張志凌，梁 可

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

我國(guó)工業(yè)硅電爐大型化的發(fā)展歷程

張志凌，梁 可

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

從國(guó)內(nèi)外工業(yè)硅的發(fā)展，闡述了我國(guó)50余年工業(yè)硅電爐的生產(chǎn)發(fā)展及大型化的歷程和成就。

工業(yè)硅;礦熱爐

0 引言

工業(yè)硅是一個(gè)高能耗產(chǎn)品，由于中國(guó)生產(chǎn)工業(yè)硅的原材料硅石資源較為豐富，適合生產(chǎn)工業(yè)硅。我國(guó)的工業(yè)硅生產(chǎn)始于1957年，從1980年開(kāi)始出口。我國(guó)是全球最大的工業(yè)硅生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2010年我國(guó)工業(yè)硅的產(chǎn)量和消費(fèi)量分別占全球的55%和24%(表1)。

表1 2006—2010年我國(guó)硅產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能和產(chǎn)量Tab.1 Capacity and Output of China Silicon Industry from 2006 to 2010

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)工業(yè)硅行業(yè)處于低水平重復(fù)建設(shè)和無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，2006年2月～2009年6月，國(guó)家發(fā)改委公布了符合《鐵合金行業(yè)準(zhǔn)入條件》生產(chǎn)企業(yè)名單(共4批)，其中有工業(yè)硅生產(chǎn)企業(yè)137家，產(chǎn)能136.59萬(wàn)t，平均規(guī)模不到1萬(wàn)t，有工業(yè)硅電爐312臺(tái)，其中6.3 MVA電爐236臺(tái)，占總電爐數(shù)量的75.6%(表2)。

表2 符合《鐵合金行業(yè)準(zhǔn)入條件》工業(yè)硅生產(chǎn)企業(yè)電爐容量情況Tab.2 Submerged Arc Furnace Capacity of Silicon Industry Accorded with“Access Requirement for Ferroalloy Industry”

說(shuō)明我國(guó)工業(yè)硅產(chǎn)業(yè)集中度低，企業(yè)規(guī)模小，設(shè)備裝置落后，技術(shù)管理水平難以提高。

1 國(guó)內(nèi)外工業(yè)硅的發(fā)展

1.1 國(guó)外工業(yè)硅的發(fā)展

國(guó)外工業(yè)硅的總產(chǎn)能達(dá)到約93萬(wàn)t/a，生產(chǎn)國(guó)主要是美國(guó)、巴西、挪威、俄羅斯、法國(guó)等國(guó)，但因能耗高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)量均呈下降趨勢(shì)，年產(chǎn)量在50萬(wàn)t左右。

挪威?？瞎臼鞘澜缟现蔫F合金冶煉技術(shù)、設(shè)備開(kāi)發(fā)商和供應(yīng)商，其在本土和國(guó)外有不少公司和工廠，是以生產(chǎn)硅合金(工業(yè)硅和硅鐵)為主的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司。該公司的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)遍布幾大洲的跨國(guó)公司，它們?cè)诠に嚰夹g(shù)、生產(chǎn)裝備方面，特別是煙氣治理及煙氣熱能回收發(fā)電方面的技術(shù)貢獻(xiàn)為鐵合金行業(yè)所稱道。?？瞎驹趪?guó)內(nèi)擁有精品工業(yè)硅5.5萬(wàn)t/a的生產(chǎn)規(guī)模。在挪威國(guó)內(nèi)還有伊拉和利勒佩冶金公司，工業(yè)硅產(chǎn)量約2萬(wàn)t/a。

冰島利用其豐富地?zé)?、水利、電能資源，精品工業(yè)硅的生產(chǎn)能力達(dá)到5.5萬(wàn)t/a，在工業(yè)硅市場(chǎng)中占有一席之地。

中南美洲這一地區(qū)主要的鐵合金生產(chǎn)國(guó)包括巴西、阿根廷、墨西哥及秘魯?shù)葒?guó)家。該地區(qū)雨量充足水電資源較豐富，電力價(jià)格3美分/kWh左右，還原劑資源也較豐富。巴西是中南美洲最大的鐵合金生產(chǎn)國(guó)，是中國(guó)在世界市場(chǎng)中工業(yè)硅產(chǎn)品的最主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。巴西鋁合金公司、工商電冶金公司等廠家生產(chǎn)工業(yè)硅十幾萬(wàn)噸。

