国内废钢-电炉炼钢发展及展望

杨凯

（山西建邦集团通才工贸有限公司，山西 侯马 043400）

钢铁生产制造可分为“从矿石到钢材”工艺和“从废钢到钢材”工艺，一种是以高炉-转炉为代表的长流程，一种是以电炉炼钢为代表的短流程。国际公认的短流程是以废钢为主要含铁原料的电炉炼钢工艺和以非高炉炼铁+电炉的炼钢工艺，其中，非高炉炼铁包括直接还原铁（DRI）工艺和熔融还原铁工艺。短流程工艺摆脱了焦煤的大量使用，取消了烧结及焦化等铁前工序，具有二氧化碳排放少、能源消耗强度低的特点［1］。我国钢铁工业发展至今，基本形成了高炉-转炉长流程为“主”，电炉短流程为“辅”的局面。随着全球工业的发展，电炉短流程优势逐渐凸显，未来在我国仍有相当大的发展空间。本文结合国家对炼钢行业的发展要求，针对目前钢铁行业面临的问题，分析了电炉炼钢未来的发展方向。

1 国家对炼钢行业的发展要求

2020 年9 月，我国提出了“碳达峰，碳中和”的目标；2021 年9 月，我国发布了“能源双控”的制度方案。钢铁工业是制造业中碳排放最高的行业，降碳减能大势所趋。我国钢铁工业长期以高炉-转炉长流程为主，电炉炼钢占比较低，约10%左右，提高电炉炼钢比对降碳减能具有积极意义。《工业领域碳达峰实施方案》文件指出，到2025 年，我国短流程炼钢占比达15%以上，2030 年占比达20%以上，我国钢铁工业结构形成以高炉-转炉长流程及电炉短流程共存局面。

2 炼钢行业面临的问题

2.1 碳排放强度高

据中国钢铁工业协会统计，2019 年，全球钢铁产量为18.5 亿t，碳排放总量为26 亿t，碳排放强度为1 400 kg/t。2020 年10 月，国际能源署组织（IEA）发表了《世界能源技术展望2020-钢铁技术路线图》，预测到2050 年，全球钢铁需求量将增长38%，达到25.5 亿t；碳排放总量将增长4%，达到27 亿t；碳排放强度将降低21%，达到1 100 kg/t。但根据可持续发展情景预测（SDS），为了实现《巴黎协定》温控2.0 ℃的目标，到2050 年，全球钢铁行业的碳排放总量需比2019 年减排55%，排放强度需降低60%，即降至600 kg/t［2］。2022 年，全球钢铁产量为18.76 亿t，我国钢铁产量为10.13 亿t，占比54%，我国碳排放强度为1 700～1 800 kg/t。从碳排放总量来看，我国占全球总量的30%左右，因此，需提高我国低碳冶金炼钢占比，降低碳排放强度。

2.2 铁矿石资源短缺

据世界钢铁协会统计，全球每年生产17 亿t粗钢，消耗近20 亿t 铁矿石。虽然铁矿石资源总量较为丰富，但数量分布和品位区域差异较大。根据美国地质调查局2022 年对全球铁矿石储量及品位统计，澳大利亚、俄罗斯、巴西、中国四国占总储量近72%，平均品位超过50%的为巴西、俄罗斯、印度、伊朗、南非。截止2021 年底，全球铁矿资源储量约1 700 亿t，平均品位约47.64%。

我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，短期内对铁矿石的需求难以改变，受国内铁矿资源限制，每年需大量进口铁矿石。2021、2022 年我国进口铁矿石分别为11.3 亿t、11.1 亿t，主要来自于澳大利亚和巴西，进口量高达83%。铁矿石己经成为制约我国钢铁工业发展最关键的工业原料，急需可替代铁矿石的大宗物料产品来缓解我国铁矿石资源短缺的压力。

2.3 废钢资源利用率低

2.3.1 废钢来源分类

国内炼钢用废钢来源主要有自产废钢、工业废钢、折旧废钢以及进口废钢。自产废钢来自钢坯和轧材的切头切尾，以及判废的钢坯和轧材等，成分稳定，清洁度高，加工后可直接回炉使用。工业废钢来自对钢材进行机械加工时产生的废钢，多为冲压边角料、车屑、料头等，含有一定量的合金元素，尺寸分明且易于分拣，在较短时间内就能返回钢铁企业，缺点是经常带有油污。折旧废钢指各种金属制品、设备、建筑结构等使用一定年限后报废产生的废钢，数量庞大、来源广泛，成分尺寸混杂，需要加工和分拣后才能入炉使用［3］。

