Электродуговая печь против доменной печи: выбросы CO2, затраты и будущее сталелитейной промышленности

Определения: электродуговая печь и доменная печь
В доменной печи (BF) для производства жидкого чугуна, который затем перерабатывается в сталь в кислородном конвертере (BOF), используются железная руда и коксующийся уголь. В электродуговой печи (EAF) стальной лом расплавляется в жидкую сталь с помощью электрических дуг высокого напряжения. Доменный процесс выбрасывает около 2,33 тонны CO2 на тонну стали, а электродуговой — около 0,77 тонны. Мировое производство стали примерно на 70% состоит из цепочки BF-BOF и на 30% — из EAF, однако это соотношение меняется по мере усиления давления в вопросах декарбонизации.

---

Содержание

1. Доменный процесс: от железной руды до стали
2. Электродуговой процесс: от лома до стали
3. Сравнение выбросов CO2
4. Сравнение затрат: капитальные и операционные расходы
5. Ограничения EAF: сорта стали
6. Мировая доля: почему существует соотношение 70/30
7. DRI на «зеленом» водороде: третий путь
8. Последствия для торговли сырьевыми товарами
9. Часто задаваемые вопросы
10. Основные выводы

---

Доменный процесс: от железной руды до стали

Доменная печь остается доминирующей технологией в металлургии уже более 150 лет. Это масштабный непрерывный процесс, работающий 24 часа в сутки в течение 20 лет между капитальными ремонтами.

Железная руда — как правило, окатыши или агломерат (спеченная мелкая руда) с содержанием железа 62-65% Fe — загружается в верхнюю часть печи вместе с коксом (пористый углеродистый материал, получаемый путем обжига коксующегося угля без доступа кислорода) и известняком (флюс для удаления примесей).

Горячий воздух (иногда обогащенный кислородом) подается снизу через сопла, называемые фурмами. Кокс сгорает, создавая температуру свыше 1500°C. Оксид углерода от сгорания кокса восстанавливает оксид железа в руде до жидкого чугуна. Известняк реагирует с примесями (кремнезем, глинозем), образуя шлак — легкую жидкость, которая всплывает над чугуном и выпускается отдельно.

Жидкий чугун, называемый передельным чугуном, выпускается из нижней части печи в чугуновозы и транспортируется в кислородный конвертер (BOF). В BOF через металл под высоким давлением продувается чистый кислород. Это быстро (примерно за 20 минут) выжигает лишний углерод и другие примеси, превращая чугун в жидкую сталь.

Затем сталь разливается в слябы, блюмы или заготовки для последующей прокатки.

Одна крупная доменная печь может производить 10 000-12 000 тонн чугуна в сутки. Крупные интегрированные металлургические комбинаты (BF + BOF) включают предприятия ArcelorMittal в Бельгии и Германии, комплекс Tata Steel в Порт-Толботе (Великобритания), а также массивные заводы POSCO и NSSMC в Южной Корее и Японии.

---

Электродуговой процесс: от лома до стали

Электродуговая печь (EAF) принципиально проще доменной. По сути, это большая чаша с огнеупорной футеровкой, оснащенная тремя крупными графитовыми электродами. При прохождении высоковольтного электричества через электроды между ними и металлической шихтой возникают электрические дуги, температура которых превышает 3500°C.

Основным сырьем является стальной лом — нарезанный, измельченный и отсортированный по типам:

• Тяжелый лом (HMS 1&2): Крупные металлоконструкции, демонтированное промышленное оборудование
• Измельченный лом: Переработанные автомобили и бытовая техника
• Промышленный лом: Обрезки от штамповки и строительства
• Прямое восстановленное железо (DRI) / горячебрикетированное железо (HBI): Используется для разбавления вредных примесей (см. раздел об ограничениях)

Лом загружается в печь, электроды опускаются, и дуга расплавляет материал за 40-60 минут. Кислород впрыскивается для выжигания углерода и примесей. Добавляется известь для формирования шлака. Для получения требуемого химического состава вводятся легирующие элементы (марганец, кремний, хром).

