力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和是我國政府作出的重大戰(zhàn)略決策，也是向國際社會做出的莊嚴承諾。改革開放以來，我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，粗鋼產量從1978年的3178萬噸（占世界比例的4.4%），到1996年首次突破1億噸大關，達10124萬噸（占世界比例的13.5%），成為世界第一產鋼大國，再到2020年突破10億噸，達10.53億噸（占世界比例的56.7%）。雖然近三年產量略有下降，2022年仍然達到10.13億噸，占世界比例約54%。我國鋼鐵工業(yè)依然嚴重依賴煤基化石能源，碳排放高，占全國碳排放總量的16%左右，僅次于電力和交通，位居第三位。因此，有效降低鋼鐵生產過程中碳排放已成為鋼鐵行業(yè)乃至國家亟待解決的重大問題。

　　現(xiàn)代鋼鐵冶金流程主要包括以鐵礦石+焦炭為主原料的高爐-轉爐長流程和以廢鋼為主原料的電爐煉鋼短流程。電爐煉鋼短流程減碳的本質是使用廢鋼代替長流程的鐵礦石+焦炭作為原料，不需要消耗作為熱源和還原劑的碳。因此，全廢鋼電爐短流程的二氧化碳排放量是高爐-轉爐流程的1/3或更低，是低碳鋼鐵冶金流程的重要方向。當然，長流程中提高轉爐的廢鋼比也同樣減碳。

　　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，電爐鋼產量占鋼總產量比例已從20世紀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比均超過了50%，高者甚至超過了90%。相比之下，我國鋼鐵行業(yè)主要以高爐-轉爐長流程為主，轉爐鋼占比高達90%，而電爐鋼比低至10%左右，遠低于世界平均水平。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)勢非常明顯。此外，短流程還具備即開即停、生產高效靈活、可作為城市廢棄物消納容器等優(yōu)點。因此，注重發(fā)展以廢鋼為主原料電爐煉鋼短流程是實現(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？

　　在上世紀80年代到90年代中期，我國電爐鋼產量曾經(jīng)達到20%左右。到本世紀初開始，由于我國長流程產量的迅速提高，電爐鋼產量雖然也逐年提高，但占比且不斷下降。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2022年，中國電爐鋼產量占粗鋼總產量比重為9.7%，遠低于30%的世界平均水平（如果不包括中國，則其他國家電爐鋼比例平均達50%）。雖然在2015-2017年間，由于打擊地條鋼的政策落實有力，廢鋼資源出現(xiàn)短時間的相對富裕，同時由于國家出臺鼓勵電爐短流程發(fā)展的相關政策，新建電爐數(shù)量出現(xiàn)快速增長，電爐鋼產量也增長較快。但由于總體而言廢鋼資源仍然短缺，價格處于高位，我國電爐鋼生產效益低，甚至出現(xiàn)電爐煉鋼行業(yè)整體虧損的局面。去年以來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？筆者認為有以下幾個方面：

　　首先，廢鋼資源相對不足。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設施和住房建設，鋼材回收周期長且困難，真正變成可用廢鋼的量其實并不多，且增長緩慢。據(jù)我的鋼鐵提供的數(shù)據(jù)，2022年全國廢鋼鐵資源產量總量為25978萬噸，同比減少1784萬噸，降幅6.43%。其中社會廢鋼資源量在23972萬噸，鋼廠自產廢鋼2006萬噸。也就是說，這幾年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。這與一些機構預測的2025年和2030年我國廢鋼產量分別達到3.0億噸和3.5億噸的數(shù)據(jù)有一定差距。按照目前每年2.6億噸廢鋼計算，假設轉爐廢鋼比為20%，則9億噸轉爐鋼要消耗1.8億噸廢鋼，則電爐用廢鋼量只有0.8億噸，無法支撐1億噸的電爐鋼的廢鋼需求，迫使我國電爐鋼廠大量采用兌鐵水工藝，鐵水比從30%-80%不等。由于廢鋼價格居高不下，再加上電力緊張和價格高位運行，全廢鋼電爐煉鋼的生產成本要比長流程高出噸鋼200-500元，沒有市場競爭力。而轉爐采用高廢鋼比從經(jīng)濟上更有優(yōu)勢，使全廢鋼電爐煉鋼短流程失去市場競爭力。如果2030年廢鋼產量能達到3.5億噸，長流程粗鋼產量降低到7億噸，轉爐廢鋼比仍然按20%計算，則可供電爐的廢鋼量為2.1億噸，則全廢鋼電爐鋼產量可以達到2億噸，占比達到22%。但實際上，2030年廢鋼產量應該不到3億噸，這樣全廢鋼電爐鋼產量占比也就是18%左右。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前有423座電爐，粗鋼產能約為2.18億噸，即使不新建電爐也可以滿足2億噸產量的需求。因此，目前電爐產能是明顯過剩，新建電爐短流程鋼廠要慎重決策。

