Elektriskā loka krāsns pret domnu: CO2 emisijas, izmaksas un tērauda ražošanas nākotne

Elektriskās loka krāsns un domnas definīcija
Domna (BF) izmanto dzelzs rūdu un koksējamās ogles kausēta dzelzs ieguvei, ko pēc tam pārveido tēraudā skābekļa konvertora procesā (BOF). Elektriskā loka krāsns (EAF) izmanto augstsprieguma elektriskos lokus tērauda lūžņu izkausēšanai šķidrā tēraudā. Domnas ražošanas ceļš rada aptuveni 2,33 tonnas CO2 uz vienu tonnu tērauda; elektriskā loka krāsns ceļš rada aptuveni 0,77 tonnas. Globālā tērauda ražošana ir sadalīta aptuveni 70% BF-BOF un 30% EAF, taču šis līdzsvars mainās, pieaugot dekarbonizācijas spiedienam.


Satura rādītājs

  1. Domnas ražošanas ceļš: no dzelzs rūdas līdz tēraudam
  2. Elektriskās loka krāsns ceļš: no lūžņiem līdz tēraudam
  3. CO2 emisiju salīdzinājums
  4. Izmaksu salīdzinājums: kapitāla un darbības izmaksas
  5. Ko EAF nevar izgatavot: tērauda marku ierobežojumi
  6. Globālā daļa: kāpēc pastāv 70/30 sadalījums
  7. Zaļā ūdeņraža DRI: trešais ceļš
  8. Ko tas nozīmē izejvielu tirdzniecībai
  9. Biežāk uzdotie jautājumi
  10. Galvenie secinājumi

Domnas ražošanas ceļš: no dzelzs rūdas līdz tēraudam

Domna ir bijusi dominējošā tērauda ražošanas tehnoloģija vairāk nekā 150 gadus. Tas ir masīvs, nepārtraukts process, kas darbojas 24 stundas diennaktī, katru dienu, līdz pat 20 gadiem starp lieliem remontiem.

Dzelzs rūda — parasti dzelzs rūdas granulas vai aglomerāts (cepta smalkās rūdas aglomerācija) ar 62-65% Fe saturu — tiek ievadīta domnas augšpusē kopā ar koksu (porains oglekļa materiāls, ko iegūst, karsējot koksējamās ogles krāsnīs bez skābekļa) un kaļķakmeni (plūsmas materiāls, kas izvada piemaisījumus).

Karsts gaiss (dažreiz bagātināts ar skābekli) tiek iepūsts apakšā caur sprauslām, ko sauc par furmām. Kokss sadeg un rada temperatūru, kas pārsniedz 1500°C. Oglekļa monoksīds no degošā koksa reducē dzelzs oksīdu rūdā līdz kausētai dzelzij. Kaļķakmens reaģē ar piemaisījumiem (silīcija dioksīdu, alumīnija oksīdu), veidojot sārņus — vieglāku šķidrumu, kas peld uz dzelzs virsmas un tiek izvadīts atsevišķi.

Kausētā dzelzs — ko sauc par čugunu vai karsto metālu — tiek izvadīta no krāsns apakšas “torpēdveida” vagonos un transportēta uz skābekļa konvertoru (BOF). BOF procesā caur karsto metālu lielā ātrumā tiek pūsts tīrs skābeklis. Tas ātri (aptuveni 20 minūtēs) sadedzina lieko oglekli un citus piemaisījumus, pārvēršot čugunu kausētā tēraudā.

Pēc tam tērauds tiek liets sagatavēs, klučos vai plātnēs tālākai velmēšanai un apstrādei.

Viena liela domna var saražot 10 000-12 000 tonnu karstā metāla dienā. Lielākās integrētās tērauda rūpnīcas (domna + BOF) ietver ArcelorMittal rūpnīcas Beļģijā un Vācijā, Tata Steel Port Talbot rūpnīcu (Lielbritānija), kā arī masīvās POSCO un NSSMC ražotnes Dienvidkorejā un Japānā.


Elektriskās loka krāsns ceļš: no lūžņiem līdz tēraudam

Elektriskā loka krāsns (EAF) ir fundamentāli vienkāršāka nekā domna. Tā būtībā ir liels kauss, kas izklāts ar ugunsizturīgiem ķieģeļiem un aprīkots ar trim lieliem grafīta elektrodiem. Kad caur elektrodiem plūst augstsprieguma elektrība, starp tiem un metāla lādiņu rodas elektriskais loks — temperatūra loka tuvumā pārsniedz 3500°C.