Результатом является жидкая сталь, которая выпускается в ковш и проходит дальнейшую обработку в печи-ковше для корректировки температуры и состава перед непрерывной разливкой.

EAF меньше и гибче доменных печей. Типичная EAF производит 200-400 тонн стали за одну плавку, выполняя несколько плавок в день. Заводы EAF могут быть остановлены в периоды высоких цен на электроэнергию и перезапущены — что невозможно для непрерывно работающей доменной печи.

---

Сравнение выбросов CO2

Здесь пути этих двух технологий наиболее сильно расходятся.

Маршрут	Интенсивность выбросов CO2	Источники выбросов
BF-BOF (интегрированный)	~2,33 т CO2 на 1 т стали	Сжигание кокса, восстановление руды, использование энергии
EAF (на базе лома)	~0,77 т CO2 на 1 т стали	Генерация электроэнергии, расход электродов, флюсы
DRI-EAF (на газе)	~1,0-1,4 т CO2 на 1 т стали	Природный газ для восстановления DRI, электроэнергия
H2-DRI-EAF («зеленый» водород)	<0,1 т CO2 на 1 т стали	Только возобновляемая электроэнергия

Согласно данным World Steel Association, маршрут BF-BOF выбрасывает около 2,33 тонны CO2 на каждую тонну сырой стали. Подавляющая часть выбросов приходится на коксующийся уголь — углерод химически необходим в доменном процессе как топливо и восстановитель. Невозможно убрать уголь из доменной печи, сохранив производство чугуна.

Маршрут EAF выбрасывает около 0,77 тонны CO2 на тонну стали, в основном из-за электроэнергии, питающей дугу. Этот показатель критически зависит от углеродоемкости энергосети. EAF, работающая на 100% возобновляемой энергии, практически не имеет прямых выбросов CO2.

В контексте ЕС: цены на выбросы углерода в рамках EU ETS (в настоящее время 50-70 евро за тонну CO2) означают, что производство стали BF-BOF несет скрытые расходы на углерод в размере около 115-165 евро за тонну. Это серьезное конкурентное disadvantage по сравнению с EAF или импортом из стран без углеродного регулирования, что и стало причиной введения механизма CBAM.

---

Сравнение затрат: капитальные и операционные расходы

Эти два пути имеют противоположные структуры затрат.

Капитальные затраты (строительство завода):

Маршрут	Типичные капзатраты	Примечания
Интегрированный BF-BOF (новое стр-во, 3-4 млн т/год)	$2-4 млрд	Включает домну, коксовые батареи, конвертер, станы
EAF мини-завод (новое стр-во, 1-2 млн т/год)	$300-600 млн	Намного ниже в расчете на тонну мощности

Для доменного производства требуется полноценный интегрированный комплекс. Капитальные затраты на тонну годовой мощности составляют 600-1000 долларов.

Мини-завод EAF можно построить за 300-400 долларов на тонну мощности. Именно поэтому технология EAF позволила таким компаниям, как Nucor, Steel Dynamics и Commercial Metals в США, строить региональные сталелитейные предприятия со значительно меньшими затратами.

Операционные затраты:

Заводы BF-BOF имеют высокие затраты на сырье (железная руда + уголь), но предсказуемую экономику после запуска. Коксующийся уголь составляет 30-40% операционных расходов BF-BOF. Домну нельзя остановить и перезапустить дешево — она работает постоянно.

Заводы EAF имеют более низкие затраты на сырье (лом дешевле первичного железа), но крайне чувствительны к ценам на электроэнергию (25-35% операционных расходов). Когда цены на электричество растут (как в Европе в 2022 году), заводы EAF либо поглощают убытки, либо сокращают производство. EAF также обладает гибкостью: заводы можно приостановить в периоды пиковых цен.

---

Ограничения EAF: сорта стали

Маршрут EAF имеет фундаментальное металлургическое ограничение: загрязнение «вредными» примесями из лома.

