1、2023 年第 3 期总第 302 期铁合金FEOALLOYS2023No3Tot302DOI:1016122/jcnkiissn1001-1943202303003作者简介严宝年男，1973 年 8 月出生，1997 年毕业于重庆钢铁高等专科学校，工程师，注册安全工程师。现主要从事铁合金冶炼技术质量管理工作。E-mail:3575269570 qqcom。通讯作者段西京男，1967 年 6 月出生，1989 年毕业于西北工业大学，高级工程师。现主要从事矿热炉生产工艺及设备的设计、研究、开发工作。E-mail:dxj8324867 sinacom。收稿日期2023-02-16浅谈大容量工业硅电
2、炉设计严宝年1段西京2(1 嘉峪关大友企业集团有限责任公司甘肃嘉峪关735199)(2 新疆天池能源有限责任公司新疆昌吉831100)摘要介绍了大容量工业硅电炉设计炉型选择、电炉工艺参数的类型、参数设计的要求、电炉电气(几何)参数的计算等内容，并对工业硅电炉智能化发展做了简要叙述。关键词大容量工业硅电炉设计中图分类号TF671/TF64534文献标识码B文章编号1001-1943(2023)03-0011-08DISCUSSION ON THE DESIGN OF LAGE CAPACITYINDUSTIAL GADE SILICON FUNACEYAN Baonian1，DUAN Xijin
3、g2(1 Jiayuguan Dayou Enterprise Group Co，Ltd，Jiayuguan 735199，China)(2 Xinjiang Tianchi Energy Co，Ltd，Changji 831100，China)AbstractThe article introduces the selection of the types of furnace design，types of furnace process parameters，re-quirements for parameter design，and calculation of electrical(
4、geometric)parameters for large capacity industrialgrade silicon electric furnaces It briefly describes the intelligence development of industrial grade silicon furnaceKeywordslarge capacity，industrial grade silicon furnace，design前言工业硅是一种高载能产品，我国的工业硅生产始于 1957 年，从 1980 年开始出口，我国是全球最大的工业硅生产国和消费国。2021 年我
5、国工业硅产量为 2611 万 t，全球占比达到 735%，国内消费量为 186 万 t(铝合金领域消费 437 万 t、有机硅领域消费 769 万 t、多晶硅领域消费 588 万 t、其他 66万 t)，出口量为 76 万 t。在“十四五”“双碳”目标的推动下，未来硅基材料需求将呈现快速增长，保守预期 2025 年工业硅、有机硅、多晶硅的需求将分别达到 350 万 t，210 万 t和 110 万 t。随着电动汽车及储能领域的发展，硅碳负极材料有望成为未来动力电池和储能电池主流的负极材料，市场需求不可估量，保守预期在 20302035 年期间，工业硅在硅碳负极领域的年均用量将超过 25 万 t
6、。未来十到二十年内，硅产业在新领域应用前景可期。1大容量工业硅电炉炉型选择目前新建的大容量工业硅电炉均采用转辊式旋转装置、全炉门中高烟罩、铜管式短网、波纹管压力环、水冷保护套+分片式保护屏以及液压碟簧抱闸。11转辊式旋转装置采用炉体旋转，可以在一定程度上改善硅合金冶炼操作。在炉体旋转时，炉膛内的反应区与电极位置发生相对移动，使得处于炉底死料区的 SiC 移动到电极下部被分解利用，从而扩大了反应区面积。炉体旋转电炉电极插入深度更深，坩埚区温度更高。由于炉底的 SiC 可以得到比较彻底的破坏，故其排渣更顺利。采用炉体旋转技术改善了出铁口之间的连通，减缓或防止 SiC 在炉底的富聚。12全炉门中高烟
