國內廢鋼-電爐煉鋼發展及展望

楊凱

（山西建邦集團通才工貿有限公司，山西 侯馬 043400）

鋼鐵生產制造可分為“從礦石到鋼材”工藝和“從廢鋼到鋼材”工藝，一種是以高爐-轉爐為代表的長流程，一種是以電爐煉鋼為代表的短流程。國際公認的短流程是以廢鋼為主要含鐵原料的電爐煉鋼工藝和以非高爐煉鐵+電爐的煉鋼工藝，其中，非高爐煉鐵包括直接還原鐵（DRI）工藝和熔融還原鐵工藝。短流程工藝擺脫了焦煤的大量使用，取消了燒結及焦化等鐵前工序，具有二氧化碳排放少、能源消耗強度低的特點［1］。我國鋼鐵工業發展至今，基本形成了高爐-轉爐長流程為“主”，電爐短流程為“輔”的局面。隨著全球工業的發展，電爐短流程優勢逐漸凸顯，未來在我國仍有相當大的發展空間。本文結合國家對煉鋼行業的發展要求，針對目前鋼鐵行業面臨的問題，分析了電爐煉鋼未來的發展方向。

1 國家對煉鋼行業的發展要求

2020 年9 月，我國提出了“碳達峰，碳中和”的目標；2021 年9 月，我國發布了“能源雙控”的制度方案。鋼鐵工業是制造業中碳排放最高的行業，降碳減能大勢所趨。我國鋼鐵工業長期以高爐-轉爐長流程為主，電爐煉鋼占比較低，約10%左右，提高電爐煉鋼比對降碳減能具有積極意義?！豆I領域碳達峰實施方案》文件指出，到2025 年，我國短流程煉鋼占比達15%以上，2030 年占比達20%以上，我國鋼鐵工業結構形成以高爐-轉爐長流程及電爐短流程共存局面。

2 煉鋼行業面臨的問題

2.1 碳排放強度高

據中國鋼鐵工業協會統計，2019 年，全球鋼鐵產量為18.5 億t，碳排放總量為26 億t，碳排放強度為1 400 kg/t。2020 年10 月，國際能源署組織（IEA）發表了《世界能源技術展望2020-鋼鐵技術路線圖》，預測到2050 年，全球鋼鐵需求量將增長38%，達到25.5 億t；碳排放總量將增長4%，達到27 億t；碳排放強度將降低21%，達到1 100 kg/t。但根據可持續發展情景預測（SDS），為了實現《巴黎協定》溫控2.0 ℃的目標，到2050 年，全球鋼鐵行業的碳排放總量需比2019 年減排55%，排放強度需降低60%，即降至600 kg/t［2］。2022 年，全球鋼鐵產量為18.76 億t，我國鋼鐵產量為10.13 億t，占比54%，我國碳排放強度為1 700～1 800 kg/t。從碳排放總量來看，我國占全球總量的30%左右，因此，需提高我國低碳冶金煉鋼占比，降低碳排放強度。

2.2 鐵礦石資源短缺

據世界鋼鐵協會統計，全球每年生產17 億t粗鋼，消耗近20 億t 鐵礦石。雖然鐵礦石資源總量較為豐富，但數量分布和品位區域差異較大。根據美國地質調查局2022 年對全球鐵礦石儲量及品位統計，澳大利亞、俄羅斯、巴西、中國四國占總儲量近72%，平均品位超過50%的為巴西、俄羅斯、印度、伊朗、南非。截止2021 年底，全球鐵礦資源儲量約1 700 億t，平均品位約47.64%。

我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程為主，短期內對鐵礦石的需求難以改變，受國內鐵礦資源限制，每年需大量進口鐵礦石。2021、2022 年我國進口鐵礦石分別為11.3 億t、11.1 億t，主要來自于澳大利亞和巴西，進口量高達83%。鐵礦石己經成為制約我國鋼鐵工業發展最關鍵的工業原料，急需可替代鐵礦石的大宗物料產品來緩解我國鐵礦石資源短缺的壓力。

