魏志江

（河鋼宣鋼）

摘要：釩鈦磁鐵礦作為一種重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，其傳統(tǒng)的冶煉工藝存在資源利用率低、環(huán)境污染嚴重等問題。本文針對釩鈦磁鐵礦綠色高效利用的技術難題，系統(tǒng)研究了氫冶金技術在釩鈦磁鐵礦鐵、釩、鈦等有價元素同步提取中的實踐應用。通過對河鋼集團氫基還原-電爐熔分工藝、中國鋼研純氫多穩(wěn)態(tài)豎爐技術、龍佰集團外加熱豎爐反應系統(tǒng)等創(chuàng)新實踐的案例分析，揭示了氫冶金技術在提高元素回收率、降低碳排放方面的顯著優(yōu)勢。研究結果表明，氫冶金技術可使釩、鈦綜合回收率均超過85%，TiO₂品位達45%以上，同時從源頭降低碳排放約40-70%。本文還探討了氫冶金技術面臨的技術經(jīng)濟挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向，為釩鈦磁鐵礦資源綠色低碳轉型提供了理論依據(jù)和技術參考。

關鍵詞：氫冶金；釩鈦磁鐵礦；低碳冶煉；元素提??；資源利用

1  前言

釩鈦磁鐵礦是一種富含鐵、釩、鈦等多種有價元素的特色戰(zhàn)略資源，具有極高的綜合回收價值。然而，在傳統(tǒng)的"高爐-轉爐"冶煉工藝中，鐵元素回收較為充分，但釩資源回收率普遍偏低，鈦資源難以有效利用，造成了戰(zhàn)略資源的嚴重浪費。同時，傳統(tǒng)碳基冶煉工藝還面臨能耗高、污染重、碳排放強度大等問題，與我國"雙碳"戰(zhàn)略目標背道而馳。隨著全球綠色低碳轉型的加速，開發(fā)釩鈦磁鐵礦綠色高效利用新技術已成為行業(yè)迫切需求。氫冶金作為冶金工業(yè)的前沿技術，以氫氣作為還原劑替代傳統(tǒng)的煤炭和焦炭，從根本上改變了冶金過程的物質流和能量流，被視為鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)深度脫碳的重要路徑。特別是在釩鈦磁鐵礦這一復雜多金屬資源利用領域，氫冶金技術通過"氫基還原"與"精準熔分"的有機結合，為鐵、釩、鈦等元素的同步高效提取提供了全新解決方案。近年來，隨著可再生能源制氫成本的下降和氫能基礎設施的完善，氫冶金技術正從實驗室研究走向工程化應用，在釩鈦磁鐵礦資源利用領域展現(xiàn)出廣闊前景。

本文系統(tǒng)梳理了氫冶金技術在釩鈦磁鐵礦低碳高效提素領域的創(chuàng)新實踐，結合河鋼集團、中國鋼研、龍佰集團等企業(yè)的技術突破，深入分析了氫冶金的技術原理、優(yōu)勢特征與應用效果，并對技術發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)進行了展望，以期為行業(yè)綠色低碳轉型提供參考。

2  氫冶金技術概述

2.1  氫冶金基本原理

氫冶金的基本原理是以氫氣(H₂)作為主要還原劑，將金屬氧化物還原為金屬單質或低價金屬氧化物的過程。對于釩鈦磁鐵礦這一復雜體系，其主要還原反應包括：

鐵氧化物的還原:Fe₂O₃+3H₂→2Fe+3H₂O

釩氧化物的還原:V₂O₅+5H₂→2V+5H₂O

鈦氧化物的還原:TiO₂+ 2H₂→Ti+2H₂O（高溫條件下）

與傳統(tǒng)碳冶金相比，氫冶金反應產(chǎn)物為水蒸氣，避免了二氧化碳的生成，從源頭實現(xiàn)了低碳冶煉。研究表明，在理想條件下，氫冶金工藝可降低碳排放約70%以上。

2.2  氫冶金技術分類

根據(jù)反應器類型和工藝特點，氫冶金技術主要分為以下幾類。

氫冶金技術分類及特點見表1。

表1.氫冶金技術分類及特點

流化床氫還原技術適用于細粒級釩鈦磁鐵礦，在氣流量1000 mL/min、還原溫度850℃、還原時間30分鐘、H₂濃度80%的最佳條件下，可使礦石金屬化程度達到90.22%。豎爐氫還原技術則更適于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，是當前工程化應用的主要方向。微波-氫協(xié)同還原作為一種新興技術，利用微波的選擇性加熱特性，可實現(xiàn)低溫高效還原，在1100℃、60%H₂條件下還原40分鐘，金屬化率可達92.2%。

