1、工業(yè)硅的生產(chǎn)操作工藝金屬硅、工業(yè)硅加 2010-12-06 15:36:01 閱讀 60 評論 0 字號: 大中小 一、工業(yè)硅生產(chǎn)設備及原材料 工業(yè)硅是在炭質(zhì)砌襯的礦熱爐內(nèi)，用低灰份炭質(zhì)還原劑還原高純硅石而得到 的。由于工業(yè)硅含鐵量很低，因而工業(yè)硅電爐一般采用石墨電極或炭素電極。工業(yè)硅電爐主要有兩種爐型，一種是單相爐，一種是三相爐。單相爐一般是固 定敞口爐，爐形近似于橢圓形，兩根電極沿橢圓長軸成直線排列。三相爐有固定敞 口爐，也有爐體旋轉(zhuǎn)敞口爐。冶煉工業(yè)硅，與冶煉 75%硅鐵相比，要求爐膛保持更高的反應溫度，過程需要 消耗更多的能量，相應的爐內(nèi)能量的集中程度也應該更高。使用單相爐時，由于出 鐵

2、口離電極較遠，所以出鐵時間也較長。大型電爐一般為三相爐。工業(yè)硅冶煉是在 三相或單相礦熱電爐內(nèi)進行的，大都采用敞口電爐，也有用封閉旋轉(zhuǎn)式電爐。采用 旋轉(zhuǎn)電爐有助于得到較穩(wěn)定的下料速度，利于破壞碳化硅，減少碳化硅的沉積速 度。 35 天轉(zhuǎn)一圈，國外大多采用爐體旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)工業(yè)硅。兩段式旋轉(zhuǎn)爐體1977 年挪威研制成功兩段式旋轉(zhuǎn)爐體，可以防止爐料結殼，利于爐料下沉，在工業(yè)硅生產(chǎn) 中試驗已取得較好效果。使用兩段式旋轉(zhuǎn)爐體 9000KVA電爐電耗可下降10-14%。采用矮煙罩半封閉式電爐，可以回收煙氣余熱，改善工人勞動條件。但爐口跑 火處理不如敞口電爐及時、方便，同時半封閉后爐口料溫度升高，料層溫度分布有

3、所改變，對一氧化硅凝結不利，有待進一步研究解決。冶煉工業(yè)硅采用碳質(zhì)爐襯，都采用石墨電極。而由于受石墨電極直徑的限制，我國目前工業(yè)硅電爐最大容量為 7500KVA 一般為2000-3000KVA。而國外大多采用 10000-20000KVA 三相敞口旋轉(zhuǎn)電爐。 10000KVA 左右電爐，電極直徑為 800900 毫米左右。工作電壓為 120-130 伏。世界最大的工業(yè)硅電爐為 90000KVA。冶煉工業(yè)硅爐子、電氣參數(shù)與生產(chǎn)硅鐵 （ 含硅 75%）基本相同，不過由于工業(yè)硅 含硅量高，硅還原更難了。要有較高的冶煉溫度。爐子參數(shù)對冶煉效果有很大影 響。工業(yè)硅冶煉爐底和極心圓單位面積功率應有一最佳值

4、。國內(nèi)某廠 5000KVA 電 爐，二次電壓為 120 伏，爐膛內(nèi)徑由 3400 毫米擴大為 3800 毫米。爐底單位面積 功率從550KVA/M2降低為441KVA/M2冶煉電耗降低了 39%效果良好。極心圓單 位面積功率應大些，國內(nèi)某廠1800KVA電爐，極心圓從1250毫米改造成1100- 1200毫米，極心圓單位面積功率從 1384.5KVA/M2提高到1592.9KVA/M2日產(chǎn)量 從 2.328 噸/日提高到 2.695 噸/日，冶煉電耗降低了 1412KWH/t。二次電壓影響：國內(nèi)A廠1800KVA電爐生產(chǎn)工業(yè)硅，五級電壓，生產(chǎn)中使用 84 伏， 88 伏進行比較， 84 伏電壓

