工业硅矿热炉的设计

工业硅冶炼能源节约技术的研究5.1概述能源安全已构成我国整体战略安全的一个极大隐患，成为经济社会发展的瓶颈。

我国人均煤炭、石油、天然气资源量仅为世界平均水平的60％、10％和5％。

目前，我国已成为世界第二大能源消费国和第二大石油消费国，能源供应紧张局面日趋严重[81]。

与此同时，我国也存在严重能源利用效率低的问题。

近年来的快速增长在很大程度上是靠消耗大量物质资源实现的。

我国单位产出的能耗和资源消耗水平明显高于国际先进水平，如火电供煤消耗高达22.5％，吨钢可比能耗高21％，水泥综合能耗高达45％。

据测算，我国每创造一美元GDP所消耗的能源是美国的4.3倍，是日本的11.5倍。

能源利用率仅为美国的26.9％，日本的11.5％[82]。

因此，提高能源使用效率是在能源总量不变条件成为中国发展中的刻不容缓的任务。

工业硅生产是高能耗行业，平均每吨工业硅需要消耗13000KWh电以上，全国年产100万吨工业硅需要13亿KWh以上。

而国外先进水平吨硅消耗量为11000KWh，我国工业硅电耗比国外先进水平高10—20%，能源节约潜力仍很大（预计年节约0.2亿KWh，相当0.1亿元）。

另外，国外先进水平也不是最理想的能耗水平，我国如能在国外先进水平基础上再配以精工细作，吨硅消耗量应该在10000—11000KWh间。

我国工业硅生产能源消耗高主要是因为设计上不合理、控制水平与管理水平不高。

设计上不合理体现在我国普遍使用的是6300KV A左右的小炉型（散热大、产量低）、炉型设计上为隔热措施不严密、电路设计不合理、极心圆尺寸大小不合理等许多细节方面。

控制水平不高体现在人工操作范围大、炉况稳定性差、造成因调整炉况波动费时较长而使得非生产性能耗损失大。

管理水平不高体现在管理上不严、制度不健全、操作细节缺乏，造成物资或能源上的消耗浪费。

目前工业硅生产中能源节约途径主要有：1）炉型的大型化方向；2）炉型的密闭化方向；3）余热利用化方向；4）提高炉子电效率措施如改进短网结构设计、改善变压器性能、改善电参数、采用低频电源等；5）提高炉子热效率；6）改变炉内反应机制；7）改变原料性能方向；8）采用自动控制方向；9）管理制度建设方向。

由于上述诸多途径尚处于讨论阶段，形成固定技术并推广者仅有短网改进、管理制度建设上，许多技术细节缺乏，因此真正意义上可以直接使用的工业硅生产中能源节约技术还需要研究与试验。

经过多年的摸索探讨，目前我国工业硅电弧炉的电效率平均在92%以上，各种提高电效率的技术或措施也比较成熟如改进短网结构设计、使用优质导电材质、采用低压补偿技术、改善电参数等方面。

但是，我国工业硅电弧炉的热效率普遍比较低，这是导致我国工业硅生产能耗高、能源利用效率低的主要原因，表5-1是我国某厂6300KV A电弧炉的热平衡分析表[21]。

表5-1 我国某厂6300KV A电弧炉的热平衡分析从表5-1可以看出6300KV A电弧炉在工业硅生产过程中，电效率为92.21％，热效率为65％，能源大部分由于热效率低而被损失掉，损失途径主要是逸出气体带走热、炉面散热、炉体散热、短网热损失、冷却水带走热。

