“中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)成立電爐鋼分會(huì)是我們電爐鋼行業(yè)的一件幸事，在此提前表示熱烈祝賀！”從事電爐鋼研究40多年的北京科技大學(xué)碳中和研究院教授、綠色低碳鋼鐵冶金全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任朱榮，聽(tīng)到鋼協(xié)即將成立電爐鋼分會(huì)的消息，在2月19日接受《中國(guó)冶金報(bào)》記者采訪時(shí)喜悅之情溢于言表。他認(rèn)為，電爐鋼分會(huì)的成立必將對(duì)引導(dǎo)和推動(dòng)我國(guó)電爐鋼的健康有序高質(zhì)量發(fā)展起到有力的促進(jìn)作用。

在采訪中，朱榮高度肯定了鋼協(xié)在推動(dòng)電爐鋼研究和發(fā)展方面所做出的努力。比如，鋼協(xié)黨委書(shū)記、執(zhí)行會(huì)長(zhǎng)何文波，副書(shū)記兼秘書(shū)長(zhǎng)姜維等親自帶隊(duì)到北科大實(shí)驗(yàn)室，就電爐鋼發(fā)展進(jìn)行調(diào)研、交流、探討和指導(dǎo)；朱榮團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出的近零碳排電弧爐煉鋼工藝，被中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)確定為8項(xiàng)世界前沿重點(diǎn)低碳共性技術(shù)之一；等等。

針對(duì)《中國(guó)冶金報(bào)》記者提出的我國(guó)電爐鋼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)話題，朱榮如數(shù)家珍、侃侃而談——

我國(guó)電爐鋼發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題

談到我國(guó)電爐鋼的發(fā)展現(xiàn)狀時(shí)，朱榮介紹，電爐煉鋼長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益不如轉(zhuǎn)爐煉鋼，加上廢鋼資源不足，我國(guó)電爐鋼總體而言發(fā)展相對(duì)緩慢。目前，我國(guó)電爐鋼產(chǎn)能約2億噸，實(shí)際產(chǎn)量更低。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，2021年，我國(guó)電爐鋼占比為10.7%，達(dá)到近10年峰值；2023年回落至9.7%。目前，我國(guó)電爐鋼占比在10%左右，遠(yuǎn)低于美國(guó)70%左右、歐洲50%左右、日本30%左右的電爐鋼占比，與“十四五”規(guī)劃的15%占比目標(biāo)相比也存在一定的差距。

在裝備、技術(shù)方面，他說(shuō)，近年來(lái)，我國(guó)電爐鋼技術(shù)在低碳冶煉、高效生產(chǎn)和智能控制領(lǐng)域均取得顯著突破。在低碳冶煉技術(shù)方面，他們團(tuán)隊(duì)推出的“風(fēng)光儲(chǔ)一體化”供電模式，結(jié)合氫能、生物質(zhì)燃?xì)庾鳛榧傺鯓屓剂?，探索零碳冶煉路徑，已在河鋼集團(tuán)張宣科技和中信泰富特鋼靖江基地試點(diǎn)進(jìn)行工程示范。在高效冶煉技術(shù)方面，電爐冶煉周期縮短至30分鐘~35分鐘，噸鋼電耗降至300千瓦時(shí)~350千瓦時(shí)，電極消耗低于1千克/噸鋼。在智能冶煉技術(shù)方面，AI（人工智能）算法與大數(shù)據(jù)技術(shù)廣泛應(yīng)用，爐況監(jiān)控機(jī)器人、自動(dòng)取樣系統(tǒng)等設(shè)備逐步應(yīng)用。

