作为向低碳排放炼钢过渡的一种手段，电弧炉(EAF)技术受到了广泛关注。然而，当人们开始评估电弧炉为这一低碳进行努力带来的机遇时，人们很快就会意识到未来的电炉技术与用于制造钢铁的原材料选择密切相关。事实上，当人们试图为炼钢生产而开发低碳排放解决方案时，是不可能将这上述的这两个主题分开的。钢铁行业即将遭遇危机，原因是废钢的残余元素含量不断上升，造成高质量废钢的比例不断下降。使用矿石冶炼的金属料在稀释废钢残余元素含量水平和实现废钢回收方面发挥着关键作用。这种矿石直接生产的黑色金属原料直接影响电炉的生产率、成品率和效率，因此，本文讨论了这两个主题。下面的讨论试图为读者揭示这些问题，以评估并开始确定我们在踏上2050年碳中和之旅时应该问的问题。讨论的目的不是在这个时间点上提供确定的解决方案，而是促进为未来开发健全的技术解决方案所必需的思想和讨论。

全球钢铁行业已开始对旨在实现2050年CO₂减排目标的新技术进行评估。目前，该行业的直接CO₂排放量约为20亿吨CO₂，约占工业CO₂排放总量的25%。世界各地正在评估几种方法和技术，目前阶段上有时很难清楚的确定目标。

电弧炉(EAF)是目前碳足迹最低的技术，一般来说，电炉每生产一吨钢铁会产生500-800公斤的二氧化碳。除了100%基于废钢的电炉炼钢，电炉生产路线已经表明，如果具有高达40%的金属原料是由矿石直接产生OBMs(生铁、直接还原铁(DRI)或热压铁(HBI))，它可以生产与长流程(用碳还原的高炉/转炉)路线相同的高价值产品。同样清楚的是，废钢的循环经济取决于基于矿石生产的原材料OBMs的使用稀释比例，以满足产品性能的要求。在能够经济地从废钢中降低残余元素的技术被开发出来之前，采用OBMs来稀释废钢残余元素将是电炉生产高质量钢的主要方式。

未来炼钢的假设是，可再生能源发电将成为炼钢过程中能源输入的主要热源，使用100%废钢生产的大部分CO₂排放是在发电厂的进行的。在未来，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，电弧炉已被确定为炼钢的首选技术，很明显，需要利用矿石基原料OBM来实现这一点。目前尚不清楚的是，碳中和的目标是“消除”EAF冶炼中的碳，还是使其最小化。本文的目的是确定未来30年电炉炼钢面临的挑战，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。

背景

从本质上讲，很难想象“零碳”炼钢，因为钢被定义为铁碳合金，因此，零碳炼钢是一个用词不当的说法——实际上，我们想要的是一个低碳或碳中和的钢铁行业。目前的目标是确定在不严重影响炼钢工艺本身基本原理的情况下，电弧炉炼钢的碳足迹可以减少多少。

静态电弧炉能量平衡作者先前就已经给出，图1给出了一个典型的例子。

图1 电弧炉(EAF)冶炼静态能量平衡示意图（左侧：电能输入：反应，天然气烧嘴，金属氧化，废钢挥发物燃烧，电极消耗氧化。右侧：能量输出：烟气带走热量，炉壳和炉盖水冷，电炉渣，熔化后钢水，其它。）

电弧炉中碳的来源

目前CO₂排放量分类如下:

•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 - 包括公司价值链中发生的所有其他间接排放。

目前，大多数炼钢企业都集中在范围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的排放。对于钢铁制造商来说，冶炼熔剂、含铁金属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来源，以下是电弧炉二氧化碳排放的主要来源:

•发电。

•天然气，用作燃料。

•氧碳在熔池中发生反应。

•与废料混在一起的油、油脂和其他可燃物质的燃烧。

•各种废钢中含有的碳。

•矿石基金属料OBM中含有碳。

•石墨电极的消耗。

•耐火材料消耗-例如MgO-C砖。

•喷碳在电炉中的反应。

•注入碳在电炉中的反应。

•石灰煅烧过程中CO₂的演化。

图2显示了每个来源对EAF过程总体碳足迹的贡献CO₂量，当我们试图从EAF中消除这些CO₂排放源时，我们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。

图2 基于CIX碳足迹模型的CO₂对电炉冶炼工艺的贡献

电弧炉原料

废钢供应和残余金属杂质元素的危害重要性

钢中的残余金属元素是指铜、镍、锡、钼等不能从钢中冶炼去除的元素，这些元素会影响钢的成形性，因为它们倾向于在晶界偏析，并且在塑性加工过程中以不同于钢基钢的速率变形。因此，各种钢材应用限制了钢中这些残余元素的含量，以满足其产品的物理要求和形成所需产品的成型能力。铜通常是各种残余元素中最密切关注追踪的元素

以下是各牌号钢的容许含铜量清单。可以看到，不同的钢铁产品的范围差异很大：

•螺纹钢：0.2~0.4 wt.% Cu，可高达0.8 wt.%Cu。

•轴承钢：最大含量0.3 wt.% Cu。

•碳钢线材：最大0.3 wt. % Cu。

•钢丝绳线材：最大0.15 wt. % Cu。

•弹簧钢线材：最大0.2 wt. % Cu。

•工具钢：最大0.25 wt. % Cu。

•结构钢：0.2~0.5 wt. % Cu，平均0.2~0.3 wt. % Cu

•钢板(A36)：0.2 wt. % Cu。

•钢管：0.08~0.20 wt. % Cu。

•薄钢板：0.04~0.10 wt. % Cu。

从现在到2050年的废钢可用性预测表明，可回收的废钢数量将大幅增长，这对电炉炼钢企业来说是个好消息，因为电炉炉料中大部分是废钢。世界钢铁协会(worldsteel)的图3显示了按地理区域对2050年的预测。