因此，提高工业硅电弧炉冶炼过程中的热效率应当是今后研究的重点。

在本文研究中，我主要从提高工业硅矿热炉冶炼过程中的热效率角度来研究工业硅冶炼能源节约技术。

提高工业硅冶炼能源的热效率是一项综合性能源节约技术，它应当包括所有能够能够提高热效率、减少热损失的技术或措施。

但是在本文中只研究炉型的大型化方向、炉型的密闭化方向、余热利用化方向、隔热设计技术四个方面来提高工业硅冶炼过程中的热效率。

因为从表5-1可以看出，工业硅矿热炉热效率低就是因为逸出气体带走热、炉面散热、炉体散热、短网热损失、冷却水带走热这五个方面热损失大。

炉型大型化则单位热容率增大，能量供应集中，通过外围表面单位面积散热小、炉子热稳定增强，有利于降低热损失。

同时炉型大型化也是今后工业硅行业发展的方向，大型炉具有热容量大、产量高、有利于二次精炼提高产品质量、单位产品成本低、便于烟气余热利用等诸多好处。

因此，研究炉型大型化不仅是降低热损失的需要，也是满足今后工业硅行业长期发展的需要，具有双重意义。

炉型密闭化或近密闭化不仅可以减少炉面热辐射损失，而且也可以减少烟气从6个炉门逸出带走的热，也是降低热损失、增加烟气回收能力、改善炉前操作环境的有力措施。

从表5-1可以看出，烟气带走热占据了供应总热量的18.35%，这部分热量又被散发到大气中，造成了能源损耗，致使能源利用率低，国内包头钢铁研究设计院曾经依据钢铁行业余热利用方式设计过余热回收装置，在某厂应用取得较好的使用效果，但是由于该余热回收装置初期投资过大，国内工业硅企业又大多数是私营企业，他们不愿意做这么大的投资，所以研究一种新型低造价、多用途、适用于大多数企业的余热利用装置（热材联产装置）很有必要，开辟一条已经被浪费掉的巨大热能集热道路具有非常重要的现实意义。

科技每时每刻都在变化，上世纪60年代所作的设计不应当在这个世纪仍然被当作模范来应用。

当前，由于国内没有实力研究机构来重新对上世纪60年代所作的工业矿热炉设计作改进，致使大多数企业仍用老的设计来建炉子，并且施工队伍都非正规研究机构或有能力去开发建设新型炉子，所以我国目前的工业硅矿热炉普遍都能耗高、设计未能跟上时代发展的需要。

问题的重要一方面反映在炉体隔热设计多年来没有多大改变，普遍使用的是碳砖层、耐火砖层、纤维板、钢板四层结构，随着科技的发展这种结构应当革新，因为国际国内新材料领域发生的一系列创新已经给我们带来了重新设计炉体结构的机遇。

上述四个以提高工业硅冶炼能源的热效率为目的的研究是目前工业硅冶炼能源节约方面尚未涉及完善但又非常重要的领域，需要既具备丰富的科学理论知识、又掌握国际国内工业硅冶炼情况的人员才能完成，它涉及到的冶金、工艺、传热、设备、设计等多方面的知识与创新要求，使得这方面的工作既具体又复杂、既艺术又有意义。

5.2大容量半密闭式12500KV A工业硅矿热炉的设计5.2.1设计依据本项工作采用如下设计规范：《中国节能技术政策大纲》（2005）；《冶金企业安全卫生设计暂行规定》（1988）；《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）；《工业炉窑大气污染排放标准》（GB9078-1996）；《工业炉砌筑工程施工及验收规范》（GB50211-2004）。

5.2.2设计内容5.2.2.1变压器选型大容量矿热炉具有单炉产量大、能量供应均衡性好、便于实现机械化、便于余热综合利用、热稳定性好、便于操作等一系列优点，是业界一致认可的矿热炉发展的方向。

为了促进国内工业硅行业冶炼水平的提高和设备装备的现代化，因此此次设计采用12500KV A容量的矿热炉变压器。

12500KV A矿热炉变压器具体技术参数如下：型号：HKSSPZ20-12500/35壳式强油水冷矿热炉变压器；额定容量：12500KVA，可超载30%；冷却方式：OFWF；一次电压（KV）：35；二次额定电压（V）：151；二次电压（V）：175,172,169,166,163,160,157，154，151，148，145，142，139，136，133共15档；阻抗电压（短路电压）：ex%=4-6%。

