硅業(yè)硅鐵及工業(yè)硅的設(shè)計與實(shí)踐

張志凌，程 剛，梁 可

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051;2.云南永昌硅業(yè)股份有限公司，云南 龍陵678300)

硅業(yè)硅鐵及工業(yè)硅的設(shè)計與實(shí)踐

張志凌1，程 剛2，梁 可1

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051;2.云南永昌硅業(yè)股份有限公司，云南 龍陵678300)

闡述了云南永昌硅業(yè)股份有限公司硅鐵及工業(yè)硅工程項(xiàng)目的設(shè)計特點(diǎn)及生產(chǎn)使用情況。

硅鐵;工業(yè)硅;電爐

0 引 言

2005年8 月，云南永昌硅業(yè)股份有限公司委托昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司承擔(dān)硅鐵設(shè)計工作，建設(shè)2臺12.5 MVA、2臺25.5 MVA 硅鐵電爐，年產(chǎn)75硅鐵5萬t，于2007年5月全部建成投產(chǎn)。

2007年8 月，云南永昌硅業(yè)股份有限公司委托昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司進(jìn)行工業(yè)硅設(shè)計工作，建設(shè)3臺25.5 MVA工業(yè)硅電爐，年產(chǎn)工業(yè)硅5萬t，于2009年5月全部建成投產(chǎn)。

項(xiàng)目采用的技術(shù)和設(shè)備均為國內(nèi)設(shè)計和制造，項(xiàng)目的產(chǎn)量和規(guī)模在我國進(jìn)入前列，技術(shù)和裝備水平在全國處于領(lǐng)先地位，對我國硅鐵、工業(yè)硅行業(yè)向大容量電爐升級起到了示范作用。該文介紹項(xiàng)目的設(shè)計與實(shí)踐情況。

1 設(shè)計特點(diǎn)

1.1 冶煉工藝及設(shè)備的設(shè)計

硅鐵及工業(yè)硅冶煉目前國內(nèi)外均采用電爐冶煉，大容量電爐便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化，便于煙氣治理和余熱利用。我國政府一直鼓勵大容量電爐，在鐵合金行業(yè)準(zhǔn)入條件中也明確規(guī)定了電爐容量須在25 MVA及其以上。

騰達(dá)西北鐵合金有限責(zé)任公司于1986年引進(jìn)德國德瑪格公司2臺25.5 MVA硅鐵電爐，遵義鐵合金(集團(tuán))有限責(zé)任公司于1993年引進(jìn)德國德瑪格公司1臺50 MVA硅鐵電爐，藍(lán)星硅材料有限公司于2002年引進(jìn)德國德瑪格公司1臺25.5 MVA工業(yè)硅電爐，以上項(xiàng)目均引進(jìn)挪威?？瞎境龎m及微硅粉加密技術(shù)，使國內(nèi)硅鐵及工業(yè)硅生產(chǎn)技術(shù)有了大幅提高，但其引進(jìn)費(fèi)用及投資高，并且企業(yè)一直在生產(chǎn)中摸索掌握國外技術(shù)，使得大容量電爐不如小容量電爐的生產(chǎn)指標(biāo)好，使我國硅鐵、工業(yè)硅行業(yè)對大容量電爐望而生畏。

在吸收、消化國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)下，結(jié)合我國實(shí)際情況，該項(xiàng)目采用國內(nèi)設(shè)計、制造、安裝。項(xiàng)目主要設(shè)計特點(diǎn)有:

(1)不引進(jìn)國外技術(shù)及設(shè)備，與國內(nèi)設(shè)備制造商、建設(shè)業(yè)主共同確定大容量電爐參數(shù)、配置、配套設(shè)備選擇。

(2)設(shè)計采用全PLC控制的自動化配料、上料、布料系統(tǒng)，自動化配料設(shè)計為:批料自動秤量配料、皮帶運(yùn)輸機(jī)“三明治”混料、爐頂料倉定量入爐布料。

