工业硅电炉生产和管理.docx

1、工业硅电炉生产和管理引用】工业硅电炉设计、生产管理专家朱尔明2011-12-19 18:23:34|分类： 默认分类 |标签： |字号大中小订阅 本文引用自程士宝工业硅电炉设计、生产管理专家朱尔明900015000KVA工业硅电炉 主体设备设计和生产技术管理 朱 尔 明“人类社会的进化和发展一般是以材料为标志，即石器时代、青铜器时代、铁器时代。但随着社会发展和科学的进步，半导体特别是硅的发现和应用使我们的生存条件、社会及生活发生了革命性变化，甚至超过了以前所有材料时代所发生变化的总和，这就是硅时代。我们生活在硅时代仅仅只有半个世纪”。生活中我们的手机、电视机、电脑、数码产品，乘坐的飞机、汽车、

2、轮船，航空领域的卫星、飞船、火箭等等，都与硅有关，还有当前炙手可热的材料名词如光伏材料、单晶硅、多晶硅、硅橡胶、硅油、硅树脂、硅铝合金等等随处可见、不绝于耳。这些与硅有关的材料实际都离不开基础材料?工业硅（金属硅）。工业硅从实验室研究到规模化生产,是从1938年联建成世界第一台2000KVA单相单电极电炉工业硅工厂开始的。随后法国、日本、加拿大、美国、挪威和巴西等都相继建设了工业硅厂。中国工业硅生产始于1957年的铝厂。70年代中期又在和民和建设工业硅厂。到1989年底，工业硅电炉总装机容量已达数十万kVA，最大工业硅厂年产能力为1万t。90年代后期国开始大量建设6300KVA工业硅炉，进入2

3、000年后建设800010000KVA的，最近3年开始大量建设1250016500KVA的，有几个规模大的硅企业比如永昌、昇阳分别引进德马克和南非技术，建设了容量为25000KVA和39000KVA的工业硅电炉。纵观国，虽然工业硅设备技术和生产水平得到了很大促进和发展，但是工业硅行业的总体设计技术和工艺管理水平依然参差不齐，认识上也有很大区别。这也是为什么在同一个地方，有的厂的设备运行非常正常、各项指标好，而另一个厂的设备运行状况和各项指标很不理想的关键原因所在。工业硅行业有句俗语：“原料是基础，设备是条件，操作是关键，管理是保障。”下面我就比较普遍的900015000KVA工业硅炉设备、原料

4、、操作、管理4个方面的一些认识和体会，从设计和生产管理的角度与大家探讨学习，相互交流提高，为中国硅业蓬勃发展而努力。一、900015000KVA工业硅炉的合理设计任何一种材料的制取都离不开设备，工业硅也不例外。“工欲善其事，必先利其器。” 2009年初，我们通过对9000KVA以上的硅炉的故障问题和操作特点作了大量数据的收集梳理、总结分析，结合多年设计和生产管理经验，对以往的设计和理念做了重大调整改进和提炼。对新设计和改造的硅炉，在细节上下功夫，使设备故障率小于1%，保证长期稳定运行，为稳产高产、节能降耗创造条件。1、厂房的合理设计重点是保证捣炉机工作时伸缩、旋转自如、空间大；全方位加料无死角

5、；出炉口宽敞不设立柱；液压系统所有元件远离高温区；电极库房（我们一般设在冶炼跨三楼平台）、浇铸车间、精整破碎包装车间、成品库独立分开。厂房布置有两种形式：如果电极采用倒三角布置，则选用单台三相变压器，尽量靠近炉体但又与高温烟气隔离，可以做到短网最短，而且基本对称，减少强弱相。主厂房较低，总体投资较省。（见图1）图1 工业硅三相变压器厂房立面图如果采用三台单相变压器布置，则多一楼层，主厂房增高。整体投资较高。（见图2）2、炉衬高温区采用自焙碳砖与半石墨化碳砖结合的方式，外围用高铝砖、粘土砖、轻质保温砖，炉孔采用全石墨砖或半石墨质半碳化硅整体转，可以正常使用四年不用大修炉衬。筑炉方式一般分为有缝和