图3 世界钢铁协会(worldsteel)对2050年废钢可用性的预测

从2020年开始，废钢在欧盟/美-墨-加/日本有少量增长，增长最快的是中国和世界其它地区。当然，废钢的数量只是冶炼考虑的一部分，废钢质量则是电炉冶炼企业的关键利益所在。废钢的质量取决于其来源的各种等级废钢组合使用比例。回顾之前的列表，如果废钢来自结构工程，铜的含量可能约为0.3 wt. %；如果废钢来自用钢板制成的产品，铜含量可能在0.04到0.10 wt. %之间；如果废钢来自钢管产品，铜含量可能为0.12-0.15 wt. % Cu；特殊钢棒材产品将提供含铜量为0.15-0.3 wt. %的废钢；再生钢循环使用的钢筋将含有0.3-0.8 wt. %的铜。

此外，钢材的产生的年代和产地也可能对铜含量产生影响。众所周知，钢铁的生命周期因地理区域的不同而有很大差异。

在过去的10年里，不同等级类型废钢的组合使用变得越来越普遍，废钢混合组织电炉冶炼金属料如80/20 #1/#2脏废钢熔炼的钢中铜含量可在0.5-0.6 wt. %的范围内。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(worldsteel)电炉专家组通过生成一个废钢命名等价模型来解决这个问题。然而，在过去几年中，情况变得更糟，在许多情况下，高等级质量的废料被低等级质量的废钢污染。这本质上促使钢铁生产企业更多地使用矿石基金属料OBM来稀释废钢中的残余元素含量残留水平，以达到必要的钢铁产品规范要求。

边角料废钢定义为生产制造过程中产生的废钢，这种材料的化学成分是知道的，套管就是一个例子。报废废钢被定义为当钢铁产品达到寿命终点时回收来的材料，比如破碎汽车的剪切料、白色家电或钢筋。重要的是要认识到，在这两种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中包含不同程度的残余元素、无效成分和其他成分。企业自产废钢定义为在钢铁生产过程中产生的废钢，例如，钢包和中间包的浇余，从渣罐中回收的钢铁料，以及在轧制/精加工过程中发生的剪切切削料。

图4显示了国际钢协对到2050年可获得的边角料废钢、报废废钢和钢企自产废钢数量的预测(x轴为年，y轴为吨)。可以看出，随着更多炼钢产能投入使用，2020年后自产废钢预计将略有增长。预计2020年后，加工边角料废料供应也将增长，但其中大部分将来自发展中国家经济体。在发达经济体(欧洲和美-墨-加地区)，由于制造业通过提高效率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和基础设施达到使用寿命并被替换，报废废钢供应将大幅增长。

图4 国家钢协(Worldsteel)按类型对废钢可用性的预测

（Obsolete scrap=报废废钢；Home scrap-steelmaking=钢铁生产过程自产废钢；Prompt scrap=加工边角料废钢；Home scrap-foundry=铸造废钢）

图5显示了到2050年按地理区域预测的废料产量的详细情况。[1]该图表再次证实，亚洲的废钢供应量大幅增长，而美国-加拿大-墨西哥和欧洲的增长微乎其微。然而，该图中描述的数字似乎低估了这些地区目前的废钢生产水平。

图5 按地区划分的废钢利用率预测

图6还表明，[1]废钢增长的大部分将是报废废钢(来自建筑和土木工程)，其平均铜含量为0.3 wt. %或更高。

图6 按来源报废废钢分类增长

图7显示了电弧炉中各种金属料的残余元素水平以及制造各种钢铁产品的限制，很明显，未来可用的大多数报废废钢将只适用于生产某些结构等级的螺纹钢和商用棒材，并且只能用于生产具有较低残余元素要求的产品，如果使用OBM兑入废钢料中可以将熔化后钢水残余元素降低到可接受的水平。

图7 各种钢铁产品的要求金属料残余元素含量水平，来自国际钢协

（左侧纵坐标为使用的金属料，横坐标是残余元素含量水平，图中文字是对应制造各种钢材残余元素含量的限制。）

为了生产冷轧薄板、钢管和许多特殊钢棒材质量(SBQ)等级，有必要通过添加由铁矿石生产的OBM来稀释报废废钢中的残余元素含量，OBM具有最少的残余元素杂质。在找到一种有效且经济可行的方法来去除废钢中的残余元素之前，解决方案就是用OBM来稀释。很明显，作为利用废钢的电炉这个行业，我们必须根据其物理和化学性质来更好地分离废钢。无论如何，很明显，为了实现钢铁的循环经济，使用OBMs是必需的。如果在金属料混合组合中没有OBM，那将有很大一部分废钢因为其残余元素太多将无法回收，最终被送往垃圾填埋场。

需要更好的进行产品设计，如汽车和电器，必须要考虑当产品寿命周期结束时易于拆卸，这样可以将设备中的铜和其他残余元素集中的部件更容易地去除，从而不会导致废钢降级使用。例如，汽车车身钢中所含的铜可能为0.10-0.12wt%，但目前大多数汽车粉碎料废钢中含有0.15 - 0.35重量%的铜。这些额外的铜是汽车电器等设备中铜零件造成的，为了保持汽车废钢的价值，需要去除这些电器铜部件。这种电器部件铜具有经济价值，可以回收利用。目前已有方法可以去除至少一部分电器部件铜，但在钢铁制造商们认识到分离铜部件的每一步都会带来成本上的益处之前，大多数钢铁制造商不会支付额外的成本来进行这种额外的分离工作。然而，现在一些钢铁厂正在废钢料场进行这种额外的铜部件分离的工作，在某些情况下，设备资本支出的回收期不到3个月。

更大的问题是，在给定的废钢等级中，残余元素含量水平可能相差很大。例如，从历史上看，来自切碎的汽车和白色家电剪切废钢料，铜含量从0.15到0.20 wt. %不等。最近，在一些地区的剪切废钢料中含有0.35 wt. %的铜，在极端情况下含有0.52 wt. %的铜。很明显，现在的废钢剪切机能够将所有来的物件进行粉碎，与报废废钢部件的来源几乎没有关系。即使是许多钢铁市场情报机构报告的废钢价格指数，其效用也有所降低，因为各种废钢等级的高度可变性在它们的报告中没有体现出来。