　　其次，我國電力短缺和電價較高。我國在發(fā)展短流程的進程中，拉閘限電和電價過高是困擾電爐鋼廠的兩大問題，斷續(xù)供電和晝夜時段差價使電弧爐不能連續(xù)運行，導致技術指標和經(jīng)濟效益的下降。美國當初在發(fā)展電爐短流程時得益于充足而廉價的電力。雖然由于目前全球能源供應緊張，歐美工業(yè)電價也在持續(xù)上漲，我國工業(yè)電價與歐美國家相比總體價格相差不多，而對于核電和水電充足的國家，再加上政策優(yōu)惠，其總體電價要低于我國，再加上鋼材價格比我國高，廢鋼價格又相對便宜，國外電爐煉鋼短流程與長流程相比是有競爭力的。

　　第三，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Cu 、Sn、Pb、As、Sb、Bi含量超標，上述殘余元素引起鋼材“熱脆”，不僅導致熱軋開裂，還惡化鋼的性能，導致以廢鋼為主原料的電爐煉鋼短流程的鋼材產品質量與以鐵水為主原料的長流程相比處于劣勢，尤其是薄板類產品很難用全廢鋼來生產。另外，合金廢鋼中Ni、Nb、Mo、W、Co、RE等稀貴元素進入電爐后不僅造成資源浪費、而且也會導致鋼材性能下降。盡管廢鋼分類、加工處理技術的發(fā)展在一定程度上可以減少有害殘余元素進入鋼中，廢鋼中添加直接還原鐵、生鐵和鐵水也可以一定程度稀釋殘余元素的含量，但廢鋼對鋼材產品冶金質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。

　　一直以來，電爐煉鋼技術的發(fā)展主要圍繞“節(jié)能降耗、提高生產率”目標，從成本和效率兩個方面與長流程競爭。國外發(fā)達國家在20世紀60年代至70年代，開發(fā)了超高功率電爐及相關技術。80年代，強化用氧技術趨于成熟。90年代之后，廢氣的余熱利用逐步受到重視，并相繼研發(fā)了一大批以廢鋼為主要原料的電爐煉鋼新工藝和新裝備，其中有ABB、MAN-GHH、VAI、Clecim等公司開發(fā)的不同類型直流電弧爐，F(xiàn)uchs公司的豎式電弧爐、超音速水冷氧槍等技術，Danieli公司的高阻抗交流電弧爐、基于底吹和二次燃燒技術的DANARC爐，奧鋼聯(lián)的Comelt、ABB公司的ARCON、MDH公司的CONARC和CONTIARC，此外還有雙殼電弧爐，德興公司的Consteel電弧爐，日本SPCO公司的生態(tài)電爐等。廢鋼預熱-連續(xù)加料技術是現(xiàn)代電弧爐煉鋼的重要特征，當前國內外許多冶金設備制造公司依據(jù)Consteel電弧爐和豎式電弧爐理念研發(fā)了多種新型廢鋼預熱-連續(xù)加料電弧爐，如基于水平連續(xù)加料理念研發(fā)的達涅利FASTARC 0電弧爐；基于豎式加料理念研發(fā)的西馬克SHARC電弧爐、日本ECOARCTM生態(tài)電弧爐以及普瑞特Quantum電弧爐等；同時還衍出階梯進料型電弧爐，如中冶賽迪CISDI-AutoARCTM綠色智能電弧爐，以及獨立于電弧爐的廢鋼預熱-連續(xù)加料系統(tǒng)，如KR公司和CVS公司聯(lián)合研發(fā)的環(huán)保型爐料預熱和連續(xù)加料系統(tǒng)EPC電爐。現(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，爐內主要進行熔化和升溫過程，采用大留鋼、平熔池冶煉操作，經(jīng)預熱后的廢鋼連續(xù)加入到預留鋼液的電爐內，通過“電弧加熱鋼液—鋼液加熱廢鋼”的間接加熱方式實現(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)普遍小于40min，甚至接近30min，與轉爐的節(jié)奏相當。全廢鋼電弧爐煉鋼的冶煉電耗普遍小于350kWh/t鋼，最低小于260kWh/t。

