設有底電極直流電爐與無底電極（雙電極、四電極）直流電爐優劣勢簡介

                                  設有底電極直流電爐

            與無底電極（雙電極、多電極）直流電爐優劣勢簡介

                                  （河南奧鉺珂冶金技術） 

                     單電極、三電極（設置有底電極）直流電爐特性

1、石墨電極消耗比較

      交流電弧爐（礦熱爐）3根電極，直流電弧爐（礦熱爐）1根電極，當用1根電極代替3根電極，電極數量少，直流電弧更加穩定。再加上直流電特性（陽極效應），陽極設為底電極，底電極由鐵水覆蓋，陽極消耗極低，由于直流電陽極效應陰極消耗較低，直流電弧爐電極消耗比交流電弧爐低40%～60%。

2、電弧燃燒穩定性比較
      直流電源正、負極性不變，消除了交流電壓曲線上的零點，不僅起弧容易，而且一經起弧就維持了等離子區內電離狀態的穩定，故直流電弧燃燒穩定。交流電弧爐弧光穩定性較差。
3、熔池攪拌性能比較
      設置有底電極直流電弧爐熔池攪拌能力強，根據直流電特性，頂部陰極對底陽極電流流線形成一個推力，使得熔池液體從下向上翻滾，致使熔池溫度更加均勻。交流電弧爐和無底電極直流電弧爐熔池攪拌能力較差。

4、電網閃爍比較
      交流電弧爐電力波動造成對電網的干擾，通常稱為閃爍。直流電弧爐由于電壓比較平穩，電弧閃爍問題得到解決，減少了昂貴的動態補償裝置，根據測定直流電弧爐比交流電弧爐電網閃爍降低2/3。
5、諧波干擾比較
      交流電弧爐常有2、4偶次與3、5、7次諧波共存現象，使電壓畸變更加復雜化，低次諧波對電網危害較大，需增加濾波裝置，而直流電弧爐（12脈波）不存在低次諧波，能夠達到電網要求標準。

6、功率因數比較
      交流電弧爐（礦熱爐）功率因數在不加補償裝置時僅為0.6～0.75，直流電弧爐不加補償裝置功率因數可達0.9～0.95。德國西馬克公司IGBT直流電弧爐功率因數可達0.95以上，德國漢堡軍事學院Timm（蒂姆）教授、北京科技大學、東北大學等科研單位對直流電弧爐和交流電弧爐設備電耗理論計算，總的結果表明交流電弧爐設備自身電損耗略低于直流電弧爐設備自身電損耗。    

7、噪音比較
       電弧中有一部分電能要轉化成聲能，這就是噪音。交流電弧爐有3根電極，而直流電弧爐僅有1根電極，所以噪音明顯降低，交流電弧每秒鐘產生100次熄弧再點燃現象，而直流電弧爐沒有這種100Hz的噪音，所以直流電弧爐比交流電弧爐噪音降低10～20分貝。

8、耐火材料消耗比較
      交流電弧爐3根電極由于磁場排斥使弧光外斜，形成了3個局部過熱區，而且離爐壁較近，對爐壁耐火材料熔損較大，造成爐襯壽命縮短。無底電極雙電極直流電弧爐弧光形成外八字，糾偏難度較大。形成兩個過熱區，增加了爐襯的損耗。設置有底電極的單電極直流電弧爐偏弧糾正較為容易，使弧柱的位置是在熔池中心，周邊無過熱現象，爐襯熔損均勻，延長了爐襯使用壽命。
10、供電系統比較
      交流電弧爐（礦熱爐）送電電壓、電流沖擊大，易造成設備損壞，電壓調節檔位壓差較大，較難達到爐料冶煉電壓最佳值。直流電弧爐（礦熱爐）供電采用晶閘管整流，電爐送電可以軟啟動，防止高電壓、大電流沖擊，二次電壓調節可以細化至1V，電流至1A，適合礦石冶煉電壓最佳值。

11、冶煉電耗比較
      設置有底電極直流電弧爐（礦熱爐）比交流電弧爐（礦熱爐）冶煉電耗降低約8%～12%，整流電壓、電流比較穩定，短網不產生渦流和集膚效應，電極電密比交流爐增大約20%，電能利用率較高。

