浦项钢铁公司的HyREX®工艺是一套氢基炼铁技术方案，采用流化床还原+电熔炼路线，具备原料适应性广的优势。本文对比HyREX®与传统氢基炼铁路线，详述流化床、电熔分炉（ESF）研发过程中的技术难点与突破，并给出示范项目及商业化落地战略路线图。浦项钢铁通过系统性研发、中试试验与工程合作，计划将HyREX®打造为全球钢铁行业可规模化、具备经济性的脱碳技术路线。
为应对脱碳需求，包括韩国在内的120多个国家已承诺到2050年实现碳中和。钢铁行业正面临来自政府、客户和投资者日益增长的压力，要求其采用低碳生产技术。浦项钢铁（POSCO）公司已承诺在2050年前实现碳中和，并计划到2035年削减30%的碳排放、到2040年削减50%。HyREX®工艺（简称：氢还原工艺）是浦项钢铁在氢基炼铁方面的旗舰创新技术。该工艺旨在直接应对传统竖炉基直接还原铁-电弧炉（DRI-EAF）路线的局限性，提供一种在技术上更先进、经济上更可行的替代方案，同时最大限度地保障生产连续性和钢的质量。
传统氢基炼铁工艺一般以高品位球团矿为原料，采用竖炉还原搭配EAF生产，但该路线存在高品位铁矿资源稀缺、电弧炉冶炼钢水增氮、炉渣处理困难等短板。与之不同，HyREX®分为两道核心工序：多级流化床反应器（FBR）内利用氢气还原铁矿粉，之后送入电熔分炉（ESF）并少量增碳熔炼。该工艺专门适配低成本烧结矿，此类原料储量充足、贸易流通量大。电熔分炉产出与高炉成分相近的铁水，铁收得率高且炉渣可循环利用。同时该工艺可沿用现有炼钢配套设施，可满足高端钢种冶炼品质要求。
HyREX®的开发工作是基于浦项钢铁此前在流化床（FINEX®）和电熔炼（SNNC公司镍铁生产项目）方面的经验。在21世纪初，浦项钢铁将流化床技术商业化，并且此后积累了20年的运营经验。此外，浦项钢铁的子公司SNNC运行着大规模的ESF技术用于镍铁生产，并在建设、维护和运营方面拥有丰富的经验。基于这一技术基础，HyREX®有望实现快速商业化开发。 3.1流化床反应器研发 关键技术创新聚焦于将流化床反应器应用于氢还原方面。 3.1.1流态化与反应器设计 由于氢气的密度、黏度较低，流化速度需比FINEX®条件提高约40%。冷模型试验与计算流体力学（CFD）模拟证实，在这些修订后的参数下流化过程是稳定的。 3.1.2多级还原验证 为模拟四级还原过程，开发了实验室和中试两套试验装置。实验室装置用于跟踪重量损失，以分析现场动力学；中试装置则处理实际尺寸的铁矿颗粒。试验结果表明，在目标条件下金属化率超过90%。在反应器4和3中，还原过程达到Fe3O4和Fe的平衡程度。在反应器2中开始金属化，在反应器1中金属化率可达90%。对不同气体组成、铁矿种类以及气体与矿石比（GOD）进行了测试，获得了全面的数据，可用于设计输入和运行建模。 3.1.3减少铁矿粘附并确保流动性 还原过程中常因形成针状晶须而引起粘附，这会干扰流化过程。与CO还原相比，采用氢气还原澳大利亚铁矿石时，未发现晶须形成与粘附现象。其原因在于前期氢气还原速度快，且脉石（氧化铝）中的元素可能起到保护作用，防止晶须的生成。 氢气还原得到的粉状DRI流动性，是保障后续工序稳定给料的关键。采用小型流变仪对粉状DRI高温流动性开展测试。结果表明，氢气还原DRI的流动性远优于CO还原产物。部分矿种在高温下粘附性极强，而绝大多数矿种可保持稳定流动。该差异来源于还原后物料颗粒形貌的区别。 3.1.4氢气加热与煤气循环利用 将氢气加热至所需的还原温度在技术上具有挑战性。从能源利用的角度来看，电阻加热比使用氢气作为燃料的辐射/对流燃烧器、部分氧化以及电阻式电加热等其他方式更为有利。然而，可再生能源在区域内的可用性可能会影响经济可行性。目前，各项措施正通过中试装置进行研究，以评估其能耗和设备投资成本。