如果报废废钢平均含有0.30 wt. %的铜，那么要生产最大铜含量为0.08 wt. %的平板产品，金属料混合将需要包含大约三份OBM和一份报废废钢。即使是生产最大铜含量为0.15 wt. %的钢管产品，也需要金属料是一份OBM和一份报废废钢混合，即OBM和报废废钢使用比例是1:1。这些例子说明了OBM对未来电炉炼钢的重要性。

随着回收废钢中平均铜含量的增加，为了生产某些钢铁产品，需要越来越多的OBM来稀释废钢中的残余元素含量。目前，北美所有回收废料的平均铜含量约为0.25-0.3 wt. %。即使在这个水平上，可以看到，为了制造一个最大为0.08 wt. % 含铜量的钢铁产品，需要混合70%左右的OBM来达到这个目标要求。表1给出了基于平均废铜含量和期望产品铜含量的金属料组合所需的OBM量，表格中黄色的部分描述了北美的现状，预计到2050年左右，报废废钢中平均铜含量可达0.50 wt. %，此场景由表中的红色带描述。

表1 为达到钢产品中铜含量的指标，金属原料中必需的OBM量

根据该表，根据报废金属部件来源和残余元素含量来分离废钢的重要性就变得清晰起来，目前来看这在经济上可能不可行。废钢是通过较小的经销商转移到较大的废钢处理商，这些经销商将来自许多来源的废钢合并在一起。除非有经济上的利益驱动，这些较小的废钢经销商不会倾向于根据报废部件来源将废钢进行分离。另一个障碍是，有许多不同的废料来源，大量来源的废钢数量可能会使按来源难以进行跟踪管理，即使这是想做的事情也成为不可能。在短期内，基于铜含量的分类似乎是最为可行的选择。鉴于铜残留含量低于0.20 wt. %的废钢的供应已经是有限的，关键是这种材料不能因与含铜含量更高的废钢混合而受到污染。将废钢直接加工成残余元素含量与废钢相似的产品的必要性也很明显。随着优质废钢供应的减少，这变得越来越有必要。可以看出，未来如果废钢残留水平继续攀升，在电炉金属料组合中需要相当一部分OBM。即使是某些传统上看普通的长材产品电炉组合原料中不需要OBM来稀释，但是在未来也确实需要OBM。

几年前，国际钢铁协会(IIMA)委托进行了一项研究，以得出从废钢中铜含量造成的废钢的内在价值(成本)降低值。该研究利用了10年来自美国的各种等级废钢的市场定价，时间框架涵盖了废钢价格非常高的时期以及市场价格较低的时期。从这些数据中得出的废钢中铜含量造成的废钢价格波动是根据制造产品的类型(长材对比扁平材)的不同而不同，这并不奇怪。总的来说，10年期间每个铜含量点的成本降低值为1美元至3美元。无论如何，有证据表明，成本可能与废铜和其他残余元素有关。未来，这一铜含量较高的成本可能成为废钢购买决策过程的一部分，事实上，一些钢铁制造商已经根据废钢中铜含量实施了财务上处罚，钢铁制造商应该愿意以较高的价格来购买较低残余元素废钢，并且预期残余元素较高的废钢价格会更低。

限制废钢残余元素含量水平上升影响，重要的是从现在就要就开始采取行动。在第一种情况下，经济激励手段往往是最有可能引起行业的注意。越早建立一个基准系统，为低的残余元素废钢分配一个溢价，并激励钢铁终端用户和废钢收集处理者采取必要的行动，意识到和保留低残余元素废钢的价值，最大限度防止废钢库因为残余元素问题而加速退化。

对这一问题采取一种可管理的、公平的解决办法，即跟踪每一种正在使用的设备（VIU）的铜含量，并将其将要成为废钢定价与基于使用价值的基准铜含量联系起来，并根据偏离基准的情况制定一套废钢的溢价或罚金制度。

其他废钢质量注意事项

确保未来钢铁制造行业和废钢收购供应商的一个要点是全行业都要充分认识到，废钢的许多物理和化学性质是由所有的正在使用的设备VIU所决定的，这些参数包括:

•化学和残余元素含量水平。

•堆密度。

•零部件形状。

•收得率。

•“静态熔化”能源消耗。

• Si, C的含量。

• FeO, SiO₂, Al₂O₃的含量。

•油、油脂和涂料含量。

•无关材料-塑料，铝片(zorba)。

•垃圾含量。

•电弧炉布袋除尘能力。

•含水率。

尽管人们对废钢的化学成分和残余元素含量水平进行了更严格的审查，但其中许多参数及其对炼钢工艺过程的影响一直被忽视，其中许多会对环境产生影响，还有一些会直接影响炼钢过程中的碳足迹。例如，高水分含量的废钢消耗了熔炼过程中的能量(用于蒸发水分)，导致熔炼过程效率低下。任何其它非金属的部分最终将在炉渣的报告中看到，增加了冶炼的渣量。与废钢有关的垃圾每增加1kg，最终将造成渣量增加5kg以上，并将导致约1.4公斤铁损。从历史的记录上看，与报废废钢相关的垃圾水平在1%到2%之间。近年来，船运废钢中垃圾含量攀升至4%，在一些地区观察到的垃圾含量高达7-12%。好消息是，钢铁制造商可以很容易地追踪废钢中的垃圾比例，方法是采集常规的废钢样本，并应用废钢模型来评估这些结果。现有的机械设备可用于量化和去除很脏废钢中的垃圾。此类设备的回收期通常不到一年，如果超过废钢垃圾允许最大比例(通常为1%)，钢厂就要向废钢供应商要求退款。

最近，有几项研究评估了2050-2070年废钢的前景。这些研究主要在日本进行，在欧洲的研究甚少。这些研究倾向于考虑两大类废钢——加工边角料废钢和报废设备部件废钢。这些分析对于评价残余元素水平上升的未来挑战，强调需要开发废钢处理技术以减少与回收废钢有关的含铜和独立铜件非常有用。然而，这些研究并没有指出，现阶段必须采取的何种措施来帮助保持废钢的质量，并解决处理废钢中残余元素含量水平加速上升的问题。大多数研究只考虑一般加工边角料废钢和报废部件废钢，必须要认识到废钢这种商品的多样性，并将其纳入分析，同时对各种废钢商品的性质要有清晰的了解。现实生活要复杂得多，但更详细的分析是必要的，以制定有意义的解决方案。

