对我国钢铁流程未来发展趋势的思考

1 我国钢铁工业面临工艺流程再造问题

中国工程院院士徐匡迪在谈改革开放40年中国钢铁工业的经验教训及未来发展路径时提出，我国钢铁工业目前存在三个主要问题：

1）钢铁工业发展没有严格按照生态环境的要求健康绿色发展；

2）钢铁工业发展初期只考虑短期的供需效应，没有考虑合理布局；

3）中国钢铁工业面临工艺流程再造问题。

针对钢铁工艺流程再造问题，徐匡迪院士指出：“现在中国钢铁行业的长流程占比近90%，而美国、欧盟短流程已经占到40%以上，美国生产普通钢材的主要流程就是用短流程的电弧炉冶炼，炉外精炼然后就轧制”。

徐匡迪院士还表示：“如果我国钢铁工艺流程再造成功，一方面可以降低对国外铁矿石的依存度，另一方面可以大大降低碳排放，符合绿色发展要求。用短流程冶炼还可以调峰运行，解决能源供应的峰谷问题和环境问题，同时降低能耗。在当前技术水平下，如果企业有自有电厂，长流程生产1吨成品钢要消耗700多公斤标准煤，而短流程只需消耗其60%左右。此外，由于工艺流程的再造，将产生出很多新的产业，如废钢回收和加工等产业。”

我国由于废钢及天然气资源短缺，长流程工艺在钢铁工业中占绝对统治地位，但要推进我国钢铁工业的转型升级，就需要进行钢铁工艺流程的再造。因此，完善长流程、发展短流程、推动DR-EAF（直接还原电炉炼钢）短流程的构建，应该是我国钢铁工艺流程再造的发展方向之一。

2 北美钢铁工艺流程的现状与发展趋势

2012年以来，北美钢铁工艺流程悄然发生变化。尽管目前北美钢铁流程仍以BF-BOF（高炉-转炉流程）长流程为主要工艺流程，而以DR-EAF短流程为辅，但短流程的流程效能越来越强烈地显现出来。

2015年，在北美钢铁工业中，采用DR-EAF短流程工艺，只有10家运营或在建设中。2015年后，直接还原铁生产有了突破性进展，启动建设了一批直接还原铁项目，促进了DR-EAF短流程的构建与发展。其中一个项目值得注意，即欧洲奥钢联公司在美国德克萨斯州建造了一座年产200万吨HBI（热压块铁）直接还原铁厂，并于2016年投产。

该项目以下几个特点值得我国钢铁企业关注。

1）欧洲奥钢联公司直接在美国投资建造直接还原铁厂，利用美国廉价且丰富的页岩气资源，生产直接还原铁，并将产品运回奥地利，供林茨钢铁厂使用。这条工艺路线与欧洲传统钢铁工艺流程不同，是钢铁流程的再造。

2）该直接还原铁厂100%生产HBI，保证长途运输中DRI（直接还原铁）的氧化铁损最低。

3）天然气短缺是欧洲生产DRI的短板，奥钢联的这种生产方式，是奥地利钢铁企业DR-EAF短流程的成功尝试，是钢铁流程的创新，在欧洲影响非凡。

4）数据显示，采用长流程的钢铁厂，吨钢CO2排放量约1 600 kg，而采用短流程的钢铁厂，吨钢CO2排放量约800 kg。由此可见，短流程钢铁工艺可以大幅度降低CO2排放，它是实现绿色钢铁的重要手段。

3 我国发展钢铁短流程的最大短板是天然气短缺

综观全球，特别是天然气产量丰富的国家和地区（如中东、美国、南美、东南亚、非洲），近年DR-EAF短流程均有实质性地发展。例如，伊朗气基竖炉直接还原铁电炉炼钢年产量有望达到2000万吨以上，而美国DR-EAF短流程已步入常态发展状态。另外，还存在其他发展模式，例如印度，由于炼焦煤短缺，采用煤基+气基两种工艺生产直接还原铁，之后进行电炉炼钢，印度已成为全球直接还原铁生产大国。

这些国家的生产实践证明，DR-EAF短流程具有建设成本低、能耗低、CO2排放低的特点，已被钢铁界所认可，但发展DR-EAF的前提条件是必须有足够气体资源做支撑。

我国天然气资源相对短缺，利用天然气发展气基直接还原炼铁受到限制。但是，我国可以采用高化学能或廉价的气体资源（如焦炉煤气、页岩气、煤制气）生产直接还原铁，与电炉炼钢对接，这是我国钢铁流程未来发展的方向之一，是推进我国DREAF短流程工艺再造的关键所在。

4 我国发展DR-EAF短流程工艺的最大优势在于焦炉煤气的利用与创新

尽管我国天然气短缺，但我国拥有大量的焦炉煤气，应该合理利用我们的优势，发展DR-EAF短流程工艺，推动钢铁工业转型升级。

由于历史和资源禀赋原因，我国钢铁制造流程以长流程为主导，可以为直接还原生产提供足够数量和高质量的气体资源——焦炉煤气。这是我国发展DR-EAF短流程的最大优势。

焦炉煤气含有60%H2，是高化学能气体资源，是宝贵的氢资源，是不可多得的还原剂。焦炉煤气用作燃料是低效率的，应该用作还原剂。焦炉煤气生产直接还原铁是氢冶金在钢铁流程再造中的应用。另外，氢冶金在冶金过程中不与焦炭接触，生产的DRI为高纯铁，产品质量高，有利于电炉生产出高纯净钢。

直接还原炼铁基于氢冶金反应原理，而高炉炼铁基于碳冶金反应原理，其反应式如下：

碳冶金：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2

氢冶金：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O

由碳冶金转向氢冶金是钢铁工艺流程巨大的变化。高炉炼铁是用焦炭不完全燃烧产生的CO作还原剂，而氢冶金是高化学能氢作还原剂，还原剂的改变引发了冶金流程效能的根本性变化。降2.16%，吨钢耗氧量下降1.75 Nm3/t，明显提高了金属收得率，降低了吨钢耗氧量，从而降低了吨钢成本。

氢是高化学能还原剂，从反应机理推算，H2的还原潜能是CO的11倍，由此不难看出，氢冶金的能耗大大低于碳冶金。

由于H2的分子直径小，在铁矿石中的穿透能力是CO的5倍，大大提高了反应速度，降低了反应温度，铁矿石不经过相变，可直接还原成纯铁。

5 BF-BOF长流程与DR-EAF短流程的融合共存，将成为未来钢铁发展的新趋势

BF-BOF长流程与DR-EAF短流程的融合共存，在美国钢铁界已成为常态，为我国钢铁业发展提供了新思路，为推进钢铁业转型升级提供了新方向。

我国钢铁工业长流程的格局，为发展气基直接还原铁生产提供了最佳的气体资源，可以弥补天然气短缺的短板，可为大容量的发展DR-EAF工艺提供可靠的气体资源，可以保持钢铁工业的可持续发展。合理、创新地用好焦炉煤气，将为世界钢铁发展提供变革的机遇和发展模式，推进世界钢铁新发展。