使用氢气操作直接还原竖炉与传统的基于碳的工艺相比，会产生根本不同的应力环境。主要挑战源于氢气能够化学还原——或“剥离”——标准耐火材料中的氧气，再加上其渗透多孔结构和快速传导热量的倾向。
核心见解：在炉内，氢气就像是氧气的微观溶剂。其分子尺寸小，能够深入渗透到炉衬内部，而其对氧气的化学亲和力则会破坏构成耐火材料强度的氧化物，如果使用标准材料，将不可避免地导致结构失效。
氢气侵蚀机理
氧化物的化学不稳定性
最严峻的挑战是氢气的强还原性。传统的耐火炉衬由氧化物（氧与金属的化合物）组成。
在高温氢气环境中，会发生化学反应，氢气基本上会从这些化合物中“窃取”氧气。这个过程会损害材料的化学完整性，导致其从内到外降解。
结构坍塌
当耐火材料中的氧化物发生还原时，材料会失去其内聚力。维持固体结构的化学键会被破坏。
这会导致严重的结构损坏，通常表现为炉衬的碎裂、粉化或完全丧失机械强度。
物理和热屏障
渗透性问题
由于其分子尺寸极小，氢气具有高渗透性。与较大的气体分子不同，氢气可以轻易地渗过标准耐火砖的微观孔隙。
这使得密封能力成为一项至关重要的挑战。如果炉衬无法有效容纳气体，炉壳将暴露在危险的热量和反应性气体中。
隔热困难
氢气具有高导热性。它比传统高炉或气基还原竖炉中的气体更有效地传递热量。
这使得炉衬的隔热性能面临更高的要求。耐火材料必须更努力地工作，以防止热量损失并保护外层钢壳免受过热。
理解权衡
材料惰性与可用性
为了对抗氢气还原，工程师必须摒弃通用耐火材料。重点必须转移到在纯净或混合氢气环境中不反应的材料上。
氧化铝解决方案
根据行业数据，在这些环境中通常会选择高氧化铝或氧化铝硅酸盐。与其他的氧化物基耐火材料相比，这些材料对氢气侵蚀具有更优越的抵抗力。
设计的复杂性
然而，选择正确的材料还不够；设计执行同样至关重要。由于氢气具有高度扩散性，炉衬需要专门的施工技术来确保高密封性。
您正在用复杂的、高性能的系统来替代普通砌体的简单性，这些系统必须平衡材料的化学惰性与极高的气密性。
为您的目标做出正确选择
在为基于氢气的直接还原选择耐火炉衬时，您必须将化学稳定性和容纳性置于首位。
- 如果您的主要重点是耐用性：优先选择高氧化铝或氧化铝硅酸盐成分，因为它们对氢气的还原作用具有最高的抵抗力。
- 如果您的主要重点是热效率：确保炉衬设计考虑到氢气的高导热性，通过增加隔热层厚度或密度来防止炉壳过热。
- 如果您的主要重点是安全性：专注于高密封性，以减轻氢气的高渗透性并防止气体通过炉衬泄漏。
氢气竖炉的成功不仅取决于保持热量，还取决于防止气体化学分解容纳它的容器。
总结表：
| 挑战类别 | 氢气的主要影响 | 对耐火材料的影响 |
|---|---|---|
| 化学稳定性 | 氢气从金属氧化物中剥离氧气 | 结构坍塌、碎裂和内聚力丧失 |
| 渗透性 | 分子尺寸小，允许深度渗透 | 气体容纳能力差，对炉壳有风险 |
| 导热性 | 气体快速传热 | 热量损失增加，外壳过热风险 |
| 材料选择 | 标准氧化物具有高度反应性 | 需要专门的高氧化铝或氧化铝硅酸盐 |
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参考文献
- Yuzhang Ji, Weijun Zhang. Development and Application of Hydrogen-Based Direct Reduction Iron Process. DOI: 10.3390/pr12091829
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
