เทคโนโลยีเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง: หลักการ อุปกรณ์ และข้อดี

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ (AC furnace) ครองตลาดเตาหลอมไฟฟ้าแบบใช้ไฟฟ้า (EAF) อย่างไม่ต้องสงสัย แต่เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC furnace) ก็ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญและมีคุณค่ามาตั้งแต่ทศวรรษ 1980 และสำหรับโรงงานที่มีข้อจำกัดที่เหมาะสม เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงก็เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าอย่างแท้จริง มีผลกระทบต่อระบบไฟฟ้าต่ำกว่า สิ้นเปลืองอิเล็กโทรดน้อยกว่า และได้ประก arcs ที่สม่ำเสมอกว่า ข้อเสียคือโครงสร้างด้านล่างของเตาหลอมซับซ้อนกว่า และระบบไฟฟ้ามีราคาสูงกว่า คู่มือนี้จะอธิบายวิธีการทำงานของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง ข้อดี และข้อเสียของมัน

ประวัติโดยย่อ—และเหตุผลที่กรุงวอชิงตัน ดี.ซี. มีอยู่

ที่มาทางเทคนิค

แนวคิดของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงไม่ใช่เรื่องใหม่ วิศวกรพูดถึงเรื่องนี้กันมาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 แล้ว สิ่งที่ขัดขวางการพัฒนาคืออุปกรณ์แปลงกระแสไฟฟ้า คุณไม่สามารถใช้งานเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงได้หากไม่มีวิธีแปลงกระแสไฟฟ้าสลับเป็นกระแสตรงด้วยกระแสสูงมาก และปัญหานี้ก็ยังไม่มีทางออกในเชิงพาณิชย์จนกระทั่งเทคโนโลยีไทริสเตอร์กำลังสูง (ตัวเรียงกระแสควบคุมด้วยซิลิคอน) พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1970 และ 1980

เมื่อฮาร์ดแวร์พร้อมใช้งานแล้ว กระบวนการทำงานก็ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว:

เหตุการณ์สำคัญประจำปี/ช่วงเวลา

ในช่วงทศวรรษ 1970 ASEA (สวีเดน ต่อมาคือ ABB) เริ่มทำการวิจัยและพัฒนาอย่างจริงจังเกี่ยวกับเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC EAF)

ปี 1982 บริษัท Mannesmann Demag สร้างเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC EAF) ระดับอุตสาหกรรมเครื่องแรกของโลก (ประเทศเยอรมนี)

ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 ผู้ผลิตเหล็กของญี่ปุ่นและฝรั่งเศสเริ่มติดตั้งหน่วยผลิตไฟฟ้ากระแสตรง (DC units)

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC furnace) เริ่มเป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายในช่วงทศวรรษ 1990 และส่วนแบ่งของการสร้างเตาหลอมขนาดใหญ่ใหม่ก็เพิ่มสูงขึ้น

ตั้งแต่ปี 2000 จนถึงปัจจุบัน ระบบไฟฟ้ากระแสตรง (DC) และกระแสสลับ (AC) ใช้ร่วมกัน โดยระบบไฟฟ้ากระแสตรงครองส่วนแบ่งประมาณ 10-15% ของการติดตั้งเตาเผาใหม่ทั้งหมด

อะไรทำให้เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงแตกต่างออกไป

ความแตกต่างพื้นฐานอยู่ที่แหล่งจ่ายไฟ เตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ (AC furnace) ใช้กระแสสลับสามเฟสไหลผ่านขั้วไฟฟ้ากราไฟต์สามขั้ว ทำให้เกิดประกายไฟอิสระสามจุด ในขณะที่เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC furnace) ใช้กระแสตรงที่ผ่านการแปลงแล้วไหลผ่านขั้วไฟฟ้าด้านบนเพียงขั้วเดียว โดยส่วนล่างของเตาหลอม (ผ่านขั้วไฟฟ้าด้านล่าง) ทำหน้าที่เป็นขั้วอีกด้านหนึ่ง ประกายไฟหนึ่งจุด เส้นทางกระแสไฟฟ้าหนึ่งเส้น พฤติกรรมทางไฟฟ้าจึงแตกต่างกันโดยพื้นฐาน

การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยนั้นส่งผลให้เกิดข้อดีและข้อเสียมากมาย ซึ่งเราจะมาพูดถึงกัน แต่ก่อนอื่น เราควรทำความเข้าใจก่อนว่าทำไมใครๆ ถึงยอมรับความซับซ้อนของอิเล็กโทรดด้านล่างและตัวเรียงกระแสไทริสเตอร์เพียงเพื่อกำจัดอิเล็กโทรดสองตัว คำตอบส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับคุณภาพของพลังงานและต้นทุนของอิเล็กโทรด แต่ก็ยังมีประโยชน์รองอื่นๆ ที่สำคัญในแอปพลิเคชันเฉพาะบางอย่างด้วย

