能效提升不仅是钢铁产业转型升级的内在要求,也是其实现绿色低碳高质量发展的关键驱动力。中国钢铁工业协会推进的极致能效工程,通过成熟技术快速推广应用、共性难题技术协同研发以及系列政策、法规、标准等的制定,是实现极致能效牵引钢铁极致效率的一项行业性工程。“能效达标三年行动”是落实钢铁极致能效工程的重要举措。梳理总结该举措的实践进展及实施绩效,提出数据系统是实现能效对标扶优汰劣、产能治理的基础,并以数据治理为研究目标,基于质能平衡原理,提出了能耗数据质量诊断新方法和典型工序的3层多阶理论能耗数据评价机制。最后,以烧结、高炉为例,从采集数据的边界划分、不同阶段理论能耗的计算方法确定、过程关键元素守恒的数据质量诊断、折标系数的合理选取等多个角度对数据质量和评价机制进行了梳理与讨论。利用建立的3层多阶能耗计算模型,在热量与标准煤等效折标的前提下,获得了烧结工序的理论、技术与实际极限能耗,并对影响烧结工序能耗的关键参数进行了敏感性排序,由大到小依次是漏风率、配水量、碱度、返矿率、热损失、生石灰、FeO含量、MgO含量。与此同时,还获得了高炉工序的理论与实际极限能耗,为钢铁行业的节能降碳提供了一定的理论数据支撑。

在碳达峰、碳中和目标背景下,中国钢铁工业面临国际低碳贸易壁垒限制、钢铁将纳入全国碳交易市场和下游行业低碳产品需求的三重挑战,钢铁企业应坚持智能化、绿色化发展方向,加快构建符合自身特色的数字化碳管理体系,以更好地支撑企业低碳绿色发展。重点介绍了新一代数字化、信息化技术与钢铁企业碳管理这一新兴事物的融合,提出了基于企业信息化发展水平和软硬件条件的数字化碳管理体系架构,强调数字化碳管理体系与企业业务管理流程的耦合。基于河钢集团自主研发的WisCarbon数字化碳中和平台,指出数据交互是碳管理与工艺生产管理、数字化碳平台与信息化体系融合的基础支撑,介绍了河钢依托数字化碳管理平台的碳数据计量监测功能,对钢铁企业碳排放相关的生产数据进行采集治理、加工建模的流程。河钢依托数字化碳管理体系实现了主要产线碳治理能力提升,在企业数字化碳盘查、产品碳足迹数字化核算、出口CBAM数字化报告等方面取得良好的实践效果,为钢铁行业应对愈加严峻的碳排放挑战提供了良好的示范。

全球应对气候变化的进程在进一步加快,碳主题贸易规则和供应链碳中和要求不断提高,绿色低碳发展已成为全球钢铁行业战略竞争的制高点,同时,国内发展新质生产力要求的提出,进一步丰富了新时代下钢铁行业绿色低碳高质量发展的内涵。在此基础上,从行业顶层设计、EPD平台建设、低碳排放钢标准制订、极致能效工程推进、低碳前沿技术研发推广等5方面总结了中国钢铁行业低碳发展实践;分析了1991—2022年中国钢铁行业碳排放的历史过程,结果表明,中国钢铁行业在过去30年间取得了明显的降碳效果;通过低碳发展路线图的分析,认为中国钢铁行业已于2010年前后进入碳排放量峰值平台期并将持续到2030年,开始步入绿色低碳发展新时代;未来若合理采用各类降碳措施,行业CO₂排放量将稳步下降, 2060年钢铁行业剩余CO₂排放量约1亿t,需要进一步依靠CO₂捕集、利用和封存（CCUS） 、碳汇等手段助力钢铁行业实现“碳中和”。在此基础上,指出未来在中国钢铁行业落实“双碳”工作的进程中,产能治理与产业布局、发展全废钢电炉流程、新能源利用、颠覆性低碳技术攻关、碳管理基础能力建设等关键问题是值得引起高度关注的,并对这些问题进行了探讨分析,进而提出相应的解决措施和政策建议。

