中國冶金報社
記者 羅忠河 報道
“中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會成立電爐鋼分會是我們電爐鋼行業(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碳中和研究院教授、綠色低碳鋼鐵冶金全國重點實驗室主任朱榮，聽到鋼協(xié)即將成立電爐鋼分會的消息，在2月19日接受《中國冶金報》記者采訪時喜悅之情溢于言表。他認為，電爐鋼分會的成立必將對引導和推動我國電爐鋼的健康有序高質(zhì)量發(fā)展起到有力的促進作用。
在采訪中，朱榮高度肯定了鋼協(xié)在推動電爐鋼研究和發(fā)展方面所做出的努力。比如，鋼協(xié)黨委書記、執(zhí)行會長何文波，副書記兼秘書長姜維等親自帶隊到北科大實驗室，就電爐鋼發(fā)展進行調(diào)研、交流、探討和指導；朱榮團隊創(chuàng)新提出的近零碳排電弧爐煉鋼工藝，被中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會確定為8項世界前沿重點低碳共性技術(shù)之一；等等。
針對《中國冶金報》記者提出的我國電爐鋼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢話題，朱榮如數(shù)家珍、侃侃而談——
我國電爐鋼發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題
談到我國電爐鋼的發(fā)展現(xiàn)狀時，朱榮介紹，電爐煉鋼長期經(jīng)濟效益不如轉(zhuǎn)爐煉鋼，加上廢鋼資源不足，我國電爐鋼總體而言發(fā)展相對緩慢。目前，我國電爐鋼產(chǎn)能約2億噸，實際產(chǎn)量更低。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，2021年，我國電爐鋼占比為10.7%，達到近10年峰值；2023年回落至9.7%。目前，我國電爐鋼占比在10%左右，遠低于美國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%占比目標相比也存在一定的差距。
在裝備、技術(shù)方面，他說，近年來，我國電爐鋼技術(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，他們團隊推出的“風光儲一體化”供電模式，結(jié)合氫能、生物質(zhì)燃氣作為集速氧槍燃料，探索零碳冶煉路徑，已在河鋼集團張宣科技和中信泰富特鋼靖江基地試點進行工程示范。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~350千瓦時，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)控機器人、自動取樣系統(tǒng)等設(shè)備逐步應(yīng)用。
不過，他也坦承，總體來講，國產(chǎn)電爐跟國外電爐是有一定差距的，因為國外電爐的技術(shù)裝備發(fā)展時間長、相對成熟，目前我國電爐裝備還是以進口為主。其實，中冶系國內(nèi)設(shè)計院自主研發(fā)的新型電爐設(shè)計思路也不錯，需要從國家層面給予大力支持。盡管我國電爐鋼生產(chǎn)技術(shù)及裝備整體來講與國外先進電爐相比也有一定的差距，但一些單元技術(shù)實現(xiàn)了并跑甚至領(lǐng)跑。比如，電爐底吹技術(shù)在國內(nèi)外率先實現(xiàn)了工程化，供電及氧槍技術(shù)成功替代了進口，生產(chǎn)技術(shù)指標已達到國際領(lǐng)先水平。
對于我國電爐鋼發(fā)展緩慢的原因，朱榮認為有以下幾個方面：
一是廢鋼資源問題。我國是發(fā)展中國家，目前整個社會廢鋼蓄積量有限，加上廢鋼回收體系不夠完善，我國廢鋼年回收量也就在2.5億噸左右。另外，轉(zhuǎn)爐鋼冶煉時也大量添加廢鋼，每噸鋼添加達到200千克左右，甚至更高，與電爐鋼爭奪廢鋼資源。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)成本問題。由于電價相對偏高，為了降低成本，我國電爐鋼生產(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，我國電爐鋼生產(chǎn)成本也高于轉(zhuǎn)爐鋼，產(chǎn)能利用率長期在50%左右波動。
三是廢鋼質(zhì)量問題。據(jù)朱榮介紹，上世紀90年代以前，我國電爐鋼曾以生產(chǎn)特鋼為主；之后因房地產(chǎn)市場鋼材需求旺盛轉(zhuǎn)向生產(chǎn)普鋼，大多生產(chǎn)線材、螺紋鋼，對廢鋼質(zhì)量要求相對不高；“十四五”以來，房地產(chǎn)市場低迷，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)量問題。廢鋼成分復雜、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，主要是銅含量達到0.3%的廢鋼，有的甚至達到0.6%，廢鋼中銅元素不好去除。“如何利用全廢鋼電爐流程生產(chǎn)高品質(zhì)鋼，實現(xiàn)廢鋼的高質(zhì)化利用，這是一項世界性難題，也是我們目前要解決的。”朱榮如此強調(diào)。
創(chuàng)新提出近零碳排電弧爐煉鋼工藝
鋼鐵工業(yè)碳排放占我國總碳排放量的16%左右，是實現(xiàn)“雙碳”目標的關(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），但相對碳中和目標仍較高，需進一步降低碳排放。為此，朱榮帶領(lǐng)科研團隊經(jīng)過近10年的研究，創(chuàng)新提出了近零碳排電弧爐煉鋼工藝。接著，他從能量來源碳近零、冶煉過程碳近零、原料生產(chǎn)碳近零3個方面詳細介紹了如何進行工藝流程創(chuàng)新，實現(xiàn)電爐煉鋼全過程近零碳排放。