2.3  釩鈦磁鐵礦氫冶金的技術挑戰(zhàn)

釩鈦磁鐵礦的氫冶金過程較普通鐵礦更為復雜，主要面臨以下技術挑戰(zhàn)。

（1）元素分離困難。鐵、釩、鈦在礦石中以復雜氧化物形式共存，還原過程中易形成Fe_9.64Ti_0.36等難還原中間相，阻礙金屬鐵顆粒的進一步聚集。

（2）鈦渣品位偏低。傳統(tǒng)工藝中，渣中灰分高導致鈦渣品位過低，無法實現(xiàn)經(jīng)濟有效的鈦提取。

（3）反應控制復雜。不同氧化物對氫氣的反應活性差異大，需要精確控制還原條件以實現(xiàn)有價元素的選擇性還原。

針對這些挑戰(zhàn)，河鋼集團等企業(yè)開發(fā)出"氫基還原-電爐熔分"整體解決方案，通過攻克"氫基還原"與"精準熔分"兩大關鍵技術難題，實現(xiàn)了"釩高效還原進入鐵水、鈦富集進入熔渣"的關鍵控制目標。

3  關鍵技術實踐與數(shù)據(jù)分析

3.1河鋼集團氫基還原-電爐熔分工藝

河鋼集團自主研發(fā)的國內首條基于氫冶金的釩鈦磁鐵礦熔分電爐中試產(chǎn)線，于2025年9月順利產(chǎn)出含釩鐵水以及TiO₂含量達45%的優(yōu)質熔分鈦渣，標志著我國在釩鈦磁鐵礦資源綠色高效利用方面取得重大突破。

該工藝的核心創(chuàng)新在于：

(1)氫基還原系統(tǒng)。采用純氫或富氫氣體作為還原劑，在專用豎爐中對釩鈦磁鐵礦進行預還原，生成金屬化率超過90%的預還原產(chǎn)品。

(2)電爐精準熔分系統(tǒng)。自主開發(fā)專用熔分電爐設備與配套工藝，實現(xiàn)鐵水與鈦渣的高效分離，并控制釩的走向與分配。

河鋼氫冶金工藝與傳統(tǒng)工藝技術指標對比見表2。

表2.河鋼氫冶金工藝與傳統(tǒng)工藝技術指標對比

該工藝實現(xiàn)了鐵、釩、鈦三種元素"同步、高效、低碳提取"的全組分核心技術突破，釩、鈦綜合回收率均超過85%，顯著優(yōu)于現(xiàn)有工藝。同時，依托氫冶金技術核心，從源頭顯著降低了全流程碳排放，為鋼鐵工業(yè)的綠色低碳轉型提供了關鍵的技術路徑。

河鋼氫冶金工藝與傳統(tǒng)工藝流程示意圖如圖1所示：

圖1. 河鋼氫冶金工藝與傳統(tǒng)工藝流程示意圖

3.2中國鋼研純氫多穩(wěn)態(tài)豎爐技術

中國鋼研研發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權的基于純氫冶金釩鈦磁鐵礦工業(yè)化高效分離技術，建成并穩(wěn)定運行全球首條5萬噸級純氫多穩(wěn)態(tài)豎爐示范生產(chǎn)線。該技術于2025年4月與新疆昆侖鋼鐵有限公司簽署合作協(xié)議，共同建設"綠電-綠氫-純氫冶金-釩鈦磁鐵等伴生礦新質生產(chǎn)力產(chǎn)業(yè)基地"。該技術的主要特點包括：

（1）多穩(wěn)態(tài)豎爐設計。通過獨特的爐體結構和氣流分布系統(tǒng)，實現(xiàn)爐內物料運動和還原狀態(tài)的穩(wěn)定控制，保證連續(xù)高效生產(chǎn)。

（2）全流程綠氫耦合。利用新疆豐富的風電、光伏資源制備綠氫，實現(xiàn)全流程近零碳排放。

（3）系統(tǒng)集成優(yōu)化。將純氫冶金與釩鈦資源高效利用技術有機結合，形成完整的技術解決方案。

該項目的實施將發(fā)揮純氫冶金處理釩鈦磁鐵礦的創(chuàng)新引領作用，實現(xiàn)釩鈦資源高效高質利用，構建氫冶金近零碳排放體系，打造純氫冶金技術產(chǎn)業(yè)新生態(tài)。

