为什么要发展电炉炼钢短流程?

力争2030年前实现碳达峰, 2060年前实现碳中和是我国政府作出的重大战B决策, 也是向国际社会做出的庄严承诺。改革开放以来,我国钢铁工业发展迅速,粗钢产量从1978年的3178万吨(占世界比例的4.4%) ,到1996年首次突破1亿吨大关,达10124万吨 (占世界比例的13.5%) ,成为世界第一产钢大国,再到2020年突破10亿吨,达10.53亿吨 (占世界比例的56.7%) 。虽然近三年产量略有下降, 2022年仍然达到10.13亿吨,占世界比例的54%。 我国钢铁工业依然严重依赖煤基化石能源,碳排放高,占全国碳排放总量的16%左右,仅次于电力和交通, 位居第三位。因此,有效降低钢铁生产过程中碳排放已成为钢铁行业乃至国家亟待解决的重大问题。

现代钢铁治金流程主要包括以铁矿石+焦炭为主原料的高炉一转炉长流程和以废钢为主原料的电炉炼钢短流程。电炉炼钢短流程减碳的本质是使用废钢代替长流程的铁矿石+焦炭作为原料，不需要消耗作为热源和还原剂的碳。因此,全废钢电炉短流程的二氧化碳排放量是高炉一转炉炼钢的1/3或更低, 是低碳钢铁冶金流程的重要方向。当然,长流程中提高转炉的废钢比也同样減碳。

电炉钢比低是造成我国钢铁行业碳排放量大、能耗高、污染重的重要原因之一。在全球范围内,电炉钢产量占钢总产量比例已从20世纪50年代初的7.3%提高到32%-35%。其中,伊朗、土耳其、美国、印度等国家的电炉钢比均超过了50%,高者甚至超过了90%。相比之下,我国钢铁行业主要以高炉一转炉长流程为主, 转炉钢占比高达90%, 而电炉钢比低至10%左右,远低于世界平均水平。与长流程相比,全废钢电炉短流程吨钢能能约降低50%、固废排放约减少96%、废气排放约减少78%、碳排放约减少73%、大气污染物排放总量约减少90%。参照西方工业化发展历程,如果保持钢铁总量不变,到2035年,我国电炉钢比例提高到30%,可以实现二氧化碳减排约15%, 发展电炉短流程的节能减排优勢非常明显。此外, 短流程还具各即开即停、生产gaoxiao灵活、可作为城市废弃物消纳容器等特点。 因此,注重发展展以废钢为主原料电炉炼钢短流程是实现钢铁行业可持续发展的重大战略决策之一。

为什么我国电炉炼钢短流程发展困难?

上世纪80年代到90年代中期,我国电炉钢产量曾经达到20%左右。到本世纪初开始,由于我国长流程产量的迅速提高,电炉钢产量虽然也逐年提高,但占比且不断下降。中国钢铁工业协会数据显示, 2022年,中国电炉钢产量占粗钢总产量比重为9.7%,远低于30%的世界平均水平(如果不包括中国,则其他国家电炉钢比例平均达50%) 。虽然在2015-2017年间,由于打击地条钢的政策落实有力,废钢资源出现短时间的相对言裕,同时由于国家出合鼓励电炉短流程发展的相关政策，新建电炉数量出现快速增长,电炉钢产量也增长长较快。但由于总体而言废钢资源仍然短缺,价格处于高位,我国电炉钢生产效益低,甚至出现电炉炼钢行业整体亏损的局面。去年以来电炉炼钢开工率不足50%,电炉短流程的发展举步维艰。困难来自哪里？笔者认为有以下几个方面:

言先,废钢资源相对不足。虽然我国钢铁积蓄量已经超过120亿吨,但由于我国的钢材主要用于基础设施和住房建设，钢材回收周期长且困难,真正变成可用废钢的量其实并不多,且增长缓慢。据“我的钢铁铁”提供的数据, 2022年全国废钢铁资源产量总量为25978万吨,同比减少1784万吨,降幅6.43%。其中社会废钢资源量在23972万吨,钢厂自产废钢2006万吨。 也就是说, 这几年废钢的资源量基本保持在2.6亿吨左右,并没有明显的增长。这与一些机构预测的2025年和2030年我国废钢产量分别达到3.0亿吨和3.5亿吨的数据有一定差距。按照目前每年2.6亿吨废钢计算, 假设转炉废钢比为20%, 则9亿吨的转炉钢要消耗1.8亿吨废钢, 则电炉用废钢量只有0.8亿吨, 无法支撑1亿吨的电炉钢的废钢需求,追使我国电炉钢厂大量采用兑铁水工艺,铁水比从30%-80%不等。由于废钢价格居高不下,再加上电力紧张和价格高位运行, 全废钢电炉炼钢的生产成本要比长流程高出吨钢200-500元, 没有市场竟争力。而转炉采用高废钢比从经济上更有优势, 使全废钢电炉炼钢短流程失去市场竟争力。如果2030年废钢产量能达到3.5亿吨, 长流程粗钢产量降低到7亿吨, 转炉废钢比仍然按20%计重. 则可供电炉的废量为2.1亿吨, 则全废钢电炉钢产量可以达到2亿吨,占比达到22%。但实际上, 2030年废钢产量应该不到3亿吨，这样全废钢电炉钢产量占比也就是18%左右。据不完全统计,我国目前有423座电炉,粗钢产能约为2.18亿吨,即使不新建电炉也可以满足2亿吨产量的需求。因此,目前电炉产能是明显过剩,新建电炉短流程钢厂要慎重決策。

其次,我国电力短缺和电价较高。我国在发展短流程的进程中, 拉闸限电和电价过高是困扰电炉钢厂的两大问题, 断续供电和昼夜时段差价使电弧炉不能连续运行, 导致技术指标和经济效益的下降。美国当初在发展电炉短流程时得益于充足而廉价的电力。虽然由于目前全球能源供应紧张, 欧美工业电价也在持续上涨, 我国工业电价与欧美国家相比总体价格相差不多,而对于核电和水电充足的国家,再加上政策优惠,其总体电价要低于我国，再加上钢材价格比我国高,废钢价格又相对便宜,国外电炉炼钢短流程与长流程相比是有竟争力的。

第三,废钢循环环过程中有害残余元素的不断富集,容易造成钢中Cu、Sn、 Pb、As、Sb、Bi含量超标，上述残余元素引起钢材“热脆”,不仅导致热轧开裂,还恶化钢的性能，导致以废钢为主原料的电炉炼钢短流程的钢材产品质量与以铁水为主原料的长流程相比处于劣勢, 尤其是薄板类产品很难用全废钢来生产。另外,合金废钢中Ni、Nb、Mo、W、Co、RE等稀贵元素进入电炉后不仅造成资源浪费、而且也会导致钢材性能下降。尽管废钢分类、加工处理技术的发展在一定程度上可以减少有害残余元素进入钢中,废钢中添加直接还原铁、生铁和铁水也可以一定程度稀释残余元素的含量, 但废钢对钢材产品冶金质量的影响仍然不可忽视,也是阻碍电炉炼钢短流程发展的重要因素之一。

