以技術(shù)創(chuàng)新為抓手，多措并舉推進(jìn)電爐煉鋼可持續(xù)發(fā)展

為什么要發(fā)展電爐煉鋼短流程？

力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和是我國政府做出的重大戰(zhàn)略決策，也是向國際社會(huì)做出的莊嚴(yán)承諾。自改革開放以來，我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，粗鋼產(chǎn)量從1978年的3178萬噸（占世界的4.4%），到1996年首次突破1億噸大關(guān)，達(dá)10124萬噸（占世界的13.5%），成為世界第一產(chǎn)鋼大國，再到2020年突破10億噸，達(dá)10.53億噸（占世界的56.7%）。雖然近3年產(chǎn)量略有下降，2022年仍然達(dá)到10.13億噸（占世界的約54%）。我國鋼鐵工業(yè)依然嚴(yán)重依賴煤基化石能源，碳排放量大，占全國碳排放總量的16%左右，僅次于電力和交通。因此，有效降低鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳排放已成為鋼鐵行業(yè)乃至國家亟待解決的重大問題。

電爐鋼比低是造成我國鋼鐵行業(yè)碳排放量大、能耗高、污染重的重要原因之一。在全球范圍內(nèi)，電爐鋼產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例已從20世紀(jì)50年代初的7.3%提高到32%~35%。其中，伊朗、土耳其、美國、印度等國家的電爐鋼占比均超過了50%，高者甚至超過了90%。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2022年，中國電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量的比重為9.7%，遠(yuǎn)低于30%的世界平均水平。與長流程相比，全廢鋼電爐短流程噸鋼能耗約降低50%，固廢排放約減少96%，廢氣排放約減少78%，碳排放約減少73%，大氣污染物排放總量約減少90%。參照西方工業(yè)化發(fā)展歷程，如果保持鋼鐵總量不變，到2035年，我國電爐鋼比例提高到30%，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約15%，發(fā)展電爐短流程的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)非常明顯。此外，短流程還具備即開即停、生產(chǎn)高效靈活、可作為城市廢棄物消納中心等優(yōu)點(diǎn)。因此，注重發(fā)展以廢鋼為主原料電爐煉鋼短流程是實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略決策之一。

為什么我國電爐煉鋼短流程發(fā)展困難？

雖然在2015年至2017年間，打擊“地條鋼”的政策落實(shí)有力，廢鋼資源出現(xiàn)短時(shí)間的相對(duì)富裕，同時(shí)國家出臺(tái)鼓勵(lì)電爐短流程發(fā)展的相關(guān)政策，新建電爐數(shù)量出現(xiàn)快速增長，電爐鋼產(chǎn)量也增長較快。但總體而言，廢鋼資源仍然短缺，價(jià)格處于高位，我國電爐鋼生產(chǎn)效益低，甚至出現(xiàn)電爐煉鋼行業(yè)整體虧損的局面。自去年以來，我國電爐煉鋼開工率不足50%，電爐短流程的發(fā)展舉步維艱。困難來自哪里？筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)方面：

首先，廢鋼資源相對(duì)不足，全廢鋼電爐煉鋼成本高。雖然我國鋼鐵積蓄量已經(jīng)超過120億噸，但由于我國的鋼材主要用于基礎(chǔ)設(shè)施和住房建設(shè)，鋼材回收周期長且困難，真正變成可用廢鋼的量其實(shí)并不多，且增長緩慢。

據(jù)我的鋼鐵網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，2022年全國廢鋼鐵資源總量為25978萬噸，同比減少1784萬噸，降幅為6.43%。其中，社會(huì)廢鋼資源量為23972萬噸，鋼廠自產(chǎn)廢鋼2006萬噸。而這幾年我國廢鋼的資源量基本保持在2.6億噸左右，并沒有明顯的增長。按照目前每年2.6億噸廢鋼計(jì)算，假設(shè)轉(zhuǎn)爐廢鋼比為20%，則9億噸轉(zhuǎn)爐鋼要消耗1.8億噸廢鋼，電爐用廢鋼量只有0.8億噸，無法支撐1億噸電爐鋼的廢鋼需求，這迫使我國電爐鋼廠大量采用兌鐵水工藝，鐵水比在30%~80%不等。

