利用电熔分炉技术资源化处理炼钢炉渣

炼钢炉渣是一种富含铁和石灰的副产物，但目前利用率偏低。其处理成本高昂、资源浪费且污染环境。随着钢铁行业为减少温室气体排放而逐步减少使用高炉（BF）冶炼工艺，这将导致用于水泥生产的粒化高炉矿渣将变得难以获取。电熔分炉（ESF）是一项成熟的技术，可用于对电弧炉渣和转炉渣进行资源化利用，将其转化为符合水泥品质要求的材料，同时回收渣中的铁元素。本文采用第一性原理模型和工业基准测试，探讨了利用ESF技术对炼钢炉渣进行资源化利用的途径。

炼钢炉渣是钢铁生产过程中产生的一个重要副产物。长期以来，这些炉渣大多被视为废弃物，丢弃在垃圾填埋场或用于低价值的用途。然而，随着环境问题的日益严峻、资源的限制以及经济因素的推动，人们越来越意识到需要转向更可持续的炉渣管理方式。随着钢铁行业为减少碳排放而逐渐减少使用高炉（BF）冶炼工艺，高炉渣的可用量减少，这就形成一个缺口，而经过有效处理的炼钢炉渣能够填补这一缺口。有效的炉渣处置不仅能减轻废弃物处理带来的环境负担，还能为这种材料提供增值机会，使其转化为有价值产品。

在美国，电弧炉（EAF）钢产量约占钢铁总产量的70%，主要依赖废钢。随着每年新建设施的不断增加，废钢的供应预计难以满足需求。因此，这些生产商将不得不转向使用更高比例的其他材料，尤其是直接还原铁（DRI）。改用DRI将增加炉渣量，进一步加剧了对可持续炉渣处理方案的需求，同时也会因高炉渣供应减少而产生缺口。

为应对这些挑战，实现炉渣的完全利用，创新技术至关重要。其中，电熔分炉（ESF）脱颖而出，它是一种成熟的技术。ESF能够精确控制炉渣的化学成分，生产出低磷和低硅的高品质铁水，同时通过高效的助熔剂策略改善炉渣水硬性不佳等问题。该技术可回收含铁废料，并产生高热值的废气，从而替代化石燃料，提升钢铁行业的可持续性和盈利能力。通过提供全面的炉渣处理方案，ESF有望将炉渣从工业废弃物转变为有价值的资源，填补钢铁行业中的关键空白。

本文探讨了ESF工艺作为解决钢铁行业炉渣处理难题的一种新兴解决方案的潜力。重点分析了美国市场中占主导地位的EAF炉渣，并与当前及其他新兴的钢铁冶炼炉渣利用技术进行了比较。本文将全面阐述钢铁冶炼炉渣处理的实践，随后深入探讨用于炉渣净化应用的ESF（炉渣处理系统）设计。本文将对ESF作为钢铁冶炼炉渣利用挑战的可持续且盈利解决方案，进行工艺与经济性评估。

全球钢铁冶炼的炉渣年产量估计在190-290百万吨，这些炉渣来自碱性氧气转炉（BOF）和电弧炉（EAF）。表1提供了典型的高炉、转炉和电弧炉炉渣的成分范围。

欧洲和美国钢铁行业当前的炼钢炉渣管理方案结合了多种策略，旨在减少浪费、回收有价值资源并解决环境问题。这些策略包括炉渣的回收和再利用、用于建筑/土木材料以及/或者填埋处理。表2总结了当前每种炉渣管理方案的优缺点。

近年来，钢铁冶炼炉渣的处理和利用取得了重大进展，由此催生了多项旨在改善环境影响、资源回收以及材料应用的新兴技术。其中，有四种方法因其在提升炉渣质量和拓展其应用范围方面的潜力而备受关注：

①处理EAF炉渣，用于生产惰性材料：该方法通过处理EAF炉渣，将其转化为惰性材料，以解决金属浸出相关问题。专业的处理厂采用有针对性的处理技术稳定炉渣，使其适用于多种工业用途，特别是在建筑领域具有广泛应用价值。通过使炉渣惰性化，可减少填埋需求，并减轻炉渣处置带来的环境风险。

②用铝还原铁氧化物（FeO）：这种方法利用铝作为还原剂来降低EAF炉渣中的铁氧化物含量。该工艺包括铝热反应和碳还原两个步骤，这会提高炉渣的活性，使其更适用于水泥和混凝土。这种方法还促进了铝工业副产物的回收利用，提高了整个工艺的可持续性。