2.3 廢鋼資源利用率低

2.3.1 廢鋼來源分類

國內煉鋼用廢鋼來源主要有自產廢鋼、工業廢鋼、折舊廢鋼以及進口廢鋼。自產廢鋼來自鋼坯和軋材的切頭切尾，以及判廢的鋼坯和軋材等，成分穩定，清潔度高，加工后可直接回爐使用。工業廢鋼來自對鋼材進行機械加工時產生的廢鋼，多為沖壓邊角料、車屑、料頭等，含有一定量的合金元素，尺寸分明且易于分揀，在較短時間內就能返回鋼鐵企業，缺點是經常帶有油污。折舊廢鋼指各種金屬制品、設備、建筑結構等使用一定年限后報廢產生的廢鋼，數量龐大、來源廣泛，成分尺寸混雜，需要加工和分揀后才能入爐使用［3］。

2.3.2 廢鋼資源產量

根據廢鋼應用協會統計，近年來國內廢鋼總量呈增長趨勢，如圖1 所示［4］，2022 年已達到2.62 億t。

圖1 國內廢鋼總量趨勢Fig.1 Trend of Total Amount of Scrap in China

根據國家要求，2025 年電爐煉鋼比例要達到15%以上，廢鋼比要達到30%，結合中國冶金礦山企業協會鋼產量預測值11 億t 估算，預計2027 年我國廢鋼產量將超過3.5 億t。未來我國廢鋼資源總量充足，其中折舊廢鋼是主要來源。

2.3.3 廢鋼質量水平

廢鋼質量直接影響鋼的潔凈度和電爐生產指標，合理的廢鋼配料可縮短通電時間，提高廢鋼收得率［5］。目前，自產廢鋼和工業廢鋼易于回收，在電爐內收得率可達93%以上，折舊廢鋼回收難度高，國內廢鋼加工技術水平參差不齊，廢鋼未達到技術要求便進入鋼廠，所以在電爐內的收得率普遍較低。各類新型電爐對廢鋼的尺寸提出了更嚴格的要求，ECS 電爐用廢鋼要求尺寸≤1.0 m×0.5 m×0.5 m，斷面厚度≤0.1 m，單重≤1 t；Quantum 電爐用廢鋼要求尺寸≤1 500 mm，單重≤500 kg，堆密度在0.8～0.9 t/m3。隨著汽車、船舶、建筑結構用鋼等報廢拆卸數量的不斷增加，折舊廢鋼質量更為復雜，因此需對廢鋼加工和分選，實現廢鋼在電爐的高效利用。

2.4 鋼水潔凈度低

2.4.1 鋼水過氧化

夾雜物參數作為衡量鋼水純凈度的重要指標，是冶金過程控制的關鍵。一般認為，鋼中全氧量與夾雜物數量有著一定的對應關系，全氧量越低，夾雜物越少，鋼水純凈度越高［6］。研究表明，軸承鋼中全氧質量分數從0.003 0%降低至0.000 5%以下，疲勞壽命提高了30 倍［6］。電爐以生產特鋼為主，如軸承鋼、齒輪鋼及高強度軸類鋼等，均屬于高潔凈鋼。傳統電爐由于爐型結構的限制，存在熔池攪拌強度不足，冶金動力學反應條件差的問題，終點鋼水過氧化的情況時有出現，需在出鋼過程加入大量的沉淀脫氧劑，雖然后續配套多種精煉工序，但難以徹底消除“過氧化”的危害。

2.4.2 鋼水氮含量高

氮是不含氮鋼種中的有害元素，會造成鋼材時效性差、藍脆、鑄坯裂紋等危害［7］。一般轉爐鋼水氮含量在0.001 0%～0.006 0%，電爐鋼水氮含量在0.004 0%～0.011 0%，電爐鋼水氮含量高主要有以下原因：廢鋼原料本身氮含量高；通電冶煉過程中電離空氣導致鋼液吸氮； 電爐為半密閉結構爐型，鋼液與空氣接觸吸氮。