由于廢鋼價(jià)格居高不下，再加上電力緊張和價(jià)格高位運(yùn)行，全廢鋼電爐煉鋼的生產(chǎn)成本要比長流程高出200元/噸~500元/噸，沒有市場競爭力。而轉(zhuǎn)爐采用高廢鋼比從經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)勢(shì)，使全廢鋼電爐煉鋼短流程失去市場競爭力。如果2030年廢鋼產(chǎn)量能達(dá)到3.5億噸，長流程粗鋼產(chǎn)量降低到7億噸，轉(zhuǎn)爐廢鋼比仍然按20%計(jì)算，則可供電爐的廢鋼量為2.1億噸，則全廢鋼電爐鋼產(chǎn)量可以達(dá)到2億噸，占比達(dá)到22%。但實(shí)際上，2030年廢鋼產(chǎn)量可能不到3億噸，這樣全廢鋼電爐鋼產(chǎn)量占比在18%左右。而據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前有423座電爐，粗鋼產(chǎn)能約為2.18億噸，即使不新建電爐也可以滿足2億噸產(chǎn)量的需求。因此，在轉(zhuǎn)爐“吃廢鋼”的情況下，目前電爐產(chǎn)能呈現(xiàn)“明顯過剩”，新建電爐短流程鋼廠要慎重決策。

其次，我國電力短缺、電價(jià)較高。我國在發(fā)展短流程的進(jìn)程中，電價(jià)過高是困擾電爐鋼廠的兩大問題，斷續(xù)供電和晝夜時(shí)段差價(jià)使電弧爐不能連續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益的下降。美國當(dāng)初在發(fā)展電爐短流程時(shí)得益于充足而廉價(jià)的電力。雖然由于目前全球能源供應(yīng)緊張，歐美工業(yè)電價(jià)也在持續(xù)上漲，我國工業(yè)電價(jià)與歐美國家相比總體價(jià)格相差不多，而對(duì)于核電和水電充足的國家，再加上政策優(yōu)惠，其總體電價(jià)要低于我國，還加上鋼材價(jià)格比我國高，廢鋼價(jià)格又相對(duì)便宜，國外電爐煉鋼短流程與長流程相比是有競爭力的。

再次，廢鋼循環(huán)過程中有害殘余元素的不斷富集，容易造成鋼中銅、錫、鉛、砷、銻、鉍含量超標(biāo)。上述殘余元素引起鋼材“熱脆”，不僅導(dǎo)致熱軋開裂，還會(huì)惡化鋼的性能，導(dǎo)致以廢鋼為主原料的電爐煉鋼短流程的鋼材產(chǎn)品質(zhì)量與以鐵水為主原料的長流程相比處于劣勢(shì)，尤其是薄板類產(chǎn)品很難用全廢鋼來生產(chǎn)。另外，合金廢鋼中鎳、鈮、鉬、鎢、鈷、錸等稀貴元素進(jìn)入電爐后不僅造成資源浪費(fèi)，而且會(huì)導(dǎo)致鋼材性能下降。盡管廢鋼分類、加工處理技術(shù)的發(fā)展在一定程度上可以減少有害殘余元素進(jìn)入鋼中，廢鋼中添加直接還原鐵、生鐵和鐵水也可以在一定程度上稀釋殘余元素的含量，但廢鋼對(duì)鋼材產(chǎn)品冶金質(zhì)量的影響仍然不可忽視，也是阻礙電爐煉鋼短流程發(fā)展的重要因素之一。

如何通過技術(shù)創(chuàng)新提升

電爐煉鋼短流程的綠色化水平和競爭力？

一直以來，電爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展主要圍繞“節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)率”目標(biāo)，在成本和效率兩個(gè)方面與長流程競爭。

