Cuptorul cu arc electric vs furnalul: emisii de CO2, costuri și viitorul siderurgiei

Definirea cuptorului cu arc electric vs furnal
Un furnal (BF) utilizează minereu de fier și cărbune cocsificabil pentru a produce fontă lichidă, care este apoi transformată în oțel într-un convertizor cu oxigen (BOF). Un cuptor cu arc electric (EAF) utilizează arcuri electrice de înaltă tensiune pentru a topi fier vechi (deșeuri metalice) în oțel lichid. Tehnologia furnalului emite aproximativ 2,33 tone de CO2 per tonă de oțel; ruta cu arc electric emite aproximativ 0,77 tone. Producția globală de oțel este împărțită în proporție de aproximativ 70% BF-BOF și 30% EAF, dar acest echilibru se schimbă pe măsură ce presiunea de decarbonizare crește.

---

Cuprins

1. Ruta furnalului: de la minereu de fier la oțel
2. Ruta cuptorului cu arc electric: de la fier vechi la oțel
3. Comparația emisiilor de CO2
4. Comparația costurilor: cheltuieli de capital și operaționale
5. Ce nu poate produce EAF: limitările privind calitatea oțelului
6. Cota globală: de ce există împărțirea 70/30
7. DRI cu hidrogen verde: a treia rută
8. Ce înseamnă acest lucru pentru comerțul cu mărfuri
9. Întrebări frecvente
10. Concluzii principale

---

Ruta furnalului: de la minereu de fier la oțel

Furnalul a fost principala tehnologie de producere a oțelului timp de peste 150 de ani. Este un proces masiv, continuu, care funcționează 24 de ore pe zi, în fiecare zi, timp de până la 20 de ani între reparațiile capitale.

Minereul de fier — de obicei pelete de minereu de fier sau sinter (o aglomerare coaptă de minereu fin) cu un conținut de fier de 62-65% Fe — este introdus în partea superioară a furnalului împreună cu cocs (un material poros de carbon produs prin coacerea cărbunelui cocsificabil în cuptoare fără oxigen) și calcar (un flux care elimină impuritățile).

Aerul cald (uneori îmbogățit cu oxigen) este suflat la bază prin duze numite tuyeres. Cocsul arde și generează temperaturi ce depășesc 1.500°C. Monoxidul de carbon rezultat din arderea cocsului reduce oxidul de fier din minereu la fier topit. Calcarul reacționează cu impuritățile (silice, alumină) pentru a forma zgură — un lichid mai ușor care plutește deasupra fierului și este evacuat separat.

Fierul topit — numit fontă sau metal cald — este evacuat de la baza furnalului în vagoane torpilă și transportat către convertizorul cu oxigen (BOF). În BOF, oxigenul pur este suflat prin metalul cald la viteză mare. Aceasta arde rapid excesul de carbon și alte impurități (în aproximativ 20 de minute), transformând fonta în oțel lichid.

Oțelul este apoi turnat în blumuri, țagle sau plăci pentru laminare și fabricare ulterioară.

Un singur furnal mare poate produce 10.000-12.000 de tone de metal cald pe zi. Combinatele siderurgice integrate importante (furnal + BOF) includ fabricile ArcelorMittal din Belgia și Germania, uzinele Tata Steel din Port Talbot (UK) și facilitățile masive POSCO și NSSMC din Coreea de Sud și Japonia.

---

Ruta cuptorului cu arc electric: de la fier vechi la oțel

Un cuptor cu arc electric (EAF) este fundamental mai simplu decât un furnal. Este, în esență, un recipient mare căptușit cu cărămidă refractară, echipat cu trei electrozi mari de grafit. Când electricitatea de înaltă tensiune trece prin electrozi, arcurile electrice se produc între aceștia și încărcătura metalică — temperaturile din apropierea arcului depășesc 3.500°C.

Materialul principal de încărcare este fierul vechi — tăiat, mărunțit și sortat pe tipuri:

• Fier vechi greu (HMS 1&2): Oțel structural mare, echipamente industriale demolate
• Fier vechi mărunțit: Autoturisme și electrocasnice mărunțite
• Fier vechi industrial: Deșeuri noi din operațiuni de ștanțare, resturi de construcții
• Fier redus direct (DRI) / fier brichetat la cald (HBI): Utilizat pentru a dilua elementele reziduale (vezi secțiunea de limitări de mai jos)

Fierul vechi este încărcat în cuptor, electrozii sunt coborâți, iar arcul încălzește și topește materialul în 40-60 de minute. Se injectează oxigen pentru a arde carbonul și impuritățile. Se adaugă var pentru a forma zgura. Aliajele (mangan, siliciu, crom) sunt adăugate pentru a obține compoziția chimică a oțelului vizat.