廢鋼比對鋼水氮含量的影響見圖2。由圖2 看出，出鋼前鋼水氮含量隨著廢鋼比的提高而增加。

圖2 不同廢鋼比例氮含量的變化Fig.2 Change in Nitrogen Content with Different Scrap Ratio

2.4.3 殘余元素富集

從國際潔凈鋼發展動態及國內外某些鋼廠對鋼中殘余元素的控制標準可以看出，高潔凈鋼要求控制的有害元素已不限于P、S、O、N、H，還包括殘余元素，比如As、Sn、Sb 等。這些元素在煉鋼過程中難以去除，對鋼材的熱處理性能和力學性能造成影響［8］。廢鋼是殘余元素的主要來源。

2.5 二噁英排放濃度高

二噁英是廢鋼帶入的有機材料與高溫煙氣接觸過程中發生分解反應的產物［9］。二噁英作為工業副產物，具有極強的致癌性。一直以來我國煉鋼以轉爐為主，冶煉過程基本不產生二噁英。電爐煉鋼的興起引起了人們對二噁英的關注。國內煉鋼對二噁英的排放標準為0.5 ng-TEQ/m3，與歐盟、日本等組織及國家二噁英的排放標準0.1 ng-TEQ/m3相比，仍存在差距。研究表明，二噁英生成高峰區間在300～700 ℃，分解條件為溫度≥800 ℃，氧氣濃度≥6%，并在此條件下保持2 s 以上［10］。

3 電爐煉鋼的發展方向

3.1 低碳化

不同工藝路線碳排放和能源強度數據分析如下：

（1） Gielen D 等［11］研究了高爐-轉爐長流程、HDRI-電爐短流程、廢鋼-電爐短流程的一次能源強度和二氧化碳排放，三條工藝路線能源強度分別為16.5、12.0 和4.5 GJ/t，二氧化碳排放分別為1 700、1 000 和450 kg/t。

（2） 達涅利冶金公司［12］研究了高爐-轉爐長流程、HDRI（天然氣氣基）-電爐短流程、HDRI（氫氣氣基+碳捕捉存儲技術）-電爐短流程、廢鋼-電爐短流程的一次能源強度和二氧化碳排放，四條工藝路線能源強度分別為17.5、12、12 和4 GJ/t，二氧化碳排放分別為1 900、856、455 和360 kg/t。

（3） Bolen J，Giglio A 等［13］研究了高爐-轉爐長流程、HDRI-電爐短流程、廢鋼-電爐短流程生產1 t 熱軋盤卷帶鋼的二氧化碳排放，三條工藝路線分別為2 050、960 和260 kg/t。

綜上分析，不同工藝路線中，廢鋼-電爐短流程能源強度最低，約為4～4.5 GJ/t，是長流程的25%；廢鋼-電爐短流程碳排放值最低，約為260～450 kg/t，是長流程的19%。廢鋼-電爐短流程是能源強度和二氧化碳排放最低的工藝路線。

我國電爐煉鋼以廢鋼和鐵水為主要原料。雖然兌入鐵水可改善電爐生產指標，但是沒有擺脫煉鐵工序，不能稱之為真正的短流程［14］。研究表明，電弧爐熱裝鐵水比例為33%時，較廢鋼-電弧爐的工序能耗降低43.72 kgce/t，但流程總能耗約增加1/3［15］。從碳排放與能耗角度看，廢鋼-電爐是煉鋼的主要發展方向。

3.2 高廢鋼比

廢鋼是鋼鐵冶煉的再生資源，可代替鐵礦石作為煉鋼生產原料?！丁笆奈濉?循環經濟發展規劃》中數據表明，2020 全球平均廢鋼比為37%，美國、歐盟均在50%以上，我國廢鋼比為20%，利用廢鋼約2.6 億t，相當于替代了4.1 億t 品位62%的鐵精礦。2021 年我國廢鋼比為21.9%，2022 年為20.73%，較2021 年下降了1.17 個百分點。我國煉鋼廢鋼比與發達國家差距明顯，電爐是唯一可全廢鋼冶煉的煉鋼工藝裝備，提高廢鋼-電爐煉鋼占比可有效緩解我國鐵礦石資源短缺的壓力。