在钢铁碳中和的背景下,高炉-转炉流程将面临着越来越严峻的低碳转型压力。经过几百年的发展,现代高炉炼铁工艺已十分成熟,无论是热效率还是产能规模,在当今冶金界都找不到比高炉更优秀的反应器,钢铁冶金完全放弃高炉工艺路线是非常可惜的。中国废钢保有量和循环量较少,采用电炉短流程低碳工艺不足以保障国民经济对钢铁产品量的需求,高炉流程在比较长的时间内还将是中国钢铁工业的主流流程。为应对低碳发展要求,中国宝武自主开发了富氢碳循环氧气高炉（HyCROF：Hydrogen-enriched Carbonic oxide Recycling Oxygenate Furnace）新工艺,旨在通过碳循环和清洁能源替代来实现炼铁大幅减碳,宝武针对HyCROF炉顶煤气CO₂深度经济脱除、高还原势煤气安全高效加热、基于竞争燃烧的风口喷吹装置设计和全氧鼓风煤气循环下合理煤气分布四大技术难点开展了基础研究,建设了工业规模级HyCROF试验平台,持续开展了大量的工业实证研究。工业实证研究结果表明,HyCROF新工艺安全、稳定、顺行、高效,抗波动能力强,可大幅降低还原剂比例,在喷煤比相当的情况下,固体燃料消耗相比基准期下降了约30%,碳排放已下降20%以上,与传统制造流程匹配性好。鉴于HyCROF工艺良好的试验效果,其工艺技术已经被应用于2 500 m³高炉。

近几年中国钢铁产量稳定在10亿t左右,每年碳排放达到20亿t,占全国碳排放总量的15%,是31个制造业门类中碳排放量最高的行业,在国家“双碳”战略背景下,钢铁行业绿色低碳转型迫在眉睫。河钢集团张宣科技坚定践行国家发展战略,率先在淘汰原有高炉炼铁装备的同时,建设世界首座焦炉煤气零重整直接还原工厂,年产120万t冷态直接还原铁（DRI）。工厂于2022年12月全线贯通,2023年5月实现安全稳定连续生产。投产初期,工厂加热炉系统、煤气压缩机系统、水处理系统等均暴露出部分问题,这些问题虽然不影响正常生产,但是限制了工厂技术经济指标的进一步提升;此外,氢基竖炉对球团矿的质量要求也远超预期,球团矿的强度等性能不足,导致开产初期生产出的DRI破碎率较高,产品粉末含量较高。通过对问题的深入分析,并针对工艺、设备不断改进优化,煤气单耗、DRI金属化率等技术经济指标都取得明显进步,且好于设计水平。与传统高炉炼铁工艺相比,直接还原工厂取消了烧结和高炉工序,CO₂排放降低70%以上,SO₂、NO_x、烟粉尘排放分别减少30%、70%和80%以上。工厂的成功运行,对中国钢铁行业的绿色低碳转型升级起到很好的示范作用,也标志着中国钢铁工业由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”的转变迈出颠覆性、示范性、关键性步伐,将进一步引领传统钢铁冶金工艺变革,全面开启绿色、低碳发展新纪元。

炼铁工业作为钢铁产业链的关键环节,其能源利用效率虽已提升至较高水平,但面对全球气候变化的严峻挑战,实现大规模减碳目标仍需依赖一系列突破性新技术的研发与应用。通过分析当前和未来可能的低碳或近零碳炼铁工艺方案,具体包括传统及富氢高炉流程、直接还原工艺、熔融还原工艺与电解炼铁工艺等,发现不同工艺所使用的能源在碳素、氢能和电力3个维度的分布各不相同。基于此,综合对比分析了中国、韩国、日本、欧洲和美国等地区或国家的最新炼铁技术进展与减碳路线。尽管各国的路线各有不同,但提高新能源对化石能源的替代比例是所有路线的共同宗旨。高炉-转炉流程在近期仍将占据钢铁生产的主导地位,但若继续基于碳冶金将给降碳带来巨大挑战,依靠富氢碳循环高炉技术或其他耦合绿电的新技术有望进一步显著降低该流程碳排放。直接还原铁-电弧炉工艺虽然发展迅速,但也面临着资源、技术和成本等方面的挑战。电解炼铁工艺也成为欧美国家的研究热点,但距离规模化生产仍需较长时间。目前尚无一种单一方法能够低成本地实现对钢铁行业的深度减排,这也表明不同国家和不同地区需要根据各地资源条件和具体情况因地制宜地确定具有区域特色的减碳技术路线。