6、无缝砌法两种。有缝法（见图3）是传统砌法，对碳砖的外形几何尺寸没有要求；无缝法（和图4）是近几年出现的，要求碳砖必须精加工，几何尺寸要求严格。3、电极把持设备压力环电炉容量越大，铜瓦数量越多，压力环结构越复杂。而压力环是整个电炉的核心设备。其设计合理与否，直接影响到连续生产、甚至电力单耗和产量指标。因此选用碟形弹簧式不锈钢压力环，设计时考虑到大电流强磁场的影响，采取了屏蔽磁场的措施来保护碟簧不被磁化发红而影响弹性，这样就做到了免维护，且抱紧力始终大于10吨，可以做到每块铜瓦一对一单独调整，与波纹管效果相同。但碟簧这种结构比较简单，无需在高温区设置液压油路。本设计已经在近30台电炉上使用，实践证

7、明了以上优点。只要安装调整到位，保证铜瓦与电极之间3.5Kg/cm2以上的接触压力，铜瓦是不会打弧的，压放电极时也不用松铜瓦。德宏、和有几个公司生产运行一年多没有打过弧，也没有换过一块铜瓦。铜瓦除被刺火烧坏之外，没有打弧损坏的。（见图5）4、电极升降与压放电极升降系统采用液压，用单向调速液压缸（上升靠油压，下降靠自重），电极到炉底自动停止下降，可以保护电极及设备不受损坏；压放采用液压与碟形弹簧结合的方式（也有采用气囊结构的），正常生产时弹簧抱紧。液压只在需要压放电极时工作，提高了的可靠性。一套液压系统做到了电极升降与压放、烟囱阀门和捣炉门开关的全部功能，所有动作全部在配电柜台上按钮操作实现。（

8、图6）5、电炉变压器采用有充分裕量的壳式变压器：这种变压器体积轻，超负荷能力强，只是成本比传统芯式变压器略高。因为不少企业习惯超负荷1030%长期运行，加大电流电压比，使电极深埋，表面上看炉况较好，电耗有所降低，产量有所增加。但是超负荷运行使变压器和短网电阻损耗加大，降低了电效率，功率因数也同时降低。因此选用变压器时一定要考虑30%的裕量，这对冶炼生产是很有利的！6、短网通常对短网的基本要：足够的有效截面积和载流能力；充分考虑交变电流肌肤效应和邻近效应的影响，提高板材导体的宽厚比或管材导体的外径和壁厚比；尽可能缩短导体长度、减小导体接触电阻；避免导体附近铁磁物质的涡流损失；适当的经济电流密度；

9、足够小的感抗值；选用导电性好的T2铜；降低导体的运行温度。根据上述8项原则，我们设计时一般取电流密度为：水冷铜管1.53A/mm2,水冷电缆11.5 A/mm2，铜瓦与电极间的接触面0.010.025 A/mm2。我们一般选用外径为7080mmT2铜管制作短网。（1）如果选用单台三相变压器，则采用水冷电缆（图7）、水冷铜管短网。既节约投资，比传统的铜排节约50%的铜材，超负荷能力又强。倒三角采用我们首创设计的变压器八字形出线（图8）的短网布置，这样可以尽可能的缩短变压器到炉心的距离。阻抗小，压降低。（2）如果选用三台单相变压器，则三相对称，变压器可以最大限度的靠近炉心。出线端直接用水冷电缆与铜

10、瓦铜管相连，省去短网。按照已有的设计，水冷电缆长度基本不超过3米。从理论上讲，三台单相变压器可以实现分项调压，避免强弱相，短网短而且长度一致。但是从目前多家企业的运行状况和生产指标看，三台单相变压器的电炉和单台三相变压器相比，并无明显优势。在德宏和等地，我们设计了上述两种形式的电炉和短网。7、铜瓦（1）采用钛铬合金铸造铜瓦，与锻造铜瓦比具有高温环境下变形小、强度高、成本低的优点。而有些锻造铜瓦存在受热后易翘曲变形导致打弧烧坏引起漏水等故障，不得不停炉更换。经过测量使用前和使用后烧坏换下的锻造铜瓦，其变形量超过5mm。这里面有设计原因，也有制造原因。因此我们在对比后选择了铸造铜瓦。通常只要保证了

