电弧炉与高炉：二氧化碳排放、成本及炼钢的未来

电弧炉与高炉的定义
高炉（BF）使用铁矿石和焦炭生产铁水，随后在转炉（BOF）中转化为钢。电弧炉（EAF）利用高压电弧将废钢熔化成液态钢。高炉路线每吨钢排放约 2.33 吨二氧化碳；电弧炉路线排放约 0.77 吨。全球炼钢工艺比例大致为 70% 的 BF-BOF 和 30% 的 EAF，但随着脱碳压力的增加，这种平衡正在发生变化。

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目录

1. 高炉工艺路线：从铁矿石到钢
2. 电弧炉工艺路线：从废钢到钢
3. 二氧化碳排放对比
4. 成本对比：资本支出与运营成本
5. EAF 的短板：钢种限制
6. 全球份额：为什么存在 70/30 的比例
7. 绿色氢基 DRI：第三条路线
8. 这对大宗商品贸易意味着什么
9. 常见问题解答
10. 核心要点

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高炉工艺路线：从铁矿石到钢

高炉作为炼钢技术的主导地位已超过 150 年。这是一个庞大且连续的过程，每天 24 小时运行，两次大修之间的运行周期可长达 20 年。

铁矿石（通常是铁矿球团或烧结矿，铁含量为 62-65% Fe）与焦炭（通过在无氧条件下加热炼焦煤制成的多孔碳材料）和石灰石（用于去除杂质的熔剂）一起从高炉顶部装入。

热风（有时富含氧气）通过称为风口的喷嘴从底部吹入。焦炭燃烧产生的温度超过 1,500°C。燃烧焦炭产生的一氧化碳将矿石中的氧化铁还原为铁水。石灰石与杂质（二氧化硅、氧化铝）反应形成炉渣，这是一种漂浮在铁水之上的轻质液体，可单独排出。

熔融的铁，即生铁或铁水，从炉底放出进入鱼雷罐车，并运往转炉（BOF）。在 BOF 中，高压纯氧喷入铁水，迅速（约 20 分钟内）烧掉过量的碳和其他杂质，将生铁转化为钢水。

随后，钢水被浇铸成板坯、方坯或圆坯，用于后续的轧制和制造。

一座大型高炉每天可生产 10,000-12,000 吨铁水。主要的一体化炼钢厂（高炉 + BOF）包括 ArcelorMittal 在比利时和德国的工厂、Tata Steel 的 Port Talbot 工厂（英国），以及韩国和日本巨大的 POSCO 和 NSSMC 设施。

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电弧炉工艺路线：从废钢到钢

电弧炉（EAF）从本质上讲比高炉简单得多。它基本上是一个内衬耐火砖的大桶，装有三根大型石墨电极。当高压电流通过电极时，电极与金属装料之间会产生电弧，电弧附近的温度超过 3,500°C。

主要的装料是废钢，通过切割、撕碎并按类型分类：

• 重废（HMS 1&2）：大型结构钢、拆除的工业设备
• 撕碎废钢：破碎的汽车和白色家电
• 工厂废钢：冲压作业产生的新废料、建筑边角料
• 直接还原铁（DRI）/热压铁块（HBI）：用于稀释杂质元素（详见下文局限性章节）

将废钢装入炉内，放下电极，通过电弧在 40-60 分钟内加热并熔化材料。注入氧气以燃烧掉碳和杂质。加入石灰形成炉渣。加入合金（锰、硅、铬）以达到目标钢化学成分。

最终产物是排入钢包的液态钢，在连铸前会在钢包精炼炉中进行温度和成分调整。

EAF 比高炉更小、更灵活。典型的 EAF 每个冶炼周期（炉次）生产 200-400 吨钢，每天可进行多次冶炼。EAF 工厂可以在电价高昂期间停产并重启，这对于连续运行的高炉来说是不可能的。

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二氧化碳排放对比

这是两条路线差异最显著的地方。

路线	二氧化碳强度	排放来源
BF-BOF（一体化）	每吨钢约 2.33 吨二氧化碳	炼焦煤燃烧、铁矿石还原、能源使用
EAF（废钢基）	每吨钢约 0.77 吨二氧化碳	电力生产（电网）、电极消耗、熔剂
DRI-EAF（天然气基）	每吨钢约 1.0-1.4 吨二氧化碳	DRI 还原用天然气、电力
H2-DRI-EAF（绿色氢气）	每吨钢 < 0.1 吨二氧化碳	仅限可再生电力

