低碳煉鋼製程專利調查與分析

撰稿人 T41王則堯

一、前言

1.世界各國減碳議題持續升溫

        2021年氣候變遷績效指標(Climate Change Performance Index, CCPI 2021)已於2020年底按多年來的慣例由德國看守( Germanwatch)揭曉，這個指標的評鑑是以涵蓋溫室氣體排放90%的61個國家作比較，其評鑑的四大因數包括了: 溫室氣體排放40%、再生能源20%、能源使用20%及氣候政策20%，61國評鑑的排名，台灣的排名居倒數第5名。因此除了使用乾淨的發電來源，減少火力發電的使用外，碳排大戶如石化業與鋼鐵業，將面臨更嚴苛的減碳條件，以符合全世界的減碳趨勢及目標。

       40國視訊峰會是拜登企圖重掌全球氣候議題的起手式，許多國家包括中、俄、加、日、韓、歐、巴西…等也與會且承諾零排碳時程，美國也重返巴黎協議，更嚴肅的執行方案將在今年11月於英國格拉斯哥舉行的COP 26, (聯合國第26屆氣候變化大會，Conference of Paris, 26)中做出宣示^[1]。

       中國是全球排放CO₂最大的國家，年排量約110億噸，超過台灣36倍，占世界總排達29％，其中發電占44％、鋼鐵17％、建材15％…，但中國在去年9月聯合國大會視訊中宣布: 力爭2030年碳達峰，2060年前實現碳中和，現在各大鋼鐵集團已在雷厲風行，唐鋼首當其衝，寶武、河北鋼等絡續減產，造成供應不濟，也導致價格飆漲，但就長期來看應是良性循環，達到碳中和還可開發很多新領域和新利益，譬如: 推展電動車、智慧省電建築及城市、工業和農業的無碳革命、開發國外無碳工業市場，以擺脫對外石化能源的依賴。

       展望未來，鋼鐵業即將納入碳價格體系，具體包括對鋼鐵業碳排放進行收費、繳稅、碳排放交易，再推動鋼鐵需求的進一步縮減，此外，隨著歐盟排放交易體系(EU ETS, EU Emission Trading System)等國際碳價格體系的快速進展，多數產鋼國家正逐步建立以內需為主而外銷遞減的市場，量減改以價揚取而代之，達成新的供需平衡。當前減排的路徑多取決於需求的增減，因碳中和的步調係根據需求而急遽地加速或減緩，這樣在2040年之前的減碳貢獻僅能達到32%的上限，倘若企業為追求持續的綠色增長，就應當為碳中和的轉型工作給予最充分的準備。     

2.鋼廠減碳技術備受關注

       電力成本持續升高、大氣CO，排放條例以及陸地及水源保護法規趨嚴，這些都促使鋼廠在竭力降低能耗及儘量利用生產廢物及介質上做文章想辦法。用廢鋼預熱方法補償電爐煉鋼能源已有30多年的歷史，通常的做法是在廢鋼裝爐前在料桶裡用電爐高溫廢氣將廢鋼加熱。高溫氣體的熱源來自於電爐排出的廢氣，而供給電爐的一次能源則用於將入爐廢鋼加熱至廢鋼熔點，從而實現通過廢鋼預熱裝爐節省能源^[2]。

       然而在過去十年中，廢鋼品質越來越糟糕，且廢鋼受到不需要元素的污染也相應增加。因此，在電爐煉鋼中，使用廢鋼替代品諸如冷/熱直接還原鐵(DRI)或熱壓塊鐵(HBI)、鐵水和生鐵顯得越來越重要，使廢鋼價格上漲，迫使新電爐設施以高百分比熔煉上述替代品。電爐煉鋼也存有在冶煉過程中，因電弧會解離空氣中的氮氣，使氮原子溶入鋼液中，控制氮含量也成為電爐流程生產優質鋼最大的限制條件。

       由上述說明得知，以部分BF+BOF以EAF+Scrap Steel取代，加上提高傳統煉鋼製程添加廢鋼的比例，已經成為各大鋼廠達成減碳目標的方式，故本次檢索就電爐加入HBI、二次精煉、提高轉爐添加廢鋼的比例這三部份，作為本次檢索的標的。