3.3 采用廢鋼加工利用技術

對不同類型的廢鋼進行物理加工，可以適應不同爐型對廢鋼的要求，提高廢鋼在電爐中的收得率及電爐冶煉工況的穩定性。廢鋼加工利用技術有：①廢鋼剪切技術，專用于高效加工重型和大型廢鋼，提高剪切材料密度，控制剪切長度，生產高質量的成品廢鋼；②廢鋼切碎技術，將各種廢鋼加工為均勻的碎片，經氣流分選和磁力分選后，分離黑色金屬材料和有色金屬材料，生產尺寸均勻、清潔干燥的廢鋼；③廢鋼粉碎技術，將廢鋼加工成形狀均勻、粒度細小的高密度廢鋼，堆密度可達2～3 t/m3，這種廢鋼純凈度高，熔化速度快，可用于快速調節熔池溫度；④廢鋼打包技術，最大限度地壓實廢鋼，增加密度，提高廢鋼在電爐的收得率。

3.4 潔凈化冶煉

鋼的“潔凈化”是現代煉鋼技術的主要發展方向，鋼的最終用途不同，對鋼的“潔凈度”要求不同［16］。特鋼由于應用場景復雜，需要良好的力學性能和高的疲勞壽命，與鋼材的“潔凈度”密切相關。傳統的電爐特鋼工藝路線為“電爐冶煉→爐外精煉→鋼錠澆注→鍛造”，20 世紀90 年代以來，我國在電爐煉鋼技術方面取得了長足的進步，基本形成了“電爐冶煉→爐外精煉→連鑄→連軋”的現代化特鋼生產模式。

電爐作為煉鋼工藝流程的初煉爐，“潔凈化”主要體現在鋼水終點碳、氧的控制水平，過程包括殘余元素、P、S、N、H 及夾雜物等的去除程度［17］。未來電爐冶煉需要從原材料、超低磷冶煉操作、鋼水氧及夾雜物含量、鋼中N、H 含量四個方面解決“潔凈化”的問題，與之相關的“潔凈化”技術包括廢鋼加工分選技術、復合吹煉技術、集束模塊化碳氧槍技術、埋入式氧槍噴吹技術、氣固噴吹技術等，旨在提高反應效率，從工序的源頭提高鋼水純凈度［18］。

3.5 優化電爐爐型

爐型是電爐煉鋼的技術基礎，與電爐的生產效率、環保效率和鋼種適應能力直接相關［19］。

3.5.1 各類電爐爐型的開發

（1） 傳統頂裝料電爐

傳統頂裝料電爐在開發初期生產率較低［20］。20世紀60-70 年代，高功率和超高功率供電技術的發展大幅度提高了頂裝料電爐的生產效率，同時與之配套的高壓長弧操作技術、水冷爐壁爐蓋技術、泡沫渣技術、燒嘴助熔技術、集束氧槍技術等的開發應用，使頂裝料電爐指標實現了質的飛躍。2017 年以前，我國95%采用的都是頂裝料電爐［21］。

（2） 豎式廢鋼預熱電爐Fuchs 豎式廢鋼預熱電爐于20 世紀90 年代從德國引進，由于廢鋼托架漏水和廢鋼溫度過高熔化結塊的問題，該電爐爐型基本已被淘汰［22］。目前，新型豎式廢鋼預熱電爐有Ecoarc 電爐、Quantum 電爐、Sharc 電爐。

Ecoarc 電爐由日本SPCO 公司開發，將廢鋼預熱豎窯與爐殼連通為一個整體，提高了廢鋼預熱效率； 控制二噁英的措施為保持爐內煙氣氧化度為0.6～0.7，在燃燒室內燒嘴助燃升溫至900 ℃，經噴霧冷卻塔急冷后溫度快速降至200～250 ℃［23］。我國首套Ecoarc 電爐為原本鋼引進。

Quantum 電爐由德國普銳特公司開發，采用指式托架預熱廢鋼，預熱溫度可達600 ℃以上；控制二噁英的措施為煙氣預熱廢鋼后進入二次燃燒室，噴入稀釋空氣使用燒嘴加熱至850 ℃，然后在冷卻室內通過淬火塔噴水急冷［24］。我國引進Quantum 電爐的企業有梧州永達鋼鐵、福建鼎盛鋼鐵、桂林平鋼、鴻泰鋼鐵等。

