全球钢铁行业已开始尝试评估新技术，旨在实现到2050年减少二氧化碳排放的目标。目前，该行业的直接二氧化碳排放量约为2Gt/a，约占工业二氧化碳排放总量的25%。世界各地正在同时评价几种减排方法和技术，有时很难清楚地确定这些目标。

电弧炉（EAF）是目前碳足迹最低的炼钢技术，通常情况下，每生产1吨钢会产生500-800kgCO2。除了以100%废钢为基础的电弧炉炼钢，电弧炉生产路线已经表明，如果金属炉料由高达40%的矿石基金属原料（OBMs）（生铁、直接还原铁（DRI）或热压块铁（HBI））组成，它可以生产与联合（CO/BF/BOF）路线相同的高价值产品。同样明显的是，废钢的循环经济取决于OBMs的残留物稀释作用，以满足产品要求。在能够经济地去除废钢残留物的技术被开发出来之前，情况将会是这样。

未来炼钢的假设是可再生能源电力将成为炼钢过程中能源输入的基础。100%废钢进行钢铁生产所产生的大部分二氧化碳排放量是发电量的函数。未来，可再生能源发电将大大减少EAF的碳足迹。

很明显，从长远来看，EAF已被确定为炼钢的首选技术。显然，需要使用OBM来实现这一点。目前尚不清楚的是，其目标是“消除”EAF生产中的碳，还是尽量减少其使用。本文目的是确定未来30年EAF炼钢面临的挑战，以便在实施炼钢长期战略之前对合理的技术解决方案进行评估。

1 背景

从本质上讲，很难想象“零碳”炼钢，因为钢被定义为铁和碳合金。因此，零碳炼钢是一个用词不当的说法，实际上人们想要的是一个低碳或碳中性的钢铁工业。目前的目标是确定在不严重影响工艺本身基础的情况下，EAF炼钢的碳足迹可以减少多少。EAF的静态能量平衡已由本研究在之前提出。

2 EAF中的碳源

目前，二氧化碳排放分类：

范围1—涵盖自有或受控源的直接排放；

范围2—涵盖报告公司消耗的购买电力、蒸汽、加热和冷却产生的间接排放；

范围3—包括在公司价值链中发生的所有其他间接排放。

目前，大多数炼钢操作都集中在范围1的排放上，范围2的排放较少。正如本文后面将说明的那样，钢铁制造商必须意识到与原材料相关的潜在的大范围3排放。对于钢铁制造商来说，熔剂、含铁金属原料甚至物流都可能大大增加范围3的排放，这些可能会影响未来使用的工艺技术。减少EAF碳足迹的第一步是确定进入该过程的各种碳源，以下是EAF CO2排放的主要来源：

- 发电；

- 天然气，作为燃料使用；

- 氧气与钢液中的碳反应；

- 燃烧与废钢相关的油、油脂和其他可燃物质；

- 各种废钢中含有的碳；

- OBMs中含有的碳；

- 石墨电极的消耗；

- 耐火材料的消耗：例如氧化镁-碳砖；

- EAF中电荷C的反应；

- EAF中喷入碳的反应；

- 石灰煅烧中产生的CO₂。

这些来源中的每一个都对EAF过程的总体碳足迹有贡献。当人们试图从EAF中消除这些二氧化碳排放源时，必须记住为什么在最初的过程中实现它们，以及它们提供的功能。

1 废钢供应及残留金属杂质的重要影响

钢中残留物是指无法从钢中精炼（去除）的元素，如铜、镍、锡和钼等。这些元素会影响钢的成形性，因为它们往往会偏析到晶界，并以不同于钢基体的速度变形。因此，各钢种的应用限制了钢中这些残留物的数量，以满足产品的物理要求和形成所需产品的能力。铜通常是各种残留物中最密切被追踪的元素。

