綠色低碳發(fā)展目前已經(jīng)成為全球戰(zhàn)略競爭制高點。與以鐵礦石為原料的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程相比，以廢鋼為原料的電爐短流程可顯著降低能源消耗和二氧化碳排放，因此，合理高效地回收利用廢鋼資源，發(fā)展電爐短流程煉鋼，是助力我國鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要路徑。為此，《世界金屬導(dǎo)報》聯(lián)合達(dá)涅利冶金設(shè)備（中國）有限公司推出“廢鋼利用與電爐短流程煉鋼發(fā)展”專題，共同探討我國廢鋼資源供給與需求、電爐短流程鋼廠時空布局、廢鋼助力短電爐流程發(fā)展路徑、政策建議等話題。
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時也是能源消耗和碳排放的重點領(lǐng)域。在“雙碳”目標(biāo)背景下，推動鋼鐵工業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型已成為國家重大戰(zhàn)略需求。長期以來，高爐-轉(zhuǎn)爐長流程在我國鋼鐵生產(chǎn)中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，而以廢鋼為主要原料的電爐短流程則發(fā)展緩慢，比例顯著低于世界平均水平。這種結(jié)構(gòu)不僅導(dǎo)致了對進(jìn)口鐵礦石的高度依賴，也帶來了巨大的環(huán)境負(fù)荷。發(fā)展全廢鋼電爐流程，不僅是破解資源環(huán)境約束、保障產(chǎn)業(yè)鏈安全的必然選擇，也是鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)脫碳化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵路徑。本文旨在分析我國電爐流程發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，闡述其戰(zhàn)略意義，并探討未來可行的發(fā)展模式與路徑，為中國鋼鐵工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供參考。
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我國電爐流程發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)
1）電爐鋼生產(chǎn)成本較高
電爐煉鋼生產(chǎn)成本主要受廢鋼、電力、電極等價格波動的影響，當(dāng)前我國電爐煉鋼的平均生產(chǎn)成本較轉(zhuǎn)爐煉鋼成本高400-600元/噸，當(dāng)廢鋼價格低于鐵水成本300-500元/噸時，電爐煉鋼生產(chǎn)成本才能低于轉(zhuǎn)爐煉鋼。
2）電爐鋼比例偏低
近20年間，我國電爐鋼比例均在10%上下波動，相較于目前世界平均水平25%左右、美國60%以上、歐洲40%左右、韓國30%左右、日本20%左右的電爐鋼比例而言，差距顯著。究其原因在于：粗鋼產(chǎn)量過大，粗鋼產(chǎn)量的增速遠(yuǎn)高于電爐鋼的增速。
3）廢鋼資源流向不合理
近年來，雖然我國廢鋼資源量逐年升高，但由于粗鋼產(chǎn)量基數(shù)巨大，導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)廢鋼比（約20%）處于較低水平，與世界主要產(chǎn)鋼國40%-70%的廢鋼比存有一定差距。此外，鋼鐵行業(yè)可用廢鋼資源大部分流向了高爐-轉(zhuǎn)爐長流程，長流程廢鋼消耗量約占鋼鐵工業(yè)廢鋼消耗量總量的70%，而短流程僅占約30%，這就使得電爐流程所需的廢鋼資源無法保證供給，進(jìn)一步限制了電爐流程的發(fā)展。
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我國發(fā)展全廢鋼電爐流程的
戰(zhàn)略意義和價值
1）鐵素資源保障
隨著我國鋼鐵蓄積量和廢鋼資源量的增加，未來我國廢鋼資源短缺的局面將徹底改變。初步估算，預(yù)計2030年我國廢鋼資源量有望超過3億噸，2035年突破4億噸，2045年有望達(dá)到5億噸，隨后會有小幅波動，但總體上仍將保持在5億噸/年以上；屆時國內(nèi)廢鋼資源與自產(chǎn)鐵礦石基本能滿足粗鋼生產(chǎn)需求，大大降低鐵礦石對外依存度。為保證廢鋼資源的穩(wěn)定產(chǎn)出和合理利用，國家及行業(yè)還需在頂層設(shè)計上出臺相應(yīng)政策。