3.3龍佰集團外加熱豎爐反應系統(tǒng)

龍佰四川礦冶有限公司與西南交通大學聯(lián)合開發(fā)了"用于釩鈦鐵精礦氫氣直接還原的外加熱豎爐反應系統(tǒng)及方法"，已申請國家發(fā)明專利(公開號CN120119055A)。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于：

（1）外加熱設計。采用感應加熱傳熱體、感應加熱線圈和絕緣保溫材料組成的外加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)反應段的均勻加熱和溫度精確控制。

（2）環(huán)形進氣腔。在冷卻段靠近反應段的位置設置環(huán)形進氣腔，保證氫氣均勻分布和高效利用。

（3）爐氣循環(huán)。通過氣相重整反應器、布袋除塵器、儲氣罐和干燥氫氣源組成的爐氣循環(huán)與進氣系統(tǒng)，實現(xiàn)未反應氫氣的回收利用。

該系統(tǒng)在還原過程中適當補碳，年產(chǎn)量10萬t以上，氫氣利用率不低于84%，F(xiàn)e元素金屬化率可達到90%以上，為釩鈦磁鐵礦氫冶金產(chǎn)業(yè)化提供了又一條可行路徑。

氫冶金關鍵技術指標對比見表3。

表3.氫冶金關鍵技術指標對比

3.4重慶大學青年科學家項目—低品位礦氫冶金技術

針對低品位釩鈦磁鐵礦資源化利用的難題，重慶大學牽頭承擔了國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目"低品位釩鈦磁鐵礦氫冶金與資源高效提取前沿技術探索"，該項目于2025年5月正式啟動。該項目的特點和目標是：

（1）面向低品位礦。專門針對傳統(tǒng)工藝難以經(jīng)濟利用的低品位釩鈦磁鐵礦，擴大資源利用范圍。

（2）前沿技術探索。重點研究氫基選擇性還原和電熔爐高效熔分等前沿技術，構建"還原-熔分-分離"一體化技術體系。

（3）多單位協(xié)同攻關。由重慶大學作為牽頭單位，聯(lián)合清華大學和中國科學院過程工程研究所等頂尖科研機構共同攻關。

該項目以氫基選擇性還原和電熔爐高效熔分為核心，不僅有望實現(xiàn)鐵、釩、鈦的高效回收，更將為低品位礦的清潔利用提供解決方案，助力鋼鐵行業(yè)"雙碳"目標的實現(xiàn)。

4  技術經(jīng)濟與環(huán)境效益分析

4.1碳排放對比分析

氫冶金技術最顯著的優(yōu)勢在于其低碳特性。與傳統(tǒng)碳冶金工藝相比，氫冶金可從源頭降低二氧化碳排放。根據(jù)不同工藝路線的數(shù)據(jù)對比見表4.不同冶煉工藝碳排放與能耗對比表。

表4.不同冶煉工藝碳排放與能耗對比

采用氫基豎爐短流程低碳氫冶金工藝可實現(xiàn)降低CO₂排放約40%，比國外同類技術降低能耗約5-10%。如果使用綠氫（可再生能源制氫）作為還原劑，減排比例更是高達85-95%，近乎實現(xiàn)零碳排放。

4.2資源利用效率分析

氫冶金技術在提高釩鈦磁鐵礦資源綜合利用效率方面表現(xiàn)突出。

（1）元素回收率大幅提升。傳統(tǒng)高爐-轉爐工藝中，釩回收率普遍低于60%，鈦資源難以有效利用，回收率不足30%。而河鋼氫冶金工藝使釩、鈦綜合回收率均超過85%，資源利用效率顯著提高。

（2）鈦渣品質明顯改善。國外煤基直接還原－電爐熔分工藝因渣中灰分高導致鈦渣品位過低（TiO ₂<30%），無法實現(xiàn)經(jīng)濟有效的鈦提取。而氫基還原-電爐熔分工藝產(chǎn)出的鈦渣TiO₂含量高達45%，為后續(xù)鈦提取提供了優(yōu)質原料。

（3）資源利用范圍擴展。氫冶金技術特別適用于低品位、復雜難處理釩鈦磁鐵礦的利用，通過氫基選擇性還原和精準熔分，可有效處理傳統(tǒng)工藝難以經(jīng)濟利用的礦產(chǎn)資源，擴大戰(zhàn)略資源儲備。