Sharc 電爐是德國西馬克公司開發的直流電爐，采用對稱布置的雙豎井預熱廢鋼，預熱溫度可達500 ℃以上，可選用堆密度較低的廢鋼，最高可加入65%的熱壓鐵塊（HBI），具備生產高潔凈鋼的條件；采用“燃燒沉降室+急冷塔+活性炭吸附”的組合方式控制二噁英，二噁英排放＜0.1 ng-TEQ/m3。我國引進130 t Sharc 電爐兩座，均在河鋼集團石鋼公司。

（3） 水平加料廢鋼預熱電爐

Consteel 電爐是水平加料爐型的一種，自2017 年以來，我國新上電爐85%以上均為水平加料爐型。早期的Consteel 電爐煙氣通道密閉性差，廢鋼預熱溫度為200～300 ℃，處于二噁英產生的高峰區間。2019 年，我國引進了達涅利ECS 廢鋼預熱水平連續加料電爐，獨特的煙道氣體湍流條件和動態密封系統解決了原Consteel 的不足，廢鋼預熱溫度可達400～500 ℃；控制二噁英的措施為保持煙道內氧氣含量為7%～14%，以促進煙氣二次燃燒，保證出口溫度在800 ℃以上，后接入極冷器在3 s 內將煙氣冷卻至250 ℃以下。此爐型全廢鋼冶煉指標為噸鋼電耗360 kW·h、電極消耗0.8 kg。目前我國投產和在建的已超過10 座。

除上述爐型外，還有我國自主研發的CISDIGreen 電爐和CERI-s1-Arc 電爐，均能實現連續加料和廢鋼預熱的功能。

3.5.2 不同電爐爐型的對比

（1） 傳統頂裝料電爐

傳統頂裝料電爐技術成熟，爐料結構適應性強，留鋼量為15%～20%，生產組織靈活，但也存在明顯缺陷，比如廢鋼加料次數多，煙氣外溢明顯，前期電能輸入效率低，對上級電網沖擊大，需配置大容量的電抗器［19］。而且，廢鋼熔化期在二噁英生成的高峰區間，環保性不高。在電爐兌鐵水技術開發后，上述缺陷得到一定的改善，但總體技術經濟指標表現一般。

（2） 水平加料電爐

水平加料電爐是近年來我國新建電爐的主流爐型，以ECS 電爐為例，主要特點是將爐蓋第四除塵孔轉移至上爐殼一側連接煙氣隧道，煙氣隧道通過下部的驅動機構整體發生持續的“慢進快退”動作，使廢鋼不斷向前滑移，進入爐內完成與對流煙氣的熱交換，采用45%～50%高留鋼比實現“平熔池”工藝。這種冶煉方式的特點是廢鋼入爐后不與電弧接觸，直接進入熔池被過熱鋼水熔化，全程泡沫渣埋弧操作，降低電極、耐火材料消耗和廢鋼燒損，提高了工況穩定性和供電效率，減弱對上級電網的沖擊，技術經濟指標均優于頂裝料電爐。從潔凈鋼冶煉的角度提高了單位冶煉周期內渣鋼反應時間，增強脫磷效果，降低初煉鋼水的氣體含量。但是高留鋼比會帶來殘余元素富集的問題，電爐公稱容量一般在100 t 以上，對于頻繁更換品種的小批量特殊鋼坯、錠的生產優勢并不明顯，更適合于快節奏大批量的生產組織模式。

（3） 豎式電爐

豎式電爐的特點是采用爐殼上側的托架結構作為支撐，煙氣在上升過程實現廢鋼預熱。以指式托架的Quantum 電爐為例，采用廢鋼料槽升降機分批加料，當一批廢鋼預熱后，指式托架向爐殼側壁張開，加料完成后合攏以裝入并預熱下一批廢鋼，廢鋼與煙氣接觸面積大，預熱效率高于水平加料電爐，采用100%高留鋼比工藝實現“平熔池”條件。在技術經濟指標方面，整體應用數量較少，且缺乏持續穩定的實際生產數據，應用前景仍有待觀察。

