半密闭式12500KVA工业硅矿热炉的设计

一、半密闭式12500KVA工业硅矿热炉的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，而且有利于节约建设成本、方便其它设备布置、保证操作顺畅。高效、节能、先进工业硅冶炼技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。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6300KVA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。一）、工业硅矿热电炉特点：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，提高冶炼效率。冶炼工业硅采用先进技术和设备，炉变选用低阻抗电压的恒功率电炉变压器，功率因素高，超负荷能力强；短网采用通水式铜管，电极三角全补偿式外短网，短网软缆采用水冷电缆，阻抗损失小；科学选用石墨电极；有利于高产降耗，电炉炉型采用矮烟罩半密闭式，有利于收尘，工人操作环境好；电极把持器的铜瓦采用液压波纹管压紧式；电极升降采用液压，捣炉机选用半液压式大功率捣炉机。二）、矿热电炉结构选型技术参数：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。12500KVA工业硅矿热电炉冶炼（工业硅）的日产22—25吨。电耗11800-12800kw/吨。1、变压器容量：12500KVA壳式强油水冷矿热炉变压器；2、一次侧电压：35KV3、二次侧电压：140～175（V）4、二次侧电压级数：17级，级差：3V5、常用电压：151（V）6、二次电流：49154（A）7、电极直径：Φ780mm（石墨）8、电极极心圆直径：Φ2350mm±100mm9、炉膛直径：Φ5700(mm)10、炉壳直径：Φ7200mm11、炉膛深度：2200mm12、炉壳高度：4300mm13、矮烟罩高度：2400mm14、电极行程：1600mm15、电极升降速度：0.5m/min16、冷却水用量：340t/h三）、电炉结构选型设计依据12500KVA交流还原电炉机械设备包括炉体、电极系统、烟罩、变压器和输电短网、液压系统和水冷系统等。图—112500KVA电炉部分示意图1、炉壳部分：国内外对炉衬、炉底散热强度计算表明，保持炉衬与炉底热损失为2%～4%是在合理的范围内，或者保持炉衬表面温度在70～120℃是允许的，因此按照这个条件以及结合所选择材料的使用温度，根据传热学知识可确定炉衬与炉底工作层、保温层、隔热层、绝热层的厚度，钢板层的厚度根据强度需要而定。炉壳过大，从而炉衬厚度过厚，引起筑炉成本上升，出炉困难，占地面积扩大，炉衬表面积增加，散热面积增大；炉壳过小，炉衬厚度过薄，抑或炉衬强度不够，抑或无法保温。炉底厚度亦是如此。采用炉壳直径Φ7200mm，高4300mm,两个出铁口，夹角120°，炉壳钢板厚16mm，炉底厚20mm，腰带及竖筋为160mm槽钢，炉底工字钢高为250mm。设计中，工作层都使用高炉碳砖、保温层选用新型隔热耐火粘土砖（热导率0.44W/(m•K)及高炉砖、隔热层用粒度为3～8mm的细硅石与矿渣混合物、绝热层使用石棉纤维板、钢板层选用16mm厚的普通钢（炉底钢板厚20mm）。如图11电极孔2烟罩上盖板3烟囱孔4冷却水道5观测孔6捣料炉门7红砖8隔热耐火砖9纳米绝热材料10复合硅酸铝纤维毯11钢板12出硅口13高铝砖14自焙炭砖图212500KVA工业硅矿热炉结构图2、电极直径的选择：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。