回收废钢行业必须意识到，高质量废钢和低质量废钢的混合实际上导致了废钢残余元素含量水平的上升，这直接导致了对OBM需求量的增加。从本质上看本地废钢市场向全球市场的转变也是一个因素，为了更好地控制废钢的质量，必须更好地界定报废废钢总分类内中的各个子类别。这就还需要定义额外的废钢类别，以便将低铜含量、中铜含量和高铜含量废钢分类，从而更容易将不同含铜量的废钢进行隔离堆放。同样的情况也发生在报废废钢的车削件和镗孔件上，车削件和镗孔件经常受到在同一加工过程中产生的有色金属车削件的污染。另一方面，套管和衬套在化学成分上是已知的，并且是均匀。

当然，分离各种废钢类型和质量是有成本的，这就是为什么一个有惩罚和奖励的系统将是促进废钢处理者采取预期行动的有效手段。在某些废钢市场条件下，与更好的废钢处理和更好的分离有关的费用似乎令人望而却步。在低迷的市场中，套管料和粉碎料之间的价格差异可能微乎其微。曾有一段时间，套管料废钢的芝加哥价格跌至剪切料废钢的价格之下。在上涨的市场中，各种废钢商品的定价往往差别很大。在美国，2021年第二季度，套管料废钢和剪切料之间的差价约为100美元。对废钢VIU的更好理解可以应用于推动废钢处理方采取更积极的行动，而不会对长期的盈利能力产生负面影响。

随着报废废钢供应的增加，必须设法使废钢内残余元素含量水平与正在生产的产品相匹配。例如，我们可以回收螺纹钢，根据产品对铜含量的要求，与废钢铜含量紧密匹配来生产的螺纹钢或商用棒材产品。如果不实施这样的组织生产方案，就将导致更有价值的废钢商品的交叉污染，并将推动对OBM的更大量需求，才能满足严格的产品残余元素的要求。

氢基DRI

几家钢铁制造商正在评估采购用氢气生产的DRI的可能性，如果使用100%的氢，产品将不含碳。如果在DR模块的冷却段使用一些天然气，则可以生产出碳含量高达1%的DRI产品。

基于氢基的DRI方案对电炉操作提出了一些有意思的挑战，在原料零碳含量时，需要在电炉中提供一些其他还原剂来源，以回收在DRI中作为FeO内的Fe元素。分析表明，在给定的DRI金属化率的条件下，随着球团总铁含量的增加，球团中剩余的FeO越多，这有点违反直觉，但在一天结束时统计发现，较高含铁量的DRI，这种吨钢收得率的影响被使用较少的金属料需求抵消。然而，如果目标是在电炉中还原铁回收工作量，那么最好的选择是生产金属化率程度高而不是总铁本身高的DRI。

面临的其他挑战包括：

•零碳DRI可能需要更高的电炉钢水熔池温度，以便以与碳基的DRI相同的速度熔化。相反，与碳基DRI的常用给进速率相比，零碳DRI的进给速率可能需要降低。

•一些研究指出，在DRI球团中C和FeO的反应有助于加速球团在渣中的分解，导致更快的溶解速率。如果这一点得到证实，氢基DRI的进料速率可能会受到影响。

•碳基DRI往往会自然地导致电炉渣发泡，这一过程对能源效率和输入金属料在电炉中的回收都非常有利。氢基DRI不会提供这种电炉渣发泡效应，这可能会对电炉效率产生负面影响。

随着行业参与者在未来几年进行各种试点试验，零碳DRI对电炉运行影响的了解将继续增长和发展。

一些研究工作表明，与传统的天然气基DRI相比，生产的氢基DRI具有更细孔隙结构的倾向，具有更强的反应性(燃性)。如果是这样的话，氢基DRI的存储可能会带来一些额外的挑战性内容。

与增加DRI产量相关的一个重要问题是DR级球团的可用性，一些作业已经进行了试验，用高达25%的BF级球团取代DR级球团。由于脉石含量增加，增加了铁损，能源消耗增加，生产率下降(类似于前面关于废钢中垃圾增加的情况)，这导致了电炉渣量的增加。此外，较高的脉石含量增加了对熔剂的需求，以抵消酸性脉石成分。生产这些助熔剂的碳足迹一直影响着炼钢的净碳足迹。

另一个令人担忧的问题是，级别较低的球团可能含有较高含量水平的磷，这是一个严重的问题，因为金属料中较高水平的磷可能需要在较高的渣碱度下进行电弧炉操作，以达到钢水可接受的磷含量水平。在较高的渣碱度下操作只会加剧炉渣体积问题，导致更大的铁产量损失和更大的通量要求。

目前还不清楚生铁将在未来电炉炼钢过程中扮演什么角色，通常，生铁含有4.5%的碳。如果在电弧炉中去除所有这些，那么对于使用50%生铁进入电炉，每公吨钢水产生的CO₂排放为82.5kg。与此同时，很明显，使用OBM来稀释回收废钢中的残余元素含量水平，并且随着废钢中残余元素含量水平上升，导致对OBM的需求量的增加。在短期内，氢基的DRI并不是解决问题的答案，因为DR级球团严重短缺，无法满足国际能源机构(IEA)预计的需求(在其可持续发展情景下，IEA预计到2050年DRI产量将达到4亿吨/年)。高炉是一种高效的工艺，其结果是高炉铁水中没有金属氧化物，因此不会对电弧炉工艺产生负面影响。目前，生铁是大多数希望稀释废钢残余元素含量的电炉操作的首选材料。

此外，在高炉中利用氢气和实现使用生物质替代碳的开发正在进行中。在日本，废塑料被注入高炉，以减少炼铁过程中的碳足迹。毫无疑问，从现在到2050年，高炉炼铁将继续发展，在可预见的未来，生铁在废钢回收循环利用上将继续发挥关键作用。

