硅业硅铁及工业硅的设计与实践

张志凌，程 刚，梁 可

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051;2.云南永昌硅业股份有限公司，云南 龙陵678300)

硅业硅铁及工业硅的设计与实践

张志凌1，程 刚2，梁 可1

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051;2.云南永昌硅业股份有限公司，云南 龙陵678300)

阐述了云南永昌硅业股份有限公司硅铁及工业硅工程项目的设计特点及生产使用情况。

硅铁;工业硅;电炉

0 引 言

2005年8 月，云南永昌硅业股份有限公司委托昆明有色冶金设计研究院股份公司承担硅铁设计工作，建设2台12.5 MVA、2台25.5 MVA 硅铁电炉，年产75硅铁5万t，于2007年5月全部建成投产。

2007年8 月，云南永昌硅业股份有限公司委托昆明有色冶金设计研究院股份公司进行工业硅设计工作，建设3台25.5 MVA工业硅电炉，年产工业硅5万t，于2009年5月全部建成投产。

项目采用的技术和设备均为国内设计和制造，项目的产量和规模在我国进入前列，技术和装备水平在全国处于领先地位，对我国硅铁、工业硅行业向大容量电炉升级起到了示范作用。该文介绍项目的设计与实践情况。

1 设计特点

1.1 冶炼工艺及设备的设计

硅铁及工业硅冶炼目前国内外均采用电炉冶炼，大容量电炉便于实现机械化、自动化，便于烟气治理和余热利用。我国政府一直鼓励大容量电炉，在铁合金行业准入条件中也明确规定了电炉容量须在25 MVA及其以上。

腾达西北铁合金有限责任公司于1986年引进德国德玛格公司2台25.5 MVA硅铁电炉，遵义铁合金(集团)有限责任公司于1993年引进德国德玛格公司1台50 MVA硅铁电炉，蓝星硅材料有限公司于2002年引进德国德玛格公司1台25.5 MVA工业硅电炉，以上项目均引进挪威埃肯公司除尘及微硅粉加密技术，使国内硅铁及工业硅生产技术有了大幅提高，但其引进费用及投资高，并且企业一直在生产中摸索掌握国外技术，使得大容量电炉不如小容量电炉的生产指标好，使我国硅铁、工业硅行业对大容量电炉望而生畏。

在吸收、消化国外先进技术基础下，结合我国实际情况，该项目采用国内设计、制造、安装。项目主要设计特点有:

(1)不引进国外技术及设备，与国内设备制造商、建设业主共同确定大容量电炉参数、配置、配套设备选择。

(2)设计采用全PLC控制的自动化配料、上料、布料系统，自动化配料设计为:批料自动秤量配料、皮带运输机“三明治”混料、炉顶料仓定量入炉布料。

(3)采用25.5 MVA硅铁及工业硅电炉，大容量电炉可提高劳动生产率、降低单位产品投资，同时大电炉操作热稳定性好、效率高、产品质量稳定，有利于机械化、自动化、控制环境污染等。电炉结构形式为矮烟罩半密闭式交流矿热电炉，硅铁电炉采用组合把持器，工业硅电炉采用波纹管把持器，每台电炉配置3台单相有载调压变压器，采用管式短网水冷电缆，电炉的电极压放、功率调节采用计算机控制，炉体为旋转式。电炉烟罩为6边形，其中3边固定，另3边为活动式大炉门，供捣炉用，烟罩采用水冷钢骨架，侧壁及顶内侧捣制高铝耐火浇注料，使用寿命长、维修量小。

(4)每台电炉配备1台自由行走车式加料拨料捣炉机，以实现料面的加料、拨料及捣炉机械化，使炉内布料均匀，扩大反应区，消除悬料，减少结壳“刺火”，操作简单，功能齐全，保证加料、拨料和捣炉效果。

(5)针对原料及还原剂有害杂质的情况，采用了污染小的氧气精炼，有效除去工业硅中钙、铝等杂质，使产品质量大大提高。

(6)根据总图布置的特点，采用胶带运输机上料，设备结构简单，运行安全可靠。

1.2 收尘系统的设计

电炉烟气经过烟气冷却器、旋风粗分离器后由风机送入袋式收尘器，收尘后的烟气达标排放。

每台电炉烟气独立使用1台烟气冷却器、粗分离器及风机，设计采用袋式收尘器正压工作，2台12.5 MVA硅铁电炉共用1台袋式收尘器，2台25.5 MVA硅铁电炉共用1台袋式收尘器，3台25.5 MVA工业硅电炉共用1台袋式收尘器;袋式收尘器收下的微硅粉经压缩空气加密后包装。项目主要设计特点有:

(1)收尘流程采用旋风收尘器作为预处理器，除去含碳量高的颗粒灰尘，使袋式收尘收下的微硅粉质量高(含SiO2≥92%)。

(2)每台电炉烟气独立使用1台烟气冷却器、粗分离器及风机，使各台电炉的生产情况及操作互不影响。

(3)2台(或3台)电炉合用1台袋式收尘器，使投资及占地面积减少。

(4)正压工作的袋式收尘器可不考虑漏风，风机风量可减少，电机功率可降低;其结构不要求密封，耗钢量少，造价低;该系统布置灵活，可多台电炉收尘共用1台袋式收尘器;管理维护简单，维护人员可随时进入袋式收尘器内部检查或更换滤袋;由于收尘风机安装在收尘器之前，收尘器起到了消声器的作用，使环境噪声比负压系统明显降低;并且充分利用了微硅粉在高温下流动性好，粒度细而软的特点，使系统风机能耗大大降低。

(5)袋式收尘器采用压差或时间程序自动清灰，滤袋材质采用覆膜滤料，除尘效率高，清灰效果好，使用寿命可达2 a以上。

(6)袋式收尘器收下的烟尘(即微硅粉)，堆积密度(150～200 kg/m3)非常轻，占用体积大，运输成本高。采用微硅粉气力加密，经加密后的微硅粉密度可达600 kg/m3。

1.3 给排水的设计

生产用水取水采用河道低坝取水，经预处理后用泵送至高位水池给全厂生产供水。项目设置1套电炉循环冷却水系统、1套电炉变压器循环冷却水系统。项目主要设计特点有:

(1)为节约新水及减少废水排放对环境的影响，设计最大限度地循环使用，水循环使用率达95%以上，实现污水零排放。

(2)利用电炉冷却水、变压器冷却水的排水高度，使冷却循环排水直接进入冷却塔，节省了循环热水池、循环热水泵，节省投资及运行费用。

(3)采用低坝取水，投资省，取水运行费用低。

(4)电炉与循环泵一一对应，运行方便，并采取循环泵备用、一级供电、可由高位水池靠自压自动直供电炉等多重安全保障措施。

(5)电炉采用软化水冷却，使冷却部件不结垢，延长冷却部件的使用寿命，减少了热停炉。

1.4 总图运输设计

厂址地处横断山脉的西南端，高黎贡山的南延部分，项目生产区占地21.173 km2(即317.6亩)。地势东高西低，海拔1 530～1 570 m，高差达到40 m，山顶及谷坡一般坡度10°～30°，局部可达50°以上，地形条件较为复杂。

场地从东到西把全厂分为4个平台，即原料平台、收尘平台、电炉平台、辅助管理平台，使土石方工程减少。

原料平台为厂区的最高处，利用平台高差使各种原辅料通过装载机直接倒运入各自料仓，通过带式输送机将物料送至电炉车间;成品间紧邻电炉车间，工业硅浇铸后由轨道小车直接运入成品间，减少倒运距离;微硅粉加密仓紧邻袋式收尘器布置，收下微硅粉通过埋刮板输送机送入加密仓。电极壳制作间布置在电炉车间旁，方便取用。可见，充分利用高差及平台使物料顺行，运输快捷。

各电炉收尘系统紧临电炉车间烟管出口布置，以减少烟管长度;电炉循环冷却系统分别布置在电炉车间端头，减少循环冷却水管线长度;110 kV变电站布置在平台中部，进出线方便，靠近负荷中心，同时兼顾硅铁及工业硅需要。

110 kV变电站、制氧站布置在北侧，空压机站布置在收尘系统南侧，盛行风向上风向，靠近负荷中心，环境清洁。

充分考虑硅铁、工业硅的有机结合，方便辅助生产设施利用，又互不干扰。

1.5 电气设计

项目主电源由上级变电站引来2回路110 kV供电，另引1回路10 kV专用线作为全厂一级负荷的保安电源。

项目设110 kV总降压站1座，采用110 kV直供电炉变压器，可节省投资、减少电损。总降压站包括1座110 kV开关站、1台动力变压器、1座10 kV中心配电室及其辅助设施。

每台电炉采用有载电动多级调压3台单相变压器供电，电炉电极布置为正三角形，使短网短，分布均匀合理，并采用水冷电缆，减低了电抗损失，三相功率的分配较为均衡，节约用电。

电炉功率自动调节，采用电子计算机实现比例积分式调节或液压伺服系统调节。

高压开关的保护，采用微机保护装置，在控制室设置后台机，通过通讯方式将数据传到控制室后台机上，实现全厂供电系统的统一监控。

工程中产生感性无功最大的设备是电炉，电炉的自然功率因数在0.75左右，采用高、低压联合补偿的方式，使功率因素补偿到0.92以上。

1.6 自动化控制系统设计

配料系统采用计算机计量和自动配料，使得配料准确，混料均匀，劳动强度低。

控制系统采用基于现场总线技术的分布式FCS集散控制系统。采用电气与仪表一体化控制。电气和仪表自动化共用1套硬件系统，监控也在同一平台，有利于提高控制水平，节省投资，便于操作、维护和管理。