2.3.2 废钢资源产量

根据废钢应用协会统计，近年来国内废钢总量呈增长趋势，如图1 所示［4］，2022 年已达到2.62 亿t。

图1 国内废钢总量趋势Fig.1 Trend of Total Amount of Scrap in China

根据国家要求，2025 年电炉炼钢比例要达到15%以上，废钢比要达到30%，结合中国冶金矿山企业协会钢产量预测值11 亿t 估算，预计2027 年我国废钢产量将超过3.5 亿t。未来我国废钢资源总量充足，其中折旧废钢是主要来源。

2.3.3 废钢质量水平

废钢质量直接影响钢的洁净度和电炉生产指标，合理的废钢配料可缩短通电时间，提高废钢收得率［5］。目前，自产废钢和工业废钢易于回收，在电炉内收得率可达93%以上，折旧废钢回收难度高，国内废钢加工技术水平参差不齐，废钢未达到技术要求便进入钢厂，所以在电炉内的收得率普遍较低。各类新型电炉对废钢的尺寸提出了更严格的要求，ECS 电炉用废钢要求尺寸≤1.0 m×0.5 m×0.5 m，断面厚度≤0.1 m，单重≤1 t；Quantum 电炉用废钢要求尺寸≤1 500 mm，单重≤500 kg，堆密度在0.8～0.9 t/m3。随着汽车、船舶、建筑结构用钢等报废拆卸数量的不断增加，折旧废钢质量更为复杂，因此需对废钢加工和分选，实现废钢在电炉的高效利用。

2.4 钢水洁净度低

2.4.1 钢水过氧化

夹杂物参数作为衡量钢水纯净度的重要指标，是冶金过程控制的关键。一般认为，钢中全氧量与夹杂物数量有着一定的对应关系，全氧量越低，夹杂物越少，钢水纯净度越高［6］。研究表明，轴承钢中全氧质量分数从0.003 0%降低至0.000 5%以下，疲劳寿命提高了30 倍［6］。电炉以生产特钢为主，如轴承钢、齿轮钢及高强度轴类钢等，均属于高洁净钢。传统电炉由于炉型结构的限制，存在熔池搅拌强度不足，冶金动力学反应条件差的问题，终点钢水过氧化的情况时有出现，需在出钢过程加入大量的沉淀脱氧剂，虽然后续配套多种精炼工序，但难以彻底消除“过氧化”的危害。

2.4.2 钢水氮含量高

氮是不含氮钢种中的有害元素，会造成钢材时效性差、蓝脆、铸坯裂纹等危害［7］。一般转炉钢水氮含量在0.001 0%～0.006 0%，电炉钢水氮含量在0.004 0%～0.011 0%，电炉钢水氮含量高主要有以下原因：废钢原料本身氮含量高；通电冶炼过程中电离空气导致钢液吸氮； 电炉为半密闭结构炉型，钢液与空气接触吸氮。

废钢比对钢水氮含量的影响见图2。由图2 看出，出钢前钢水氮含量随着废钢比的提高而增加。

图2 不同废钢比例氮含量的变化Fig.2 Change in Nitrogen Content with Different Scrap Ratio

2.4.3 残余元素富集

从国际洁净钢发展动态及国内外某些钢厂对钢中残余元素的控制标准可以看出，高洁净钢要求控制的有害元素已不限于P、S、O、N、H，还包括残余元素，比如As、Sn、Sb 等。这些元素在炼钢过程中难以去除，对钢材的热处理性能和力学性能造成影响［8］。废钢是残余元素的主要来源。

2.5 二噁英排放浓度高

二噁英是废钢带入的有机材料与高温烟气接触过程中发生分解反应的产物［9］。二噁英作为工业副产物，具有极强的致癌性。一直以来我国炼钢以转炉为主，冶炼过程基本不产生二噁英。电炉炼钢的兴起引起了人们对二噁英的关注。国内炼钢对二噁英的排放标准为0.5 ng-TEQ/m3，与欧盟、日本等组织及国家二噁英的排放标准0.1 ng-TEQ/m3相比，仍存在差距。研究表明，二噁英生成高峰区间在300～700 ℃，分解条件为温度≥800 ℃，氧气浓度≥6%，并在此条件下保持2 s 以上［10］。

3 电炉炼钢的发展方向

3.1 低碳化

不同工艺路线碳排放和能源强度数据分析如下：

（1） Gielen D 等［11］研究了高炉-转炉长流程、HDRI-电炉短流程、废钢-电炉短流程的一次能源强度和二氧化碳排放，三条工艺路线能源强度分别为16.5、12.0 和4.5 GJ/t，二氧化碳排放分别为1 700、1 000 和450 kg/t。

