第一節(jié) 金屬硅生產(chǎn)工藝介紹

金屬硅生產(chǎn)工藝流程

工業(yè)硅冶煉時(shí)的操作方法如下：

1、高溫冶煉。冶煉工業(yè)硅與硅鐵相比，需要更高的爐溫，生產(chǎn)硅含量大于95%以上的工業(yè)硅，液相線溫度在1410℃以上，需要在1800℃以上高溫冶煉，此外，由于爐料不配加鋼屑，所以SiO2還原熱力學(xué)條件惡化，破壞SiC的條件也變得更加不利。由此產(chǎn)生三個(gè)結(jié)果：其一是爐料更易燒結(jié)；其二是上層爐料中生成的片狀SiC積存后容易使?fàn)t底上漲；其三是Si和SiO高溫?fù)]發(fā)的現(xiàn)象更加顯著。為此，在冶煉過程中必須做到：

1）控制較高的爐膛溫度。

2）控制Si和SiO揮發(fā)。

3）使SiC的形成和破壞相對(duì)平衡。

為了提高爐溫，減少Si和SiO的揮發(fā)損失，基本上應(yīng)保持SiC在爐內(nèi)平衡。在具體操作中必須千方百計(jì)地減少熱損失，基本上保持或擴(kuò)大坩堝。

在工業(yè)硅生產(chǎn)中，采用燒結(jié)性良好的石油焦，有利于爐內(nèi)熱量集中，但料面難以自動(dòng)下沉。與小電爐生產(chǎn)75硅鐵相比，可以采用一定時(shí)間的燜燒和定期集中加料的操作方法。

2、正確的配加料。正確的配加料是爐況穩(wěn)定的先決條件。對(duì)于小電爐生產(chǎn)工業(yè)硅來說，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。正確配比應(yīng)根據(jù)爐料化學(xué)成分、粒度、含水量及爐況等因素確定，其中應(yīng)該特別注意還原劑使用比例和使用數(shù)量，正確的配比應(yīng)使料面松軟又不塌料，透氣性良好，能保證規(guī)定的燜燒時(shí)間。爐料配比確定后，爐料應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，誤差應(yīng)不超過0.5%，均勻混合后入爐。

爐料配比不準(zhǔn)或爐料混合不均都會(huì)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(jìn)行。

3、沉料搗爐。在工業(yè)硅生產(chǎn)中采用燒結(jié)性良好的石油焦，以自動(dòng)下沉，一般需要強(qiáng)制沉料。當(dāng)爐內(nèi)爐料燜燒到規(guī)定的時(shí)間時(shí)，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(shí)應(yīng)該立刻進(jìn)行強(qiáng)制沉料操作。沉料時(shí)，先用搗爐機(jī)從錐體外緣開始將料殼向下壓，使料層下塌。然后用搗爐機(jī)搗松錐體下腳，搗松熟料就地推在下塌的料層上，搗出的大塊黏料和死料推向爐心，同時(shí)鏟凈電極上的黏料。沉料時(shí)高溫區(qū)外露，熱損失很大，因而，沉料搗爐操作必須快速進(jìn)行。

4、爐料形狀和燜燒提溫。沉料搗爐完畢后，應(yīng)將混合爐料迅速集中加于電極周圍爐心地區(qū)，使?fàn)t料在爐內(nèi)形成一平頂錐體，并保持一定的料面高度。不準(zhǔn)偏加料，一次加入新料數(shù)量相當(dāng)于1h左右的用料量。

新料加完后，進(jìn)行燜燒，燜燒時(shí)間控制1h左右，燜燒和定期沉料的操作方法，有利于減少熱損失，提高爐溫和擴(kuò)大：“坩堝”。

5、扎透氣眼。集中加料時(shí)，大量生料加入爐內(nèi)，可能使反應(yīng)區(qū)溫度下降。因而在加料前期，爐溫較低，反應(yīng)進(jìn)行得緩慢，氣體生成量不會(huì)太多，在燜燒一段時(shí)間后，爐溫迅速上升，反應(yīng)趨于激烈，氣體生成量也將急劇增加，此時(shí)為了幫助爐氣均勻外逸，有必要在錐體下腳“扎眼透氣”。

石油焦具有良好的燒結(jié)性能，集中加料燜燒一段時(shí)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(kuò)大“坩堝”，除扎眼氧氣外，還應(yīng)用搗爐機(jī)或鋼棒松動(dòng)錐體下腳嚴(yán)重的部分爐料。至于徹底的搗爐，則在沉料時(shí)進(jìn)行。

