DC Lichtboogoven: Efficiënte Enkele-Elektrode Stalenproductietechnologie

DC Lichtboogoven

De DC (direct current) lichtboogoven (LBO) is een oven voor primaire stalenproductie die een ander concept vertegenwoordigt in de ontwerpen van lichtboogovens. De DC-LBO heeft slechts één elektrode die fungeert als kathode en de stroom vloeit van deze grafietelektrode naar een anode die in de bodem van de oven gemonteerd is. Een enkele grafietelektrode benut de zeer efficiënte warmteoverdracht van de boog die gegenereerd wordt tussen de bovenste grafietelektrode en de anode die door de lading van de oven wordt gevormd. Een typisch uitzicht van een DC-LBO is getoond in Afbeelding 1.

Een DC-LBO lichtboogoven omvat typisch een met vuurvast beklede cilindrische staalen mantel, met een centrale grafietelektrode verticaal gepositioneerd door een opening in het midden van het dak. De anode-aansluiting in de hearth van de oven is in direct contact met de laag vloeibaar staal die bedekt is door een laag vloeibare slak. De energie wordt toegevoerd door middel van een open plasma-boog (Afbeelding 2) die gegenereerd wordt tussen de bodemtop van de kathode en het oppervlak van de gesmolten slak. Ten minste een centraal deel van het slakoppervlak is open. Omdat de oven elektrisch aangedreven wordt, kunnen zeer hoge temperaturen (hoger dan 1500°C) bereikt worden.

De DC-LBO is een alternatief voor de AC (wisselstroom) gebaseerde LBO. De uitgang van de UHP (ultra hoog vermogen) transformator wordt omgezet naar DC met behulp van een gelijkrichter, meestal brug-verbonden thyristoren. DC-LBO uitgerust met regelbare hoogvermogen gelijkrichtersystemen garandeert een stabiele boog onder alle omstandigheden, bij de maximaal mogelijke vermogenswaarden. De boog in een DC-LBO is een duurzame hoog-snelheid hoog-temperatuur straal, gedreven door elektromagnetische versnelling (het Maecker-effect) in de begrensde regio nabij de wortel van de boog op het elektrode-oppervlak. De boog wordt gegenereerd door de interactie tussen de vloeistofstroom, het thermische veld, en de elektromagnetische velden. De zichzelf-begrenzende elektromagnetische krachten houden deze supersonische oververhitte plasmastraal (Afbeelding 2) redelijk coherent. Een DC-reactor wordt gebruikt om de boog verder te stabiliseren. Verder is het oppervlak van het vloeibare bad (of ten minste een deel van het oppervlak in de boog-aanhechtingszone) open, d.w.z. in essentie onbedekt door ongereageerd voedermateriaal. Schematisch diagram van een DC-LBO is getoond in Afbeelding 2.

De DC-LBO heeft verschillende unieke vereisten ten opzichte van AC-ovens naast de voor de hand liggende verschillen in elektrische energievoorziening. De belangrijke kenmerken van DC-LBO zijn: (i) robuust en betrouwbaar ontwerp, (ii) hoge flexibiliteit ten aanzien van ladingsmaterialen, (iii) hoge stroomdichtheid en vermogensgebruik, (iv) hoge boogstabiliteit, (v) goede stroomkwaliteit zelfs onder zwakke netomstandigheden, en (vi) onafhankelijke spanning- en stroomregeling. Andere kenmerken van een DC-LBO vergeleken met AC-LBO zijn:

• De werking is stabieler. Het smelten is uniform.
• Het heeft verminderde elektrodeverbruik door de systeemregeling. Elektrodeverbruik daalt tot ongeveer een derde. Er is echter behoefte aan verbetering van het schillen en barsten van de elektroden. Lagere verbruik van elektroden maakt het mogelijk om laagkoolstof-hitten te produceren.
• Het heeft lagere bekledingsslijtage. Refractairverbruik is minder aan de zijwanden maar meer aan de bodem. Totale besparing in refractairverbruik ligt in het bereik van 15% tot 25%.
• Er is convectie roeren van het bad.
• Temperatuurdistributie van het bad is beter. Betere temperatuurdistributie resulteert in verbeterde warmteverdeling. De hitteplekken op de ovenwand in het geval van AC-LBO zijn er niet.
• Geluidsniveaus zijn veel lager (vermindert van 105 dB tot 85 dB).
• Installatiekosten zijn hoger (rond 10% tot 35% meer).
• Exploitatiekosten zijn lager (rond 15% tot 20% minder).
• Er is minder netwerkstoring. Er is een scherpe reductie in flikker-effect. Flikker-niveau en flikker-frequentie halveren. De behoefte aan Var-compensatieapparatuur is veel lager.
• Er is lager energieverbruik. Er is 5% tot 10% besparing in vermogen.
• Bodemelektroden maken de ovenbodem gecompliceerd.
• Het heeft lagere niveaus van stof- en gasemissies.

De Ontwikkeling van DC Lichtboogoventechnologie

Het wordt algemeen aangenomen dat de DC lichtboogoven een recente ontwikkeling is. Dit is slechts ruimschoots correct. Al in 1881 in Duitsland en 1885 in Zweden, werden smeltovens beschreven die DC-technologie gebruikten. Deze ovens hadden twee benaderingen voor smelten: (i) het concept van een brandende boog tussen een grafietelektrode en een metalen lading, zoals vandaag nog gebruikt, en (ii) het voorstel van een boog brandend tussen twee horizontaal gerangschikte elektroden, in dit geval de lading smeltend door straling alleen. Aangezien noch hoge-stroom snelle en controleerbare DC-gelijkrichters noch een oplossing voor het probleem van hoge thermische verliezen beschikbaar waren tijdens die tijd, kon de DC lichtboogoven niet ontwikkeld worden tot een haalbare eenheid voor bedrijf onder de heersende industriële omstandigheden.

In de vroege jaren zeventig was DC-technologie zo weit ontwikkeld dat het redelijk werd om deze technologie voor lichtboogovens te gebruiken. Toepassing van deze technologie creëerde een nieuwe generatie lichtboogovens voor gebruik in de stalenproductie-industrie, alsook in de ferrolegering- en non-ferro metaalsectoren. De enkele grafietelektrode DC-oven benutte de zeer efficiënte warmteoverdracht van de boog gegenereerd tussen de bovenste grafietelektrode en de anode, geboden door de lading in de oven. Succesvolle toepassingen in de jaren tachtig en negentig vestigden de smelt- en verfluitsvoordelen van de DC-oven.

Basale Ontwerpkenmerken

In de DC-LBO wordt de elektrische energie omgezet in thermische energie voornamelijk door de boog, die tot stand komt tussen de top elektrodetip en het slakbad. De top van de elektrode is verbonden als de kathode, en het geleidende bodemsysteem is verbonden als de anode.

DC-ovens hebben slechts één elektrodemastarm en een enkele grafietelektrode. Deze elektrode fungeert als de kathode. Dus de bovenkant van de oven is minder gecompliceerd en er zijn minder componenten te onderhouden in het geval van de DC-LBO en in het algemeen heeft het minder componenten om te onderhouden vergeleken met AC-ontwerpen. De elektrode wordt verbruikt tijdens de stalenproductie en moet verlengd worden met nieuwe stukken. Elektrodearm wordt gebruikt voor regeling van de elektrode. Aangezien er één elektrode is, is het grafietverlies door oxidatie lager vergeleken met AC lichtboogoven.

Voor de top elektrode zijn er speciale eisen aan grafiet en heeft het een speciale graad grafiet nodig. De speciale eisen vergeleken met de grafiet voor elektrode voor AC-LBO zijn: (i) lagere thermische uitdijingscoëfficiënt, (ii) lagere specifieke elektrodeweerstand, (iii) verbeterde transversale thermische geleiding, (iv) lagere coëfficiënt van thermische uitdijting, en (v) verbeterde homogeniteit en grofheid. DC-LBO vereist een effectieve koelregeling in het dak en zijwandgebied om het effect van het hete vloeibare slak in direct contact met het refractaire materiaal en de verhoogde thermische straling te compenseren.