表1 專利檢索條件表

二、專利技術分析

       針對前述提高轉爐添加廢鋼的比例、電爐加入HBI、二次精煉等三個技術領域，進行專利檢索後，共獲得21項關聯專利，彙整相關專利技術分析說明如下：

1.傳統煉鋼提高廢鋼的比例

   (1)廢鋼預熱

       廣東韶鋼松山股份有限公司(專利號：CN112981039A)公開一種廢鋼預熱系統及工作方法，廢鋼預熱系統包括鐵包、支撐框架、管道元件、烘烤元件、懸吊元件和監測元件，管道元件、懸吊元件和監測元件設置在支撐框架上，鐵包(鐵水罐)可移動至支撐框架中，懸吊元件用於懸吊烘烤元件至鐵包的正上方，管道元件與烘烤元件可拆卸連接，管道元件可向烘烤元件供應可燃氣體，可燃氣體從烘烤組件噴出並在鐵包內燃燒，使鐵包內的廢鋼升溫，監測元件可監測廢鋼的溫度。監測元件能夠對鐵包內的廢鋼溫度進行監測，使廢鋼被預熱到較高的溫度的情況下也不會生成較多金屬氧化物，充分利用廢鋼資源以實現降本增效，烘烤元件與鐵包之間不進行直接連接，因此，無需對現有鐵包進行結構改造，使用方便(圖1)。

圖1 廢鋼預熱系統示意圖

       中冶賽迪工程技術股份有限公司(專利號：CN112899431A)公開了一種提升轉爐廢鋼比的生產工藝，包括如下步驟：上料，將廢鋼上料至高位廢鋼料倉；換熱，將轉爐高、中溫段煙氣餘熱進行換熱並產生熱風；預熱，使用換熱產生的熱風對高位廢鋼料倉中的廢鋼進行預熱；送料，高位廢鋼料倉中預熱後的廢鋼在轉爐吹煉過程中加入轉爐。本發明充分利用了轉爐的煙氣餘熱，廢鋼在轉爐冶煉過程中入爐，減輕轉爐加廢鋼壓力，同時減少廢鋼預熱產生的污染，該工藝操作簡單，有效提升了轉爐的廢鋼比。

       首鋼集團有限公司(專利號：CN112029948A)公開了一種廢鋼預熱控制方法，包括：將廢鋼裝入轉爐；其中，轉爐的餘熱溫度在可燃氣體的燃點以上；進行廢鋼預熱操作；廢鋼預熱操作包括：控制轉爐的第一底吹機構進行底吹可燃氣體；在開始底吹可燃氣體的第一時間間隔後，控制轉爐的第二底吹機構進行底吹氧氣；在開始底吹氧氣的第二時間間隔後，控制轉爐的頂吹機構進行頂吹壓縮空氣；在開始底吹可燃氣體的第三時間間隔後，完成廢鋼預熱操作；向轉爐中加入鐵水，進行轉爐冶煉。本方法提供的轉爐爐內廢鋼預熱方法，與爐外盛鋼桶加熱器進行廢鋼預熱相比，顯著的降低了能源消耗，提高了廢鋼的預熱效果。

       河鋼股份有限公司承德分公司(專利號：CN111154943A)提出了一種提高長流程煉鋼廢鋼比的方法，包括以下步驟：對待加入的廢鋼進行預熱；將預熱後的廢鋼在轉爐冶煉工序、轉爐出鋼工序和精煉工序分批與液態冶煉中間物熔合；通過本發明提供的方法將廢鋼作為原料投入鋼材冶煉中，能夠實現廢鋼加入量500~670kg/t鐵水，廢鋼比達到33~40％，並且無新增能源消耗、無多餘碳和固廢排放、簡單易行。

       由上述專利得知，在轉爐提高廢鋼比方面，主要運用的手段是在廢鋼加入轉爐之前，先將用相應的設備將廢鋼加熱，儘量減少廢鋼吸收轉爐中鐵水的熱量，降低發熱劑的使用。

   (2)頂吹熔化

       山東鋼鐵股份有限公司(專利號：CN109652606A)提出一種方法，主要目的是在不影響廢鋼比的情況下解決低熱值鐵水轉爐冶煉過程化渣困難，包含粘槍、粘煙罩、脫磷率低等問題。在無廢鋼預熱處理以及發熱劑加入的情況下，使低熱值鐵水入爐廢鋼比達10％以上，利於節能減排。