                         單電極直流電弧爐電極消耗低主要因數
一、 由于直流電路中陽極上的功率消耗約為陰極上消耗的1.5～2倍，而直流電弧爐上的石墨電極是接在陰極上，石墨電極作為陰極不會出現因電子輻射嚴重侵蝕而形成的“陰極斑點”，底電極接于陽極，陽極由鐵水和渣液覆蓋不易氧化，這樣使得石墨電極消耗降低，熔化時間縮短。

二、 直流電弧爐電極消耗低的另一個原因是電極數量可以從原來的交流爐三根電極減少到一根。多電極和雙電極之間受熱輻射作用會導致電極邊側面燒損增加，此外由于直流電弧爐石墨電極的電流密度較高，所以電極直徑可以縮小，因而又進一步降低了電極消耗。

                     雙電極、多電極直流電弧爐（無底電極）特性

       無底電極雙電極直流電弧爐是由西安電爐研究所于80年代研發成功的。為了治理弧光偏弧和增加熔池攪拌能力，在爐殼上加裝了磁鏡線圈來彌補缺陷。
        特性：根據直流電弧的熱工分析和直流電的特性分析，雙電極直流電弧爐的正負電極存在一定的差異，正電極存在有電子輻射嚴重侵蝕形成的“陽極斑點”，稱陽極效應，在通電形成電弧后，正電極上存在嚴重氧化侵蝕損耗，由于正電極的溫度比負電極的溫度高，所以正電極比負電極消耗要快（陽極電極消耗比陰極電極多1.5～2倍）。雙電極直流電弧爐弧光形成外八字，糾偏難度較大。形成兩個過熱區，增加了爐襯的損耗。只有加裝磁鏡線圈才能糾正偏弧和提高熔池攪拌力。
       對于雙電極直流電弧爐（無底電極）而言，陽極弧光溫度比陰極弧光溫度高2～3倍，兩電極極間功率分布成啞鈴型，存在兩個冷區，四電極存在中心冷區、有的制造廠家為緩解熔池正負極溫度不均勻，采取正負極互換來彌補，這種方法從理論和實踐中得出結論不可取，因為正負極互換電壓必然出現零點，繼而形成熄弧再起弧，熄弧的同時熔池失去熱能溫度降低，冶煉時間延長，由于換相處于軟啟動，增大晶閘管控制角同時也降低了設備功率因數，增加了諧波及電耗，得不償失。
                                     

                                 通過實驗檢測得出結論：

一、無底電極雙電極、四電極直流電爐特性及冶煉參數 
1、 無底電極雙電極、四電極直流電爐熔池溫度不均勻，正極弧光溫度5000℃～6000℃左右，負極弧光溫度2400℃左右，造成這種現象的原因是由于從正極到負極有25～35左右的電壓降，正極功率高于負極功率，形成了熔池溫度不均勻，比設有底電極直流爐冶煉時間長。
2、 使用自焙電極時無底電極（雙電極、四電極）直流電爐電極焙燒較難，電極容易出現硬斷和軟斷，因為正電極比負電極消耗快 1.5～2倍。
3、 無底電極（雙電極、四電極）直流爐冶煉電耗比交流電爐節電約1～3%左右。
4、 無底電極雙電極、四電極直流爐電極消耗高于交流爐電極消耗（因熔煉趨向于電化學，正極是氧化，負極還原，所以正極消耗過快）。
5、 無底電極（雙電極、四電極）直流爐功率因數比交流電爐提高30%左右。
6、 無底電極直流爐無熔池整體攪拌能力（無磁鏡線圈），根據右手螺旋定律正負電極的磁場推力都是圍繞各自電極運動。
7、 無底電極直流爐與交流爐相比冶煉期間容易出現塌料、噴濺，由于正負極的溫度差別，電極底部反  應區形成的空腔大小尺寸不等，穩定性差。
8、 無底電極直流爐正負電極磁力同向造成外八字偏弧，形成正負電極兩側爐襯過熱區，造成爐襯過度燒損（正電極  一側燒損更為嚴重）。