Galvenais lādiņa materiāls ir tērauda lūžņi — sagriezti, sasmalcināti un pēc veida sašķiroti:

Lūžņi tiek iekrauti krāsnī, elektrodi tiek nolaisti, un loks uzkarsē un izkausē materiālu 40-60 minūtēs. Tiek ievadīts skābeklis oglekļa un piemaisījumu sadedzināšanai. Pievieno kaļķi sārņu veidošanai. Sakausējumi (mangāns, silīcijs, hroms) tiek pievienoti, lai sasniegtu mērķa tērauda ķīmiju.

Rezultātā tiek iegūts šķidrs tērauds, ko ielej kausā un pirms nepārtrauktās liešanas tālāk apstrādā kausa krāsnī temperatūras un ķīmijas pielāgošanai.

EAF krāsnis ir mazākas un elastīgākas nekā domnas. Tipiska EAF saražo 200-400 tonnu tērauda vienā kausēšanas ciklā, ar vairākiem cikliem dienā. EAF rūpnīcas var apturēt augstu elektroenerģijas cenu periodos un atkal iedarbināt — kas nav iespējams ar nepārtraukti strādājošu domnu.


CO2 emisiju salīdzinājums

Šeit abi ražošanas ceļi visbūtiskāk atšķiras.

Ceļš CO2 intensitāte Emisiju avoti
BF-BOF (integrētais) ~2,33 t CO2 uz tonnu tērauda Koksējamo ogļu sadegšana, dzelzs rūdas reducēšana, enerģijas patēriņš
EAF (uz lūžņu bāzes) ~0,77 t CO2 uz tonnu tērauda Elektrības ražošana (tīkls), elektrodu patēriņš, kausēšanas līdzekļi
DRI-EAF (uz gāzes bāzes) ~1,0-1,4 t CO2 uz tonnu tērauda Dabasgāze DRI reducēšanai, elektrība
H2-DRI-EAF (zaļais ūdeņradis) <0,1 t CO2 uz tonnu tērauda Tikai atjaunojamā elektrība

Saskaņā ar World Steel Association datiem, BF-BOF ceļš emitē aptuveni 2,33 tonnas CO2 uz vienu jēltērauda tonnu. Lielākā daļa šo emisiju rodas no koksējamām oglēm — ogleklis ir ķīmiski nepieciešams domnas procesā gan kā degviela, gan kā reducētājs. Nav iespējams izslēgt ogles no domnas un joprojām iegūt dzelzi.

EAF ceļš emitē aptuveni 0,77 tonnas CO2 uz vienu tonnu tērauda, galvenokārt pateicoties elektrībai, ko izmanto loka darbināšanai. Šis skaitlis būtiski atkarīgs no elektrotīkla oglekļa intensitātes. EAF, kas darbojas ar 100% atjaunojamo enerģiju, rada tuvu nullei tiešo CO2 emisiju. EAF, kas darbojas ar ogļu elektrostaciju elektrību, emitē vairāk.

ES kontekstā: ES ETS oglekļa cenas (pašlaik 50-70 EUR par tonnu CO2) nozīmē, ka integrētai BF-BOF tērauda ražošanai tagad ir ietverta oglekļa izmaksa aptuveni 115-165 EUR apmērā par tonnu tērauda. Tā ir ievērojama konkurences priekšrocība EAF ražotājiem vai importam no valstīm bez oglekļa cenas — tas ir tieši iemesls, kāpēc tika izstrādāts ES CBAM (oglekļa ievedkorekcijas mehānisms).


Izmaksu salīdzinājums: kapitāla un darbības izmaksas

Abiem ceļiem ir pretējas izmaksu struktūras.