钢铁工业是能源消耗和碳排放的主要行业之一。在全球双碳背景下,人们对气候变化和环境保护意识的提高以及碳税政策的强化,深度加剧了钢铁行业的碳减排压力。综合考虑资产保值、技术成熟程度等因素,开发高炉工艺的低碳技术来减少碳排放是最直接有效的技术措施。介绍了国内外主要的高炉低碳冶金的技术路线和发展方向,并对中国近年来的高炉低碳冶炼示范项目进行了总结。高炉富氢工艺是现阶段工艺技术改进的首选方向,但其碳减排的幅度有限,仅可实现减少CO₂排放10%~30%,不能从根本上解决高炉碳排放高的问题。针对这一问题,提出了一种高炉源头生物质减碳-过程富氢降碳-末端CCUS固碳全过程低碳冶炼工艺,并对其各个路线的关键技术进行了深入分析,获得了3种工艺路线的降碳成本及减排潜力,认为全过程低碳冶金将是未来钢铁行业发展的重要方向,具有较高的技术可行性和减排效果。将推动钢铁行业向更加清洁、高效的方向发展,实现双碳目标的同时保持经济发展的持续性,并展望了中国高炉低碳路线的未来前景。

经过21年的研发,初步形成了低温冶炼理论体系,低温冶炼新装备、新工艺试验工程、生产线建设持续推进。与高温冶金相比,低温冶金过程耗碳少、化学热及物理热需求少。通过煤种、粒度、温度等工艺参数的改变,可控制自产煤气中CO₂含量。低温还原过程热负荷低于高温还原,通过上下加热为主、四周协同加热强化低温传热。提出了冷压球团-低温还原-电炉熔分钢铁冶炼新工艺流程,研制了低温还原反应新装备,开发了自产煤气低成本100%循环利用、低温还原炉废热梯级利用、抑制磷、硅还原等技术,实现了从原料预处理到炼钢过程的连续化（准连续化）生产,省去了烧结、焦化、氧化球团等炼铁工序和部分炼钢工序,实现了大幅度降低了冶炼能耗、煤耗、二氧化碳排放量以及炼钢过程的氧气和生石灰消耗。研制和建设了5万t /a级的低温还原炼铁新装备工业试验工程,打通了工艺流程、验证了冶炼各个装备,创造了吨金属煤耗300 kg的煤基炼铁流程新记录,得到低磷、低硫、低碳钢水。低温冶炼技术还在金属铁粉制备、含锌粉尘制备金属锌锭、钒钛磁铁矿、钛铁精矿粉、高磷铁矿、废旧电池回收、废轮胎回收领域等多个领域应用。利用可再生能源生物质或生物炭逐步替代煤粉进行低温还原,有望实现冶炼过程的近零碳排放,为冶炼“碳中和”提供一种有效的低成本可实施途径。

为了实现钢铁行业的绿色低碳转型,中国宝武2021年发布碳中和技术路线图,将氢冶金作为6大技术方向、2条主要技术路径之一。结合传统氢冶金需要高品位铁矿石资源紧缺的现状,2023年,中国宝武提出了资源适应性更广的氢还原电熔炼工艺（HyRESP,即Hydrogen Reduction and Electric Smelting Process）,在该工艺中,氢基竖炉是核心工艺之一。对比了高炉和直接还原用块矿、球团在富氢气氛下还原速度、低温还原粉化率等差异,结果表明,球团的还原速度和低温还原粉化指标均优于块矿,但不同品位球团指标差异较大。同时研究了球团在不同含氢气体下还原膨胀率的差异,结果表明,随着还原气中氢气比例的提高,球团还原膨胀率呈现降低的趋势,氢气体积分数由55%提高至100%时,P1球团还原膨胀率由16.05%降低至9.32%。结合上述5种炉料的氢还原性能,对比直接还原竖炉的相关标准,只有P3球团可100%使用,其余4种需要通过配矿、气体成分调整等才能满足竖炉要求。研究结果为湛江百万吨级氢基竖炉投产及生产调整提供了基础数据。