5、比使用 88 伏時爐況好，產(chǎn)量高，電耗低。冶煉工業(yè)硅時，爐料容易結殼，爐內(nèi)容易積存 SiC，爐況也比冶煉75%鐵難 控制。大型工業(yè)硅電爐采用旋轉(zhuǎn)爐體是必要的。旋轉(zhuǎn)爐體可使爐膛內(nèi)能量分布比較 均勻，增加爐料透氣性，擴大坩堝區(qū)、防止或減少 SiC 結瘤，延長爐齡，提高硅 的回收率和降低電耗。為了改善熔煉指標，國外大型工業(yè)硅電爐也有采用六根電極 的新式爐型的。例如，美國建成投產(chǎn)的 45000 千伏安工業(yè)硅電爐，就是一個六電 極的三相電爐。工業(yè)硅電爐由于受石墨或炭素電極直徑的限制，容量較小。世界上工業(yè)硅電爐 的最大容量是45000千伏安（六電極）。我國現(xiàn)在普遍采用1800KVA以上電爐冶 煉。工業(yè)硅電

6、爐比同容量的硅鐵電爐，具有較高的二次電壓和較小的電極圓心圓直 徑。例如，容量 9000 千伏安的電爐冶煉 75%硅鐵時，采用 140 伏的二次電壓，而 容量 6300 千伏安的電爐冶煉工業(yè)硅時，則需采用 155 伏的二次電壓。1冶煉工業(yè)硅的原料主要有硅石、石油焦、木炭 （或木塊 ）和煙煤。 由于對工業(yè)硅中 Al 、Ca、Fe 含量限制嚴格，因而，必須采用雜質(zhì)含量比冶煉 硅鐵更低的硅石。一般要求硅石中 SiO2>98.5%、 Al2O3<0.8%、Fe2O3<0.1%、 CaOvO.2% MgOvO.15%粒度為 25-80 毫米。根據(jù)同樣的原因，也必須采用低灰份的石油焦或瀝青

7、焦作還原劑。但是由于這 種焦炭比電阻小，反應能力差，因而必須配用灰份低比電阻大和反應能力強的木炭 （ 或木塊 ） 代替部分石油焦。此外，為使爐料燒結，還應配入部分低灰份煙煤。例 如，某廠把這三者之間的比例控制為 5:3:2 。必須指出，過多或全部配用木炭，不但會提高產(chǎn)品成本，而且還會使料面燒結 性變差，引起刺火塌料，難以形成高溫反應區(qū) （ 坩堝 ）; 爐底易形成 SiC 層、以及出 鐵困難等。對各種炭質(zhì)還原劑的要求如表所示。炭質(zhì)還原劑成份粒度要求名稱 揮發(fā)份（%） 灰分（%） 固定炭（%） 粒度（毫米）木炭 2530 <3 6575 3100木塊 <3 <150石油焦 121

8、6 <0.8 8286 013煙煤 <30 <8 013此外，炭質(zhì)還原劑含水量要低且穩(wěn)定，不能含有其他雜物。 冶煉工業(yè)硅時，用木塊代替木炭，效果也很好。、熔煉操作冶煉工業(yè)硅與冶煉硅鐵相比較，需要更高的爐溫。此外，由于爐料中不配加鋼 屑，所以 SiO2 還原反應的熱力學條件惡化，破壞 SiC 的條件也變得更加不利。由 此產(chǎn)生三個結果：一是爐料更易燒結；二是上層爐料中生成的片狀SiC，積存后容易 促使爐底上漲；三是Si和SiO高溫揮發(fā)的現(xiàn)象更加顯著。為此，在冶煉過程中必 須做到：1、減少熱損失，控制高爐溫2、減少 Si 和 SiO 的揮發(fā) 在工業(yè)硅生產(chǎn)中采用燒結性能良好的石油焦，

9、有利 于爐內(nèi)熱量集中，但料面難以自動下沉。因此，而采用一定時間的燜燒和定期集中 加料的操作方法。為了提高爐溫，減少 Si 、SiO 的揮發(fā)損失，必須千方百計地減少熱損失，擴大 “坩堝”。及爐況等因素確定。其中應該特別注意還原劑的使用比例和使用數(shù)量。 正確的配比應使爐面既松軟又不塌料，透氣性良好，能保證規(guī)定的燜燒時間。爐料 配比確定后，爐料應進行準確的稱量 （ 稱量誤差不超過 +1 公斤）和細致的拌料，然 后入爐。爐料配比不準或爐料拌和不勻，都會在爐內(nèi)造成還原劑過多或缺少現(xiàn)象，影響 電極下插，縮小“坩堝”，破壞正常冶煉進程。正常情況下爐料難以自動下沉，一般需強制沉料。當爐內(nèi)爐料燜燒到規(guī)定時間 時