11、足够的接触压力，铸造铜瓦在生产期间很少甚至没有打弧，其变形量几乎为零。（2）如果采用锻造铜瓦，那么结构上需要重新调整，铜瓦后面的受力点需要增加厚度和强度，尽可能减少受热受力后的变形。目前的锻造铜瓦背后顶头受力处都是加工成凹形，与圆弧接触面之间的厚度只有50mm左右，然后做一道绝缘，实际上就降低了铜瓦的受力后抗变形能力。如图5所示的铜瓦结构就不易产生变形。8、半封闭中烟罩从烟罩结构我们可以看出工业硅设备的发展状况。最初设计的烟罩结构多为高烟罩。很长一段时间，人们普遍认为高烟罩冶炼能耗低。这种意识阻碍了中低烟罩的发展。由于国家环保政策的强制实施，矮烟罩才得到进一步推广。但是传统设计的中、低烟罩结构

12、（如图9所示），尽管许多设备隔离在高温区外，而除尘效果却很不理想，反而加剧了操作环境的恶化。针对这种情况，我们对烟罩结构作了根本性的调整（如图10）。采用我们独创设计的中烟罩+ n型副烟罩形式（也可叫盆式烟罩，即烟罩顶部中间低，周围高）。中烟罩顶部中心的骨架和中心盖板选用不导磁的不锈钢材料制作，周围采取隔磁的措施，有利于降低电磁损耗。副烟罩顶部最高可达到4.5米，既吸取了高烟罩排烟能力强，料面温度低，也吸取了矮烟罩使主要设备远离高温区的优点。通过、等多家硅厂的使用，排烟效果相当显著，操作环境大大改善。同时水冷捣炉门开关采用液压升降，按钮操作。烟罩周围采用水冷墙板里面砌筑耐火砖或打耐火浇注料，降

13、低周围操作环境的温度，减少热辐射。目前这种结构的烟罩已被国很多企业认同并开始广泛推广。如果能够在25000KVA的电炉上推广，结合改进25000KVA电炉烟罩的帘幕结构，那么可以很大程度上改善车间的高温操作环境。9、水路设计水路好比人体的血管，冷却水好比人体的血液。从生产过程中设备的角度上讲，水比电还重要。因此作为设计和制安人员必须要重视水路的设计和安装。水的流速要大于0.8米/秒、压力大于0.25MPa，且水路在炉高温区的流动长度最多不超过30米，水路截面必须按照这几个参数计算设计，保证水流在水路的任意位置均为紊流，散热快，且不易沉沙积垢。进出水的开孔位置尽量坚持低进高出的原则，避免水冷件里

14、的空气积存影响冷却效果。在设计或安装时如果没有上述要求，很多电炉就会出现高压蒸汽断水的故障，同时结垢现象异常严重。另外循环进水温度最好低于30，出水温度最好低于45。如果达不到要求，需另外增加降温效果良好的玻璃钢冷却塔。10、电极选用在硅冶炼炉中，电极就是心脏，是导电系统的重要组成部分，也是工业硅生产中主要的消耗材料之一。一般采用石墨电极或碳素电极。设计时选用电流密度：石墨电极814 A/cm2，碳素电极56A/cm2。电极质量的好坏，直接影响电炉的正常生产。最好采用规模较大、质量可靠而且稳定、售后服务好的厂家的品牌电极。对电极的基本要求：（1）导电性好、电阻率小（石墨电极813.m，碳素电极

15、2540.m），电能损失少。（2）热膨胀系数小，不易炸裂。（3）灰分、杂质含量低，高温时有足够的机械抗压、抗折强度。11、电炉参数的选择电炉参数的确定非常重要，特别是极心圆、电极（如果选用石墨电极则电极直径为9601050mm为宜；如果选用碳素电极则电极直径为10601100mm为宜）和炉膛直径，炉膛深度，烟罩高度的确定（具体的计算方法有很多前辈的资料已经表达得很清楚，这里不再赘述）。这些数据直接影响到生产效果和指标。比如12500KVA硅炉，如果选用960的石墨电极，通常设计时极心圆直径按照经验公式得出的极心圆直径是2400左右。但是在实际运行过程中，因为原材料结构的不同通常极心圆要调整到在

16、2500以上。比如用大油焦生产，因为油焦的比电阻小，为了使电极深埋，12600KVA的电炉的极心圆直径应该在25002800之间。如果是大木炭生产，则极心圆通常在24002600之间就能达到比较理想的指标。因此选择参数，按公式计算还必须结合原材料、生产工艺和实际生产效果，有所变化和调整。通常12500KVA工业硅电炉主要设计参数如下表：序号参数分类实 选 数 据备 注1额定容量12500超负荷30%2电极直径石墨电极9601020mm碳电极10601100mm3电极电密石墨电极814 A/cm2碳素极56A/cm24电极电流4800054000A5极心圆直径25002800mm高焦工艺取上限；