不過(guò)，他也坦承，總體來(lái)講，國(guó)產(chǎn)電爐跟國(guó)外電爐是有一定差距的，因?yàn)閲?guó)外電爐的技術(shù)裝備發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、相對(duì)成熟，目前我國(guó)電爐裝備還是以進(jìn)口為主。其實(shí)，中冶系國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院自主研發(fā)的新型電爐設(shè)計(jì)思路也不錯(cuò)，需要從國(guó)家層面給予大力支持。盡管我國(guó)電爐鋼生產(chǎn)技術(shù)及裝備整體來(lái)講與國(guó)外先進(jìn)電爐相比也有一定的差距，但一些單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)了并跑甚至領(lǐng)跑。比如，電爐底吹技術(shù)在國(guó)內(nèi)外率先實(shí)現(xiàn)了工程化，供電及氧槍技術(shù)成功替代了進(jìn)口，生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

對(duì)于我國(guó)電爐鋼發(fā)展緩慢的原因，朱榮認(rèn)為有以下幾個(gè)方面：

一是廢鋼資源問(wèn)題。我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，目前整個(gè)社會(huì)廢鋼蓄積量有限，加上廢鋼回收體系不夠完善，我國(guó)廢鋼年回收量也就在2.5億噸左右。另外，轉(zhuǎn)爐鋼冶煉時(shí)也大量添加廢鋼，每噸鋼添加達(dá)到200千克左右，甚至更高，與電爐鋼爭(zhēng)奪廢鋼資源。這樣，完全依靠廢鋼冶煉的電爐鋼發(fā)展自然受限。

二是生產(chǎn)成本問(wèn)題。由于電價(jià)相對(duì)偏高，為了降低成本，我國(guó)電爐鋼生產(chǎn)企業(yè)一般采用避峰就谷的生產(chǎn)模式，即大多是白天不干、晚上生產(chǎn)。即便如此，我國(guó)電爐鋼生產(chǎn)成本也高于轉(zhuǎn)爐鋼，產(chǎn)能利用率長(zhǎng)期在50%左右波動(dòng)。

三是廢鋼質(zhì)量問(wèn)題。據(jù)朱榮介紹，上世紀(jì)90年代以前，我國(guó)電爐鋼曾以生產(chǎn)特鋼為主；之后因房地產(chǎn)市場(chǎng)鋼材需求旺盛轉(zhuǎn)向生產(chǎn)普鋼，大多生產(chǎn)線材、螺紋鋼，對(duì)廢鋼質(zhì)量要求相對(duì)不高；“十四五”以來(lái)，房地產(chǎn)市場(chǎng)低迷，加上面臨巨大的碳減壓力，電爐鋼又回歸到部分生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼和特鋼。這就遇到了廢鋼質(zhì)量問(wèn)題。廢鋼成分復(fù)雜、雜質(zhì)多，全廢鋼冶煉高品質(zhì)鋼材技術(shù)難度大，像高品質(zhì)汽車(chē)板的銅含量要求低于0.08%。以前日本的廢鋼曾大量出口到我國(guó)，主要是銅含量達(dá)到0.3%的廢鋼，有的甚至達(dá)到0.6%，廢鋼中銅元素不好去除?！叭绾卫萌珡U鋼電爐流程生產(chǎn)高品質(zhì)鋼，實(shí)現(xiàn)廢鋼的高質(zhì)化利用，這是一項(xiàng)世界性難題，也是我們目前要解決的?！敝鞓s如此強(qiáng)調(diào)。

創(chuàng)新提出近零碳排電弧爐煉鋼工藝

鋼鐵工業(yè)碳排放占我國(guó)總碳排放量的16%左右，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)電弧爐煉鋼碳排放量盡管只有轉(zhuǎn)爐鋼的1/3（全廢鋼噸鋼坯二氧化碳排放在600千克左右），但相對(duì)碳中和目標(biāo)仍較高，需進(jìn)一步降低碳排放。為此，朱榮帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近10年的研究，創(chuàng)新提出了近零碳排電弧爐煉鋼工藝。接著，他從能量來(lái)源碳近零、冶煉過(guò)程碳近零、原料生產(chǎn)碳近零3個(gè)方面詳細(xì)介紹了如何進(jìn)行工藝流程創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)電爐煉鋼全過(guò)程近零碳排放。

