使用电弧炉替代转炉生产优质钢材

通常，板材产品的生产是在联合钢厂通过高炉-转炉-二次精炼-连铸等一系列工序完成的。目前，全球有不少电炉炼钢企业都已成功进入这一产品市场。造成这一现象的主要原因是天元二手材料在操作和原料选择上具有较高的灵活性。

直接还原铁工艺的应用

使用废钢生产优质钢具有一定的局限性，主要是由于废钢中含有的残余元素。这需要使用电弧炉来提高直接还原铁（DRI）的利用率。基于DRI的还原工艺比长工艺排放的二氧化碳少得多，并且可以在电弧炉中生产出高质量的产品。绿色的、基于氢的DRI工艺，或带有二氧化碳捕获系统的基于气体的DRI工艺，在DRI的生产阶段使用可再生能源产生的氢气来替代化石燃料。

该技术已被证明可以在钢铁生产过程中实现几乎零排放。

在电炉冶炼工艺路线上加设真空脱气站（RH或VTD），提高了超低碳、低气体含量钢材的质量，当有些钢种硫含量小于10ppm时，可以采用真空槽脱气站（VTD）炼钢。

电弧炉：金属和非金属残留物含量低

与转炉炼钢工艺相比，电弧炼钢工艺的优势主要体现在：可使用多种原料、生产工艺的灵活性、可选择定制设计的电弧炉缩短冶炼周期、减少CO2排放。

废料分类可以基于自动化废料场管理进行改进，首先是废料检测（图像识别）和适当的废料分类（每种废料的专用位置），然后根据允许的金属残留物和可用废料的最大含量进行数学建模和连续成分监测，例如 Q-（图 1）。

图1 不同种类废钢对金属残渣含量的影响

电弧炉工艺结束时的氮含量为20ppm~。

初级炼钢过程结束时的氮含量较高，这主要取决于过程中使用的原材料的类型和质量、设备设计和过程控制水平。

得益于成熟的技术诀窍，针对不同工艺条件设计的电弧炉可确保在电弧炉取代转炉时生产出高质量的钢种（包括含氮钢）。在转炉和电弧炉炼钢中经过验证的理论知识为我们提供了关键的工艺和设备设计指南，以满足出钢前降低氮含量的需求：

平焊池操作

100% 连续废料装料

按比例配比原材料，以控制进料的碳含量

电气（电极稳定性）和化学（氧气供应和碳注入）控制电路

采用大型钢水滞留和平池电弧炉概念可减少电弧炉炼钢操作第一阶段的氮吸收。整个过程中连续废钢装料和废钢熔化 (EAF ECS) 导致出钢前氮含量低于标准篮式工艺。出钢前氮含量较低的主要原因是钻井阶段持续时间较短、炉渣形成较早以及冶金早期阶段的电弧覆盖指数较好。

废钢预热除了可以降低工艺结束时的氮含量外，还可以利用炉内的废热预热废钢，从而降低电弧炉的电力消耗。得益于动态优化的钻孔阶段和稳定的埋弧操作，电流吸收没有峰值，与篮式工艺相比，从操作的早期阶段开始就降低了电极消耗。这两种早期的节约都减少了二氧化碳的排放。表中列出的数据显示了 2019 年投入使用的项目中电弧炉工艺的化学能源包和设备描述（ 参考），该项目采用连续废钢预热和装料技术。

促进一氧化碳生产是降低电弧炉炼钢过程结束时氮含量的标准做法。这涉及熔池中碳和氧之间的剧烈反应废钢预热连续加料工艺，产生一氧化碳气泡，这些气泡上升到表面时吸收氮，然后将两种气体释放到大气中。同时，钢水中的一氧化碳与注入的碳粉还原氧化铁时产生的一氧化碳发生反应废钢预热连续加料工艺，然后形成泡沫炉渣。

泡沫渣使钢水与大气隔离，同时又能覆盖电弧，从而最大程度地减少氮分子的分解和钢中氮含量的上升。如图2所示，用电弧炉代替转炉，可以在出钢前生产出高质量的低氮钢。

图 2. 氮含量与直接还原铁（热还原和冷还原）工艺

电弧炉冶炼前的低氮含量主要由原料种类和工艺控制决定，从磷含量来看，对冶炼优质钢种的要求也很高。

通过优化化学工艺包设计和高水平的工艺控制，电弧炉出钢前磷含量可达到与转炉工艺相同的水平。

电弧炉出钢前钢水的磷含量由原料中的磷含量和炉渣中的 FeO 含量、温度和炉渣碱度等工艺参数决定。根据钢水质量要求和原料可用性进行电弧炉设计，以及基于自学习方法的先进过程控制，通过数学模型和闭环控制由专有技术支持，已被确定为转炉冶炼工艺的替代方案（图 3）。

图3 不同出钢温度下电弧炉出钢前磷含量

未来发展方向

目前，该过程的运行接近热力学极限，因此很难利用传统技术大幅减少二氧化碳排放。

这表明，只有全新的工艺或“突破性”技术才能进一步减少二氧化碳排放。世界钢铁协会目前正在研究的关键“突破性”方向包括：

据预测，长流程炼铁、炼钢工艺在生铁和钢铁产能方面仍将占据主导地位。

电弧炉工艺是一项“突破性”技术，得益于二氧化碳排放量的减少、使用不同原材料的灵活性以及冶金工艺控制的持续改进。基于达涅利在电弧炉工艺生产优质钢种方面的丰富经验，电弧炉可以生产大多数优质钢种，并配备最先进的自适应自学习技术和模型的现代二次精炼。