De DC-LBO heeft echter een retourelktrode nodig, de anode, om het elektrische circuit te voltooien. Deze anode wordt normaal aangeduid als de bodemelektrode aangezien deze in de bodem van de ovenmantel bevindt. De oven werkt met een hete rest (hot heel) om een elektrisch pad naar de retourelanode te garanderen. Verschillende ontwerpen zijn beschikbaar voor de bodem retourelktrode, inclusief metalen pen retourelktroden met niet-geleidende refractairen, blok elektrode, metalen vin elektroden, en geleidende bodem refractair. Deze zijn getoond in Afbeelding 3.

In het geval van stroomgeleidend refractair contact, fungeert de refractaire bekleding in het midden van de ovenbodem als de anode. De bodem heeft een circulaire flens die in een circulair kanaal rust dat aan de ovenmantel is geribbeld. Binnen het kanaal wordt de flens ondersteund door vezelversterkte keramische blokken. De ruimte tussen het kanaal, ondersteuningsblokken, en flens wordt gevuld met een refractaire rammingmengsel. Dit isoleert de bodem elektrisch van de rest van de ovenmantel zoals getoond in Afbeelding 4.

De bolvormige ovenbodem is gemaakt van hoge-temperatuur staal. Een circulaire koperen plaat is direct aan de ovenbodem gebout. Vier koperen terminalen reiken door de ovenbodem vanaf de koperen plaat en verbinden met flexibele kabels die op hun beurt verbonden zijn met de busbuizen. De geleidende refractaire stenen worden bovenop de koperen plaat geïnstalleerd. Warmtestroom van de bodem van de oven (normaal rond 15 kW/m²) wordt verwijderd door gedwongen luchtkoeling. Vanwege het grote oppervlak van de bodemelektrode, neigt de stroomdichtheid ernaar om vrij laag te zijn, normaal rond 5 kA/m². Echter, in sommige ovens, wordt niet-geleidend pleistermateriaal in het midden van de oven gebruikt om de stroom te dwingen om meer gelijkmatig over de hele bodem te verdelen. In het geval de juiste verdeling van de stroom niet bereikt wordt, resulteert dit in hitteplekken in het midden van de oven.

De blok retourelktrode configuratie gebruikt 1 tot 4 grote staalblokken van ongeveer 100 mm tot 150 mm diameter, maar kan zo groot zijn als 250 mm diameter afhankelijk van de grootte van de LBO. Normaal streeft het ontwerp naar een stroom van 40 kA tot 45 kA per bodemelektrode. De blokken zijn in contact met het bad aan het oppervlak en smelten daarom terug. De mate waarin het blok terug smelt, wordt geregeld door waterkoeling. Het blok wordt in een koperen behuizing geplaatst door welke koelwater circuleert. Door voldoende koeling te voorzien, kan gewaarborgd worden dat het blok niet volledig terug smelt. Thermocouples monitoren de temperatuur van het bodemblok en de koelwatertemperatuur.

Een isolerende mantel isoleert de koperen behuizing van het blok. Het blok is verbonden met een koperen basis. De koperen basis biedt de aansluiting aan een stroomkabel. Typische rangschikking van een blok anode is gegeven in Afbeelding 5.

De pen-type retourelktrode gebruikt meerdere metalen pennen van 25 mm tot 50 mm in diameter om het retourpad voor de elektrische stroom te voorzien. Deze pennen zijn verticaal geconfigureerd en penetreren daadwerkelijk het refractair. De pennen reiken naar de bodem van de oven waar ze in positie worden vastgezet door twee metalen platen. De bodemeinden van de pennen zijn geankerd aan de onderste stroomgeleiderplaat. De bodemcontactplaat is luchtgekoeld en bevindt zich in het midden van de ovenbodem. De bovenste delen van de pennen zijn vlak met de werkbekleding in de oven. De pennen zijn in direct contact met het bad, en smelten terug naarmate de werkbekleding verslijt. Een retour stroomkabel is bevestigd aan de bodemgeleiderplaat.