在能量來源碳近零方面，利用太陽能、風能等不產(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程中，即可從能量來源上達到碳近零的目標。朱榮認為，由風光互補發(fā)電系統(tǒng)供能、儲能系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)的電弧爐微電網(wǎng)，可以充分利用風光的互補優(yōu)勢，在使用清潔能源的同時，可獲得更低的成本，保證電弧爐平穩(wěn)生產(chǎn)。據(jù)測算，風光互補+谷電的平均供電成本為0.2元~0.3元/千瓦時，使得電弧爐生產(chǎn)的能源成本大幅下降，同時實現(xiàn)能量供給碳近零的目標。
在冶煉過程碳近零方面，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)中得到了實踐驗證，取得了較好的冶金效果。比如，氫氧集束射流燃燒無二氧化碳排放，火焰穩(wěn)定性好，助熔效率高；生物質(zhì)粉劑、二氧化碳氣體替代傳統(tǒng)碳粉造渣可以減少碳排放，再結(jié)合在線能效評價系統(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/噸鋼；電能高效利用，中空電極噴吹、電弧長度調(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，在冶煉消耗過程中也會間接產(chǎn)生碳排放。要實現(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)流程中達到近零排放的目標；采用等離子熱風窯爐+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、等離子熱風煅燒降低生產(chǎn)能耗，材料碳排放減少35%。
朱榮告訴《中國冶金報》記者，他們團隊采用近零碳排電爐煉鋼新工藝，在新設(shè)計的近零碳排5噸中試電弧爐上驗證測算，煉鋼工序最終極限碳排放可降低到64千克／噸鋼。“若2060年中國鋼鐵產(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。”他強調(diào)。
我國電爐鋼技術(shù)未來發(fā)展方向
對于“十五五”電爐鋼技術(shù)的發(fā)展方向，朱榮認為重點關(guān)注以下幾方面技術(shù)：
一是要加強廢鋼快速處理、分選、檢測技術(shù)研發(fā)。朱榮指出，廢鋼分選與檢測是電爐煉鋼低碳化的基礎(chǔ)。需重點研發(fā)AI視覺識別技術(shù)，結(jié)合激光誘導擊穿光譜（LIBS）實現(xiàn)銅等殘余元素的精準識別與分級。同時，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]英生成風險并提升鐵元素收得率。
二是要加強低碳電爐冶煉技術(shù)創(chuàng)新與能效提升。朱榮認為，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)通過氫氣替代碳作為還原劑，有望實現(xiàn)噸鋼降碳150千克以上。同時，開發(fā)二氧化碳底吹強化熔池技術(shù)，結(jié)合埋入式噴粉實現(xiàn)高效脫磷，可縮短冶煉時間至25分鐘/爐。
三是要推動電爐大型化與智能化升級。朱榮主張，推動大型電爐規(guī)模化應(yīng)用，采用數(shù)據(jù)孿生煉鋼技術(shù)，實時優(yōu)化溫度、供氧量等參數(shù)來提高潔凈化水平。智能化改造需突破三大瓶頸：強化終點控制，采用鋼液連續(xù)測溫與光譜分析技術(shù)，實現(xiàn)碳含量和溫度的精準預(yù)測；加強動態(tài)調(diào)度，基于AI算法協(xié)調(diào)電爐與連鑄工序，縮短等待時間5分鐘~8分鐘/爐；推進能效管理，集成電—氧匹配優(yōu)化系統(tǒng)，通過分階段能效評價降低噸鋼電耗至280千瓦時以下。
四是要實現(xiàn)全廢鋼電爐冶煉高品質(zhì)鋼技術(shù)突破。朱榮介紹，中國工程院院士、北科大教授毛新平承擔的國家自然科學基金重大項目——“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)唯一重大項目。其中有兩個子課題，一個是廢鋼高質(zhì)化利用技術(shù)，即在原料端，從基于外形、尺寸等的評級和分析，發(fā)展到從化學成分的角度進行分類分級，從而實現(xiàn)廢鋼高質(zhì)化利用；另一個是潔凈化電爐煉鋼技術(shù)，由朱榮團隊承擔，即在冶煉端要盡可能剔除氮、硫、銅等典型有害元素，實現(xiàn)潔凈化冶煉。
五是要強化源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。朱榮建議，構(gòu)建“電爐—儲能—可再生能源”耦合系統(tǒng)，比如通過智能負荷管理，將電爐功率調(diào)節(jié)納入電網(wǎng)輔助服務(wù)，獲取調(diào)峰補償收益；強化區(qū)域協(xié)同，即在廢鋼資源富集區(qū)建設(shè)微電網(wǎng)，實現(xiàn)廢鋼—電力—熱能的梯級利用，提升綜合能效。
總之，朱榮認為，隨著我國廢鋼蓄積量、產(chǎn)量的增多，采用全廢鋼電爐冶煉技術(shù)實現(xiàn)綠色高效低碳智能生產(chǎn)高品質(zhì)鋼材是我國鋼鐵行業(yè)未來轉(zhuǎn)型發(fā)展的必由之路。