Rezultatul este oțelul lichid, care este turnat într-o oală și prelucrat ulterior într-un cuptor-oală pentru ajustarea temperaturii și a chimiei înainte de turnarea continuă.

EAF-urile sunt mai mici și mai flexibile decât furnalele. Un EAF tipic produce 200-400 tone de oțel per sarcină (ciclu de topire), cu mai multe sarcini pe zi. Fabricile EAF pot fi oprite în perioadele cu prețuri mari la energie electrică și repornite — lucru imposibil în cazul unui furnal care funcționează continuu.

---

Comparația emisiilor de CO2

Acesta este punctul în care cele două rute diferă cel mai dramatic.

Rută	Intensitate CO2	Surse de emisii
BF-BOF (integrat)	~2,33 t CO2 per tonă de oțel	Arderea cărbunelui cocsificabil, reducerea minereului, utilizarea energiei
EAF (pe bază de fier vechi)	~0,77 t CO2 per tonă de oțel	Generarea electricității (rețea), consumul de electrozi, flux
DRI-EAF (pe bază de gaz)	~1,0-1,4 t CO2 per tonă de oțel	Gaz natural pentru reducerea DRI, electricitate
H2-DRI-EAF (hidrogen verde)	<0,1 t CO2 per tonă de oțel	Doar electricitate regenerabilă

Ruta BF-BOF emite aproximativ 2,33 tone de CO2 per tonă de oțel brut, conform datelor World Steel Association. Marea majoritate a acestor emisii provin din cărbunele cocsificabil — carbonul este necesar din punct de vedere chimic în procesul furnalului, atât ca combustibil, cât și ca agent de reducere. Nu poți elimina cărbunele dintr-un furnal și să continui să produci fier.

Ruta EAF emite aproximativ 0,77 tone de CO2 per tonă de oțel, în principal prin electricitatea utilizată pentru alimentarea arcului. Acest număr depinde critic de intensitatea carbonului din rețeaua electrică. Un EAF care funcționează cu energie 100% regenerabilă emite aproape zero CO2 direct. Un EAF care utilizează electricitate produsă din cărbune emite mai mult.

În contextul UE: prețul carbonului prin EU ETS (în prezent 50-70 €/tonă de CO2) înseamnă că producția integrată de oțel BF-BOF poartă acum un cost implicit al carbonului de aproximativ 115-165 € per tonă de oțel. Acesta este un dezavantaj competitiv semnificativ față de producătorii EAF sau importurile din țări fără preț al carbonului — motiv pentru care a fost conceput mecanismul EU CBAM (Carbon Border Adjustment Mechanism).

---

Comparația costurilor: cheltuieli de capital și operaționale

Cele două rute au structuri de costuri opuse.

Cheltuieli de capital (construcția fabricii):

Rută	Cost de capital tipic	Note
BF-BOF integrat (construcție nouă, 3-4 Mtpa)	2-4 miliarde USD	Include furnal, baterii de cocs, BOF, laminoare
Mini-oțelărie EAF (construcție nouă, 1-2 Mtpa)	300-600 milioane USD	Mult mai mic per tonă de capacitate

Un furnal necesită un complex integrat complet: cocserie, uzină de sinterizare, furnal, laminor la cald și toată infrastructura asociată. Costul de capital per tonă de capacitate anuală este de 600-1.000 USD per tonă.

O mini-oțelărie EAF poate fi construită cu 300-400 USD per tonă de capacitate anuală. Acesta este motivul pentru care tehnologia EAF a permis “mini-oțelăriilor” — companii precum Nucor, Steel Dynamics și Commercial Metals din SUA — să construiască fabrici de oțel regionale la un cost mult mai mic decât al combinatelor integrate.

Costuri operaționale:

Fabricile BF-BOF au costuri ridicate cu materiile prime (minereu de fier + cărbune cocsificabil), dar o economie de unitate relativ predictibilă odată ce furnalul funcționează. Cărbunele cocsificabil reprezintă de obicei 30-40% din costurile operaționale BF-BOF. Furnalul nu poate fi oprit și repornit ieftin — funcționează continuu sau deloc.

Fabricile EAF au costuri mai mici cu materiile prime (fierul vechi este mai ieftin decât unitățile de fier virgin per tonă de fier conținut), dar sunt extrem de sensibile la prețurile energiei electrice. Electricitatea poate reprezenta 25-35% din costurile operaționale EAF. Când prețurile la electricitate cresc — ca în Europa în 2022 — fabricile EAF fie absorb costul, fie reduc producția. Mai mulți producători europeni de oțel EAF au redus producția în 2022 tocmai pentru că prețurile energiei au făcut producția neeconomică.