Kapitāla izmaksas (rūpnīcas būvniecība):

Ceļš Tipiskās kapitāla izmaksas Piezīmes
Integrētā BF-BOF (jaunbūve, 3-4 Mtpa) 2-4 miljardi USD Ietver domnu, koksa krāsnis, BOF, velmētavas
EAF mini-rūpnīca (jaunbūve, 1-2 Mtpa) 300-600 miljoni USD Daudz zemākas izmaksas uz vienu tonnu jaudas

Domnai ir nepieciešams pilnībā integrēts komplekss: koksēšanas rūpnīca, aglomerācijas rūpnīca, domna, karstās velmēšanas stāvs vai lokšņu velmētava un visa saistītā infrastruktūra. Kapitāla izmaksas uz vienu tonnu gada jaudas ir 600-1000 USD.

EAF “mini-rūpnīcu” var uzbūvēt par 300-400 USD par tonnu gada jaudas. Tāpēc EAF tehnoloģija ir ļāvusi tādiem uzņēmumiem kā Nucor, Steel Dynamics un Commercial Metals ASV būvēt reģionālās tērauda rūpnīcas par daudz zemākām izmaksām nekā integrētie tērauda kompleksi.

Darbības izmaksas:

BF-BOF rūpnīcām ir augstas izejvielu izmaksas (dzelzs rūda + koksējamās ogles), taču relatīvi prognozējama vienības ekonomika, kad krāsns darbojas. Koksējamās ogles parasti veido 30-40% no BF-BOF darbības izmaksām. Domnu nevar lēti izslēgt un atkal iedarbināt — tā darbojas nepārtraukti vai nemaz.

EAF rūpnīcām ir zemākas izejvielu izmaksas (lūžņi ir lētāki nekā primārā dzelzs uz tonnu saturētās dzelzs), taču tās ir ļoti jutīgas pret elektrības cenām. Elektrība var veidot 25-35% no EAF darbības izmaksām. Kad elektrības cenas strauji kāpj — kā Eiropā 2022. gadā — EAF rūpnīcas vai nu absorbē izmaksas, vai samazina ražošanu. Vairāki Eiropas EAF tērauda ražotāji 2022. gadā samazināja izlaidi tieši tāpēc, ka elektrības cenas padarīja tērauda ražošanu nerentablu.

EAF nodrošina arī darbības elastību: rūpnīcas var apturēt augstu elektrības cenu periodos un atkal iedarbināt. Tā ir nozīmīga priekšrocība elektrības tirgos ar augstu cenu nepastāvību.


Ko EAF nevar izgatavot: tērauda marku ierobežojumi

EAF ceļam ir fundamentāls metalurģisks ierobežojums: “klejojošo” elementu piesārņojums no lūžņiem.

Tērauda lūžņi nav tīra dzelzs. Tie satur atlikušos leģējošos elementus no oriģinālā tērauda sastāva: varu, alvu, niķeli, molibdēnu, hromu. Šie elementi saglabājas kausēšanas procesā un tos nevar izvadīt oksidējot (atšķirībā no oglekļa, silīcija un sēra, ko var “izdedzināt”). Tie uzkrājas kausējumā.

Galvenais vaininieks ir varš. Vara daudzums tēraudā virs noteiktas robežas (parasti 0,1-0,2%) pasliktina karsto apstrādājamību — tērauda virsma plaisā karstās velmēšanas laikā. To sauc par karstplaisāšanu. Masveida tērauda markām (armatūra, konstrukciju profili, stieple) vara pielaides ir plašas, un EAF ražošana uz lūžņu bāzes darbojas labi. Savukārt plakanā tērauda izstrādājumiem, piemēram, automobiļu virsbūves paneļiem, elektrotehniskajam tēraudam un alvota iepakojuma tēraudam, vara saturam jābūt ļoti zemam — bieži vien zem 0,04%.

Nav ekonomiski praktiskas metodes vara izvadīšanai no šķidra tērauda. Vienīgais risinājums ir atšķaidīšana — primārā dzelzs (čuguna, DRI vai HBI) pievienošana, kas nesatur varu. EAF rūpnīcas, kas ražo kvalitatīvu plakanā tērauda produkciju (piemēram, Nucor Crawfordsville lokšņu rūpnīca), dara tieši to, sajaucot iegādāto čugunu vai DRI ar lūžņiem.

Praktiskās sekas: automobiļu tērauda, elektrotehniskā tērauda un augstas kvalitātes velmēto izstrādājumu tirgi joprojām lielākoties tiek apkalpoti ar integrētajiem BF-BOF ražotājiem, jo tie izmanto primāro rūdu bez “klejojošo” elementu piesārņojuma. EAF izceļas garo izstrādājumu (armatūra, profili, stieple) un zemākas kvalitātes plakano izstrādājumu ražošanā.

