项目 4 、知识拓宽——铸钢合金熔炼的发展方向（选学）4.1 直流电弧炉设备简介及特点4.1.1 直流电弧炉发展概况

• 直流电弧炉最早由 William Siemens 制成，于 1878 年获得专利。直流电弧炉的应用工业是由 Heroult 实施，他于 1899 年在法国建炼钢厂。英国在第一次世界大战期间建立了多座直流电弧炉。 1910 年美国芝加哥的 Simonds 公司也建立了容量为0.5t 的直流电弧炉。

• 我国自 1992 年成都无缝钢管公司投产的 30t 的直流电弧炉后，相继有许多家投产，其中最大吨位的是 1994 年中国台湾葵宏钢铁公司投产的 160t的直流电弧炉， 1996 年中国宝钢集团公司投产的150t 是大陆最大的直流电弧炉。

4.1.1 直流电弧炉发展概况

• 最近几年，新投产的电弧炉有 80% 是直流电弧炉，并且，直流电弧炉的容量大多大于 100t ，每吨钢液变压器容量一般在 1000kw 左右。

• 当直流电弧炉技术实现大型化、超高功率化的同时，最近国外又纷纷推出双炉壳直流电弧炉，这些电弧炉与常规电弧炉相比，具有明显低电耗和低电极消耗、生产率显著提高、以及烟尘更容易控制等优点，被称为“绿色现场”电弧炉冶炼技术。

4.1.2 直流电弧炉的优点

• 直流电弧炉能在短短几年内得到迅速发展，这与它和交流电弧炉相比具有资金、设备、环保，特别是操作结果等方面的优越性是分不开的。

• 与交流电弧炉相比，直流电弧炉具有以下优点：• ① 石墨电极消耗大幅度降低• 通过对相同功率的现代化交流电弧炉和直流电

弧炉在电极端头消耗、侧面氧化和折断等几个重要方面对电极消耗所作的比较得知，直流电弧炉的电极消耗为现代交流电弧炉的 75% ，为老式交流电弧炉电极消耗的 50% 。

4.1.2 直流电弧炉的优点

• ② 电压波动和闪变小，对前级电网的冲击小。

• 直流电弧炉对前级电网造成的电压波动（即电压闪烁效应）为交流电弧炉的 30% ～ 50%, 如图 1-40 。直流电弧炉的这一特点，特别适用于电网容量普遍偏小的发展中国家和对电网质量要求严格的国家。

图 1-40 流电弧炉和交流电弧炉的闪烁比较

4.1.2 直流电弧炉的优点• ③ 只需一套电极系统，可使用与三相交流电弧炉同等直径的石墨电极。

• 直流电弧炉只有一根中心炉顶石墨电极和一个相应的炉底电极，并且，直流电不存在集肤效应、邻近效应和周期性变化的磁场，所以，作用在夹持机构、升降机构及大电流线路架上的电磁力很小。因此，电极横臂、夹持器等及相应的电极升降控制装置也只有一套。使机构简化、尺寸减小、质量减轻，使电极横臂的冷却水用量和炉子耗损降低，使短网压降减小。由于只有一个电极孔，可以相应增加炉盖水冷面积。同时，由于直流电不存在集肤效应、邻近效应，所以导体和石墨电极截面上的电流是均匀分布的。一般可使用与三相交流电电弧炉直径相同的石墨电极。直流电弧炉的这些特点，非常有利于使用计算机控制电弧炉和新型电弧炉的开发。

4.1.2 直流电弧炉的优点

• ④ 缩短冶炼时间，可降低单位冶炼电耗 5% ～ 10%• 直流电弧炉可节省电能消耗，电能节省占直流电弧炉生

产费用的很大一部分。虽然直流电弧炉的附加电气设备也损耗电能，但其他部分的节省抵消和补偿了上述损耗。采用单根石墨电极，电极熔炼损耗低，而且只有一个水冷电极夹持器，热损减少。炉顶只有一个电极孔，密封性能好。在相同的输入功率下，直流电弧炉的熔化期实际输入功率比交流电弧炉要高 2% ～ 5%；由于熔池强烈的循环搅拌，温度均匀，加快传热，熔化时间缩短。功率因数高，无功功率损耗小。因此，直流电弧炉熔化快而且均匀、穿井快、金属熔池易于形成，可缩短熔化时间 5% ～ 10% ，降低熔炼单位电耗 5% ～ 10% 。

4.1.2 直流电弧炉的优点

•⑤ 耐火材料消耗可降低 30% 。•单电极直流电弧炉炉内的电弧始终处于

炉子的中心，炉壁的热负荷均匀，无炉壁热点现象，所以炉壁、渣线部分的热负荷比交流电弧小。底电极的寿命很高，一般可与炉衬同步，不致于引起耐火材料的增加。

4.1.2 直流电弧炉的优点• ⑥ 操作稳定，输入功率提高，熔化均匀快速，生产率提高，烟尘排放量减少。

• 由于直流电弧炉采用可控硅调节器，能迅速控制电流，因此，直流电弧要比交流电弧稳定得多，很少出现断弧现象。

• 在相同的输入功率下，直流电弧炉在熔化期的实际输入功率要比交流电弧炉高 2% ～ 3% ，缩短了冶炼时间。同时，直流电弧炉因废钢类型不同而引起的输入功率的差异比交流电弧炉小，因此，生产率提高。直流电弧炉内有钢液强烈的循环搅拌，使直流电弧炉内废钢的熔化是均匀的、快速的。