根据世界钢铁协会的数据，BF-BOF 路线每生产一吨粗钢排放约 2.33 吨二氧化碳。这些排放中的绝大部分来自炼焦煤——在高炉工艺中，碳在化学上既是燃料又是还原剂，必不可少。如果从高炉中去除煤炭，将无法生产铁。

EAF 路线每吨钢排放约 0.77 吨二氧化碳，主要是电弧供电所消耗的电力。这一数值在很大程度上取决于电网的碳强度。使用 100% 可再生电力运行的 EAF 的直接二氧化碳排放几乎为零。而使用煤电的 EAF 排放量则较高。

在欧盟背景下：欧盟碳排放交易体系（EU ETS）的碳定价（目前为每吨二氧化碳 50-70 欧元）意味着一体化 BF-BOF 炼钢目前承担约每吨钢 115-165 欧元的隐含碳成本。与 EAF 生产商或来自未实施碳定价国家的进口产品相比，这是一个显著的竞争劣势——这正是欧盟碳边境调节机制（CBAM）设计的初衷。

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成本对比：资本支出与运营成本

这两条路线的成本结构截然不同。

资本支出（建厂成本）：

路线	典型资本支出	备注
一体化 BF-BOF（新建，3-4 百万吨/年）	20-40 亿美元	包括高炉、焦炉、转炉、轧机
EAF 微型钢厂（新建，1-2 百万吨/年）	3-6 亿美元	单位产能成本远低

高炉需要完整的一体化配套：焦化厂、烧结厂、高炉、热轧机或中厚板轧机以及所有相关基础设施。每吨年产能的资本支出约为 600-1,000 美元。

EAF 微型钢厂每吨年产能的建设成本仅为 300-400 美元。这就是为什么 EAF 技术使 Nucor、Steel Dynamics 和 Commercial Metals 等美国公司能够以远低于一体化钢铁厂的成本建立区域性炼钢厂。

运营成本：

BF-BOF 工厂原材料成本（铁矿石 + 炼焦煤）高昂，但一旦高炉运行，单位经济效益相对可预测。炼焦煤通常占 BF-BOF 运营成本的 30-40%。高炉无法廉价停产和重启，只能连续运行。

EAF 工厂原材料成本较低（单位含铁量的废钢比原生铁矿更便宜），但对电价高度敏感。电力可占 EAF 运营成本的 25-35%。当电价飙升时（如 2022 年的欧洲），EAF 工厂要么承担成本，要么减产。2022 年几家欧洲 EAF 炼钢商正是因为电价使得炼钢变得不经济而削减了产量。

EAF 还提供了运营灵活性：工厂可以在高电价时期停工并在随后重启。在电价波动剧烈的电力市场中，这是一项重大的竞争优势。

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EAF 的短板：钢种限制

EAF 路线存在一个根本性的冶金局限性：来自废钢的残余元素污染。

废钢不是纯铁。它包含源自原始钢材成分的残余合金元素：铜、锡、镍、钼、铬。这些元素在熔化过程中无法通过氧化去除（不像碳、硅和硫可以通过燃烧去除）。它们会在钢水中积累。

主要元凶是铜。钢中铜含量超过一定阈值（通常为 0.1-0.2%）会降低热加工性能——钢材表面在热轧时会开裂。这被称为热脆性。对于普通钢种（螺纹钢、型材、线材），铜的容差较大，基于废钢的 EAF 生产表现良好。对于汽车车身板、电工钢和镀锡包装钢等扁平材产品，铜含量必须极低，通常需低于 0.04%。

目前尚不存在经济可行的方法来去除熔融状态钢水中的铜。唯一的解决办法是稀释，即添加不含铜的原生铁单位（生铁、DRI 或 HBI）。生产高质量扁平钢的 EAF 工厂（如 Nucor 的 Crawfordsville 薄板厂）正是这样做的，将购入的生铁或 DRI 与废钢混合使用。

实际后果是：汽车钢、电工钢和高质量扁平轧材市场仍然主要由一体化 BF-BOF 生产商占据，因为它们使用没有残余元素污染的原生矿石。EAF 在长材（螺纹钢、型材、线材）和低档扁平材领域表现优异。