Een uitgebreid temperatuurmonitoringssysteem is vorgesehen om bekledingsverslijting en bodemelektrodelevensduur te volgen. Dit stelt geplande uitwisseling van de bodemelektrode in gedurende een geplande 8-urige onderhoudsstoring. Het integrale cartridge-ontwerp dat zich heeft ontwikkeld, stelt snelle uitwisseling van de bodemelektrode toe over een geplande 8-urige onderhoudsstoring.

De staalvin retourelktrode gebruikt staalvinnen gerangschikt in een ring in de ovenbodem om diverse sectoren te vormen. Elke sector bestaat uit een horizontale grondplaat en diverse op elkaar gelaste staalvinnen die omhoog steken door het refractair. De vinnen zijn ongeveer 1,6 mm dik en ongeveer 90 mm uit elkaar. De sectoren zijn gebout op een luchtgekoelde bodemschil die elektrisch geïsoleerd is van de aarde en verbonden is met 4 koperen geleiders.

De meeste DC-LBO's worden bediend met lange bogen, typisch 2 tot 3 keer die aangetroffen in conventionele UHP oven operaties. Als resultaat heeft DC-LBO hogere waterstroomsnelheden voor watergekoelde panelen.

Refractaire Bekleding voor DC-LBO

Het refractaire concept van een DC-oven moet ontworpen worden rekening houdend met de zwaardere omstandigheden waarin ze opereren. DC lichtboogovens hebben speciale refractairen aan de bodem omdat de anode in de bodem van de oven geïnstalleerd is. Naast de bodemrefractairen, zijn andere belangrijke punten die overwogen moeten worden voor het ontwerp van de refractaire bekleding: refractaire zonering patroon, hearth contour, slaklijnlocatie, taphole-grootte, hoek, en locatie, dakoriëntatie, uitdijtingstoelatingen, branderpoortlocatie, slakdeurconstructie en bodemroerelement.

DC-LBO heeft speciale refractaire vereisten aangezien de retourelktrode meestal in de bodem van de oven geïnstalleerd is (sommige DC-LBO's gebruiken een alternatieve regeling met twee grafitelektroden). In het geval van een stroomgeleidende bodem, fungeert de refractaire bekleding in het midden van de ovenbodem als de anode. Een koperen plaat is meestal verbonden onder het geleidende refractair en de retour koperen busbar is verbonden met de plaat. In dit geval zijn speciale vereisten voor het refractair: lage elektrische weerstand (bij voorkeur minder dan 0,5 milliohm per meter), lage thermische geleiding, en hoge slijtvastheid.

Een typische configuratie gebruikt een 150 mm dikke werkbekleding bestaande uit koolstofgebonden magnesia mengsels die 5% tot 10% koolstof bevatten. Deze materialen kunnen heet of koud geïnstalleerd worden. Onder de werkbekleding wordt een drie-laags magnesia-koolstofsteen geïnstalleerd. De restkoolstofinhoud van de stenen varieert van 10% tot 14%. Met regelmatig onderhoud heeft deze bodemelektrode-configuratie een bodemlevensduur van maximaal 4.000 hitten bereikt.

De blok retourelktrode-configuratie gebruikt 1 tot 4 grote staalblokken (rond 250 mm in diameter) afhankelijk van de grootte van de oven. De blokken zijn in de bodemrefractaire ingebed. De blokken zijn omringd met een basisch refractair steen. De rest van de hearth wordt gestampt met een speciaal magnesia rammingmengsel. Magnesia rammingmengsel wordt gebruikt om het steengebied rond de elektrode te onderhouden. Deze retourelktrode-configuratie heeft meer dan 1.500 hitten op de ovenbodem bereikt.

