流程短

这是一种技术趋势

这也是一种制度趋势

短流程钢取代高炉钢

短流程铝替代电解铝

一年前我和秦冶重工聊过中国钢铁升级的未来趋势，就是短流程钢。借助光伏发电，加上碳减排的趋势，高炉钢时代基本会结束。今天东北大学蒋周华教授详细分析了这个短流程产业，我转发一下。

未来短流程钢铝的核心是用回转窑、高炉替代高炉，用高炉分离硅铝替代电解铝，这也是中国化解高炉产能的未来路径。

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原文作者：蒋周华（作者为东北大学冶金学院特殊钢冶金研究所所长、教授）

为什么要发展电炉炼钢短流程？

力争2030年实现碳排放达峰、2060年实现碳中和，是中国政府作出的重大战略决策，也是向国际社会作出的庄严承诺。改革开放以来，我国钢铁工业快速发展，粗钢产量由1978年的3178万吨（占世界的4.4%）增长到1996年的10124万吨（占世界的13.5%），首次突破亿吨大关，成为世界第一产钢国，随后在2020年突破10亿吨，达到10.53亿吨（占世界的56.7%），虽然近三年产量略有下降，但2022年仍将达到10.13亿吨（占世界的54%左右）。 我国钢铁行业依然严重依赖以煤炭为主的化石能源，碳排放量较大，约占全国碳排放总量的16%，仅次于电力和交通运输。因此，有效降低钢铁生产过程中的碳排放已成为钢铁行业乃至国家亟待解决的重大问题。

电炉钢比例低是我国钢铁行业碳排放大、能耗高、污染重的重要原因之一。从全球来看，电炉钢产量占总产量的比例已由20世纪50年代初的7.3%上升到32%~35%，其中伊朗、土耳其、美国、印度等国电炉钢产量比例均超过50%，最高的甚至超过90%。根据中国钢铁协会的数据，2022年，电炉钢产量占我国粗钢总产量的比例为9.7%，远低于世界平均水平的30%。与长流程相比，全废钢电炉短流程吨钢能耗降低50%左右，固体废物排放量减少96%左右，废气排放量减少78%左右，碳排放量减少73%左右，大气污染物排放总量减少90%左右。 参照西方工业化发展进程，若钢铁总量不变，到2035年，我国电炉钢比重将提高到30%，可实现二氧化碳减排15%左右。发展电炉短流程的节能减排优势十分明显，此外，短流程还具有即开即停、高效柔性生产，可作为城市垃圾处理中心等优势。因此，重点发展以废钢为主要原料的电炉炼钢短流程，是实现钢铁工业可持续发展的重大战略决策之一。

我国发展电炉炼钢短流程为何如此困难？

虽然2015-2017年严厉打击“地条钢”政策有效实施，短时期内废钢资源相对充裕，同时国家出台相关政策鼓励发展短流程电炉，新建电炉数量快速增加，电炉钢产量也快速增长。但总体来看，废钢资源依然供不应求，价格高企，我国电炉钢生产效率低下，甚至电炉炼钢行业整体处于亏损状态。去年以来，我国电炉炼钢开工率不足50%，短流程电炉发展举步维艰。困难来自哪里？笔者认为，有几个方面：一是废钢资源相对不足，全用废钢炼钢电炉成本高。 虽然我国钢材储量已超过120亿吨，但由于我国钢材主要用于基础设施和房屋建设，钢材回收周期长、难度大，真正能变成可用的废钢其实并不多，且增长缓慢。

根据提供的数据，2022年全国废钢资源总量为25978万吨，同比减少1784万吨，降幅6.43%。其中社会废钢资源量为23972万吨，钢厂产生废钢2006万吨。近几年，我国废钢资源量基本维持在2.6亿吨左右，无明显增长。按照目前每年2.6亿吨废钢计算，假设转炉废钢比例为20%，9亿吨转炉钢将消耗1.8亿吨废钢，而电炉用废钢量仅为0.8亿吨，无法支撑1亿吨电炉钢的废钢需求。 这就迫使我国电炉钢厂大量采用铁水工艺，铁水率高达30%~80%。