       南京鋼鐵股份有限公司(專利號：CN112251559A)公開了一種精確供氧的轉爐低熱值鐵水煉鋼方法，包括以下步驟，首先計算吹氧量，根據轉爐鐵水和廢鋼裝入量之和乘以44~50m³/噸，得出吹氧量；然後點火冶煉，轉爐中裝入廢鋼、低溫鐵水後，將氧槍置於熔池金屬液面上方吹氧，同時點火冶煉，接著加入渣料，轉爐中加入第一批渣料，占渣料總量的80~100％，剩餘渣料在冶煉3~5分鐘後分0~2批加入，其中渣料包含石灰、鎂球和發熱劑；最後完成冶煉，吹煉至供氧量為80~90％時，根據副槍測量的溫度和結晶定碳程度，計算出剩餘供氧量，繼續吹煉至供氧量為100％時，結束冶煉。本發明的煉鋼方法可以精確計算出不同時期煉鋼所需的吹氧量，保證產物化渣優良、鋼水氧含量≤500ppm。

       JFEスチール株式會社(專利號：JP2002012909A)提出一種熔煉廢鐵的方法，與傳統方法相比，能夠在不降低廢鐵熔化效率的情況下抑制轉爐內襯耐火材料的損壞或磨損。該方法是通過熔化裝在轉爐中鐵水上的鐵削來冶煉鋼水，在熔化廢鐵的開始階段，將氣態氧吹到容器底部，然後開始頂部吹氧。起始階段底吹氧氣的單耗根據廢鐵與裝入容器的所有主要原料的品質比確定。

       JFEスチール株式會社(專利號：TW201928068A)公開一種熔鐵的送氧精煉方法，其在送氧精煉的期間，於貫穿頂吹噴槍的外殼的含氧氣體的噴射噴嘴中，一面自噴出口向噴射噴嘴內噴出控制用氣體，一面自噴射噴嘴的入口側供給含氧氣體作為主供給氣體並自噴射噴嘴噴射，噴出口是於噴嘴的橫截面積於噴嘴軸向上成為最小橫截面積的部位或其附近部位的噴嘴側面，以於利用通過噴嘴中心軸的任意平面將空間一分為二的情形時於兩空間中至少存在有噴出口的一部分的方式配置。

       以上技術主要是使用頂吹氧，使用適當的槍位及供氧量，再搭配石灰及其他礦石，在不額外添加發熱劑的狀態下，達到提高轉爐廢鋼比的目的。另外，JFE針對吹氧槍進行優化設計，在不增加氧氣流速的情形下，仍可增加氧氣的供應量，可有效防止鐵的氧化損耗，以及防止熔融鐵因液面上的噴流流速變高，以灰塵(dust)等的形式飛散至爐外的情形。

   (3)轉爐複合發熱劑

       轉爐發熱劑有碳質發熱劑、矽質發熱劑、鋁質發熱劑等，不同發熱劑的加入對轉爐煉鋼的影響也各不相同。其中，碳質發熱劑不增加渣量，但由於比重輕，易被轉爐風機高速氣流抽走，造成發熱效果差，並且在鐵水[Si]低的情況下，化渣能力差；矽質發熱劑的發熱量較高，生成的產物為酸性氧化物，為了確保爐渣鹼度，必須補加足夠的鹼性氧化物，造成渣量增加，熱量損耗增加，削弱了矽質發熱劑發熱能力。鋁質發熱劑發熱能力大，生成的產物為中性氧化鋁，對轉爐爐襯的影響不太大，但發熱劑價格高，將導致煉鋼生產成本急劇增加。

       Wuhan Iron and Steel Co Ltd(專利號：CN113005260A)公開了一種轉爐複合發熱劑及製備方法，原料包括補熱劑、調節劑、催化劑、增重劑、增熱劑及結合劑，各組份的品質百分比為：補熱劑50~60％、調節劑10~15％、催化劑1~3％、增重劑10~20％、增熱劑5~10％、結合劑2~4％。通過轉爐複合發熱劑組份原材料及其品質百分比的優化，使其具備吹氧燃燒穩定、補熱效率高、成本低廉、製備方便等特點，最終達到轉爐大廢鋼比、高效低成本之冶煉目的。通過製備方法參數的優化，確保發熱劑壓制球的品質可靠性與爐內補熱效果的一致性。