自党的“十八大”以来,国家将大气污染防治工作纳入社会经济发展全局。焦化行业成为继火电、钢铁行业之后又一个即将实施超低排放的行业。中国是世界上焦炭产量最大的国家,2023年中国焦炭产量4.9亿t,占全世界总产量的70%。实施焦化行业超低排放改造是一项系统工程,要统筹全工序、全流程提升企业大气污染治理水平。超低排放改造实施过程要实现多污染物协同控制,推动污碳的协同下降。长期以来,中国炼焦工业存在着污染物种类多、排放量大,超低排放成本高等突出问题。综述了焦化行业典型大气污染物控制的关键技术,以焦炉炉墙窜漏治理技术和废气回配技术为代表的污染物源头治理技术可实现SO₂、NO_x的显著降低,缓解了烟气末端治理的压力;焦炉烟气多污染物协同治理的难点是NO_x脱除,通过活性炭法多污染物控制技术和钠法SDA脱硫耦合低温SCR脱硝技术可实现硫、氮分步脱除,从而提高高脱硝效率并降低硫的回收成本;面向国家“双碳”目标和氢冶金的重大需求,焦炉煤气中的CH₄通过重整反应转化为H₂和CO,实现高值化利用制备富氢还原气,为氢冶金提供技术支撑。焦化行业大气污染物控制技术的实施,将有利于焦化行业的绿色高质量发展。

高炉工序是全球钢铁生产节能降耗的重点工序。烧结优化配矿是高炉炼铁降本降耗的核心。国内外研究从铁矿粉特性、烧结杯试验、数学模型等多个角度进行了大量的工作。铁矿粉常温特性获取成本低,是国内外钢厂实际使用最多的方法,但在原料条件变化大的情况下还需要考虑铁矿粉高温特性对烧结配矿的影响。通过铁矿粉特性进行矿粉搭配,仅在理论上满足了配矿需求,而烧结杯试验可以对铁矿粉性质或烧结原料工艺的理论分析结果进行有效验证,避免实际生产中的烧结矿产质量出现较大的偏差。烧结杯试验的不足在于试验设备要求高,时间及人力成本高。为了降低试验成本与现场工作强度,研究者们结合理论分析与现场生产条件,开发了基于数学规划或智能算法的烧结优化配矿模型。目前的烧结优化配矿模型对烧结工艺以及烧结矿高温冶金性能考虑少,限制了模型的降本潜力。从铁矿粉特性、烧结杯试验、烧结优化配矿模型构建等方面对烧结优化配矿技术进行了展望。收集大量铁矿粉数据并建立铁矿粉数据平台,开发符合原料与生产条件的铁矿粉动态评价方法,减少试验成本并实现铁矿粉的准确评价。在铁矿粉特性与现场实际生产等数据基础上,精心设计烧结杯配矿试验方案,在最小的时间人力成本下获得最有效的烧结杯试验研究结果。烧结优化配矿模型的研究重点包括烧结工艺与烧结矿高温冶金性能的高效利用。从钢铁厂铁前系统数据与生产条件出发,构建基于现场烧结原料特性、烧结操作、烧结矿常温与高温冶金性能、烧结-高炉状态等历史数据的烧结优化配矿模型,最终实现稳定烧结矿质量并降低生产成本的烧结优化配矿。

流化床氢气直接还原炼铁是钢铁工业低碳发展的重要方向之一,而解决还原过程中颗粒黏结失流问题是推动其规模化应用的关键所在。以化学试剂为原料,通过高温焙烧合成不同的铁酸钙,并对铁精矿粉进行改性处理,考察了合成铁酸钙的氢气还原特性和改性铁精矿的流态化还原性能,揭示了铁酸钙改性铁精矿抑制黏结的机理,从而为突破黏结失流难题奠定理论基础。氢气还原特性表明,不同铁酸钙物相的氢气还原性能和还原路径存在明显差异,铁酸一钙（CaFe₂O₄, CF）和磁铁酸钙（CaFe₃O₅, CWF）均为多步还原,而铁酸二钙（Ca₂Fe₂O₅, C₂F）为一步还原,试验结果与热力学分析结果吻合;铁酸钙提高了铁氧化物在氢气还原过程中的稳定性,其中C₂F最难被还原;表面形貌分析结果表明,焙烧处理后的Fe₂O₃其还原产物颗粒表面仍保持致密结构,而铁酸钙经过氢气还原后颗粒均呈现多孔结构,随着CaO质量分数的增加,CWF、CF和C₂F的表面形貌由长约5 μm的近柱状逐渐演化成尺寸约1 μm的小颗粒;还原产物呈现固溶体内析出纳米铁颗粒结构,可有效降低颗粒表面黏性。添加氧化钙的铁精矿经过焙烧改性后其表面形成分布均匀的铁酸钙,具有良好的抗黏结性能。因此,通过添加氧化钙并焙烧处理实现铁矿表面铁酸钙改性,可有效抑制黏结失流,从而支撑流化床氢气直接还原炼铁技术的发展应用。