歐洲作為全球短流程特鋼生產基地，電爐發展已有一百多年歷史，據統計，2019 年歐洲電爐181座，其中頂裝料交流電爐164 座，頂裝料直流電爐8 座，水平加料電爐6 座，豎式加料電爐3 座，仍以頂裝料電爐為主，主要用于小批量、多品種的特鋼生產。

3.5.3 電爐爐型的未來發展

爐型結構對電爐技術經濟指標和生產效率起決定性作用。連續加料能縮短電爐的熱停工時間，廢鋼預熱能夠縮短廢鋼熔化時間，降低冶煉周期，廢鋼預熱和連續加料配套使用實現了平熔池操作，是現代電爐爐型技術的一大進步。二噁英的控制技術也是爐型發展的關鍵，多數爐型均采用了煙氣二次加熱以控制二噁英，但隨著工業能耗成本的上升，應開發經濟環保的廢氣處理方式。電爐的余熱回收是煙氣能量的二次利用，受限于電爐爐型結構和冶煉工況，煙氣中CO 含量較低，不能直接用于發電，只能回收煙氣本身的熱量，一般配套余熱鍋爐用于發電［25］。未來電爐爐型的研究開發將朝著連續加料、廢鋼預熱、低二噁英排放及余熱回收的方向發展。

4 結論與展望

（1） 廢鋼-電爐作為短流程煉鋼的典型代表，具有碳排放低、能耗低以及可全廢鋼冶煉的工藝特點，針對當前我國鋼鐵行業面臨碳排放高與鐵礦石資源短缺的問題，發展廢鋼-電爐短流程是一條有效途徑，同時結合國家對鋼鐵行業發展的指導意見，廢鋼-電爐在未來煉鋼行業極具競爭力且發展潛力巨大。

（2） 廢鋼作為電爐煉鋼短流程的主要原料，充足供應與合格的質量是發展廢鋼-電爐的基礎條件，在歐美發達國家的短流程煉鋼廠，廢鋼加工車間已成為煉鋼不可或缺的配套設施，作為一道關鍵工序進行把控。我國廢鋼產量持續增長，但廢鋼的“回收-加工-配送”體系仍需完善，特別是廢鋼的質量水平需引起重視，如同轉爐煉鋼鐵水的 “預處理”，廢鋼進入電爐前同樣需要“清除雜質”，廢鋼加工利用技術是電爐煉鋼行業發展的重點之一。

（3） 鋼鐵材料應用范圍廣泛，隨著各行業對鋼材質量要求的提高，現代鋼鐵制造對電爐冶煉的潔凈化提出了更高的要求。我國主要通過提高電爐鐵水比解決電爐效率與鋼水潔凈度的問題，比例一般在30%～50%。與轉爐碳排放相比，在某種程度上降低了一定的碳排放，但不屬于真正的短流程。目前我國已展開富氫碳循環技術和氫基豎爐直接還原鐵技術的研發，將逐步替代高爐鐵水。同時電爐相關的輔助冶煉技術正在逐步試驗和推廣，電爐潔凈化冶煉是未來煉鋼技術的主要發展方向。

（4） 電爐爐型與電爐生產效率直接相關，根據我國各類爐型電爐的應用情況，以Quantum 電爐、Ecoarc 電爐和Sharc 電爐為代表的新型豎爐煉鋼技術仍需進一步開發。水平加料電爐在我國應用多年，部分企業冶煉周期已縮短至35 min 以內，獲得了良好的經濟技術指標。結合歐洲電爐的應用發展現狀，未來我國電爐將采用單一品種大規模普鋼生產的水平加料廢鋼預熱電爐和小批量多品種特鋼生產的頂裝料電爐。

（5） 鋼鐵工業作為國家制造業的重要支柱，其發展方向備受關注。隨著制造業高質量發展的推動，我國鋼鐵工業將進入結構調整和轉型升級為主的發展階段，不再是大規模的發展時期，而是走高質量發展道路。電爐煉鋼在我國經過多年的發展，資源保障和配套設施條件已初步具備，將由提產增效階段開始向高品質發展方向轉變，未來我國電爐短流程煉鋼占比有望達到20%以上，廢鋼-電爐是主要發展方向，占比將逐步提高。