2）鋼鐵工業(yè)脫碳化發(fā)展
鋼鐵工業(yè)脫碳化發(fā)展的策略主要有：提高能源使用效率；提高全廢鋼電爐流程的比例；轉(zhuǎn)向清潔能源的利用；變革工藝流程，直接減少碳排放；提高下游鋼鐵產(chǎn)品的使用效率；降低鋼材消費(fèi)需求；鋼廠與其他行業(yè)形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈；碳捕集、利用與封存（CCSU）。分析表明，有策略地推進(jìn)并提高全廢鋼電爐流程的比例是當(dāng)前最易實現(xiàn)的鋼鐵工業(yè)脫碳化發(fā)展的途徑。此外，鋼鐵行業(yè)已經(jīng)納入碳交易市場，未來有可能還是碳稅開征的主要目標(biāo)和核心參與者，碳排放權(quán)交易市場的建設(shè)和合理的碳稅制度在增加鋼鐵行業(yè)碳排放成本的同時也將促進(jìn)全廢鋼電爐流程的發(fā)展。
3）鋼廠與城市的和諧共生
為滿足用戶用電高峰需求，供電廠必須按高峰時段設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模，導(dǎo)致部分設(shè)備在夜間低谷期閑置或降負(fù)荷運(yùn)行。近年來，非化石能源發(fā)電快速增長，火電機(jī)組負(fù)荷波動頻繁，利用小時數(shù)逐年下降。深度調(diào)峰降低了電力系統(tǒng)效率，使發(fā)電煤耗和成本上升。據(jù)估算，火電機(jī)組負(fù)荷率為80%時，比100%負(fù)荷率時供電煤耗增加2-7g/kWh。為此，應(yīng)實施峰谷分時電價，發(fā)揮電價杠桿作用，引導(dǎo)用戶“削峰填谷”，提高低谷時段用電量。對高爐-轉(zhuǎn)爐長流程鋼廠而言，由于生產(chǎn)連續(xù)、不能中斷，通過高峰期減產(chǎn)或停產(chǎn)會降低效率、得不償失。其“削峰填谷”主要依靠高峰期多用副產(chǎn)煤氣自發(fā)電、低谷期多用電網(wǎng)電，但受煤氣柜容量限制，降本效果有限。而全廢鋼電爐短流程企業(yè)則以電力為主要能源，操作靈活，可充分利用低谷電價，避開高峰時段運(yùn)行，從而顯著降低用電成本。
4）鋼廠智能化突破口
鋼廠智能化的核心是建立一個信息物理融合系統(tǒng)（CPS），全廢鋼電爐流程有望成為實現(xiàn)鋼廠智能化的突破口。在物理系統(tǒng)一側(cè)，電爐-精煉-連鑄-軋鋼“四位一體”的全廢鋼電爐流程是比較容易實現(xiàn)全流程的動態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行，可以通過采取工程設(shè)計動態(tài)優(yōu)化、流程中某些工序/裝置的優(yōu)化或改進(jìn)、“界面”技術(shù)優(yōu)化等措施，從而推動物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化，進(jìn)而為智能化鋼廠打好“物理”基礎(chǔ)，并使物理系統(tǒng)的架構(gòu)有利于信息流的導(dǎo)入與貫通；而在信息系統(tǒng)一側(cè)，全廢鋼電爐流程消耗的能源主要是電力，較易實現(xiàn)信息調(diào)控，可以通過制造流程中關(guān)鍵信息要素的實時檢測感知，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，完善不同層次（PCS、MES、EMS，直至ERP）、不同過程（例如廢鋼料場系統(tǒng)、煉鋼系統(tǒng)、軋鋼系統(tǒng)、鋼材庫系統(tǒng)）的信息流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和模型，打通物理系統(tǒng)與生產(chǎn)管控系統(tǒng)之間的信息流，使物質(zhì)流、能量流、信息流“三流”關(guān)聯(lián)、協(xié)同起來。
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我國電爐流程的發(fā)展路徑探討
1）“兩鏈一流”系統(tǒng)為核心的“城市鋼廠”
根據(jù)我國廢鋼資源布局的強(qiáng)地區(qū)性以及電爐流程的生產(chǎn)特點，借鑒美國電爐鋼發(fā)展的經(jīng)驗，以“兩鏈一流”系統(tǒng)為核心的“城市鋼廠”是最適合我國電爐流程發(fā)展的模式：
供應(yīng)鏈：原料來自城市廢鋼、能源充分利用夜間電網(wǎng)棄電或清潔能源發(fā)電。