   (4)氣化脫磷渣

       上世紀已有添加煤塊提高廢鋼用量的煉鋼方法，即複吹轉爐冶煉過程中，利用廢鋼斗或者轉爐上部料倉將煤塊加入轉爐，運用煤的氧化放熱，加快廢鋼熔化，藉以提高廢鋼用量。

       華北理工大學(專利號：CN107419051A)公開一種利用氣化脫磷渣促進轉爐廢鋼熔化的冶煉方法，具體方法是：轉爐濺渣護爐氣化脫磷時含碳劑用量為50~100kg/t渣，濺渣後搖爐兌入廢鋼10~25t，前後搖晃轉爐數次，使得廢鋼與爐渣基本混合，然後搖正爐體，降氧槍吹氧，吹氧時間為1~2分鐘，控制氧槍槍位在0.5~0.7 m硬吹，使氧氣與渣中含碳劑快速反應放熱，待廢鋼溫度升高後，升起氧槍到正常位置，搖爐並兌入鐵水，進行常規轉爐冶煉；冶煉後轉爐廢鋼比達到15~19%，含碳劑利用率大於等於80%。本發明發揮氣化脫磷渣中過量碳的反應放熱作用，加速了對鐵水後廢鋼的快速熔融，可提高轉爐廢鋼比、減少轉爐渣向爐外排放、爐渣鐵損減少，以及獲得高金屬收得率。

   (5)底吹

       轉爐煉鋼工藝以頂吹氧氣作為熔池升溫及攪拌的手段，配合底吹加強熔池攪拌，為冶金反應提供更好的動力學條件，用以生產達到終點碳含量、磷含量及溫度合格的鋼水。然而一般轉爐冶煉過程熔池攪拌不夠強，冶金效果及煉鋼成本仍有較大的改善空間。此外，底吹O₂-CaO轉爐煉鋼工藝熔池攪拌增強，脫磷效果好，卻存在一系列的問題：1）吹煉前期底吹O₂與熔池矽錳元素反應生成氧化物進入渣中，上浮氣體量大大降低，熔池攪拌弱；2）脫磷效果較好，但是CaO粉劑噴吹量不精准，有效利用率仍有待提升；3）底吹混入CO₂比例可降低底吹火點區溫度，但是混入比例不精准，底吹CO₂比例混入過大則造成終點溫度低，底吹CO₂比例混入過小，則起不到保護底吹槍、增強熔池攪拌的效果。

       北京科技大學(專利號：CN111500815A)公開一種底吹O₂‑CO₂‑CaO轉爐煉鋼過程動態控制方法，適用於30~300t底吹O₂‑CO₂‑CaO轉爐煉鋼過程。底吹O₂‑CO₂‑CaO轉爐煉鋼工藝，採用O₂作為頂吹氣體，O₂+CO₂混合氣作為底吹載氣，將石灰粉從底吹噴槍噴入爐內，結合入爐鐵水及廢鋼成分資料、轉爐吹煉過程爐氣成分資料及底吹設備工作條件，基於物料守恆對轉爐煉鋼過程鋼液成分進行預測，並根據吹煉終點目標成分要求分階段動態調整頂吹氧氣量、底吹氣配比及石灰粉流量，在降低底吹火點區溫度的同時，強化轉爐熔池攪拌效果，促進渣金反應平衡的進行，降低鋼液的碳含量、磷含量；同時避免轉爐吹煉終點的過氧化，降低去氧合金消耗，減少鋼中夾雜物數量，改善鋼液品質；在高效冶金反應的基礎上，再次增加金屬收得率、降低生產成本、縮短冶煉週期。

   (6)專利技術功效小結

       由前述專利技術說明中可發現，提高廢鋼的比例方面，主要使用的方法為廢鋼預熱、複合發熱劑、頂吹、底吹等技術手段。廢鋼預熱先使用相應的設備將廢鋼加熱，儘量減少廢鋼吸收轉爐中鐵水的熱量，達到減少發熱劑使用的目的；複合發熱劑則是碳質發熱劑、矽質發熱劑、鋁質發熱劑等不同發熱劑加入，提高整體的放熱反應，達到提高轉爐廢鋼比的功效；頂吹則是利用使用適當的槍位及供氧量，再搭配石灰及其他礦石，在不額外添加發熱劑的狀態下，達到提高轉爐廢鋼比的目的；底吹則是分階段動態調整頂吹氧氣量、底吹氣配比及石灰粉流量，在降低底吹火點區溫度的同時，強化轉爐熔池攪拌效果。