4.3技術經(jīng)濟性分析

雖然氫冶金技術目前前期投資成本較高，但其長期綜合效益顯著。

（1）投資構成。氫冶金項目投資主要包括制氫設備、還原反應器、電爐系統(tǒng)及環(huán)保設施等。以"釩鈦低碳氫冶金工藝、關鍵技術及工業(yè)化集成"項目為例，其技術需求價格達3980萬元。

（2）運營成本。主要運營成本來自氫氣、電力和維護費用。其中氫氣成本占比較大，隨著可再生能源制氫成本下降（預計2030年綠氫成本將降至約15元/kg），氫冶金運營成本將進一步降低。

（3）綜合收益。包括碳減排收益（碳交易市場）、資源綜合利用收益（釩、鈦等高價值元素）、政策支持（綠色信貸、稅收優(yōu)惠）等。以釩鈦綜合回收為例，高品質鈦渣（TiO₂含量45%）可實現(xiàn)經(jīng)濟有效的鈦提取，創(chuàng)造顯著經(jīng)濟效益。

5  結語

(1)氫冶金技術為解決釩鈦磁鐵礦傳統(tǒng)冶煉工藝中的資源利用率低、環(huán)境污染重等問題提供了全新解決方案。河鋼集團"氫基還原-電爐熔分"工藝實現(xiàn)了鐵、釩、鈦三種元素"同步、高效、低碳提取"的全組分核心技術突破，釩、鈦綜合回收率均超過85%，TiO₂品位達45%，技術指標顯著優(yōu)于現(xiàn)有工藝。

(2)氫冶金技術具有顯著的低碳環(huán)保優(yōu)勢，可實現(xiàn)降低CO₂排放約40-70%，如采用綠氫作為還原劑，減排比例更可高達85-95%。同時，氫冶金還提高了氫氣利用率（龍佰集團外加熱豎爐系統(tǒng)氫氣利用率不低于84%），為鋼鐵工業(yè)綠色低碳轉型提供了關鍵技術路徑。

(3)氫冶金技術的應用范圍不斷擴展，從常規(guī)品位礦到低品位難處理礦，從實驗室研究到工程化示范，已形成多種各具特色的技術路線，包括流化床氫還原、豎爐氫還原、微波-氫協(xié)同還原等，為不同資源條件和應用場景提供了多樣化選擇。

6  展望

(1)技術集成與優(yōu)化。來氫冶金技術將更加注重系統(tǒng)集成優(yōu)化，通過"綠電

-綠氫-純氫冶金-資源高效利用"全流程協(xié)同，實現(xiàn)能源效率與資源效率的雙重提升。特別是針對釩鈦磁礦等復雜礦產(chǎn)資源，需要進一步突破氫基選擇性還原、元素定向遷移、熔分精準控制等關鍵技術。

（2）成本降低與規(guī)模化。隨著可再生能源成本下降和制氫規(guī)模擴大，綠氫經(jīng)濟性將顯著提升，為氫冶金大規(guī)模商業(yè)化應用創(chuàng)造條件。預計到2030年，氫冶金項目的投資和運營成本將降低20-30%，具備與傳統(tǒng)工藝競爭的能力。

（3）政策支持與標準建立。政府將繼續(xù)加大對氫冶金技術研發(fā)和示范的政策支持力度，包括財政補貼、綠色信貸、碳交易機制等。同時，需要盡快建立氫冶金碳減排核算方法學、綠色鋼鐵認證標準等配套制度，為行業(yè)健康發(fā)展提供保障。

（4）產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與生態(tài)構建。氫冶金技術的發(fā)展需要鋼鐵、能源、化工

等不同產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新，構建"氫能-鋼鐵-化工"聯(lián)產(chǎn)等新型產(chǎn)業(yè)生態(tài)。如利用鋼鐵廠副產(chǎn)煤氣制氫，或將冶金過程與化工過程耦合，實現(xiàn)物質流和能量流的梯級利用。

氫冶金技術作為鋼鐵工業(yè)綠色低碳轉型的重要方向，正在引領釩鈦磁鐵礦資源利用方式的革命性變革。隨著技術不斷成熟和成本持續(xù)下降，氫冶金將為我國鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)"雙碳"目標、提升資源保障能力提供關鍵支撐。

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