（2） 达涅利冶金公司［12］研究了高炉-转炉长流程、HDRI（天然气气基）-电炉短流程、HDRI（氢气气基+碳捕捉存储技术）-电炉短流程、废钢-电炉短流程的一次能源强度和二氧化碳排放，四条工艺路线能源强度分别为17.5、12、12 和4 GJ/t，二氧化碳排放分别为1 900、856、455 和360 kg/t。

（3） Bolen J，Giglio A 等［13］研究了高炉-转炉长流程、HDRI-电炉短流程、废钢-电炉短流程生产1 t 热轧盘卷带钢的二氧化碳排放，三条工艺路线分别为2 050、960 和260 kg/t。

综上分析，不同工艺路线中，废钢-电炉短流程能源强度最低，约为4～4.5 GJ/t，是长流程的25%；废钢-电炉短流程碳排放值最低，约为260～450 kg/t，是长流程的19%。废钢-电炉短流程是能源强度和二氧化碳排放最低的工艺路线。

我国电炉炼钢以废钢和铁水为主要原料。虽然兑入铁水可改善电炉生产指标，但是没有摆脱炼铁工序，不能称之为真正的短流程［14］。研究表明，电弧炉热装铁水比例为33%时，较废钢-电弧炉的工序能耗降低43.72 kgce/t，但流程总能耗约增加1/3［15］。从碳排放与能耗角度看，废钢-电炉是炼钢的主要发展方向。

3.2 高废钢比

废钢是钢铁冶炼的再生资源，可代替铁矿石作为炼钢生产原料。《“十四五” 循环经济发展规划》中数据表明，2020 全球平均废钢比为37%，美国、欧盟均在50%以上，我国废钢比为20%，利用废钢约2.6 亿t，相当于替代了4.1 亿t 品位62%的铁精矿。2021 年我国废钢比为21.9%，2022 年为20.73%，较2021 年下降了1.17 个百分点。我国炼钢废钢比与发达国家差距明显，电炉是唯一可全废钢冶炼的炼钢工艺装备，提高废钢-电炉炼钢占比可有效缓解我国铁矿石资源短缺的压力。

3.3 采用废钢加工利用技术

对不同类型的废钢进行物理加工，可以适应不同炉型对废钢的要求，提高废钢在电炉中的收得率及电炉冶炼工况的稳定性。废钢加工利用技术有：①废钢剪切技术，专用于高效加工重型和大型废钢，提高剪切材料密度，控制剪切长度，生产高质量的成品废钢；②废钢切碎技术，将各种废钢加工为均匀的碎片，经气流分选和磁力分选后，分离黑色金属材料和有色金属材料，生产尺寸均匀、清洁干燥的废钢；③废钢粉碎技术，将废钢加工成形状均匀、粒度细小的高密度废钢，堆密度可达2～3 t/m3，这种废钢纯净度高，熔化速度快，可用于快速调节熔池温度；④废钢打包技术，最大限度地压实废钢，增加密度，提高废钢在电炉的收得率。

3.4 洁净化冶炼

钢的“洁净化”是现代炼钢技术的主要发展方向，钢的最终用途不同，对钢的“洁净度”要求不同［16］。特钢由于应用场景复杂，需要良好的力学性能和高的疲劳寿命，与钢材的“洁净度”密切相关。传统的电炉特钢工艺路线为“电炉冶炼→炉外精炼→钢锭浇注→锻造”，20 世纪90 年代以来，我国在电炉炼钢技术方面取得了长足的进步，基本形成了“电炉冶炼→炉外精炼→连铸→连轧”的现代化特钢生产模式。

电炉作为炼钢工艺流程的初炼炉，“洁净化”主要体现在钢水终点碳、氧的控制水平，过程包括残余元素、P、S、N、H 及夹杂物等的去除程度［17］。未来电炉冶炼需要从原材料、超低磷冶炼操作、钢水氧及夹杂物含量、钢中N、H 含量四个方面解决“洁净化”的问题，与之相关的“洁净化”技术包括废钢加工分选技术、复合吹炼技术、集束模块化碳氧枪技术、埋入式氧枪喷吹技术、气固喷吹技术等，旨在提高反应效率，从工序的源头提高钢水纯净度［18］。

3.5 优化电炉炉型

炉型是电炉炼钢的技术基础，与电炉的生产效率、环保效率和钢种适应能力直接相关［19］。

3.5.1 各类电炉炉型的开发

（1） 传统顶装料电炉

传统顶装料电炉在开发初期生产率较低［20］。20世纪60-70 年代，高功率和超高功率供电技术的发展大幅度提高了顶装料电炉的生产效率，同时与之配套的高压长弧操作技术、水冷炉壁炉盖技术、泡沫渣技术、烧嘴助熔技术、集束氧枪技术等的开发应用，使顶装料电炉指标实现了质的飞跃。2017 年以前，我国95%采用的都是顶装料电炉［21］。

