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直流电弧炉、直流矿热炉研发设计

冶金工艺实验、贵金属富集工艺实验

设有底电极直流电炉与无底电极(双电极、四电极)直流电炉优劣势简介


                                  设有底电极直流电炉

            与无底电极(双电极、四电极)直流电炉优劣势简介

                                  (河南奥铒珂冶金技术) 


                     单电极、三电极(设置有底电极)直流电炉特性

1、石墨电极消耗比较

      交流电弧炉(矿热炉)3根电极,直流电弧炉(矿热炉)1根电极,当用1根电极代替3根电极,电极数量少,直流电弧更加稳定。再加上直流电特性(阳极效应),阳极设为底电极,底电极由铁水覆盖,阳极消耗极低,由于直流电阳极效应阴极消耗较低,直流电弧炉电极消耗比交流电弧炉低50%~65%。

2、电弧燃烧稳定性比较
      直流电源正、负极性不变,消除了交流电压曲线上的零点,不仅起弧容易,而且一经起弧就维持了等离子区内电离状态的稳定,故直流电弧燃烧稳定。交流电弧炉弧光稳定性较差。
3、熔池搅拌性能比较
      设置有底电极直流电弧炉熔池搅拌能力强,根据直流电特性,顶部阴极对底阳极电流流线形成一个推力,使得熔池液体从下向上翻滚,致使熔池温度更加均匀。交流电弧炉和无底电极直流电弧炉熔池搅拌能力较差。

4、电网闪烁比较
      交流电弧炉电力波动造成对电网的干扰,通常称为闪烁。直流电弧炉由于电压比较平稳,电弧闪烁问题得到解决,减少了昂贵的动态补偿装置,根据测定直流电弧炉比交流电弧炉电网闪烁降低2/3。
5、谐波干扰比较
      交流电弧炉常有2、4偶次与3、5、7次谐波共存现象,使电压畸变更加复杂化,低次谐波对电网危害较大,需增加滤波装置,而直流电弧炉(12脉波)不存在低次谐波,能够达到国家电网标准。

6、功率因数比较
      交流电弧炉(矿热炉)功率因数在不加补偿装置时仅为0.7~0.75,直流电弧炉不加补偿装置功率因数可达0.9~0.95。德国汉堡军事学院Timm(蒂姆)教授、北京科技大学、东北大学等科研单位对直流电弧炉和交流电弧炉设备电耗理论计算,总的结果表明交流电弧炉设备自耗约4%,直流电弧炉设备自耗约5.0%。    

7、噪音比较
       电弧中有一部分电能要转化成声能,这就是噪音。交流电弧炉有3根电极,而直流电弧炉仅有1根电极,所以噪音明显降低,交流电弧每秒钟产生100次熄弧再点燃现象,而直流电弧炉没有这种100Hz的噪音,所以直流电弧炉比交流电弧炉噪音降低20~30分贝。

8、耐火材料消耗比较
      交流电弧炉3根电极由于磁场排斥使弧光外斜,形成了3个局部过热区,而且离炉壁较近,对炉壁耐火材料熔损较大,造成炉衬寿命缩短。无底电极双电极直流电弧炉弧光形成外八字,纠偏难度较大。形成两个过热区,增加了炉衬的损耗。设置有底电极的单电极直流电弧炉偏弧纠正较为容易,使弧柱的位置是在熔池中心,周边无过热现象,炉衬熔损均匀,延长了炉衬使用寿命。
10、供电系统比较
      交流电弧炉(矿热炉)送电电压、电流冲击大,易造成设备损坏,电压调节档位压差较大,较难达到炉料冶炼电压最佳值。直流电弧炉(矿热炉)供电采用晶闸管整流,电炉送电可以软启动,防止高电压、大电流冲击,二次电压调节可以细化至1V,电流至1A,适合矿石冶炼电压最佳值。

