如今，為減少溫室氣體排放，鋼鐵行業(yè)正努力加快轉(zhuǎn)型進(jìn)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(chǎn)生二氧化碳的化石燃料尤其受到公眾關(guān)注。對(duì)于工業(yè)化地區(qū)來說，鋼鐵生產(chǎn)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(duì)行業(yè)本身是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是溫室氣體減排的巨大機(jī)遇，減少二氧化碳排放更是主要的焦點(diǎn)。

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(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)取代轉(zhuǎn)爐煉鋼，從而降低二氧化碳排放，這是一個(gè)簡(jiǎn)單但錯(cuò)誤的假設(shè)。事實(shí)上，LD煉鋼工藝已經(jīng)利用了一定數(shù)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(chǎn)需求。因?yàn)槿?9億噸的粗鋼產(chǎn)量，其中14億噸是轉(zhuǎn)爐鋼，并且根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，這一情況仍將持續(xù)。利用鐵礦石煉鋼仍然至關(guān)重要，如今LD工藝是高質(zhì)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(yīng)對(duì)碳中和的挑戰(zhàn)。

2015年的《巴黎協(xié)定》等國際條約轉(zhuǎn)化為國家層面的二氧化碳定價(jià)方案，因此，減少二氧化碳排放成為鋼鐵生產(chǎn)中的積極經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵因素。此外，全球鋼鐵生產(chǎn)商已承諾實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排目標(biāo)，并將由其利益相關(guān)者承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。所有冶金生產(chǎn)路線都處于試驗(yàn)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(gè)關(guān)注重點(diǎn)，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(jìn)一步提高廢鋼在LD工藝中的使用效益。冶金過程的數(shù)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(shù)，還是其本身就足以應(yīng)對(duì)碳中和的挑戰(zhàn)，這個(gè)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(duì)傳統(tǒng)高爐生產(chǎn)、LD煉鋼工藝和熱軋的碳排放進(jìn)行了深入分析。這些數(shù)值符合生命周期評(píng)估（LCA）中的ISO 14040/44標(biāo)準(zhǔn)。雖然真實(shí)工作中包括了從生產(chǎn)原材料到軋制卷材的整個(gè)生產(chǎn)鏈，但圖中的重點(diǎn)在于煉鋼自身產(chǎn)生的碳排放，并由鋼鐵生產(chǎn)商直接控制。直接排放使得每噸熱軋鋼卷產(chǎn)生1.9t二氧化碳當(dāng)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(píng)價(jià)方法是迄今為止最為常見的，同時(shí)也是最可靠和公認(rèn)的排放核算方法。但是，大多數(shù)二氧化碳排放通過發(fā)電廠離開鋼廠的事實(shí)并不能給出如何避免排放的答案。發(fā)電廠內(nèi)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(gè)原因，圖1提供了關(guān)于碳使用來源的粗略概念。鐵水生產(chǎn)、氧氣煉鋼和熱軋，這些工藝步驟是碳排放的來源。大多數(shù)二氧化碳排放量，即1kg熱軋鋼卷（HRC）產(chǎn)生的1.6kg二氧化碳當(dāng)量，來自于鐵水生產(chǎn)；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(jié)論，鋼鐵行業(yè)脫碳的第一個(gè)重點(diǎn)需集中在鐵水冶煉方面，因?yàn)橥ㄟ^高爐生產(chǎn)鐵水不僅需要化石碳進(jìn)行加熱，還需要還原和熔化。事實(shí)上，高爐工藝需要相關(guān)過量的化石碳，從而使高爐內(nèi)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?yàn)楦邿崃繗怏w可以轉(zhuǎn)化為鋼廠所需的電能。

如今，新的假設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)碳中和鋼鐵生產(chǎn)的首要任務(wù)顯然是取消化石還原和熔化步驟。對(duì)于當(dāng)今的高爐技術(shù)來說，這樣的任務(wù)幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，因此得出的一致結(jié)論是用直接還原技術(shù)取代高爐。這意味著，并不用必須放棄LD工藝。事實(shí)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(qiáng)度性能的主要成分，并且仍將促進(jìn)某些煉鋼反應(yīng)，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(biāo)，但不應(yīng)將其誤解為“無碳”。氣候中性氫與氣候中性碳的可用性將對(duì)冶金工藝的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