针对冶金领域的富氢直接还原气体制备、竖炉直接还原过程、高炉煤气循环利用以及化工领域的天然气制氢等涉及CH₄-H₂-CO-H₂O-CO₂体系尤其是更具广泛代表性的H-C-O体系的析碳共性问题,建立一种便捷、快速、易操作、普适性强地判断体系是否析碳的方法十分必要。在“H-C-O体系质量与化学平衡衡算图”基础上,基于多相、多反应共存体系的平衡原理,确定了包括体系温度、总压、体系内$n_{\mathrm{H}_{2}} / n_{\mathrm{CO}}$比值等各种操作条件下对应的临界析碳点坐标（n_O/n_C,n_H/n_C）,连接相同参数的临界析碳点得到对应的临界析碳曲线,构建了“H-C-O体系析碳状态分布图”,开发了一种可准确把握生产状态、确定体系是否发生析碳的新方法,建立了H-C-O体系析碳状态分布理论,为选择控制析碳工艺参数提供了理论基础;为了解决制作“H-C-O体系析碳状态分布图”时存在计算较繁杂的不足,开发了“H-C-O体系析碳状态分布图”分析专用软件,并结合已知的生产实践以及文献数据,验证了“H-C-O体系析碳状态分布图”的合理性和实用性。研究表明,论文提出的确定体系是否发生析碳的新方法普适性广、包容性强,“H-C-O体系析碳状态分布图”不仅能简捷、快速、准确地判别某给定条件下体系是否会发生析碳问题,而且可以给出既能防止体系析碳又能最大限度降低天然气制氢工序能耗和成本的努力方向,为实际生产降本、降耗、稳定、顺行提供有效的指导。

欧冶炉熔融气化炉具有纯O₂鼓风、料柱高度低和料层温度梯度大等特点,在冶炼钒钛矿时具有减少高熔点相Ti（C,N）生成和保持料柱透气透液性的优势。然而,熔融气化炉采用DRI与焦/煤混装的布料方式,使得钒钛炉料的软化、熔化及滴落过程与传统高炉不同,开展DRI与焦/煤的混装对欧冶炉内钒钛炉料软熔行为的影响研究具有重要意义。论文结合气化炉工况条件,采用变压变气氛式铁矿石软熔性能测试装置研究了DRI与焦/煤混装率对含钒钛DRI软熔温度参数、渣铁滴落率和料层压差的影响,并利用电子探针等表征手段分析了滴落及滞留渣铁的样品属性,获得了混装率对半焦床透气透液性的作用行为。结果表明,混装促进了含钒钛DRI软熔过程的还原和渗碳,增加了DRI熔化前的抗变形能力,料层软化区间向高温区移动,滴落温度减小,熔滴区间向低温区收缩,从而使得欧冶炉软熔带变薄。随着DRI与焦/煤的混装率从0增大至100%,炉渣滴落率增加近1倍,铁水钒收得率提高,料层透液性明显改善。尽管提高混装率加快了渣中TiO₂的还原及TiC的生成,但由于滴落带滞留渣少且流动性好,炉渣的泡沫化程度被削弱,欧冶炉熔融气化炉内矿焦煤混装布料有利于钒钛磁铁矿冶炼。这为欧冶炉冶炼钒钛矿工艺提供了理论基础和技术支撑。

提出了“氢气炼钢”代替“氧气炼钢”的观点,对“氢气炼钢”的研究现状进行了总结和评价。氢冶金炼钢在节能降耗和改善产品质量方面具有独特优势。一方面,“氢”具有高效熔炼作用,能够有效降低炼钢能耗。等离子体态的“氢”具有高温、高热导率的优势,可作为高效热源实现炉料熔化与钢液加热,在电弧炉、转炉以及中间包等炼钢设备中得到初步应用。喷吹气态“氢”能够加速成分和温度均匀,且氢气泡运动能粘附和加快其他非金属夹杂物上浮;同时与钢液中的氧等反应释放大量热量,改善了熔池反应的热力学与动力学条件。此外,“氢”通过营造还原性气氛,抑制氧化,降低Cr、Mn等合金元素的损耗。另一方面,“氢”具有无污染精炼的作用,能够显著提高钢液洁净度。基于“氢”的高活性和高还原性,“氢”能够有效去除钢中O、C、N、S和P等杂质元素,尤其是等离子态“氢”,可直接与杂质元素反应生成H₂O、CH₄、NH₃、H₂S和PH₃等极易挥发去除的气体产物,避免非金属夹杂物形成,实现“零夹杂物”的高效高洁净度炼钢。因而,发展以“氢”代“碳”的氢冶金新一代绿色近零碳“零夹杂物”无污染钢铁冶金流程,将加速钢铁工业绿色高质量可持续发展,助力中国实施“双碳”与“制造强国”战略。