Šis ierobežojums kļūs arvien svarīgāks, pieaugot lūžņu pārstrādes rādītājiem un lūžņu kvalitātei pazeminoties uzkrāto piemaisījumu dēļ.


Globālā daļa: kāpēc pastāv 70/30 sadalījums

Globālā jēltērauda ražošana ir aptuveni 1900 miljoni tonnu gadā (2023. gada dati). Sadalījums:

BF-BOF dominēšanas iemesls ir Ķīna. Ķīna saražo vairāk nekā 50% no pasaules tērauda — aptuveni 1000 miljonus tonnu gadā — un aptuveni 90% no Ķīnas produkcijas izmanto BF-BOF ceļu. Ķīna pēdējo 30 gadu laikā ir uzbūvējusi milzīgu integrēto tērauda rūpnīcu bāzi, un lūžņu piegādi ierobežo Ķīnas relatīvi jaunais rūpnieciskais fonds (lielākā daļa infrastruktūras un ēku ir uzceltas nesen un vēl nav sasniegušas lūžņu pieejamības posmu).

Ārpus Ķīnas EAF daļa ir daudz lielāka:
– ASV: ~70% EAF, 30% BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics un Commercial Metals ir lielākie EAF ražotāji.
– ES: ~40% EAF (atšķiras pa valstīm — Itālijā tuvu 70% EAF; Vācijā joprojām dominē BF automobiļu rūpniecības pieprasījuma dēļ)
– Turcija: ~70% EAF (liels lūžņu importētājs, kas izmanto Vidusjūras lūžņu plūsmas)

Ķīnas rūpnieciskajai bāzei novecojot un lūžņu pieejamībai pieaugot, sagaidāms, ka Ķīnas EAF daļa līdz 2035. gadam pieaugs no ~10% līdz 20-25%, kas ir nozīmīga globālā tirgus dinamikas maiņa.


Zaļā ūdeņraža DRI: trešais ceļš

Nākamajā desmitgadē nozīmīgākais notikums tērauda ražošanas tehnoloģijā ir uz ūdeņradi balstītā dzelzs tiešā reducēšana (H2-DRI), kas apvienota ar EAF tērauda ražošanu.

Tiešās reducēšanas dzelzs (DRI) ir dzelzs, ko iegūst, reducējot dzelzs rūdas granulas ar reducējošu gāzi (tradicionāli dabasgāzi — galvenokārt metānu) temperatūrā, kas zemāka par kušanas temperatūru (~800-1100°C). Rūda paliek cieta, bet tiek ķīmiski reducēta no dzelzs oksīda līdz metāliskai dzelzij. Rezultātā veidojas porains metālisks materiāls, ko var tieši ievadīt EAF kā lūžņu aizstājēju.

Konvencionālais DRI process (izmantojot dabasgāzi) rada aptuveni 1,0-1,4 tonnas CO2 uz tonnu DRI — labāk nekā domnā, bet ne oglekļneitrāli.

Izrāviens ir dabasgāzes aizstāšana ar zaļo ūdeņradi — ūdeņradi, kas iegūts, elektrolīzes ceļā sadalot ūdeni, izmantojot atjaunojamo enerģiju. Kad ūdeņradis reducē dzelzs rūdu, vienīgais blakusprodukts ir ūdens (H₂O), nevis CO2. Apvienojumā ar EAF ražošanu, ko darbina atjaunojamā enerģija, pilns H2-DRI-EAF ceļš var ražot tēraudu ar mazāk nekā 0,1 tonnu CO2 uz tonnu — ~95% samazinājums salīdzinājumā ar BF-BOF.

Šo tehnoloģiju virza divi nozīmīgi projekti:

HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology): SSAB (Zviedrija), LKAB (Zviedrijas lielākais dzelzs rūdas ražotājs) un Vattenfall (Zviedrijas enerģētikas uzņēmums) kopuzņēmums. HYBRIT 2021. gadā saražoja pasaulē pirmo ar ūdeņradi reducēto tēraudu, kas tika piegādāts klientam (Volvo AB). Komerciālā mēroga ražošana SSAB Lūleo rūpnīcā tiek plānota līdz 2026.-2030. gadam.