由于废钢价格高，加上电力短缺、物价高，全废钢电炉炼钢生产成本比长流程高200元/吨～500元/吨，没有市场竞争力。而转炉采用高废钢配比，经济上更占优势，使得短流程全废钢电炉炼钢失去市场竞争力。若2030年废钢产量能达到3.5亿吨，长流程粗钢产量降为7亿吨，转炉废钢配比仍按20%计算，可供电炉使用的废钢量为2.1亿吨，全废钢电炉钢产量可达2亿吨，占比22%。但实际上2030年废钢产量可能不到3亿吨，所以全废钢电炉钢产量占比约18%。 据不完全统计，目前我国共有电炉423座，粗钢产能约2.18亿吨，即使不新建电炉，也能满足2亿吨产量的需求。因此，在转炉“消耗废钢”的情况下，目前电炉产能“明显过剩”，新建电炉短流程钢厂必须慎重决策。

其次，我国缺电、电价高。在我国发展短流程过程中，停电、电价高是困扰电炉钢厂的两大难题。断续供电、昼夜电价差异，使电弧炉无法连续运行废钢预热连续加料工艺，导致技术指标和经济效益下降。美国发展电炉短流程得益于电力充足、价格便宜。虽然由于目前全球能源供应紧张，欧美等国工业电价也在持续上涨，但我国工业用电价格总体与欧美相差不大。对于核电、水电充足的国家，加上政策激励，其电价总体上比我国要低。另外，钢材价格比我国高，废钢价格相对便宜。与长流程相比，国外电炉炼钢短流程具有竞争力。

第三，废钢回收过程中有害残余元素不断富集，易造成钢中铜、锡、铅、砷、锑、铋等元素含量超标。以上残余元素造成钢材“热脆”，不仅在热轧时产生开裂，还会使钢材性能恶化，导致以废钢为主要原料的电炉炼钢短流程生产的钢材质量较以铁水为主要原料的长流程低下，特别是薄板产品难以全部用废钢生产。另外，合金废钢中含有镍、铌、钼、钨、钴、铼等稀有贵重元素，进入电炉后不仅造成资源浪费，还会导致钢材性能下降。 虽然废钢分类及处理技术的发展可以在一定程度上减少有害残余元素进入钢中，废钢中加入直接还原铁、生铁、铁水等也可在一定程度上稀释残余元素的含量，但废钢对钢材冶金质量的影响不容忽视，也是阻碍电炉炼钢短流程发展的重要因素之一。

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如何通过技术创新提升电炉炼钢短流程的绿色水平和竞争力？

长期以来，电炉炼钢技术的发展主要围绕“节能降耗、提高生产率”的目标，在成本和效率上与长流程展开竞争。废钢预热-连续装料技术是现代电弧炉炼钢的重要特征。目前，国内外许多公司在康斯蒂尔电弧炉和立式电弧炉概念的基础上，开发了多种新型废钢预热-连续装料电弧炉，如基于水平连续装料概念开发的达涅利电弧炉（）；基于立式装料概念开发的SHARC、日本生态电弧炉（）和普莱特电弧炉（）；同时，还衍生了分步进料电弧炉，如中冶赛迪绿色智能电弧炉（CISDI-），以及独立于电弧炉的废钢预热-连续装料系统。现代电炉炼钢采用废钢连续进料工艺，冶炼过程中不打开炉盖。 该炉主要完成熔炼加热工序，采用大留钢、平熔池冶炼操作，将预热好的废钢连续加入预留钢水的电炉中，通过“电弧加热钢水—钢水加热废钢”的间接加热方式对废钢进行加热熔化，大大提高了冶炼效率，显著降低了能耗。电炉冶炼周期一般已达到40分钟以内，甚至接近30分钟，与转炉节拍相当。全废钢电弧炉炼钢冶炼电耗一般在350千瓦时/吨钢以下，最低在260千瓦时/吨钢以下。