3、炉膛深度、内径确定：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经验公式h=βd；式中β为炉膛深度倍数，β=2.5-2.8计算。在选择炉膛内径时，要保证电流流过电极—炉料—炉壁时所受的阻力大于经过电极—炉料—电极或炉底时所受的阻力。否则，炉膛内径选择尺寸过大，矿热炉表面散热面积大，还原剂烧损严重，出硅口温度低，出硅困难，炉况会恶化。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rDn=rd；式中r为炉膛内径倍数，r=5.8-6.0。4、烟罩结构与材料选择：大容量矿热炉炉膛尺寸跨度大，烟罩设计较困难，同时从烟罩通过的电流大，处理不好涡流损失大。由于烟罩尺寸跨度大，结构强度要求高。因此上盖中心区梁、盖板为不锈钢材料，钢梁为20#槽钢，钢板厚度为8mm。烟罩顶部水冷盖板为活动式结构，便于更换维修。为了解决烟罩结构强度与防止涡流损失，采取用水冷钢管（防磁）做骨架并起吊，上下盖采用石板与水泥构筑，用细钢筋做支撑，既减轻了烟罩整体重量又防止了筑砌或制作上的不便。上下盖间通水冷却。烟罩为12边形，边宽2170mm，烟罩高为2400mm。5、炉门结构与材料选择：大容量炉最大的问题是炉缘距离炉心远，上料困难，特别是国内强调以人工精细加料来取得好质量与低能耗产品的观点下，普遍认为在大容量炉子在国内不如6300KVA炉子的性能，因此一次又一次的阻碍了投资方建造大容量炉子的热情。设计6个炉门用于加料、处理炉况和捣炉，三侧捣炉大炉门有效操作空间高度为2100mm，操作孔炉门为对开式。侧面采用双层水冷，改善操作工的工作环境。不需要捣炉时，炉门关上，密闭冶炼。工业硅炉冶炼过程中，极心圆参数是重要的参数，在电极上下运动过程中，为防止电极摆动而折断电极和极心圆的变化，同时防止炉内烟气从上部逸出，因此在水冷大套设有密封导向装置。密封装置用不锈钢隔磁。6、电炉排烟系统：（1）主烟道：根据冶炼过程中产生的烟气量及半密闭炉的野风量，设计烟管为两根直径Φ1600mm排烟管。由于烟气温度高，为改善设备的工矿条件，设计烟管底部约3.5米高为双层水冷，材料采用Q235，厚度为8mm，其连接采用两道绝缘法兰连接，绝缘材料HP-5。其余为单层，材质为Q235，厚度6mm，第三层平台上部留有除尘管道接口，接口上端为翻板碟阀，此碟阀为手动控制。（2）出炉口烟道：包括出硅口吸烟罩及烟道、手动翻板阀，出炉风机，在第三层平台与主烟道连接。出铁口吸烟罩最大吸收出炉时产生的烟气量，副烟道与炉壳绝缘可靠。7、电炉电极系统：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3-1），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。如果设计不适当，则热量不是过分集中就是热量分散，这都会造成炉况调节频繁或根本无法调节的严重错误。结合矿热炉容量、可调极心圆范围，设计中极心圆直径可按下式计算：Dg=ad；式中a为极心圆倍数，a=2.2-2.3。图3-1极心圆适当图3-2极心圆过小图3-3极心圆过大图3极心圆图示电极系统由电极、电极把持器、电极升降机构和电极压放装置组成。电极采用（电流密度4~7/A.cm²），把持器由导电铜瓦、导电铜管、压力环及电极极心圆调整机构等构件组成。把持器伸进炉盖烟罩内，并以导向水套（大套）进行密封。各部件均在高温和强磁场条件下工作，利用充分的循环水冷却和较好的水套（大套材质不锈钢）防磁性能。