(3)采用25.5 MVA硅鐵及工業(yè)硅電爐，大容量電爐可提高勞動生產(chǎn)率、降低單位產(chǎn)品投資，同時大電爐操作熱穩(wěn)定性好、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，有利于機(jī)械化、自動化、控制環(huán)境污染等。電爐結(jié)構(gòu)形式為矮煙罩半密閉式交流礦熱電爐，硅鐵電爐采用組合把持器，工業(yè)硅電爐采用波紋管把持器，每臺電爐配置3臺單相有載調(diào)壓變壓器，采用管式短網(wǎng)水冷電纜，電爐的電極壓放、功率調(diào)節(jié)采用計算機(jī)控制，爐體為旋轉(zhuǎn)式。電爐煙罩為6邊形，其中3邊固定，另3邊為活動式大爐門，供搗爐用，煙罩采用水冷鋼骨架，側(cè)壁及頂內(nèi)側(cè)搗制高鋁耐火澆注料，使用壽命長、維修量小。

(4)每臺電爐配備1臺自由行走車式加料撥料搗爐機(jī)，以實(shí)現(xiàn)料面的加料、撥料及搗爐機(jī)械化，使?fàn)t內(nèi)布料均勻，擴(kuò)大反應(yīng)區(qū)，消除懸料，減少結(jié)殼“刺火”，操作簡單，功能齊全，保證加料、撥料和搗爐效果。

(5)針對原料及還原劑有害雜質(zhì)的情況，采用了污染小的氧氣精煉，有效除去工業(yè)硅中鈣、鋁等雜質(zhì)，使產(chǎn)品質(zhì)量大大提高。

(6)根據(jù)總圖布置的特點(diǎn)，采用膠帶運(yùn)輸機(jī)上料，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行安全可靠。

1.2 收塵系統(tǒng)的設(shè)計

電爐煙氣經(jīng)過煙氣冷卻器、旋風(fēng)粗分離器后由風(fēng)機(jī)送入袋式收塵器，收塵后的煙氣達(dá)標(biāo)排放。

每臺電爐煙氣獨(dú)立使用1臺煙氣冷卻器、粗分離器及風(fēng)機(jī)，設(shè)計采用袋式收塵器正壓工作，2臺12.5 MVA硅鐵電爐共用1臺袋式收塵器，2臺25.5 MVA硅鐵電爐共用1臺袋式收塵器，3臺25.5 MVA工業(yè)硅電爐共用1臺袋式收塵器;袋式收塵器收下的微硅粉經(jīng)壓縮空氣加密后包裝。項(xiàng)目主要設(shè)計特點(diǎn)有:

(1)收塵流程采用旋風(fēng)收塵器作為預(yù)處理器，除去含碳量高的顆?；覊m，使袋式收塵收下的微硅粉質(zhì)量高(含SiO2≥92%)。

(2)每臺電爐煙氣獨(dú)立使用1臺煙氣冷卻器、粗分離器及風(fēng)機(jī)，使各臺電爐的生產(chǎn)情況及操作互不影響。

(3)2臺(或3臺)電爐合用1臺袋式收塵器，使投資及占地面積減少。

(4)正壓工作的袋式收塵器可不考慮漏風(fēng)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量可減少，電機(jī)功率可降低;其結(jié)構(gòu)不要求密封，耗鋼量少，造價低;該系統(tǒng)布置靈活，可多臺電爐收塵共用1臺袋式收塵器;管理維護(hù)簡單，維護(hù)人員可隨時進(jìn)入袋式收塵器內(nèi)部檢查或更換濾袋;由于收塵風(fēng)機(jī)安裝在收塵器之前，收塵器起到了消聲器的作用，使環(huán)境噪聲比負(fù)壓系統(tǒng)明顯降低;并且充分利用了微硅粉在高溫下流動性好，粒度細(xì)而軟的特點(diǎn)，使系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗大大降低。

(5)袋式收塵器采用壓差或時間程序自動清灰，濾袋材質(zhì)采用覆膜濾料，除塵效率高，清灰效果好，使用壽命可達(dá)2 a以上。

(6)袋式收塵器收下的煙塵(即微硅粉)，堆積密度(150～200 kg/m3)非常輕，占用體積大，運(yùn)輸成本高。采用微硅粉氣力加密，經(jīng)加密后的微硅粉密度可達(dá)600 kg/m3。