③炉渣碳酸化改性提升凝胶性能：炼钢炉渣的碳酸化处理可增强其凝胶性能，使其成为天然骨料的可行替代品，或作为水泥掺料应用在建筑领域。该工艺向炉渣中引入二氧化碳，提高了其活性，同时还能封存二氧化碳，有助于碳捕集工作。这种方法不仅提高了炼钢炉渣的实用性，还减少碳排放，带来了良好的环境效益。

④通过熔炼实现碳热还原：将炼钢炉渣与碳材料和炉渣改性剂一同送入ESF。通过精准调控还原后的炉渣化学成分，可获得适合水泥生产的BF级炉渣品质；同时优化铁水的化学成分，使其符合钢铁生产过程中的行业标准。该熔炼工艺还能处理诸如氧化铁皮、返料和粉尘等含铁废料，减少厂内废弃物产出的同时提高高附加值铁水产量。

为了有效应对炼钢炉渣带来的挑战，转向能够实现完全利用的工艺至关重要。除了通过熔炼法进行碳热还原之外，当前和新兴的炉渣处置方案都涉及再利用，但并未充分发挥其潜力。表3概括了每种新兴的炉渣处理技术的优缺点。本文将进一步探讨熔炼法碳热还原在ESF中的作用，从而在钢铁行业未来炉渣处置方面发挥作用。

ESF是一种连续运行的熔炉，配备Soderberg电极、固定炉顶和永久耐火衬里。ESF尤其适用于从低品位、低金属化的进料（如镍铁应用中的材料）中回收铁金属。ESF的关键特性使其成为确保钢渣完全利用的理想选择：

①生产高品质铁水：生产含碳铁水，其磷、硫和硅的含量低，满足下游炼钢工艺要求。

②控制炉渣化学成分：确保熔剂充分熔化与混匀，实现对炉渣化学成分的精确控制。凭此解决了氧化镁含量、水硬性和环境浸出等关键问题，产出的炉渣可用于水泥等领域。

③利用含铁废料：能够处理钢铁厂大量含铁废料，包括氧化铁皮、废料和粉尘，有助于资源回收、减少废弃物排放以及提高利润。

④生产高热值废气：采用密封设计，可最大程度地减少空气侵入，生成富含一氧化碳的废气。这种废气可在内部替代化石燃料（如天然气），从而降低成本和排放，提高整体能源利用效率。

ESF炉渣净化的设计考量包含三个关键领域：炉子运行模式、水泥厂家的炉渣化学成分目标以及炼钢铁水的化学成分目标。

首先从炉子运行模式来看，覆料熔池操作通常更受青睐，因为与其他运行模式相比，它能最大程度地减少整体热损失。电极插入熔池后，系统形成了“暗面操作”，即熔池表面被物料完全覆盖，从而有效减少向炉顶空间及炉身上部侧壁的辐射热损失。ESF设计旨在处理冷固态物料的同时，保持适当的过热度以维持覆料熔池稳定运行。在这种工况下，ESF熔渣温度预计为1575℃，而铁水温度为1490℃。根据类似应用的基准功率密度值和熔炉尺寸限制，本ESF设计最大功率为120MW。

至于炉渣的化学成分指标，EAF炉渣的特点是碱度高、Al₂O₃含量相对较低，以及由于电弧炉工艺的发泡要求而具有较高的固体含量。如果没有适当的助熔剂添加，将这种炉渣投入ESF中，可能会导致一系列操作难题，包括：①运行区域固体含量升高；②炉渣黏度增加；③出现无法控制的发泡风险。

这些难题源于炉渣碱度和氧化亚铁（FeO）含量偏高，导致液相线温度过高。FeO通过碳热反应被还原，但高碱度需要加以控制以确保生产稳定运行。为解决此问题，会添加二氧化硅（SiO₂）助熔剂（例如砾石），以降低炉渣碱度，从而降低其液相线温度。这种调渣工艺还能有效控制炉渣黏度，而能耗增加相对有限。水泥用的一般炉渣要求见表4，“推荐值”为重点参考内容，因为“实际值”区间与标准区间可能并不重合。

根据表4的数据，选定了B2为1.5、Al₂O₃含量为10%的炉渣，并通过添加碎石和煅烧铝土矿来加以调控。炉渣中的MgO含量保持在15%以下，无需额外添加熔剂。

铁水化学成分主要由硅、碳、磷和硫等关键元素决定，这些元素对炼钢工序至关重要。其中，EAF炉渣中磷含量很高，是一个特别具有挑战性的问题。然而，通过控制 ESF中的还原氛围，这个问题可以得到有效缓解。做好炉体密封并精准控制碳添加量必不可少，因为铁水中的磷含量与熔渣中的FeO含量密切相关。针对典型的电弧炉熔渣成分（见表4），利用热力学模型FactSage 8.3，对二者关系进行了研究。