EAF oferă, de asemenea, flexibilitate operațională: fabricile pot fi lăsate în stand-by în perioadele cu prețuri mari la energie și repornite. Acesta este un avantaj semnificativ pe piețele de energie electrică cu volatilitate mare a prețurilor.

---

Ce nu poate produce EAF: limitările privind calitatea oțelului

Ruta EAF are o limitare metalurgică fundamentală: contaminarea cu elemente reziduale din fierul vechi.

Fierul vechi nu este fier pur. Acesta conține elemente de aliere reziduale din compoziția originală a oțelului: cupru, staniu, nichel, molibden, crom. Aceste elemente supraviețuiesc procesului de topire și nu pot fi eliminate prin oxidare (spre deosebire de carbon, siliciu și sulf, care pot fi arse). Ele se acumulează în topitură.

Principalul vinovat este cuprul. Cuprul în oțel peste anumite praguri (de obicei 0,1-0,2%) degradează prelucrabilitatea la cald — suprafața oțelului crapă în timpul laminării la cald. Aceasta se numește fragilitate la cald. Pentru clasele de oțel comercial (bare de beton, profile structurale, sârmă), toleranțele la cupru sunt permisive, iar producția EAF pe bază de fier vechi funcționează bine. Pentru produse din oțel plat, cum ar fi panourile auto, oțelul electric și tabla pentru ambalaje, cuprul trebuie să fie foarte scăzut — adesea sub 0,04%.

Nu există nicio metodă practică din punct de vedere economic de a elimina cuprul din oțelul lichid odată ce acesta se află în topitură. Singura soluție este diluarea — adăugarea de unități de fier virgin (fontă, DRI sau HBI) care nu conțin cupru. Fabricile EAF care produc oțel plat de calitate (cum ar fi laminorul de tablă Nucor din Crawfordsville) fac exact acest lucru, amestecând fontă sau DRI achiziționate cu fier vechi.

Consecința practică: piețele oțelului pentru industria auto, oțelului electric și oțelului laminat plat de înaltă calitate rămân deservite în mare parte de producătorii integrați BF-BOF, deoarece aceștia folosesc minereu virgin fără contaminare cu elemente reziduale. EAF excelează în produse lungi (bare de beton, profile, sârmă) și produse plate de calitate inferioară.

Această limitare va deveni din ce în ce mai importantă pe măsură ce ratele de reciclare a fierului vechi cresc, iar calitatea acestuia se degradează și mai mult din cauza acumulării de elemente reziduale.

---

Cota globală: de ce există împărțirea 70/30

Producția globală de oțel brut este de aproximativ 1.900 milioane de tone pe an (date 2023). Împărțirea:

• BF-BOF: aproximativ 70% (~1.330 milioane de tone)
• EAF: aproximativ 29% (~550 milioane de tone)
• Altele (cuptoare cu vatră deschisă, cuptoare cu inducție): ~1%

Motivul dominanței BF-BOF este China. China produce peste 50% din oțelul mondial — aproximativ 1.000 milioane de tone pe an — și aproximativ 90% din producția chineză utilizează ruta BF-BOF. China a construit o bază enormă de combinate siderurgice integrate în ultimii 30 de ani, iar oferta de fier vechi a fost limitată de stocul industrial relativ tânăr al Chinei (cea mai mare parte a infrastructurii și clădirilor au fost construite recent și nu au ajuns încă la stadiul de disponibilitate pentru reciclare).

În afara Chinei, cota EAF este mult mai mare:
– Statele Unite: ~70% EAF, 30% BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics și Commercial Metals sunt producători EAF importanți.
– UE: ~40% EAF (variază în funcție de țară — Italia aproape 70% EAF; Germania încă dependentă de BF datorită cererii auto)
– Turcia: ~70% EAF (mare importator de fier vechi care utilizează fluxurile mediteraneene)

Pe măsură ce baza industrială a Chinei îmbătrânește și disponibilitatea fierului vechi crește, cota EAF a Chinei este de așteptat să crească de la ~10% spre 20-25% până în 2035, o schimbare semnificativă în dinamica pieței globale.

---

DRI cu hidrogen verde: a treia rută

Cea mai semnificativă dezvoltare în tehnologia siderurgică pentru următorul deceniu este reducerea directă a fierului pe bază de hidrogen (H2-DRI), combinată cu siderurgia EAF.

