全球鋼鐵行業(yè)已開始嘗試評估新技術，旨在實現(xiàn)到2050年減少二氧化碳排放的目標。目前，該行業(yè)的直接二氧化碳排放量約為2Gt/a，約占工業(yè)二氧化碳排放總量的25%。世界各地正在同時評價幾種減排方法和技術，有時很難清楚地確定這些目標。

電弧爐（EAF）是目前碳足跡最低的煉鋼技術，通常情況下，每生產1噸鋼會產生500-800kgCO2。除了以100%廢鋼為基礎的電弧爐煉鋼，電弧爐生產路線已經表明，如果金屬爐料由高達40%的礦石基金屬原料（OBMs）（生鐵、直接還原鐵（DRI）或熱壓塊鐵（HBI））組成，它可以生產與聯(lián)合（CO/BF/BOF）路線相同的高價值產品。同樣明顯的是，廢鋼的循環(huán)經濟取決于OBMs的殘留物稀釋作用，以滿足產品要求。在能夠經濟地去除廢鋼殘留物的技術被開發(fā)出來之前，情況將會是這樣。

未來煉鋼的假設是可再生能源電力將成為煉鋼過程中能源輸入的基礎。100%廢鋼進行鋼鐵生產所產生的大部分二氧化碳排放量是發(fā)電量的函數。未來，可再生能源發(fā)電將大大減少EAF的碳足跡。

很明顯，從長遠來看，EAF已被確定為煉鋼的首選技術。顯然，需要使用OBM來實現(xiàn)這一點。目前尚不清楚的是，其目標是“消除”EAF生產中的碳，還是盡量減少其使用。本文目的是確定未來30年EAF煉鋼面臨的挑戰(zhàn)，以便在實施煉鋼長期戰(zhàn)略之前對合理的技術解決方案進行評估。

1 背景

從本質上講，很難想象“零碳”煉鋼，因為鋼被定義為鐵和碳合金。因此，零碳煉鋼是一個用詞不當的說法，實際上人們想要的是一個低碳或碳中性的鋼鐵工業(yè)。目前的目標是確定在不嚴重影響工藝本身基礎的情況下，EAF煉鋼的碳足跡可以減少多少。EAF的靜態(tài)能量平衡已由本研究在之前提出。

2 EAF中的碳源

目前，二氧化碳排放分類：

范圍1—涵蓋自有或受控源的直接排放；

范圍2—涵蓋報告公司消耗的購買電力、蒸汽、加熱和冷卻產生的間接排放；

范圍3—包括在公司價值鏈中發(fā)生的所有其他間接排放。

目前，大多數煉鋼操作都集中在范圍1的排放上，范圍2的排放較少。正如本文后面將說明的那樣，鋼鐵制造商必須意識到與原材料相關的潛在的大范圍3排放。對于鋼鐵制造商來說，熔劑、含鐵金屬原料甚至物流都可能大大增加范圍3的排放，這些可能會影響未來使用的工藝技術。減少EAF碳足跡的第一步是確定進入該過程的各種碳源，以下是EAF CO2排放的主要來源：

- 發(fā)電；

- 天然氣，作為燃料使用；

- 氧氣與鋼液中的碳反應；

- 燃燒與廢鋼相關的油、油脂和其他可燃物質；

- 各種廢鋼中含有的碳；

- OBMs中含有的碳；

- 石墨電極的消耗；

- 耐火材料的消耗：例如氧化鎂-碳磚；

- EAF中電荷C的反應；

- EAF中噴入碳的反應；

- 石灰煅燒中產生的CO₂。

這些來源中的每一個都對EAF過程的總體碳足跡有貢獻。當人們試圖從EAF中消除這些二氧化碳排放源時，必須記住為什么在最初的過程中實現(xiàn)它們，以及它們提供的功能。

1 廢鋼供應及殘留金屬雜質的重要影響

鋼中殘留物是指無法從鋼中精煉（去除）的元素，如銅、鎳、錫和鉬等。這些元素會影響鋼的成形性，因為它們往往會偏析到晶界，并以不同于鋼基體的速度變形。因此，各鋼種的應用限制了鋼中這些殘留物的數量，以滿足產品的物理要求和形成所需產品的能力。銅通常是各種殘留物中最密切被追蹤的元素。

