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甘代順

四川省樂山市金河工業(yè)硅研究所 所長

 

摘要:研究分析了我國工業(yè)硅電爐的基本狀況,詳細(xì)論述了現(xiàn)階段我國工業(yè)硅電爐發(fā)展情況以及存在的問題;最后提出適合我國國情工業(yè)硅爐技術(shù)裝備發(fā)展的趨勢。

 

1.我國工業(yè)硅電爐設(shè)備概述

工業(yè)硅電爐設(shè)備主要由爐體、供電系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、檢測和控制系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)及輔助設(shè)備等組成。   

1.1.電爐爐體     

電爐爐體由爐殼、爐襯和出鐵口構(gòu)成。電極下部是最主要的反應(yīng)區(qū)，在這里，電能通過電弧和電阻轉(zhuǎn)化成熱能。爐膛的幾何尺寸，包括爐膛直徑、爐膛深度、電極極心圓直徑對爐內(nèi)電流分布和熱分布影響很大，是電爐設(shè)計(jì)的最重要參數(shù)。由于全國各地的供電條件及電壓等級不同,原料資源差異更大,生產(chǎn)技術(shù)水平參差不齊,因此選擇的工業(yè)硅爐參數(shù)就要求不同。由于我國工業(yè)硅爐設(shè)計(jì)很不規(guī)范,參數(shù)合理的工業(yè)硅爐并不多,而因參數(shù)不合理造成工業(yè)硅爐運(yùn)行不正常,生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差的工業(yè)硅爐大量存在。

我國絕大部分工業(yè)硅爐爐體的結(jié)構(gòu)型式是敞口式高煙罩爐體和半密閉式矮煙罩爐體。采用無渣法工藝生產(chǎn)工業(yè)硅的電爐爐膛內(nèi)部溫度分布很不均勻，離電極較遠(yuǎn)的區(qū)域容易形成死料區(qū)。為了改善爐膛溫度分布，增大熔煉區(qū)面積。甘肅藍(lán)星硅材料公司引進(jìn)德馬克技術(shù)改造了25000KVA電石爐進(jìn)行工業(yè)硅生產(chǎn),電爐裝設(shè)爐體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，爐體在水平方向上單向轉(zhuǎn)動或往復(fù)120轉(zhuǎn)動。視操作要求，爐膛旋轉(zhuǎn)周期為2～10d。采用淋水冷卻爐殼，爐底通風(fēng)冷卻和測溫有助于改善爐襯工作條件，延長爐襯壽命。

1.2.電爐供電系統(tǒng)    

1.2.1.電爐變壓器

國內(nèi)10000KVA以上的大中型電爐已采用三個(gè)單相變壓器供電，變壓器呈三角形布置,變壓器二次出線基本上為側(cè)部出線。這樣做可以縮短變壓器到電極的距離，降低短網(wǎng)阻抗，有利于提高電爐的熱效率和功率因數(shù)。一些電爐還裝有星角轉(zhuǎn)換裝置，改變電源一次側(cè)接法可以使二次電壓改變倍以滿足工藝操作對烘爐和冶煉制度的要求。為了適應(yīng)各種電源條件，一次電壓等級有6KV、10KV、35KV及110KV。但是,只有很少部分電爐變壓器采用有載分接開關(guān)，大部分電爐變壓器仍采用無載調(diào)壓方式,而且選擇電氣參數(shù)不合理的工業(yè)硅爐也較多。由于很多地區(qū)供電條件不好,為了補(bǔ)償功率因數(shù)，在變壓器的一次側(cè)、二次側(cè)、第三線圈及短網(wǎng)接入電容器進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2.2.用電負(fù)荷

工業(yè)硅電爐常以電爐變壓器容量或電爐功率來衡量其規(guī)模。近幾年,由于國內(nèi)工業(yè)硅爐建設(shè)受業(yè)主和電爐設(shè)計(jì)單位及冶煉條件的限制，變壓器額定容量常常不能反映實(shí)際輸入電爐能量，實(shí)際生產(chǎn)中電爐變壓器超負(fù)荷在20～60％下運(yùn)行。這樣雖然能使工業(yè)硅爐適應(yīng)變化的冶煉條件，對調(diào)整冶煉工藝參數(shù)有很大益處,但是,長期超負(fù)荷運(yùn)行已使很多工業(yè)硅企業(yè)因設(shè)備故障率高、熱停爐時(shí)間長而造成技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差,企業(yè)無效益甚至虧損。

