廢鋼是電弧爐冶煉的最主要原料。廢鋼資源不足是影響電弧爐煉鋼發(fā)展的主要原因之一。廢鋼來源一般有三個方面，即鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中的自產(chǎn)廢鋼、工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中的加工廢鋼、社會（生產(chǎn)、生活、國防等）廢棄鋼鐵材料（包括拆舊廢鋼如：報廢汽車、艦船、鋼結(jié)構(gòu)橋梁與建筑鋼等）。由于技術(shù)的進(jìn)步，前兩個原因產(chǎn)生的廢鋼量下降，社會廢鋼量不斷增加。由于社會廢鋼重復(fù)使用或含有較多量的Cu、Sn、As、Pb 等不易去除的有害元素，造成一些有害元素在鋼中富集，廢鋼質(zhì)量下降。為了解決廢鋼短缺及質(zhì)量下降的問題，必須開發(fā)廢鋼替代品。目前，主要的廢鋼替代品有：鐵水（生鐵）、直接還原鐵（DRI）、脫碳粒鐵、碳化鐵、復(fù)合金屬料等。
01
鐵水（生鐵）
現(xiàn)代電弧爐廣泛采用碳氧槍、二次燃燒、氧燃燒嘴技術(shù)、爐氣二次燃燒技術(shù)等，吸收融合了轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉技術(shù)，特別是供氧強(qiáng)度大大提高，用氧量高達(dá)30Nm3/t 左右，有的甚至超過40Nm3/t，接近轉(zhuǎn)爐用氧量。與之相應(yīng)的是配碳量提高，加鐵水（生鐵）是最有效的配碳方法。當(dāng)鐵水加入量較大時，由于氧化鋼液中的元素（主要是碳），產(chǎn)生大量的化學(xué)熱，冶煉時可有一段時間不供電，即電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉，我國甚至出現(xiàn)了全鐵水電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉方式。長流程鋼鐵企業(yè)有電弧爐的基本都采用加鐵水工藝，而且部分電弧爐流程鋼廠新建高爐提供鐵水，以解決廢鋼資源短缺及電爐流程生產(chǎn)成本高的問題。新建高爐為電弧爐供給鐵水的方法，從目前及今后的發(fā)展來說不可取。
電弧爐煉鋼加鐵水技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）對非平熔池冶煉爐型，可以優(yōu)化供電，提前形成熔池，增加大功率供電時間，縮短冶煉周期；
2）增加物理熱和化學(xué)熱，提高熱效率；
3）可以稀釋鋼液中的有害金屬雜質(zhì)元素含量。
加鐵水量不是越多越好，將鐵水比控制在30%-50%是較為合適。當(dāng)供氧強(qiáng)度較低時，最佳鐵水比約為30%左右；供氧強(qiáng)度大時，鐵水比可達(dá)50%。德國普銳特公司開發(fā)的Quantum 電弧爐，為了獲得足夠好的預(yù)熱效益，提出廢鋼至少應(yīng)當(dāng)使用50%。全鐵水電爐轉(zhuǎn)爐化冶煉方式，已使電弧爐失去了在可持續(xù)發(fā)展方面的優(yōu)越性。
生鐵主要是將鐵水（液態(tài)鐵）鑄造成鑄錠，全球生鐵在電弧爐中的平均使用量為金屬總量的5%-10%。
02 直接還原鐵
目前，95%的直接還原鐵用于電弧爐生產(chǎn)。直接還原是指鐵礦石和含鐵氧化物，在低于熔化溫度之下，還原成金屬產(chǎn)品的煉鐵過程，一般在豎爐或回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行。根據(jù)產(chǎn)品不同，分為海綿鐵、金屬化球團(tuán)及熱壓塊鐵三類。生產(chǎn)方法有氣基直接還原法和煤基直接還原法。國內(nèi)某電爐廠使用直接還原鐵的數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 的數(shù)據(jù)可以得出電弧爐煉鋼使用直接還原鐵的優(yōu)點(diǎn)：