17、木炭工艺取中下限。6炉膛直径61006300mm7炉膛深度25002600mm8铜瓦数量8块/相9烟囱直径2220012、捣炉机的设计捣炉机（包括25000KVA以上电炉配套使用的加料、拨料捣炉机）是工业硅生产中重要的必不可少的冶炼辅助设备。捣炉机的设计原则：可靠的绝缘，特别是用于带电捣炉，绝缘的合理设计显得非常重要；较快的伸缩速度3540m/min；整体强度。捣炉机在工作时处于500800高温环境，相比常温，捣炉杆的强度会大大降低；如果我们能够设计出水冷结构的捣炉杆，那么捣炉机的使用寿命将大大延长；足够的行程（2.8m以上），可以保证捣炉机的工作围，缩小捣炉盲区；足够的插入和捣炉力量。力量不

18、足，影响捣炉效果。二、工业硅生产工艺管理好的设计必须有好的管理，二者相辅相成，相得益彰。工业硅生产从工艺上来讲，目前大致分为大木炭工艺、高焦低碳、高焦低煤工艺、半焦半煤工艺、全焦工艺。随着木炭的限制，很多地企业开始采用高焦低煤或半焦半煤工艺。1、设备管理设备管理是生产管理的支柱，是节能降耗、稳产增产的基础。因此如何减少设备热停炉时间，提高设备的作业率；如何制定科学合理的设备管理制度，就显得尤为重要，也是我们要重点思考的问题。（1）主体冶炼设备实行作业率，每个月只给一定的检修时间。每节约一个小时给一定的奖励；工资的高低与停电时间挂靠，检修时间越长，工资越低，反之越高。（2）外围设备如捣炉机、台包

19、车、行车实行维修成本管理，控制浪费；检修按照工时制度，检查工作能力和工作状况。从目前的运行状况来看，这种制度最大限度的提高了检修的效率，促使机修把重点放在了如何预防故障上，也就是由原来的被动维修转变成主动维护。（3）为避免刺火烧坏铜瓦和压力环造成漏水停炉检修，工艺上控制料面，要求料面与铜瓦下端保持100mm左右的距离。如果发生漏水停电维修，那么事故责任分摊。这样做的目的就是要提高员工的责任意识。从某公司的12600KVA硅炉810月份的生产产量和设备的热停炉时间的对比可以看出：在电力状况、冶炼操作和原材料不变的情况下，设备作业率越高，产量越高。数据如下表：2、原料管理（1）硅石的控制寻找优质硅

20、石、控制硅石杂质含量是产品品质的基本保证。因此对硅石化学成分要求如下：SiO298.5%，Fe2O30.12%，Al2O30.2%，CaO2540%，固定碳55%，灰分5%(灰分中的Fe2O30.3%，Al2O30.7%，CaO0.4%)，粘结指数大于85。磁选去铁，粒度215mm。精煤的烧结性对炉况同样产生很大影响。烧结性好的洗煤对焖烧是极为有利的。（4）木炭和木片木炭的比电阻高，化学活性好，是工业硅生产最理想的还原剂。但是木炭资源是非常有限的（目前使用木炭生产的企业主要分布在和）。因此，木片（甘蔗渣、玉米芯、中药渣、秸秆、竹片、松果等）已成为目前地企业进行工业硅生产的主要原料。但是由于木块

21、着火点、含碳量都低，实际作还原剂微乎其微，主要是增加炉料的透气性和料层的电阻。木块用量的大小都对炉况产生影响。木块用量过大，料层疏松没有烧结性，容易导致炉况变坏，电耗上升。用木炭生产高品位的低铝、低磷、低硼的化学硅，一般木炭都需要精选过筛、水洗泥沙。粒度20100mm。一般用木材切片机直接加工成100mm以下的片状后混合入炉。如果要生产低硼低磷的产品，最好是木材去皮。木材同样需要精选，不能参入泥土等杂质。料比中一般加入1030%。3、冶炼操作管理图中：预热区4001000，反应坩埚区30004000，死料区15002200，熔融硅液区20003000。根据硅的还原冶炼原理：SiO2+2C=Si