7、罩国内大电炉烟罩的几种结构形式:链幕式:烟罩采用高烟罩，烟罩下部为薄板与铁链组成的链幕，链幕可以旋转，链幕间有一个开口，便于捣炉加料机作业。三炉门式:烟罩做成六边形或圆形，设置三个活动炉门。活动炉门供捣炉、加料用，炉门采用液压控制开闭。全炉门设计:将六边形或多边形烟罩的每个边均做成炉门，可实现全方位捣炉的需要。同时将三炉门式的炉门导向，改到炉门上方的侧裙上。全炉门的优点:与三炉门相比，可以实现全方位捣炉、推料，无死角;与链幕式相比，减少了链幕旋转等待的时间;炉门导向滑道位置的改变，有效地防止了导轨的烧损与变形。13铜管式短网及波纹管压力环铜瓦夹持方式采用不锈钢波纹管压力环。波纹管压力环式把持器
8、主要结构特点是夹紧铜瓦部分为波纹管夹紧环。由水冷防护套、水冷压力环、波纹管及液压介质组成。在夹紧环中波纹管一对一顶紧锻造铜瓦，可保证每块铜瓦对电极的抱紧力均衡，且易调整铜瓦对电极的压强。具备压力稳定，随意性好，可很容易地进行自动压放和调节等优点。同时波纹管压力环底部设置易于维修和更换的铜质底部环，减小炉内热辐射及刺火对波纹管压力环的损伤，延长压力环的使用寿命。14水冷保护套+分片式保护屏分体式保护屏技术的优点:将传统的保护套分为上下两部分，上部(保护套)距离高温区较远，可以做成整体式，下部(保护屏)分为若干瓣，与波纹膨胀箱和铜瓦一一对应，即有效地保护了压力环和铜瓦，又在波纹管和铜瓦检修时，便于
9、拆卸与安装;另外单块保护屏因烧损更换时，造价低，更换方便，可有效降低热停炉时间。15液压碟簧抱闸电极夹持采用机械式液压碟簧抱闸，依靠碟簧张力抱紧电极，避免电极事故发生。2工业硅矿热炉参数设计纵观电炉生产的发展历史，不难发现，正确选择工艺参数是电炉生产高效率和节能的基本前提。电炉生产状况的好坏，受各项参数的综合影响。21矿热炉参数矿热炉参数包括电气参数、几何参数、电气几何参数等1。电气参数和几何参数是矿热炉最基本的工艺参数，对电炉的冶炼特性有重要影响。矿热炉的电气参数包括:变压器的额定容量、电流、电压、有功功率、视在功率、功率因数、操作电阻、阻抗、二次电压、二次电流、电效率等主要参数。矿热炉几何
10、参数包括:炉壳直径、炉壳高度、炉膛直径、炉膛深度、电极直径、极心圆直径等主要参数。矿热炉电气几何参数包括:电极电流密度及强度、极心圆的电能强度、极心圆面积功率密度、炉底面积功率密度、平均电能强度、炉膛平均电能密度、炉膛面积(体积)功率密度、电位梯度等主要参数。从广义角度讲矿热炉参数的设计还包括电极柱系统、短网系统等核心设备的详细参数设计计算。电炉建成后，电炉的几何参数几乎无法调整。为了使电炉能在最佳状态下工作，电炉的电气参数设计必须留有一定的调整空间，使其适应电炉的几何参数。电炉操作和原料条件也应适度调整以适应电炉的熔炼特性1。22工业硅电炉参数设计的基本要求2(1)工业硅的冶炼是典型的无渣过
11、程，这种无渣过程的特征是需要形成一个稳定的坩埚反应区，在反应区内完成生成工业硅的反应。在设计时，电炉参数的选择，主要依据是坩埚反应区的大小。(2)由于工业硅的冶炼需要提供足够高的温度，因此选择单位面积及单位体积的功率密度足够高，此处指的是电极截面积、极心圆面积、炉膛面积和炉膛容积的单位功率密度。在设计工业硅电炉参数时，采用两个步骤:依据计算公式来初步确定电炉的几何参数;依据工业硅冶炼需要的热量及功率密度要求将电气参数与电炉尺寸参数紧密地联系起来，最终确定电炉参数2。21铁合金2023 年23工业硅电炉电气参数的计算1 矿热炉的电气参数有熔池电阻、电极电流和工作电压等多个变量。在电参数计算中，所
