直流电弧炉技术特性述评

直流电弧炉技术特性述评
高崇
A View on Technique Feature of DC Arc Furnace
Gao Chong
(Beiman Special Steel Co Ltd, Qiqihaer 161041)▲
1 直流电弧炉发展历史
直流电弧炉经过100多年的反复研究和实践，至今才日臻完善。

1885年ASEA设计了世界上第1座直流电弧炉(电极为水平位置)。

到1985年才发展成为现代直流电弧炉(电极为垂直位置)。

这期间，直流电弧炉的发展经历了复杂的研究开发和实验过程。

1976年，实验炉试验。

1977～1978年，试验和评估有关的闪烁，噪音和电极结构。

1978～1980年，横向炉底电极的设计和试验(不成功)。

1980～1983年，电气参数确定以及顶电极和底电极系统配置(多种新设计)。

1983～1984年，工业规模用底电极初次试验。

1985～1986年，水冷底电极设计的长时间试验。

1986年，SME炉投产(75 t，82 MVA多根顶电极和底电极)。

1987年以后，分别有100 t 100 MVA,120 t 100 MVA，150 t 160 MVA等直流电弧炉投产，底电极为水冷棒状、针状、导电炉底等多种设计。

2 直流电弧炉(DC)与交流电弧炉(AC)的特性比较
DC炉-AC炉的设计、制造、改进及操作等情况对比见表1。

表1 DC炉-AC炉特性比较
Table 1 Feature comparison of DC furnace and AC furnace
3 直流电弧炉的优势
3.1 电极消耗
直流电弧的最大优点是石墨电极消耗大幅度降低。