如何通过技术创新提升电炉炼钢短流程的绿色化和竞争力？

一直以来,电炉炼钢技术的发展主要围绕“节能降耗、提高生产率”目标, 从成本和效率两个方面与长流程竟争。国外发达国家在20世纪60年代至70年代,开发了超高功率电炉及相关技术。80年代, 强化用氧技术趋于成熟。90年代之后,废气的余热利用逐步受到重视,并相继研发了一大批以废钢为主要原料的电炉炼钢新工艺和新装备,其中有ABB、MAN-GHH、VAl、Clecim等公司开发的不同类型直流电葫芦, Fuchs公司的竖式电弧炉、超音速水冷氧枪等技术, Danieli公司的高阻抗交流电弧炉、基于底吹和二次燃烧技术的DANARC炉,奥钢联的Comelt、 ABB公司的ARCON、 MDH公司的CONARC和CONTIARC,此外还有双売电弧炉，徳兴公司的Consteel电葫芦,日本SPC0 公司的生态电炉等。废钢预热-连续加料技术是现代电弧炉炼钢的重要特征,当前国内外许多冶金设备制造公司依据ConsteeL电葫芦和竖式电弧炉理念研发了多种新型废钢预热-连续加热电弧炉 , 如基于水平连续加料理念研发的达涅利 FASTARC 0电弧炉 ; 基于竖式加料理念研发的西马克SHARC电葫芦、日本ECOARCTM生态电葫芦以及普瑞特Quantum电弧炉等;同时还衍新出阶梯进料型电葫芦,如中冶赛迪CISDl-AutoARCTM绿色智能电弧炉, 以及独立于电弧炉的废钢预热预热-连续加料系统,如KR公司和CVS公司联合研发的环保型炉料预热和连续加料系统EPC电炉。现代电炉采用废钢连续加料工艺,冶炼过程不开炉盖,炉内主要进行溶化和升温过程,采用大留钢、平熔池冶炼操作,经预热后的废钢连续加入到预留钢液的电炉内,通过“电弧加热钢液-钢液加热废钢”的间接加热方式实现废钢升温及熔化,大大提升了冶炼效率,大幅降低能耗。电炉冶炼周期已经普通小于40min,甚至接近30min,与转炉的节奏相当。全废钢电弧炼钢的冶炼电耗普遍小于350kWh/t钢,*低小于260kWh/t。

在上世纪80年代到90年代,通过引进、消耗和再吸收国外技术,我国也发展了超高功率电弧炉及其相关配套技术。近十多年来,大型超高功率电弧炉设备和工艺技术逐渐实现国产化,尤其废钢预热-水平连续加料技术得到广泛的推广应用,主要技术指标达到了国际先进水平。同时,引进了国外大部分先进的炉型,包括意大利徳兴公司的Consteel电弧炉、西马克的SHARC电弧炉、日本ECOARCTM生态电弧炉以及普瑞特的Quantum电弧炉等。

在过去的半个多世纪中,电炉炼钢技术国内外都有了长足的进步,有力促进了电炉短流程生产的发展。但是,迄今为止的电炉炼钢设备和工艺本质上没有大的改变，存在其固有缺点和短板,主要表现在以下几个方面: (1)对电网冲击和污染严重,需投资较大的功率因素补偿和谐波吸收装置;(2)二噁英污染、噪音污染和烟尘量大(尤其吹氧脱碳时)等环保问题,治理成本很高(电炉车间环保投资是电炉本体投资的数倍,而且运行成本很高)；(3)耗氧量大(30-40m3/t钢) ,消耗大量电能(0.5-0.7kWh/m3) ,产生可观的C02直接排放(C+02=C02: 30-40m3/t钢=68.75kg/t钢) ；(4)废钢、电极、耐材等原辅材料，以及电力和污染治理成本高等各种因素导致短流程生产成本高; (5)终点钢水氧、氮含量明显高于转炉长流程，不利于生产洁净钢。因此,急需开发新一代的绿色生态电炉, 比如氢等离子电炉,其主要特征包括: (1)采用全密闭炉体结构,实现冶炼过程气氛可控(氧化、还原和中性气氛), 改变了现有电弧炉不密封导致大气进入炉内,烟气和热量向炉外散发 噪音大、烟尘大和火光大的现象,进而可有效防止金属损失大、大气对钢液的污染(钢液氧含量和氮含量高)、热量损失大和烟尘污染重等一系列问题; (2)采用直流供电和中空石墨电极喷吹含氧气体实现氢等离子体加热,取代利用石墨电极产生电弧的传统加热方式,具有无污染、噪音低、能量利用率高等优勢;(3)采用竖井式结构高温废气和辅助烧咀对废钢进行连续预热，用推钢机实现废钢连续加料,使废钢预热温度超过1000°C, 避开二噁英生成的温度,排出的烟气进入短流程钢厂的整个废气处理系统进行处理和利用; (4)采用氢气竖炉生产的无碳纯浄DRI和废钢作为主要原料,结合底吹含氧气体和喷吹石灰粉相结合的方式,实现少渣脱磷操作; (5)在原材料比较纯净的条件下,充分利用氢等离子体高效精炼能力,实现低氧高洁净出钢,达到“零夹杂物”和“零碳排放”的*，实现短流程炼钢的绿色化、高端化和高效益三者统一。