2.電爐加HBI(熱壓塊鐵)煉鋼

       氣基豎爐直接還原-電爐流程具有流程相對較短、不用煉焦煤、單套設備產量大、節能、減排CO₂效果明顯等技術優勢，能夠幫助鋼鐵工業擺脫焦煤資源羈絆，實現能耗降低以及CO₂減排，是目前無焦煉鐵技術的主流技術。由於氣基直接還原 法能改善鋼鐵產品結構，使其成為提高鋼鐵產品品質的低碳綠色先進煉鐵技術，因而逐漸取代傳統高爐煉鐵工藝。

   (1)電爐加HBI(熱壓塊鐵)煉鋼代表專利

       江蘇省冶金設計院有限公司(專利號：CN107299175A)公開一種流化床制氣、氣基還原、電爐煉鋼耦合的系統和方法，該系統包括流化床、氣基還原裝置和電爐；流化床包括布風板、氣體噴吹口、流化床料倉和煤氣出口；氣基還原裝置包括相互連接的豎爐和鐵料罐；豎爐包括煤氣入口和氧化團塊料倉，煤氣入口與煤氣出口相連，鐵料罐包括還原鐵出口；電爐包括還原鐵入口、電爐料倉和出鋼口，電爐還原鐵入口和鐵料罐還原鐵出口相連。本發明通過流化床制氣‑氣基直接還原‑電爐煉鋼的工藝進行耦合，省去了流化床制得煤氣的冷卻、洗滌、除塵再升溫加熱的過程，減少系統投資並充分利用煤氣顯熱，降低了豎爐煤氣加熱的能源消耗，且篩選出了較優的參數，實現設備間生產參數的最佳耦合。

       電弧爐(EAF)製鋼法是一種高耗能工業製程，在EAF中製造鋼鐵需要巨量的電能和化學能，故此種爐具每年的能量成本極高，因此最新EAF技術發展主要集中於降低耗能(電力和氧)，從而降低EAF的二氧化碳排放和其他排放，並提高生產力。另外，在過去十年中，廢鋼品質越來越糟糕，且廢鋼受到不需要元素的污染也相應增加。因此，在電爐煉鋼中，使用廢鋼替代品諸如冷/熱直接還原鐵(DRI)或熱壓塊鐵(HBI)、鐵水和生鐵顯得越來越重要。不僅廢鋼品質，加上有限的廢鋼來源，使世界範圍廢鋼價格上漲，迫使新電爐設施(圖2)以高百分比熔煉上述替代品^[3]。

圖2 可使用DRI為原料的電爐平面圖

        艾寶研究有限公司(ABB)(專利號：TWI609970)提出一種控制於熔化金屬材料之電弧爐中之熔融製程的方法，可使熔融製程之熔融時間或總耗電量最小化。該方法包含以下步驟：接收或收集至少一個製程變數之測量數據、測定該熔融製程之目前狀態、進行該熔融製程之最佳化、根據該最佳化之結果決定製程輸入及利用該製程輸入以控制該熔融製程。

       此電弧爐擁有一或多個用於熔化金屬材料之電極和經配置用於提供電力供應，包含安裝於壁面或底部之注入單元和配置用於供應氧氣流，至少一個氣體燃燒器和配置用於供應燃燒氣體流，至少一個用於對該熔融物添加碳粉之機構和配置用於供應碳粉流給該熔融物的供應單元，並根據最佳化問題，使用該經修正的目前狀態作為該最佳化之啟動條件，進行該熔融製程在時間及/或能量損耗方面的最佳化；及在該製程期間重複該等上述步驟直到達成該製程之所欲狀態。

       SMS集團股份有限公司(專利號：CN111801431A)本發明涉及一種改進的用於鋼鐵生產的裝置，其具有下部熔爐(爐床部分)以及環形的、水冷的、內襯為耐火材料的圓柱形上部熔爐，在上部熔爐上能夠放置具有開口的向上封閉的錐形帽。熔煉裝置被設計成用於不利用熔化功率的操作模式和利用熔化功率的操作模式，並且為此在錐形爐蓋(帽)中設置有至少一個開口，能夠通過開口將至少一個頂部噴槍引入到上部熔爐中，並且多個側壁噴射器徑向地、以環繞的方式佈置在圓柱形上部熔爐中，使得在工作位置，上部噴槍和側壁噴射器與位於用於精煉的下部熔爐(爐床部分)中的熔融體的熔融液面對準。