（1）电极升降设计：电极直径Φ780mm（石墨），包括上把持筒，下把持筒，水冷大套，油缸压力环，导电铜管夹持装置及吊挂装置等。冶炼过程中大电流产生强大的磁涡流，为减少涡流损失，水冷大套、下把持筒下面2200mm长材质为不锈钢。水冷大套结构为4块,安装及拆卸方便。电极升降设计为液压升降，工作平稳，防止卷扬机升降造成工作不平稳，在冶炼过程中卷扬机不能有效对电极起把持作用，把持系统容易不垂直造成在炉膛内极心圆的变化，对冶炼造成影响。油缸在第三层平台,为吊挂式结构，每根电极用两个缸径Φ220的升降油缸进行提升，提升高度1.6米，提升速度0.5m/min。铜瓦抱紧机构采用油缸式压力环夹紧铜瓦，由于每个油缸是独立工作，因此使每块铜瓦与电极能紧密接触，防止铜瓦与电极产生刺火现象而影响铜瓦寿命，电流传递稳定，接触电阻小，电能损失小。压力环工矿条件恶劣，材质采用锅炉钢板（20g）,耳环采用不锈钢隔磁。水冷大套采用全不锈钢材料，减小电能损失，提高功率因数。（2）电极压放：电极压放为双液压抱闸之间三个压放油缸来执行，压放油缸直径Φ125mm，行程100mm，液压抱闸采用碟簧抱紧液压放松，闸瓦硫化橡胶，10mm厚的绝缘橡胶。碟簧抱紧为机械抱紧，可有效防止因液压、电器故障而产生电极下滑，同时机械力量可以调整。抱闸的松、紧及电极压放用PLC控制，电极压放量根据需要压放。也可采用气囊抱闸。8、液压系统：液压系统为电极压放、电极升降、铜瓦夹紧油缸的动力源。包括液压站、蓄能器、二个油泵、二个电机，系统压力最大为12MPa，液压站设加热装置。电极压放装置为液压抱闸，上下两抱闸间为九个缸径Φ125mm行程100mm的压放缸。液压系统管道均设计绝缘装置。液压软管用高压绝缘软管，连接为绝缘接头。榆次金泽液压在矿热炉液压系统设计方面，有多年的实践经验。9、短网系统：短网的布置和布局结构紧凑、投资小，便于加工，设备占地面积小、设备投资较小、维修简单，事故率低。电炉的几何尺寸和短网设计对电炉电抗有直接影响。不当的设计可能大幅度降低电炉的功率因数，减少有功功率的输出。电炉的损失功率是由变压器、短网、电极等几部分损失组成。降低变压器、短网和电极电阻有助于提高电炉电效率，降低产品电耗。水冷电缆具有良好的冷却效果，（许用电流密度约5~8A/mm²）,是管式短网（许用电流密度约3~5A/mm²）的配套技术，锻造铜瓦（许用电流密度约2.5~4A/mm²），锻造铜瓦于电极接触面（许用电流密度约2.5~3A/mm²），具有质量轻、投资省、运行可靠、结构紧凑与布置排列优化等优点。为了便于变压器和短网的长度缩短一些，减少电损失。10、水冷系统：电炉水冷却系统是对处于高温条件下工作的构件进行冷却的装置。电炉采用净循环水，水质要求为低硬度软水(80~100mg/L)(CaO)(8~10ºdH)悬浮物小于50mg/L，进水温度应低于30ºC，供水点的压力为0.3MPa；进出水温差控制在10ºC左右，循环水量为约150㎡/n高流速和大流量的要求。冷却装置由给水管、分水器、集水箱、配水管等组成。分水器装有检测给水压力表、温度表和流量仪表等。进水温度不超过30℃，回水温度不超过50℃。11、出料系统：出硅口是矿热炉上非常重要的一个部位，它的位置、结构形状、尺寸、材料选择都是需要仔细斟酌的。位置布置不当，出硅口部位温度低，出硅不畅或者是操作不方便；结构形状尺寸不当，也会导致出硅不畅或者封堵困难或者出硅时间延长；材料选择不当，容易氧化腐蚀，维修频繁。设计中，出硅口设计二个，每个出硅口水平位置与炉底齐平并比炉底水平线下倾斜3℃，角度位置它处于炉心与电极中心两点的延长线与炉壁的焦点上。出硅口应当设计成圆形，便于烧穿与封堵，直径100-120mm。烧穿器2个，铁水包4个，出料小车2个，出料卷扬机2个，锭模两