11、冶炼电耗比较
      设置有底电极直流电弧炉(矿热炉)比交流电弧炉(矿热炉)冶炼电耗降低约10%~20%,整流电压、电流比较稳定,短网不产生涡流和集肤效应,电极电密比交流炉增大约20%,电能利用率较高。

                         单电极直流电弧炉电极消耗低主要因数
一、 由于直流电路中阳极上的功率消耗约为阴极上消耗的2~3倍,而直流电弧炉上的石墨电极是接在阴极上,石墨电极作为阴极不会出现因电子辐射严重侵蚀而形成的“阴极斑点”,底电极接于阳极,阳极由铁水和渣液覆盖不易氧化,这样使得石墨电极消耗降低,熔化时间缩短。

二、 直流电弧炉电极消耗低的另一个原因是电极数量可以从原来的交流炉三根电极减少到一根。多电极和双电极之间受热辐射作用会导致电极边侧面烧损增加,此外由于直流电弧炉石墨电极的电流密度较高,所以电极直径可以缩小,因而又进一步降低了电极消耗。


                     双电极、四电极直流电弧炉(无底电极)特性

       无底电极双电极直流电弧炉是由西安电炉研究所于80年代研发成功的。为了治理弧光偏弧和增加熔池搅拌能力,在炉壳上加装了磁镜线圈来弥补缺陷。
        特性:根据直流电弧的热工分析和直流电的特性分析,双电极直流电弧炉的正负电极存在一定的差异,正电极存在有电子辐射严重侵蚀形成的“阳极斑点”,称阳极效应,在通电形成电弧后,正电极上存在严重氧化侵蚀损耗,由于正电极的温度比负电极的温度高,所以正电极比负电极消耗要快(阳极电极消耗比阴极电极多2~3倍)。双电极直流电弧炉弧光形成外八字,纠偏难度较大。形成两个过热区,增加了炉衬的损耗。只有加装磁镜线圈才能纠正偏弧和提高熔池搅拌力。
       对于双电极直流电弧炉(无底电极)而言,阳极弧光温度比阴极弧光温度高2~3倍,两电极极间功率分布成哑铃型,存在两个冷区,四电极存在中心冷区、有的制造厂家为缓解熔池正负极温度不均匀,采取正负极互换来弥补,这种方法从理论和实践中得出结论不可取,因为正负极互换电压必然出现零点,继而形成熄弧再起弧,熄弧的同时熔池失去热能温度降低,冶炼时间延长,由于换相处于软启动,增大晶闸管控制角同时也降低了设备功率因数,增加电耗,得不偿失。
                                     

                                 通过实验检测得出结论:

一、无底电极双电极、四电极直流电炉与交流电炉比较 

1、 无底电极双电极、四电极直流电炉熔池温度不均匀,相比设有底电极直流炉冶炼时间长,

      底直流炉电极正极弧光温度5000℃~6000℃左右,负极弧光温度2400℃左右。

2、 使用自焙电极时无底电极(双电极、四电极)直流电炉电极焙烧较难,电极容易出现硬断和

      软断,因为正电极比负电极消耗快 2~3倍。

3、 无底电极(双电极、四电极)直流炉冶炼电耗比交流电炉节电约3%左右。

4、 无底电极(双电极、四电极)直流炉功率因数约0.92~0.95。

5、 无底电极(双电极、四电极)直流炉电极消耗与交流炉电极消耗相等(因正极消耗过快)。

6、 无底电极直流炉电磁搅拌能力较差(无磁镜线圈)。

7、 无底电极直流炉与交流炉相比冶炼期间容易出现塌料、喷溅,由于正负极的温度差别,电极

      底部反应区形成的空腔大小尺寸不等,稳定性差。
8、 无底电极直流炉正负电极外八字偏弧,形成正负电极两侧炉衬过热区,造成炉衬过度烧损(正

      电极一侧烧损更为严重)。



二、 双电极(无底电极)直流电弧炉为什么要安装磁镜线圈


(1)、首先分析双电极(无底电极)直流电弧炉特性:双电极直流电弧炉在正、负极底端产生的两根弧柱受馈电装置的影响,根据费莱明左手定则分析,两根 电弧因相互电磁排斥外吹形成“外八字”弧光,两弧光的偏移角度随着馈电电流的大小而漂移,从而加剧了弧光两侧炉衬的烧损。
(2)、根据直流电特性,流过两电极的电流由在两电极形成的磁场方向相反,两电极间熔体运动方向各自围绕正、负电极运动,起不到熔池整体熔液的搅拌作用,又因正极端弧光温度高于负极端弧光温度,故形成熔池温度相对不均匀。
(3)、由于弧光偏移使直流电弧炉生产率下降,电耗升高。有关人员都知道直流电弧炉关于弧光偏移的重要性,但电弧偏移对生产率及电耗的影响未有确切数据,为求这种关系,日本工业加热领域专家教授和日本SPCO电炉研发公司进行了实验和数学分析,研究了有关定量法将其操作数据进行了比较,结果证明:在直流电弧炉中,由于电弧的偏移使设备生产能力下降,电耗升高。电弧偏移17度时,设备生产能力仅发挥到73%,而在电耗方面大约是不偏弧设备的1.4倍(参考《关于直流电炉电弧偏移影响生产率的研究》)。由此看来应对直流电弧炉中防止电弧偏移而采取措施的重要性。
(4)、磁镜线圈在双电极直流电弧炉上的作用:磁镜线圈通过直流电时,产生垂直磁场,随着电极电流的大小磁镜线圈电流跟随变化,依靠电磁力将电弧箍缩(类似透镜对光线的聚焦,故称为“磁镜”),防止因电弧相互电磁排斥外吹而加剧烧损炉衬。并兼有熔池搅拌铁液的作用,达到熔池温度均匀。因此磁镜线圈对于双电极(无底电极)直流电弧炉的正确设计具有重要意义。
       鉴于以上技术瓶颈,无底电极直流电弧炉(矿热炉)要解决熔池搅拌力差和偏弧现象,必须要在炉壳外添加磁镜线圈。不加装磁镜线圈,无底电极直流电弧炉(矿热炉)一般用于锰系产品、钢包精炼补热、刚玉、电熔镁等产品,不适合硅系、有色金属、稀贵金属富集和特种合金冶炼。如果加装磁镜线圈增加电耗及不安全因素。相对失去了直流电弧炉的优势。
      

                                             总结
       以上得出结论,世界知名电炉生产厂家例如:德国MDH公司、德国SMS公司、日本NKK公司、瑞士ABB公司、法国CLECIM公司、挪威埃肯(EIkem)公司,该公司在直流电炉研发方面比我国超前约30-40年,如今在电炉设计制造方面各项节能指标已经做到了极限,全球知名冶金设计院和制造厂家公认了设有底电极直流电弧炉(矿热炉)具有较好的节能效果和优质冶炼指标,在世界各国建造了多台设有底电极的直流电弧炉和直流矿热炉,在工业性生产当中确实体现出了节能降耗和优质产品指标的优点,设有底电极直流电弧炉(矿热炉)各项技术指标及优势无与伦比,节能指标和工作效率已得到了广大用户的认可,所以设置有底电极直流电炉在冶金领域得到了广泛应用和发展,明确体现了设置有底电极直流电弧炉(矿热炉)的优越性。


1、双电极正负电极弧柱外八字偏弧示意图



2、双电极电磁场示意图


3、双电极功率分布曲线示意图


4、双电极电磁搅拌示意图


5、单电极电磁搅拌示意图


6、双电极熔池实验物料熔化示意图


7、双电极正负电极弧光温度检测示意图(阳极温度高于阴极温度2-3倍)


8、双电极阳极效应(阳极消耗大于阴极)示意图(炉底侵蚀情况)


9、电弧热工分析数据






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