如今，為減少溫室氣體排放，鋼鐵行業(yè)正努力加快轉型進程。全球鋼鐵行業(yè)溫室氣體排放量約占全球溫室氣體總排放量的7%，其中產生二氧化碳的化石燃料尤其受到公眾關注。對于工業(yè)化地區(qū)來說，鋼鐵生產通常是最大的二氧化碳單一排放源。因此，鋼鐵行業(yè)的脫碳不僅對行業(yè)本身是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是溫室氣體減排的巨大機遇，減少二氧化碳排放更是主要的焦點。

煉鋼過程中的大部分二氧化碳排放都是由“原生（primary）”鋼鐵路線產生的，該路線使用鐵礦石作為主要鐵源。如今，這條路線以高爐和轉爐煉鋼為主，每噸粗鋼排放約2.2t CO2。

基于回收廢鋼的電弧爐煉鋼可以在全球范圍內取代轉爐煉鋼，從而降低二氧化碳排放，這是一個簡單但錯誤的假設。事實上，LD煉鋼工藝已經利用了一定數量的回收廢鋼，但僅使用回收的廢鋼無法滿足世界鋼鐵生產需求。因為全球19億噸的粗鋼產量，其中14億噸是轉爐鋼，并且根據相關預測，這一情況仍將持續(xù)。利用鐵礦石煉鋼仍然至關重要，如今LD工藝是高質量煉鋼不可或缺的核心工藝，因此，需更深入地分析其如何應對碳中和的挑戰(zhàn)。

2015年的《巴黎協(xié)定》等國際條約轉化為國家層面的二氧化碳定價方案，因此，減少二氧化碳排放成為鋼鐵生產中的積極經濟因素。特別是在戰(zhàn)略投資決策的情況下，噸鋼二氧化碳排放量已成為關鍵因素。此外，全球鋼鐵生產商已承諾實現二氧化碳減排目標，并將由其利益相關者承擔相應責任。所有冶金生產路線都處于試驗階段。與所有其他已建立的工藝一樣，LD工藝需要在新的環(huán)境中證明其可行性。

二氧化碳的即刻減排往往是第一個關注重點，LD工藝為迅速減少二氧化碳排放提供了重要支持。二次燃燒可以進一步提高廢鋼在LD工藝中的使用效益。冶金過程的數字化能夠更有效地利用能源和原材料，從而減少二氧化碳排放。LD煉鋼工藝只是一種過渡性技術，還是其本身就足以應對碳中和的挑戰(zhàn)，這個問題需要更詳盡的考慮。本章將概述LD工藝在未來碳中和煉鋼中可以發(fā)揮的決定性作用。

圖1對傳統(tǒng)高爐生產、LD煉鋼工藝和熱軋的碳排放進行了深入分析。這些數值符合生命周期評估（LCA）中的ISO 14040/44標準。雖然真實工作中包括了從生產原材料到軋制卷材的整個生產鏈，但圖中的重點在于煉鋼自身產生的碳排放，并由鋼鐵生產商直接控制。直接排放使得每噸熱軋鋼卷產生1.9t二氧化碳當量的全球變暖潛能值（GWP）。如圖1所示，鋼廠的大部分排放物通過發(fā)電廠得以離開鋼廠。

LCA的評價方法是迄今為止最為常見的，同時也是最可靠和公認的排放核算方法。但是，大多數二氧化碳排放通過發(fā)電廠離開鋼廠的事實并不能給出如何避免排放的答案。發(fā)電廠內部使用的氣體無法避免來自金屬冶煉的過程本身。出于這個原因，圖1提供了關于碳使用來源的粗略概念。鐵水生產、氧氣煉鋼和熱軋，這些工藝步驟是碳排放的來源。大多數二氧化碳排放量，即1kg熱軋鋼卷（HRC）產生的1.6kg二氧化碳當量，來自于鐵水生產；氧氣煉鋼（即LD工藝）碳排放所占的份額有限，僅為0.2kg；熱軋的碳排放份額更小，僅為0.1kg。

由圖1可以得出結論，鋼鐵行業(yè)脫碳的第一個重點需集中在鐵水冶煉方面，因為通過高爐生產鐵水不僅需要化石碳進行加熱，還需要還原和熔化。事實上，高爐工藝需要相關過量的化石碳，從而使高爐內部充滿高熱量氣體。過去，主工藝中無法充分利用碳并不被視為效率低下，因為高熱量氣體可以轉化為鋼廠所需的電能。