（2） 竖式废钢预热电炉Fuchs 竖式废钢预热电炉于20 世纪90 年代从德国引进，由于废钢托架漏水和废钢温度过高熔化结块的问题，该电炉炉型基本已被淘汰［22］。目前，新型竖式废钢预热电炉有Ecoarc 电炉、Quantum 电炉、Sharc 电炉。

Ecoarc 电炉由日本SPCO 公司开发，将废钢预热竖窑与炉壳连通为一个整体，提高了废钢预热效率； 控制二噁英的措施为保持炉内烟气氧化度为0.6～0.7，在燃烧室内烧嘴助燃升温至900 ℃，经喷雾冷却塔急冷后温度快速降至200～250 ℃［23］。我国首套Ecoarc 电炉为原本钢引进。

Quantum 电炉由德国普锐特公司开发，采用指式托架预热废钢，预热温度可达600 ℃以上；控制二噁英的措施为烟气预热废钢后进入二次燃烧室，喷入稀释空气使用烧嘴加热至850 ℃，然后在冷却室内通过淬火塔喷水急冷［24］。我国引进Quantum 电炉的企业有梧州永达钢铁、福建鼎盛钢铁、桂林平钢、鸿泰钢铁等。

Sharc 电炉是德国西马克公司开发的直流电炉，采用对称布置的双竖井预热废钢，预热温度可达500 ℃以上，可选用堆密度较低的废钢，最高可加入65%的热压铁块（HBI），具备生产高洁净钢的条件；采用“燃烧沉降室+急冷塔+活性炭吸附”的组合方式控制二噁英，二噁英排放＜0.1 ng-TEQ/m3。我国引进130 t Sharc 电炉两座，均在河钢集团石钢公司。

（3） 水平加料废钢预热电炉

Consteel 电炉是水平加料炉型的一种，自2017 年以来，我国新上电炉85%以上均为水平加料炉型。早期的Consteel 电炉烟气通道密闭性差，废钢预热温度为200～300 ℃，处于二噁英产生的高峰区间。2019 年，我国引进了达涅利ECS 废钢预热水平连续加料电炉，独特的烟道气体湍流条件和动态密封系统解决了原Consteel 的不足，废钢预热温度可达400～500 ℃；控制二噁英的措施为保持烟道内氧气含量为7%～14%，以促进烟气二次燃烧，保证出口温度在800 ℃以上，后接入极冷器在3 s 内将烟气冷却至250 ℃以下。此炉型全废钢冶炼指标为吨钢电耗360 kW·h、电极消耗0.8 kg。目前我国投产和在建的已超过10 座。

除上述炉型外，还有我国自主研发的CISDIGreen 电炉和CERI-s1-Arc 电炉，均能实现连续加料和废钢预热的功能。

3.5.2 不同电炉炉型的对比

（1） 传统顶装料电炉

传统顶装料电炉技术成熟，炉料结构适应性强，留钢量为15%～20%，生产组织灵活，但也存在明显缺陷，比如废钢加料次数多，烟气外溢明显，前期电能输入效率低，对上级电网冲击大，需配置大容量的电抗器［19］。而且，废钢熔化期在二噁英生成的高峰区间，环保性不高。在电炉兑铁水技术开发后，上述缺陷得到一定的改善，但总体技术经济指标表现一般。

（2） 水平加料电炉

水平加料电炉是近年来我国新建电炉的主流炉型，以ECS 电炉为例，主要特点是将炉盖第四除尘孔转移至上炉壳一侧连接烟气隧道，烟气隧道通过下部的驱动机构整体发生持续的“慢进快退”动作，使废钢不断向前滑移，进入炉内完成与对流烟气的热交换，采用45%～50%高留钢比实现“平熔池”工艺。这种冶炼方式的特点是废钢入炉后不与电弧接触，直接进入熔池被过热钢水熔化，全程泡沫渣埋弧操作，降低电极、耐火材料消耗和废钢烧损，提高了工况稳定性和供电效率，减弱对上级电网的冲击，技术经济指标均优于顶装料电炉。从洁净钢冶炼的角度提高了单位冶炼周期内渣钢反应时间，增强脱磷效果，降低初炼钢水的气体含量。但是高留钢比会带来残余元素富集的问题，电炉公称容量一般在100 t 以上，对于频繁更换品种的小批量特殊钢坯、锭的生产优势并不明显，更适合于快节奏大批量的生产组织模式。