很明显，如果电炉中的化学能使用最小化，电炉中使用OBM的驱动力就会纯粹变成为“清洁”废钢原料的措施，而不一定是需要OBM里面的碳。提出了一些混合金属料的工艺，即在DR工艺中还原低品位球团，然后冶炼熔化以生产生铁。因此，一些人可能会研究低碳含量的生铁在未来是否可行。其他研究正在寻求回收/提供清洁的铁质原料作为电炉的炉料的来源。

废钢的含碳量范围一般为0.04 ~ 0.80 wt.%，平均为0.2 ~ 0.35 wt.%。因此，关于钢铁的循环经济的前提是不能从电炉中完全消除碳。因此，3.6-6.4公斤/公吨的液态钢水的二氧化碳排放量将不可避免的。

废钢和循环经济:关键要点

因此，问题是“我们现在应该做些什么来确保废钢循环利用，并为钢铁行业提供可持续性?”以下是一些关键要点：

•过于强调废钢成本，而对废钢价值重视不够。需要更全面地了解废钢的VIU，以证明与废钢效用相关的更适当的废钢定价。

•需要更好地定义和跟踪废钢特性，这些可以用于更好地理解VIU，这样来驱动废钢根据其参数进行分类隔离行为。

•钢铁制造商还必须与废钢处理商更紧密地合作，以分离低的残余元素高价值的废钢，并减少将低品位废钢混入“更清洁”的废钢中。这可能意味着，各种废钢类型的定价结构将与废钢的残余元素含量相关。这样做，钢铁制造商将不得不支付更高的废钢价格，以维持清洁废钢等级的供应。不过，与此同时，需要有一种经济激励，让废钢处理者更好地进行铜部件去除，让汽车制造商设计更容易去除铜件的车辆。

•必须改进并普遍应用能够经济地降低废钢中铜件技术，以减缓废钢中铜(和其他有害物质)残留含量水平的上升。

•废钢和炉渣模型可以非常有效地跟踪废钢质量，需要应用它来更好地了解废钢特性。

•在钢厂现场进行废钢处理是一种清除垃圾污垢高效有利的方法，这将改进电炉运营成本，提高金属料收得率，降低冶金辅料溶剂的消耗，并且能够降低能耗，并减少电炉炼钢的碳足迹。

•需要更好地跟踪废钢中的C、Si和Al水平，以了解对酸性渣成分的影响，电炉启动时候就产生FeO和泡沫渣屏蔽电极弧(即，这些过程在电炉生产中进行)。

•在许多成熟经济体中，“优质”废料的可用性正在萎缩，因为制造商的材料的利用效率提高了，产生的废钢边角料数量减少了。此外，随着钢铁技术的发展(如先进的高强度钢)，车辆用钢强度也在减少。

•原材料市场是动态的，所以解决方案不会是“一刀切”的。以开放的心态处理各种选择，并放置正确的工具手段，以便随着情况的变化迅速调整原料策略。

EAF操作-过去和现在

化石燃料能源在电炉中的形式

电炉过程的能量输入有两种形式：电能输入和化学能输入。化学能输入由以下设备操作提供：

•天然气氧燃烧嘴。

•钢冶炼过程必需的氧化性反应- C, P, Si, Al -这些必须要考虑到的。

•冶炼过程中在熔池内氧化反应结果，喷氧进入熔池与Fe，Mn反应，产生热能进入熔池。

•炉渣中FeO的由碳还原，这是一种吸热反应。这一反应有助于炉渣“起泡”，这有助于屏蔽电弧，并大大提高能源效率。

•石墨电极氧化和电极尖端升华。

重要的是要认识到使用化石燃料能源方面的历史演变。电炉冶炼熔化废钢形成平熔池后，注入少量氧气来“精炼”钢，这个电炉冶炼过程可以将钢水中的磷、硅、铝和锰等杂质元素从钢中去除。然而，在电炉中该炉钢水出钢注入钢包之前，往往喷吹大量氧气被用来调整钢中的碳含量。

历史上看，电炉炼钢所用的氧气量在5.8-8.7 Nm³/公吨钢液的范围内。在20世纪80年代，变压器容量受到在一定程度的限制，为了增加电炉的能量输入效率，一些操作开始向电炉充电额外的碳，并通过碳与氧反应在电炉中产生化学能。因此，可以同时在冶炼过程中输入电能和化学能。

到20世纪80年代中期，泡沫渣的概念从电炉中使用DRI而演变来的，人们认识到，在适当的条件下，CO在钢水熔池中和钢渣界面的演化将导致渣的起泡量高达未发泡渣的三倍。据观察，这种现象导致了更好的电弧屏蔽，更好的电弧稳定性和能量转移到熔池的效率都有了很大的提高。渣的发泡是在电炉中使用DRI的自然结果，因为这种材料含有碳和未还原铁(FeO)。当材料在渣中熔化时，产生CO气泡，渣发生泡沫化，对这一机制的研究导致在电弧炉中注入更多的氧气，并喷碳，以人为地制造泡沫渣，并实现相关的效益。

随着电炉操作的不断发展，出钢到出钢的时间变得越来越短，人们认识到电炉中存在着“冷区”，在这些“冷区”中，废钢没有像电炉的其它地方那样迅速熔化。因此，尽管电炉中的大部分金属料都已经熔化了，但为了熔化这些冷点中的废钢，延长了熔炼时间，这将造成通电时间的增加，电炉产能下降，电炉中存在过热区，整体能源利用效率的降低。在电炉中采用了氧燃烧嘴，以加速冷区的废钢熔化。尽管额外用于冷区能量相对较小，但对高效熔化操作的影响却是巨大的。

在电炉技术取得这些进步之前，化学能约占电炉净能量输入的15-20%。在电炉中注入大量氧气后，化学能对电炉的净贡献增加到40%，在某些极端情况下达到50-60%。随着电弧炉内碳氧反应产生的热量的增加，电弧炉的生产率也提高了，但以能源效率为代价，因为流失到烟气中的能量也大大增加。在现代高效率的电炉运行中，烟气的能量损失在电炉总等效输入能量的30%到50%之间是很常见的。