6、爐況正常的標(biāo)志及不正常爐況的處理。電爐生產(chǎn)工業(yè)硅，爐況容易波動(dòng)，較難控制，因此必須正確判斷爐況并及時(shí)處理。和生產(chǎn)75%硅鐵一樣，影響爐況的因素是很多的，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，影響爐況最主要的因素還是還原劑用量，還原劑用量不當(dāng)會(huì)使?fàn)t況發(fā)生急劇變化。一般來說，爐況變化通常反應(yīng)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(dòng)情況等幾方面。

1）爐況正常的標(biāo)志是電極深而穩(wěn)地插入爐料，電流電壓穩(wěn)定，爐內(nèi)電弧響聲穩(wěn)而低，料面冒火區(qū)域廣而均勻；爐料透氣性好，料面松軟而且有一定的燒結(jié)性，各處爐料燒結(jié)程度相關(guān)不大，燜燒時(shí)間穩(wěn)定，基本上無(wú)刺火塌料現(xiàn)象；出鐵時(shí)爐眼好開，流頭開始較大，而后均勻變小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

2）不正常爐況的處理。原料含水量波動(dòng)，還原劑質(zhì)量變化，稱量準(zhǔn)確程度較差，操作不當(dāng)?shù)雀鞣N因素，均會(huì)影響實(shí)用碳量，爐子出現(xiàn)還原劑不足或過?，F(xiàn)象。

爐子還原劑過剩的特征是料層松散，火焰變長(zhǎng)，火頭大多集中于電極周圍，電極周圍下料快，爐料不燒結(jié)，“刺火”塌料嚴(yán)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(dāng)還原劑過剩嚴(yán)重時(shí)，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，不吃料，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(yán)重，電弧聲很響，爐底溫度嚴(yán)重下降，假爐底很快上漲，鐵水溫度低，爐眼縮小，有時(shí)甚至燒不開爐眼，被迫停爐。

第二節(jié) 國(guó)外金屬硅生產(chǎn)工藝發(fā)展階段比較

我國(guó)工業(yè)硅生產(chǎn)與國(guó)外相比，突出特點(diǎn)：工業(yè)硅爐容量較小，臺(tái)數(shù)較多，生產(chǎn)企業(yè)多而分散。我國(guó)工業(yè)硅爐，其容量多數(shù)6300kVA級(jí)10000kVA左右，雖然近幾年建起了若干臺(tái)12500kVA～25500kVA容量工業(yè)硅爐，也有正從國(guó)外引進(jìn)39000kVA工業(yè)硅爐，但數(shù)量較少。而國(guó)外大部分都10000kVA以上，有工業(yè)硅爐已達(dá)到48000kVA。

國(guó)外生產(chǎn)工業(yè)硅：十幾個(gè)國(guó)家實(shí)際生產(chǎn)廠家(或公司)總共不到50個(gè)，而我國(guó)正生產(chǎn)廠家就有200多個(gè)，又分散有色冶金、黑色冶金、機(jī)械、化工、軍工等不同 行業(yè) 。我國(guó)工業(yè)硅生產(chǎn)狀況，好處：資金容易籌集，建設(shè)周期短，速度快，能迅速取得投資效益，便于停爐、開爐，能更好地利用分散剩余電力季節(jié)性水電，能為更多人提供就業(yè)機(jī)會(huì)，發(fā)揮人力資源優(yōu)勢(shì)。存問題：爐容量小，熱穩(wěn)定性差，不易取得好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一些先進(jìn)技術(shù)操作管理經(jīng)驗(yàn)難于推廣普及;企業(yè)之間難于形成統(tǒng)一意志行動(dòng)，企業(yè)占地面積較大，規(guī)模不經(jīng)濟(jì)。