ข้อดี: จุดเด่นของ DC

ผลกระทบต่อระบบไฟฟ้า: จุดขายที่สำคัญที่สุด

นี่คือเหตุผลหลักที่โรงงานหลายแห่งเลือกใช้ไฟกระแสตรง (DC) เตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นโหลดสามเฟสที่ไม่สมดุล การเกิดประกายไฟไม่ได้เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ และผลที่ตามมาคือการกระพริบของแรงดันไฟฟ้าและการบิดเบือนฮาร์มอนิกที่บริษัทไฟฟ้าไม่ชอบ เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง เนื่องจากแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นกระแสตรงก่อน จึงส่งโหลดที่สะอาดกว่ามากไปยังโครงข่ายไฟฟ้า การกระพริบของแรงดันไฟฟ้าลดลงเหลือประมาณครึ่งถึงหนึ่งในสามของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับที่เทียบเท่ากัน

หากคุณกำลังสร้างโรงหลอมโลหะในพื้นที่ที่มีระบบไฟฟ้าไม่แรง หรือที่บริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้ามีข้อจำกัดเรื่องการกระพริบของแสงอย่างเข้มงวด ระบบไฟฟ้ากระแสตรงอาจเป็นทางเลือกเดียวที่เป็นไปได้ โรงงานหลายแห่งในญี่ปุ่นและยุโรปเลือกใช้ระบบไฟฟ้ากระแสตรงโดยเฉพาะ เนื่องจากระบบไฟฟ้าในพื้นที่ไม่สามารถรองรับเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับเพิ่มเติมได้

การสิ้นเปลืองอิเล็กโทรด: ประหยัดเงินได้จริง

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงใช้ขั้วไฟฟ้าด้านบนเพียงขั้วเดียว แทนที่จะใช้สามขั้ว ขั้วไฟฟ้านั้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า (เพื่อรองรับกระแสไฟฟ้าเต็มที่) แต่ปริมาณการใช้ขั้วไฟฟ้าทั้งหมดต่อเหล็กหนึ่งตันลดลง 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ

เหตุผลเหล่านี้สมควรแก่การทำความเข้าใจ:

- ไม่มีกระแสสลับ ในการเชื่อมแบบกระแสสลับ กระแสจะเปลี่ยนทิศทาง 100 หรือ 120 ครั้งต่อวินาที (ขึ้นอยู่กับว่าคุณใช้ไฟ 50 เฮิรตซ์ หรือ 60 เฮิรตซ์) การเปลี่ยนทิศทางนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ปลายอิเล็กโทรด ซึ่งเร่งการเกิดออกซิเดชันและการสึกหรอในที่สุด ส่วนการเชื่อมแบบกระแสตรงจะไหลต่อเนื่องในทิศทางเดียว ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

- ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าต่ำกว่า ใช่แล้ว ขั้วไฟฟ้าเดี่ยวรับกระแสไฟฟ้ารวมมากกว่า แต่เส้นผ่านศูนย์กลางก็ใหญ่กว่าตามสัดส่วน ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ปลายขั้วไฟฟ้ามักจะต่ำกว่าในระบบกระแสสลับแบบสามขั้ว และนั่นช่วยลดการสูญเสียทั้งจากการออกซิเดชันและการระเหิด

สำหรับโรงงานที่มีปริมาณงานสูง การประหยัดต้นทุนจากอิเล็กโทรดเพียงอย่างเดียวก็คุ้มค่ากับราคาที่สูงขึ้นของระบบไฟฟ้ากระแสตรงตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์แล้ว

ความเสถียรของส่วนโค้งและเสียงรบกวน

อาร์คไฟฟ้ากระแสตรงไม่มีจุดตัดศูนย์เป็นระยะๆ เหมือนกับอาร์คไฟฟ้ากระแสสลับ มันจะลุกไหม้อย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอ ความเสถียรนี้ส่งผลให้เกิดประโยชน์ในทางปฏิบัติหลายประการ:

- ประสิทธิภาพทางความร้อนดีขึ้น การอาร์คที่สม่ำเสมอจะส่งผ่านความร้อนไปยังอ่างได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น

- เสียงรบกวนน้อยกว่า ประกายไฟจากไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) จะมีเสียงหึ่งๆ หรือเสียงดังคล้ายเสียงฟ้าร้องที่เกิดจากการจุดติดใหม่เป็นระยะๆ ในแต่ละครึ่งรอบ ส่วนประกายไฟจากไฟฟ้ากระแสตรง (DC) นั้นเงียบกว่าอย่างเห็นได้ชัด—โดยทั่วไปจะเงียบกว่าประมาณ 10 ถึง 15 เดซิเบล ในสภาพแวดล้อมของยุโรปที่มีกฎระเบียบด้านเสียงในที่ทำงานที่เข้มงวด นี่จึงเป็นจุดขายที่สำคัญอย่างแท้จริง

การกวนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า

นี่คือสิ่งที่เตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับทำไม่ได้โดยธรรมชาติ กระแสไฟฟ้ากระแสตรงไหลจากขั้วไฟฟ้าด้านบน ผ่านเหล็กหลอมเหลว ไปยังขั้วไฟฟ้าด้านล่าง กระแสไฟฟ้านั้นสร้างสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าในเหล็กหลอมเหลว ผลที่ได้คือการกวนแบบธรรมชาติ คล้ายกับที่ได้จากเครื่องกวนแบบเหนี่ยวนำ