廢鋼預(yù)熱—連續(xù)加料技術(shù)是現(xiàn)代電弧爐煉鋼的重要特征，當(dāng)前國內(nèi)外許多冶金設(shè)備制造公司依據(jù)康斯迪電弧爐和豎式電弧爐理念研發(fā)了多種新型廢鋼預(yù)熱—連續(xù)加料電弧爐，如基于水平連續(xù)加料理念研發(fā)的達(dá)涅利電弧爐（FASTARC）；基于豎式加料理念研發(fā)的西馬克電弧爐（SHARC）、日本生態(tài)電弧爐（ECOARCTM）以及普瑞特電弧爐（Quantum）等；同時(shí)還衍出階梯進(jìn)料型電弧爐，如中冶賽迪綠色智能電弧爐（CISDI-AutoARCTM），以及獨(dú)立于電弧爐的廢鋼預(yù)熱—連續(xù)加料系統(tǒng)?，F(xiàn)代電爐煉鋼采用廢鋼連續(xù)加料工藝，冶煉過程不開爐蓋，爐內(nèi)主要進(jìn)行熔化和升溫過程，采用大留鋼、平熔池冶煉操作，經(jīng)預(yù)熱后的廢鋼連續(xù)加入到預(yù)留鋼液的電爐內(nèi)，通過“電弧加熱鋼液—鋼液加熱廢鋼”的間接加熱方式實(shí)現(xiàn)廢鋼升溫及熔化，大大提升了冶煉效率，大幅降低能耗。電爐冶煉周期已經(jīng)普遍達(dá)到40分鐘以內(nèi)，甚至接近30分鐘，與轉(zhuǎn)爐的節(jié)奏相當(dāng)。全廢鋼電弧爐煉鋼的冶煉電耗普遍小于350千瓦時(shí)/噸鋼，最低小于260千瓦時(shí)/噸鋼。

在上世紀(jì)80年代到90年代，通過引進(jìn)、消耗和再吸收國外技術(shù)，我國也發(fā)展了超高功率電弧爐及其相關(guān)配套技術(shù)。近10多年來，大型超高功率電弧爐設(shè)備和工藝技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，尤其廢鋼預(yù)熱—水平連續(xù)加料技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，同時(shí)也引進(jìn)了國外大部分先進(jìn)的爐型。

在過去的半個(gè)多世紀(jì)，國內(nèi)外電爐煉鋼技術(shù)都有了長足的進(jìn)步，有力促進(jìn)了電爐短流程生產(chǎn)的發(fā)展。但是，迄今為止的電爐煉鋼設(shè)備和工藝本質(zhì)上沒有大的改變，仍存在固有缺點(diǎn)和短板，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是對(duì)電網(wǎng)沖擊和污染嚴(yán)重，需投資較大的功率因素補(bǔ)償和諧波吸收裝置；二是二噁英污染、噪聲污染和煙塵量大（尤其吹氧脫碳時(shí)）等環(huán)保問題的治理成本很高；三是耗氧量大，消耗大量電能，并產(chǎn)生大量二氧化碳；四是廢鋼、電極、耐材等原輔材料，以及電力和污染治理成本高等各種因素導(dǎo)致短流程生產(chǎn)成本高；五是終點(diǎn)鋼水氧、氮含量明顯高于轉(zhuǎn)爐長流程，不利于生產(chǎn)潔凈鋼。

因此，亟須開發(fā)新一代綠色生態(tài)電爐，比如氫等離子電爐，其主要特征包括：一是采用全密閉爐體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)冶煉過程氣氛可控（氧化、還原和中性氣氛），改變了現(xiàn)有電弧爐不密封導(dǎo)致大氣進(jìn)入爐內(nèi)，煙氣和熱量向爐外散發(fā)，噪聲大、煙塵大和火光大的現(xiàn)象，進(jìn)而可有效防止金屬損失大、大氣對(duì)鋼液的污染（鋼液氧含量和氮含量高）、熱量損失大和煙塵污染重等一系列問題；二是采用直流供電和中空石墨電極噴吹含氫氣體實(shí)現(xiàn)氫等離子體加熱，取代利用石墨電極產(chǎn)生電弧的傳統(tǒng)加熱方式，具有無污染、噪聲小、能量利用率高等優(yōu)勢(shì)；三是采用豎井式結(jié)構(gòu)高溫廢氣和輔助燒嘴對(duì)廢鋼進(jìn)行連續(xù)預(yù)熱，用推鋼機(jī)實(shí)現(xiàn)廢鋼連續(xù)加料，使廢鋼預(yù)熱溫度超過1000攝氏度，避開二噁英生成的溫度，排出的煙氣進(jìn)入短流程鋼廠的整個(gè)廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行處理和利用；四是采用氫氣豎爐生產(chǎn)的無碳純凈DRI（直接還原鐵）和廢鋼作為主要原料，結(jié)合底吹含氧氣體和噴吹石灰粉，實(shí)現(xiàn)少渣冶煉脫磷操作；五是在原材料比較純凈的條件下，充分利用氫等離子體高效精煉能力，不吹氧煉鋼，用“氫氣煉鋼”代替“氧氣煉鋼”，實(shí)現(xiàn)鋼水的脫硫、脫氧和脫氮，后續(xù)基本無需添加沉淀脫氧劑，實(shí)現(xiàn)低氧高潔凈出鋼，達(dá)到“零夾雜物”和“零碳排放”的效果，配合后續(xù)工藝進(jìn)行高附加值的超潔凈特殊鋼生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)短流程煉鋼的綠色化、高端化和高效益三者統(tǒng)一。