直流电弧炉与交流电弧炉一样，电极消耗由下列3部分组成，电极尖端消耗Ct，侧面氧化Cs和断裂Cb;其中Ct与操作时间、电极电流平方及电极根数成正比。

Cs与操作时间、电极的功率损失及电极根数成正比。

(功率损失与电极电流平方成正比)。

Cb与电极根数成正比。

断裂还与废钢类型、废钢负载、处理等有关，但是它与电气操作系数无关。

评价这些条件以后，就能较精确地预测；容量相同的直流电弧炉与交流电弧炉相比，电极消耗是多么的低。

其结果表明：在大部分情况下，石墨电极消耗节约50%左右，目前各国的生产实践也证明了这一数据。

3.2 能源消耗
根据一些装置的经验表明，直流电弧炉也能节约能源。

尽管在直流电弧炉的后面还有一些附加设备，如整流器等，这些装置当然也有功率损失。

但也较AC炉约降低能耗5%，这一节约值减少了直流电弧炉的吨钢成本。

直流电弧炉只有一根电极，因此电极消耗较低，其次，只有一只水冷电极夹持器和一只水冷密封盖。

由于炉盖上只有一只电极孔，所以，直流电弧炉密封性好。

因使用直流电，故无感应功率损耗。

又由于熔池自然搅拌以及炉内热分布均匀，电弧和炉料的热传导更加有效。

3.3 热分布
大部分现代电弧炉车间，随着使用泡沫渣屏蔽电弧及改善炉料热传导后，采用长电弧操作。

因为电弧炉中央使用单电极，而且直流电弧垂直对着熔池燃烧，所以，直流电熔炼能使用更长的电弧。

结果是直流电弧炉中的加热方式比交流电弧更为均匀，在交流电弧炉内三根电弧由于电磁力相互排斥，因而使电弧热集中在各电极的外面。

由于直流电弧炉热分布均匀，所以废钢能更有效地熔毕。

炉壁不象交流电弧炉那样过早地受到电弧热而损坏。

3.4 耐火材料消耗
直流电弧炉渣线的热应力低，烧损少，渣线维修节约值很可观，这样就抵消了任何增加的炉底费用。

3.5 冶金控制
由于从电极到底电压发出的电流通过熔池所产生的电磁力，促进了钢水的有利搅动，熔池将在电极之下运动，沿着炉底向外流动，径向地返回到电极。

其优点是：更好地控制熔化过程。

取样可靠、代表性强，出钢温度可被控制在很小的公差范围内。

而在交流电弧炉中，电极电流只限制在电极之间的熔池层上，不能进入熔池。

3.6 闪烁控制
交流电弧炉的闪烁问题是大功率大容量交流电弧炉的一大难题，为使闪烁保持于一个可接受的水平，电源线必须足够结实。

根据普遍的经验，在共同接点的短路容量至少是炉子变压器额定功率的80倍。

直流电弧炉电流虽也会发生波动，但由于可控硅整流器能迅速、精确地调节，这些电流波动被较好地控制。

根据直流电弧炉的经验，短路容量只需要炉子变压器额定功率的40倍即可。

3.7 维修
由于有一根可移动的电极，因此，炉子上面的磨损和断裂的机械部件相应较少。

液压系统也相对简单。

由于不存在象交流电弧炉内遇到的那种电极前的热点，所以，炉壁使用寿命较长。

3.8 噪音及除尘
在4～5 min的冶炼初期熔落阶段后，直流电弧炉的噪音明显低于交流电弧炉。

由于电极孔排出物的减少，直流电弧炉的烟尘比交流电弧炉容易排除。

4 直流电弧炉不同类型底电极特点
直流电弧炉不同类型底电极的设计概括起来分三大类型：棒状底电极、导电炉底、针状底电极。

4.1 棒状底电极
棒状水冷底电极是直流电弧炉历史上研究时间最长、应用最普遍的底电极。

设计水冷棒状底电极必须满足下述条件：
(1) 可靠性。

电极设计要能经受得起长时间的高温精炼阶段。

(2) 电流分配控制。

降低因经炉底控制引起的偏弧所造成的电能消费。

(3) 炉底烘损。

最大限度地降低炉底烘损，以便能长时间进行作业而不需要更换炉底耐火材料和维修成本。

(4) 电流控制。

每根底电极能连续保持40～50 kA电流。

(5) 允许吹氧。

可以供泡沫渣作业和低碳钢生产之用，对炉底耐材不会有严重的烧损。

棒状水冷底电极主要包括一水冷铜套，它能提供连续冷却作用，一个隔热防护罩将一钢坯与铜套分开，钢坯与铜套基面相联。

该设计还包括一补偿器，它使水冷底电极对废钢加料时的冲击起缓冲作用而不会断裂。

需要85～200根针状底电极用的导电耐材，根据电流要求，可使用1根、2根、3根或4根的电极系统。

4.2 导电炉底
导电炉底是ABB的DC炉的技术核心。

DC炉底与整流器的正极连接，是炉子的电气有效部件，与接地的炉壳绝缘。

炉底是直立的，圆型法是由圆型构槽支撑着，并焊接在炉壳上。

炉底法是放置在构槽内，有等间距的砖支撑。

在构槽、支撑砖和法兰之间的空间填满捣打高熔点混合物，这些砖和捣打高熔点混合物是普通非导电材料，这些材料的技术条件和性能并不是关键。

球形炉底本身是由普通耐高温钢种制成，炉底内复盖一块大的球形铜板，并在适当位置用螺栓与炉底连接，四根电解铜端子焊接在铜板上，通过炉底的孔延伸下去，然后，挠性连接头将这些端子连接到炉子的正极母线管上。

炉衬总厚度大于常规炉子炉衬厚度，加厚的原因是因为石墨砖的导热性较高。

炉底的热量通过强制性的空冷流走。

冷风由轴式鼓风机提供，约17 kW，风道和分配罩设在炉底下。

下面由两层砖层，铜板和带支撑的绝缘法兰的炉底钢板作为永久的装置，通常不需要更换或维修。

上面砖层按需要进行维修，类似于常规的电炉炉底，熔炼之间的热修补和冷锤击，需停炉进行，在这种情况下，使用导电的含碳的镁砂混料。

导电炉底的优点：
(1) 大的电接触面积，低的电流负荷，10 kA/m2以下。

(2) 传流砖层和修补工艺。

(3) 使用预制砖有良好稳定的炉底质量。

(4) 安全。

4.3 针状底电极
针状底电极约由200根接触针组成，此针螺旋式地埋置在镁质干捣耐材中，接触针的底端用一风扇进行空冷，以便通过热传导保持安全的温度。

底电极消耗均匀每炉约1 mm，底电极的烧损区不能在一炉与一炉之间用喷补料修补，因为这可能复盖接触针。

因此，炉底的寿命决定于底电极的厚度，底电极的厚度为600～700 mm，其寿命为600～700炉。

5 直流电弧炉研究的新课题
直流电弧炉有很多优点，但克服以下方面的不足是直流电弧炉研究面临的新课题。

(1) 提高电气设备的可靠性，降低成本和设置面积(电气设备小型化)。

(2) 炉底电极寿命的大幅度延长，并确立简单的更换方法。

(3) 确立防电磁作用之对策(偏弧、对控制设备之影响，电磁作用对设备结构强度的影响)。

(4) 直流电弧炉辅助设备的连续自动化。

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作者简介：高崇，男，42岁，总经理。

毕业于鞍山钢铁学院冶炼专业，从事冶金工艺研究，曾获省科技进步一等奖等多项奖励。

作者单位：高崇(北满特殊钢股份有限公司，齐齐哈尔161041)。