การคนช่วยในเรื่องต่อไปนี้:

- ปรับอุณหภูมิและส่วนผสมทางเคมีของอ่างให้สม่ำเสมอ

- เร่งกระบวนการหลอมเศษเหล็ก (เหล็กหลอมเหลวไหลเวียนและถ่ายเทความร้อน)

- ส่งเสริมปฏิกิริยาระหว่างเหล็กกับตะกรันเพื่อกำจัดฟอสฟอรัสและกำมะถัน

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ (AC furnace) จำเป็นต้องมีการกวนจากภายนอก ซึ่งโดยปกติคือการฉีดแก๊สผ่านปลั๊กที่มีรูพรุน เพื่อให้ได้ผลลัพธ์เดียวกัน แต่เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC furnace) ให้ผลลัพธ์นี้ได้ฟรี ตราบใดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

ข้อเสีย: สิ่งที่คุณกำลังสมัครเข้าร่วม

ปัญหาขั้วไฟฟ้าด้านล่าง

นี่คือส่วนที่ซับซ้อนที่สุดของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง ขั้วไฟฟ้าด้านล่างทำงานอยู่ภายในเตาหลอม ที่อุณหภูมิอาจสูงเกิน 1500 องศาเซลเซียสที่พื้นผิวร้อน ขณะที่รับกระแสไฟฟ้าหลายพันแอมป์ มันต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การกัดเซาะของเหล็กหลอมเหลว และการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้า ทั้งหมดนี้ในขณะที่ยังคงรักษาการสัมผัสทางไฟฟ้าที่ดีไว้ได้

อายุการใช้งานของอิเล็กโทรดด้านล่างนั้นแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับการออกแบบและวิธีการใช้งาน แต่โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 1,000 ถึง 3,000 ครั้ง เมื่ออิเล็กโทรดเสีย คุณจะต้องซ่อมแซมเตาผิงซึ่งอาจใช้เวลาหลายวัน นั่นคือเวลาหยุดทำงานที่เตา AC ไม่มี

เราจะมาพูดถึงการออกแบบขั้วไฟฟ้าด้านล่างแบบต่างๆ ในอีกสักครู่ เพราะการออกแบบที่คุณเลือกนั้นจะเป็นตัวกำหนดว่าการใช้งานจริงจะยุ่งยากมากน้อยแค่ไหน

ต้นทุนของตัวแปลงกระแสไฟฟ้า

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC furnace) จำเป็นต้องใช้ตัวเรียงกระแสไทริสเตอร์กำลังสูงและหม้อแปลงเรียงกระแส อุปกรณ์เหล่านี้มักคิดเป็น 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ของต้นทุนระบบไฟฟ้าทั้งหมด ผลที่ได้คือ เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงมีต้นทุนการผลิตสูงกว่าเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ (AC furnace) ที่มีกำลังไฟเท่ากันประมาณ 15 ถึง 25 เปอร์เซ็นต์

ว่าค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมนั้นจะคุ้มค่าหรือไม่ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์เฉพาะของคุณ การประหยัดจากการใช้อิเล็กโทรดจำนวนมาก โครงข่ายไฟฟ้าที่อ่อนแอซึ่งต้องใช้มาตรการลดการกระพริบของกระแสสลับที่มีราคาแพง หรือเตาหลอมขนาดใหญ่ที่สามารถประหยัดค่าใช้จ่ายจากอิเล็กโทรดได้อย่างมาก สถานการณ์เหล่านี้ล้วนสามารถ justifies การเลือกใช้กระแสตรง (DC) ได้ แต่สำหรับโรงงานขนาดเล็กที่มีโครงข่ายไฟฟ้าที่แข็งแรงและอิเล็กโทรดราคาถูก กระแสสลับ (AC) น่าจะเป็นตัวเลือกที่ประหยัดกว่า

การเบี่ยงเบนส่วนโค้ง

เมื่อใช้ขั้วไฟฟ้าเพียงขั้วเดียว ประกายไฟอาจเบี่ยงเบนไปทางด้านใดด้านหนึ่งของเตาหลอม ซึ่งเป็นปรากฏการณ์การเบี่ยงเบนของประกายไฟ สนามแม่เหล็กไม่ได้สมมาตรอย่างสมบูรณ์เสมอไป และประกายไฟอาจเบี่ยงเบนไป เมื่อเป็นเช่นนั้น จะทำให้เกิดความร้อนที่ไม่สมมาตรและการสึกหรอของผนังเฉพาะจุด

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงสมัยใหม่จัดการปัญหานี้ด้วยการออกแบบขั้วไฟฟ้าด้านล่างอย่างระมัดระวัง (เพื่อให้การกระจายกระแสไฟฟ้าสมมาตร) และการควบคุมสนามแม่เหล็ก แต่เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นจริง และต้องให้ความสนใจในการใช้งาน ผู้ปฏิบัติงานเรียนรู้ที่จะสังเกตและปรับการกระจายกำลังไฟฟ้าและภาระเพื่อชดเชย