服務(wù)鏈：產(chǎn)品為相鄰相依城市產(chǎn)業(yè)服務(wù)，為城市消納廢棄物、中水等，服務(wù)-物流半徑150公里左右。
全廢鋼電爐生產(chǎn)流程：以1-2條電爐短流程生產(chǎn)作業(yè)線為主，以全廢鋼為原料，以建筑用螺紋鋼、線材為主要產(chǎn)品。規(guī)模50萬噸/年-200萬噸/年，最高300萬噸/年。
2）電爐流程三類發(fā)展模式
長遠(yuǎn)來看，電爐流程的發(fā)展將形成三類主要的發(fā)展模式：
1）全廢鋼電爐流程替代中小高爐-轉(zhuǎn)爐流程，生產(chǎn)螺紋鋼等長材；2）返回法與近終型制造技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)優(yōu)特鋼、不銹鋼、硅鋼、熱軋薄板帶、超薄帶產(chǎn)品等；3）氫還原-電爐流程生產(chǎn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等所需的特殊鋼材。
3）我國電爐流程發(fā)展趨勢判斷
在“雙碳”背景下，未來鋼鐵行業(yè)將逐步形成三類典型的鋼鐵制造流程：1）大型高爐-轉(zhuǎn)爐-高檔薄板、厚板、中厚板流程：高爐-轉(zhuǎn)爐長流程是必然要逐漸減產(chǎn)的，但也仍然會在流程結(jié)構(gòu)中占一定的比例，它將逐步過渡到以生產(chǎn)扁平材產(chǎn)品為主，特別是生產(chǎn)高檔薄板、厚板、中厚板等高端板材的大批量產(chǎn)品，主要布局在沿海深水港地區(qū)和大型礦山附近。2）廢鋼-綠電-電爐-長材（城市周邊鋼廠）流程：全廢鋼電爐流程將從建筑用長材的生產(chǎn)流程變革做起逐步替代以中、小高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)螺紋鋼、線材等大宗產(chǎn)品，布局在城市周邊，是以兩鏈一流（供應(yīng)鏈、服務(wù)鏈、生產(chǎn)制造流程）系統(tǒng)為核心的“城市鋼廠”。3）氫還原-電爐-薄板、中厚板、無縫管、特鋼流程（氫氣來源包括灰氫、綠氫等），尚處于積極探索和開發(fā)階段，要分階段針對其經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)的品種的市場適應(yīng)性等進(jìn)行綜合分析、合理選擇、謹(jǐn)慎投資，不宜一哄而上。
綜合考慮未來粗鋼產(chǎn)量、三類流程廢鋼比等因素，構(gòu)建了流程結(jié)構(gòu)測算模型，測算結(jié)果如表1所示。可見，我國全廢鋼電爐流程占比2035年可提升至27.7%左右；2045年，有望達(dá)到56.1%，并超過高爐-轉(zhuǎn)爐長流程占比，成為鋼鐵行業(yè)主要的生產(chǎn)流程。
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結(jié)論
1）發(fā)展電爐流程對鋼鐵工業(yè)鐵素資源戰(zhàn)略保障、落實國家“雙碳”戰(zhàn)略、城市共生、智能化升級等方面都具有重要戰(zhàn)略意義和價值。
2）考慮到當(dāng)前我國多數(shù)高爐及其配套生產(chǎn)設(shè)備均未達(dá)到服役壽命，因此在推進(jìn)電爐流程的發(fā)展過程中，要循序漸進(jìn)，以全廢鋼電爐流程生產(chǎn)螺紋鋼、線材為切入口，逐步替代中小型高爐；同時，應(yīng)根據(jù)鋼鐵產(chǎn)品需求，逐步形成全廢鋼-電爐、氫還原-電爐、電爐-近終形制造等三大類發(fā)展模式。
3）雖然三大流程的發(fā)展比例會不斷演變，但在廢鋼資源不斷增長的條件下，電爐流程發(fā)展（包括DRI-EAF流程在內(nèi)）這條路徑毫無疑問是正確的，要始終堅持戰(zhàn)略思維，根據(jù)鋼鐵行業(yè)發(fā)展的階段性特征多角度、動態(tài)性、持續(xù)性地關(guān)注廢鋼產(chǎn)業(yè)和發(fā)展廢鋼-電爐流程相關(guān)的戰(zhàn)略研究（特別是要重視廢鋼的精細(xì)化分級分類以及在此基礎(chǔ)上的品種開發(fā)、成本控制研究），不斷深入思考、調(diào)整認(rèn)識，使它符合發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和中國鋼鐵工業(yè)的實際，真正推動鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，適應(yīng)“雙碳”發(fā)展方向，符合國家戰(zhàn)略的整體部署。