20世纪80年代至90年代，我国也通过引进、消化、再吸收国外技术，发展了超高功率电弧炉及相关配套技术。近10年来，大型超高功率电弧炉设备和工艺技术逐步实现国产化，特别是废钢预热-水平连续装料技术得到广泛推广应用，主要技术指标达到国际先进水平。同时也大部分引进了国外的先进炉型。近半个世纪以来，国内外电炉炼钢技术取得了长足的进步，有力地促进了电炉短流程生产的发展。但电炉炼钢设备和工艺至今没有太大的本质变化，仍然存在着固有的缺点和弱点，主要表现在以下几个方面：一是对电网的冲击和污染严重，需投入较大的功率因数补偿和谐波吸收装置； 二是控制二恶英污染、噪声污染、大量烟尘（特别是在氧气脱碳时）等环境问题的成本很高；三是耗氧量大，消耗大量电力，产生大量的二氧化碳；四是废钢、电极、耐火材料等原辅材料以及高昂的电力和污染控制成本等各方面因素导致短流程生产成本很高；五是最终钢水的氧、氮含量明显高于长转炉流程，不利于生产洁净钢。

因此，亟待开发新一代绿色生态电炉，如氢等离子电炉，其主要特点包括：一、采用全封闭炉体结构，实现冶炼过程气氛可控（氧化、还原、中性气氛），改变了现有电弧炉不密封，造成气氛进入炉内，烟雾和热量散失到炉外，噪音大、冒烟、有火焰的现象，有效防止金属损耗大、钢水大气污染（钢水氧、氮含量高）、热量损失大、烟雾污染重等一系列问题；二、采用直流电源、空心石墨电极喷入含氢气体实现氢等离子加热，取代传统的用石墨电极产生电弧的加热方式，具有无污染、噪音小、能源利用率高等优点；三、采用带高温废气和辅助燃烧器的立轴结构，对废钢进行连续预热，采用推钢机实现废钢连续加热。 添加物料使废钢预热温度超过1000摄氏度，避开了产生二恶英的温度，排出的烟气进入短流程钢厂整个废气处理系统进行处理利用；四是以氢气竖炉生产的无碳纯净DRI(直接还原铁)和废钢为主要原料，结合底吹含氧气体、喷入石灰粉，实现低渣冶炼和脱磷作业；五是在原料较为纯净的条件下，充分利用氢等离子体的高效精炼能力，不吹氧炼钢，以“氢气炼钢”替代“氧气炼钢”，实现钢水脱硫、脱氧、脱氮。 后续基本无需添加沉淀型脱氧剂，即可实现低氧高洁净炼钢，达到“零夹杂”“零碳排放”的效果，并配合后续工序生产出高附加值的超洁净特钢，实现短流程炼钢绿色化、高端化、高效化的统一。

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我国电炉短流程钢厂的发展路径是怎样的？

由于废钢资源相对短缺，电炉炼钢成本较高，我国发展全废钢大规模电炉炼钢的时机尚不成熟。电炉炼钢比重至少在2030年以后，甚至2035年以后才会大幅提升。这取决于三个因素：第一，预计我国还需要8到10年的时间才能有相对充足的废钢资源；第二，预计2030年以后，我国钢铁总需求量将降至8亿吨以下，部分长流程钢厂将关闭，减少转炉废钢的使用；第三，绿色发展推动城市钢厂建设，电炉短流程技术可以消纳城市周边产生的废钢、弃电、城市再生水等社会废弃物，促进钢铁企业与城市和谐共存。那么，现阶段及未来我国电炉短流程钢厂该如何发展呢？ 笔者认为，有以下几种方法。

第一，多渠道寻找可以替代废钢的钢铁资源。直接还原铁、热压块铁（HBI）和高炉铁水是目前最常见的替代品。热装铁水是目前“中国电炉”的主要特征，虽然不是发展方向，但对于目前电炉的生存来说，确实是无奈之举。由于我国天然气匮乏，大规模发展以天然气为基础的立炉生产直接还原铁的条件尚不具备。因此，鼓励我国钢铁企业走出去，在天然气和铁矿资源相对丰富的国家建设直接还原铁厂，将产品进口到我国作为电炉炼钢的原料。 此外，炼钢烟尘、赤泥、铜渣、不锈钢冶炼废渣、油漆罐、汽车轮胎等固体废弃物以及铅锌铁矿、高铝铁矿、钒钛铁矿等多金属共生矿虽然都是黑色资源，但直接作为高炉原料或炼钢原料利用难度大、经济性不高。宝武环境科技在原有从国外引进的转底炉基础上进行了一系列工艺技术和装备创新，可以对不同金属组分进行还原分离，直接还原铁经电炉冶炼后产生的铁水可以作为电炉原料，也是解决当前废钢资源短缺的有效途径，同时实现有价金属的综合利用和固体废弃物的绿色处理，经济效益和环境效益显著。