การออกแบบขั้วไฟฟ้าด้านล่าง: หัวใจสำคัญของเทคโนโลยี

เหตุใดขั้วไฟฟ้าด้านล่างจึงมีความสำคัญมาก

ขั้วไฟฟ้าด้านล่างเป็นสิ่งที่ทำให้เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงแตกต่างจากเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ และทำให้การใช้งานและการบำรุงรักษาซับซ้อนกว่า ขั้วไฟฟ้านี้ต้องนำกระแสไฟฟ้าหลายพันแอมป์ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดแห่งหนึ่งในโรงหลอม การออกแบบ อายุการใช้งาน และข้อกำหนดในการบำรุงรักษาเป็นหัวใจสำคัญในการพิจารณาว่าเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงเหมาะสมกับโรงงานของคุณหรือไม่

การออกแบบหลักที่ใช้ในภาคอุตสาหกรรม

ในช่วงสี่สิบปีที่ผ่านมา แนวคิดเกี่ยวกับอิเล็กโทรดด้านล่างหลายแนวคิดได้พัฒนาจนถึงขั้นใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ แต่ละแนวคิดต่างก็มีผู้สนับสนุนและข้อดีข้อเสีย

การออกแบบแบบหลายขา (แบบ ABB/ASEA)

โดยทั่วไปจะมีหมุดโลหะหลายตัว (ประมาณ 3-4 ตัว) ที่ทำจากทองแดงหรือเหล็ก ฝังอยู่ในวัสดุทนไฟที่ก้นเตา หมุดเหล่านี้จะสัมผัสกับเหล็กหลอมเหลวที่ปลายด้านบน และที่ปลายด้านล่างจะเชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้ากระแสตรงภายนอกผ่านตัวนำที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ

ข้อดี: กลไกค่อนข้างเรียบง่าย การออกแบบที่ได้รับการพิสูจน์แล้วด้วยประวัติการใช้งานมานานหลายทศวรรษ การบำรุงรักษาไม่ซับซ้อน สามารถเปลี่ยนหมุดแต่ละตัวได้

- ข้อเสีย: หมุดเหล่านี้ทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนในวัสดุทนไฟโดยรอบ การระบายความร้อนด้วยน้ำเป็นสิ่งจำเป็นและทำให้กระบวนการซับซ้อนขึ้น

- ใครบ้างที่ใช้งาน: บริษัท ABB (ในอดีต) และโรงงานหลายแห่งที่ได้รับอนุญาตให้ใช้การออกแบบของ ASEA

การออกแบบแผ่นสัมผัส (แบบ MAN-GHH)

แผ่นทองแดงหลายแผ่นถูกจัดเรียงขวางอยู่ที่ก้นเตาหลอม โดยแต่ละแผ่นถูกคั่นด้วยวัสดุทนไฟ แผ่นทองแดงเหล่านี้จะสัมผัสกับเหล็กหลอมเหลวจากด้านบนและเชื่อมต่อกับบัสบาร์จากด้านล่าง

- ข้อดี: พื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่ การกระจายกระแสไฟฟ้าที่ดี ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าต่ำในทุกจุด

- ข้อเสีย: การออกแบบวัสดุทนไฟซับซ้อน การเปลี่ยนแผ่นวัสดุเป็นงานที่ใหญ่มาก

- ใครบ้างที่ใช้: Mannesmann Demag (ในอดีต) และโรงสีบางแห่งในยุโรป

ดีไซน์แบบแท่ง (แบบเคลซิม)

แท่งโลหะผสมหนา (ทองแดง-เหล็ก) หนึ่งแท่งหรือหลายแท่งถูกฝังในแนวตั้งที่ก้นเตาหลอม

ข้อดี: ขนาดกะทัดรัด เส้นทางกระแสไฟฟ้าสั้น (ความต้านทานต่ำ) การเปลี่ยนขั้วไฟฟ้าด้านล่างทำได้ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับการออกแบบแบบแผ่น

- ข้อเสีย: จุดอ่อนสำคัญคือหากมีแท่งโลหะเพียงแท่งเดียว การจัดการความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

- ผู้ที่ใช้งาน: Clecim (ในอดีต), สถานที่จัดแสดงงานศิลปะบางแห่งในฝรั่งเศสและเอเชีย

การออกแบบวัสดุทนไฟนำไฟฟ้า (แบบ Daido/NSC)

แทนที่จะใช้ขั้วไฟฟ้าโลหะแบบแยกส่วน พื้นเตาถูกสร้างขึ้นด้วยวัสดุทนไฟนำไฟฟ้า เช่น อิฐแมกนีเซีย-คาร์บอนที่มีส่วนผสมของกราไฟต์ ซึ่งนำกระแสไฟฟ้าได้ดี พื้นเตาทั้งหมดจึงกลายเป็นขั้วไฟฟ้า