随着废钢回收率的提高以及随着残余元素积累导致废钢质量进一步下降，这一局限性将变得越来越重要。

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全球份额：为什么存在 70/30 的比例

全球粗钢产量约为每年 19 亿吨（2023 年数据）。比例分布如下：

• BF-BOF：约 70%（约 13.3 亿吨）
• EAF：约 29%（约 5.5 亿吨）
• 其他（平炉、感应炉）：约 1%

BF-BOF 主导地位的原因是中国。中国生产了全球 50% 以上的钢铁，每年约 10 亿吨，其中约 90% 的产量使用 BF-BOF 路线。中国在过去 30 年中建立了庞大的一体化钢铁工业基地，且由于中国工业化进程较快，废钢供应一直受到限制（大多数基础设施和建筑是近期建造的，尚未达到报废产生废钢的阶段）。

在中国以外，EAF 的份额要高得多：
– 美国：约 70% EAF，30% BF-BOF。Nucor、Steel Dynamics 和 Commercial Metals 是主要的 EAF 生产商。
– 欧盟：约 40% EAF（各国有差异，意大利接近 70% EAF；德国由于汽车需求，高炉比例仍然很高）
– 土耳其：约 70% EAF（利用地中海废钢贸易流的大型废钢进口国）

随着中国工业基础的老龄化和废钢供应的增加，预计到 2035 年，中国的 EAF 份额将从目前的约 10% 上升至 20-25%，这将导致全球市场动态发生重大转变。

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绿色氢基 DRI：第三条路线

未来十年炼钢技术领域最重要的发展是氢基直接还原铁（H2-DRI），结合 EAF 炼钢。

直接还原铁（DRI）是通过还原气体（传统上是天然气，主要是甲烷）在低于熔点（约 800-1,100°C）的温度下还原铁矿球团而制成的铁。矿石保持固体状态，但在化学上从氧化铁还原为金属铁。产物是一种海绵状金属材料，可以直接作为废钢替代品投入 EAF。

传统 DRI 工艺（使用天然气）每吨 DRI 排放约 1.0-1.4 吨二氧化碳——优于高炉，但并非零碳。

突破点是用绿色氢气替代天然气——通过使用可再生电力电解水产生的氢气。当氢气还原铁矿石时，唯一的副产品是水（H₂O），而非二氧化碳。结合可再生能源驱动的 EAF 炼钢，完整的 H2-DRI-EAF 路线每吨钢产生的二氧化碳不足 0.1 吨——较 BF-BOF 减排约 95%。

两个主要项目正在引领这项技术：

HYBRIT（氢能突破炼铁技术）：SSAB（瑞典）、LKAB（瑞典最大的铁矿石生产商）和 Vattenfall（瑞典能源公司）的合资企业。HYBRIT 在 2021 年生产了世界上第一批交付给客户（Volvo AB）的氢还原钢。商业规模生产计划于 2026-2030 年在 SSAB 的 Luleå 工厂实现。

H2 Green Steel（现称 Stegra）：一个位于瑞典 Boden 的在建绿地工厂。目标到 2030 年利用瑞典水电和风能，通过 H2-DRI-EAF 技术实现每年 500 万吨的绿色钢铁产量。

其他追求类似路线的公司包括 ArcelorMittal（带氢转型方案的 MIDREX DRI 工厂）、thyssenkrupp（杜伊斯堡的 tkH2Steel 项目）和 Salzgitter（SALCOS 计划）。

商业挑战：绿色氢气目前的成本为 4-8 美元/公斤，而能量相当的天然气仅为 1-2 美元/公斤。通过 H2-DRI 生产的绿色钢材与传统 BF-BOF 钢材相比，成本溢价为 100-300 美元/吨。能否通过“绿色溢价”将这一成本转嫁给买家，或通过碳定价吸收这一成本，是钢铁行业脱碳的核心商业问题。

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这对大宗商品贸易意味着什么

EAF 与 BF-BOF 的比例分化直接影响支撑每条路线的大宗商品贸易流。

BF-BOF 的需求：铁矿石（从澳大利亚、巴西海运）和炼焦煤（从澳大利亚、美国、加拿大、俄罗斯海运）。这是全球规模最大的海运干散货贸易之二。向非高炉路线的转型直接降低了对炼焦煤和优质铁矿球团的需求，这是这些大宗商品市场长期的阻力。

EAF 的需求：电力和废钢。全球废钢贸易规模巨大，土耳其是全球最大的废钢进口国，供应来自美国、欧盟和英国。全球 EAF 产能的增长意味着废钢需求上升，这将推高废钢价格并使废钢采购竞争更加激烈。