第三節(jié) 我國(guó)金屬硅生產(chǎn)工藝創(chuàng)新路徑

目前，我國(guó)工業(yè)硅生產(chǎn)，大多數(shù)企業(yè)采用6300kVA10000kVA以下工業(yè)硅爐。多年生產(chǎn)，我們積累總結(jié)出一套行之有效操作管理經(jīng)驗(yàn)，通過充分調(diào)動(dòng)操作者積極性，搞好爐前操作，這種較小容量工業(yè)硅爐上，取得了國(guó)外大容量工業(yè)硅爐相同或相近電能電極單耗指標(biāo)。5000kVA單相雙電極工業(yè)硅爐上，當(dāng)生產(chǎn)1t工業(yè)硅消耗115kg木炭，266kg石油焦，347kg煙煤時(shí)，生產(chǎn)1t工業(yè)硅電耗為11611kWh，電極單耗為85kg。6300kVA三相三電極工業(yè)硅爐上，當(dāng)生產(chǎn)1t工業(yè)硅，消耗1321kg木炭，445kg石油焦，生產(chǎn)1t工業(yè)硅電耗為11890kWh，電極單耗為84kg。另一臺(tái)6300kVA工業(yè)硅爐上，當(dāng)生產(chǎn)1t工業(yè)硅，消耗1154kg木炭，498kg石油焦，46kg煙煤時(shí)，生產(chǎn)1t工業(yè)硅電耗為11101kWh，電極單耗為68kg。

第四節(jié) 國(guó)內(nèi)金屬硅生產(chǎn)設(shè)備介紹

國(guó)內(nèi)金屬硅生產(chǎn)設(shè)備主要有工業(yè)硅爐。

經(jīng)過多年的摸索探討，目前我國(guó)工業(yè)硅電弧爐的電效率平均在92%以上，各種提高電效率的技術(shù)或措施也比較成熟如改進(jìn)短網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電材質(zhì)、采用低壓補(bǔ)償技術(shù)、改善電參數(shù)等方面。但是，我國(guó)工業(yè)硅電弧爐的熱效率普遍比較低，這是導(dǎo)致我國(guó)工業(yè)硅生產(chǎn)能耗高、能源利用效率低的主要原因。

第五節(jié) 國(guó)內(nèi)金屬硅生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用 分析

我國(guó)某廠6300KVA電弧爐的熱平衡 分析

從表中可以看出6300KVA電弧爐在工業(yè)硅生產(chǎn)過程中，電效率為92.21％，熱效率為65％，能源大部分由于熱效率低而被損失掉，損失途徑主要是逸出氣體帶走熱、爐面散熱、爐體散熱、短網(wǎng)熱損失、冷卻水帶走熱。因此，提高工業(yè)硅電弧爐冶煉過程中的熱效率應(yīng)當(dāng)是今后 研究 的重點(diǎn)。

第六節(jié) 我國(guó)金屬硅技術(shù)研發(fā) 分析

工業(yè)硅根據(jù)用途主要分為冶金用硅和化學(xué)用硅兩大類。冶金用硅主要用于生產(chǎn)鋁合金等冶金領(lǐng)域，化學(xué)用硅則用于生產(chǎn)有機(jī)硅、半導(dǎo)體材料和太陽(yáng)能級(jí)硅等方面。從世界范圍看，冶金用硅和化學(xué)用硅的消費(fèi)量基本是各占一半。但從上世紀(jì)90年代后期以來，歐盟和美國(guó)的化學(xué)用硅量已超過冶金用硅量，而且這種趨勢(shì)仍在繼續(xù)發(fā)展：即化學(xué)用硅量占的比例越來越大。這就是說，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，對(duì)工業(yè)硅的種類和產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越多，越來越高。隨之要求工業(yè)硅生產(chǎn)對(duì)原料的精選，工藝條件的改進(jìn)，精煉方面的創(chuàng)新等都必須注入新的技術(shù)，科學(xué)技術(shù)在產(chǎn)品中的含量，只有不斷增加，才能適應(yīng)新的發(fā)展需要。上世紀(jì)90年代中期之前，我國(guó)的工業(yè)硅產(chǎn)品，主要是553.441級(jí)硅，大部分作為冶金用硅使用和出口。上世紀(jì)末以來，我國(guó)各工業(yè)硅企業(yè)和相關(guān)單位，在原料精選、工藝設(shè)備條件改進(jìn)和精煉方法創(chuàng)新等方面做了大量工作，現(xiàn)在已能根據(jù)多方面用戶要求生產(chǎn)出2202，1101等多種級(jí)別的產(chǎn)品。某些企業(yè)還能生產(chǎn)出含磷量小于30ppm的低磷硅，滿足電子 行業(yè) 需要的電子級(jí)硅以及含硅量99.99%或99.99%以上的太陽(yáng)能級(jí)硅等。高科技含量產(chǎn)品的比例在不斷增大。因?yàn)楦鞯貐^(qū)各企業(yè)產(chǎn)品的品級(jí)和科技含量不同，所以售價(jià)和實(shí)際效益也不同?，F(xiàn)在我國(guó)各地區(qū)各企業(yè)雖然硅的售價(jià)都偏低，但實(shí)際售價(jià)卻相差很大。

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