H2 Green Steel (tagad Stegra): Jauna rūpnīca, kas tiek būvēta Bodenē, Zviedrijā. Mērķis — līdz 2030. gadam saražot 5 miljonus tonnu zaļā tērauda gadā, izmantojot Zviedrijas hidroenerģiju un vēja enerģiju, kā arī H2-DRI-EAF tehnoloģiju.

Citi uzņēmumi, kas virzās līdzīgos virzienos, ir ArcelorMittal (MIDREX bāzētās DRI rūpnīcas ar pāreju uz ūdeņradi), thyssenkrupp (tkH2Steel projekts Duisburgā) un Salzgitter (SALCOS programma).

Komerciālais izaicinājums: zaļais ūdeņradis pašlaik maksā 4-8 USD/kg, salīdzinot ar dabasgāzi, kuras enerģētiskais ekvivalents ir 1-2 USD/kg. Zaļais tērauds, kas ražots, izmantojot H2-DRI, sadārdzinās par 100-300 USD/tonnā salīdzinājumā ar parasto BF-BOF tēraudu. Vai šo sadārdzinājumu varēs pārnest uz pircējiem, izmantojot “zaļās prēmijas”, vai absorbēt caur oglekļa cenām, ir tērauda nozares dekarbonizācijas galvenais komerciālais jautājums.


Ko tas nozīmē izejvielu tirdzniecībai

EAF/BF-BOF sadalījumam ir tieša ietekme uz izejvielu tirdzniecības plūsmām, kas atbalsta katru ceļu.

BF-BOF pieprasījums: Dzelzs rūda (tiek transportēta no Austrālijas, Brazīlijas) un koksējamās ogles (tiek transportētas no Austrālijas, ASV, Kanādas, Krievijas). Tās ir divas no vislielākā apjoma jūras beramkravu tirdzniecības jomām pasaulē. Atteikšanās no BF-BOF tieši samazina pieprasījumu pēc koksējamām oglēm un augstākās kvalitātes dzelzs rūdas granulām — ilgtermiņa negatīvs faktors šiem izejvielu tirgiem.

EAF pieprasījums: Elektrība un tērauda lūžņi. Globālā lūžņu tirdzniecība ir nozīmīga — Turcija ir pasaules lielākā tērauda lūžņu importētāja, iepērkot tos no ASV, ES un Lielbritānijas. Pieaugoša EAF produkcija globāli nozīmē pieaugošu pieprasījumu pēc lūžņiem, kas ceļ lūžņu cenas un padara to iepirkšanu konkurētspējīgāku.

H2-DRI pieprasījums: Augstas kvalitātes dzelzs rūdas granulas (DRI prasa augstāku dzelzs saturu — 67%+ Fe — nekā standarta BF-BOF domnu rūda). Tas rada prēmiju tirgu augstas kvalitātes dzelzs rūdas granulām no LKAB (Zviedrija), CVRD/Vale (Brazīlija) un Bahrain Steel. H2-DRI pāreja ir labvēlīga augstas kvalitātes dzelzs rūdai un nelabvēlīga vidējas kvalitātes domnu rūdai.


Biežāk uzdotie jautājumi

Kas ir lētāk ekspluatējams — domna vai EAF?

Tas ir atkarīgs no izejvielu izmaksām katrā lokācijā. Tur, kur lūžņi ir lēti un elektrība ir pieejama par saprātīgu cenu, EAF ir lētāk ekspluatējams. Tur, kur lūžņu ir maz un elektrība ir dārga, priekšrocība ir BF-BOF. EAF mini-rūpnīcām ASV ir pastāvīgi zemākas izmaksas nekā ASV integrētajiem BF-BOF ražotājiem, jo ASV lūžņi ir bagātīgi un relatīvi lēti. Eiropas EAF ražotāji nonāca spīlēs 2022. gadā, kad gāzes krīzes dēļ uzkāpa elektrības cenas.

Vai elektriskā loka krāsns var ražot automobiļu tēraudu?