10、，料面料殼下面的爐料基本化清燒空 ； 料面也開始發(fā)白發(fā)亮，火焰短而黃，局部 地區(qū)出現(xiàn)刺火塌料。此時應該立刻進行強制沉料操作。沉料時，先用搗爐機從錐體 外緣開始將料殼向下壓，使料層下沉。而后用搗爐機搗松錐體下部，搗松的熱料就 地推在下沉的料殼上，搗出的大塊粘料和死料推向爐心，同時鏟凈電極上的粘料。 沉料時高溫區(qū)外露，熱損失很大，因而搗爐沉料操作必須快速進行。搗爐沉料操作完畢后，應將混勻的爐料迅速集中加于電極周圍及爐心地區(qū)，使 爐料在爐內(nèi)形成一平頂錐體，并保持一定的料面高度。不準偏加料。一次加入新料 的數(shù)量相當于一小時的用料量，新料加完后，燜燒一小時左右。2燜燒的定時沉料的操作方法，有利于減少熱損

11、失、提高爐溫和擴大“坩堝”。集中加料時，大量生料加入爐內(nèi)，使溫度略有下降。因而，在加料前期，爐溫 較低，反應進行得較緩慢，氣體生成量不會太多。在燜燒一段時間后，爐溫迅速上 升，反應趨于激烈，氣體生成量也將急劇增加。此時為了幫助爐氣均勻外逸，有必 要在錐體下部“扎眼 ”透氣。石油焦具有良好的燒結性能，集中加料燜燒一段時間后，容易在料面形成一層 硬殼，爐內(nèi)也容易出現(xiàn)塊料。為了改善爐料的透氣性，調(diào)節(jié)爐內(nèi)電流分布，擴大 “坩堝”，除了“扎眼”透氣外，還應用搗爐機或鐵棒松動錐體下部和爐內(nèi)燒結嚴 重的部位。至于透徹的搗爐，則在沉料時進行。爐內(nèi)積存有一定量鐵水后，應及時打開爐眼出鐵。出鐵時熱損失大，故出鐵次

12、 數(shù)不宜過多。 6000 千伏安左右的電爐，每二小時開一次爐， 2000 千伏安左右的電 爐，每四小時開一次爐。爐眼用石墨棒燒開（直徑為100mm或200mm）在正常情況下，出鐵過程為 15 分鐘。出鐵完畢后，先用塊狀工業(yè)硅及夾渣鐵填入出鐵口空洞，而后用碎工業(yè)硅堆成 斜坡將爐眼封住。工業(yè)硅的渣鐵比重相差不大。為防止鐵水夾渣影響質(zhì)量和造成浪費，在鐵錠鐵 水沖擊處，應放一由石墨棒堆成的擋渣框，框內(nèi)夾鐵渣用于堵眼。含鈣量要求嚴格的工業(yè)硅，可以在熔體中吹入一定數(shù)量的氯氣以除鈣。電爐生產(chǎn)工業(yè)硅，爐況容易波動，較難控制。因此，必須正確判斷爐況，并及 時處理。和生產(chǎn) 75%硅鐵一樣，影響爐況的因素是很多的。

13、但是，在實際生產(chǎn)中，影響 爐況最主要的因素還是還原劑的用量。還原劑用量不當，會使爐況發(fā)生急劇變化。一般來說，爐況變化通常反映在電極插入深度，電流穩(wěn)定程度，爐子表面冒火 情況，出鐵情況及產(chǎn)品質(zhì)量波動情況等幾方面。爐況正常的標志是 : 電極深而穩(wěn)地插入爐料，電流電壓穩(wěn)定，爐內(nèi)電弧聲響穩(wěn) 而低，料面冒火區(qū)域廣而且均勻，爐料透氣性好，料面松軟而有一定的燒結性，各 處爐料燒空程度相差不大，燜燒時間穩(wěn)定，基本上無“刺火”塌料現(xiàn)象。出鐵時， 爐眼好開，流頭開始時較大，而后均勻地變小，產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量穩(wěn)定。原料含水量波動，還原劑質(zhì)量變化，稱量準確程度較差，操作不當?shù)雀鞣N因 素，均會影響實際用炭量，使爐子出現(xiàn)還原劑