EAF运营-未来的挑战

减少电炉碳足迹最合理的方法是评估电炉运行中CO₂的各种来源，然后确定如何在不对工艺过程效率产生负面影响的情况下取代或减少与该功能相关的化石燃料。

泡沫渣 - 屏蔽电弧

电弧炉炉渣发泡形成泡沫渣已被证明是电炉炼钢的重要技术进步之一。较差的电弧屏蔽覆盖对于输入电能可导致50-70%的传热效率，但良好的泡沫渣屏蔽控制电弧可使得电弧炉的电效率高达93%。在一些冶炼作业中，完全埋弧的效率接近100%。当电弧炉在平熔池条件下运行时，良好的泡沫渣屏蔽电弧是最重要的。在常规电炉废钢熔化的初始阶段，电极穿井，电弧被废钢所包容。对于在整个在出钢到出钢循环生产中采用平熔池操作，这种泡沫渣屏蔽电弧对高效操作至关重要。

对大多数电炉操作来说，起泡沫渣就是增加渣的高度是屏蔽电弧的最有效方法。然而，重要的是要注意，这不是唯一的选择。如果泡沫渣高度足以容纳屏蔽电弧，则可能不需要对熔渣继续进行发泡增加高度。这就要求电弧炉的设计能够承载更大的渣量，并带来了一些额外的挑战，例如：

•钢的除磷可能会更加困难。

•较大的炉渣体积将需要额外的能量将其加热到冶炼所需要的温度。每公吨电炉炉渣所含的能量约为740千瓦时/公吨。如果电炉中的渣量增加一倍，能量需求可能会增加60-80KWh/公吨钢水。

•较大的渣量可能会造成带渣出钢。

•电炉中的余钢形成的块状渣铁可能会成为一个问题，特别是电炉中具有有冷区的时候。

如果DRI/HBI中的脉石含量由于低脉石DR球团原料的短缺而增加(即导致使用低品位的铁矿石球团)，由此导致的炉渣体积的增加，实际上可能是改进的电炉操作的。然而，如果球团的磷含量高，就会出现一个重大问题，即渣中没有足够的FeO，再加上渣碱度高，可能无法将钢中的磷含量降低到可接受的水平。如果氧气使用量有限，可能有必要在渣中加入氧化铁皮或铁矿粉，以提供足够的FeO以促进除磷。

与大炉渣体积相关的最大挑战之一是潜在的铁的收得率降低。如果电弧炉的设计是考虑到可以容纳更多的渣量，这就不是一个问题。在过去的一些操作中，为了减少铁损，提高金属收得率，在渣中增加了轧钢工序产生的氧化铁皮。为了控制铁损，保持严格的终点控制是至关重要的。如果吹氧过度，渣量大，铁损大大增加。当然，如果电炉中的氧气使用量大幅减少，由于渣造成的铁损就不那么重要了。

炉渣发泡也有利于高效利用电弧炉中注入的气体和固体物质，消除炉渣发泡可能导致更大的工艺效率低下和更低的回收率。

电炉操作中的泡沫渣过高也可能会给原料(如DRI、HBI、颗粒生铁(GPI)和助熔剂)的炉盖进料带来问题。为了促进快速熔化和铁进入到熔池中，可能有必要在较低的渣碱度下操作和/或对渣进行改性以降低粘度并促进铁排放到熔池中。同样，如果材料含磷含量高，可能会出现高的铁损，在渣碱度低的情况下可能无法进行脱磷操作。

许多电炉操作人员忽视了脉石和垃圾污垢对电炉操作碳足迹的影响。与废钢/OBM相关的垃圾/脉石量越大，为达到生产给定重量的钢包钢水，必须向电炉充入的金属料量就越大。更值得关注的是，垃圾/脉石含量越高，就需要向电弧炉中添加越多的基本助熔剂(石灰、白云石)。尽管石灰/白云石对钢铁厂的二氧化碳排放没有贡献，但从石灰石/白云石原料生产出来的石灰/白云石是CO₂排放的主要来源，必须在某种程度上加以考虑解决的，这一问题超出了本文的范围，这里就不进行讨论。较高的垃圾/脉石含量对铁产量、熔剂要求、能源消耗等的综合影响可能对炼钢的碳足迹产生相当大的影响，必须尽快解决。

目前，高效电弧炉操作喷碳10-20kg/公吨，每公吨钢液产生37~74公斤二氧化碳。

有几种替代注入碳的方法，再生塑料已在世界各地的电炉操作中被证明是造渣的发泡剂。该技术的主要问题包括适当分离废塑料(基于含量)，以确保危险的副产品(如二恶英/呋喃)不会在电炉中产生，以及塑料在注入电炉后就要很快就会分解。这就产生了一个问题，即产生持续释放的CO气泡来给炉渣泡沫化，塑料的快速燃烧穿往往会导致CO气体的激增，这不利于良好稳定的炉渣发泡操作，因此，通常使用20-35%回收塑料来替代喷入的碳。

另一种可能性是用生物材质来代替喷碳。为了有效地作为渣发泡剂，必须将生物材质转化为生物炭。在过去，一些电炉作业利用烤椰子壳制成的木炭作为有效的炉渣发泡剂，其他废物生物材质来源可能是合适的。良好的炉渣发泡操作的关键在于达到这些材料的正确尺寸和密度，以及允许持续热分解燃烧产生CO气体对炉渣进行发泡。

在回收塑料和生物炭的情况下，需要完成大量工作来确定最佳尺寸和性能，以提供高回收率和持续的炉渣发泡。

在电炉中生物碳利用的一个主要挑战是生物材料往往具有非常高的含水量，因此，在电炉工艺中使用这种材料之前，必须去除材料的水分。除去水分所需的能源成本可能会影响使用这种材料的经济可行性。此外，生物碳的一些潜在来源可能含有磷、氮或硫，这对炼钢过程是有害的。充分了解各种生物材料的产地，以找到最适合生产生物碳的来源将是重要的。为了使生物碳达到真正的碳中和，产生(植物生长)的速度必须与消耗的速度相匹配，这种平衡能否维持，还有待观察。