De pen-type retourelktrode gebruikt meerdere metalen pennen van 25 mm tot 50 mm in diameter om het retourpad voor de elektrische stroom te voorzien. Deze pennen penetreren daadwerkelijk het refractair naar de bodem van de oven waar ze bevestigd zijn aan een metalen plaat. Droog magnesia rammingmengsel wordt gebruikt voor de gehele hearth-bekleding. Deze mengsel wordt gestampt tussen de metalen pennen. Alternatief kan magnesia-koolstofsteen gebruikt worden in het gebied rond de anode. Dit helpt de ovenbodemlevensduur te verbeteren maar is duurder. Typische bodemlevensduur varieert van 2.000 hitten tot 4.000 hitten afhankelijk van de gebruikte refractaire materialen.

De staalvin retourelktrode gebruikt staalvinnen gerangschikt in een ring in de ovenbodem om diverse sectoren te vormen. Elke sector bestaat uit een horizontale grondplaat en diverse gelaste staalvinnen die omhoog steken door het refractair. Droog magnesia rammingmengsel wordt gebruikt tussen de vinnen. De hearth is ook met dit materiaal bekleed.

Elektrische Overwegingen voor DC-LBO

Om maximale ovendoorvoer te bereiken, moet de ovenvermogensregeling geoptimaliseerd worden om maximaal vermogensinput op alle stadia van het smeltproces en tijdens variaties in het ladingmateriaal te garanderen. Tegelijkertijd moet minimum netwerkstoring altijd gegarandeerd worden. Stroomkwaliteit moet compatibel zijn met de netbeheerder.

DC Voeding

Het benodigde hoge vermogen wordt weer geleverd vanaf een hoogspannings 3-fase AC-netwerk. Dit wordt omgezet naar DC door gelijkrichting van de uitgang van de oventransformator. Gelijkrichting wordt bereikt door brug-verbonden thyristoren. Normaal worden 12, 18, of 24-puls voedingen gebruikt in lichtboogovens, verkregen door meerdere, parallelle transformatoren elektrisch verschuivd van elkaar zodat hun individuele pulsen uniform overlappen. Deze elektrische verschuiving, van 15 graden, 10 graden of 7,5 graden, overeenkomend met de 12, 18 of 24-puls systemen, wordt gemaakt door verschillende spoelverbindingen binnen de transformator. Om deze reden zijn de transformatoren gebruikt voor DC-LBO's heel anders dan die voor AC-LBO en in het algemeen ongeschikt voor AC-ovenoperatie.

De volt/amp karakteristiek van een DC-voeding bestaat uit een zwak dalende daling van DC-spanning naarmate de DC-stroom toeneemt. De helling van deze lijn is op de orde van 1 volt per kA en wordt bepaald door de commuterende reactantie van de transformator/gelijkrichter combinatie, niet door de lichtboogoven. Om daarom brede stroomuitwijkingen te beperken door wijd uiteenlopende boogspanningen, worden thyristoren de voorkeur gegeven boven dioden. Het geleidingsmoment na stroomnul (vuurhoekvertraging) staat onder controle van de gate-terminal. Elke thyristor kan, in principe, binnen een halve cyclus worden uitgezet.zelfs zo, binnen de diverse milliseconde vertragingen tussen een boogspanningsverandering (bijv. een kortsluiting) en de controle van de thyristoren, kunnen stromen significant toenemen. Om de stijgsnelheid van de stroom te verminderen, is het normaal om een reactor binnen de DC-stroomlus toe te voegen, de natuurlijke reactantie van de hoge-stroom DC-lus ontoereikend zijnde.

Deze reactoren zijn gedimensioneerd om een inductie in het bereik van 100 micro-Henry tot 400 micro-Henry te hebben. Aangezien ze de volledige DC-stroom dragen, zijn ohmse verliezen significant en kunnen alleen binnen acceptabele grenzen worden gehouden door een adequate doorsnede van het koper of aluminium dat de spoelen vormt. Thyristoren zijn elk in staat om een paar kA en een paar kV van omgekeerde polariteit aan te kunnen. Een rangschikking van serie en parallel verbonden thyristoren vormt elk been. Zekeringen en spanningsbalansweerstanden worden als beschermende maatregelen gebruikt. Koeling wordt bewerkstelligd door gedioniseerd water.