结果表明，铁水中的%P随成品炉渣中%FeO的降低而增加。因此，若想从EAF炉渣中最大限度地回收铁，可能会对铁水产生不利影响，无法满足炼钢要求。然而，保持炉渣中的FeO含量约为5%，可以将铁水中的%P降至最低，同时仍能将EAF炉渣中FeO常规含量值（30%-40%）大幅降低。在这一FeO水平下，熔炉处于还原氛围，导致%Si和%S的还原变化规律与%P基本相似。更高的还原潜力会增加这些元素向铁水中分配，因此需要精确控制熔炉工况，来维持最佳的铁水和炉渣化学成分。铁水中的碳含量预计会高于2%，随着含铁废料的添加还会逐渐升高，这是因为还原剂的用量增加了。

为了全面评估ESF产能，从而实现钢铁冶炼炉渣增值，必须综合考虑整个工序。

所建模的电弧炉工艺使用含2%C的DRI作为炉料，生成的炉渣先被储存，然后再送入ESF进行再利用。ESF还原炉渣，生成BF级炉渣，随后将其水淬粒化。此外，ESF还能从投入料EAF含铁炉渣中和外加含铁废料中回收高品质的铁水，回收的铁水能够重新送回电弧炉循环利用。

设计的ESF主要使用固态投入料EAF炉渣，一次提升操作的灵活性。虽然也可采用液态投入料，但实施效果受厂区物流、EAF和ESF的布局距离影响，波动较大。鉴于液态投入料存在效率偏低、工况不稳定等问题，因此在本文中未讨论。

本分析评估了三种主要工况。基准工况1仅关注炉渣的资源化利用。工况2纳入了工厂内所有关键的自产返料（如下列五种类型）。工况3则涵盖了自产和外购返料，使ESF能够以最大电力容量（约120 MW）运行。假设外购返料为氧化铁皮。分析中考虑的返料类型如下：

①氧化铁球团（IOP）粉料：产率为50kg/t-球团，并通过DRP模型估算。

②直接还原铁（DRI）粉料：产率为20kg/t-DRI，通过指定的DRP产能估算。

③DRP污泥：产率为35kg/t-DRI，通过指定的DRP产能估算。

④电弧炉粉尘：平均产率为20kg/t-钢液，通过电弧炉模型估算。

⑤氧化铁皮：约占钢液总产量的2%，通过电弧炉模型估算。上述工况中的DRP、EAF和ESF建模的关键工艺参数列于表5中。

表5中所列出的工况是根据工序和经济标准进行评估的，经济评估仅限于静态现金流分析，该分析仅考虑运营成本和收入。本分析所用的成本因素见表6。由于收益项和氧化铁皮成本存在不确定性，所以进行了敏感性分析。

要评估每种工况的运行效果，进而评价ESF作为炉渣资源化方法的有效性，需要分析该工艺的主要驱动因素：生产出BF级炉渣，并获得高品质的铁水。为此，表7中给出了年度整体物料平衡表，汇总了表5中所列各设计工况的主要投入料、产出物和工艺指标。

如表7所示，无论是“干净”炉渣还是铁水，ESF产生的数量足以支撑一个强有力的商业案例。特别是随着自产和/或外购返料的加入，铁水生产效益进一步凸显。除此之外，ESF还产生大量富含CO的废气，其热值超过7MJ/Nm³。这种废气是一种有价值的副产品，可以作为能源来源在工厂的其他工序重新利用。

炉渣和铁水的检测结果见表8。结果表明，产出的炉渣符合水泥企业所需的关键成分标准，包括%FeO、B2和%Al₂O₃，同时确保%MgO在可接受的范围内（<15%）。尤其是在工况2和工况3中，添加了大量的返料，生产的铁水也满足炼钢作业的成分要求。工况2和工况3的铁水增碳效果更优，归因于添加的返料中氧化铁含量高，引发还原需碳量上升，导致了还原剂（无烟煤）用量增加，进而使得更多的碳溶解到铁水中。

用于炉渣资源化处理的ESF能够产出大量合格炉渣和高品质铁水，两项产品指标均符合行业既定标准。然而，该工艺能否落地投产，最终取决于其经济性，即评估这些产出是否能够支撑商业化项目的运营。为此，本文开展了静态现金流分析，针对各设计工况测算运营成本和各项收益。