Стальной лом содержит остаточные элементы из состава исходной стали: медь, олово, никель, молибден, хром. Эти элементы выживают после процесса плавки и не могут быть удалены окислением. Главный виновник — медь. Медь в стали выше пороговых уровней (обычно 0,1-0,2%) ухудшает пластичность — сталь трескается при горячей прокатке. Для сортового проката (арматура, балки, катанка) допуски по меди свободные, и EAF отлично справляется. Для плоского проката (автомобильные панели, электротехническая сталь) содержание меди должно быть очень низким — часто менее 0,04%.

Практический метод удаления меди из жидкого металла отсутствует. Единственное решение — разбавление первичным железом (чугун, DRI или HBI). Поэтому рынок автомобильной и качественной электротехнической стали по-прежнему обслуживается в основном интегрированными производителями BF-BOF.

---

Мировая доля: почему существует соотношение 70/30

Мировое производство сырой стали составляет около 1900 млн тонн в год (данные за 2023 год). Разделение:

• BF-BOF: около 70% (~1330 млн тонн)
• EAF: около 29% (~550 млн тонн)
• Прочее: ~1%

Причина доминирования BF-BOF — Китай, производящий более 50% стали в мире, из которых около 90% приходится на маршрут BF-BOF. Вне Китая доля EAF значительно выше: в США — около 70%, в ЕС — около 40%, в Турции — около 70%.

---

DRI на «зеленом» водороде: третий путь

Самое значимое развитие в металлургии на ближайшее десятилетие — прямое восстановление железа с использованием водорода (H2-DRI) в сочетании с EAF.

DRI — это железо, получаемое путем восстановления руды восстановительным газом. Традиционно используется природный газ, но переход на «зеленый» водород (получаемый электролизом воды с помощью возобновляемой энергии) делает процесс экологически чистым. Побочным продуктом является только вода (H2O), а не CO2. В сочетании с EAF, работающей на возобновляемых источниках, путь H2-DRI-EAF может сократить выбросы CO2 на ~95% по сравнению с BF-BOF.

Крупнейшие проекты: HYBRIT (Швеция: SSAB, LKAB, Vattenfall) и H2 Green Steel (ныне Stegra, Швеция).

---

Последствия для торговли сырьевыми товарами

Переход от BF-BOF к EAF/DRI-EAF имеет долгосрочные последствия:

• Спрос BF-BOF: Падение спроса на коксующийся уголь и железную руду стандартного качества.
• Спрос EAF: Рост спроса на стальной лом, что делает его более дорогим и дефицитным.
• Спрос H2-DRI: Рост спроса на высококачественные железорудные окатыши (содержание Fe 67%+), что является «бычьим» фактором для данного сегмента сырья.

---

Часто задаваемые вопросы

Что дешевле в эксплуатации — домна или EAF?

Зависит от локальной стоимости сырья. Там, где лом дешев, а электричество доступно, EAF дешевле. Где лом редок, а энергия дорога, преимущество у BF-BOF.

Может ли EAF производить автомобильную сталь?

Да, но с оговорками. Для автолиста требуются очень низкие уровни меди, что вынуждает заводы EAF использовать дорогие чистые добавки (DRI/HBI) для разбавления шихты.

Что такое «зеленая» сталь?

Сталь, произведенная с минимальными выбросами CO2 (обычно менее 0,5 т CO2 на 1 т стали). Основной путь — H2-DRI-EAF.

---

Основные выводы

• Маршруты BF-BOF и EAF имеют принципиально разные цепочки поставок сырья.
• EAF снижает выбросы CO2 на 67% по сравнению с BF-BOF (0,77 против 2,33 т CO2 на тонну).
• EAF имеет более низкие капзатраты ($300-400 против $600-1000 за тонну мощности) и большую гибкость.
• EAF сложно производить высокочистые сорта плоского проката из-за накопления примесей (меди) в ломе.
• Глобальный переход на H2-DRI-EAF будет стимулировать спрос на высококачественные окатыши и лом, снижая потребность в угле.

Связанные материалы

Чтобы глубже разобраться в темах, затронутых в этой статье, изучите эти связанные руководства: the full ferrous chain from iron ore to finished steel, the scrap grades and pricing mechanisms that feed electric furnaces и how carbon pricing policies affect the cost gap between the two routes.