不锈钢全流程碳控排研究

杨瑞军，王文厚，李敏二，赵 强

（中国宝武山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

钢铁行业作为国民经济的中流砥柱，同时也是工业领域的碳排放大户。面对“双碳”挑战[1-2]，任务艰巨，任重而道远。

欧盟CBAM 碳边境调节机法案[3]已与2023 年5 月17 日正式生效，2023 年10 月—2025 年12 月为过渡期，需要出口企业提交季度报告，从2026 年开始，正式征收碳关税。

太钢作为全球不锈钢行业领军企业，高度重视双碳工作，按照中国宝武绿色低碳战略部署，确立了一个低碳发展中心、三个低碳发展阶段、四个低碳实施步骤、六大低碳发展路径、最终实现零碳目标的“13460”绿色低碳发展模式[4]，对不锈钢低碳控排冶炼进行探索性研究。

本文以300 系不锈钢为例，从主要工序生产工艺、原料和能耗等方面进行研究，分析不锈钢全流程碳排放分布，提出了不锈钢制造过程碳控排的方向和解决措施。

1 300 系不锈钢碳控排工艺技术

300 系不锈钢在常温下具有奥氏体组织，钢中Cr质量分数为18%、Ni 质量分数为8%～10%，合金元素含量较高，不锈钢冶炼过程中要加入大量的铬、镍合金。目前，太钢300 系不锈钢采用镍生铁、高碳铬铁和不锈废钢为主要原料，镍铬系原料全部外购，废钢部分外购。304 不锈钢是太钢的主要品种，炼钢二厂北区生产的304 不锈钢年产量约130 万t，占300 系不锈钢总产量的41%。以下主要针对304 不锈钢不同原料条件下的冶炼工艺进行碳排放分析测算。

太钢304 不锈钢采用镍生铁、铬生铁和不锈废钢为主要原料，根据不同的原料开发了对应的工艺路线及配料结构，如表1 所示。

表1 304 不锈钢不同工艺配料

炼钢二厂北区生产304 不锈钢采用镍生铁工艺，通过中频炉熔化生铁和铬铁，预熔液混匀后兑入AOD 炉冶炼。采用主原料为废钢的工艺，通过电炉熔化废钢，预熔液兑入AOD 炉进行冶炼，后部工序主要为热连轧、冷连轧，工艺流程如图1 所示。

图1 镍生铁工艺和废钢工艺钢铁生产工艺流程

2 300 系不锈钢碳控排路线

2.1 304 不锈钢生产过程（大门—大门）碳排放

根据炼钢二厂实际生产过程配料结构，计算太钢北区304 不锈钢制造过程碳排放量，结果表明，两种工艺工序直接碳排放量与中间产品间接碳排放量相差17 kg/t，自产能源间接排放量相差235 kg/t。

生产304 不锈钢的原料主要为固态原料，碳排放主要在炼钢工序产生，占比在50%以上，如表2 所示。将能源系统单独列出，则显示自产能源介质（电力、O2、N2和Ar 等）的使用是造成各工序碳排放的最重要因素，占75%以上，如表3 所示。

表3 304 冷连轧卷产品碳排放量各工序分布2

能源系统是内部碳排放的最重要因素，304 不锈钢冷连轧卷各产品因使用自产能源带入的碳排放的构成如表4 所示。其中，电力的使用是能源系统碳排放的最大来源，镍生铁工艺占比65%，废钢工艺占比约为72%。

表4 304 冷连轧卷各产品的内部能源碳排放量构成

2.2 304 不锈钢生命周期（摇篮—大门）碳排放

304 不锈钢主要品种结构为冷轧卷，根据炼钢二厂北区304 不锈钢工艺路线和配料结构，考虑铬、镍原料和辅料等上游碳排放量，计算包括原料制造过程的碳排放。结果表明，碳排放主要分布在上游阶段，镍生铁工艺、废钢工艺的产品上游阶段占比分别达到了94.0%、74.2%，而太钢内部制造过程排放仅占6.0%、25.8%。因此，将碳减排的重点放在上游阶段。

上游不同原料对不锈钢碳排放的影响程度，如表5 所示。

表5 304 不锈钢上游不同原料影响因素分析

由表5 可知，从产品生命周期碳减排的角度，应优先考虑铬铁、镍铁的影响，减少用量或通过绿色采购减少其单位产品碳排放，是减少产品生命周期碳排放的重要方向。

3 结论

1）以外购固态原料为主的300 系不锈钢，由于原料不同而催生了不同的冶炼工艺，以镍生铁为原料的中频炉＋中频炉工艺，可充分利用原料中Si、C 元素化学热，提高冷料比，减少步骤费和电耗。

2）冷卷不锈钢钢铁制造过程（大门—大门）碳排放较低，304 不锈钢的碳排放中，电力的使用是能源系统碳排放的最大来源，采用绿电是降低碳排放的重要的措施之一。

3）冷卷不锈钢全生命周期（摇篮—大门）碳排放量较高，不同工艺差别较大，镍生铁工艺、废钢工艺的产品上游阶段占比分别达到了94.0%、74.2%。碳排放主要来源于铬镍合金制备过程，增加不锈废钢用量是降低300 系不锈钢碳排放的最主要的措施之一。

太钢深刻分析把握不锈钢全产业链、全生命周期碳生成与碳排放特点，积极研究不锈钢低碳控排，探索绿色低碳技术，逐步形成由清洁能源制取、低碳不锈钢原料制备、碳捕集循环利用、不锈钢渣资源利用和零碳绿色高性能不锈钢产品开发构建的不锈钢低碳冶金技术路线图，为太钢紧紧依靠科技创新和技术进步，提升绿色低碳发展能力与水平指明了方向。