二是发展短流程城市钢厂。我国在发展电炉短流程过程中，可以借鉴美国钢厂的发展经验，在城市周边布局钢厂。一方面靠近城市废钢资源和其他含铁固体废物，另一方面可以利用生物质裂解炉，加工城市垃圾、农业秸秆等生物质原料，生产一氧化碳、甲烷等还原性气体以及其他低价碳资源作为回转窑炉的还原剂，并利用废气、余热发电，建立智能微电网能源管控系统，充分利用夜间弃电或清洁能源发电，使电炉发挥对城市电网负荷的调节作用，实现能源绿色高效利用，降低炼钢成本，促进钢铁企业与城市和谐共存。这种以螺纹钢、线材为主营产品的城市钢厂，规模应在100万吨/年左右。

三是发展以新型绿色电炉——氢气竖炉为核心的优质特钢短流程生产线。发展氢冶金是钢铁行业实现碳中和的有效途径，更是最终的解决方案。但目前氢冶金发展的最大障碍是生产成本过高，无论是富氢还是纯氢，在经济上都无法与以焦炭为主的高炉炼铁工艺相竞争。但氢冶金生产的高纯度直接还原铁是生产纯净钢和高端特钢的最佳铁源材料。氢气竖炉采用高品位氧化球团作为炉料，氢气还原后得到的直接还原铁成分接近纯铁，以此作为炼钢原料，无需吹氧脱碳，只需配置一定比例的洁净废钢和铁合金，即可直接冶炼优质特钢，因此无需添加传统的脱氧剂。 其余少量杂质经氢等离子炉脱氧精炼，再采用电渣重熔或真空电弧重熔等特殊冶金工艺，使钢中达到“零夹杂”废钢预热连续加料工艺，大大延长了高端轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、航空航天用高强钢和高端装备等高端特钢的使用寿命，显著提高了钢材的附加值，实现了特钢生产优质与高效的统一。

第四，在废钢资源相对丰富、电力清洁的条件下，我国钢铁行业最终将以电炉短流程为主。据中国钢铁协会等相关机构估计，2035年我国废钢资源可能达到4亿吨，此时电炉炼钢短流程大发展才真正开始。预计到2050年，我国废钢资源将达到5.5亿吨左右，粗钢产量在8亿吨左右。以废钢为主要原料、以氢气冶金直接还原铁为补充原料的短流程电炉钢比重将超过70%，长流程生产的粗钢比重不会超过30%。因此，电炉炼钢短流程的发展将是一个缓慢的过程，应积极稳妥地发展，避免一哄而上。 未来相当一段时期内，仍需发展长流程节能减碳技术，确保我国钢铁工业健康可持续发展。

电炉炼钢短流程的本质是低碳冶金，以废钢为主要原料，通过对废钢进行优质回收利用，有望实现钢铁生产低碳甚至零碳。但电炉炼钢短流程的发展依赖于三个条件：一是废钢资源充足且相对廉价；二是电力资源充足且价格适宜；三是电炉炼钢技术取得重大进步，使其在生产成本、环保等方面具备与长流程相媲美的实力。因此，电炉短流程的发展是一个循序渐进的过程，需要10年甚至更长时间的持续努力。在相当长的一段时间内，富氢高炉+高废钢比转炉长流程将是电炉短流程的有力竞争对手，是钢铁生产低碳发展的重要贡献者。

未来的发展方向是利用氢气冶金生产的直接还原铁补充废钢资源的短缺和稀释废钢中的有害杂质元素，利用非化石绿色能源发电（光伏、风能、潮汐能、地热能、水电和核电等）供给电炉炼钢，发展不喷碳粉、少吹或不吹氧的新型全封闭绿色电炉如氢等离子电炉，以氢气冶金炼钢替代氧气炼钢，真正实现电炉“近零碳”炼钢，在电炉短流程中实现高效、低耗、低成本、优质生产。

在全球“双碳”背景下，我国现有电炉炼钢迎来新的发展机遇，也面临资源、能源、成本等挑战。如何从技术、装备、原料、工艺等多方面突破制约短流程电炉炼钢发展的瓶颈，是未来我国冶金工作者面临的光荣而艰巨的任务。

转发时间 2023/12/8

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