1）化學(xué)成分穩(wěn)定，有害雜質(zhì)少，特別是P、S、N 含量，有利于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品；
2）質(zhì)量穩(wěn)定和低殘余類元素（如銅小于0.002%），可以很好地稀釋廢鋼中有害元素，增加廢鋼供應(yīng)的選擇空間；
3）海綿鐵和熱壓塊鐵可以連續(xù)地裝入爐內(nèi)，斷電時間少、熱損失小，有利于節(jié)電，也有利于縮短電爐的冶煉時間，提高產(chǎn)量；
4）有利于造泡沫渣，延長爐內(nèi)耐材和電極使用壽命。
目前在國外DRI在電弧爐中的使用量基本上都超過了50%，甚至有的使用了100%DRI。
03
脫碳粒鐵
脫碳粒鐵的全稱為脫碳粒化生鐵，是在高爐出鐵時，經(jīng)過高壓水淬火，制取不同粒度的粒化生鐵（3-10mm）。然后將其裝入回轉(zhuǎn)窯，通入一定量的混合氣體，加熱至一定溫度，進(jìn)行生鐵脫碳，得到可供電弧爐煉鋼所用的原料。脫碳粒鐵的成分如表2 所示。
電弧爐使用脫碳粒鐵具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）脈石含量較直接還原鐵低1%-3%，可降低電耗約10%；
2）S、P 含量低，雜質(zhì)元素也較直接還原鐵低；
3）粒鐵表面少量的FeO，有利于電弧爐造泡沫渣。
04 碳化鐵
生產(chǎn)碳化鐵的基本原理是將鐵礦石送進(jìn)具有一定溫度、壓力的流化床反應(yīng)器中，通入預(yù)熱的工業(yè)氣體（CO、CO2、CH4、H2、H2O 蒸汽）與其發(fā)生反應(yīng)生成碳化鐵，其反應(yīng)式為：
3Fe2O3+ H2+ CH4= 2Fe3C+9H2O
碳化鐵成分如表3 所示。
由表3 可見，碳化鐵中含碳量高達(dá)6%，可滿足現(xiàn)代電弧爐煉鋼高配碳的要求，并且具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）有利于電爐低氮鋼的生產(chǎn)，電弧爐噴吹碳化鐵煉鋼時，鋼中的氮含量從0.007%降低到0.003%-0.004%；
2）有利于造泡沫渣，使用碳化鐵作原料時，即使不向熔池噴吹碳粉，也能很好地造泡沫渣；
3）有利于降低脫硫成本。碳化鐵潔凈，硫、磷含量低，一些扁平材生產(chǎn)廠使用部分碳化鐵取代爐料中鐵水，很容易降低噸鋼脫硫成本；
4）有利于節(jié)能。碳化鐵可在電弧爐爐頂加入，無需開啟爐蓋，減少了溫度損失。
05
復(fù)合金屬料
復(fù)合金屬料是俄羅斯研制成功的一種用于替代煉鋼生鐵、球團(tuán)礦、合格爐料坯及廢鋼的新型爐料。它是通過鑄鐵機(jī)，利用熔融的鐵水和一定的配加工藝，填加15%-25%的填加料（燒結(jié)礦或球團(tuán)礦），經(jīng)冷卻固結(jié)后而形成的。主要由煉鋼生鐵和內(nèi)封的氧化鐵組成。開發(fā)的復(fù)合金屬料成分如表4 所示。
在電弧爐上應(yīng)用時，較低溫度下（1150-1200℃）即可形成泡沫渣。復(fù)合金屬料塊熔化時，“封存”于其中的填加料鐵氧化物溫度高于1100℃時，即開始與鐵中的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并形成渣相和CO；溫度高于1200℃的情況下（低于廢鋼的熔化溫度），電弧爐內(nèi)就已經(jīng)形成了可流動的起泡液體渣，連續(xù)地釋放出一氧化碳?xì)馀荨嵺`表明：應(yīng)用復(fù)合金屬料，減少了氧氣的消耗量，降低了電耗，縮短了冶煉時間。
綜上所述，電弧爐配加一部分廢鋼替代品，不僅彌補(bǔ)了低殘余元素廢鋼的不足，而且提高了鋼水的純凈度。而電弧爐所用造渣料基本上與轉(zhuǎn)爐類似。