5.2.2.2矿热炉电气参数的确定在工业硅冶炼过程中矿热炉的状态与电气参数的变化密切相关，控制最佳的供电制度对保证取得好的经济技术指标十分重要。

一般而言，提高矿热炉的二次电压在功率一定情况下电流就可以降下来，这有利于提高线路功率因数和减少电损失，但是过分提高矿热炉电压，电极就不能深插，炉膛料面就会过热，热损失增加，硅回收率降低，因此每台电炉都有其适宜的二次电压值。

在设计电炉时往往利用米古林斯基公式[68、83]来确定矿热炉正常工作时的二次电压：V2=KP1/3式中：K为电压系数，取6.0-7.5；P是变压器额定功率，KV A。

因此这次设计时取二次电压V2=6.5×125001/3=150.85≈151V，=47795.2A。

二次电流I25.2.2.3矿热炉结构设计正确设计矿热炉的结构是保障矿热炉工作性能的先决条件，是设计工作者面临的最大困难。

好的矿热炉结构设计不仅有利于炉子保障高产、优质、低能耗、少故障的生产，而且有利于节约筑炉成本、方便其它设备布置、保证操作顺畅。

1、电极直径的选取在确定矿热炉其它结构尺寸之前，必须先确定电极直径，它决定着矿热炉其它结构尺寸的大小。

电极直径有许多计算方法，一般根据电极电流和电极电流密度确定：d=，式中I2为电极电流，A，△I为电极电流密度5.5-6.1A/cm2，取5.8计算。

根据国内厂家生产碳素电极的标准，取电极直径为1050mm。

2、极心圆直径计算极心圆直径是一个对冶炼过程有很大影响的设备结构参数，电极极心圆直径选得适当（图5-1），三根电极电弧作用区域部分刚好相交于炉心，各电极反应区既相互相连又重叠部分最小，在这种情况下，炉内热量分配合理，坩埚熔池最大，吃料均匀，炉况稳定，炉况也易于调节。

如果一设计就不适当，则热量不是过分集中（图5-2）就是热量分散（图5-3），这都会造成炉况调节频繁或根本无法调节的严重错误。

设计中极心圆直径可按下式计算：D g=ad=2.3×1050=2415mm式中a为极心圆倍数，a=2.2-2.3，这里取2.3计算。

炉膛内径选择过小，电极—炉料—炉壁回路上通过的电流增加，反应区偏向炉壁，将使炉内热量分散，炉心反应区温度低，炉壁腐蚀严重，炉况也会恶化。

炉膛内径可按下面经验公式计算：D n=rd=5.8×1050=6090mm式中r为炉膛内径倍数，r=5.8-6.0，这里取5.8。

炉膛内径这次设计中取为6200mm。

4、炉膛深度计算在选择炉膛深度时，要保证电极端部与炉底之间有一定的距离、电极有效插入的深度和料层有一定的厚度。

炉膛深度若过深，电极与炉底距离远，电极不能深插，高温区上移，炉底温度低，炉底SiC会沉积，炉底上抬，堵塞出硅口，炉况变差。

炉膛深度若太浅，料层厚度将很薄，炉口温度升高，硅挥发损失增加，容易露弧操作，能耗增大。

合适的炉膛深度可按下面经验公式计算：h=βd=2.5×1050=2625mm式中β为炉膛深度倍数，β=2.5-2.8，这里取2.5。

炉膛深度这次设计中取为2700mm。

5、炉衬与炉底的结构、尺寸及材料选择一般而言，炉衬、炉底结构包含了工作层、保温层、隔热层、绝热层、钢板层5个主要层次，但是每个层次的具体尺寸却是很有技术含量的，因为这涉及到筑炉成本、炉子性能、炉子寿命等许多经济因素。

炉衬厚度过厚，引起筑炉成本上升，占地面积扩大，炉衬表面积增加，散热面积也增大；炉衬厚度过薄，抑或炉衬强度不够，抑或无法保温。