二、 雙電極（無底電極）直流電弧爐為什么要安裝磁鏡線圈

（1）、首先分析雙電極（無底電極）直流電弧爐特性：雙電極直流電弧爐在正、負極底端產生的兩根弧柱受饋電裝置的影響，根據右手螺旋定律分析，兩根 電弧因相互電磁排斥外吹形成“外八字”弧光，兩弧光的偏移角度隨著饋電電流的大小而漂移，從而加劇了弧光兩側爐襯的燒損。
（2）、根據直流電特性，流過兩電極的電流由在兩電極形成的磁場方向相同，兩電極間熔體運動方向各自圍繞正、負電極運動，起不到熔池整體熔液的攪拌作用，又因正極端弧光溫度高于負極端弧光溫度，故形成熔池溫度相對不均勻。
（3）、由于弧光偏移使直流電弧爐生產率下降，電耗升高。有關人員都知道直流電弧爐關于弧光偏移的重要性，但電弧偏移對生產率及電耗的影響未有確切數據，為求這種關系，日本工業加熱領域專家教授和日本SPCO電爐研發公司進行了實驗和數學分析，研究了有關定量法將其操作數據進行了比較，結果證明：在直流電弧爐中，由于電弧的偏移使設備生產能力下降，電耗升高。電弧偏移27度時，設備生產能力僅發揮到73%，而在電耗方面大約是不偏弧設備的1.4倍（參考《關于直流電爐電弧偏移影響生產率的研究》）。由此看來應對直流電弧爐中防止電弧偏移而采取措施的重要性。
（4）、磁鏡線圈在雙電極直流電弧爐上的作用：磁鏡線圈通過直流電時，產生垂直磁場，隨著電極電流的大小磁鏡線圈電流跟隨變化，依靠電磁力將電弧箍縮（類似透鏡對光線的聚焦，故稱為“磁鏡”），防止因電弧相互電磁排斥外吹而加劇燒損爐襯。并兼有熔池攪拌鐵液的作用，達到熔池溫度均勻。因此磁鏡線圈對于雙電極（無底電極）直流電弧爐的正確設計具有重要意義。
        鑒于以上技術瓶頸，無底電極直流電弧爐（礦熱爐）要解決熔池攪拌力差和偏弧現象，必須要在爐殼外添加磁鏡線圈。不加裝磁鏡線圈，無底電極直流電弧爐（礦熱爐）一般用于錳系產品、鋼包精煉補熱、剛玉、電熔鎂等產品，不適合硅系、有色金屬、稀貴金屬富集和特種合金冶煉。如果加裝磁鏡線圈增加電耗及不安全因素。相對失去了直流電弧爐的優勢。

 直流電弧爐(DC)與交流電弧爐(AC)的特性比較

                                     總   結

       以上得出結論，世界著名電爐生產廠家德國西馬克（SMS）公司、日本NKK公司、瑞士ABB公司、法國克萊西姆（CLECIM）公司、挪威?？希‥Ikem）公司等廠家直流電爐研發制造比我國超前約50-60年，如今在電爐設計制造方面各項節能指標已經做到了極限，全球知名冶金設計院和制造廠家公認設有底電極直流電弧爐（礦熱爐）具有較好的節能效果和優質冶煉指標，在世界各國建造了多臺設有底電極的直流電弧爐和直流礦熱爐，在工業性生產當中確實體現出了節能降耗和優質產品指標的優點，設有底電極直流電弧爐（礦熱爐）各項技術指標及優勢均優于其它冶金電爐，節能指標和工作效率已得到了廣大用戶的認可，所以設置有底電極直流電爐在冶金領域得到了廣泛應用和發展。

2、雙電極電磁場示意圖

3、雙電極功率分布曲線示意圖

4、雙電極電磁攪拌示意圖

5、單電極電磁攪拌示意圖

6、雙電極直流電弧爐引弧過程圖片（兩電極弧光偏差）

7、雙電極直流電弧爐引弧過程圖片（兩電極弧光偏差）

8、雙電極直流電弧爐熔煉過程圖片（正負極溫度偏差）

9、雙電極直流電弧爐熔煉過程圖片（正負極溫度偏差）

10、雙電極熔池實驗物料熔化效果示意圖

11、雙電極正負電極弧光溫度檢測示意圖（陽極溫度高于陰極溫度2-3倍）

12、雙電極陽極效應(陽極消耗大于陰極）示意圖（爐底被浸蝕情況）

13、電弧熱工分析數據