ข้อดี: ไม่มีชิ้นส่วนโลหะแยกส่วนที่จะเกิดการกัดกร่อนหรือเสียหาย ดีไซน์สวยงาม

- ข้อเสีย: การสร้างสมดุลระหว่างการนำไฟฟ้าและอายุการใช้งานของวัสดุทนไฟนั้นเป็นเรื่องที่ต้องใช้ความเชี่ยวชาญทางเทคนิคสูง หากส่วนล่างที่เป็นตัวนำไฟฟ้าสึกหรอไม่สม่ำเสมอ การกระจายกระแสไฟฟ้าก็จะกลายเป็นปัญหา

- ผู้ผลิต: Daido Special Steel (ญี่ปุ่น), Nippon Steel

การรักษาขั้วไฟฟ้าด้านล่างให้คงที่

ไม่ว่าจะเป็นดีไซน์แบบไหน คุณก็จำเป็นต้องมีระบบการบำรุงรักษา:

- การตรวจสอบอุณหภูมิ มีเทอร์โมคัปเปิลหลายตัวติดตั้งอยู่ที่ก้นภาชนะ หากอุณหภูมิที่ระดับความลึกใดระดับหนึ่งเกินค่าเกณฑ์ที่กำหนด แสดงว่ามีปัญหาเกิดขึ้น ซึ่งอาจเป็นความเสียหายที่กำลังพัฒนา

- ความสมบูรณ์ของระบบระบายความร้อน ต้องตรวจสอบการไหลของน้ำและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง หากระบบระบายความร้อนล้มเหลว อาจทำให้ขั้วไฟฟ้าด้านล่างเสียหายได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง

- การตรวจสอบความต้านทาน/แรงดันไฟฟ้า การวัดความต้านทานของขั้วไฟฟ้าด้านล่างแบบออนไลน์จะช่วยให้คุณทราบถึงความสมบูรณ์ของหน้าสัมผัสและการสึกหรอ

- การเปลี่ยนตามแผน ร้านเชื่อมส่วนใหญ่จะกำหนดอายุการใช้งานของอิเล็กโทรดด้านล่างตามแผน (โดยพิจารณาจากจำนวนครั้งในการใช้งานและการตรวจสอบสภาพ) และทำการซ่อมแซมใหม่ล่วงหน้า แทนที่จะรอให้เกิดความเสียหายก่อน

โดยทั่วไป อายุการใช้งานของอิเล็กโทรดด้านล่างจะอยู่ที่ 1,000 ถึง 3,000 รอบการเผา บางโรงงานอาจใช้งานได้เกิน 3,000 รอบ แต่ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญด้านวัสดุทนไฟและกระบวนการทำงานที่มีระเบียบวินัย

อุปกรณ์ไฟฟ้า: มีอะไรอยู่ภายในตู้บ้าง

หม้อแปลงเรคติไฟเออร์

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC furnace) ต้องการหม้อแปลงไฟฟ้าแบบพิเศษที่ลดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) แรงดันสูงลง แล้วส่งไปยังวงจรเรียงกระแส คุณลักษณะสำคัญ:

- การออกแบบแบบ 12 พัลส์ ขดลวดทุติยภูมิถูกจัดเรียงเป็นขดลวดคู่ (แบบสตาร์และเดลต้า) เพื่อสร้างการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงแบบ 12 พัลส์ ซึ่งช่วยลดปริมาณฮาร์มอนิกในกระแสสลับขาเข้า

- ตัวเปลี่ยนแท็ปแบบปรับขณะใช้งาน แรงดันไฟฟ้าด้านรองต้องปรับได้เพื่อให้เข้ากับขั้นตอนการให้ความร้อนต่างๆ ตัวเปลี่ยนแท็ปช่วยให้สามารถปรับแรงดันไฟฟ้าได้ขณะใช้งาน

- ความจุ โดยประมาณจะเทียบเท่าหรือเล็กกว่าหม้อแปลงเตาไฟฟ้ากระแสสลับที่มีกำลังไฟฟ้าเท่ากันเล็กน้อย เนื่องจากตัวประกอบกำลังของเตาไฟฟ้ากระแสตรงดีกว่า (กำลังไฟฟ้าจริงส่วนใหญ่ถูกแปลงจากค่าพิกัดของหม้อแปลง)

ไทริสเตอร์เร็กติไฟเออร์

นี่คือหัวใจสำคัญของระบบไฟฟ้ากระแสตรง ไทริสเตอร์กำลังสูงถูกจัดเรียงในรูปแบบบริดจ์สามเฟสเพื่อแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง มุมการจุดระเบิดของไทริสเตอร์จะถูกปรับเพื่อควบคุมแรงดันและกระแสเอาต์พุตของกระแสตรง

วงจรเรียงกระแสสมัยใหม่ระบายความร้อนด้วยอากาศหรือน้ำ ขึ้นอยู่กับระดับกำลังไฟ การกำหนดค่าแบบ 12 พัลส์เป็นมาตรฐานเนื่องจากสามารถหักล้างลำดับฮาร์มอนิกบางอย่างได้โดยธรรมชาติ ถึงกระนั้น โดยทั่วไปแล้วคุณยังคงต้องใช้ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ด้านกระแสสลับอยู่ดี

