废钢是电弧炉冶炼的最主要原料。废钢资源不足是影响电弧炉炼钢发展的主要原因之一。废钢来源一般有三个方面，即钢铁企业在生产过程中的自产废钢、工矿企业在生产过程中的加工废钢、社会（生产、生活、国防等）废弃钢铁材料（包括拆旧废钢如：报废汽车、舰船、钢结构桥梁与建筑钢等）。由于技术的进步，前两个原因产生的废钢量下降，社会废钢量不断增加。由于社会废钢重复使用或含有较多量的Cu、Sn、As、Pb 等不易去除的有害元素，造成一些有害元素在钢中富集，废钢质量下降。为了解决废钢短缺及质量下降的问题，必须开发废钢替代品。目前，主要的废钢替代品有：铁水（生铁）、直接还原铁（DRI）、脱碳粒铁、碳化铁、复合金属料等。

01

铁水（生铁）

现代电弧炉广泛采用碳氧枪、二次燃烧、氧燃烧嘴技术、炉气二次燃烧技术等，吸收融合了转炉强化冶炼技术，特别是供氧强度大大提高，用氧量高达30Nm3/t 左右，有的甚至超过40Nm3/t，接近转炉用氧量。与之相应的是配碳量提高，加铁水（生铁）是最有效的配碳方法。当铁水加入量较大时，由于氧化钢液中的元素（主要是碳），产生大量的化学热，冶炼时可有一段时间不供电，即电炉转炉化冶炼，我国甚至出现了全铁水电炉转炉化冶炼方式。长流程钢铁企业有电弧炉的基本都采用加铁水工艺，而且部分电弧炉流程钢厂新建高炉提供铁水，以解决废钢资源短缺及电炉流程生产成本高的问题。新建高炉为电弧炉供给铁水的方法，从目前及今后的发展来说不可取。

电弧炉炼钢加铁水技术具有以下优点：

1）对非平熔池冶炼炉型，可以优化供电，提前形成熔池，增加大功率供电时间，缩短冶炼周期；

2）增加物理热和化学热，提高热效率；

3）可以稀释钢液中的有害金属杂质元素含量。

加铁水量不是越多越好，将铁水比控制在30%-50%是较为合适。当供氧强度较低时，最佳铁水比约为30%左右；供氧强度大时，铁水比可达50%。德国普锐特公司开发的Quantum 电弧炉，为了获得足够好的预热效益，提出废钢至少应当使用50%。全铁水电炉转炉化冶炼方式，已使电弧炉失去了在可持续发展方面的优越性。

生铁主要是将铁水（液态铁）铸造成铸锭，全球生铁在电弧炉中的平均使用量为金属总量的5%-10%。

02 直接还原铁

目前，95%的直接还原铁用于电弧炉生产。直接还原是指铁矿石和含铁氧化物，在低于熔化温度之下，还原成金属产品的炼铁过程，一般在竖炉或回转窑中进行。根据产品不同，分为海绵铁、金属化球团及热压块铁三类。生产方法有气基直接还原法和煤基直接还原法。国内某电炉厂使用直接还原铁的数据如表1 所示。由表1 的数据可以得出电弧炉炼钢使用直接还原铁的优点：

1）化学成分稳定，有害杂质少，特别是P、S、N 含量，有利于生产高附加值产品；

2）质量稳定和低残余类元素（如铜小于0.002%），可以很好地稀释废钢中有害元素，增加废钢供应的选择空间；

3）海绵铁和热压块铁可以连续地装入炉内，断电时间少、热损失小，有利于节电，也有利于缩短电炉的冶炼时间，提高产量；

4）有利于造泡沫渣，延长炉内耐材和电极使用寿命。

目前在国外DRI在电弧炉中的使用量基本上都超过了50%，甚至有的使用了100%DRI。

03

脱碳粒铁

脱碳粒铁的全称为脱碳粒化生铁，是在高炉出铁时，经过高压水淬火，制取不同粒度的粒化生铁（3-10mm）。然后将其装入回转窑，通入一定量的混合气体，加热至一定温度，进行生铁脱碳，得到可供电弧炉炼钢所用的原料。脱碳粒铁的成分如表2 所示。

电弧炉使用脱碳粒铁具有以下优点：

1）脉石含量较直接还原铁低1%-3%，可降低电耗约10%；

2）S、P 含量低，杂质元素也较直接还原铁低；


3）粒铁表面少量的FeO，有利于电弧炉造泡沫渣。

04 碳化铁

生产碳化铁的基本原理是将铁矿石送进具有一定温度、压力的流化床反应器中，通入预热的工业气体（CO、CO2、CH4、H2、H2O 蒸汽）与其发生反应生成碳化铁，其反应式为：

3Fe2O3+ H2+ CH4= 2Fe3C+9H2O

碳化铁成分如表3 所示。

由表3 可见，碳化铁中含碳量高达6%，可满足现代电弧炉炼钢高配碳的要求，并且具有以下优点：

1）有利于电炉低氮钢的生产，电弧炉喷吹碳化铁炼钢时，钢中的氮含量从0.007%降低到0.003%-0.004%；

2）有利于造泡沫渣，使用碳化铁作原料时，即使不向熔池喷吹碳粉，也能很好地造泡沫渣；

3）有利于降低脱硫成本。碳化铁洁净，硫、磷含量低，一些扁平材生产厂使用部分碳化铁取代炉料中铁水，很容易降低吨钢脱硫成本；

4）有利于节能。碳化铁可在电弧炉炉顶加入，无需开启炉盖，减少了温度损失。

05

复合金属料

复合金属料是俄罗斯研制成功的一种用于替代炼钢生铁、球团矿、合格炉料坯及废钢的新型炉料。它是通过铸铁机，利用熔融的铁水和一定的配加工艺，填加15%-25%的填加料（烧结矿或球团矿），经冷却固结后而形成的。主要由炼钢生铁和内封的氧化铁组成。开发的复合金属料成分如表4 所示。

在电弧炉上应用时，较低温度下（1150-1200℃）即可形成泡沫渣。复合金属料块熔化时，“封存”于其中的填加料铁氧化物温度高于1100℃时，即开始与铁中的杂质进行化学反应，并形成渣相和CO；温度高于1200℃的情况下（低于废钢的熔化温度），电弧炉内就已经形成了可流动的起泡液体渣，连续地释放出一氧化碳气泡。实践表明：应用复合金属料，减少了氧气的消耗量，降低了电耗，缩短了冶炼时间。

综上所述，电弧炉配加一部分废钢替代品，不仅弥补了低残余元素废钢的不足，而且提高了钢水的纯净度。而电弧炉所用造渣料基本上与转炉类似。