H2DRI氢直接还原铁磷含量控制方法

在钢铁冶金领域，氢冶金作为实现低碳甚至零碳排放的关键路径，正逐步从实验室走向工业化应用。其中，氢直接还原铁（Hydrogen-based Direct Reduced Iron, H2DRI）技术因其在还原过程中以氢气替代传统化石燃料，大幅降低CO₂排放而备受关注。然而，尽管该技术在环保方面优势显著，其在原料适应性、产品纯净度及关键杂质控制方面仍面临诸多挑战。其中，磷（P）作为影响钢材韧性和加工性能的有害元素，其含量的精确控制成为制约H2DRI技术大规模推广的核心瓶颈之一。

磷在铁矿石中主要以磷酸盐或类质同象形式存在，如磷灰石（Ca₅(PO₄)₃F）或铁磷矿物。在传统高炉-转炉流程中，磷的脱除主要依赖炉渣碱度调控，通过高碱度渣将磷固定于渣相。然而，H2DRI工艺在还原温度通常为700–900℃，远低于高炉的1400℃以上，且无熔渣相形成，导致传统脱磷机制难以适用。因此，磷在还原过程中基本不被去除，反而因铁相富集而浓度升高，造成最终产品——直接还原铁（DRI）中磷含量超标，无法满足高端钢材生产要求。

为有效控制H2DRI产品中磷含量，需从原料预处理、还原过程调控和后续精炼三个环节协同优化。首先，在原料选择阶段，应优先采用低磷铁矿石，如澳大利亚的皮尔巴拉粉矿或巴西的卡拉加斯矿，其原生磷含量可控制在0.05%以下。对于高磷矿，则需引入预处理技术，如选择性破碎-磁选、浮选脱磷或化学浸出。其中，酸浸法（如稀硫酸或盐酸处理）可溶解磷酸盐矿物，实现磷的选择性去除。实验表明，在pH=1–2、温度60–80℃条件下，处理时间2–4小时，可使矿石磷含量降低30%–60%，同时铁损失率控制在5%以内。

进入还原阶段，尽管低温环境限制了磷的挥发或化学迁移，但通过调控还原气氛与动力学条件，仍可实现一定程度的磷分布调控。研究表明，氢气还原过程中，铁氧化物被逐步还原为金属铁，形成海绵铁结构。在此过程中，若引入微量的氧化性气体（如CO₂或H₂O），可在局部形成弱氧化环境，促使磷以P₂O₅形式部分挥发或与钙、镁等元素形成磷酸盐前驱体，为后续精炼创造脱磷条件。例如，在还原后期通入0.5%–1.0%的H₂O蒸气，可促进磷向表面迁移，提高其在后续渣金界面反应中的去除效率。

此外，还原温度与停留时间也需精准控制。温度过高（>950℃）可能导致海绵铁烧结致密化，阻碍磷的扩散；而温度过低则还原速率慢，影响产能。理想还原区间为800–850℃，配合适当的气体流速与料层透气性，可维持多孔结构，增强磷的界面迁移能力。同时，延长还原时间虽有助于提高金属化率，但可能加剧磷的富集，因此需通过在线监测金属化率与磷分布，动态调整工艺参数。

在DRI出炉后，若磷含量仍偏高，可结合后续精炼环节进行深度脱磷。一种可行方案是将DRI直接热装进入电弧炉（EAF），并采用高碱度渣（CaO/SiO₂ > 3）配合氧化性气氛，在高温（>1550℃）下实现磷的氧化与渣相固定。此时，磷以P₂O₅形式进入渣相，与CaO反应生成稳定的磷酸钙（Ca₃(PO₄)₂）。为提升脱磷效率，可添加萤石（CaF₂）降低渣黏度，或引入氧化铁皮（FeO）提高渣中FeO含量，促进磷的氧化。

值得注意的是，上述各环节需形成闭环控制体系。通过在线光谱分析、X射线荧光（XRF）或激光诱导击穿光谱（LIBS）技术，实时监测矿石与DRI中的磷含量，结合智能算法优化工艺参数，实现从原料到成品的全流程磷含量动态管理。例如，某示范项目通过建立磷含量预测模型，将DRI磷含量稳定控制在0.015%以下，满足汽车板、电工钢等高端钢材的原料标准。

综上所述，H2DRI工艺中的磷含量控制是一项系统工程，需突破传统冶金思维，融合多阶段协同策略。随着氢冶金技术的成熟与智能化控制手段的完善，低磷、高纯DRI的大规模生产将成为现实，为绿色钢铁工业提供坚实支撑。未来，进一步优化脱磷效率、降低能耗与成本，将是推动该技术全面产业化的关键方向。