       JP Steel Plantech Co. (專利號：CN103185463A)公開一種電弧爐，利用通過對電弧電極通電而形成的電弧來熔化原料，該電弧爐具備：爐主體，該爐主體供熔化的原料裝入；爐蓋，該爐蓋將爐主體的上部開口封閉；電弧電極，該電弧電極從所述爐蓋的上方插入到所述爐主體內，並通過通電而形成電弧來熔化原料；以及排氣口，通過該排氣口而將所述爐主體內的廢氣排出，電弧電極在爐主體的水平面上配置為進行電弧加熱的中心相對於所述爐主體的中心偏向側方，排氣口設置於與電弧電極的偏心方向相反的一側的爐主體的側壁、且是原料所存在的範圍的高度位置，電弧加熱而產生的廢氣從裝入到爐主體的原料之間通過而被排氣口排出。

   (2)專利技術功效小結

       電爐添加HBI(熱壓塊鐵)煉鋼部份，大部份的申請人，無論是設備商或是鋼廠，都是將可加入直接還原鐵(DRI)或熱壓塊鐵(HBI)、鐵水及生鐵的電爐設計理念，納入專利保護範圍。申請人主要為SMS、JP Steel Plantech、ABB公司、江蘇省冶金設計院有限公司等，其中ABB公司除了設備硬體外，還利用製程程式控制達成使熔融製程之熔融時間或總耗電量最小化來進行專利布局，並推廣其電弧爐專用斷路器^[4]及智慧診斷技術至電爐設備的市場。

3.精煉脫磷脫氮脫硫

       LF爐(Ladle Furnace鋼包精煉爐)是轉爐煉鋼和電弧爐煉鋼之主要精煉(圖3)手段，具備升溫、脫硫、調整鋼液成分、改善鋼液潔淨度等冶金功能，其冶煉過程主要依靠造白渣進行脫硫冶煉，同時採用底吹Ar進行熔池攪拌，改善渣-鋼間脫硫反應動力學條件，均勻熔池成分和溫度，且底吹Ar也有利於泡沫渣的形成，提高電弧傳熱效率。

       傳統LF爐精煉為了改善鋼液脫硫，一般採用加大底吹Ar流量的方法強化底吹攪拌，改善熔池反應動力學條件。然而，此方法會引發一系列問題：1）底吹Ar在熔池內形成大氣泡流股，底吹強度增加後，Ar流股使鋼液液面出現較大波動，極易造成鋼液與電極直接接觸；2）底吹Ar流量增加，實際生產中均出現了鋼包內渣面被吹開的現象，鋼液面與爐內氣氛接觸，造成鋼液的二次氧化；3）由於高溫電弧電離空氣致使鋼液易吸氮，底吹流量增加，渣層被吹開後，鋼液吸氮過程會進一步加劇，影響產品品質。

       因此，如何強化LF爐精煉過程熔池攪拌強度，提高LF爐內物質和熱量傳遞速度，實現快速深脫硫，同時實現LF爐精煉脫氮，改善鋼液品質，是加快LF爐精煉節奏、降低生產成本的關鍵。

圖3 煉鋼精煉流程

   (1)精煉脫磷脫氮脫硫代表專利

       耐斯赤理查發展公司(專利號：TW201627503A)提出一種在精煉程序期間之熔融金屬的脫磷方法，包括以下步驟：用熱金屬及視情況廢料裝填容器、用第一石灰組合物裝填該容器、將氧氣吹送至該容器中、利用裝填至該容器中之該第一石灰組合物形成熔渣、使熱金屬脫磷以形成磷組分減少之精煉金屬，及將磷組分減少之該精煉金屬卸出。

       北京科技大學(專利號：CN108728607A)公開一種LF爐動態底吹CO₂‑Ar精煉方法，適用於30~300t LF爐精煉過程。採用CO₂和Ar作為LF爐底吹介質和爐膛保護氣，結合LF爐精煉進站鋼液成分資料和精煉過程爐氣成分資料，基於Ar對精煉過程鋼液成分進行預測，並根據精煉目標鋼液成分參數要求分時段動態調整CO₂和Ar的底吹流量和爐膛保護氣的噴吹流量，在強化鋼包內熔池攪拌，實現快速深脫硫的同時，進一步降低鋼液中氮含量，改善鋼液品質；同時利用CO₂代替部分Ar完成精煉操作，減少了Ar消耗，降低了生產成本。使得LF爐精煉週期縮短3~6min，脫硫率達到90％以上，鋼液氮含量降低10×10^‑6~30×10^‑6。