22、+2CO实际上工业硅高温冶炼反应过程是非常复杂的。但我们一般简化分析，冶炼过程会产生三种情况：一是炉料烧结成块状死料；二是上层炉料中生成的片状SiC积存后容易促使炉底上涨；其三Si和SiO高温挥发，容易降低硅的回收率。为此，在冶炼中必须控制Si和SiO挥发，提高硅的回收率，保持SiC的形成与破坏相对平衡。要达到此目的，必须加强操作细节管理，也就是下面的6个控制：一控计量误差；二控外偏加料；三控频繁塌料生料入坩埚；四控频繁捣炉；五控反应区域；六控敞弧过烧。还有一句顺口溜：“要想炉况好，别让弧光跑”。配料（有些公司配料系统已采用电子监控计量统计）。正确的配料是保证炉况稳定的先决条件。正确配比应根据

23、炉料化学成分、粒度、含水量及炉况等因素确定，其中应该特别注意还原剂的使用比例和数量。配比正确，料面松软又有一定的烧结性，透气性好，火焰均匀，能够保证相对稳定的焖烧时间。炉料配比确定后，应进行准确称量，误差不超过0.5，均匀混合后依次整批入炉。炉料配比不准确会造成炉还原剂过多或缺少现象，影响电极下插，坩埚缩小，破坏正常的冶炼炉况。配碳量与硅回收率碳平衡的关系（图14）：配碳量过剩50%，硅的回收率为0，生成的SiC积存炉底；同理缺碳50%，SiO不能被吸收，影响SiC的生成与破坏，造成SiO2过剩。正常情况下，碳和硅石的分子比为2。高焦低煤的料比（以硅石200kg为基准）一般是：油焦5575kg

24、、精洗煤3055kg；木片2030kg。加料。加料的基本原则是均匀入炉。沉料捣炉、推熟料操作完毕后，应将混匀炉料迅速集中加在电极周围及炉心三角区，使炉料在炉形成馒头形，并保持一定的料面高度和料层厚度。一次加入混合均匀的新料数量相当于90分钟左右的用料量。当炉心沉料不好时，一般是炉心料重或极心圆偏大，可对炉心加轻料；但当炉心刺火或沉料太快时，一般是极心圆偏小，则对炉心加偏重料。新料加完后，开始焖烧，焖烧时间控制在80100分钟左右。焖烧和定期沉料的操作方法，有利于减少热损失，有利于提高炉温和扩大坩埚。加料混合不均同样会造成炉还原剂过多或缺少现象，影响电极下插，缩小坩埚，使炉况变坏。因原料中采用烧

25、结性好的精洗煤和石油焦，料面容易结壳，难以自动下沉。为减少反应区热量损失，扩大“坩埚”，适时捣炉，有利于炉热量集中，为此必须采用一定时间的焖烧和定期集中加料的操作方法。集中加料后，经一段时间焖烧，容易在料面形成一层硬壳，炉也容易出现块料；同时炉温迅速上升，反应趋于激烈，气体生成量急剧增加。此时为了改善炉料的透气性，调节炉电流分布，扩大坩埚，要用捣炉机或钢棒松动锥体下脚和炉烧结严重部位的炉料，帮助炉气均匀外逸。操作时间一般在加料后30分钟左右进行。至于彻底的捣炉，则要在沉料时进行。捣炉。采用石油焦和洗煤炉料时，因其烧结性好难以下沉，一般需要强制沉料。当炉炉料焖烧到规定时间时，料面料壳下的炉料基本

26、熔化烧空，料面也开始发白发亮，火焰短而黄，局部地区出现刺火塌料。此时应该立刻进行强制沉料操作。沉料90分钟以上时，先用捣炉机从锥体外缘开始将料壳向下轻压，使料层下塌，而后用捣炉机捣松锥体下脚，捣松的热料就地推在下塌的料壳上，捣出的大块粘料推向坩埚区，死料排出，同时铲净电极上的粘料，沉料时预热区外露，热损失很大，因而沉料捣炉操作必须有效彻底快速进行。料面。料面除了围绕电极堆成3个馒头形之外，根据一次电压的变化，料比轻重和料面高低的控制也非常重要。电压高，料面适当高，料比适当偏重；电压低，料面也相应低，料面也相应偏轻。在不调整极心圆的情况下，这样做可以改善炉电流的合理分布和电极的深埋做功。我们以某公司9000KVA工业硅炉2010年4月和10月的生产数据为例：4月份的一次电压基本稳定在3538 KV，但是10月份的一次电压却极不稳定，在2934KV围频繁波动。但是通过加强料面管理和控制，仍然取得了比较理想的电耗、产量指标，实际数据如下表：