國(guó)外生產(chǎn)工業(yè)硅的十幾個(gè)國(guó)家中，實(shí)際生產(chǎn)廠家(或公司)總共不到50個(gè)，一些主要工業(yè)硅生產(chǎn)國(guó)普遍采用大容量的旋轉(zhuǎn)爐體電爐生產(chǎn)工業(yè)硅，很少有采用10 MVA以下容量的電爐，以國(guó)外在上世紀(jì)末的大容量電爐情況來(lái)看，截至目前，本世紀(jì)國(guó)外工業(yè)硅冶煉沒(méi)有大的發(fā)展(表3)。

1.2 我國(guó)工業(yè)硅的發(fā)展

1957年我國(guó)開(kāi)始工業(yè)硅生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)在蘇聯(lián)幫助下在我國(guó)遼寧建成投產(chǎn)了采用單相雙電極工業(yè)硅電爐。1960年以后，我國(guó)開(kāi)始自行設(shè)計(jì)建設(shè)單相和三相電極工業(yè)硅爐，從上世紀(jì)60年代初至70年代末，先后在遼寧、河北、江蘇、上海、天津、河南、青海、貴州等省區(qū)建成投產(chǎn)了十幾個(gè)生產(chǎn)單位，形成了近2萬(wàn)t/a的生產(chǎn)能力。這一階段，我國(guó)的工業(yè)硅生產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)自產(chǎn)自用，達(dá)到了自給自足。

1980年以后，我國(guó)的工業(yè)硅開(kāi)始出口，隨著出口量的迅速增加，生產(chǎn)企業(yè)也迅速增加。到20世紀(jì)80年代末，我國(guó)的工業(yè)硅企業(yè)達(dá)到約300家。1989年，我國(guó)的工業(yè)硅企業(yè)關(guān)?；蜣D(zhuǎn)產(chǎn)了一半以上。20世紀(jì)90年代中期，世界工業(yè)硅出現(xiàn)了短暫的供不應(yīng)求，價(jià)格上揚(yáng)，我國(guó)的工業(yè)硅企業(yè)又有一些恢復(fù)生產(chǎn)，還有一些單位新建或增建了工業(yè)硅爐。20世紀(jì)90年代后期，受國(guó)際市場(chǎng)工業(yè)硅價(jià)格下滑和亞洲金融危機(jī)等因素影響，我國(guó)東北、華北、西北、華東等地區(qū)的一些工業(yè)硅企業(yè)又有一批停產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)，同時(shí)在電力供應(yīng)充足，且電價(jià)較低的貴州、云南、四川等省區(qū)又新建了一批工業(yè)硅企業(yè)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)各地區(qū)能源和原材料供應(yīng)狀況和價(jià)格的不斷變化，不適合繼續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)被迫關(guān)停，而具有能源供應(yīng)等優(yōu)勢(shì)的地區(qū)新建了工業(yè)硅企業(yè)。

表3 國(guó)外大容量電爐情況Tab.3 Overseas High Capacity Submerged Arc Furnace

2004年以來(lái)，國(guó)家針對(duì)高耗能、高排放的資源性產(chǎn)品行業(yè)相繼出臺(tái)了一系列宏觀調(diào)控政策措施。在國(guó)家不斷加強(qiáng)宏觀調(diào)控力度下，工業(yè)硅項(xiàng)目低水平重復(fù)建設(shè)的勢(shì)頭受到一定遏制，落后生產(chǎn)能力開(kāi)始被淘汰，整個(gè)行業(yè)節(jié)能和環(huán)保意識(shí)有所增強(qiáng)，硅行業(yè)的各企業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的必要性，加快了淘汰落后生產(chǎn)能力及小容量工業(yè)硅爐的速度。

目前，我國(guó)生產(chǎn)工業(yè)硅主要采用6.3 MVA、8.0 MVA和12.5 MVA 3種礦熱爐爐型，其中6.3 MVA的小爐型礦熱爐是污染嚴(yán)重、能源損耗大的爐型，但一直以來(lái)以其建設(shè)周期短、便于開(kāi)停爐，用電便利等優(yōu)勢(shì)在中國(guó)工業(yè)硅冶煉生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用，也造成生產(chǎn)規(guī)模盲目擴(kuò)張。2010年，工信部對(duì)18個(gè)工業(yè)行業(yè)提出了淘汰落后產(chǎn)能的目標(biāo)任務(wù)，涉及的2 087家企業(yè)中包括工業(yè)硅、鐵合金企業(yè)163家，產(chǎn)能144萬(wàn)t;2011年4月，工信部下達(dá)了當(dāng)年工業(yè)行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能的通知，淘汰任務(wù)涉及企業(yè)共2 050家，其中工業(yè)硅、鐵合金企業(yè)160家，產(chǎn)能180萬(wàn)t。國(guó)家將在2011～2014年期間完成對(duì)落后爐型的淘汰，實(shí)施步驟為:6.3 MVA以下?tīng)t型從文件發(fā)布之日起執(zhí)行全部淘汰;6.3 MVA爐型在2012年前執(zhí)行全部淘汰;國(guó)家級(jí)貧困縣、利用獨(dú)立運(yùn)行的小水電地區(qū)淘汰執(zhí)行日期延后到2014年前。

