魏志江

（河鋼宣鋼）

摘要：釩鈦磁鐵礦作為一種重要的戰略礦產資源，其傳統的冶煉工藝存在資源利用率低、環境污染嚴重等問題。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、中國鋼研純氫多穩態豎爐技術、龍佰集團外加熱豎爐反應系統等創新實踐的案例分析，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濟挑戰及未來發展方向，為釩鈦磁鐵礦資源綠色低碳轉型提供了理論依據和技術參考。

關鍵詞：氫冶金；釩鈦磁鐵礦；低碳冶煉；元素提?。毁Y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略資源，具有極高的綜合回收價值。然而，在傳統的"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，造成了戰略資源的嚴重浪費。同時，傳統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"戰略目標背道而馳。隨著全球綠色低碳轉型的加速，開發釩鈦磁鐵礦綠色高效利用新技術已成為行業迫切需求。氫冶金作為冶金工業的前沿技術，以氫氣作為還原劑替代傳統的煤炭和焦炭，從根本上改變了冶金過程的物質流和能量流，被視為鋼鐵工業實現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出廣闊前景。

本文系統梳理了氫冶金技術在釩鈦磁鐵礦低碳高效提素領域的創新實踐，結合河鋼集團、中國鋼研、龍佰集團等企業的技術突破，深入分析了氫冶金的技術原理、優勢特征與應用效果，并對技術發展趨勢與挑戰進行了展望，以期為行業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）

與傳統碳冶金相比，氫冶金反應產物為水蒸氣，避免了二氧化碳的生成，從源頭實現了低碳冶煉。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模連續生產，是當前工程化應用的主要方向。微波-氫協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

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。

（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。傳統工藝中，渣中灰分高導致鈦渣品位過低，無法實現經濟有效的鈦提取。

（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有價元素的選擇性還原。

針對這些挑戰，河鋼集團等企業開發出"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  關鍵技術實踐與數據分析

3.1河鋼集團氫基還原-電爐熔分工藝

河鋼集團自主研發的國內首條基于氫冶金的釩鈦磁鐵礦熔分電爐中試產線，于2025年9月順利產出含釩鐵水以及TiO₂含量達45%的優質熔分鈦渣，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。

該工藝的核心創新在于：

(1)氫基還原系統。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%的預還原產品。

(2)電爐精準熔分系統。自主開發專用熔分電爐設備與配套工藝，實現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工藝技術指標對比見表2。

表2.河鋼氫冶金工藝與傳統工藝技術指標對比

該工藝實現了鐵、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%，顯著優于現有工藝。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工藝流程示意圖如圖1所示：

圖1. 河鋼氫冶金工藝與傳統工藝流程示意圖

3.2中國鋼研純氫多穩態豎爐技術

中國鋼研研發了擁有自主知識產權的基于純氫冶金釩鈦磁鐵礦工業化高效分離技術，建成并穩定運行全球首條5萬噸級純氫多穩態豎爐示范生產線。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力產業基地"。該技術的主要特點包括：

（1）多穩態豎爐設計。通過獨特的爐體結構和氣流分布系統，實現爐內物料運動和還原狀態的穩定控制，保證連續高效生產。

（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，實現全流程近零碳排放。

（3）系統集成優化。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。

該項目的實施將發揮純氫冶金處理釩鈦磁鐵礦的創新引領作用，實現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業新生態。

3.3龍佰集團外加熱豎爐反應系統

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

（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，實現反應段的均勻加熱和溫度精確控制。

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

（3）爐氣循環。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與進氣系統，實現未反應氫氣的回收利用。

該系統在還原過程中適當補碳，年產量10萬t以上，氫氣利用率不低于84%，Fe元素金屬化率可達到90%以上，為釩鈦磁鐵礦氫冶金產業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。專門針對傳統工藝難以經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）多單位協同攻關。由重慶大學作為牽頭單位，聯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"雙碳"目標的實現。

4  技術經濟與環境效益分析

4.1碳排放對比分析

氫冶金技術最顯著的優勢在于其低碳特性。與傳統碳冶金工藝相比，氫冶金可從源頭降低二氧化碳排放。根據不同工藝路線的數據對比見表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突出。

（1）元素回收率大幅提升。傳統高爐-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%），無法實現經濟有效的鈦提取。而氫基還原-電爐熔分工藝產出的鈦渣TiO₂含量高達45%，為后續鈦提取提供了優質原料。

（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，可有效處理傳統工藝難以經濟利用的礦產資源，擴大戰略資源儲備。

4.3技術經濟性分析

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、電爐系統及環保設施等。以"釩鈦低碳氫冶金工藝、關鍵技術及工業化集成"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、稅收優惠）等。以釩鈦綜合回收為例，高品質鈦渣（TiO₂含量45%）可實現經濟有效的鈦提取，創造顯著經濟效益。

5  結語

(1)氫冶金技術為解決釩鈦磁鐵礦傳統冶煉工藝中的資源利用率低、環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%，技術指標顯著優于現有工藝。

(2)氫冶金技術具有顯著的低碳環保優勢，可實現降低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氫氣利用率不低于84%），為鋼鐵工業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)技術集成與優化。來氫冶金技術將更加注重系統集成優化，通過"綠電

-綠氫-純氫冶金-資源高效利用"全流程協同，實現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?；ｋS著可再生能源成本下降和制氫規模擴大，綠氫經濟性將顯著提升，為氫冶金大規模商業化應用創造條件。預計到2030年，氫冶金項目的投資和運營成本將降低20-30%，具備與傳統工藝競爭的能力。

（3）政策支持與標準建立。政府將繼續加大對氫冶金技術研發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，為行業健康發展提供保障。

（4）產業鏈協同與生態構建。氫冶金技術的發展需要鋼鐵、能源、化工

等不同產業的協同創新，構建"氫能-鋼鐵-化工"聯產等新型產業生態。如利用鋼鐵廠副產煤氣制氫，或將冶金過程與化工過程耦合，實現物質流和能量流的梯級利用。

氫冶金技術作為鋼鐵工業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下降，氫冶金將為我國鋼鐵工業實現"雙碳"目標、提升資源保障能力提供關鍵支撐。

參考文獻

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