设计工况的运营成本-收益分析结果突显了ESF在现金流方面具有提供强有力商业案例的潜力。每处理一吨炉渣的收益为100-450美元，具体收益取决于返料添加量。返料的添加显著提升了盈利能力，因为增加的铁水产量（见表7）远超过由此新增的电力和辅料消耗成本。因此，铁水销售成为主要收入来源，而炉渣销售虽然具有优势，但影响相对较小。然而，返料添加量增加需要更多的电力和更大的炉体，从而导致更高的资本投入。尽管如此，由于规模经济效应，这种更高投资的累积影响可以通过更大的年度收益来证明是合理的。

ESF工艺具备显著的技术和经济优势。该工艺借助碳热还原和配加熔剂的方式调控EAF炉渣的化学成分，能够生产出高附加值铁水和资源化成品炉渣。这些产出不仅带来了丰厚的经济回报，还通过返料回收提高了资源利用效率，因为厂内各类返料若采用其他处置方式，往往回收效率偏低，甚至直接丢弃在垃圾填埋场。

尽管该工艺前景良好，但厂内返料供应稳定性、关键成本参数取值仍存在不确定性。为解决这些不确定性的影响，针对以下几项核心经济影响因素开展了敏感性分析：①炉渣销售价格；②铁水销售价格；③外购返料（氧化铁皮）价格；④已避免的处置成本（炉渣和返料）。

各项经济参数以基准值为基准（表6中取值，变动幅度为0%），波动区间±50%，来测算其对净现金流的影响。选取表5中的工况3作为分析对象。之所以选工况3开展敏感性评估，是因为该工况包含外购返料，能够全面体现成本测算中各类潜在波动因素。

分析结果表明，铁水价格是决定净现金流的主要因素。在铁水销售价格上下浮动50% 的范围内，每吨入炉炉渣对应的净现金流范围可从170-770美元不等，在默认的工况3的成本因素下，净现金流约460美元。此范围的下限对应的场景为铁水被浇注成生铁锭堆存后作为生铁对外销售。而中高位收益则预期出现在铁水以出炉温度（扣除热损失）被送入转炉或电弧炉进行炼钢时，既能保持铁元素价值，又能利用余热实现额外收益。

对工况3关键经济变量的净现金流敏感性分析表明，外购返料成本的波动所产生的影响较为显著（以氧化铁皮为例），相对于默认的工况3参数值，每吨投入料炉渣对应的收益变动值可达±50美元。照此推算，外购返料掺配体量对经济效益的影响幅度有限；然而，如果对厂内自产返料以内部结算价核算，该成本影响预计会随着返料掺配量的增加而成比例增加。由此产生的成本波动将在每吨约170美元范围内。

如果使用ESF炉实现炉渣资源化利用，厂内返料将发挥关键作用。它们可以补充铁元素以提高生铁产量，增加收入，同时其自产和/或外购结算价格能够显著影响运营成本。了解炉料中返料比例至关重要，因为它直接影响净现金流、炉子电力需求以及最终的炉子规模。所以，研究了返料的添加对电力和净现金流的影响。

研究结果表明，若向ESF内配加返料，潜在收益可增加高达350美元。虽然本研究强调了返料配加的上限范围做极限工况测算，但在实际操作中，可能并不需要达到如此高的掺配量。对返料的配加比例可以在该范围内变化（最高可达60%），每提升10%的返料配加，可带来约50美元的额外收益，以及约15MW的额外电力需求。ESF掺用的返料数量取决于钢厂预期的投资回收周期以及现场返料的存量，而ESF额定容量最终限定了返料掺加到入炉混合料中的比例上限（本项目中上限值约为60%）。

针对水泥行业因高炉渣原料缺口持续存在、EAF炉渣产量不断增加的行业现状，ESF工艺为炉渣的资源化利用提供了宝贵机会，该工艺可生产高质量的铁水和适合水泥生产的BF级炉渣，经济效益显著。同时，该工艺通过将工厂中常被忽视或废弃的副产品转化为高附加值产品，提高了资源利用效率。在最佳条件下，经济回报率较高，每吨处理炉渣的收益在100-450美元之间，其中铁水销售是主要收入来源。尽管现金流潜力可观，但ESF工艺仍面临资本成本挑战，尤其考虑到钢铁行业持续投资于DRP-EAF工厂。本文提出了一种潜在解决方案，即增加返料投入量，可以显著提高盈利能力并缩短投资回收期。因此，行业利益相关者不仅需要关注技术和经济性，还应积极探索创新的商业模式。与水泥行业及其他关键利益相关方合作，有助于推动更广泛的支持。构建一个集中式炉渣处理枢纽，充分利用规模经济效应，可进一步提升ESF工艺的经济可行性。