在能量來(lái)源碳近零方面，利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等不產(chǎn)生碳排放的綠色能源，將其轉(zhuǎn)化為電能，如果將這部分綠色電能高效利用于煉鋼過(guò)程中，即可從能量來(lái)源上達(dá)到碳近零的目標(biāo)。朱榮認(rèn)為，由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供能、儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的電弧爐微電網(wǎng)，可以充分利用風(fēng)光的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，在使用清潔能源的同時(shí)，可獲得更低的成本，保證電弧爐平穩(wěn)生產(chǎn)。據(jù)測(cè)算，風(fēng)光互補(bǔ)+谷電的平均供電成本為0.2元~0.3元/千瓦時(shí)，使得電弧爐生產(chǎn)的能源成本大幅下降，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量供給碳近零的目標(biāo)。

在冶煉過(guò)程碳近零方面，核心就是非涉碳煉鋼冶煉工藝操作，即在不涉碳條件下，完成煉鋼的冶金任務(wù)，包括熔池脫磷、鋼液脫氣、泡沫渣形成、輔助能源提高冶金效果等。目前，氫能燒嘴、生物質(zhì)氣燒嘴、無(wú)碳發(fā)泡劑、全廢鋼潔凈化冶煉技術(shù)等部分研究成果已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了實(shí)踐驗(yàn)證，取得了較好的冶金效果。比如，氫氧集束射流燃燒無(wú)二氧化碳排放，火焰穩(wěn)定性好，助熔效率高；生物質(zhì)粉劑、二氧化碳?xì)怏w替代傳統(tǒng)碳粉造渣可以減少碳排放，再結(jié)合在線能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)，優(yōu)化全程泡沫渣覆蓋效果；采用二氧化碳噴吹控氮技術(shù)，脫氮速率可提升至氬的9.6倍，終點(diǎn)氮含量可降至0.0043%；熔池內(nèi)采用氧氣—氧化鈣噴吹技術(shù)快速降磷，磷含量可降至0.009%，能耗可降低10千瓦時(shí)/噸鋼；電能高效利用，中空電極噴吹、電弧長(zhǎng)度調(diào)節(jié)等技術(shù)提高熱效率至85%以上。

在原料生產(chǎn)碳近零方面，電弧爐冶煉需要使用各種主輔原料，在冶煉消耗過(guò)程中也會(huì)間接產(chǎn)生碳排放。要實(shí)現(xiàn)近零碳排放，采用非涉碳原料生產(chǎn)技術(shù)是降低原料碳排的關(guān)鍵之一。目前主要有氫基直接還原煉鐵、輔料生產(chǎn)綠電化、等離子熱風(fēng)窯爐、降低含碳原料能源消耗等技術(shù)。比如，采用氫基直接還原煉鐵技術(shù)結(jié)合光伏制氫等綠氫生產(chǎn)技術(shù)，可以在直接還原鐵生產(chǎn)流程中達(dá)到近零排放的目標(biāo)；采用等離子熱風(fēng)窯爐+碳捕集技術(shù)，煅燒石灰/白云石碳排放減少20%以上；低碳耐火材料：微波干燥、等離子熱風(fēng)煅燒降低生產(chǎn)能耗，材料碳排放減少35%。

朱榮告訴《中國(guó)冶金報(bào)》記者，他們團(tuán)隊(duì)采用近零碳排電爐煉鋼新工藝，在新設(shè)計(jì)的近零碳排5噸中試電弧爐上驗(yàn)證測(cè)算，煉鋼工序最終極限碳排放可降低到64千克／噸鋼?！叭?060年中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量8億噸中80%采用該工藝，碳排放可減少至現(xiàn)有水平的10%以內(nèi)，為全球鋼鐵業(yè)碳中和提供重要的參考路徑。”他強(qiáng)調(diào)。

我國(guó)電爐鋼技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

對(duì)于“十五五”電爐鋼技術(shù)的發(fā)展方向，朱榮認(rèn)為重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面技術(shù)：