文獻(xiàn)中描述了將LD轉(zhuǎn)爐與直接還原廠相結(jié)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(yù)熔化有時(shí)被稱為“電鐵水”，因?yàn)樗诨瘜W(xué)成分上與傳統(tǒng)的鐵水相似。很明顯，這種預(yù)熔化物可以通過現(xiàn)有的魚雷罐車運(yùn)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(xiàn)今，電鐵水和傳統(tǒng)鐵水最終在LD轉(zhuǎn)爐中加工，電鐵水將為未來的LD轉(zhuǎn)爐供電。

與已實(shí)現(xiàn)的直接還原廠與經(jīng)典電弧爐煉鋼的組合一樣，直接還原廠與LD轉(zhuǎn)爐的組合能夠在綠色能源的基礎(chǔ)上達(dá)到氣候中性。在特殊配置中使用LD轉(zhuǎn)爐，有如下的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：

1）很明顯，LD煉鋼允許現(xiàn)有熔煉車間繼續(xù)運(yùn)行，隨后進(jìn)行連鑄和軋制。因此，現(xiàn)有場(chǎng)地轉(zhuǎn)換的投資成本得以減少。對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)地的投資都可以集中投入在電鐵水的生產(chǎn)上。

2）眾所周知，板坯連鑄生產(chǎn)的產(chǎn)品表面質(zhì)量最佳，目前尚不清楚未來長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，與電弧爐生產(chǎn)結(jié)合的小型軋機(jī)能否彌補(bǔ)這一差距。因此，保留現(xiàn)有鋼廠優(yōu)于對(duì)小型鋼廠進(jìn)行新投資。

3）涉及到化學(xué)成分時(shí)，LD轉(zhuǎn)爐可以在新配置中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)：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(zhuǎn)爐將繼續(xù)為最終鋼鐵產(chǎn)品賦予最復(fù)雜的化學(xué)成分。在二次精煉中，“修復(fù)”化學(xué)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(yīng)下遵循礦熱爐原理運(yùn)行設(shè)備，其原材料擁有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是電弧爐煉鋼所沒有的。當(dāng)然，最重要的是，無需在直接還原廠內(nèi)使用DR級(jí)球團(tuán)作為原料，因?yàn)槿廴趶U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(chǎn)生的后續(xù)礦渣可以移交給水泥行業(yè)，正如現(xiàn)在的高爐礦渣一樣。

5）最后，LD工藝將結(jié)合新的上游工藝形成一個(gè)全新的生產(chǎn)鏈。與傳統(tǒng)的高爐組合相比，這條新路線能夠更好地應(yīng)對(duì)能源供應(yīng)波動(dòng)。雖然從現(xiàn)在來看，這一方面無關(guān)緊要，但在“無化石”的未來，這一優(yōu)勢(shì)可能會(huì)產(chǎn)生決定性作用。

未來幾十年，鋼鐵產(chǎn)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(shí)現(xiàn)世界范圍內(nèi)的氣候變化目標(biāo)。眾所周知，鋼材的性能與其碳含量直接相關(guān)，只有非常特殊的少數(shù)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?yàn)槠錈崃康漠a(chǎn)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(huì)很高，技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益也低。

新的想法是，用電熔爐生產(chǎn)（electrical smelter）的熔化氫來還原鐵，制備“電鐵水”。這將為現(xiàn)有的LD工藝提供液態(tài)鐵水，并利用現(xiàn)有連鑄和軋制設(shè)備等鋼廠基礎(chǔ)設(shè)施。與其他策略相比，該策略所包含的新產(chǎn)品認(rèn)證工作相當(dāng)之少，是工業(yè)供應(yīng)鏈中的常見工藝，從而避免了上游技術(shù)變化對(duì)下游產(chǎn)業(yè)造成的負(fù)面影響。