14、過剩或還原劑不足現(xiàn)象。爐子還原劑過剩的征狀是 :料層松軟，火焰變長，火頭大多集中于電極周圍 ; 電 極周圍下料，爐料不燒結，“刺火”塌料嚴重；電極消耗慢；爐內(nèi)顯著生成SiC，錐 體邊緣發(fā)硬 ; 電流上漲，電極上抬。當還原劑過剩嚴重時，僅在電極周圍窄小區(qū)域 內(nèi)頻繁“刺火” 塌料，其他地區(qū)的料層發(fā)硬不下料，“坩堝”大大縮小，熱量高 度集中于電極周圍，電極高抬，熱損失嚴重電弧聲很響，爐底溫度嚴重下降，假爐 底很快上漲，鐵水溫度低，爐眼縮小，有時甚至燒不開爐眼，被迫停爐。為消除還原劑過剩現(xiàn)象，及時扭轉(zhuǎn)爐況，還原劑過剩不嚴重時，要在料批中減 少一部分還原劑，同時配之以積極的爐況維護，即可使爐子恢復正常。

15、還原劑過剩 嚴重時，應估計爐內(nèi)還原劑過剩的程度，而后采取集中附加硅石或在爐料中附加硅 石的方法處理。作為臨時措施，硅石附加量必須嚴格掌握，以防形成大量爐渣。集 中附加硅石，可在較短時間內(nèi)破壞 SiC 和增大爐料電阻，促使電極穩(wěn)定下插，逐 漸擴大“坩堝”，逐步扭轉(zhuǎn)爐況。爐子還原劑不足的征狀是 : 料面燒結嚴重透氣性差，吃料慢，火焰短小而無 力，“刺火”嚴重。缺炭前期，電極插入深度有所增加，爐內(nèi)溫度有所提高，鐵水 量反而增多，打開爐眼時，爐眼冒白火。鐵水有過熱現(xiàn)象。缺炭嚴重時，爐面發(fā)紅 變硬化，電流波動，電極難插，“刺火”成亮白色3火后，“呼呼”有聲，難以消除，電極消耗顯著增加，爐眼發(fā)粘難開，鐵水

16、量 顯著下降。 為消除還原劑不足現(xiàn)象，一般應追加還原劑。還原劑不足不嚴重時， 為迅速改善料層透氣性，可在料批中附加一部分木炭。還原劑不足嚴重時，除在料 批中附加部分木炭外，在沉料或搗爐時應附加適量不易燒損的石油焦，以有效地消 除還原劑不足現(xiàn)象。此外，為保持爐況穩(wěn)定，減少熱停爐是必要的。三、冶煉工藝1、配料料批以 200 公斤硅石為基礎，還原劑數(shù)量根據(jù)原料化學成分、經(jīng)驗數(shù)據(jù)經(jīng)計算 而定。各種還原劑按一定比例搭配，木炭用量控制在不少于純碳量的四分之一。灰 份不小于 4%，揮發(fā)份高，反應活性好，比電阻高的煙煤和褐煤，要適當配入。其 用量不得超過四分之一。配料時要注意原料變化及時調(diào)正配料。要注意原料的

17、清 潔，清除異物，防止雜質(zhì)混入料內(nèi)。稱量必須準確，每批誤差不得超過 +0.5 公斤。2、烘爐(1) 烘爐前的準備工作。1) 檢查供電、爐子絕緣、液壓、銅瓦、把持器、卷揚機等各系統(tǒng)，并進行空載 運行。運轉(zhuǎn)正常后才能開始烘爐2) 在電極下部放置三支長度適當 (2700kVA 爐子其長度 400 毫米左右 )直徑為100 毫米的電極石墨電極棒，在鋪墊一層厚度為 150200 毫粒度為 4080 毫米的 焦炭，在爐子極心圓內(nèi)再撒一層 520 毫米厚的焦末便于起弧，并保護爐底。(2) 烘爐操作。烘爐方法較多，可先用木柴烘，再加焦炭用電烘，也可直接用 電烘。1) 采用電烘爐的電壓較常用電壓低 12 級。工