1.2.3.短網(wǎng)

目前,我國工業(yè)硅爐容量在6300KVA以上特別是用炭素電極的幾乎都采用在電極上完成三角形接線，而容量較小的采用石墨電極的，則也有在二次硬母線上完成三角形接線。為了提高工業(yè)硅爐功率因數(shù),10000KVA以下的中小型爐采用銅排為導(dǎo)電母線的較多。但是,也有很多工業(yè)硅爐為了節(jié)省投資均采用銅管為導(dǎo)電母線,這種結(jié)構(gòu)的短網(wǎng)相對功率因數(shù)較低、電能損失增加。

1.3.電極系統(tǒng)

電極系統(tǒng)由電極把持器、電極升降裝置、電極壓放裝置等組成。國內(nèi)工業(yè)硅爐的電極把持器有頂絲、錐形環(huán)、液壓錐塊式、波紋管壓力環(huán)和液壓缸壓力環(huán)把持器等幾種結(jié)構(gòu)類型。電極把持器應(yīng)能保證銅瓦與電極有良好接觸使電流均勻分布在電極上，以減少接觸電阻熱損失并保證銅瓦長期不打弧�，F(xiàn)在有少量工業(yè)硅爐已采用液壓錐塊式、波紋管和油缸壓力環(huán),這樣可以保證每塊銅瓦與電極緊密接觸。而錐形環(huán)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但可靠性略差,銅瓦因打弧損壞嚴(yán)重。組合式把持器是挪威�？瞎鹃_發(fā)的,在結(jié)構(gòu)上組合把持器把銅瓦和壓緊機(jī)構(gòu)結(jié)合成一個(gè)整體，主要應(yīng)用在使用自焙電極的大型工業(yè)硅電爐上,電極殼筋片延伸到電極殼外，銅瓦直接夾持筋片。

國內(nèi)常用的電極升降裝置有卷揚(yáng)機(jī)傳動和液壓機(jī)構(gòu)傳動兩種。盡管前者占用空間較大，給加料設(shè)施布置、電極接長帶來一定困難，但由于其安全可靠，維修方便，一些中小型電爐仍然采用這種結(jié)構(gòu)。液壓傳動機(jī)構(gòu)分為缸體運(yùn)動和柱塞運(yùn)動兩種方式。為了做到升降平穩(wěn)、油缸同步運(yùn)動，電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到均衡對稱，連接方式采用球形鉸接。石墨電極和炭素電極自重很大，電極移動過快會使電極內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。電極升降裝置的起升力除要考慮電極自重和把持筒等機(jī)械設(shè)備重量外；還應(yīng)考慮到電極與爐料的作用以及把持筒與爐蓋密封件的摩擦力。電極行程通常為1200～1500mm。

電極壓放裝置為抱閘式機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在使用的有帶式、碟形彈簧式和氣囊式幾種。少數(shù)工業(yè)硅爐抱閘機(jī)構(gòu)由上抱閘、下抱閘和壓放缸組成,以便于壓放和倒拔電極,而大部分工業(yè)硅爐只有單抱閘和壓放缸。

1.4.加料系統(tǒng)

加料系統(tǒng)只應(yīng)用于國內(nèi)幾臺大型工業(yè)硅爐上,中小型工業(yè)硅爐采用人工加料法而沒有加料系統(tǒng)。

 1.5.煙罩

近年來,我國對工業(yè)硅企業(yè)的環(huán)保要求很嚴(yán),工業(yè)硅冶煉過程產(chǎn)生大量CO濃度很高的爐氣，同時(shí)帶走大量粉塵。為使電爐煙氣含塵量達(dá)到排放和使用標(biāo)準(zhǔn)，大部分工業(yè)硅爐已采用煙罩或密閉的爐蓋將煙氣收集起來，經(jīng)煙道送人除塵系統(tǒng)。而20世紀(jì)80年代、90年代建成的敞口電爐爐氣在爐口燃燒，煙氣溫度很高，不能直接進(jìn)入布袋收塵器，在風(fēng)機(jī)和布袋之前必須設(shè)有冷卻器或余熱鍋爐以降低煙氣溫度。采用矮煙罩裝置能大大減少煙氣排放量，提高煙氣溫度，有助于回收余熱，降低投資和運(yùn)行費(fèi)用。