炉渣粘度对通过炉盖进料DRI/HBI造成潜在的问题，泡沫良好的炉渣将允许炉盖上方供给的物料渗透到炉渣中，在那里发生熔化。反之，如果用更高的泡沫渣作为屏蔽电弧的手段，可能会产生更高的铁损，此外，如果氧利用率降低，炉渣中的FeO含量可能不够高，无法形成流体炉渣。炉盖上给料速率可能会受到限制，DRI/HBI可能会积聚在炉渣上，导致材料的延迟熔化，并可能导致金属粒子进入烟气系统造成收得率降低。

辅助能量的需求

为了确保废钢在电弧炉中均匀熔化，有必要在炉膛冷区提供某种形式的能量输入。最简单的解决方案是替代目前在电炉中使用的天然气，可能的“绿色”替代燃料可能包括氢、氨、沼气、合成气、煤气或城市固体废物中的气体。

氨基本上是使用氢气作为燃料的一种选择，但它的好处是，氨比氢气更安全、更稳定，而且更容易运输和储存。然而烧嘴的设计需要最大限度地减少NOx的形成，因为高NOx水平会消除减少CO₂排放的好处。

另一种选择是利用非转移电弧等离子体枪向冷区输入能量。该技术在过去已用于在连铸机的中间包等离子加热包内钢水。等离子体喷枪的成本通常比具有相同热等级的烧嘴要高得多，但等离子体技术的优势在于它是基于电力提供能量的。

氧在低碳炼钢中的作用

目前，氧气在电炉中有多种功能。在过去的25年里，它已成为电弧炉生产的主要能源。但是，次级作用包括反应产物促进炉渣发泡，氧化冶金的作用去除钢中有害杂质。

•电炉熔池中氧与碳的反应也提供了一种从钢中去除溶解的氮和氢的方法。如果在熔池中CO的生成量是有限的，结果可能造成出钢时候钢水中的溶解的氮含量较高。这可以通过在下游工序使用真空脱气装置钢水进行额外处理来解决，但对于某些要求氮含量极低的牌号要求(<25ppm)，可能难以满足所需的条件。

低碳废钢熔炼

许多对未来碳中和炼钢的预测都要求利用通过氢还原生产的DRI/HBI。毫无疑问，随着越来越多的回收报废废钢，将需要某种形式的OBM组合使用，以使有利于废钢的回收利用。全氢基DRI/HBI的碳含量为零，如果在还原过程中使用了一些天然气，材料可能含有高达1%的碳。

如果材料不含碳，熔化温度将高于含碳的金属料，这可能会导致对电炉的功率要求更高，并延长通电时间。

过去，克利夫兰-克利夫斯在特立尼达的工厂生产零碳HBI。熔融试验表明，当与生铁在废钢料篮中分层堆放时，这种材料熔化得很快。生铁中的高碳含量使得零碳材料的熔化更快、更彻底。然而，在低碳电炉操作中，这可能会产生一个问题，零碳HBI/DRI的炉盖上连续进料速率可能会大大低于含碳金属料。

电炉设计考虑

基于本文前面部分中确定的一些电炉工艺上的改变，可以看到还需要对电炉设计进行一些改进，其中一个改变就是加深炉膛，这将有利于上炉炉渣通过留钢使用在下一炉钢水冶炼中，如果大量的DRI/HBI通过炉盖进料，这也是有利的。但是，必须提供一种将炉盖顶供料在钢水熔池中混合搅拌的方法，这可以通过气体搅拌/电磁搅拌，或通过炉壁枪注入惰性气体，无论如何，电炉的能耗将会增加。

随着电炉中氧气和化石燃料的使用减少，例如，如果能量输入主要是电的，并集中在炉膛的中心，这样有可能消除一些水冷组件。然而，这种方法必须平衡集中在电炉中心的能量，防止与炉膛周围形成的冷钢壳和冷区，有可能需要对电极圆进行调整以实现正确的传热平衡。

如果电炉的主要能量输入形式是电，那么就会出现几个挑战。在过去，化学能的利用增长，因为它可以加入到电炉同时通电。这样可以实现越来越短的冶炼循环时间。在过去，电能输入的限制与电炉变压器的容量有关。近年来，变压器的容量有了很大的增加，不再是瓶颈了。然而，如果未来的电炉操作希望保持低至30-40分钟的出钢到出钢的时间，那么石墨电极必须能够提供功率密度达到目前要求的两倍。

在低化学能/无化学能使用的电炉中，电力需求可能会大幅增长，冶炼吨钢电力需求可能会增长到500-550KWh。为了保持相同的电炉冶炼循环时间，这将要求电炉中的功率密度增加60-90%。这将需要更强的石墨电极和更强大的变压器。石墨电极的物理性质可能需要调整，电网要求可能会限制电炉操作的容量大小(公共耦合点(PCC)的短路容量(SCC)和提供的静态无功补偿量的函数关系)。这是当前电炉行业特别要关注的问题，许多钢厂可能已经根据PCC的电流SCC最大化了变压器的容量，如果是这种情况，静态无功补偿可能是未来的一种选择，或者可能需要对电网进行重大升级，以允许更多的有功功率(MW)用于维持当前的生产力水平。最先进的静态无功补偿系统可以提供四分之一周期的校正，在未来，可能有必要在更快的基础上进行修正。

如果在今后的操作中需要更大的留钢留渣量，电炉需要更深的炉膛来容纳留钢和留渣，也可能需要额外的留钢量以提供无渣出钢。一个较深的炉底也可能有利于使用电能作为主要能源的电炉操作。然而，如前所述，需要某种形式的增强混合搅拌来保持熔池的均匀性。

随着电弧炉工艺的发展，需要更好的工艺分析工具与先进的仪器仪表相结合，以提供更完整和更及时的信息来控制工艺，并快速识别工艺变更和设备的影响。

烟气系统的影响

在电炉中减少碳燃烧的最大益处之一是烟气的产生量显著下降，取决于碳是被消除还是被生物碳材料取代，对烟气系统的要求可能会发生变化，不仅烟气的体积会减少，而且烟气的能量含量也会比传统电炉工艺操作要低得多。在某些情况下，高达50%的能量进入到烟气中，这里面包括烟气的显热和化学热量，这引起了人们对从烟气中回收能量的极大兴趣，但这是一项艰巨的任务，因为在整个出钢到出钢的冶炼循环中，烟气中包含的热能的变化可能高达300%。如果在电炉中烟气产生和相关的热损失显著减少，烟气热量回收将没有必要性，并将导致更高的整体电炉能源效率。