18、作電流從小逐漸增大。并間隙停 電進行均熱，同時，扒動焦炭并補充焦炭。電烘時間為 3648 小時，用電量為 35 萬 kWh。2)電烘爐時，同時用木柴和焦炭烘出鐵口流槽。到出鐵前要烘好錠模。3) 烘爐結束后，將爐內(nèi)殘渣雜物和爐墻保護磚挖出去。4) 清理爐內(nèi)雜物后，拔掉爐眼煙囪管，并將堵眼泥球堵好出鐵口。3、開爐，爐襯烘好后，設備已經(jīng)檢查試運轉(zhuǎn)正常，一切準備工作完成后，即 可開爐。用料制度 : 先配幾批料，或減少硅石用量逐漸達到正常批料。用烘爐電壓開 爐，一直到電爐情況正常為止。引弧后向爐底三支電極周圍投入木塊和石油焦，數(shù) 量視爐自容量而定，一般 5000kVA 以下的爐子可投入 800 公斤左右

19、的木塊， 100 公斤左右的石油焦。嚴格控制料面上的上升速度，加料速度要和輸入電量要一致。引弧后第一次加 料要多投要輕，這樣可以蓋住電弧。以后加料要根據(jù)耗電量控制加料量，開爐操作 盡量少動電極，加料要輕，以免爐料塌入電極下，使電極上抬。造成爐底上漲。新 爐料面一定要維護好，一切操作都要輕，盡量減少下料量又不要跑火塌料，使爐內(nèi) 多蓄熱，給形成正常爐況打下基礎。爐口料面要平穩(wěn)上升。第一、二爐更要注意， 不許搗爐，使坩堝盡快更好的形成。對 2700kVA 電爐加料后 1220 小時出第一爐產(chǎn)品，電耗 3.5 萬千瓦時左右。第二爐 6-10 小時出產(chǎn)品。第三爐恢復正常出產(chǎn) 品時間。4、加料按配料要求配

20、好料、運到爐前木塊單獨堆放。稱料次序: 木炭、石油焦、硅石。攪拌均勻后加到爐內(nèi)。操作上要采用出鐵或沉料后集中加料的方法，其余少量地采用勤加薄蓋的方 法，在調(diào)火焰時加入。沉料時三支電極同時進行，根據(jù)悶燒情況，一般 5080 分 鐘基本化空后，在刺火前集中沉料，沉料時可用沾水鐵制工具快速進行，嚴禁工具 熔化，影響產(chǎn)品質(zhì)量。大沉料后先在緊靠電極4周圍處加木塊，并且要立即用熱料蓋住木塊，在蓋新料。加料要勻，不允許偏 加料。料面要加成平頂錐體，錐體高 200-300 毫米，爐心處略低于料面 100-150 毫米，加料后根據(jù)爐口火焰情況，加料調(diào)正火焰，保持均勻逸出，這樣可以延長燜 燒時間、擴大坩堝。不要等

21、火焰過長甚至刺火才蓋料。要根據(jù)爐內(nèi)還原下料情況加料，使供給負荷、還原速度、加料速度相適應，以 控制正確的加料量，保持正常料面高度并控制爐溫。加料速度超過熔化、還原速 度，料面會抬高，爐溫下降，加料不足或電極度上抬、硬性控制料面，爐口溫度就 會升高，此時熱損失大，造成硅的揮發(fā)損失過大。5、沉料、搗爐、透氣 經(jīng)過集中加料，小批調(diào)整火焰加料，保持爐氣均勻逸 出，一段時間后電極及周圍爐料被熔化、還原出現(xiàn)較大空腔，此時，料層變薄，在 大塌料前應該進行沉料。沉料就是主動集中下料。一般負荷正常、配比正確、下料 量均衡，爐子需要到集中下料的時間是基本一定的。對2500KVA電爐，約加400公斤硅石的混合料批，

