作者：姜周华（作者系东北大学冶金学院特殊钢冶金研究所所长、教授）
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做出的重大战略决策，也是向国际社会做出的庄严承诺。自改革开放以来，我国钢铁工业发展迅速，粗钢产量从1978年的3178万吨（占世界的4.4%），到1996年首次突破1亿吨大关，达10124万吨（占世界的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（占世界的56.7%）。虽然近3年产量略有下降，2022年仍然达到10.13亿吨（占世界的约54%）。我国钢铁工业依然严重依赖煤基化石能源，碳排放量大，占全国碳排放总量的16%左右，仅次于电力和交通。因此，有效降低钢铁生产过程中的碳排放已成为钢铁行业乃至国家亟待解决的重大问题。
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，电炉钢产量占总产量的比例已从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占比均超过了50%，高者甚至超过了90%。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的比重为9.7%，远低于30%的世界平均水平。与长流程相比，全废钢电炉短流程吨钢能耗约降低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势非常明显。此外，短流程还具备即开即停、生产高效灵活、可作为城市废弃物消纳中心等优点。因此，注重发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？
虽然在2015年至2017年间，打击“地条钢”的政策落实有力，废钢资源出现短时间的相对富裕，同时国家出台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，电炉钢产量也增长较快。但总体而言，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。自去年以来，我国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：
首先，废钢资源相对不足，全废钢电炉炼钢成本高。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。
据我的钢铁网提供的数据，2022年全国废钢铁资源总量为25978万吨，同比减少1784万吨，降幅为6.43%。其中，社会废钢资源量为23972万吨，钢厂自产废钢2006万吨。而这几年我国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。按照目前每年2.6亿吨废钢计算，假设转炉废钢比为20%，则9亿吨转炉钢要消耗1.8亿吨废钢，电炉用废钢量只有0.8亿吨，无法支撑1亿吨电炉钢的废钢需求，这迫使我国电炉钢厂大量采用兑铁水工艺，铁水比在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200元/吨~500元/吨，没有市场竞争力。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竞争力。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%计算，则可供电炉的废钢量为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年废钢产量可能不到3亿吨，这样全废钢电炉钢产量占比在18%左右。而据不完全统计，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，在转炉“吃废钢”的情况下，目前电炉产能呈现“明显过剩”，新建电炉短流程钢厂要慎重决策。
其次，我国电力短缺、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，还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竞争力的。
再次，废钢循环过程中有害残余元素的不断富集，容易造成钢中铜、锡、铅、砷、锑、铋含量超标。上述残余元素引起钢材“热脆”，不仅导致热轧开裂，还会恶化钢的性能，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势，尤其是薄板类产品很难用全废钢来生产。另外，合金废钢中镍、铌、钼、钨、钴、铼等稀贵元素进入电炉后不仅造成资源浪费，而且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、生铁和铁水也可以在一定程度上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水平和竞争力？
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，在成本和效率两个方面与长流程竞争。
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康斯迪电弧炉和竖式电弧炉理念研发了多种新型废钢预热—连续加料电弧炉，如基于水平连续加料理念研发的达涅利电弧炉（FASTARC）；基于竖式加料理念研发的西马克电弧炉（SHARC）、日本生态电弧炉（ECOARCTM）以及普瑞特电弧炉（Quantum）等；同时还衍出阶梯进料型电弧炉，如中冶赛迪绿色智能电弧炉（CISDI-AutoARCTM），以及独立于电弧炉的废钢预热—连续加料系统。现代电炉炼钢采用废钢连续加料工艺，冶炼过程不开炉盖，炉内主要进行熔化和升温过程，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遍达到40分钟以内，甚至接近30分钟，与转炉的节奏相当。全废钢电弧炉炼钢的冶炼电耗普遍小于350千瓦时/吨钢，最低小于260千瓦时/吨钢。
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10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，同时也引进了国外大部分先进的炉型。
在过去的半个多世纪，国内外电炉炼钢技术都有了长足的进步，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，仍存在固有缺点和短板，主要表现在以下几个方面：一是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；二是二噁英污染、噪声污染和烟尘量大（尤其吹氧脱碳时）等环保问题的治理成本很高；三是耗氧量大，消耗大量电能，并产生大量二氧化碳；四是废钢、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；五是终点钢水氧、氮含量明显高于转炉长流程，不利于生产洁净钢。