Elektrische Kenmerken van DC-LBO

De thyristorregeling wordt normaal gekozen om de stroom constant te houden. Dus de AC-stroom voor de gelijkrichter is ook constant, evenals de primaire stroom. Overweegde vermogens op de AC primaire, wordt gezien dat constante stroom betekent dat MVA constant is. De karakteristiek van MW als functie van MVAR is dus een kwadrant van een cirkel waarvoor (kwadraat van MW) + (kwadraat van MVAR) = (kwadraat van MVA) = constant. Normaal is de helling van de volt/amp lijn lineair en daalt typisch 100 V in 100 kA. Dus bij 100 kA, kan de thyristorregeling constante stroom handhaven over een boogspanningsbereik van ongeveer 900 V naar kortsluiting door de vuurhoek te variëren.

Bodemverbindingen

Om te opereren met een enkele DC-boog is het noodzakelijk om een elektrische verbinding (de positieve anode) met de staallading te maken. Verschillende oplossingen zijn ontwikkeld voor deze kwestie. Een paar typen van de bodemverbindingen voor DC-LBO zijn getoond in Afbeelding 6.

In één type wordt de anodestroom verdeeld over veel staalstaven in een gestampt refractair blok ingesloten. De staven, met een diameter van ongeveer 25 mm, kunnen één meter lang zijn en zijn verbonden door een koperen plaat onder de ovenmantel. Het hele anodeblok kan 1 m tot 2 m in diameter meten. Een variatie op het pen-type is om dunne staalplaten te gebruiken, opnieuw in refractair ingesloten. Een andere variatie is om een staalblok van diameter 250 mm te gebruiken dat door een geïsoleerde huls gaat, leidend tot een gekoelde koperen verbinding onder de ovenmantel. In al drie deze ontwerpen (pen, plaat of blok) smelt de top van de staalleider gedurende de hitte. Het herstelt tijdens stroomuitval en na schrootlading.

Een alternatief voor de staal-naar-staal stroomontwerpen is er eentje waar de stroom door geleidende refractairen naar een grote diameter, koperen bodemplaat genomen wordt. In alle bodemverbindingstypen moet er isolatie zijn tussen de anodeverbinding en de ovenmantel. Dit is om de kans te verkleinen dat stroom direct door de mantel naar de anodebusbuizen passeert.

De stroomkwaliteit is de belangrijkste zorg van het stroomvoorzieningssysteem in een LBO-unit. Het is noodzakelijk om te voldoen aan flikker, vermogensfactor, en harmonische limieten. Een effectief elektroderegelalgoritme verminderde transformatorschakeling en correcte dimensionering van de DC-reactor en harmonische filters zijn noodzakelijk om aan de netvereisten te voldoen. Daarnaast zijn optionele actieve flikkerreductie en continue vermogensfactorcorrectie door een Statische Var Compensator (SVC) vereist om naleving van de meest strenge netvereisten te garanderen en/of toestaan operatie in afgelegen gebieden met zwakke netomstandigheden.

Flikker wordt voornamelijk veroorzaakt door reactieve vermogensfluctuaties. Daarom is een snelle voorwaartskoppeling die informatie verzendt van de gelijkrichterregeling naar de SVC-regeling, waardoor de berekening van de daadwerkelijke reactieve vermogensverbruik van de oven mogelijk is, vereist. Deze informatie wordt gebruikt om de flikkermitigatieprestaties te verbeteren. Het resultaat van het gebruik van een SVC-systeem is: (i) hoger gemiddeld vermogensinput vergeleken met conventionele Var-compensatie, (ii) continue vermogensfactorcorrectie dicht bij eenheid, (iii) controle van ovenbusspanning, (iv) geen ongebalanceerde belasting in het netwerk, en (v) lage flikker- en harmonische niveaus zelfs in zwakke netten.