综合考虑投资成本和整体效率，混合加热方式可能是较为合适的解决方案。 为提升氢气利用率，配套煤气循环系统。工艺管线依据热平衡与安全余量设计，保障高还原度；流化床全部外排烟气循环回用，部分循环烟气经过杂质净化处理，稳定还原气体品质。 3.2电熔分炉（ESF）研发 ESF依托SNNC镍铁熔炼成熟技术开发，核心特点包括：1）炉体结构坚固，适配长周期稳定生产；2）可适配多种形态DRI进料；3）强化冷却系统、优化耐火材料选型；4）电极支持刷弧、埋弧两种控制模式；5）炉渣调控设计，实现循环利用；6）配套烟气处理系统，回收能源、控制污染物。 原位X射线成像显示，块状DRI与粉状DRI具有不同的行为特征。粉状DRI由于表面张力、渗碳和熔融作用，在堆积形成后容易发生漂浮。该观测结果揭示了ESF内熔融和渗碳过程的机理，凸显了不同DRI粒径所表现出的不同行为。这表明，必须在熔融炉渣上形成悬浮的原料料层，以确保充分的熔融和渗碳。堆积应尽可能靠近电极形成，但同时需留出一定距离，以避免短路。 为研究氢还原DRI熔融特性，采用300kVA直流电弧炉开展熔炼试验，适配低金属化DRI、热压块铁、渗碳剂、各类辅料冶炼工况。模拟ESF刷弧冶炼工况，取100kg试验产出氢气还原DRI粉配渗碳剂、辅料熔炼，铁水碳含量最高可达3.9%，接近ESF设计目标。为开展全维度试验，浦项钢铁公司旗下浦项钢铁厂区于2023年1月至2024年4月搭建中试电熔分炉，设计产能1t/h，配套2.5MA三相变压器、三支电极；设备可连续冶炼含铁原料，分设铁水、炉渣独立出铁口间歇出渣出铁；外置风机抽取炉内烟气，维持微负压炉内环境。 目前，在中试ESF装置上已进行两次试验，碳含量最高达3%。共生产了40吨铁水，碳含量为3%，低于目标值。这主要是由于硅还原过度并溶解到铁水中所致。由于炉体尺寸相对于电弧区较小，炉料存在过热现象。 3.3仿真与工艺优化工具 HyREX®配套自研数字化仿真工具，基于Python语言搭建，嵌入Pymo优化库，可在数秒内求解大规模非线性计算问题，用于工艺方案设计、原料与流程配置评估。现阶段持续迭代，新增流化床、ESF反应动力学、热力学预测模块。 浦项钢铁联合高校、科研院所开发电熔分炉仿真模型，模型最初适配SNNC镍铁ESF并通过生产数据验证，现已改造适配HyREX®电熔炼工况，可模拟预测铁水、炉渣、烟气温度、物料量、组分。
浦项钢铁HyREX®技术路线依托成熟技术储备，跳过中间放大中试阶段，直接从实验室验证推进至30万吨/年示范厂。示范厂选址浦项钢铁厂区，联合普锐特冶金技术有限公司完成基础工程设计，待政府资金落地、审批完成后开工建设。示范厂将全面验证HyREX®全流程，包含原料输送、还原反应、熔炼性能、能源平衡、与现有炼钢系统衔接。待示范项目稳定运行后，规划建设250万吨/年商业化HyREX®生产线，分阶段替代传统高炉。 浦项钢铁联合多方机构推进HyREX®工艺研发，合作对象涵盖国内外企业、高校及科研院所。组建HyREX®研发合作联盟，搭建技术交流、研发进度共享、联合开发合作平台，面向全钢铁行业机构与企业开放。HyREX®研发与前期工程项目获得韩国产业技术规划评估院（KEIT）、产业部资金扶持，示范工厂的政府专项资助正在筹备申报中。
浦项钢铁HyREX®工艺是一套具备规模化应用潜力、可持续发展的氢基炼铁技术路线。该工艺可利用储量丰富的低品位铁矿石，融合先进流化床与熔融冶炼技术，同时兼容现有炼钢配套设施，解决了传统DRI-EAF工艺存在的多项经济、技术瓶颈。目前已完成核心还原、熔融工序的实验室与小型中试验证，开发出先进流程模拟与优化工具，示范工厂设计方案也基本敲定。浦项钢铁表示，今后将持续加大研发投入、联动全产业链合作方、深化政企协同，推动HyREX®工艺全面落地，使其成为钢铁行业脱碳核心技术。
