钢铁行业分析：比较长短流程的工艺技术、炼钢成本、炼钢工序能耗

本文来自世界金属导报，作者：李晶 潘宏涛 王新江。由扑克财经App授权发布，并在扑克财经App上发布。如需转载，请联系原作者。更多精彩内容，请下载扑克财经App（iOS及安卓版本均可下载）。

钢铁行业的生产有三个流程，即高炉转炉流程、电炉流程、特种熔炼。高炉、转炉流程称为长流程，生产的钢称为转炉钢，它是以铁矿石和焦炭为主要原料冶炼成铁水，再由转炉冶炼成钢；电炉流程称为短流程，生产的钢称为电炉钢，它以废钢为主要原料冶炼成钢。

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转炉流程和电炉流程是钢铁冶金行业两个主要流程，其在炼钢方面的主要差别在于：

1) 所用主要钢铁料不同。转炉炼钢主要以铁水为主要原料，还有一般15%左右的废钢，近一年多时间，由于废钢价格低，吨钢利润较高为转炉炼钢用高比例的废钢消耗提供了条件，废钢消耗比例大幅提高，有的甚至高达40%，但存在转炉内热量不足的问题，解决转炉内热量问题是提高废钢比的关键；电炉炼钢主要以废钢为主要原料，还有铁水(生铁)、直接还原铁，脱碳粒铁、碳化铁及复合金属料等废钢替代品。

2) 主要能源不同。转炉炼钢主要是铁水的物理热和化学热；电弧炉炼主要是电弧的物理热，废钢预热的物理热、加铁水带来的部分物理热和化学热。

3) 主要操作目标不同。转炉炼钢是在给定的时间内完成脱碳、脱磷及温度控制的冶金操作，实现成份（碳、磷）及温度的命中；电炉炼钢是在全废钢的条件下，在给定的时间内完成废钢的升温、熔化和过热等，加铁水等废钢替代品的情况下，也有部分脱碳的要求。另外电弧炉炼钢可分别控制成分和温度。

4) 工艺技术进步的方向不同。转炉炼钢主要是通过包括提高供氧强度的高效吹炼技术、碳及温度中率的全自动化吹炼技术、不倒炉出钢的快速出钢技术、采用炉外处理和铁水预处理减轻转炉冶金负荷等措施，实现转炉生产高效化；通过接近平衡的冶炼工艺、高效脱磷工艺、出钢挡渣技术，实现产品的洁净化，通过少渣冶炼与炉渣返回、使用合金元素熔融还原(Cr、Mn)矿、干法除尘用水减量化,煤气余热回收等技术，实现低成本及负能炼钢。电炉炼钢主要是通过强化供能（包括强化供电和辅助能源），采用“环境友好型” 废钢预热系统预热废钢和加铁水工艺，增加物理热和化学热；采用不开炉盖及出钢时仍能通电的连续冶炼技术，有效地减少非通电时间；50%左右或更高的大留钢量平熔池冶炼技术，减少冶炼过程电弧辐射对耐火材料的损害；降低电极消耗。以上技术的应用，缩短冶炼周期，实现高效化生产，降低吨钢能耗。

5) 冶金质量方面的差异。钢中的残余元素(Cu、Ni、Mo、As、Sb、Bi、Sn)不同，电弧炉炼钢由于废钢多次循环使用，造成钢中残余元素含量高；钢中氮含量不同，电弧炉炼钢由于电弧区空气电离增氮及原料中氮含量高，造成钢中氮含量高。虽然电弧炉采用大留钢量平熔池操作及密封冶炼，有利于降低氮含量，但还是无法与转炉炼钢利用CO汽泡携带脱氮能力相比。

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   1.炼钢工序成本分析

对于冶炼棒线材，转炉+LF、电炉+LF和电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢成本构成包括两部分，即差别费用项和相同费用项。差别费用项比较如表1所示，相同费用项如表2所示。