如今，新的假設顛覆了傳統(tǒng)的答案。在“無化石”情景里，人們相信綠色氫氣和綠色電力的供應量是足夠的。雖然并不禁止碳的使用，但僅限于來自可循環(huán)資源或任何其他可將二氧化碳重新轉化為碳形式的生物碳，這種碳是有限且昂貴的?？紤]到這些條件，實現碳中和鋼鐵生產的首要任務顯然是取消化石還原和熔化步驟。對于當今的高爐技術來說，這樣的任務幾乎不可能實現，因此得出的一致結論是用直接還原技術取代高爐。這意味著，并不用必須放棄LD工藝。事實上，LD煉鋼工藝的二氧化碳直接排放量與電弧爐煉鋼相同。這兩種工藝都依賴于一定量的冶金碳。碳將仍然是鋼強度性能的主要成分，并且仍將促進某些煉鋼反應，因此碳不能從任何煉鋼路線中完全消除?！傲闾肌贝肀苊獯髿庵袦厥覛怏w增加的目標，但不應將其誤解為“無碳”。氣候中性氫與氣候中性碳的可用性將對冶金工藝的發(fā)展產生重大影響。

文獻中描述了將LD轉爐與直接還原廠相結合的煉鋼路線這一前瞻性概念。圖2介紹了直接還原鐵的中間熔化步驟，該步驟提供了含碳的鐵熔體。這種預熔化有時被稱為“電鐵水”，因為它在化學成分上與傳統(tǒng)的鐵水相似。很明顯，這種預熔化物可以通過現有的魚雷罐車運輸，在過渡階段甚至可以與來自高爐的傳統(tǒng)鐵水混合。一如現今，電鐵水和傳統(tǒng)鐵水最終在LD轉爐中加工，電鐵水將為未來的LD轉爐供電。

與已實現的直接還原廠與經典電弧爐煉鋼的組合一樣，直接還原廠與LD轉爐的組合能夠在綠色能源的基礎上達到氣候中性。在特殊配置中使用LD轉爐，有如下的技術和經濟優(yōu)勢：

1）很明顯，LD煉鋼允許現有熔煉車間繼續(xù)運行，隨后進行連鑄和軋制。因此，現有場地轉換的投資成本得以減少。對現有場地的投資都可以集中投入在電鐵水的生產上。

2）眾所周知，板坯連鑄生產的產品表面質量最佳，目前尚不清楚未來長時間內，與電弧爐生產結合的小型軋機能否彌補這一差距。因此，保留現有鋼廠優(yōu)于對小型鋼廠進行新投資。

3）涉及到化學成分時，LD轉爐可以在新配置中發(fā)揮其優(yōu)勢：超低磷含量和超低氮含量，特別是超低碳與超低氮含量的組合。LD轉爐將繼續(xù)為最終鋼鐵產品賦予最復雜的化學成分。在二次精煉中，“修復”化學成分的能力是有限的。

4）熔化步驟從不必要的冶金工作中剝離出來。在還原反應下遵循礦熱爐原理運行設備，其原材料擁有的獨特優(yōu)勢是電弧爐煉鋼所沒有的。當然，最重要的是，無需在直接還原廠內使用DR級球團作為原料，因為熔融廢料中無需泡沫渣。除直接還原鐵外，還可以引入含鐵回收材料，甚至可以添加廢鋼。這一工藝步驟產生的后續(xù)礦渣可以移交給水泥行業(yè)，正如現在的高爐礦渣一樣。

5）最后，LD工藝將結合新的上游工藝形成一個全新的生產鏈。與傳統(tǒng)的高爐組合相比，這條新路線能夠更好地應對能源供應波動。雖然從現在來看，這一方面無關緊要，但在“無化石”的未來，這一優(yōu)勢可能會產生決定性作用。

未來幾十年，鋼鐵產業(yè)要面臨的最大挑戰(zhàn)就是減少煉鐵和煉鋼的二氧化碳足跡，以實現世界范圍內的氣候變化目標。眾所周知，鋼材的性能與其碳含量直接相關，只有非常特殊的少數鋼種（不銹鋼、ULC）可被視為無碳足跡。LD煉鋼工藝也依賴于碳，因為其熱量的產生依賴于碳（和其他元素）的氧化放熱。此外，鐵水脫磷亦需要氧氣，如果沒有碳，鐵的損失就會很高，技術的經濟效益也低。

新的想法是，用電熔爐生產（electrical smelter）的熔化氫來還原鐵，制備“電鐵水”。這將為現有的LD工藝提供液態(tài)鐵水，并利用現有連鑄和軋制設備等鋼廠基礎設施。與其他策略相比，該策略所包含的新產品認證工作相當之少，是工業(yè)供應鏈中的常見工藝，從而避免了上游技術變化對下游產業(yè)造成的負面影響。