• 直流电弧炉只有一个电极孔，排出的烟尘量减少，其排放烟气设备能力只需交流电弧炉的 60% ～ 70% 。

• 直流电弧炉的上述优越性随着直流电弧炉技术水平的日益提高和不断完善，还会进一步突出的表现出来。将来电弧炉的发展将充分利用直流电弧稳定、对电网容量要求低且对电网冲击小、电极消耗低及只需一套电极系统的优势来选用炉型或开发新型的电弧炉，以达到真正的高效、高产、优质、低耗、低污染的目标。

4.1.3 直流电弧炉的类型及炼钢工艺特点

• 现在直流电弧炉技术已得到了较大的发展，已成为一种较成熟的工业技术。先后出现了导电炉底型直流电弧炉、水冷钢棒炉底直流电弧炉、多触针型炉底电极直流电弧炉及触片式炉底电极直流电弧炉等。

4.1.3.1 导电炉底型直流电弧炉

• ① 1991 年 ABB公司先后为马来西亚南方钢铁厂和美国查特钢铁公司成功建造了 67MW 、 80t 与42MW 、 70t 的直流电弧炉。这种大型直流电弧炉的主要特点是：

• 只有一根位于中央的石墨电极，起着阴极的作用，位于电弧炉下面的炉底接线与整流器的正极连接，起着阳极的作用。电弧炉要求接近 130KA的大电流和大约 750V的高电压。

• 炉底是导电的，其特点是：由于炉底的大面积导电，降低了单位电流负荷（＜ 10KA/ ㎡）；可以采用普通砌砖方法和维修制度，不需要特别的工具或设备；由于采用预制砖，即保证了质量稳定，又做到安全。

4.1.3.1 导电炉底型直流电弧炉

• ② ABB公司还开发出一种装有空心电极装料系统的直流电弧炉，见图 1-41 其特点是：不需要预先压块，可直接装入细颗粒原料；炉料直接送入电弧等离子体区，电弧向炉料传递热量效率高；在所有时间内都会保持准确的平衡；单极阴极石墨电极操作使得电极消耗低。

图 1-41装有空心电极装料系统的直流电弧炉

4.1.3.1 导电炉底型直流电弧炉

•③ 直流电弧炉的操作要点是：直流电弧炉垂直燃弧，使炉子达到均匀的热平衡。电弧可在炉渣上、半埋入或全埋入炉渣中，决定电弧位置的因素是电弧的电流、电压及炉渣特性（导电性、密度和粘度等）

4.1.3.2 水冷钢棒炉底电极直流电弧炉

• 如图 1-42 法国科莱姆公司于 1986 年建造的 75t 、 82MW 具有三根炉顶电极和炉底电极的直流电弧炉。这种电弧炉的设计关键在于确定电极何时必须进行修补和更换。目前已研发了温度监控系统，可以通过测量固定电极的水冷铜套温度及套内冷却水的温度，经过分析计算来实现对电极熔炼损耗的可靠控制。

图 1-42 法国科莱姆公司于 1986 年

建造的三根电极直流电弧简图

4.1.3.2 水冷钢棒炉底电极直流电弧炉

• 直流电弧炉成功的关键是炉底电极应具有最佳的运行性能和低廉的维修费用。对水冷炉底电极的要求是：① 在长期高温运行的精炼期内确保可靠。② 能够控制炉底的电流分布。③ 使炉底侵蚀最小。④ 能吹氧造泡沫渣炼钢或冶炼低碳钢，没有严重的耐火材料损坏。

• 大型水冷钢棒电极由贯穿耐火材料炉底的圆柱形钢棒组成，位于炉底下面的钢棒下部被水冷却，电极的冷却系统是由铜套组成，其一面与钢棒相接触，另一面被水冷却。铜套上套有绝缘保护套使之与钢棒绝缘，同时又使钢棒与铜基座相连。

4.1.3.3 多触针型炉底电极直流电弧炉

•德国MAN-GHH 公司于 1985 年投产了多触针型炉底电极直流电弧炉。其炉底电极设计采用空冷方式，避免了使用水冷系统可能出现的危险因素。

4.1.3.3 多触针型炉底电极直流电弧炉• 炉底电极结构主要由上、下两块水平钢板组成，两钢板之间放置空气导向叶片，有 32根钢质触针固定在下面的钢板上，触针垂直穿过两片钢棒中间的空腔和炉底炉衬的衬层，与炉料或熔池相接触。见图 1-43 。当向炉底电极通入空气时，借助于导向叶片的作用，空气环绕触针，然后沿径向排出。触针焊在底板上或用螺栓联接。由于触针的熔炼损耗与炉底炉衬的熔炼损耗同步，所以，每次重砌炉体时要更换触针。

图 1-43 多触针型炉底电极直流电弧炉炉底电极结构1—炉壳； 2—触针； 3—打结耐火炉衬； 4—砖砌耐火炉衬； 5—炉底电极冷却系统； 6—导电电缆； 7—供气

管； 8—触针剖面

4.1.3.4 触片式炉底电极直流电弧炉• 1991 年末，佛罗里达钢铁公司的技术人员研制开

发了直流电弧炉的触片式炉底，如图 1-44 所示。

图 1-44 佛罗里达钢铁公司 54t 直流电弧炉结构示意图

4.1.3.4 触片式炉底电极直流电弧炉•原来的炉底是由耐火材料制成，其侵蚀

极不均匀，而且价格昂贵。将薄钢板镶进整体耐火材料炉底中并把钢板固定在炉壳上，用钢板做导体，因而只需考虑耐火材料的耐火性而不必担心其导电性能。钢的导电性在一定程度上趋于自我调节承载电流，所以，触片式炉底电极的设计更为合理。