Fierul redus direct (DRI) este fierul produs prin reducerea peletelor de minereu de fier cu un gaz reducător (tradițional gaz natural — în principal metan) la temperaturi sub punctul de topire (~800-1.100°C). Minereul rămâne solid, dar este redus chimic din oxid de fier în fier metalic. Rezultatul este un material metalic spongios care poate fi introdus direct într-un EAF ca înlocuitor pentru fierul vechi.

Procesul convențional DRI (utilizând gaz natural) produce aproximativ 1,0-1,4 tone de CO2 per tonă de DRI — mai bine decât furnalul, dar nu cu zero emisii de carbon.

Marea inovație este înlocuirea gazului natural cu hidrogen verde — hidrogen produs prin electroliza apei folosind electricitate regenerabilă. Când hidrogenul reduce minereul de fier, singurul produs secundar este apa (H₂O), nu CO2. Combinată cu siderurgia EAF alimentată cu energie regenerabilă, ruta completă H2-DRI-EAF poate produce oțel cu mai puțin de 0,1 tone de CO2 per tonă — o reducere de ~95% față de BF-BOF.

Două proiecte majore conduc această tehnologie:

HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology): Un joint-venture între SSAB (Suedia), LKAB (cel mai mare producător de minereu de fier din Suedia) și Vattenfall (companie energetică suedeză). HYBRIT a produs primul oțel redus cu hidrogen din lume livrat unui client (Volvo AB) în 2021. Producția la scară comercială este vizată la uzina SSAB din Luleå între 2026-2030.

H2 Green Steel (acum Stegra): O facilitate nouă în construcție la Boden, Suedia. Vizează 5 milioane de tone pe an de oțel verde până în 2030, alimentată de energia hidroelectrică și eoliană suedeză și utilizând tehnologia H2-DRI-EAF.

Alte companii care urmăresc rute similare includ ArcelorMittal (uzine DRI pe bază de tehnologie MIDREX cu tranziție la hidrogen), thyssenkrupp (proiectul tkH2Steel în Duisburg) și Salzgitter (programul SALCOS).

Provocarea comercială: hidrogenul verde costă în prezent 4-8 USD/kg, față de gazul natural care are un echivalent energetic de 1-2 USD/kg. Oțelul verde produs prin H2-DRI poartă o primă de cost de 100-300 USD/tonă față de oțelul convențional BF-BOF. Dacă acea primă poate fi transferată cumpărătorilor prin “prime verzi” sau absorbită prin prețul carbonului este principala întrebare comercială a decarbonizării industriei siderurgice.

---

Ce înseamnă acest lucru pentru comerțul cu mărfuri

Împărțirea EAF/BF-BOF are implicații directe asupra fluxurilor de comerț cu mărfuri care susțin fiecare rută.

Cerințele BF-BOF: Minereu de fier (expediat din Australia, Brazilia) și cărbune cocsificabil (expediat din Australia, SUA, Canada, Rusia). Acestea sunt două dintre cele mai mari volume de tranzacționare de mărfuri uscate pe mare din lume. O îndepărtare de BF-BOF reduce direct cererea de cărbune cocsificabil și pelete de minereu de fier premium — un obstacol pe termen lung pentru acele piețe de mărfuri.

Cerințele EAF: Electricitate și fier vechi. Comerțul global cu fier vechi este semnificativ — Turcia este cel mai mare importator de fier vechi din lume, aprovizionându-se din SUA, UE și UK. Creșterea producției EAF la nivel global înseamnă o creștere a cererii de fier vechi, ceea ce împinge prețurile fierului vechi mai sus și face aprovizionarea mai competitivă.

Cerințele H2-DRI: Pelete de minereu de fier de înaltă calitate (DRI necesită un conținut de fier mai mare — 67%+ Fe — decât minereul standard pentru furnal). Acest lucru creează o piață premium pentru peletele de minereu de fier de înaltă calitate de la LKAB (Suedia), CVRD/Vale (Brazilia) și Bahrain Steel. Tranziția H2-DRI este un factor favorabil pentru minereul de fier de înaltă calitate și unul defavorabil pentru minereul de fier de calitate medie pentru furnale.

---

Întrebări frecvente

Ce este mai ieftin de operat, un furnal sau un EAF?

Depinde de costul materiilor prime în fiecare locație. Acolo unde fierul vechi este ieftin și electricitatea este accesibilă, EAF este mai ieftin de operat. Acolo unde fierul vechi este rar și electricitatea este scumpă, BF-BOF are avantajul. Mini-oțelăriile EAF din SUA au costuri constant mai mici decât producătorii integrați BF-BOF din SUA, deoarece fierul vechi este abundent și relativ ieftin. Producătorii europeni de EAF au fost presați în 2022 când prețurile la electricitate au crescut din cauza crizei gazelor.