　　在上世紀80年代到90年代，通過引進、消耗和再吸收國外技術，我國也發(fā)展了超高功率電弧爐及其相關配套技術。近十多年來，大型超高功率電弧爐設備和工藝技術逐漸實現(xiàn)國產化，尤其廢鋼預熱-水平連續(xù)加料技術得到廣泛的推廣應用，主要技術指標達到了國際先進水平。同時，引進了國外大部分先進的爐型，包括意大利德興公司的Consteel電弧爐、西馬克的SHARC電弧爐、日本ECOARCTM生態(tài)電弧爐以及普瑞特的Quantum電弧爐等。

　　在過去的半個多世紀中，電爐煉鋼技術國內外都有了長足的進步，有力促進了電爐短流程生產的發(fā)展。但是，迄今為止的電爐煉鋼設備和工藝本質上沒有大的改變，存在其固有缺點和短板，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）對電網(wǎng)沖擊和污染嚴重，需投資較大的功率因素補償和諧波吸收裝置；（2）二噁英污染、噪音污染和煙塵量大（尤其吹氧脫碳時）等環(huán)保問題，治理成本很高（電爐車間環(huán)保投資是電爐本體投資的數(shù)倍，而且運行成本很高）；（3）耗氧量大（30-40 m3/t鋼），消耗大量電能（0.5-0.7 kWh/m3），產生可觀的CO2直接排放（C+O2=CO2：30-40 m3/t鋼 = 68.75 kg/t鋼）；（4）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致短流程生產成本高；（5）終點鋼水氧、氮含量明顯高于轉爐長流程，不利于生產潔凈鋼。因此，急需開發(fā)新一代的綠色生態(tài)電爐，比如氫等離子電爐，其主要特征包括：（1）采用全密閉爐體結構，實現(xiàn)冶煉過程氣氛可控(氧化、還原和中性氣氛)，改變了現(xiàn)有電弧爐不密封導致大氣進入爐內，煙氣和熱量向爐外散發(fā)，噪音大、煙塵大和火光大的現(xiàn)象，進而可有效防止金屬損失大、大氣對鋼液的污染（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；（2）采用直流供電和中空石墨電極噴吹含氫氣體實現(xiàn)氫等離子體加熱，取代利用石墨電極產生電弧的傳統(tǒng)加熱方式，具有無污染、噪音低、能量利用率高等優(yōu)勢；（3）采用豎井式結構高溫廢氣和輔助燒咀對廢鋼進行連續(xù)預熱，用推鋼機實現(xiàn)廢鋼連續(xù)加料，使廢鋼預熱溫度超過1000℃，避開二噁英生成的溫度，排出的煙氣進入短流程鋼廠的整個廢氣處理系統(tǒng)進行處理和利用；（4）采用氫氣豎爐生產的無碳純凈DRI和廢鋼作為主要原料，結合底吹含氧氣體和噴吹石灰粉相結合的方式，實現(xiàn)少渣冶煉脫磷操作；（5）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，實現(xiàn)低氧高潔凈出鋼，達到“零夾雜物”和“零碳排放”的效果，配合后續(xù)工藝進行高附加值的超潔凈特殊鋼生產，實現(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短缺以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間尚不成熟，電爐煉鋼比例顯著提升只少要在2030年以后，甚至是2035年后。因為這取決于三個因素：一是預計我國仍然需要約8-10年后才有比較充足的廢鋼資源；二是，預計2030年后我國鋼鐵總需求將減少到8億噸以下，部分長流程鋼廠關閉，減少了轉爐中廢鋼的用量；三是綠色發(fā)展促進城市鋼廠的建設，電爐短流程工藝可以消納城市周邊產生的廢鋼、棄電、城市中水等社會廢棄物，促進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（DRI）、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，雖然不是發(fā)展方向，但確實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)展氣基豎爐生產直接還原鐵條件仍然不具備。因此，充分利用“一帶一路”倡議，鼓勵我國鋼鐵企業(yè)走出去，在天然氣和鐵礦資源相對豐富的國家建設直接還原鐵工廠，進口到我國作為電爐煉鋼的原料是解決廢鋼短缺和稀釋廢鋼中有害元素的有效解決方案之一。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。寶武環(huán)科在原有國外引進的轉底爐基礎上做了一系列工藝技術和裝備創(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，也是解決當前廢鋼資源不足的有效途徑，并同時實現(xiàn)有價金屬的綜合利用和固廢的綠色化處理，經(jīng)濟和環(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：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，可以利用生物質裂解爐處理城市垃圾和農業(yè)秸稈等生物質原料產生CO和CH4等還原性氣體，以及其他低價碳素資源等作為轉底爐的還原劑，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，使電爐起到調節(jié)城市電網(wǎng)負荷的作用，實現(xiàn)綠色化和能源的高效利用，降低煉鋼成本，促進鋼企與城市和諧共存。這種城市鋼廠，以螺紋鋼、線材為主要產品，規(guī)模以約100萬t/a為宜。