    我国短流程炼钢厂的发展路径是什么？

    由于废钢资源的相对短缺以及电炉炼钢成本较高，我国大规模发展全废钢电炉炼钢的时间尚不成熟，电炉炼钢比例显著提升至少要在

2030年以后，甚至是2035年以后。 因为这取決于三个因素: 一是预计我国仍然需要8-10年后才有比較充足的废钢资源;二是,预计2030

年后我国钢铁总露求将減少到8亿吨以下,部分长流程钢厂关闭,減少了转炉中废钢的用量;三是録色发展促进城市钢厂的建设,电炉短流

程工艺可以消纳城市周边产生的废钢、弃电、域市中水等社会废弃物, 促进钢企与城市和谐生存。那么，现阶段和今后我国短流程钢厂如

何发展呢？笔者认为有以下几种途径：

 第一,多渠道寻找可以替代废钢的铁素资源。直接还原铁(DRI)、热压铁块(HBl)和高炉铁水是目前*常见的替代品。热装铁水是目前“中国式”电炉的主要特点,虽然不是发展方向,但确实是目前电炉生存的无奈之举。我国由于缺少天然气,大规模发展气基竖炉生产直接还原铁条件仍然不具备。因此,充分利用“一带一路”倡议,鼓励我国钢铁企业走出去, 在天然气和铁矿资源相对丰富的国家建立直接还原铁工厂,进口到我国作为电炉炼钢的原料是解决废钢短缺和稀释废钢中有害元素的有效解决方案之一。另外,钢铁尘泥、赤泥、铜渣、不锈钢冶炼废渣、油漆桶、汽车轮胎等固体废弃物,以以及铅锌铁矿矿、高铝铁矿、钒钛铁矿等多金属共生矿都属于铁素资源，但直接用于用于高炉原料或炼钢原料工艺难度大、不经济。宝武环科在原有国外引进的转底炉基础上做了一系列工艺技术和装备创新,可以用于不同金属组元的还原和分离,并将生产出的直接还原铁经电炉溶分后的铁水可以作为电炉的原料,也是解決当前废钢资源不足的有效途径，并同时实现有价金属的综合利用和固废的绿色化处理,经济和环境效益显著。

第二, 发展短流程城市钢厂。我国在发展电炉短流程的过程中,可以借鉴美国Minimil钢厂的发展经验:将钢厂布局在城市周边。一方面靠近来自城市的废钢资源和其他含铁固体废弃物,另一方面,可以利用生物质裂解炉处理城市拉圾和农业秸秆等生物质原料产生C〇和CH4等还原性气体, 以及其他低价碳素资源等作为转底炉的还原剂,并利用废气和余热发电, 建立智能微电网能源管控系统,充分利用夜间电网弃电或清洁能源发电,使电炉起到调节城市电网负荷的作用,实现録色化和能源的*利用,降低炼钢成本,促进钢企与城市和谐生存。这种城市钢厂,以螺纹钢、线材为主要产品,规模以约100万t/a为宜。