Poate un cuptor cu arc electric să producă oțel pentru industria auto?

Unele pot, cu mențiuni importante. Oțelul plat de înaltă calitate pentru aplicații auto necesită niveluri foarte scăzute de cupru (sub 0,04%) pentru a evita fragilitatea la cald în timpul laminării. Fabricile EAF care produc oțel de calitate auto trebuie să dilueze fierul vechi cu unități de fier virgin fără cupru — fontă, DRI sau HBI. Laminorul de tablă Nucor din Gallatin și Crawfordsville face exact acest lucru. Dar plafonul de calitate pentru oțelul plat EAF este mai jos decât cel al combinatelor integrate BF-BOF fără adăugarea semnificativă de DRI.

Ce este oțelul verde și cât costă mai mult?

Oțelul verde este oțelul produs cu emisii de CO2 semnificativ mai mici decât siderurgia convențională — definit de obicei ca fiind sub 0,5 tone de CO2 per tonă de oțel. Calea principală este H2-DRI-EAF utilizând hidrogen verde alimentat cu energie regenerabilă. Oțelul verde actual poartă o primă de cost de 100-300 USD/tonă față de oțelul convențional, în funcție de costul hidrogenului verde. Pe măsură ce costurile energiei regenerabile scad, această primă este de așteptat să se reducă.

De ce domină China ruta BF-BOF?

China și-a construit cea mai mare parte a capacității siderurgice în ultimii 30 de ani folosind tehnologia BF-BOF pentru că a fost cel mai ieftin mod de a scala rapid producția, pentru că era disponibil cărbunele cocsificabil și pentru că fierul vechi era rar într-o economie în curs de industrializare rapidă. China produce peste 1 miliard de tone de oțel pe an, ~90% prin BF-BOF. Pe măsură ce baza industrială a Chinei îmbătrânește și disponibilitatea fierului vechi crește, cota EAF crește treptat de la ~10% cât este în prezent.

Ce este HYBRIT și de ce contează?

HYBRIT este un joint-venture între SSAB, LKAB și Vattenfall menit să producă oțel fără fosili folosind reducerea directă cu hidrogen. În 2021 a livrat primul oțel fără fosili din lume — produs fără cărbune cocsificabil sau gaz natural — către Volvo AB. HYBRIT contează deoarece demonstrează că ruta H2-DRI-EAF poate funcționa comercial. Dacă este scalată, ar putea elimina aproximativ 2,33 tone de CO2 per tonă de oțel în întreaga industrie BF-BOF.

---

Concluzii principale

• Ruta furnal-convertizor (BF-BOF) utilizează minereu de fier și cărbune cocsificabil; cuptorul cu arc electric (EAF) utilizează fier vechi și electricitate. Acestea sunt lanțuri de aprovizionare cu materii prime fundamental diferite.
• BF-BOF emite aproximativ 2,33 tone de CO2 per tonă de oțel; EAF emite aproximativ 0,77 tone — o reducere de 67%.
• EAF are costuri de capital mult mai mici decât BF-BOF (~300-400 USD per tonă de capacitate față de 600-1.000 USD) și o flexibilitate operațională mai mare, dar este sensibil la prețurile electricității.
• EAF nu poate produce ușor clase de oțel plat de înaltă puritate pentru aplicații auto fără a adăuga unități de fier virgin pentru a dilua elementele reziduale — în special cuprul — care se acumulează din fierul vechi.
• Siderurgia globală este de aproximativ 70% BF-BOF și 30% EAF; cota EAF este în creștere pe măsură ce disponibilitatea fierului vechi crește și presiunea de decarbonizare se intensifică.
• Prețul carbonului EU ETS (~50-70 €/tonă CO2) adaugă 115-165 €/tonă cost implicit al carbonului la oțelul BF-BOF, creând presiune competitivă pe care EAF și importurile fără preț al carbonului nu o resimt în mod egal.
• DRI cu hidrogen verde (H2-DRI-EAF) este ruta de producere a oțelului cu cel mai mic nivel de carbon, reducând CO2 cu până la 95% față de BF-BOF; HYBRIT și Stegra în Suedia sunt principalele proiecte la scară comercială.
• Trecerea de la BF-BOF la EAF/DRI-EAF este un factor negativ pe termen lung pentru cărbunele cocsificabil și minereul de fier standard, și un factor pozitiv pentru peletele de minereu de fier de înaltă calitate și fierul vechi.

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.