　　第三，發(fā)展氫氣豎爐-新型綠色電爐為核心的高品質特殊鋼短流程生產線。發(fā)展氫冶金是鋼鐵工業(yè)實現(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成本太高，無論是采用富氫還是純氫從經(jīng)濟上無法與以焦炭為主的高爐煉鐵工藝競爭。然而，氫冶金生產的高純凈直接還原鐵是生產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為爐料，經(jīng)過氫氣還原得到的DRI，無碳，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清潔廢鋼和鐵合金冶煉高品質特殊鋼，因而不需要加傳統(tǒng)的脫氧劑，采用剩余少量的雜質則用氫等離子電爐進行脫氧和精煉，后部采用電渣重熔或真空電弧重熔等特種冶金工藝，可以實現(xiàn)鋼材的“零夾雜物”，大幅度提升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、高強鋼等，顯著提升鋼材的附加值，實現(xiàn)生產特殊鋼高質量和高效益的統(tǒng)一。

　　第四，在廢鋼資源和清潔電力相對豐富條件下，最終實現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)以電爐短流程為主導。據(jù)中鋼協(xié)等相關機構估計，2035年廢鋼資源將可能達到4億噸，此時電爐煉鋼短流程的大發(fā)展才真正開始，預計到2050年我國廢鋼資源量將達到約5.5億t，粗鋼產量約8億噸，以廢鋼為主原料配以氫冶金生產的直接還原鐵作為補充原料的短流程電爐鋼比將超過70%，長流程的粗鋼占比將不超過30%。因此，電爐煉鋼短流程的發(fā)展是將一個緩慢的過程，應該積極穩(wěn)妥地發(fā)展，防止一哄而上。在今后相當長的時間內仍然應該發(fā)展長流程的節(jié)能減碳技術，確保我國鋼鐵工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

　　結語

　　電爐煉鋼短流程其低碳冶金的本質是以廢鋼為主要原料，通過廢鋼的高質循環(huán)利用有望實現(xiàn)低碳甚至零碳的鋼鐵生產。然而，電爐煉鋼短流程的發(fā)展取決于三個條件：一是充足且相對廉價的廢鋼資源；二是價格適當且充足的電力資源；三是電爐煉鋼技術的顯著進步，促使其生產成本和環(huán)境保護方面與長流程有競爭優(yōu)勢。所以，電爐短流程的發(fā)展是一個漸進的過程，需要十年甚至更長時間的不斷努力。在相當長的一段時間內，富氫高爐+高廢鋼比轉爐的長流程將是電爐短流程有力的競爭者，也是鋼鐵生產向低碳化發(fā)展的重要貢獻者。

　　采用氫冶金生產的直接還原鐵以補充廢鋼資源的不足并稀釋廢鋼中的有害雜質元素，采用非化石能源的綠色能源發(fā)電（光伏、風能、潮汐能、地熱、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，實現(xiàn)電爐短流程的高效、低耗、低成本和高質量生產，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)展機遇，同時也面臨著資源、能源和成本的挑戰(zhàn)。如何從技術、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。（姜周華）

（作者系東北大學冶金學院特殊鋼冶金研究所所長）