1.3 給排水的設(shè)計

生產(chǎn)用水取水采用河道低壩取水，經(jīng)預(yù)處理后用泵送至高位水池給全廠生產(chǎn)供水。項(xiàng)目設(shè)置1套電爐循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、1套電爐變壓器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。項(xiàng)目主要設(shè)計特點(diǎn)有:

(1)為節(jié)約新水及減少廢水排放對環(huán)境的影響，設(shè)計最大限度地循環(huán)使用，水循環(huán)使用率達(dá)95%以上，實(shí)現(xiàn)污水零排放。

(2)利用電爐冷卻水、變壓器冷卻水的排水高度，使冷卻循環(huán)排水直接進(jìn)入冷卻塔，節(jié)省了循環(huán)熱水池、循環(huán)熱水泵，節(jié)省投資及運(yùn)行費(fèi)用。

(3)采用低壩取水，投資省，取水運(yùn)行費(fèi)用低。

(4)電爐與循環(huán)泵一一對應(yīng)，運(yùn)行方便，并采取循環(huán)泵備用、一級供電、可由高位水池靠自壓自動直供電爐等多重安全保障措施。

(5)電爐采用軟化水冷卻，使冷卻部件不結(jié)垢，延長冷卻部件的使用壽命，減少了熱停爐。

1.4 總圖運(yùn)輸設(shè)計

廠址地處橫斷山脈的西南端，高黎貢山的南延部分，項(xiàng)目生產(chǎn)區(qū)占地21.173 km2(即317.6畝)。地勢東高西低，海拔1 530～1 570 m，高差達(dá)到40 m，山頂及谷坡一般坡度10°～30°，局部可達(dá)50°以上，地形條件較為復(fù)雜。

場地從東到西把全廠分為4個平臺，即原料平臺、收塵平臺、電爐平臺、輔助管理平臺，使土石方工程減少。

原料平臺為廠區(qū)的最高處，利用平臺高差使各種原輔料通過裝載機(jī)直接倒運(yùn)入各自料倉，通過帶式輸送機(jī)將物料送至電爐車間;成品間緊鄰電爐車間，工業(yè)硅澆鑄后由軌道小車直接運(yùn)入成品間，減少倒運(yùn)距離;微硅粉加密倉緊鄰袋式收塵器布置，收下微硅粉通過埋刮板輸送機(jī)送入加密倉。電極殼制作間布置在電爐車間旁，方便取用?？梢?，充分利用高差及平臺使物料順行，運(yùn)輸快捷。

各電爐收塵系統(tǒng)緊臨電爐車間煙管出口布置，以減少煙管長度;電爐循環(huán)冷卻系統(tǒng)分別布置在電爐車間端頭，減少循環(huán)冷卻水管線長度;110 kV變電站布置在平臺中部，進(jìn)出線方便，靠近負(fù)荷中心，同時兼顧硅鐵及工業(yè)硅需要。

110 kV變電站、制氧站布置在北側(cè)，空壓機(jī)站布置在收塵系統(tǒng)南側(cè)，盛行風(fēng)向上風(fēng)向，靠近負(fù)荷中心，環(huán)境清潔。

充分考慮硅鐵、工業(yè)硅的有機(jī)結(jié)合，方便輔助生產(chǎn)設(shè)施利用，又互不干擾。

1.5 電氣設(shè)計

項(xiàng)目主電源由上級變電站引來2回路110 kV供電，另引1回路10 kV專用線作為全廠一級負(fù)荷的保安電源。

項(xiàng)目設(shè)110 kV總降壓站1座，采用110 kV直供電爐變壓器，可節(jié)省投資、減少電損?？偨祲赫景?座110 kV開關(guān)站、1臺動力變壓器、1座10 kV中心配電室及其輔助設(shè)施。

每臺電爐采用有載電動多級調(diào)壓3臺單相變壓器供電，電爐電極布置為正三角形，使短網(wǎng)短，分布均勻合理，并采用水冷電纜，減低了電抗損失，三相功率的分配較為均衡，節(jié)約用電。