表 1 不同炼钢工艺成本中不同费用项比较

由表1可知，不同炼钢工艺成本中的差别费用，主要表现在钢铁料、电炉电能、电极、耐火材料、石灰等辅料、燃汽、冷却水等消耗及能源回收方面，特别是钢铁料、电炉电能、电极三方面的消耗。转炉+LF、电炉+LF和电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢差别成本分别为2216.96元/t、3049.84元/t、2819.30元/t。

表2不同炼钢工艺成本中相同费用项比较

由表2可知，不同炼钢工艺成本中的相同费用为346.77元/t，包括合金消耗、LF精炼成本（电耗、辅料、钢包耐材、冷却水、燃汽）、连铸成本、人员工资及福利、制造费用（折旧、维修费、运费及其它）及备品备件。

通过以上分析，在废钢价格为2400元/t、铁水价格为1948元/t的条件下，转炉+LF、电炉+LF和电炉（兑30%铁水）+LF三种工艺炼钢成本（差别费用+相同费用）分别为2563.73元/t、3396.61元/t、3166.07元/t。

与转炉炼钢总成本相比，全废钢、兑30%铁水两种情况下，电炉炼钢总成本分别增加了832.88元/t、602.34元/t，电炉炼钢各部分成本增加值占总成本增加值的比例如图1所示。

(a) 电炉全废钢冶炼；(b) 电炉兑30%铁水冶炼

图1 电炉炼钢各部分成本增加值占总成本增加值的比例

由图1可知，与转炉炼钢总成本相比，全废钢、兑30%铁水两种情况下，钢铁料成本分别占总成本增加量的54.58%、50.72%；电炉冶炼电耗分别占总成本增加量的25.93%、27.44%；电极消耗分别占总成本增加量的17.17%、16.44%，剩余为其他费用。成本增加主要为钢铁料成本和冶炼电耗成本，其次为电极消耗成本。钢铁料成本起主导作用的是废钢价格。电耗和电极消耗基本不变的情况下，电价及电极价格是影响成本增加的主要因素。因此，降低电炉炼钢成本，应主要从废钢成本（收得率和单价匹配）、电和电极价格三个方面进行控制。

   2. 废钢价格对不同工艺炼钢成本的影响

在其它指标和价格不变的条件下，研究废钢价格对三种不同冶炼工艺炼钢成本的影响。从表1和表2中所示的不同冶炼工艺的炼钢总成本中减去废钢所占成本，将废钢价格设定为变量x，计算出炼钢成本随废钢价格变化的关系，如图2所示。 

图2 废钢价格变动对炼钢成本的影响

由图2-2可知，

1） 当废钢价格低于1373.73元/t时，电炉（全废钢）+LF炼钢工艺炼钢成本低于转炉+LF工艺炼钢成本，电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢成本更低；

2） 当废钢价格为1373.73~1494.95元/t时，电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢成本低，电炉（全废钢）+LF工艺炼钢成本略高于转炉+LF工艺炼钢成本；

3） 当废钢价格大于1494.95元/t时，转炉+LF工艺炼钢成本低；

4） 当废钢价格大于1707.07元/t时，电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢成本低；废钢价格低于1707.07元/t时，电炉（全废钢）+LF工艺炼钢成本，也就是说加铁水不利于炼钢成本的降低。

因此，采用何种炼钢工艺成本最低，主要依赖于废钢价格。

   3.电费价格对不同工序炼钢成本的影响

依据2-1和表2-2中的数据，当废钢价格比铁水价格低100元/t、200元/t、300元/t、400元/t、500元/t、600元/t时，全废钢与兑30%铁水冶炼的成本与转炉炼钢工艺成本相同，电炉所用电价如表3所示。

表3 与转炉成本相同时电炉电费价格表（废钢价格降低）

由表 3可知，当废钢价格高于1648.00元/t时，电炉炼钢的成本必然超过转炉炼钢成本。当废钢价格为1548.00元/t时，用电价格为0.44元/kwh，全废钢电炉炼钢成本与转炉炼钢成本相等；用电价格为0.23元/kwh，兑30%铁水电炉炼钢成本与转炉炼钢成本相等。废钢价格进一步降低，相应电价可以稍高些，就可以保证转炉钢与电炉钢的成本相当。