Dažas var, ar būtiskiem nosacījumiem. Augstas kvalitātes plakanais tērauds automobiļu vajadzībām prasa ļoti zemu vara saturu (zem 0,04%), lai velmēšanas laikā izvairītos no karstplaisāšanas. EAF rūpnīcām, kas ražo auto marku tēraudu, lūžņi jāatšķaida ar tīriem dzelzs resursiem, kas nesatur varu — čugunu, DRI vai HBI. Nucor Gallatin un Crawfordsville lokšņu rūpnīcas dara tieši to. Taču EAF plakanā tērauda kvalitātes griesti ir zemāki nekā integrētajām BF-BOF rūpnīcām bez ievērojamas DRI pievienošanas.

Kas ir zaļais tērauds un par cik tas ir dārgāks?

Zaļais tērauds ir tērauds, kas ražots ar ievērojami zemākām CO2 emisijām nekā tradicionālais tērauds — parasti definēts kā mazāk nekā 0,5 tonnas CO2 uz vienu tonnu tērauda. Vadošais ceļš ir H2-DRI-EAF, izmantojot atjaunojamo enerģiju un zaļo ūdeņradi. Pašreizējā zaļā tērauda sadārdzinājums ir 100-300 USD/tonnā salīdzinājumā ar parasto tēraudu, atkarībā no zaļā ūdeņraža izmaksām. Atjaunojamās enerģijas cenām krītot, sagaidāms, ka šī prēmija samazināsies.

Kāpēc Ķīna dominē BF-BOF ceļā?

Ķīna pēdējos 30 gados būvēja lielāko daļu tērauda jaudu, izmantojot BF-BOF tehnoloģiju, jo tas bija lētākais veids, kā ātri palielināt ražošanu, jo koksējamās ogles bija pieejamas un lūžņu strauji industrializējošā ekonomikā trūka. Ķīna saražo vairāk nekā 1 miljardu tonnu tērauda gadā, ~90% caur BF-BOF. Ķīnas rūpnieciskajai bāzei novecojot un lūžņu pieejamībai pieaugot, EAF daļa pakāpeniski palielinās no pašreizējiem ~10%.

Kas ir HYBRIT un kāpēc tas ir svarīgi?

HYBRIT ir SSAB, LKAB un Vattenfall kopuzņēmums, kura mērķis ir ražot fosilais-brīvu tēraudu, izmantojot ūdeņraža tiešo reducēšanu. 2021. gadā tas piegādāja pasaulē pirmo fosilais-brīvo tēraudu, kas ražots bez koksējamām oglēm vai dabasgāzes, uzņēmumam Volvo AB. HYBRIT ir svarīgs, jo tas demonstrē, ka H2-DRI-EAF ceļš var komerciāli darboties. Ja to paplašinās, tas varētu likvidēt aptuveni 2,33 tonnas CO2 uz tonnu tērauda visā BF-BOF nozarē.


Galvenie secinājumi

Related Reading

To deepen your understanding of the topics covered in this article, explore these related guides: the full ferrous chain from iron ore to finished steel, the scrap grades and pricing mechanisms that feed electric furnaces and how carbon pricing policies affect the cost gap between the two routes.

Understanding Commodities
Understanding Commodities

Understanding Commodities ir bezmaksas, neitrāla izglītības vietne, kas skaidro globālo preču tirgu darbību — importētājiem, eksportētājiem, lauksaimniecības uzņēmumiem un ražotājiem. Katrs ceļvedis ir rakstīts no biznesa, nevis biržas perspektīvas. Bez starpniekiem. Bez slēptiem mērķiem. Bez žargona.

Continue Reading

More guides from Understanding Commodities

Arabica pret Robusta kafija: galvenās atšķirības

Arabica un Robusta kafija: galvenās atšķirības garšā, kofeīna daudzumā, audzēšanas augstumā, cenā un komerciālajā izmantojumā tirdzniecības profesionāļiem.

Read article →

Preču nākotnes līgumu līkne: definīcija un izmantošana

Kas ir preču nākotnes līgumu līkne? Uzziniet par contango, backwardation, un kā fizisko preču tirgotāji izmanto šo līkni riska ierobežošanai...

Read article →

Bišu cukurs pret niedru cukuru: izskaidrotas galvenās atšķirības

Bišu cukurs pret niedru cukuru: izskaidrotas atšķirības izcelsmē, rafinēšanas procesā, garšā, ĢMO statusā, izmaksās un preču tirgus kontekstā.

Read article →

Choose language