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
项
目 AC电炉 DC电炉 试验炉实况及说明
电极单耗 作基准 下降50%～65% 3.2～1.2 kg/t钢；
无阳极下降引起消耗；
降低电极上部温度
电耗 作基准 降低5%～10% 功率输入密度高，熔化模型不同。
闪烁 作基准 降低50% 还在验证中；
已确认大幅度减少 噪音 作基准 熔化初期与AC炉同，但熔化中期后特别是融落后噪音极低 熔化初期115dB，融落后≤90dB;
因废钢而差异较大；
噪音频带不同
熔化模式 有热点冷点产生
吹氧 非常均匀熔化；
不须或减少吹氧 融落后电弧向反转方向偏向，这是DC炉课题之一
操作性 电弧短路等要求手动介入
比DC炉重现性差 电弧稳定操作容易；
通电过程不须手动介入 用可控硅整流器分别控制电流、电压；
操作自动化容易；
重现性好
操作原则 全部出钢也可
剩余钢液 期望留剩余钢液，但也可因所选废钢而全部出钢
炉体结构 没有炉底电极 上部1根电极；
需要进行炉底电极管理和维护(炉底厚度和温度管理) 炉顶可有效利用；
炉顶全面水冷化，使炉顶寿命延长
电气设备 作基准 可控硅整流器，直流扼流器等较复杂，但电极控制简单，电气室面积增大 试验电炉全然没有问题
设置面积 作基准 增大100% 炉子本体与AC炉同样；
电气室增大100%～150%
设备费用 作基准 增大～50% 若考虑到闪烁控制装置则与AC炉相当或低于AC炉
其他 AC历史长，技术
几乎已到顶 今后技术改进的可能性很多 可全部自动化管理；
安全、可靠
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。■
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)