电炉短流程炼钢是实现钢铁工业减碳的重要路径,但传统电炉短流程炼钢以废钢为原材料,以电能为主要能量来源,熔池内碳氧反应不足,电弧持续放电电离空气致使钢液氮质量分数偏高且氮的脱除与控制较为困难。由于氮对钢质量的影响,长期以来钢中氮质量分数控制是电炉短流程高品质钢生产的重点和难点,目前对于钢中氮质量分数有严格要求的高品质钢种几乎全部由长流程生产制造。为扩大电炉短流程生产钢种,提高电炉短流程行业竞争力,综述了钢中氮的危害以及电炉炼钢控氮难点,总结了钢液脱氮机理和电炉炼钢控氮技术研究进展,并结合本团队的研究和实践,提出了CO₂复合喷吹控氮技术和中空电极富氢气体喷吹控氮技术。CO₂复合喷吹控氮技术将CO₂载气喷吹碳粉和CO₂-Ar混合底吹相结合,一方面通过降低炉内氮分压并优化泡沫渣形成减少钢液吸氮量,另一方面利用CO₂-Ar混合底吹高效吸附脱氮原理降低钢液氮质量分数。中空电极富氢气体喷吹控氮技术在隔绝电弧周围空气的同时,利用电极产生的电弧将多元气体电离成富氢等离子体和钢中氮结合逸出钢液实现脱氮。工业实践结果表明,CO₂复合喷吹控氮技术可将全废钢电炉出钢平均氮质量分数由0.008 14%降至0.005 08%;应用中空电极富氢气体喷吹控氮技术后可将电炉出钢平均氮质量分数从0.005 85%降至0.004 66%,最低仅为0.002 99%。可有效降低电炉冶炼出钢氮质量分数,助力电炉短流程高品质钢生产进一步发展,推动实现钢铁行业绿色低碳的发展目标。

钢铁工业是中国能源消耗和碳排放大户,发展能耗及碳排更少的电弧炉短流程炼钢,是钢铁工业实现“碳达峰、碳中和”的重要抓手,进一步推动电弧炉低碳高效智能冶炼已经成为整个钢铁行业面向未来转型发展的重要内容。分析并阐明了电弧炉低碳、高效、智能冶炼技术所存在的技术瓶颈,介绍了国内外相关工艺技术发展现状及宝钢湛江钢铁零碳示范线及宝钢电弧炉流程生产高品质钢的研究进展,并对电弧炉炼钢技术的未来发展方向进行了展望。截至目前,通过使用绿色原料与能源,降低能耗物耗,强化能量输入,促进熔池内的化学反应与开发相关工艺模型已有效提高电弧炉的低碳化、高效化、智能化水平;但仍然存在着诸多问题,如固态炉料熔化缓慢,终点钢水过氧化严重,钢中有害元素与残余元素难以有效脱除,能量利用效率普遍偏低,在线检测与控制手段缺乏,冶金反应机理尚不明晰等。在未来,随着电弧炉生产原料的多样化与设备的大型化,提高电弧炉能量效率,增强熔池搅拌效果,改良炉渣反应性与发泡性等单元技术的重要性应得到进一步重视,对电弧炉生产流程与配套装备的优化需要进一步推进,开发一系列检测技术和适用于绿色原料的生产模型,成为实现电弧炉低碳高效智能冶炼的重要目标。推动相关技术进步,实现大型电弧炉绿色高效低耗智能生产高品质钢是整个钢铁行业面向未来转型发展的必由之路。