（3） 竖式电炉

竖式电炉的特点是采用炉壳上侧的托架结构作为支撑，烟气在上升过程实现废钢预热。以指式托架的Quantum 电炉为例，采用废钢料槽升降机分批加料，当一批废钢预热后，指式托架向炉壳侧壁张开，加料完成后合拢以装入并预热下一批废钢，废钢与烟气接触面积大，预热效率高于水平加料电炉，采用100%高留钢比工艺实现“平熔池”条件。在技术经济指标方面，整体应用数量较少，且缺乏持续稳定的实际生产数据，应用前景仍有待观察。

欧洲作为全球短流程特钢生产基地，电炉发展已有一百多年历史，据统计，2019 年欧洲电炉181座，其中顶装料交流电炉164 座，顶装料直流电炉8 座，水平加料电炉6 座，竖式加料电炉3 座，仍以顶装料电炉为主，主要用于小批量、多品种的特钢生产。

3.5.3 电炉炉型的未来发展

炉型结构对电炉技术经济指标和生产效率起决定性作用。连续加料能缩短电炉的热停工时间，废钢预热能够缩短废钢熔化时间，降低冶炼周期，废钢预热和连续加料配套使用实现了平熔池操作，是现代电炉炉型技术的一大进步。二噁英的控制技术也是炉型发展的关键，多数炉型均采用了烟气二次加热以控制二噁英，但随着工业能耗成本的上升，应开发经济环保的废气处理方式。电炉的余热回收是烟气能量的二次利用，受限于电炉炉型结构和冶炼工况，烟气中CO 含量较低，不能直接用于发电，只能回收烟气本身的热量，一般配套余热锅炉用于发电［25］。未来电炉炉型的研究开发将朝着连续加料、废钢预热、低二噁英排放及余热回收的方向发展。

4 结论与展望

（1） 废钢-电炉作为短流程炼钢的典型代表，具有碳排放低、能耗低以及可全废钢冶炼的工艺特点，针对当前我国钢铁行业面临碳排放高与铁矿石资源短缺的问题，发展废钢-电炉短流程是一条有效途径，同时结合国家对钢铁行业发展的指导意见，废钢-电炉在未来炼钢行业极具竞争力且发展潜力巨大。

（2） 废钢作为电炉炼钢短流程的主要原料，充足供应与合格的质量是发展废钢-电炉的基础条件，在欧美发达国家的短流程炼钢厂，废钢加工车间已成为炼钢不可或缺的配套设施，作为一道关键工序进行把控。我国废钢产量持续增长，但废钢的“回收-加工-配送”体系仍需完善，特别是废钢的质量水平需引起重视，如同转炉炼钢铁水的 “预处理”，废钢进入电炉前同样需要“清除杂质”，废钢加工利用技术是电炉炼钢行业发展的重点之一。

（3） 钢铁材料应用范围广泛，随着各行业对钢材质量要求的提高，现代钢铁制造对电炉冶炼的洁净化提出了更高的要求。我国主要通过提高电炉铁水比解决电炉效率与钢水洁净度的问题，比例一般在30%～50%。与转炉碳排放相比，在某种程度上降低了一定的碳排放，但不属于真正的短流程。目前我国已展开富氢碳循环技术和氢基竖炉直接还原铁技术的研发，将逐步替代高炉铁水。同时电炉相关的辅助冶炼技术正在逐步试验和推广，电炉洁净化冶炼是未来炼钢技术的主要发展方向。

（4） 电炉炉型与电炉生产效率直接相关，根据我国各类炉型电炉的应用情况，以Quantum 电炉、Ecoarc 电炉和Sharc 电炉为代表的新型竖炉炼钢技术仍需进一步开发。水平加料电炉在我国应用多年，部分企业冶炼周期已缩短至35 min 以内，获得了良好的经济技术指标。结合欧洲电炉的应用发展现状，未来我国电炉将采用单一品种大规模普钢生产的水平加料废钢预热电炉和小批量多品种特钢生产的顶装料电炉。

（5） 钢铁工业作为国家制造业的重要支柱，其发展方向备受关注。随着制造业高质量发展的推动，我国钢铁工业将进入结构调整和转型升级为主的发展阶段，不再是大规模的发展时期，而是走高质量发展道路。电炉炼钢在我国经过多年的发展，资源保障和配套设施条件已初步具备，将由提产增效阶段开始向高品质发展方向转变，未来我国电炉短流程炼钢占比有望达到20%以上，废钢-电炉是主要发展方向，占比将逐步提高。