如今，为减少温室气体排放，钢铁行业正努力加快转型进程。全球钢铁行业温室气体排放量约占全球温室气体总排放量的7%，其中产生二氧化碳的化石燃料尤其受到公众关注。对于工业化地区来说，钢铁生产通常是最大的二氧化碳单一排放源。因此，钢铁行业的脱碳不仅对行业本身是一个巨大的挑战，也是温室气体减排的巨大机遇，减少二氧化碳排放更是主要的焦点。

炼钢过程中的大部分二氧化碳排放都是由“原生（primary）”钢铁路线产生的，该路线使用铁矿石作为主要铁源。如今，这条路线以高炉和转炉炼钢为主，每吨粗钢排放约2.2t CO2。

基于回收废钢的电弧炉炼钢可以在全球范围内取代转炉炼钢，从而降低二氧化碳排放，这是一个简单但错误的假设。事实上，LD炼钢工艺已经利用了一定数量的回收废钢，但仅使用回收的废钢无法满足世界钢铁生产需求。因为全球19亿吨的粗钢产量，其中14亿吨是转炉钢，并且根据相关预测，这一情况仍将持续。利用铁矿石炼钢仍然至关重要，如今LD工艺是高质量炼钢不可或缺的核心工艺，因此，需更深入地分析其如何应对碳中和的挑战。

2015年的《巴黎协定》等国际条约转化为国家层面的二氧化碳定价方案，因此，减少二氧化碳排放成为钢铁生产中的积极经济因素。特别是在战略投资决策的情况下，吨钢二氧化碳排放量已成为关键因素。此外，全球钢铁生产商已承诺实现二氧化碳减排目标，并将由其利益相关者承担相应责任。所有冶金生产路线都处于试验阶段。与所有其他已建立的工艺一样，LD工艺需要在新的环境中证明其可行性。

二氧化碳的即刻减排往往是第一个关注重点，LD工艺为迅速减少二氧化碳排放提供了重要支持。二次燃烧可以进一步提高废钢在LD工艺中的使用效益。冶金过程的数字化能够更有效地利用能源和原材料，从而减少二氧化碳排放。LD炼钢工艺只是一种过渡性技术，还是其本身就足以应对碳中和的挑战，这个问题需要更详尽的考虑。本章将概述LD工艺在未来碳中和炼钢中可以发挥的决定性作用。

图1对传统高炉生产、LD炼钢工艺和热轧的碳排放进行了深入分析。这些数值符合生命周期评估（LCA）中的ISO 14040/44标准。虽然真实工作中包括了从生产原材料到轧制卷材的整个生产链，但图中的重点在于炼钢自身产生的碳排放，并由钢铁生产商直接控制。直接排放使得每吨热轧钢卷产生1.9t二氧化碳当量的全球变暖潜能值（GWP）。如图1所示，钢厂的大部分排放物通过发电厂得以离开钢厂。

LCA的评价方法是迄今为止最为常见的，同时也是最可靠和公认的排放核算方法。但是，大多数二氧化碳排放通过发电厂离开钢厂的事实并不能给出如何避免排放的答案。发电厂内部使用的气体无法避免来自金属冶炼的过程本身。出于这个原因，图1提供了关于碳使用来源的粗略概念。铁水生产、氧气炼钢和热轧，这些工艺步骤是碳排放的来源。大多数二氧化碳排放量，即1kg热轧钢卷（HRC）产生的1.6kg二氧化碳当量，来自于铁水生产；氧气炼钢（即LD工艺）碳排放所占的份额有限，仅为0.2kg；热轧的碳排放份额更小，仅为0.1kg。

由图1可以得出结论，钢铁行业脱碳的第一个重点需集中在铁水冶炼方面，因为通过高炉生产铁水不仅需要化石碳进行加热，还需要还原和熔化。事实上，高炉工艺需要相关过量的化石碳，从而使高炉内部充满高热量气体。过去，主工艺中无法充分利用碳并不被视为效率低下，因为高热量气体可以转化为钢厂所需的电能。