เครือข่าย DC Short

วงจรนี้เรียบง่ายกว่าวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ด้านบวกวิ่งจากตัวเรียงกระแสไปยังขั้วไฟฟ้าด้านบน (คล้ายกับขดลวดอาร์มาเจอร์ของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ) ด้านลบวิ่งจากขั้วไฟฟ้าด้านล่างกลับไปยังตัวเรียงกระแส เนื่องจากเป็นกระแสตรง ค่ารีแอกแทนซ์จึงไม่ผันผวนเหมือนในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ค่าความต้านทาน (การสูญเสีย I²R) ยังคงมีความสำคัญ ดังนั้นจึงต้องเลือกขนาดตัวนำให้ใหญ่กว่าปกติ

เครื่องปฏิกรณ์ปรับเรียบ

กระแสตรงที่ผ่านการเรียงกระแสแล้วจะไม่ราบเรียบอย่างสมบูรณ์แบบ เพราะมีระลอกคลื่นจากการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง จึงต้องต่อตัวเหนี่ยวนำ (reactor) เข้าไปในวงจรอนุกรมเพื่อทำให้กระแสราบเรียบขึ้น กระแสตรงที่ราบเรียบหมายถึงการเกิดประกอไฟที่เสถียร

การใช้งานเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง: มีอะไรแตกต่างบ้าง

ลำดับขั้นตอนยังคงเหมือนเดิม

ลำดับความร้อน—การซ่อมแซมเตา การเติมวัสดุ การหลอม การออกซิเดชัน การรีดักชัน การเท—นั้นเหมือนกับเตาไฟฟ้ากระแสสลับทุกประการ สิ่งที่แตกต่างออกไปคือพฤติกรรมของบางสิ่งบางอย่างเนื่องจากคุณลักษณะของอาร์คไฟฟ้ากระแสตรง

การหลอมละลาย: การก่อตัวของหลุมเจาะที่เร็วขึ้น

กระแสไฟฟ้าตรง (DC) มีความเสถียรตั้งแต่เริ่มจุดประกาย ความเสถียรนั้นหมายความว่ารูเจาะ (ช่องทางที่อิเล็กโทรดเผาไหม้เข้าไปในเศษโลหะ) จะก่อตัวได้เร็วกว่าและคาดการณ์ได้แม่นยำกว่าในเตาหลอมกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) เศษโลหะจะหลอมละลายจากตรงกลางออกไปด้านนอก ซึ่งเป็นรูปแบบที่แตกต่างจากการให้ความร้อนแบบสามจุดของเตาหลอมกระแสไฟฟ้าสลับ

ผู้ปฏิบัติงานต้องคอยสังเกตการเบี่ยงเบนของประกอไฟ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงเริ่มต้นของการหลอม หากประกอไฟพุ่งไปด้านใดด้านหนึ่ง เศษโลหะที่อยู่ด้านไกลอาจหลอมละลายได้ไม่ดี การปรับตำแหน่งของอิเล็กโทรดหรือการกระจายเศษโลหะในถังสามารถช่วยได้

การกวนด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า: ประโยชน์ฟรี

อย่างที่กล่าวไว้ กระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่ไหลผ่านอ่างจะทำให้เกิดการกวนตามธรรมชาติ โดยทั่วไปแล้ว ผู้ปฏิบัติงานจะเห็นความสม่ำเสมอของอุณหภูมิและองค์ประกอบทางเคมีที่ดีกว่าในเตาหลอมกระแสตรง เมื่อเทียบกับเตาหลอมกระแสสลับที่มีขนาดใกล้เคียงกัน โดยไม่จำเป็นต้องฉีดก๊าซจากด้านล่าง

ความแรงของการกวนจะแปรผันตามระดับกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าสูง = การกวนแรงขึ้น เตาหลอม DC บางรุ่นมีวิธีการกลับทิศทางการกวน (โดยการกลับขั้ว DC) ซึ่งอาจมีประโยชน์ในสถานการณ์การใช้งานเฉพาะบางอย่าง แม้ว่าจะไม่ใช่ทุกรุ่นก็ตาม

โฟมมี่ สแลก: เหมือนกับ AC แต่มีรายละเอียดปลีกย่อยเพิ่มมาหนึ่งอย่าง

เตาหลอม DC ต้องการตะกรันแบบฟองด้วยเหตุผลเดียวกับเตาหลอม AC คือ การป้องกันประกายไฟ การเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อน และการป้องกันผนังเตา ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือ เนื่องจากประกายไฟ DC ไม่มีจุดตัดศูนย์เหมือนในเตาหลอม AC การปฏิสัมพันธ์ระหว่างประกายไฟกับตะกรันจึงต่อเนื่องกว่า ผู้ใช้งานบางรายรายงานว่า ความเสถียรของตะกรันแบบฟองในเตาหลอม DC ต้องการความเอาใจใส่มากกว่าเล็กน้อย ความแตกต่างนั้นไม่มากนัก แต่ก็เป็นความจริง