自动化控制系统水平居国内先进水平，控制系统具有生产设备的连锁控制、生产过程控制、过程数据采集与监控、过程与设备状况的监控与警报、过程趋势数据的采集与处理、报表打印、画面显示，并完成现场设备、计算机系统与中央控制室之间的数据交换、信息和指令数据的传输等控制功能。

1.7 土建工程设计

厂址设计地震烈度8度，分组为第一组，设计基本地震加速度值0.30 g，特征周期值0.35 s，建筑场地类别Ⅱ类。

电炉车间由于层平台多、设备与土建交替多以及设备吊挂支承多、在楼层上的电炉变压器的安装及检修的吊运，设计进行合理的配置。

土建专业成功解决了电炉主厂房的大跨度、大荷载、高地震烈度的技术问题。

1.8 环境保护措施

项目环保设施完善，做到“三同时”，电炉烟气除尘系统成功地消化吸收挪威埃肯公司除尘技术，使排放烟气远远低于国家排放标准，出硅烟气得到很好的捕集后进入除尘系统，生产中看不到烟气的外溢及排放，生产污水实现零排放，固体废弃物全部回收利用，厂区绿化美化完善，建成了花园式工厂，环保、职业卫生方面将起到国内示范作用，改变了国内工业硅生产高污染的形象。

2 生产实践

2.1 硅铁系统生产情况

2006年12 月第一台硅铁电炉投产，2007年5月4台硅铁电炉全部投产。由于枯水期限电等原因，2008年电炉作业率71.82%，生产硅铁3.3万t/a，其中75硅铁占95.48%。主要技术指标为:主元素回收率94.73%，微硅粉纯度92.27%，冶炼电耗7 600 kWh/t，12.5 MVA 硅铁电炉产量达到34 t/d以上，用电功率因数0.91，水综合利用率99%，固体废弃物实现了零排放。

2.2 工业硅系统调试情况

2008年7 月第一台工业硅电炉投产，2008年10月第二台工业硅电炉投产，2009年5月第三台工业硅电炉投产。2009年生产出工业硅3万t，其中3303级以上占54.56%。主要技术指标为:主元素回收率85.14%，微硅粉纯度93.40%，冶炼电耗11 600 kWh/t，工业硅电极消耗65 kg/t，电炉单炉最大产量达到57 t/d，平均产量达到47 t/d，用电功率因数0.94，水综合利用率99%，固体废弃物实现了零排放。

2.3 主要经济及社会效益

项目投产后，硅铁的市场价格一路上涨，由5 000元/t上涨至10 000元/t，工业硅的市场价格一路上涨，由8 000元/t上涨至14 000元/t，项目投产顺利，各项生产技术指标达到或超过设计指标，使企业产生赢利，并有良好的经济效益。2010年9月16日，企业被中国人民银行列为“景气调查定点企业”。

我国的工业硅产品主要是553和441级硅，大部分作为冶金用硅出口和使用。该项目在总结氧气精炼、熔剂精炼等精炼方法的经验和教训基础上，对我国原有的氧气精炼方法进行了改进，从而使工业硅的精炼效果大大提高，企业现在已能根据多方面用户要求，生产出3303、2202、1101等多种级别化学用硅的产品，扩大了出口领域，增加了效益。2010年11月19日，云南永昌硅业股份有限公司被全球最大的有机硅生产企业美国道康宁有限公司列为“经过认证的甲基氯硅烷级金属硅供应商”。

龙陵县为国家贫困县，项目的建成促进了龙陵城市化进程，使铁合金工业成为龙陵县及保山市的经济支柱产业之一。这不仅充分利用了当地的硅石资源及电力，变资源优势为经济优势作出了贡献，也为当地创造税收、解决700余人的就业、带动其它行业的发展做出了贡献，可见社会效益显著。

该项目建成投产后，当地环保部门以此作为一个样板工程，要求其它工业硅生产企业按此技术进行改造，使当地的环境污染大大减少，环境效益良好。

3 结 语

我国的工业硅炉容量较小，台数较多，生产企业多而分散，国家产业政策限制小容量的工业硅电炉，各项政策一直在鼓励大容量的工业硅电炉。

项目的产量和规模将在我国进入前列，所有技术和设备均为国内设计和制造，技术和装备水平在全国处于领先地位，项目的建成促进了我国铁合金行业的产业结构升级。

该项目的顺利投产，带动我国在大容量工业硅电炉的建设，推动我国工业硅电炉向大容量发展进程作了有益的探索。

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.

张志凌(1964－)，男，云南人，高级工程师.主要研究方向:冶炼设计.