电弧炉炼钢具有流程短、能耗和碳排放低的特点,是世界钢铁工业实现可持续发展的重要驱动力。中冶赛迪在电炉工艺理论、核心装备、智能控制等方面进行了一系列研究,通过技术研发和中试试验,开发了多项聚焦高效、低碳、低能耗、环境友好的绿色高效电炉炼钢技术,其中,高效废钢输送技术废钢平均输送速度可达7 m/min以上;阶梯翻滚废钢预热技术可提高废钢预热温度70~100 ℃;IGBT（insulated gate bipolar transistor,绝缘栅双极晶体管）柔性直流供电电炉功率因数可达到0.97以上;短网设计优化系统使三相阻抗不平衡度控制在3%以内;智能电极调节技术穿井期和熔清期电流波动率分别小于33%和14%;二噁英治理技术电弧炉烟气二噁英排放浓度能控制到0.1 ng/m³以内;高效余热回收系统吨钢蒸汽回收量达到160 kg以上。自主设计了出钢口自动填砂、炉门自动清理和自动测温取样机器人等智能辅助装备,提升了企业本质安全水平。工程实践证明,采用中冶赛迪绿色电炉技术,电弧炉冶炼周期为30 min,顿钢水电耗为300 kW·h,可助力钢铁工业的绿色化发展。同时,对未来电弧炉炼钢技术的发展进行了展望,将低品位DRI消纳作为未来电炉炼钢发展的最主要工艺路线,将高品质钢生产作为电炉炼钢发展最重要的研究方向,将数智化冶炼作为电炉炼钢生产最有效的手段,为钢铁工业的低碳转型贡献出应有的力量。

电炉短流程炼钢以其绿色低碳、生态环保、节能低耗等优点,成为当前中国钢铁工业实现“碳达峰”、“碳中和”发展战略的重要途径。自2017年以来,中国废钢资源进入良性循环阶段,同时高炉-转炉长流程炼钢工艺的环保排放压力与日俱增,因此,优化以废钢为主原料的电炉短流程炼钢技术十分必要。在此背景下,安钢对已停产多年的100 t手指阀竖井式电炉进行复产改造。介绍了安钢100 t电炉改造复产技术特点及其生产实践,同时结合工程实践阐述了目前国内电炉炼钢技术发展的新成就和新趋势。经改造,安钢100 t电炉由传统的竖式手指托架电弧炉改为了常规交流偏心底出钢电弧炉,采用了单臂炉盖及电极升降旋转技术、机器人测温取样技术、出钢侧连续兑铁技术、多功能氢氧炉壁枪+底吹的复合吹炼技术、自动灌砂技术、高效烟气余热回收技术、具有成本优化的二级系统、先进的一级电控技术、炉下抱罐车出渣、四孔+狗窝+全密闭的绿色环保除尘技术,在50%废钢+50%铁水原料条件下取得了良好的技术指标,平均冶炼周期为32 min,电耗为178.46 kW·h/t,电极消耗为0.866 kg/t,氧耗为34.82 m³/t,焦炉煤气消耗为8.16 m³/t,回收蒸汽为150 kg/t,与现有水平加料电炉及生态电炉相比,改造后电炉通过优化流程组织能力,可在冶炼周期及吨钢电耗等关键生产指标方面达到新炉型电炉的生产水平。

废钢的高质化利用是中国钢铁行业实现绿色低碳发展以及“碳达峰”“碳中和”的重要途径。分析了国内外废钢利用现状及中国钢铁行业废钢利用存在的问题;采用动态物质流分析方法预测了中国碳中和目标下废钢资源量及社会钢铁蓄积量变化情况,结果表明,2030年中国预期实现碳达峰时,社会钢铁蓄积量有望达到150亿t以上,随后由于钢需求量的逐渐下降和各下游行业发展趋于稳定,蓄积量的增长速度也会缓慢下降。2040年以后,中国的社会钢铁蓄积量将维持在200亿t左右,届时人均钢铁蓄积量将与欧美等发达国家持平。随着钢铁社会蓄积量的持续增加,未来废钢资源量不足的问题将得到缓解,2040年以前中国的废钢资源量将迎来一段稳定发展时期,2050年以后,由于社会发展趋于稳定和钢铁需求量的逐渐下降,废钢资源量也将呈现出下降的趋势;从废钢在高炉-转炉流程和电炉流程的利用角度分析了中国钢铁生产流程变化以及废钢利用对钢铁行业节能降碳的影响,结果表明,无论是在长流程还是短流程中,提高废钢使用比例均能显著降低吨钢综合能耗和二氧化碳排放;指出推进废钢资源的高质化利用要从完善和健全废钢回收利用体系、提高废钢分类和预处理能力、拓宽使用场景提高废钢利用、推动税收优惠措施等方面入手,从而提高废钢资源循环利用效率,助力碳中和目标实现。