       北京科技大學(專利號：CN112981038A)公開一種在電爐煉鋼工藝中降低鋼中氮含量得到低氮鋼的方法：在電弧爐冶煉過程中採用廢鋼和鐵水混合熔煉的方式，並輔以快速造渣技術，出鋼過程中加入矽鐵進行鋼液弱去氧；在LF精煉工序，電極口安裝耐高溫材料密封套，冶煉過程中加入精煉合成渣造渣，調整合適的底吹氬流量；在VD真空處理過程中，採用高真空度、延長處理時間及加大底吹氬氣流量強攪拌的方式；在連鑄過程中採用保護澆注和浸入式套管密封措施。本發明基於鋼液吸氮和脫氮機理，結合各工序的操作特點，明顯降低了鋼中的氮含量，本發明方法操作簡單，在電爐煉鋼工藝中全流程式控制氮穩定，能有效保證最終得到的產品中氮的含量小於30ppm。

       寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司(專利號：CN101985671A)公開了一種電弧爐煉鋼包內脫硫去氧合金化工藝方法，依次包括下列工序步驟：電弧爐冶煉、鋼包內去氧脫硫合金化、連鑄/模鑄；其中1）採用煉鋼生鐵塊、鐵水以及細微性5~40mm的焦炭，單獨或組合進行配碳；2）電弧爐熔氧期造泡沫渣，採用從爐門自動流渣操作，並補充加入石灰，調整爐渣鹼度為3.5～4.5；3）冶煉鋼種的液相線溫度值再加上100~140℃，其中新爐第一爐鋼的出鋼溫度取上限，其餘爐次的出鋼溫度取中下限；4）採用偏心爐底出鋼，嚴禁下渣；5）紅包出鋼，出鋼量至1/4時投入煉鋼精煉渣0.5~2.0kg/噸鋼、電石0.5~1.0kg/噸鋼；當出鋼量達1/3時，根據具體鋼種的需要分別加入各種鐵合金；在包內的脫硫率≥15%，鋼中硫含量可控制在≤0.030%；6）採用鋼包底吹氬氣10分鐘，然後連鑄或模鑄；或者使鋼水在鋼包內鎮靜7~14分鐘，然後連鑄或模鑄。

       國立中興大學(專利號：TW201329242A)提出一種熔融鋼液之脫硫方法，首先於電弧爐內提供一硫含量為重量百分比0.03至重量百分比0.06之熔融鋼液，於電弧爐內加熱此熔融鋼液，使之成為一溫度介於1600℃與1700℃之加熱熔融鋼液，以利進行接下來之脫硫反應。接著，添加脫硫劑至電弧爐中，使脫硫劑於加熱熔融鋼液之表面形成一覆蓋層，再加入碳粉，使覆蓋層因一氧化碳氣體而膨脹增厚，透過此增厚的覆蓋層，可有效阻隔空氣中的氧，並提供一良好的保溫作用，使加熱熔融鋼液不需再提供電力，便能直接於電弧爐內完成脫硫反應，而達到節省成本、精簡製程之目的。

       Nucor Corp(專利號：US11047015B2)提出一種製造低碳含量鋼的方法，包括在煉鋼爐中將鋼水組合物加熱至2912~3060℉的出鋼溫度，並將具有氧含量的鋼水組合物倒入盛鋼桶中約700~1000ppm。然後將鋼水組合物輸送到盛鋼桶冶金爐，進一步加熱鋼水組合物並且將一種或多種元素添加到鋼水組合物中，再將鋼水成分從盛鋼桶冶金爐輸送到真空罐脫氣機。最後將鋼水組合物脫碳，並且在真空罐脫氣器處將一種或多種元素添加到鋼水組合物中以進行脫氧和脫硫，再將鋼水成分輸送到盛鋼桶冶金爐以進一步調整化學成分和溫度。