隨著人們對環(huán)境保護(hù)認(rèn)識的不斷提高，為了有效地改善電爐周圍的工作條件，近幾年來，國內(nèi)不少廠家相繼投產(chǎn)了數(shù)十座6300KVA以上容量的半封閉電爐。這些電爐煙罩的結(jié)構(gòu)形式大部分為水冷鋼型骨架、骨架之間放置水冷蓋板、煙罩內(nèi)部打制耐火混凝土防火材料的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在著較為嚴(yán)重的問題，即水冷骨架經(jīng)常漏水造成熱停爐，并且難于維修。據(jù)從某些廠家多年的運(yùn)行實(shí)踐統(tǒng)計(jì)來看，因骨架漏水造成的熱停爐時(shí)間占全部熱停爐時(shí)間的50%。因此，煙罩骨架漏水事故給生產(chǎn)廠帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.6.搗爐設(shè)備

我國6300KVA及以下容量的工業(yè)硅爐絕大多數(shù)仍使機(jī)械搗爐機(jī),這種搗爐機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單,但是力量小、易損壞配件,這樣就造成了搗爐工作效率低,而維修工作量大、費(fèi)用高是最大的缺點(diǎn)。

現(xiàn)在,有些工業(yè)硅爐正在使用的全液壓搗爐機(jī),由于國內(nèi)設(shè)計(jì)制作的全液壓搗爐機(jī)結(jié)構(gòu)較簡單、投資又低,因此,在工業(yè)硅企業(yè)很快就得到應(yīng)用。但是,實(shí)際使用效果表明:由于這種搗爐機(jī)搗桿油缸動作速慢,油缸工作環(huán)境溫度高隔熱難度大而造成液壓系統(tǒng)運(yùn)行不正常。因此,只能在小容量或大木炭生產(chǎn)工藝的工業(yè)硅爐上應(yīng)用。另一種半液壓搗爐機(jī)因具備搗爐力量大、速度快的高工作效率而迅速推廣應(yīng)用。

2.國內(nèi)工業(yè)硅電爐設(shè)備現(xiàn)狀

在我國工業(yè)硅電爐的發(fā)展歷程中，不同時(shí)期借鑒了世界上不同國家的先進(jìn)技術(shù)。20世紀(jì)50年代由蘇聯(lián)引進(jìn)的敞口電爐，填補(bǔ)了我國工業(yè)硅電爐設(shè)備的空白。從此，在全國陸續(xù)建成相同結(jié)構(gòu)的電爐。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：電極的升降是由卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動，電極的壓放是采用停電方式完成。電極把持器是由半環(huán)和螺栓組成，靠人工扳手?jǐn)Q螺栓來實(shí)現(xiàn)銅瓦的夾緊和松開電極。其缺點(diǎn)是：機(jī)械化程度低，勞動強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重。在20世紀(jì)80年代以后，設(shè)計(jì)單位引用鐵合金爐設(shè)備技術(shù),研制了國內(nèi)半封閉式矮煙罩工業(yè)硅電爐。因而我國的少數(shù)電爐的功率調(diào)節(jié)就可采用了液壓缸升降電極，錐形環(huán)式油壓把持器；壓放裝置采用了塊式、帶式或氣囊式抱閘。煤氣和廢氣開始回收利用或凈化處理，自動化水平有了一定的提高。但是這類電爐仍存在的不足是：采用錐形環(huán)式把持器，銅瓦不能均勻的接觸電極，銅瓦打弧損壞和偏流的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，功率損耗大，對電極的壓放不利，作業(yè)率普遍較低。