双碳目标下,流程变革、原燃料结构优化和能源效率提升是钢铁减碳的3大主要方向,在低碳突破性冶金技术尚未规模部署、缺乏充足且廉价清洁能源的当下,能源效率提升是钢铁行业当前最经济、有效的减碳措施。中国钢铁工业经过多年的技术引进、消化、吸收和再创新,能源效率水平达到世界前列,能源效率水平进一步提升难度较大。从生产流程、原料和燃料、能源效率3个角度对比了国内外钢铁行业/企业现状与差异,结合国内产业结构、工艺特征和工程实践提出钢铁余热余能资源高效回收利用,减少能源消耗、产品损耗,减少工序、工艺界面能量损失,重点用能设备及系统节能提效技术,原料、能源低碳化及二次资源循环利用,数字驱动系统能源效率提升,新材料应用7个能源效率改善方向及对应的24项技术。在此基础上从余热余能、界面热衔接、钢铁生产实践3个方面分析了钢铁企业能源效率改善空间,结果表明（以标准煤计）,生产1 t热轧材,主要工序余热余能资源量约为185.0 kg,最佳利用量约为129.4 kg;炼铁-炼钢界面1 t铁水、炼钢-连铸区段1 t钢水、连铸-热轧界面1 t钢坯可利用资源量分别约为10.5、2.6、9.3 kg;以国内某百万吨长流程钢铁企业为研究对象,选择性应用能源效率改善技术可实现吨热轧材节能40.4 kg。

探讨了钢铁工业碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的发展特征、全流程降碳体系构建以及技术进展。阐述了钢铁工业碳排放特征、碳减排技术发展现状,以及CCUS技术的发展特征,钢铁工业作为重工业的重要组成部分,钢铁生产过程中煤炭等化石燃料的燃烧导致了大量的碳排放,中国虽然近年来对CCUS的重视程度不断提升,但整体仍处于发展初期,尚需进一步完善技术和政策支持。构建“6C”体系,打造CCUS全流程一体化解决方案,详述了包括碳捕获、利用、封存、核证、监测以及资产等6个环节的技术、策略和应用案例,以及如何通过优化实现降低碳排放的目标,同时也为其他工业领域提供了宝贵的碳排放控制经验和参考。分析了钢铁工业CCUS技术在典型钢铁场景应用的进展,提出了3条碳减排路径,传统高炉CCUS路线通过对部分高炉煤气的源头碳捕集与分离进行CO循环与CO₂利用;基于目前碳捕集能耗与成本偏高问题提出末端烟气直接固碳路线降低捕集端CO₂纯度;氢冶金耦合CCUS路线通过可再生能源制氢与CCUS结合得到绿色甲醇。3条碳减排路径的实施将推动传统长流程减碳、碳源输入减少、碳资源利用与生产过程结合并实现产品高附加值利用,未来示范项目的规模化开展将实现钢铁工业CO₂内循环与跨行业利用,并提出了推动钢铁工业CCUS技术发展的建议和展望。

系统性分析了钢铁厂烟气中CO₂捕集利用特点。在首钢京唐开发了炼钢厂废气中二氧化碳的资源化利用技术,将石灰窑尾气中捕集的CO₂应用于转炉顶底复吹工艺中发挥冶金作用。通过PSA变压吸附法和液化提纯法,将石灰窑尾气中CO₂体积分数由23.5%提高至99.8%。通过转炉顶底复吹CO₂系列试验,研究了CO₂对转炉终点碳氧积、炉渣TFe含量、氮含量、热量及炉底侵蚀的影响。转炉顶吹CO₂和O₂混合气体时,CO₂体积分数为8.1%时,碳氧积、炉渣TFe和脱磷率达到最好结果。转炉底吹CO₂时,转炉终点氮含量随着CO₂喷吹时间的延长而降低。转炉底吹CO₂需与氩气进行切换,冶炼末期底吹CO₂导致CO分压升高,底吹CO₂时间控制在12 min以内可以避免碳氧积和炉渣TFe含量升高。吨钢喷吹1 m³ CO₂引起熔池平均温降6.4~8.3 ℃,热量由钢液转移至转炉煤气CO中。为了利用底吹CO₂的冷却效应保护底吹枪,提高CO₂和钢液碳的反应率,CO₂应在高速脱碳期吹入;同时,为了避免CO₂的弱氧化性侵蚀耐火材料,吹炼末期低碳范围避免喷吹CO₂,末期CO₂和钢液反应产生的金属氧化物导致耐火材料侵蚀更快。