第三, 发展i氢气竖炉-新型绿色电炉为核心的高品质特殊钢短流程生产线。发展氢冶金是钢铁行业实现碳中和的有效途径，甚至是終极解決方案。但是目前氢冶金发展的zui大障碍是生产成本太高,无论是采用富氢还是纯氢从经济上无法与以焦炭为主的高炉炼铁工艺竞争。然而, 氢冶金生产的高纯浄直接还原铁是生产纯净钢和高端特钢的zui佳铁源材料,氢气竖炉以高品位氧化球团为炉料,经过氢气还原得到的DRI,无碳,成分近乎于纯铁， 以此作为炼钢原料,无需吹氧脱碳,可直接通过配置一定比例清洁废钢和铁合金冶炼高品质特种钢,因而不需要加传统的脱氧,采用剩余少量的杂质则用氢等离子电炉进行脱氧和精炼,后部采用电渣重熔或真空电弧重熔等特种冶金工艺,可以实现钢材的“零夹杂物”,大幅度提升高能特殊钢的服役寿命,比如航空航天、高端装备用高端軸承钢、齿轮钢、弹簧钢、高强钢等，显著提升钢材的附加值,实现生产特殊钢高质量和*益的统一。

第四, 在废钢资源和清洁电力相对丰富条件下, zui終实现我国钢铁工业以电炉短流程为主导。据中钢协等相关机构估计, 2035年废钢资源将可能达4亿吨,此时电炉炼钢短流程大发展才真正开始, 预计到2050年我国废钢资源量将达到约5.5亿t, 粗钢产量约8亿吨,以废钢为主原料配以氢冶金生产的直接还原铁作为补充原料的短流程电炉钢比将超过70%,长流程的粗钢占比将不超过30%。因此,电炉炼钢短流程的发展是将一个缓慢的过程,应该积极稳妥地发展,防止一哄而上。在今后相当长的时间内仍然应该发展长流程的节能减碳技术,确保我钢報铁工业的健康可持续发展。

结语

电炉炼钢短流程其低碳冶金的本质是以废钢为主要原料,通过废钢的高质量循环利用，有望实现低碳甚至零碳的钢铁生产。然而,电炉炼钢短流程的发展取決于三个条件：一是充足且相对廉价的废钢资源;二是价格适当且充足的电力资源; 三是电炉炼钢技术的显著进步,促使其生产成本和环境保护方面与长流程有竞争优势。所以,电炉短流程的发展是一个漸进的过程, 需要十年甚至更长时间的不断努力。在相当长的一段时间内,富氢高炉+高废钢比转炉的长流程将是电炉短流程有力的竟争者, 也是钢铁生产向低碳化发展的重要责献者。

采用氢冶金生产的直接还原铁以补充废钢资源的不足并稀释废钢中的有害杂质元素,采用非化石能源的録色能源发电(光伏、风能、潮汐能、地热、水电和核电等)供给电炉炼钢,发展不喷碳粉、少吹氧或者不吹氧的全密闭的新型録色电炉, 比如氢等离子电炉,以氢冶金炼钢代替氧气炼钢, 真正做到电炉“近零碳”炼钢,实现电炉短流程的*、低耗、​低成本和高质量生产，将是今后的发展方向。

在全球双碳背景下,我国现有电炉炼钢迎来了新的发展机遇，同时也面临着资源、能源和成本的挑战。如何从技术、装备、原料、工艺等多方面入手,突破制约电炉炼钢短流程发展的瓶颈， 是未来我国冶金工作者面临的光荣而艰巨的重大任务。  (姜周华 东北大学冶金学院特殊钢冶金研究所所长)

（来源链接：http://www.csteelnews.com/xwzx/djbd/202310/t20231025_80799.html 原标题：技术创新为抓手，多措并举，积极稳妥推进电炉炼钢短流程的可持续发展 ）