如今，新的假设颠覆了传统的答案。在“无化石”情景里，人们相信绿色氢气和绿色电力的供应量是足够的。虽然并不禁止碳的使用，但仅限于来自可循环资源或任何其他可将二氧化碳重新转化为碳形式的生物碳，这种碳是有限且昂贵的。考虑到这些条件，实现碳中和钢铁生产的首要任务显然是取消化石还原和熔化步骤。对于当今的高炉技术来说，这样的任务几乎不可能实现，因此得出的一致结论是用直接还原技术取代高炉。这意味着，并不用必须放弃LD工艺。事实上，LD炼钢工艺的二氧化碳直接排放量与电弧炉炼钢相同。这两种工艺都依赖于一定量的冶金碳。碳将仍然是钢强度性能的主要成分，并且仍将促进某些炼钢反应，因此碳不能从任何炼钢路线中完全消除。“零碳”代表避免大气中温室气体增加的目标，但不应将其误解为“无碳”。气候中性氢与气候中性碳的可用性将对冶金工艺的发展产生重大影响。

文献中描述了将LD转炉与直接还原厂相结合的炼钢路线这一前瞻性概念。图2介绍了直接还原铁的中间熔化步骤，该步骤提供了含碳的铁熔体。这种预熔化有时被称为“电铁水”，因为它在化学成分上与传统的铁水相似。很明显，这种预熔化物可以通过现有的鱼雷罐车运输，在过渡阶段甚至可以与来自高炉的传统铁水混合。一如现今，电铁水和传统铁水最终在LD转炉中加工，电铁水将为未来的LD转炉供电。

与已实现的直接还原厂与经典电弧炉炼钢的组合一样，直接还原厂与LD转炉的组合能够在绿色能源的基础上达到气候中性。在特殊配置中使用LD转炉，有如下的技术和经济优势：

1）很明显，LD炼钢允许现有熔炼车间继续运行，随后进行连铸和轧制。因此，现有场地转换的投资成本得以减少。对现有场地的投资都可以集中投入在电铁水的生产上。

2）众所周知，板坯连铸生产的产品表面质量最佳，目前尚不清楚未来长时间内，与电弧炉生产结合的小型轧机能否弥补这一差距。因此，保留现有钢厂优于对小型钢厂进行新投资。

3）涉及到化学成分时，LD转炉可以在新配置中发挥其优势：超低磷含量和超低氮含量，特别是超低碳与超低氮含量的组合。LD转炉将继续为最终钢铁产品赋予最复杂的化学成分。在二次精炼中，“修复”化学成分的能力是有限的。

4）熔化步骤从不必要的冶金工作中剥离出来。在还原反应下遵循矿热炉原理运行设备，其原材料拥有的独特优势是电弧炉炼钢所没有的。当然，最重要的是，无需在直接还原厂内使用DR级球团作为原料，因为熔融废料中无需泡沫渣。除直接还原铁外，还可以引入含铁回收材料，甚至可以添加废钢。这一工艺步骤产生的后续矿渣可以移交给水泥行业，正如现在的高炉矿渣一样。

5）最后，LD工艺将结合新的上游工艺形成一个全新的生产链。与传统的高炉组合相比，这条新路线能够更好地应对能源供应波动。虽然从现在来看，这一方面无关紧要，但在“无化石”的未来，这一优势可能会产生决定性作用。

未来几十年，钢铁产业要面临的最大挑战就是减少炼铁和炼钢的二氧化碳足迹，以实现世界范围内的气候变化目标。众所周知，钢材的性能与其碳含量直接相关，只有非常特殊的少数钢种（不锈钢、ULC）可被视为无碳足迹。LD炼钢工艺也依赖于碳，因为其热量的产生依赖于碳（和其他元素）的氧化放热。此外，铁水脱磷亦需要氧气，如果没有碳，铁的损失就会很高，技术的经济效益也低。

新的想法是，用电熔炉生产（electrical smelter）的熔化氢来还原铁，制备“电铁水”。这将为现有的LD工艺提供液态铁水，并利用现有连铸和轧制设备等钢厂基础设施。与其他策略相比，该策略所包含的新产品认证工作相当之少，是工业供应链中的常见工艺，从而避免了上游技术变化对下游产业造成的负面影响。