ระบบอัตโนมัติและการควบคุม: อะไรคือสิ่งที่เฉพาะเจาะจงสำหรับศูนย์ข้อมูล

การควบคุมส่วนโค้ง

ในเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC furnace) การควบคุมอาร์คทำงานแตกต่างจากในเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ (AC furnace) คุณควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงโดยการปรับมุมการจุดระเบิดของไทริสเตอร์ และควบคุมกระแสไฟฟ้าอาร์คโดยการปรับตำแหน่งของอิเล็กโทรด ระบบควบคุมโดยทั่วไปจะทำงานในโหมดกระแสคงที่หรือกำลังคงที่

ความเร็วในการตอบสนองมีความสำคัญไม่แพ้กันกับระบบไฟฟ้ากระแสสลับ เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงสมัยใหม่ใช้ระบบขับเคลื่อนอิเล็กโทรดเซอร์โวไฮดรอลิกที่มีการตอบสนองระดับมิลลิวินาที

การตรวจสอบการเบี่ยงเบนของส่วนโค้ง

เนื่องจากการเบี่ยงเบนของอาร์คเป็นปัญหาเฉพาะของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง ดังนั้นเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงจึงมักมีระบบตรวจสอบรวมอยู่ด้วย:

- เซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กที่ติดตั้งรอบเตาหลอมเพื่อตรวจจับตำแหน่งของประกายไฟ

- การวิเคราะห์การกระจายกระแสไฟฟ้าที่ขั้วไฟฟ้าด้านล่าง (ในแบบหลายขา) เพื่ออนุมานว่าประกายไฟเกิดขึ้นที่จุดใด

- การแก้ไขอัตโนมัติ—การปรับตำแหน่งของอิเล็กโทรด หรือ (ในบางแบบ) การปรับการกระจายกระแสไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดด้านล่าง

นี่คือเทคโนโลยีที่ไม่มีอยู่ในเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ เพราะส่วนโค้งสมมาตรทั้งสามส่วนจะไม่เบี่ยงเบนไปจากกันเป็นหน่วยเดียว

การตรวจสอบด้วยอิเล็กโทรดด้านล่าง

การตรวจสอบอุณหภูมิและความต้านทานของขั้วไฟฟ้าด้านล่างแบบเรียลไทม์เป็นมาตรฐานในเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงสมัยใหม่ ระบบนี้จะแจ้งเตือนล่วงหน้าถึงปัญหาที่กำลังเกิดขึ้น เช่น ความร้อนสูงเกินไป การสัมผัสทางไฟฟ้าที่เสื่อมสภาพ การสึกหรอของวัสดุทนไฟ เมื่อค่าพารามิเตอร์เกินขีดจำกัด ระบบสามารถลดกำลังไฟโดยอัตโนมัติหรือแจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานเพื่อกำหนดเวลาหยุดการบำรุงรักษา

กระแสตรง (DC) กับ กระแสสลับ (AC): การเปรียบเทียบที่แท้จริง

การเปรียบเทียบทางเทคนิค

DC EAF AC EAF

ขั้วไฟฟ้า 1 ขั้วบน + ขั้วไฟฟ้าล่าง 3 ขั้วบน

ปริมาณการใช้อิเล็กโทรด 1.0–1.5 กก./ตัน 2.0–4.0 กก./ตัน

ตัวประกอบกำลัง 0.85–0.95 0.65–0.80

แรงดันไฟฟ้ากะพริบ ต่ำ สูง

ฮาร์โมนิกส์ 12 พัลส์ (ควบคุมได้ด้วยฟิลเตอร์) อุดมไปด้วยฮาร์โมนิกส์ลำดับสูง

ความเสถียรของส่วนโค้ง ดีเยี่ยม (ต่อเนื่อง) ดี (แต่มีจุดตัดศูนย์)

ระดับเสียงต่ำกว่า (ต่ำกว่า 10–15 เดซิเบล) สูงกว่า

การกวนในอ่างน้ำด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าธรรมชาติ ต้องใช้การอัดแก๊ส

การเบี่ยงเบนของส่วนโค้งมีอยู่ จำเป็นต้องมีการจัดการ ไม่มี (สมมาตรสามเฟส)

การบำรุงรักษาขั้วไฟฟ้าด้านล่าง จำเป็น ไม่เกี่ยวข้อง

การเปรียบเทียบทางเศรษฐกิจ

DC EAF AC EAF

ต้นทุนการลงทุนเพิ่มขึ้น 15% ถึง 25% จากระดับพื้นฐาน

การใช้พลังงานต่ำกว่าเล็กน้อยหรือเทียบเท่ากับระดับพื้นฐาน

ต้นทุนอิเล็กโทรดลดลง 40-60% เมื่อเทียบกับราคาพื้นฐาน

ต้นทุนในการแก้ไขปัญหาคุณภาพไฟฟ้า ต่ำ (สะอาดกว่าโดยธรรมชาติ) สูง (มักต้องใช้ SVC/STATCOM)

ค่าบำรุงรักษา สูงขึ้นเล็กน้อย (ขั้วไฟฟ้าด้านล่าง) ค่าพื้นฐาน

ต้นทุนการดำเนินงานโดยรวม ขึ้นอยู่กับรายละเอียด ขึ้นอยู่กับรายละเอียด

ควรเลือกอันไหนเมื่อไหร่

DC เหมาะสมเมื่อ:

- บริษัทผู้ให้บริการไฟฟ้าของคุณมีข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับแสงกะพริบหรือฮาร์โมนิก

- คุณกำลังสร้างเตาหลอมขนาดใหญ่ (มากกว่า 100 ตัน) ซึ่งจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายด้านอิเล็กโทรดได้อย่างมาก

- กฎระเบียบเรื่องเสียงรบกวนในพื้นที่ของคุณค่อนข้างเข้มงวด

- คุณต้องการการกวนด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าตามธรรมชาติ และสามารถใช้งานเตาเผาเพื่อใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้ได้

เครื่องปรับอากาศมีประโยชน์ในกรณีต่อไปนี้:

- โครงข่ายไฟฟ้ามีความเสถียรและไม่มีปัญหาเรื่องการกระพริบของภาพ

- คุณกำลังสร้างเตาหลอมขนาดกลางหรือขนาดเล็ก (50-80 ตัน) ซึ่งการจ่ายกระแสไฟ DC เพิ่มเติมนั้นอาจหาเหตุผลมาสนับสนุนได้ยาก

- เงินทุนมีจำกัด และเบี้ยประกัน DC เป็นอุปสรรค

- ทีมของคุณมีประสบการณ์การใช้งานระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) อย่างลึกซึ้ง และไม่ต้องการเรียนรู้การใช้งานระบบไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ในส่วนของขั้วไฟฟ้าด้านล่าง

สถานการณ์ปัจจุบัน: ดีซีในโลกแห่งความเป็นจริง

การติดตั้งทั่วโลก

เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC EAF) หลายร้อยเครื่องกำลังใช้งานอยู่ทั่วโลก ญี่ปุ่นเป็นประเทศที่นำระบบนี้มาใช้อย่างแพร่หลาย โดยบริษัท Daido Special Steel, Tokyo Steel และบริษัทอื่นๆ ต่างก็ใช้เตาหลอมกระแสตรง ยุโรปก็มีการใช้ระบบกระแสตรงอย่างมาก โดยเฉพาะในเยอรมนี ฝรั่งเศส และอิตาลี ในสหรัฐอเมริกา โรงงานบางแห่งได้นำระบบกระแสตรงมาใช้ในพื้นที่ที่อ่อนไหวต่อระบบไฟฟ้าหลัก เตาหลอมไฟฟ้าแบบใหม่ของอินเดียมีสัดส่วนของหน่วยกระแสตรงอยู่ไม่น้อย

ประสบการณ์ของจีน

จีนเริ่มนำเข้าเทคโนโลยีเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรง (DC EAF) ในช่วงทศวรรษ 1990 โดยบริษัท ABB และ Mannesmann เป็นผู้จัดหาเครื่องรุ่นแรกๆ ตามมาด้วยการวิจัยและพัฒนาภายในประเทศ ปัจจุบัน จีนใช้งานเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงหลายสิบเครื่อง อย่างไรก็ตาม การก่อสร้างเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงรุ่นใหม่ในจีนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาส่วนใหญ่เน้นไปที่การออกแบบแบบกระแสสลับแรงดันสูงพิเศษ (AC-UHP) ส่วนแบ่งการตลาดของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงในการก่อสร้างใหม่จึงค่อนข้างน้อย

สถานการณ์อาจเปลี่ยนแปลงไปเมื่อกฎระเบียบด้านคุณภาพพลังงานเข้มงวดขึ้น และเมื่อขนาดเตาหลอมที่ใหญ่ขึ้นทำให้การประหยัดต้นทุนจากอิเล็กโทรดมีความน่าสนใจมากขึ้น แต่ในขณะนี้ AC-UHP ยังคงเป็นตัวเลือกที่โดดเด่นในการขยายการผลิตเตาหลอมไฟฟ้าในประเทศจีนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

สรุปแล้ว

เตาหลอมไฟฟ้าแบบ DC และ AC ต่างก็เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้วและมีประสิทธิภาพสูง ไม่มีเทคโนโลยีใดดีกว่ากันในแง่สัมบูรณ์ เทคโนโลยี DC มีผลกระทบต่อระบบไฟฟ้าต่ำกว่า สิ้นเปลืองอิเล็กโทรดน้อยกว่า และมีการกวนของเหลวในเตาหลอมโดยธรรมชาติ แต่ก็ต้องแลกมาด้วยต้นทุนที่สูงขึ้นและความซับซ้อนของอิเล็กโทรดด้านล่าง ส่วนเทคโนโลยี AC นั้นเรียบง่ายและต้นทุนต่ำกว่า แต่ก็ต้องแลกมาด้วยการสิ้นเปลืองอิเล็กโทรดและ (บ่อยครั้ง) คุณภาพกระแสไฟฟ้าที่ลดลง

การเลือกที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับระบบโครงข่ายไฟฟ้า งบประมาณ ขนาดเตาหลอม และประสบการณ์ของทีมงานของคุณ เทคโนโลยีทั้งสองแบบจะยังคงอยู่ต่อไปอีกนาน และทั้งสองแบบต่างก็มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมเหล็กสมัยใหม่