因此，亟须开发新一代绿色生态电炉，比如氢等离子电炉，其主要特征包括：一是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，噪声大、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；二是采用直流供电和中空石墨电极喷吹含氢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、噪声小、能量利用率高等优势；三是采用竖井式结构高温废气和辅助烧嘴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摄氏度，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；四是采用氢气竖炉生产的无碳纯净DRI（直接还原铁）和废钢作为主要原料，结合底吹含氧气体和喷吹石灰粉，实现少渣冶炼脱磷操作；五是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，不吹氧炼钢，用“氢气炼钢”代替“氧气炼钢”，实现钢水的脱硫、脱氧和脱氮，后续基本无需添加沉淀脱氧剂，实现低氧高洁净出钢，达到“零夹杂物”和“零碳排放”的效果，配合后续工艺进行高附加值的超洁净特殊钢生产，实现短流程炼钢的绿色化、高端化和高效益三者统一。
我国电炉短流程钢厂的发展路径是什么？
由于废钢资源的相对短缺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机尚不成熟，电炉炼钢比例显著提升至少要在2030年以后，甚至是2035年后。这取决于3个因素：一是预计我国仍然需要8年~10年后才有比较充足的废钢资源；二是预计2030年后我国钢铁总需求将减少到8亿吨以下，部分长流程钢厂关闭，减少了转炉废钢的用量；三是绿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、城市中水等社会废弃物，促进钢企与城市和谐共存。那么，现阶段和今后我国电炉短流程钢厂如何发展呢？笔者认为可以有以下几种途径。
第一，多渠道寻找可以替代废钢的铁素资源。直接还原铁、热压铁块（HBI）和高炉铁水是目前最常见的替代品。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，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设直接还原铁工厂，并将产品进口到我国作为电炉炼钢的原料。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，以及铅锌铁矿、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熔分后的铁水可以作为电炉的原料，也是解决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Minimill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垃圾和农业秸秆等生物质原料产生一氧化碳和甲烷等还原性气体，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，实现绿色化和能源的高效利用，降低炼钢成本，促进钢企与城市和谐共存。这种城市钢厂，以螺纹钢、线材为主要产品，规模以约100万吨/年为宜。
第三，发展氢气竖炉—新型绿色电炉为核心的高品质特殊钢短流程生产线。发展氢冶金是钢铁工业实现碳中和的有效途径，甚至是终极解决方案。但是目前氢冶金发展的最大障碍是生产成本太高，无论是采用富氢还是纯氢，从经济上都无法与以焦炭为主的高炉炼铁工艺竞争。然而，氢冶金生产的高纯净直接还原铁是生产纯净钢和高端特钢的最佳铁源材料，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，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的清洁废钢和铁合金冶炼高品质特殊钢，因而不需要添加传统的脱氧剂，剩余少量的杂质则用氢等离子电炉进行脱氧和精炼，再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”，大幅度延长高端特殊钢的服役寿命，比如航空航天、高端装备用高端轴承钢、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高效益的统一。
第四，在废钢资源和清洁电力相对丰富条件下，最终实现我国钢铁工业以电炉短流程为主导。据钢协等相关机构估计，2035年我国废钢资源将可能达到4亿吨，此时电炉炼钢短流程的大发展才真正开始，预计到2050年我国废钢资源量将达到约5.5亿吨，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%，长流程生产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，避免一哄而上。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，确保我国钢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决于3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渐进的过程，需要10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竞争者，也是钢铁生产向低碳化发展的重要贡献者。
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，采用非化石能源的绿色能源发电（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绿色电炉，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，实现电炉短流程的高效、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。
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