電爐功率自動調(diào)節(jié)，采用電子計算機(jī)實(shí)現(xiàn)比例積分式調(diào)節(jié)或液壓伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

高壓開關(guān)的保護(hù)，采用微機(jī)保護(hù)裝置，在控制室設(shè)置后臺機(jī)，通過通訊方式將數(shù)據(jù)傳到控制室后臺機(jī)上，實(shí)現(xiàn)全廠供電系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。

工程中產(chǎn)生感性無功最大的設(shè)備是電爐，電爐的自然功率因數(shù)在0.75左右，采用高、低壓聯(lián)合補(bǔ)償?shù)姆绞剑构β室蛩匮a(bǔ)償?shù)?.92以上。

1.6 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

配料系統(tǒng)采用計算機(jī)計量和自動配料，使得配料準(zhǔn)確，混料均勻，勞動強(qiáng)度低。

控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式FCS集散控制系統(tǒng)。采用電氣與儀表一體化控制。電氣和儀表自動化共用1套硬件系統(tǒng)，監(jiān)控也在同一平臺，有利于提高控制水平，節(jié)省投資，便于操作、維護(hù)和管理。

自動化控制系統(tǒng)水平居國內(nèi)先進(jìn)水平，控制系統(tǒng)具有生產(chǎn)設(shè)備的連鎖控制、生產(chǎn)過程控制、過程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、過程與設(shè)備狀況的監(jiān)控與警報、過程趨勢數(shù)據(jù)的采集與處理、報表打印、畫面顯示，并完成現(xiàn)場設(shè)備、計算機(jī)系統(tǒng)與中央控制室之間的數(shù)據(jù)交換、信息和指令數(shù)據(jù)的傳輸?shù)瓤刂乒δ堋?/p>

1.7 土建工程設(shè)計

廠址設(shè)計地震烈度8度，分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值0.30 g，特征周期值0.35 s，建筑場地類別Ⅱ類。

電爐車間由于層平臺多、設(shè)備與土建交替多以及設(shè)備吊掛支承多、在樓層上的電爐變壓器的安裝及檢修的吊運(yùn)，設(shè)計進(jìn)行合理的配置。

土建專業(yè)成功解決了電爐主廠房的大跨度、大荷載、高地震烈度的技術(shù)問題。

1.8 環(huán)境保護(hù)措施

項(xiàng)目環(huán)保設(shè)施完善，做到“三同時”，電爐煙氣除塵系統(tǒng)成功地消化吸收挪威?？瞎境龎m技術(shù)，使排放煙氣遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)，出硅煙氣得到很好的捕集后進(jìn)入除塵系統(tǒng)，生產(chǎn)中看不到煙氣的外溢及排放，生產(chǎn)污水實(shí)現(xiàn)零排放，固體廢棄物全部回收利用，廠區(qū)綠化美化完善，建成了花園式工廠，環(huán)保、職業(yè)衛(wèi)生方面將起到國內(nèi)示范作用，改變了國內(nèi)工業(yè)硅生產(chǎn)高污染的形象。

2 生產(chǎn)實(shí)踐

2.1 硅鐵系統(tǒng)生產(chǎn)情況

2006年12 月第一臺硅鐵電爐投產(chǎn)，2007年5月4臺硅鐵電爐全部投產(chǎn)。由于枯水期限電等原因，2008年電爐作業(yè)率71.82%，生產(chǎn)硅鐵3.3萬t/a，其中75硅鐵占95.48%。主要技術(shù)指標(biāo)為:主元素回收率94.73%，微硅粉純度92.27%，冶煉電耗7 600 kWh/t，12.5 MVA 硅鐵電爐產(chǎn)量達(dá)到34 t/d以上，用電功率因數(shù)0.91，水綜合利用率99%，固體廢棄物實(shí)現(xiàn)了零排放。

