日本KSC公司与法国CLECIM公司合作开发了一种新型的DC电弧炉并利用一台100t装置实现了均匀熔化。CLECIM-KSC型DC电弧炉的主要特点是：（1）三根水冷电极和母线管的合理布置防止了偏弧；（2）分别对三根炉底电极进行单独调节从而控制了电弧方向。热传导分析肯定了IRSID水冷底电极的安全性。为保证安全性和炉子周围良好的工作环境以及高生产率，可从炉壳外侧更换底电极，而且几乎所有的操作都自动完成。

　 因为DC电弧炉的原理允许炉子只有一根上电极，这样就有可能消除常规AC炉内的热点和冷点，保证均匀熔化。用规格为20~30t/炉（~20MW）的工业设备获得了预期的效果。但是对于大规格的炉子即电弧电流达到100KA的炉子，研究人员肯定地预言电弧在一定程度上受到炉子供电导体周围磁场内电磁的影响。电磁引起的偏弧导致废钢在炉内不均匀熔化，对电力、电极和耐火材料的单位消耗产生副作用，并且由于延长熔化时间而降低了生产率。除了这些显而易见的影响外，偏弧对炉子利用率也有很大影响，可导致炉壁水冷板的损坏和其它问题。

　 因此，防偏弧技术的发展和标准化对于电弧电流在100KA和更高级别的大规格DC电弧炉而言是必不可少。在这个背景下，本文论述了应用于CLECIM—KSC型DC电弧炉的一种新方法的发展，该方法通过单独控制每根电极或每个电极群的炉底电极电流不仅防止了偏弧，而且能自由控制电弧方向。

　 直流电弧炉中，偏弧现象是由形成在供电导体周围的直流磁场产生的。电弧也是直流，因此当母线管布置不准确时，受水平电磁的作用，向固定方向偏转。

　 与偏弧现象相关的问题见表1。偏弧方向的热点增加了炉壁的热负荷，导致水冷板渗漏并损坏了耐火材料。另一方面，冷区发生在远离偏弧的方向，尤其是在炉壁上。废钢熔化拖延，没能证明直流电弧炉的最大优越性——均匀熔化。这样就增加了电力的单位消耗，同时上电极的不均匀磨损导致较高的电极单位消耗。

　 熔化期延长、损坏冷却板的修补以及其它问题降低了利用率（生产率），所以防止偏弧保证均匀熔化是直流电弧炉的关键。

　 电弧方向控制原理

　 为实现均匀熔化，必须设计底电极和导电体的布置，在彻底掌握电磁对电弧影响的基础上尽量减少偏弧。同时，按照炉子操作过程中实际的废钢熔化进度要求，能够自由控制电弧方向。

　 因为偏弧是由导体周围的直流磁场引起的，可以根据磁学原理通过分析确定电弧产生的区域内磁场的强度和方向。因此，通过分析起弧位置内磁场强度和方向，包括产生磁屏效应的炉壳作用可确定底电极和导电体的位置。

　 新的电弧方向控制技术的结构表明在作用于电极的每个供电系统内可进行单独的电流控制，可以单独测定电流和电压。在设计阶段，准确分析了电磁因素，从而肯定了这一技术，产生了更好的效果。在大和钢公司，只须将三根底电极的任意一根的电流提高百分之几就可以控制100t炉子的电弧方向，电能输入几乎不受影响。另外，当最佳电流提高或降低约10%时，能按要求谨慎控制电弧方向。此外，由于每根底电极的电流均能被控制和监测，因此，可以测出非导电炉底电极并且将电流调节到导电炉底电极，这样可保证操作安全。

　 为证明废钢在大和钢公司水岛厂实际的DC炉内能均匀熔化，研究了载荷下炉壁水冷板的热流分布以及上部碳电极的磨损情况。结果，没有观察到偏弧，实现了废钢的均匀熔化，证明AC电弧炉和一些DC电弧炉中使用的辅助热源如烧嘴是不必要的。

　 在入口和出口处测定一炉内冷却水流速和温差得到了溶池表面以上的相应炉壁水冷板的最大热流速值。每隔30秒测定一次。结果是炉壁周围的分布相当均匀。出炉侧的热负荷区大于排气侧，这是因为二次燃烧气体使通过渣口吹入的氧气燃烧，溶池的CO气体跟随炉内气体流向排气侧。

　 根据炉壁的热流速值的计算结果，假设电弧是溶池表面上炉子中心的热点源。测定和计算结果显示了良好的一致性，没发现偏弧。通过目测肯定了均匀熔化：熔化初期的穿孔基本是圆形，熔毕时没有局部未熔化现象，出钢后没有大块废钢残留。另外，附着在炉壁水冷板的金属厚度在整个炉壁表面上不超过50mm。