我國電爐短流程鋼廠的發(fā)展路徑是什么？

由于廢鋼資源的相對(duì)短缺及電爐煉鋼成本較高，我國大規(guī)模發(fā)展全廢鋼電爐煉鋼的時(shí)機(jī)尚不成熟，電爐煉鋼比例顯著提升至少要在2030年以后，甚至是2035年后。這取決于3個(gè)因素：一是預(yù)計(jì)我國仍然需要8年~10年后才有比較充足的廢鋼資源；二是預(yù)計(jì)2030年后我國鋼鐵總需求將減少到8億噸以下，部分長流程鋼廠關(guān)閉，減少了轉(zhuǎn)爐廢鋼的用量；三是綠色發(fā)展促進(jìn)城市鋼廠的建設(shè)，電爐短流程工藝可以消納城市周邊產(chǎn)生的廢鋼、棄電、城市中水等社會(huì)廢棄物，促進(jìn)鋼企與城市和諧共存。那么，現(xiàn)階段和今后我國電爐短流程鋼廠如何發(fā)展呢？筆者認(rèn)為可以有以下幾種途徑。

第一，多渠道尋找可以替代廢鋼的鐵素資源。直接還原鐵、熱壓鐵塊（HBI）和高爐鐵水是目前最常見的替代品。熱裝鐵水是目前“中國式電爐”的主要特點(diǎn)，雖然不是發(fā)展方向，但確實(shí)是目前電爐生存的無奈之舉。我國由于缺少天然氣，大規(guī)模發(fā)展氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵條件仍然不具備。因此，鼓勵(lì)我國鋼鐵企業(yè)走出去，在天然氣和鐵礦資源相對(duì)豐富的國家建設(shè)直接還原鐵工廠，并將產(chǎn)品進(jìn)口到我國作為電爐煉鋼的原料。另外，鋼鐵塵泥、赤泥、銅渣、不銹鋼冶煉廢渣、油漆桶、汽車輪胎等固體廢棄物，以及鉛鋅鐵礦、高鋁鐵礦、釩鈦鐵礦等多金屬共生礦都屬于鐵素資源，但直接用于高爐原料或煉鋼原料工藝難度大、不經(jīng)濟(jì)。寶武環(huán)科在原有國外引進(jìn)的轉(zhuǎn)底爐基礎(chǔ)上做了一系列工藝技術(shù)和裝備創(chuàng)新，可以用于不同金屬組元的還原和分離，并將生產(chǎn)出的直接還原鐵經(jīng)電爐熔分后的鐵水可以作為電爐的原料，也是解決當(dāng)前廢鋼資源不足的有效途徑，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)有價(jià)金屬的綜合利用和固廢的綠色化處理，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。

第二，發(fā)展短流程城市鋼廠。我國在發(fā)展電爐短流程的過程中，可以借鑒美國Minimill鋼廠的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，將鋼廠布局在城市周邊。一方面靠近來自城市的廢鋼資源和其他含鐵固體廢棄物，另一方面可以利用生物質(zhì)裂解爐處理城市垃圾和農(nóng)業(yè)秸稈等生物質(zhì)原料產(chǎn)生一氧化碳和甲烷等還原性氣體，以及其他低價(jià)碳素資源等作為轉(zhuǎn)底爐的還原劑，并利用廢氣和余熱發(fā)電，建立智能微電網(wǎng)能源管控系統(tǒng)，充分利用夜間電網(wǎng)棄電或清潔能源發(fā)電，使電爐起到調(diào)節(jié)城市電網(wǎng)負(fù)荷的作用，實(shí)現(xiàn)綠色化和能源的高效利用，降低煉鋼成本，促進(jìn)鋼企與城市和諧共存。這種城市鋼廠，以螺紋鋼、線材為主要產(chǎn)品，規(guī)模以約100萬噸/年為宜。