在电炉炉膛内较低的烟气流动速率可以使炉盖顶部进更细小的材料，不至于给快速流动的烟气带走，这样材料的损耗就降低了。

值得注意的是，目前对炼钢工艺脱碳的强调主要集中在工艺和设备的变化上。实际上，通过流程优化，任何电炉操作的碳足迹都可以下降约20%。通过热量/能量回收将来可以进一步将碳足迹降低20-30%。虽然这两种优化的方式在过去已经被探索过，但它们从未被主流钢铁生产商采用，尽管它们提供了2-5年的潜在回收期。现在需要重新审视它们，看看近期能取得什么成果。

总结与结论

本文的目的是为讨论未来的电弧炉EAF工艺操作来提供一个催化剂，在某些领域还没有具体特别强调说明，这是因为驱动电弧炉工艺流程的基础还没有很好地定义出来。人们已经认识到，在未来的“绿色炼钢”活动中，能源论坛将发挥关键作用，但大多数钢铁制造商更关注减少二氧化碳排放的“终点线”，而不是在实现这些减排的过程中可以采取的步骤。本文试图填补部分知识空白，并确定一些我们应该尽早提出的问题。在我们研究技术挑战和需求时，肯定会出现其他问题。这篇论文并不打算提供所有的答案，而是旨在促进有意义的讨论，旨在为钢铁生产的可持续性提供强有力的解决方案。总结一下要点：

•碳永远不可能从炼钢中完全消除，因为根据定义，钢是铁和碳的合金。

•如果电弧炉中的化学能使用最小化，电力需求自然会增加。根据历史运行的数据，预计吨钢需求将为500 – 550KWh。这实际上意味着比目前的操作热效率提高了大约10-15%。然而，根据正在考虑的一些工艺方案，这一数字最终可能接近600KWh/吨。

•黑色金属原材料的可用性和规范将是降低电弧炉碳足迹的关键。如前一节所述，我们必须更好地分离报废废钢，并将其返回到适当的炼钢设施，以匹配将要生产的钢铁产品对残余元素的要求(例如，将回收的螺纹钢废钢重新冶炼生产螺纹钢)。希望开发出一些技术来从废钢中去除有害残余元素。但在这能够实现之前，将要求使用OBM将废钢内的残余元素含量稀释到所需的产品要求上来。还需要对废钢进行更好的分选和处理，去除游离铜部件，保留优质废钢的废钢价值。各种废钢类型的混合只应在钢铁厂进行，以满足产品的钢铁产品技术要求。

•在未来，预计大多数是用可再生能源发电，因此与电弧炉EAF操作相关的最大CO₂排放源将被消除。因此，电力需求的增加更多地与电网配置以及公共耦合点的短路容量是否能够支持所需能量的供应有关。发电厂发电的CO₂足迹将不再是一个问题，挑战将是技术和资金上的，对于许多现有的EAF工厂来说，这可能需要对电网进行重大升级以满足工艺目标。

•用废物材料(例如塑料)和生物碳质材料(生物炭，其他植物废物)替代碳也是可行的，但实际上并不能减少电弧炉工艺的碳足迹，除非电弧炉的利用率与发电效率相匹配。但大多数生物碳质材料的情况并非如此，就废物材料而言，尽管由此产生的碳足迹是真实的，但对社会来说，消耗这些材料是对整个社会有利的，也许这些CO₂可以归入不同的分组(例如，提供社会效益的CO₂排放-消除或减少浪费)。在作为生物碳质材料利用之前，从生物碳质材料中去除水分可能会导致大量的能量吸收，并导致工艺效率低下。

•通过工艺优化和在钢厂应用热能回收技术，可以在短期内实现减少电弧炉炼钢碳足迹的重大机遇。适当的工艺工具的开发和应用可以极大地加速这些改进。

•优化原材料利用对于减少电弧炉炼钢的碳足迹至关重要。铁的收得率是这个讨论的关键，电弧炉的演变不能孤立地考虑原材料供应。

•短期内必须采取一些积极的措施来保存更高质量的废钢。如果做不到这一点，将对减少电弧炉炼钢碳足迹的任何尝试都会产生负面影响。

•随着电弧炉运行向电力输入为主转变，短期内可能需要对电炉的电力输送进行重大改变。这可能需要对电网、开关站、电炉变压器甚至石墨电极进行升级。

•目前大多数炼钢作业集中在范围1和较小程度上的范围2排放。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、铁金属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。

毫无疑问，在电弧炉EAF工艺过程中将会出现许多可能的创新。重要的是，我们要遵循一种结构化的方法来进行这种演变:

1. 了解工艺的材料投入及其相关的CO₂排放。

2. 以不影响电弧炉效率和产能的方式实施金属料替换组合。

3. 评估EAF和相关辅助设备物理变化的需求，以适应所需的工艺改进。

4. 通过流程评估和优化，继续努力提高效率，确定优化和能量回收的机会。

5. 改进仪表和数据收集，以提高对过程的理解。我们非常需要进一步拥抱数字化，并相应地开发新的仪器。

6. 开发更好的工艺过程反馈工具，以更快、更全面地识别改变的影响。

7. 保持开放的心态，根据优点(或缺点)来评估机会。

参考文献

1. Hatayama, H.; Daigo, I.; Matsuno, Y.; and Adachi, Y., “Outlook of the World Steel Cycle Based on the Stock and Flow Dynamics,” Environmental Science and Technology, Vol. 44, No. 16, 2010, pp. 6457–6463, DOI 10.1021/es100044n.H.3.

作者

Jeremy A.T. Jones：CIXInc. and International Iron Metallics Association, Clinton, Pa., USA jeremy.jones@cixllc.com

唐杰民2023年元月中旬春节前在黄山市屯溪翻译自某国的《钢铁技术》今年第一期，水平有限，理解有误翻译不足之处请各位看官老师专家给与指正。