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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》

9000—15000KVA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、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年苏联建成世界第一台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年的抚顺铝厂。70年代中期又在贵州遵义和青海民和建设工业硅厂。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年代后期国内开始大量建设

6300KVA工业硅炉，进入2000年后建设8000—10000KVA的，最近3年开始大量建设12500—16500KVA的，有几个规模大的硅企业比如云南永昌、河南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。纵观国内，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9000—15000KVA工业硅炉设备、原料、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、9000—15000KVA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；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：

①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

②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。云南德宏、四川和重庆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。（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10—30%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求是：①足够的有效截面积和载流能力；②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；③尽可能缩短导体长度、减小导体接触电阻；④避免导体附近铁磁物质的涡流损失；⑤适当的经济电流密度；⑥足够小的感抗值；⑦选用导电性好的T2铜；⑧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1.5—3A/mm2,水冷电缆1—1.5 A/mm2，铜瓦与电极间的接触面0.01—0.025 A/mm2。我们一般选用外径为Φ70—80mmT2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。在云南德宏和保山等地，我们设计了上述两种形式的电炉和短网。

7、铜瓦