12、有未知的变量均是由输入电炉的有功功率决定的。电炉变压器的公称容量或视在功率不能代表电炉的真实熔炼能力。以电炉输入功率来定义电炉熔炼能力比目前常用的电炉变压器的公称容量更合理。231电炉的有功功率变压器长期在满负载和超负载状态下运行会造成过高的损失功率。为了实现电炉变压器的经济运行，变压器容量应高于电炉运行的视在功率。变压器运行的视在功率的合理范围是变压器公称容量的 75%80%。电炉参数计算中使用的电炉功率是熔池功率，其数值由下式计算:P熔池=Scos(1)公式(1)中:S 为电炉视在功率，cos 为功率因数，为电炉电效率。电炉电效率与电炉制造和操作有关。一般电炉的电效率在 09 左右，并呈现
13、随电炉变压器容量增大而提高的趋势。232电极电流电极电流是最常用的电炉参数。多数电炉电参数计算方法中，需要先计算电极电流，而后推算出工作电压。而在电炉运行时，熔池电阻和工作电压决定了电极电流大小。按照相似原理，电极电流与熔池功率的 2/3 次方成正比。I=C1P2/3(2)计算出的电极最大电流可为变压器的参数提供选择范围。变压器铭牌标出的额定电流是额定容量和额定电压计算出来的线电流数值，是电炉工作电流范围的上限。变压器和短网供电的冗余能力，可以减少电损并可确保特殊情况下调整负荷的需要。233电炉二次额定电压(电流)的计算在功率一定的情况下提高二次电压，电流可以下降，有利于提高线路功率因数和减少
14、电损失，但是过分提高电压，电极不能深插，炉膛料面过热，热损失增加。在设计时采用米古林斯基公式来确定矿热炉正常工作时的二次电压。二次额定电压:U2=K3P(3)公式(3)中:K 为电压系数，取 6075;P 为变压器视在功率，kVA。二次电流:I2=PU23(4)公式(4)中:P 为变压器视在功率，kVA;U2为二次额定电压，V。24工业硅电炉电气几何参数的计算241电极电流密度电极电流密度将电极输入矿热炉的最大运行功率Pmax和电极的横截面积Se联系在了一起。该参数是判断电极直径计算合理性的重要依据，也决定了矿热炉有功输入的大小。242炉底面积功率密度炉底面积功率密度是指矿热炉炉底上每单位面积
15、上的平均电功率。炉底面积功率密度将电极输入矿热炉的最大运行功率Ps和炉底的有效面积 S 联系在了一起，是判断炉膛直径计算合理性的重要依据。243炉膛体积功率密度炉膛体积功率密度是指矿热炉炉膛里单位体积上的平均电功率数。该参数将变压器额定视在功率和炉膛直径、炉膛深度联系在了一起，参数是判断炉膛几何参数选择合理性的重要依据。244极心圆面积功率密度极心圆面积功率密度是指极心圆单位面积上所承受的电功率数。极心圆面积功率密度高，说明可以产生高温，是生产优质产品的基本条件。但电能强度过高，会使电极不能深插炉料，热损失增加;过低则三相熔池不连通，操作困难，技术经济效果不佳。当极心圆直径等于熔池直径满负荷运
16、行时，三相坩埚可以有效互通，此时矿热炉处于较好运行水平。极心圆面积功率密度是矿热炉重要的电气几何参数，是判断极心圆直径选择合理性的重要依据，关系到矿热炉能否正常生产合格产品。245电位梯度电位梯度是指矿热炉电极之间的电压与电极距离的比值，反映了电极之间炉料电阻及电流的情31第 3 期严宝年等浅谈大容量工业硅电炉设计况。电位梯度过大，容易造成电极上移，产生明弧操作，炉况恶化，生产技术经济指标下降;电位梯度过小，则会把三相电极的熔池分成三个单独的熔池，互不连通，造成出铁困难，合金熔体上升，炉底温度下降，即炉况恶化，生产技术经济指标下降。25工业硅电炉几何参数的计算1 工业硅电炉的几何参数中电极直径是关键参数。矿热炉的极心圆直径 DPCD、炉膛直径 D炉膛、炉膛深度 H炉膛等几何参数通常是用相似计算得出的:DPCD1/DPCD2=D炉膛1/D炉膛2=H炉膛1/D炉膛2=C1(5)公式(5)中，下角标 1 和 2 分别表示品种相同而容量不同的电炉。矿热炉的极心圆直径、炉膛直径和炉膛深度等几何参数通常按照电极直径的倍数来设计。这些经验系数如表 1 所示。表 1电炉几何参数与电极直径的倍数关系Ta