H2-DRI 的需求：高品位铁矿球团（DRI 比标准 BF-BOF 高炉矿石需要更高的铁含量——67% 以上）。这为 LKAB（瑞典）、CVRD/Vale（巴西）和 Bahrain Steel 的高品位球团创造了一个溢价市场。H2-DRI 的转型对高品位铁矿石是利好，对中品位高炉矿石则是利空。

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常见问题解答

高炉和电弧炉哪个运营成本更低？

这取决于各地原材料的成本。在废钢便宜且电力负担得起的地方，EAF 运营成本更低。在废钢稀缺且电价高昂的地方，BF-BOF 具有优势。美国的 EAF 微型钢厂的运营成本一直低于美国的一体化 BF-BOF 生产商，因为美国的废钢资源丰富且相对便宜。2022 年由于能源危机导致电价飙升，欧洲 EAF 生产商受到挤压。

电弧炉能生产汽车钢吗？

有些可以，但有重要前提。用于汽车应用的高质量扁平轧材需要极低的铜含量（低于 0.04%），以避免在轧制过程中出现热脆性。生产汽车级钢材的 EAF 工厂必须添加无铜原生铁单位（生铁、DRI 或 HBI）来稀释废钢。Nucor 的 Gallatin 和 Crawfordsville 薄板厂就是这样做的。但如果不添加大量的 DRI，EAF 扁平钢的质量上限低于一体化 BF-BOF 工厂。

什么是绿色钢铁，成本高出多少？

绿色钢铁是指二氧化碳排放量明显低于传统炼钢的钢材——通常定义为每吨钢排放低于 0.5 吨二氧化碳。领先的路径是使用可再生能源驱动的绿色氢气的 H2-DRI-EAF 工艺。目前的绿色钢材较传统钢材有 100-300 美元/吨的溢价，具体取决于绿氢成本。随着可再生能源成本下降，预计溢价将会缩小。

为什么中国主导了 BF-BOF 路线？

中国过去 30 年内建立的大部分钢铁产能都采用了 BF-BOF 技术，因为这是快速扩大生产的最便宜方式，且炼焦煤来源充足，而在快速工业化的经济体中废钢相对稀缺。中国每年生产超过 10 亿吨钢，约 90% 通过 BF-BOF 路线。随着中国工业基础的老龄化和废钢供应的增加，其 EAF 份额正在从目前的约 10% 逐渐上升。

什么是 HYBRIT，它为什么重要？

HYBRIT 是 SSAB、LKAB 和 Vattenfall 共同出资的合资企业，旨在利用氢气直接还原技术生产无化石钢铁。2021 年，它向 Volvo AB 交付了全球首批无化石钢铁——生产过程中未使用炼焦煤或天然气。HYBRIT 的重要性在于它证明了 H2-DRI-EAF 路线在商业上是可行的。如果实现规模化，它可以在 BF-BOF 行业中每吨钢消除约 2.33 吨二氧化碳。

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核心要点

• 高炉转炉路线（BF-BOF）使用铁矿石和炼焦煤；电弧炉（EAF）使用废钢和电力。这是两种本质上不同的原材料供应链。
• BF-BOF 每吨钢排放约 2.33 吨二氧化碳；EAF 排放约 0.77 吨，减排 67%。
• EAF 的资本成本远低于 BF-BOF（每吨产能约 300-400 美元，对比 600-1,000 美元），运营灵活性更高，但受电价影响较大。
• 如果没有加入原生铁单位来稀释废钢中积累的杂质元素（尤其是铜），EAF 难以轻松生产用于汽车应用的高纯度扁平钢。
• 全球炼钢工艺约 70% 为 BF-BOF，30% 为 EAF；随着废钢供应增加和脱碳压力加大，EAF 的份额正在上升。
• 欧盟碳交易体系（EU ETS）的碳价（每吨二氧化碳约 50-70 欧元）使 BF-BOF 钢铁增加了每吨 115-165 欧元的隐含碳成本，造成了 EAF 和不受同等碳定价限制的进口产品所无需面对的竞争压力。
• 绿色氢基 DRI（H2-DRI-EAF）是碳足迹最低的炼钢路线，较 BF-BOF 减排高达 95%；瑞典的 HYBRIT 和 Stegra 是主要的商业化规模项目。
• 从 BF-BOF 向 EAF/DRI-EAF 的转型对炼焦煤和标准铁矿石是长期利空，对高品位铁矿球团和废钢是利好。

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