22、約一小時左右沉一次料。如果超出正常沉料時間，應分析原 因及時調(diào)整，有時是負荷不足，上次下料過多，還原劑不足，爐料還原不好等。如下料過多，要適當延長時間進行提溫，如果還原劑不足應進行強迫沉料，同時撒入 爐內(nèi)少量還原劑。要學會掌握沉料時間，根據(jù)爐況和聲音判斷確定沉料時間。每班沉料約 5-6 次。爐況正常時可做到全爐集中沉料加料。使三相坩堝還原均 勻，電極插的深，若因加料不均勻，透氣性不好，還原劑量不當造成局部嚴重刺火 時，可采取局部沉料加料的方法處理。沉料時，搗松就地下沉，盡量不要翻動爐料層結構順序，若遇大塊粘料影響爐 料下沉和透氣時，應碎成小塊或?qū)⑵渫葡驙t中心。每次出爐后應用搗爐機或人工進行搗爐

23、，搗爐可以疏松料層，增加爐料透氣 性，擴大反應區(qū)，從而延長燜燒時間，刺火少，使一氧化硅揮發(fā)量減少，提高硅的 回收率。搗爐時操作要快，下釬子方向角度要掌握好，不要正對準電極。當爐況正 常時，沿每相電極外側切線方向及三個大面深深的插入料層。要迅速挑松坩堝壁上 燒結的料層，搗碎大塊就地下沉。不允許把燒結大塊撥到爐外 （ 遇有特大硬殼除 外） ，然后把電極周圍熱料撥到電極根部，加木塊 （或木屑 ） 后蓋住新料。每爐冶煉時間一般四小時，正常爐口維護操作如下 （以 2500KVA 電爐為例） 。 出爐后徹底搗爐，先加部分木塊，蓋熱料，再集中加蓋新料，將木塊蓋信，進 行燜燒提溫。同時對爐口火焰較大處蓋新料。

24、約 20 分鐘后對冒火為好處輕輕透 氣，調(diào)整爐口火焰，使整個爐口火焰都很活躍。燜燒 50-80 分鐘后，待料面變成較薄的燒結層，估計爐內(nèi)已還原較空時，再沉 料一次。沉料后加木塊，蓋熱料再蓋新料。距出鐵 40-50 分鐘時再根據(jù)爐況沉料 到次，撥新料至電極周圍，再蓋些不帶木塊的新料。透氣操作一般要在加料后 20 分鐘左右進行，用沾水的圓鋼 （30MM 左右） 向冒火 弱處插入，直到冒出白色火焰，再向外抽出并向上挑松爐料。6、出爐、澆注及取樣精整 出鐵前先將流槽清理干凈，在鑄模底部墊上一塊炭磚，錠模內(nèi)刷石灰或石墨粉漿，上面放些碎合金塊，以保護錠模。出鐵時間，應根據(jù)爐子容量、生產(chǎn)條件、管理水平等確定

25、最佳時間。每班出鐵 次數(shù)多，熱損失就大，出鐵次數(shù)少，又影響冶煉效果，影響產(chǎn)量。對6000KVA電爐，每二小時出鐵一次 ;2000KVA 電爐，每 3-4 小時出鐵一次。 用石墨棒的燒空器進行開眼，鐵水直 接流到錠模中。待大流結束后用木棍通眼，爐眼內(nèi)粘有渣時 （ 一般工業(yè)硅有 2.5%的 爐渣） 可用燒穿器將熔渣晝?nèi)刍观釄宓撞胯F水邊燒邊流出。要修理爐眼適當擴 大空洞體積，使冶煉過程穩(wěn)定。在正常5情況下，出鐵過程只需要 15 分鐘左右。 出鐵結束后，把爐眼四周及爐內(nèi)殘渣扒凈，再堵爐眼。堵眼時，先用合格塊狀 工業(yè)硅堵內(nèi)眼，最后用泥球堵眼。堵眼時盡量往里堵，保持 50-100 毫米深。堵眼 泥配比為耐火泥 : 石墨粉、碎電極糊、石灰漿為 1:1:0.5:0.5 ，混拌均勻捏成球不 散為好。澆注: 鐵水連續(xù)澆注到一個平的帶襯板的錠模上，然后