　 尽管程度不同，但是偏弧在DC炉内导致的上部碳电极的磨损形式类似于AC炉中使用的电极头。但是，由于DC炉中采用了电弧方向控制技术，所以能看到电极周围的磨损非常均匀。正如理论上预言的，观察到了电极头的表面氧化和升华，但是没看到电极头裂纹和滴液。

　 与AC电弧炉相比，DC电弧炉的不足之处是必须使用炉底电极：大体上，炉底电极的使用寿命短于炉膛耐火材料，炼钢炉炉底电极的金属渗漏也是一个缺点。因此，从IRSID引进水冷炉底电极前，要通过热传导分析阐明这些炉底电极的熔化机理，以便优化设备和操作，判断和确定安全性。

　 把一根钢电极周围的轴对称区作为模型，利用与电极熔化现象相关的参数即钢水温度、电极直径、冷却表面的热传递系数、炉膛耐火衬的厚度等进行热传导分析和熔化模拟。

　 通过分析得出下列结果：

　 1、电流密度对电极熔化量的影响大于其它参数。换句话说，要调整电极熔化量，最有效的做法是将电流密度控制在容许值以下。

　 2、当耐火材料的厚度高于某一值时，电极表面的位置不变。当耐火材料的厚度低于该值时，电极的熔化量迅速升高，电极表面的位置下降。

　 3、在所有的情况下，即使采用最大的电流密度（电极直径280mm），电极表面也能高出炉底壳表面200mm多。因此，能完全防止熔融电极渗漏。

　 上述结果表明水冷炉底电极没有金属渗漏的危险而且能保证安全。另外，能相对容易地增加炉底电极直径而且可以简化炉底结构。在电极附近可以采用耐磨性强、使用寿命长的耐火砖，使水冷炉底电极与其它类型的DC炉的电极一样好。

　 CLECIM-KSC型DC电弧炉采用结构相对简单的水冷炉底电极，所以炉底耐火材料的修补容易并且能保证炉子寿命长。研究出彻底更换炉底耐火材料和炉底电极的方法，以便尽可能减少停炉时间并保证更换工作的安全。

　 川崎钢公司现有的具有炉底吹炼功能（Q-BOP和K-BOP）的转炉被改造成直流电弧炉。炉底电极及其周围的耐火材料以及炉壳构成一个简单的装置作为炉底。位于钢包车上的专用炉底更换装置从炉子外部运输、安装和拆除炉底。

　 该方法安全而且操作简单，可在短时间内完成炉底更换，而且对炉子周围的脏、危险和困难的操作均有所改善。

　 控制系统的结构能对每个独立装置进行自动控制，如电弧炉整个操作过程中的自动熔化、自动化和劳动力节约装置。控制系统的特点是：1、每个装置，包括自动熔化装置都有独立的控制系统，只须按下中心控制板上的操作按钮就能进行全自动控制和操作。2、整个操作由一个通信网连接，使用了配有中心操作台的监测系统和CRT。该系统能自动操作电弧炉，操作者只需监视操作过程。

　 供给大和钢公司水岛厂采用了电弧控制技术的100t直流电弧炉的主要技术条件见表2，操作结果见表3。获得的结果对直流电弧炉的优越性提供了有力的支持。例如，电力和电极的单位消耗大大降低，熔化时间缩短。这些都表明，均匀熔化是电弧控制技术的主要优势，为提高生产率做出了重要贡献。

表2　 100tDC电弧炉的主要技术条件

项目		主要技术指标
变压器容量		100MVA
电弧电压，电弧电流		800V，100KA
电极	上部	711mm×1
	底部	水冷钢坯×3
炉壳（直径×高度）		φ6700mm×3100mm
出钢系统		LVT和钢包车
废钢装料		1或2个料筐

　

表3　 100tDC电弧炉的操作结果

项目		结果
生产率	出钢到出钢时间	57min（平均） 46min（记录）
单位消耗	碳电极 电力 氧	1.1kg/t 300kwh/t 25m3——正常/min
寿命	炉底	1500炉

　 讨论了能保证大型DC电弧炉均匀熔化的新的电弧方向控制技术，特别注意了设备的设计原理和结构，包括工业DC电弧炉应用结果的评定。下列方法可以防止偏弧同时还能自由控制电弧方向，已经证明对这些目的非常有效。（1）进行了精确的三维分析，确定供电导体内产生的并影响电弧产生区域的电磁特点。分析包括钢炉壳的屏蔽作用。结果用于供电系统和炉底电极的设计。（2）作用于三根炉底电极的供电系统装配有变压器和整流器，可进行单独的电流控制。连续监测电流和电压，按要求调节电流值，提高和降低电磁力，控制电弧方向。

　 配备了新开发的单独电流控制技术的100KA级（100t/炉级）DC电弧炉在操作过程中，炉子圆周周围的炉壁热负荷相当均匀，上部碳电极均匀磨损。这些研究结果表明电弧控制技术对DC电弧炉操作过程中的均匀熔化做出了重大贡献。