   (2)專利技術功效小結

       在精煉部份，主要都是利用添加石灰組合物或其他藥劑，搭配底吹Ar或CO₂進行熔池攪拌及真空脫氣，達到降低氮、磷、硫含量的目的。在美國鋼廠方面，並無預期中有申請電爐低氮低磷製程，或是精煉相關的專利，反而是將相關的製程包裹在其產品製程專利中。公司未來若有電爐製程產出的相關產品，可考慮美國鋼廠申請專利的模式進行布局。

三、技術功效討論

       由表2得知，若要補足轉爐內熱量、減少廢鋼吸收轉爐中鐵水的熱量，則可使用廢鋼預熱或複合發熱劑的手段；若要提高轉爐廢鋼比，則需使用頂吹熔化或是氣化脫磷渣的方式；若要補足轉爐內熱量，則需於轉爐添加複合發熱劑；若要強化轉爐熔池攪拌效果及縮短冶煉週期，則需使用底吹(氣體)的方式。

       電爐加HBI(熱壓塊鐵)主要的功效在於降低能耗、減少二氧化碳排放、減少對廢鋼的依賴。由於高溫電弧電離空氣致使鋼液易吸氮，影響產品品質，故必須要在後段進行脫氮、脫硫、脫磷的製程，以改善鋼液的品質。

表2 技術功效彙整表

 四、結語

       各大鋼廠為了降低碳排，除了在煉鋼製程提高廢鋼的添加比例外，也積極地投入電爐添加HBI的製程研發。

       在傳統煉鋼製程方面，目前已可提高廢鋼添加量至30~40%，大部份著重在廢鋼加入轉爐前的加熱，以及投入後如何加快廢鋼的熔融速度，儘量減少廢鋼吸收轉爐中鐵水的熱量，也減少發熱劑的使用。

       但是大幅提升轉爐廢鋼的添加量，不僅會降低轉爐的熱值，需要配入的石灰、輕燒白雲石等造渣材料用量也隨之減少，導致轉爐終渣渣量被大幅度縮水，最終降低濺渣護爐時附著渣層的厚度，影響濺渣護爐效果，減短轉爐爐襯壽命。

       因此在提高廢鋼的比例方面，主要使用的方法為廢鋼預熱、複合發熱劑、頂吹、底吹等技術手段，以減少廢鋼吸收轉爐中鐵水的熱量、減少發熱劑使用及強化轉爐熔池攪拌效果，達到提升廢鋼的添加量的目的。

       電爐添加HBI(熱壓塊鐵)煉鋼方面，大部份的申請人，無論是設備商或是鋼廠，都是將可加入直接還原鐵(DRI)或熱壓塊鐵(HBI)、鐵水和生鐵的電爐設計理念納入專利保護範圍。申請人主要為SMS、JP Steel Plantech、ABB公司、江蘇省冶金設計院有限公司等，其中ABB公司除設備硬體外，還將製程程式控制達成使熔融製程之熔融時間或總耗電量最小化納入專利範圍，以便其切入電爐設備的市場。

       在精煉方面，主要是利用添加藥劑，搭配底吹Ar或CO₂攪拌及真空脫氣，實現快速深脫硫及LF爐精煉脫氮，以改善鋼液品質，並加快LF爐精煉節奏降低生產成本。惟大多數美國鋼廠在專利內容中並不特別強調電爐低氮低磷製程或是精煉相關的製程，而是以直接生產產品的方法論述，藉此擴大專利的保護力。公司未來若有電爐製程產出的相關產品，可參考美國鋼廠申請專利的模式進行布局。

[1]胡僑華; 觀點投書：碳中和鋼鐵生產芻議

https://www.storm.mg/article/3658548?mode=whole

[2]張建國; 廢鋼預熱經濟效益分析; 北京瀚川鑫冶工程技術有限公司

[3]冷/热直接还原铁和铁水等废钢替代品在电炉炼钢中的应用; 西门子奥钢联冶金技术公司

http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGJS200711001298.htm

[4]ABB構建互聯解決方案新生態， 邁向零排放未來

https://www.smartmolding.com/abb%e6%a7%8b%e5%bb%ba%e4%ba%92%e8%81%af%e8%a7%a3%e6%b1%ba%e6%96%b9%e6%a1%88%e6%96%b0%e7%94%9f%e6%85%8b%ef%bc%8c-%e9%82%81%e5%90%91%e9%9b%b6%e6%8e%92%e6%94%be%e6%9c%aa%e4%be%86/