以下是各等级钢中容许铜含量清单。可以看出，不同钢产品的铜含量范围变化很大：①螺纹钢：0.4wt.％Cu，最高达0.8wt.%Cu；②轴承质量：最大0.3wt.%Cu；③碳钢线材：最大0.3wt.% Cu；④绳索钢线材：最大0.15wt.%Cu；⑤弹簧钢线材：最大0.2wt.%Cu；⑥工具钢：最大0.25wt.%Cu；⑦结构钢：0.2wt.%-0.5wt.%Cu，平均0.2wt.%-0.3wt.%Cu；⑧钢板（A36）：0.2wt.%Cu；⑨管材：0.08wt.%-0.20wt.% Cu；⑩钢板：0.04wt.%-0.10wt.%Cu。

从现在到2050年的废钢供应预测表明，可用于回收的废钢数量将大大增加。这对EAF炼钢厂来说是个好消息，因为废钢构成了入炉金属料的大部分。图1显示了世界钢铁协会按地理区域预测到2050年的废钢供应量。

从2020年开始，欧盟/美墨加/日本有少量增长，最大的增长是在中国和世界其他地区。当然，废钢的数量只是关注的一部分，废钢质量也是EAF炼钢厂的关键利益所在。废钢的质量取决于废钢来源的产品分类。

参考前面的清单，如果废钢来自结构工程，铜含量约为0.3wt.%，如果废钢来自用钢板制成的产品，铜含量可能是0.04wt.%-0.10wt.%，如果废钢来自管材，铜含量可能是0.12wt.%-0.15wt.%，特殊钢棒材产品将提供铜含量为0.15wt.%-0.3wt.%的废钢，回收的螺纹钢将含有0.3wt.%-0.8wt.%Cu。

此外，钢的使用寿命和产地也可能影响铜含量。众所周知，钢的生命周期因地理区域的不同而有很大差异。

在过去的十年中，不同类型的废钢混合变得越来越普遍，诸如80/20 #1/#2重熔废钢混合物的铜含量在0.5wt.%-0.6wt.%之间。因此，用于描述各种废钢类型的术语已变得不那么有意义。更令人困惑的是，该术语也因地理区域而异。几年前，世界钢铁协会EAF专家组通过生成一个废钢术语等值矩阵来解决这个问题。然而，在过去的几年中，情况变得更糟，在许多情况下，质量较高的废钢被低质量废钢污染。这必然促使钢铁生产商更多地使用OBM来稀释残留物水平，以达到必要的钢铁产品规格。

边角料废钢被定义为在制造过程中产生的废料。这种材料的化学成分通常是可知的。一个例子是蒲式耳。废弃废钢被定义为当钢铁产品达到寿命终点时回收的材料，例如，切碎的汽车、白色家电或螺纹钢。重要的是要认识到，在这两个广泛的分类中存在许多不同等级的废钢，这些不同等级的废钢包含不同水平的残留物、惰性成分和其他成分。自产废钢被定义为在炼钢厂生产过程中产生的废钢，包括钢包和中间包头盖，从渣罐中回收的钢，以及轧制/精加工过程中发生的修整损失等。

图2显示了世界钢铁协会对到2050年可获得的边角料废钢、废弃废钢和自产废钢供应量的预测（x轴为年份，y轴为百万吨）。可以看出，随着更多炼钢产能的投产，预计2020年后自产废钢供应量将有小幅增长。预计2020年后边角料废钢供应也将增长，但其中大部分将来自发展中经济体。在发达经济体（欧洲和美墨加地区），随着制造业效率的提高，产生的废钢数量越来越少，边角料废钢的供应正在下降。2020年后，随着发达国家的建筑物和基础设施达到使用寿命并被替换，废弃废钢的供应将大幅增长。

图3显示了到2050年按地理区域预测废钢产生量的详细情况。这张图再次证实，亚洲的废钢供应量会大幅增长，而美墨加和欧洲只有很少的增长。然而，该图中的数据似乎低估了这些地区目前的废钢产生量。