Boogstabilisator is noodzakelijk voor hogere productiviteit. Een stabiel proces is essentieel voor productieve operatie. Het gebruik van een geoptimaliseerd DC-reactorontwerp (lage verliezen) om de elektrodestroom te gladstrijken helpt een stabiele boog te handhaven te allen tijde. Het resultaat is: (i) lagere spanning op het elektrodehydraulische systeem, (ii) minder trillingen, (iii) lager elektrodeverbruik, (iv) hogere productiviteit, (v) nog grotere flikkerreductie, en (vi) lagere stralingsverliezen.

In het geval van de DC-LBO, hebben de thyristoren twee koperen afsluitingen, een van welke bevestigd is aan de LBO-stroomkabel, en de andere aan de bodemovenelektrode. De bodemovenelektrode is normaal rigied, aangezien geen beweging vereist is tijdens de operatie van de oven. In principe is de afsluiting op de thyristoren analoog aan de delta-sluiting, hoewel fysiek aanzienlijk verschillend. Met betrekking tot de onderhoudskwesties voor de delta-sluiting, kunnen echter dezelfde concepten toegepast worden op de DC-operatie.

DC-LBO Operaties

De vooruitgang in hoge-vermogen halfgeleiderschakeltechnologie bracht goedkope efficiënte DC-stroomvoorzieningen tot stand. Door deze vooruitgang werd de hoge-vermogen DC-ovenoperatie haalbaar. De DC-LBO wordt gekenmerkt door gelijkrichting van drie-fase oventransformatorspanningen door thyristorgeregelde gelijkrichters. Deze apparaten zijn in staat om de grootte van de DC-boogstroom continu te moduleren en te regelen om een stabiele operatie te bereiken. DC-ovens gebruiken slechts één grafietelektrode met de retourelktrode geïntegreerd in de ovenbodem. Er zijn verschillende typen bodem retourelktroden: geleidende hearth-bodem, geleidende pen-bodem, enkele of meerdere blokken, en geleidende vinnen in een monolithische magnesiet hearth.

Al deze bodem retourelktrode-ontwerpen zijn bewezen. Dejenigen die het meest gebruikt lijken te worden, zijn de geleidende pen-bodem waar een aantal pennen bevestigd zijn aan een plaat en het retourpad vormen en het bodemblok-ontwerp. De bodemelektrode is luchtgekoeld in het geval van het pen-type en watergekoeld in het geval van het blok-ontwerp. Het gebied tussen de pennen wordt gevuld met rammingmassa en de top van de pennen is op hetzelfde niveau als de binnenste ovenbekleding. Naarmate het refractair verslijten, smelten de pennen ook terug.

DC-LBO's opereren met een hete rest (hot heel) om een elektrisch pad naar de retourelktrode te garanderen. Tijdens opstart vanaf koude omstandigheden, wordt een mengsel van schroot en slak gebruikt om een initieel elektrisch pad te voorzien. Eenmaal dit gesmolten is, kan de oven met schroot geladen worden.

Enkele van de vroege voordelen bereikt met DC-operatie omvatten verminderd elektrodeverbruik (20% lager dan hoogspanning AC, 50% lager dan conventioneel AC), verminderde spanning flikker (50% tot 60% van conventionele AC-operatie) en verminderd vermogensverbruik (5% tot 10% lager dan voor AC). De bovenstaande resultaten zijn voornamelijk bereikt op kleinere ovens die van AC naar DC-operatie zijn omgebouwd. Echter, sommige grotere DC-oveninstallaties bereikten de bevoordeelde voordelen niet onmiddellijk. Vooral twee gebieden van zorgen duikten op: (i) elektrodeverbruik, en (ii) refractairverbruik.

Verschillende DC-ovenoperaties vonden dat de daling in elektrodeverbruik die verwacht werd onder DC-operatie niet voordoen. Veel analyse door de elektrodefabrikanten wees erop dat fysieke condities binnen de elektroden verschillend zijn voor AC- en DC-operaties. Als resultaat, voor grote DC-elektroden die zeer grote stroom dragen, is een verhoogde hoeveelheid barsting en schillen waargenomen vergeleken met AC-operaties. Daarom is het noodzakelijk geworden om elektroden te ontwikkelen met fysieke eigenschappen beter geschikt voor DC-operatie.