2.2 工業(yè)硅系統(tǒng)調(diào)試情況

2008年7 月第一臺工業(yè)硅電爐投產(chǎn)，2008年10月第二臺工業(yè)硅電爐投產(chǎn)，2009年5月第三臺工業(yè)硅電爐投產(chǎn)。2009年生產(chǎn)出工業(yè)硅3萬t，其中3303級以上占54.56%。主要技術(shù)指標(biāo)為:主元素回收率85.14%，微硅粉純度93.40%，冶煉電耗11 600 kWh/t，工業(yè)硅電極消耗65 kg/t，電爐單爐最大產(chǎn)量達(dá)到57 t/d，平均產(chǎn)量達(dá)到47 t/d，用電功率因數(shù)0.94，水綜合利用率99%，固體廢棄物實(shí)現(xiàn)了零排放。

2.3 主要經(jīng)濟(jì)及社會效益

項(xiàng)目投產(chǎn)后，硅鐵的市場價格一路上漲，由5 000元/t上漲至10 000元/t，工業(yè)硅的市場價格一路上漲，由8 000元/t上漲至14 000元/t，項(xiàng)目投產(chǎn)順利，各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計指標(biāo)，使企業(yè)產(chǎn)生贏利，并有良好的經(jīng)濟(jì)效益。2010年9月16日，企業(yè)被中國人民銀行列為“景氣調(diào)查定點(diǎn)企業(yè)”。

我國的工業(yè)硅產(chǎn)品主要是553和441級硅，大部分作為冶金用硅出口和使用。該項(xiàng)目在總結(jié)氧氣精煉、熔劑精煉等精煉方法的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)基礎(chǔ)上，對我國原有的氧氣精煉方法進(jìn)行了改進(jìn)，從而使工業(yè)硅的精煉效果大大提高，企業(yè)現(xiàn)在已能根據(jù)多方面用戶要求，生產(chǎn)出3303、2202、1101等多種級別化學(xué)用硅的產(chǎn)品，擴(kuò)大了出口領(lǐng)域，增加了效益。2010年11月19日，云南永昌硅業(yè)股份有限公司被全球最大的有機(jī)硅生產(chǎn)企業(yè)美國道康寧有限公司列為“經(jīng)過認(rèn)證的甲基氯硅烷級金屬硅供應(yīng)商”。

龍陵縣為國家貧困縣，項(xiàng)目的建成促進(jìn)了龍陵城市化進(jìn)程，使鐵合金工業(yè)成為龍陵縣及保山市的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。這不僅充分利用了當(dāng)?shù)氐墓枋Y源及電力，變資源優(yōu)勢為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢作出了貢獻(xiàn)，也為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造稅收、解決700余人的就業(yè)、帶動其它行業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，可見社會效益顯著。

該項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門以此作為一個樣板工程，要求其它工業(yè)硅生產(chǎn)企業(yè)按此技術(shù)進(jìn)行改造，使當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境污染大大減少，環(huán)境效益良好。

3 結(jié) 語

我國的工業(yè)硅爐容量較小，臺數(shù)較多，生產(chǎn)企業(yè)多而分散，國家產(chǎn)業(yè)政策限制小容量的工業(yè)硅電爐，各項(xiàng)政策一直在鼓勵大容量的工業(yè)硅電爐。

項(xiàng)目的產(chǎn)量和規(guī)模將在我國進(jìn)入前列，所有技術(shù)和設(shè)備均為國內(nèi)設(shè)計和制造，技術(shù)和裝備水平在全國處于領(lǐng)先地位，項(xiàng)目的建成促進(jìn)了我國鐵合金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級。

該項(xiàng)目的順利投產(chǎn)，帶動我國在大容量工業(yè)硅電爐的建設(shè)，推動我國工業(yè)硅電爐向大容量發(fā)展進(jìn)程作了有益的探索。

Design of Ferrosilicon and Industrial Silicon Project and Its Practices

ZHANG Zhi－ ling1，CHENG Gang2，LIANG Ke1
(1.Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China;2.Yunnan Yongchang Silicon Industry Co.Ltd，Longling 678300，China)

The design features and situation of production and service for ferrosilicon and industrial silicon project in Yunnan Yongchang Silicon Industry Co.Ltd，were introduced.

Ferrosilicon;industrial silicon;electric furnace

TF645

B

1004－2660(2011)04－0001－04

2011－09－12.

張志凌(1964－)，男，云南人，高級工程師.主要研究方向:冶煉設(shè)計.