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甘代順
四川省樂山市金河工業硅研究所 所長
摘要:研究分析了我國工業硅電爐的基本狀況,詳細論述了現階段我國工業硅電爐發展情況以及存在的問題;最后提出適合我國國情工業硅爐技術裝備發展的趨勢。
1.我國工業硅電爐設備概述
工業硅電爐設備主要由爐體、供電系統、電極系統、加料系統、冷卻水系統、檢測和控制系統、排煙系統及輔助設備等組成。
1.1.電爐爐體
電爐爐體由爐殼、爐襯和出鐵口構成。電極下部是最主要的反應區，在這里，電能通過電弧和電阻轉化成熱能。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電流分布和熱分布影響很大，是電爐設計的最重要參數。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,生產技術水平參差不齊,因此選擇的工業硅爐參數就要求不同。由于我國工業硅爐設計很不規范,參數合理的工業硅爐并不多,而因參數不合理造成工業硅爐運行不正常,生產技術經濟指標差的工業硅爐大量存在。
我國絕大部分工業硅爐爐體的結構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工業硅的電爐爐膛內部溫度分布很不均勻，離電極較遠的區域容易形成死料區。為了改善爐膛溫度分布，增大熔煉區面積。甘肅藍星硅材料公司引進德馬克技術改造了25000KVA電石爐進行工業硅生產,電爐裝設爐體旋轉機構，爐體在水平方向上單向轉動或往復120轉動。視操作要求，爐膛旋轉周期為2～10d。采用淋水冷卻爐殼，爐底通風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
1.2.1.電爐變壓器
國內10000KVA以上的大中型電爐已采用三個單相變壓器供電，變壓器呈三角形布置,變壓器二次出線基本上為側部出線。這樣做可以縮短變壓器到電極的距離，降低短網阻抗，有利于提高電爐的熱效率和功率因數。一些電爐還裝有星角轉換裝置，改變電源一次側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，大部分電爐變壓器仍采用無載調壓方式,而且選擇電氣參數不合理的工業硅爐也較多。由于很多地區供電條件不好,為了補償功率因數，在變壓器的一次側、二次側、第三線圈及短網接入電容器進行補償。
1.2.2.用電負荷
工業硅電爐常以電爐變壓器容量或電爐功率來衡量其規模。近幾年,由于國內工業硅爐建設受業主和電爐設計單位及冶煉條件的限制，變壓器額定容量常常不能反映實際輸入電爐能量，實際生產中電爐變壓器超負荷在20～60％下運行。這樣雖然能使工業硅爐適應變化的冶煉條件，對調整冶煉工藝參數有很大益處,但是,長期超負荷運行已使很多工業硅企業因設備故障率高、熱停爐時間長而造成技術經濟指標差,企業無效益甚至虧損。
1.2.3.短網
目前,我國工業硅爐容量在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。為了提高工業硅爐功率因數,10000KVA以下的中小型爐采用銅排為導電母線的較多。但是,也有很多工業硅爐為了節省投資均采用銅管為導電母線,這種結構的短網相對功率因數較低、電能損失增加。
1.3.電極系統
電極系統由電極把持器、電極升降裝置、電極壓放裝置等組成。國內工業硅爐的電極把持器有頂絲、錐形環、液壓錐塊式、波紋管壓力環和液壓缸壓力環把持器等幾種結構類型。電極把持器應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。現在有少量工業硅爐已采用液壓錐塊式、波紋管和油缸壓力環,這樣可以保證每塊銅瓦與電極緊密接觸。而錐形環雖然結構簡單，但可靠性略差,銅瓦因打弧損壞嚴重。組合式把持器是挪威埃肯公司開發的,在結構上組合把持器把銅瓦和壓緊機構結合成一個整體，主要應用在使用自焙電極的大型工業硅電爐上,電極殼筋片延伸到電極殼外，銅瓦直接夾持筋片。
國內常用的電極升降裝置有卷揚機傳動和液壓機構傳動兩種。盡管前者占用空間較大，給加料設施布置、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構。液壓傳動機構分為缸體運動和柱塞運動兩種方式。為了做到升降平穩、油缸同步運動，電極系統結構設計應做到均衡對稱，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部產生應力。電極升降裝置的起升力除要考慮電極自重和把持筒等機械設備重量外；還應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構，現在使用的有帶式、碟形彈簧式和氣囊式幾種。少數工業硅爐抱閘機構由上抱閘、下抱閘和壓放缸組成,以便于壓放和倒拔電極,而大部分工業硅爐只有單抱閘和壓放缸。
1.4.加料系統
加料系統只應用于國內幾臺大型工業硅爐上,中小型工業硅爐采用人工加料法而沒有加料系統。
1.5.煙罩
近年來,我國對工業硅企業的環保要求很嚴,工業硅冶煉過程產生大量CO濃度很高的爐氣，同時帶走大量粉塵。為使電爐煙氣含塵量達到排放和使用標準，大部分工業硅爐已采用煙罩或密閉的爐蓋將煙氣收集起來，經煙道送人除塵系統。而20世紀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，不能直接進入布袋收塵器，在風機和布袋之前必須設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，降低投資和運行費用。
隨著人們對環境保護認識的不斷提高，為了有效地改善電爐周圍的工作條件，近幾年來，國內不少廠家相繼投產了數十座6300KVA以上容量的半封閉電爐。這些電爐煙罩的結構形式大部分為水冷鋼型骨架、骨架之間放置水冷蓋板、煙罩內部打制耐火混凝土防火材料的結構形式。這種結構形式，在生產運行過程中存在著較為嚴重的問題，即水冷骨架經常漏水造成熱停爐，并且難于維修。據從某些廠家多年的運行實踐統計來看，因骨架漏水造成的熱停爐時間占全部熱停爐時間的50%。因此，煙罩骨架漏水事故給生產廠帶來了很大的經濟損失。
1.6.搗爐設備
我國6300KVA及以下容量的工業硅爐絕大多數仍使機械搗爐機,這種搗爐機雖然結構簡單,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、費用高是最大的缺點。
現在,有些工業硅爐正在使用的全液壓搗爐機,由于國內設計制作的全液壓搗爐機結構較簡單、投資又低,因此,在工業硅企業很快就得到應用。但是,實際使用效果表明:由于這種搗爐機搗桿油缸動作速慢,油缸工作環境溫度高隔熱難度大而造成液壓系統運行不正常。因此,只能在小容量或大木炭生產工藝的工業硅爐上應用。另一種半液壓搗爐機因具備搗爐力量大、速度快的高工作效率而迅速推廣應用。
2.國內工業硅電爐設備現狀
在我國工業硅電爐的發展歷程中，不同時期借鑒了世界上不同國家的先進技術。20世紀50年代由蘇聯引進的敞口電爐，填補了我國工業硅電爐設備的空白。從此，在全國陸續建成相同結構的電爐。其主要結構特點為：電極的升降是由卷揚機驅動，電極的壓放是采用停電方式完成。電極把持器是由半環和螺栓組成，靠人工扳手擰螺栓來實現銅瓦的夾緊和松開電極。其缺點是：機械化程度低，勞動強度大，污染嚴重。在20世紀80年代以后，設計單位引用鐵合金爐設備技術,研制了國內半封閉式矮煙罩工業硅電爐。因而我國的少數電爐的功率調節就可采用了液壓缸升降電極，錐形環式油壓把持器；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象時常發生，功率損耗大，對電極的壓放不利，作業率普遍較低。
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