一是要加強(qiáng)廢鋼快速處理、分選、檢測(cè)技術(shù)研發(fā)。朱榮指出，廢鋼分選與檢測(cè)是電爐煉鋼低碳化的基礎(chǔ)。需重點(diǎn)研發(fā)AI視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）實(shí)現(xiàn)銅等殘余元素的精準(zhǔn)識(shí)別與分級(jí)。同時(shí)，推廣廢鋼預(yù)處理技術(shù)，如廢鋼破碎、磁性分離及氯源去除工藝，可降低二[惡][口]英生成風(fēng)險(xiǎn)并提升鐵元素收得率。

二是要加強(qiáng)低碳電爐冶煉技術(shù)創(chuàng)新與能效提升。朱榮認(rèn)為，低碳冶煉技術(shù)需多路徑突破，比如采用生物質(zhì)炭粉噴吹技術(shù)可降低噸鋼碳排放60千克~70千克，氫基還原技術(shù)通過(guò)氫氣替代碳作為還原劑，有望實(shí)現(xiàn)噸鋼降碳150千克以上。同時(shí)，開(kāi)發(fā)二氧化碳底吹強(qiáng)化熔池技術(shù)，結(jié)合埋入式噴粉實(shí)現(xiàn)高效脫磷，可縮短冶煉時(shí)間至25分鐘/爐。

三是要推動(dòng)電爐大型化與智能化升級(jí)。朱榮主張，推動(dòng)大型電爐規(guī)?；瘧?yīng)用，采用數(shù)據(jù)孿生煉鋼技術(shù)，實(shí)時(shí)優(yōu)化溫度、供氧量等參數(shù)來(lái)提高潔凈化水平。智能化改造需突破三大瓶頸：強(qiáng)化終點(diǎn)控制，采用鋼液連續(xù)測(cè)溫與光譜分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳含量和溫度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；加強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)度，基于AI算法協(xié)調(diào)電爐與連鑄工序，縮短等待時(shí)間5分鐘~8分鐘/爐；推進(jìn)能效管理，集成電—氧匹配優(yōu)化系統(tǒng)，通過(guò)分階段能效評(píng)價(jià)降低噸鋼電耗至280千瓦時(shí)以下。

四是要實(shí)現(xiàn)全廢鋼電爐冶煉高品質(zhì)鋼技術(shù)突破。朱榮介紹，中國(guó)工程院院士、北科大教授毛新平承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目——“變革性低碳鋼鐵制造流程理論與技術(shù)”，這是基金委近幾十年支持設(shè)立的鋼鐵行業(yè)唯一重大項(xiàng)目。其中有兩個(gè)子課題，一個(gè)是廢鋼高質(zhì)化利用技術(shù)，即在原料端，從基于外形、尺寸等的評(píng)級(jí)和分析，發(fā)展到從化學(xué)成分的角度進(jìn)行分類分級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)廢鋼高質(zhì)化利用；另一個(gè)是潔凈化電爐煉鋼技術(shù)，由朱榮團(tuán)隊(duì)承擔(dān)，即在冶煉端要盡可能剔除氮、硫、銅等典型有害元素，實(shí)現(xiàn)潔凈化冶煉。

五是要強(qiáng)化源網(wǎng)荷儲(chǔ)微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。朱榮建議，構(gòu)建“電爐—儲(chǔ)能—可再生能源”耦合系統(tǒng)，比如通過(guò)智能負(fù)荷管理，將電爐功率調(diào)節(jié)納入電網(wǎng)輔助服務(wù)，獲取調(diào)峰補(bǔ)償收益；強(qiáng)化區(qū)域協(xié)同，即在廢鋼資源富集區(qū)建設(shè)微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)廢鋼—電力—熱能的梯級(jí)利用，提升綜合能效。

總之，朱榮認(rèn)為，隨著我國(guó)廢鋼蓄積量、產(chǎn)量的增多，采用全廢鋼電爐冶煉技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠色高效低碳智能生產(chǎn)高品質(zhì)鋼材是我國(guó)鋼鐵行業(yè)未來(lái)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必由之路。

記者 | 羅忠河

來(lái)源 | 中國(guó)冶金報(bào)

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