化鐵反應(yīng)，一般是600℃左右，實(shí)驗(yàn)室購得的氧化鐵在700℃以上才被還原。還原反應(yīng)過程：水分解出氫，然后氧化鐵被還原成鐵。

　　與氫接觸的耐火材料需要被重視。有報道介紹：當(dāng)Al2O3/SiO2比例不同的耐火材料，在純氫氣氣氛中于1500℃下加熱192h，耐火材料質(zhì)量損失的特點(diǎn)是隨著溫度升高和在氣氛中暴露時間的延長而損失增加，高溫下腐蝕過高，Al2O3含量高的材料比SiO2含量高的材料質(zhì)量損失量少。

　　在硅酸鋁耐火材料中，氫能還原Na2O、TiO2、MgO、SiO2等氧化物，氫能使莫來石分解，形成剛玉和SiO。在氫介質(zhì)中，含Al2O3≥85%的高鋁制品和剛玉制品具有穩(wěn)定性質(zhì)。硅質(zhì)制品在氫介質(zhì)中和在1200℃下時，由于SiO2很快被反應(yīng)，在耐火材料中存在SiO2時，SiO2與氫氣反應(yīng)產(chǎn)生氣態(tài)SiO和水蒸氣，從耐火材料中溢出，SiO2同樣可與水蒸氣反應(yīng)生成氣態(tài)氧化物，脫離原耐火材料。這兩個反應(yīng)在高溫下很容易發(fā)生，從而影響耐火材料使用壽命。因此，在富含氫氣和水蒸氣的條件下，嚴(yán)格控制和減少內(nèi)襯耐火材料的SiO2含量是至關(guān)重要的。而FeO、TiO2含量高的耐火材料也不宜在還原氣氛條件下使用。如在氫氣保護(hù)爐內(nèi)用氧化鋁空心球磚較好；在氫氣含量為100%的氣氛中，耐火纖維熱導(dǎo)率比在空氣中大2倍等。

　　因高爐噴入的氫有限，不能失去焦炭的骨架作用。因此，原來關(guān)鍵部位使用的炭磚及碳化硅磚，使用效果仍然很好。近年來，非高爐煉鐵工藝獲得大力發(fā)展，非高爐煉的海綿鐵是廢鋼的良好替代品，而且非高爐煉鐵省去煉焦設(shè)備，投資少、污染小。

　　還原介質(zhì)有煤、天然氣和煤氣等，反應(yīng)溫度一般為800℃～1300℃。目前世界以天然氣為還原介質(zhì)的豎爐海綿鐵產(chǎn)量約占80%，因?yàn)榉磻?yīng)溫度不高，一般硅酸鋁耐火材料就能滿足要求，但含有的Fe2O3在CO氣氛下生成金屬鐵和Fe3C。Fe3C存在會促進(jìn)炭沉積，導(dǎo)致耐火材料脆化裂解。為了延長使用壽命，應(yīng)該降低Fe2O3含量，使組織結(jié)構(gòu)致密，氣孔微細(xì)化。

　　熔融還原煉鐵工藝是在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)行鐵氧化物的還原，并進(jìn)行渣鐵分離，得到類似高爐生產(chǎn)出的含碳鐵水。現(xiàn)在已經(jīng)有30多種熔融還原工藝問世，但COREX法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的工藝，其優(yōu)點(diǎn)是噸鐵能耗下降20%以上、煉鐵廠污染減少70%等。對于COREX法熔融煉鐵用耐火材料問題，有人采用COREX熔融還原爐爐渣（33.5%CaO、32.0%SiO2、20.0%MgO、14.0%Al2O3、0.5%FeO）和Sialon（22.08%）結(jié)合SiC（72.34%）質(zhì)耐火材料做抗渣試驗(yàn)，認(rèn)為Sialon結(jié)合SiC耐火材料在COREX爐渣中的熔解蝕損反應(yīng)屬于化學(xué)反應(yīng)控制機(jī)理，因而預(yù)示Sialon結(jié)合SiC質(zhì)耐火材料對COREX爐渣的侵蝕具有良好的抵抗能力。研究人員還發(fā)現(xiàn)用MgO和Al2O3為主要原料，通過添加適量MgAlON系粉和石墨以及抗氧化劑，制取的Al2O3—MgO—MgAlON—C質(zhì)耐火材料w（C）＜10%具有較好的抗渣性和抗熱震性，用在熔融還原爐內(nèi)襯耐火材料，能夠獲得長的壽命。

　　該煉鐵工藝可直接使用粉礦和非煉焦煤生產(chǎn)鐵水，與高爐相比省去燒結(jié)、球團(tuán)和焦化廠，投資規(guī)模和運(yùn)行成本都相對較低，并減少CO2和二噁英的排放，對環(huán)境污染小，但爐渣中FeO含量達(dá)3%～5%，是高爐渣的10倍，造成爐襯侵蝕加劇和鐵水含S較高。爐襯用鉻剛玉磚CR-10和CR-50效果較好，通過安裝渣線水冷箱，使用壽命顯著延長。但由于含鉻耐火材料容易產(chǎn)生有毒的六價鉻，因此，無鉻耐火材料才是發(fā)展方向。建議采用添加MgAlON的Al2O3-MgO質(zhì)耐火澆注料，可顯著提高抵抗高氧化鐵含量熔渣的侵蝕能力。爐襯也可使用Sialon結(jié)合剛玉磚、Sialon結(jié)合碳化硅磚、微孔炭磚等。

　　由于氫等離子體比分子氫有高得多的還原電位，可以將所有的金屬氧化物還原為金屬，并具有低排放、工藝流程簡單、渣量少等優(yōu)點(diǎn)。但該技術(shù)存在著對爐壁輻射較大（無泡沫渣過程），渣對耐火材料侵蝕性大的問題。因此，容器內(nèi)的耐火材料是研發(fā)的核心領(lǐng)域之一。一方面，由于等離子體火焰輻射產(chǎn)生的高熱負(fù)荷和高FeO含量爐渣的化學(xué)侵蝕，耐火材料中的氧化物被多余的氫還原；另一方面，由于部分氫氣會伴隨水蒸氣溢出，氫氣沒能全部用于還原鐵礦石。根據(jù)奧地利某礦業(yè)大學(xué)的研究結(jié)果，通過底部吹掃系統(tǒng)注入氣體而產(chǎn)生的泡沫渣，可保護(hù)耐火材料內(nèi)襯，免受高熱沖擊；而容器的內(nèi)襯可考慮采用炭質(zhì)或碳化硅質(zhì)耐火材料。

　　結(jié)束語

　　在“雙碳”背景下，氫冶金技術(shù)受到國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)的關(guān)注。制氫方法種類多，但由水制取綠色純氫成本高，特別是制取氫等離子體價格昂貴，使許多鋼鐵企業(yè)望而卻步。因此，我國當(dāng)前的氫冶金工藝主要有高爐富氫冶煉和直接還原鐵兩種：高爐富氫冶煉減碳幅度為10%～20%，效果有限；而直接還原的氣基豎爐工藝能夠從源頭上控制碳排放，較高爐富氫排放減碳50%以上，是迅速擴(kuò)大直接還原鐵生產(chǎn)的有效途徑。在獲得大規(guī)模低成本氫氣之前，利用天然氣、焦?fàn)t煤氣和其他含氫工業(yè)氣體作為還原劑是合適的。