以下是各等級鋼中容許銅含量清單?？梢钥闯觯煌摦a品的銅含量范圍變化很大：①螺紋鋼：0.4wt.％Cu，最高達0.8wt.%Cu；②軸承質量：最大0.3wt.%Cu；③碳鋼線材：最大0.3wt.% Cu；④繩索鋼線材：最大0.15wt.%Cu；⑤彈簧鋼線材：最大0.2wt.%Cu；⑥工具鋼：最大0.25wt.%Cu；⑦結構鋼：0.2wt.%-0.5wt.%Cu，平均0.2wt.%-0.3wt.%Cu；⑧鋼板（A36）：0.2wt.%Cu；⑨管材：0.08wt.%-0.20wt.% Cu；⑩鋼板：0.04wt.%-0.10wt.%Cu。

從現(xiàn)在到2050年的廢鋼供應預測表明，可用于回收的廢鋼數量將大大增加。這對EAF煉鋼廠來說是個好消息，因為廢鋼構成了入爐金屬料的大部分。圖1顯示了世界鋼鐵協(xié)會按地理區(qū)域預測到2050年的廢鋼供應量。

從2020年開始，歐盟/美墨加/日本有少量增長，最大的增長是在中國和世界其他地區(qū)。當然，廢鋼的數量只是關注的一部分，廢鋼質量也是EAF煉鋼廠的關鍵利益所在。廢鋼的質量取決于廢鋼來源的產品分類。

參考前面的清單，如果廢鋼來自結構工程，銅含量約為0.3wt.%，如果廢鋼來自用鋼板制成的產品，銅含量可能是0.04wt.%-0.10wt.%，如果廢鋼來自管材，銅含量可能是0.12wt.%-0.15wt.%，特殊鋼棒材產品將提供銅含量為0.15wt.%-0.3wt.%的廢鋼，回收的螺紋鋼將含有0.3wt.%-0.8wt.%Cu。

此外，鋼的使用壽命和產地也可能影響銅含量。眾所周知，鋼的生命周期因地理區(qū)域的不同而有很大差異。

在過去的十年中，不同類型的廢鋼混合變得越來越普遍，諸如80/20 #1/#2重熔廢鋼混合物的銅含量在0.5wt.%-0.6wt.%之間。因此，用于描述各種廢鋼類型的術語已變得不那么有意義。更令人困惑的是，該術語也因地理區(qū)域而異。幾年前，世界鋼鐵協(xié)會EAF專家組通過生成一個廢鋼術語等值矩陣來解決這個問題。然而，在過去的幾年中，情況變得更糟，在許多情況下，質量較高的廢鋼被低質量廢鋼污染。這必然促使鋼鐵生產商更多地使用OBM來稀釋殘留物水平，以達到必要的鋼鐵產品規(guī)格。

邊角料廢鋼被定義為在制造過程中產生的廢料。這種材料的化學成分通常是可知的。一個例子是蒲式耳。廢棄廢鋼被定義為當鋼鐵產品達到壽命終點時回收的材料，例如，切碎的汽車、白色家電或螺紋鋼。重要的是要認識到，在這兩個廣泛的分類中存在許多不同等級的廢鋼，這些不同等級的廢鋼包含不同水平的殘留物、惰性成分和其他成分。自產廢鋼被定義為在煉鋼廠生產過程中產生的廢鋼，包括鋼包和中間包頭蓋，從渣罐中回收的鋼，以及軋制/精加工過程中發(fā)生的修整損失等。

圖2顯示了世界鋼鐵協(xié)會對到2050年可獲得的邊角料廢鋼、廢棄廢鋼和自產廢鋼供應量的預測（x軸為年份，y軸為百萬噸）?？梢钥闯?，隨著更多煉鋼產能的投產，預計2020年后自產廢鋼供應量將有小幅增長。預計2020年后邊角料廢鋼供應也將增長，但其中大部分將來自發(fā)展中經濟體。在發(fā)達經濟體（歐洲和美墨加地區(qū)），隨著制造業(yè)效率的提高，產生的廢鋼數量越來越少，邊角料廢鋼的供應正在下降。2020年后，隨著發(fā)達國家的建筑物和基礎設施達到使用壽命并被替換，廢棄廢鋼的供應將大幅增長。

圖3顯示了到2050年按地理區(qū)域預測廢鋼產生量的詳細情況。這張圖再次證實，亞洲的廢鋼供應量會大幅增長，而美墨加和歐洲只有很少的增長。然而，該圖中的數據似乎低估了這些地區(qū)目前的廢鋼產生量。