De economische maximumgrootte voor DC-ovens neigt een functie te zijn van beperkingen door elektrodegrootte en stroomdraagvermogen. Op dit moment lijkt de economische maximumgrootte voor een enkele grafietelektrode DC-oven rond 165 ton te liggen. Grotere ovengroottes kunnen geaccommodeerd worden door meer dan één grafietelektrode te gebruiken.

Verschillende van de vroege DC-operaties hebben problemen ervaren met refractairslijtage en bodemelektrodelevensduur. Deze problemen zijn direct gerelateerd aan booguitvlammen binnen de oven. Het anode-ontwerp heeft de grootste invloed op de booguitvlammen. In alle DC-ovens wordt de elektrische boog afgebogen in de richting tegenovergesteld aan de stroomvoorziening door asymmetrieën in magnetische velden die gegenereerd worden door het DC-circuit. Dus de boog neigt zich te concentreren op één gebied binnen de oven, een hitteplek creërend en resulterend in excessive refractairslijtage. Verschillende oplossingen zijn ontwikkeld om booguitvlammen te controleren of elimineren. Alle bodemelektrode-ontwerpen zijn momenteel geconfigureerd om de boog naar het midden van de oven te dwingen.

In het geval van bodem geleidend refractair en het pen-type bodem, is het noodzakelijk om gesplitste voedingslijnen aan de bodem anode of een bodemspoel te voorzien wat helpt het netto magnetische veld dat gegenereerd wordt te wijzigen. In het blok-bodemontwerp, wordt de hoeveelheid stroom naar elk blok geregeld samen met de richting van anodevoorziening om de boog te controleren. Het vin-bodemontwerp benut het feit dat elektrische voeding op meerdere punten plaatsvindt om boogafbuiging te controleren. Kwadranten verder van de gelijkrichter worden voorzien van hogere stroom dan die dichter bij de gelijkrichter.

Sommigen vinden dat de mogelijkheid voor verhoogde automatisering van LBO-activiteiten groter is voor de DC-oven. Dit is omdat met slechts één elektrode, er meer ruimte is zowel boven als binnen de oven. DC-oven wordt verwacht 10% tot 35% meer te kosten dan een vergelijkbare AC-oven. Echter, berekeningen op terugverdientijd tonen aan dat deze additionele kosten in één tot twee jaar kunnen worden terugverdiend door lagere exploitatiekosten.

Een studie is uitgevoerd die AC- en DC-ovenoperaties heeft vergeleken en het is gevonden dat de elektrische verliezen bedragen tot ongeveer 4% in AC-operaties en 5,5% in DC-operaties met het verschil in absolute termen relatief onbetekenisvol. Het verschil in totaal energieverbruik tussen AC- en DC-ovens is waarschijnlijk minder dan 9 kWh/ten gunste van de DC-oven. Echter, veel andere variabelen beïnvloeden het vermogensverbruik en het is moeilijk om nauwkeurige cijfers te ontwikkelen.

DC-ovens ervaren ruwweg 25% minder elektrodeverbruik dan AC-ovens, wat correleert met typisch 0,4 kg/ton. Dit verschil lijkt groter voor kleinere AC-ovens. Flikker is ongeveer 60% lager voor DC-operaties, echter, vooruitgang in AC-stroomconfiguraties (additionele reactantie) heeft dit verschil verminderd tot 40%.

Enkele typische resultaten die gepresenteerd zijn voor grote DC LBO-operaties zijn: elektrodeverbruik van 1 kg/ton tot 2 kg/ton vloeibaar staal, vermogensverbruik in het bereik van 350 kWh/ton vloeibaar staal tot 500 kWh/ton vloeibaar staal, tap-naar-tap tijd variërend van 45 minuten tot 120 minuten, en bodemlevensduur van 1.500 hitten tot 4.000 hitten. Het is belangrijk om te onthouden dat vermogensverbruik sterk afhankelijk is van operatieve praktijken, taptemperatuur, gebruik van hulpbrandstoffen, schroottype, etc.