第三，發(fā)展氫氣豎爐—新型綠色電爐為核心的高品質(zhì)特殊鋼短流程生產(chǎn)線。發(fā)展氫冶金是鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的有效途徑，甚至是終極解決方案。但是目前氫冶金發(fā)展的最大障礙是生產(chǎn)成本太高，無論是采用富氫還是純氫，從經(jīng)濟(jì)上都無法與以焦炭為主的高爐煉鐵工藝競爭。然而，氫冶金生產(chǎn)的高純凈直接還原鐵是生產(chǎn)純凈鋼和高端特鋼的最佳鐵源材料，氫氣豎爐以高品位氧化球團(tuán)為爐料，經(jīng)過氫氣還原得到的DRI，成分近乎于純鐵。以此作為煉鋼原料，無需吹氧脫碳，可直接通過配置一定比例的清潔廢鋼和鐵合金冶煉高品質(zhì)特殊鋼，因而不需要添加傳統(tǒng)的脫氧劑，剩余少量的雜質(zhì)則用氫等離子電爐進(jìn)行脫氧和精煉，再用電渣重熔或真空電弧重熔等特種冶金工藝，可以實(shí)現(xiàn)鋼材的“零夾雜物”，大幅度延長高端特殊鋼的服役壽命，比如航空航天、高端裝備用高端軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、高強(qiáng)鋼等，顯著提升鋼材的附加值，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)特殊鋼高質(zhì)量和高效益的統(tǒng)一。

第四，在廢鋼資源和清潔電力相對(duì)豐富條件下，最終實(shí)現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)以電爐短流程為主導(dǎo)。據(jù)鋼協(xié)等相關(guān)機(jī)構(gòu)估計(jì)，2035年我國廢鋼資源將可能達(dá)到4億噸，此時(shí)電爐煉鋼短流程的大發(fā)展才真正開始，預(yù)計(jì)到2050年我國廢鋼資源量將達(dá)到約5.5億噸，粗鋼產(chǎn)量約8億噸，以廢鋼為主原料配以氫冶金生產(chǎn)的直接還原鐵作為補(bǔ)充原料的短流程電爐鋼比將超過70%，長流程生產(chǎn)的粗鋼占比將不超過30%。因此，電爐煉鋼短流程的發(fā)展是將一個(gè)緩慢的過程，應(yīng)該積極穩(wěn)妥地發(fā)展，避免一哄而上。在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍然應(yīng)該發(fā)展長流程的節(jié)能減碳技術(shù)，確保我國鋼鐵工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)語

電爐煉鋼短流程其低碳冶金的本質(zhì)是以廢鋼為主要原料，通過廢鋼的高質(zhì)循環(huán)利用有望實(shí)現(xiàn)低碳甚至零碳的鋼鐵生產(chǎn)。然而，電爐煉鋼短流程的發(fā)展取決于3個(gè)條件：一是充足且相對(duì)廉價(jià)的廢鋼資源；二是價(jià)格適當(dāng)且充足的電力資源；三是電爐煉鋼技術(shù)的顯著進(jìn)步，促使其生產(chǎn)成本和環(huán)境保護(hù)方面與長流程有競爭優(yōu)勢(shì)。所以，電爐短流程的發(fā)展是一個(gè)漸進(jìn)的過程，需要10年甚至更長時(shí)間的不斷努力。在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，富氫高爐+高廢鋼比轉(zhuǎn)爐的長流程將是電爐短流程有力的競爭者，也是鋼鐵生產(chǎn)向低碳化發(fā)展的重要貢獻(xiàn)者。

采用氫冶金生產(chǎn)的直接還原鐵以補(bǔ)充廢鋼資源的不足并稀釋廢鋼中的有害雜質(zhì)元素，采用非化石能源的綠色能源發(fā)電（光伏、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)?、水電和核電等）供給電爐煉鋼，發(fā)展不噴碳粉、少吹氧或者不吹氧的全密閉的新型綠色電爐，比如氫等離子電爐，以氫冶金煉鋼代替氧氣煉鋼，真正做到電爐“近零碳”煉鋼，實(shí)現(xiàn)電爐短流程的高效、低耗、低成本和高質(zhì)量生產(chǎn)，將是今后的發(fā)展方向。

在全球“雙碳”背景下，我國現(xiàn)有電爐煉鋼迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也面臨著資源、能源和成本的挑戰(zhàn)。如何從技術(shù)、裝備、原料、工藝等多方面入手，突破制約電爐煉鋼短流程發(fā)展的瓶頸，是未來我國冶金工作者面臨的光榮而艱巨的重大任務(wù)。

（作者系東北大學(xué)冶金學(xué)院特殊鋼冶金研究所所長、教授）

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。