在废钢价格等于铁水价格的前提下，即废钢价格为1948元/t时，电炉炼钢成本高于转炉炼钢成本。从表1和表2中不同冶炼工序炼钢总成本中减去各工艺中用电消耗所占成本，然后将电价设定为变量x，以废钢价格比铁水价格低500元/t，即废钢价格为1448元/t时，计算出炼钢成本与电价的关系，如图3所示。

图3 电费价格对炼钢成本的影响

由图3可知，当电费价格高于0.68元/kwh时，转炉+LF工艺炼钢成本最低，电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢成本最高；当电费价格降低到0.68元/kwh，且高于0.43元/kwh时，电炉（全废钢）+LF工艺炼钢成本最低，其次为转炉+LF，而电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢成本仍为最高；当电费价格低于0.43元/kwh时，转炉+LF工艺炼钢成本最高，其次为电炉（兑30%铁水）+LF工艺炼钢成本最低，而电炉（全废钢）+LF工艺炼钢成本最低。

   4.电极价格对炼钢成本的影响

与转炉炼钢总成本相比，电炉炼钢（全废钢、电炉兑30%铁水）总成本分别增加了832.88元/t、602.34元/t。以表1及表2 中的数据为依据，分析电炉炼钢总成本增加值（与转炉炼钢相比）与电极价格的关系，如图4所示。由图4可知，对于电炉全废钢和兑30%铁水冶炼，电极价格每增加1万元，成本分别增加13.00元/t、9元/t。

图4 电极价格与电炉炼钢总成本增加值的关系

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明确高炉长流程转炉炼钢工序能耗与短流程电炉炼钢工序能耗之间的区别。

   1.短流程电炉炼钢工序能耗

不同条件下，短流程电炉炼钢工序能耗如图5所示。

图5 不同炼钢工艺能耗分布图

图5表明，随着热装铁水比例增加，电炉炼钢工序能耗明显降低。同等情况下，无预热、无蒸汽回收电炉工序能耗高，废钢预热式Consteel炉次之，有蒸气回收的最低。采用85%废钢+15%生铁且无预热、无蒸汽回收，电炉冶炼工序能耗最大为90 kgce/t；采用50%铁水热装且无预热、有蒸汽回收的电炉冶炼工序能耗最小为41 kgce/t。

   2.高炉冶炼工艺长流程炼钢工序能耗

铁前各工序能耗情况如表4所示。

表4 2017年中钢协会员单位能耗情况对比 kgce/t

备注：数据来自文献 （王维兴, 2017年中钢协高炉炼铁系统能耗现状及节能潜力分析, 冶金管理, 2018. 04: 49-55.）

转炉工序能耗限值如表5所示

表5 转炉工序能耗情况   

备注：数据来自标准《GB21256-2013 粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限额》

长流程工序仅按高炉工序能耗390.06kgce/t。

对于100t转炉，取转炉工序能耗最大值：-23.9 kgce/t

长流程工序能耗：

396.06-23.9=372.16（kgce/t）

取电炉工序能耗最大值    90 kgce/t

则长流程工序能耗与短流程工序能耗差值为：

372.16-90=282.16（kgce/t）

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2017年国家大力淘汰中频炉“地条钢”产能1.2亿吨、落后钢铁产能5000万吨，在推动钢材价格上涨的同时，废钢量达1.4亿吨，加上钢铁行业节能减排工作的日益重视，不少电炉生产企业积极复产或部分企业新上电弧炉，电弧炉钢迎来发展良机。国外电弧炉生产厂家纷纷推出高效节能、环保型电弧炉。由意大利特诺恩公司开发的Consteel电弧炉继续加大在中国市场的占有率；由2001年由日本Steel Plantech株式会开发的ECOARC电弧炉、2004年由意大利达涅利集团开发的EAF ECS、2004年由德国西马克有限公司开发的ShArc电弧炉开始在中国推广，由德国普锐特冶金技术有限公司2011年开发的Quantum EAF在中国开始建设，2018年由中国中冶赛迪集团有限公司开发CISDI-GreenEAF已成功投产。各电弧炉的主要技术经济指标如表6所示。

表6 国内外主流电弧炉的技术经济指标

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