經(jīng)過(guò)1957年至今50多年的發(fā)展，現(xiàn)在產(chǎn)能、產(chǎn)量和出口量均居世界首位。我國(guó)建成投產(chǎn)的工業(yè)硅企業(yè)達(dá)到600家以上，目前仍在生產(chǎn)的企業(yè)有200家以上，生產(chǎn)能力達(dá)到300萬(wàn)t/a以上，實(shí)際產(chǎn)量早已超過(guò)120萬(wàn)t/a，出口量近70萬(wàn)t/a，我國(guó)工業(yè)硅出口到近60個(gè)國(guó)家和地區(qū)，年出口量已相當(dāng)于西方發(fā)達(dá)國(guó)家總消費(fèi)量的一半以上。我國(guó)的工業(yè)硅生產(chǎn)對(duì)國(guó)家和世界硅業(yè)及各相關(guān)行業(yè)的發(fā)展都有著舉足輕重的影響。

2 我國(guó)工業(yè)硅電爐的大型化歷程

2.1 大型化工業(yè)硅電爐的引進(jìn)

2001年，藍(lán)星硅材料有限公司引進(jìn)挪威王國(guó)?？霞瘓F(tuán)公司及德國(guó)德瑪格公司技術(shù)，將1臺(tái)25.5 MVA和1臺(tái)10.0 MVA電石爐改造成工業(yè)硅爐，并從國(guó)外進(jìn)口電爐的部分關(guān)鍵設(shè)備，德瑪格公司進(jìn)行總體系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝和生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)。項(xiàng)目于2003年10月投產(chǎn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型電爐生產(chǎn)工業(yè)硅的空白。

該電爐技術(shù)的引進(jìn)，給國(guó)內(nèi)電爐技術(shù)帶來(lái)了如下的提升:

(1)電爐爐缸為旋轉(zhuǎn)式，爐體旋轉(zhuǎn)速度在90～240 h/轉(zhuǎn)之間調(diào)整，爐體旋轉(zhuǎn)能夠疏松爐料，擴(kuò)大坩堝區(qū)，使冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高。

(2)電極采用Φ1146碳素電極，解決了不能生產(chǎn)大直徑石墨電極的問(wèn)題，可滿足大容量電爐的要求。

(3)電極把持器系統(tǒng)由把持筒、壓力環(huán)、銅瓦、導(dǎo)電銅管、保護(hù)屏、保護(hù)環(huán)組成。通過(guò)壓力環(huán)中的波紋膨脹管充壓力油使銅瓦充分抱緊電極。利用波紋膨脹管的優(yōu)點(diǎn)是:①可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的徑向頂緊銅瓦，不受電極傾斜和表面質(zhì)量的影響，使銅瓦與電極之間壓力均勻，不宜產(chǎn)生偏流，提高銅瓦的使用壽命，更有效的維護(hù)和防止電極事故的發(fā)生。②充油壓力可調(diào)節(jié)，滿足了銅瓦與電極之間不同壓力的要求，有利于實(shí)現(xiàn)電極的程序壓放和倒拔。③波紋膨脹管的壽命較長(zhǎng)。銅瓦為鍛造銅瓦，鍛造銅瓦的載流密度大，使用壽命長(zhǎng)。這樣就可以減少銅瓦損耗量，大大減少熱停爐時(shí)間，降低了電耗增加了產(chǎn)量。

(4)電極升降采用液壓升降，該裝置有利于功率調(diào)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制打下基礎(chǔ)。

(5)電極壓放裝置采用液壓蝶型彈簧抱閘，對(duì)電極的抱緊力靠蝶型彈簧的彈力，松開(kāi)電極時(shí)可用液壓力克服彈簧的彈力，電極受力均勻，可靠程度高，壓放電極可使用程序壓放和手動(dòng)壓放2種形式。

(6)煙罩為正6邊形，其中3邊固定，另3邊為活動(dòng)式大爐門，供搗爐用。大爐門為液壓升降。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(zhǎng)、維修量小，煙罩設(shè)置2根煙氣導(dǎo)出管，煙氣通過(guò)垂直煙道進(jìn)入收塵系統(tǒng)或放空。

(7)電爐短網(wǎng)為管式，軟連接部分為水冷電纜，與板式短網(wǎng)相比管式短網(wǎng)電流密度可提高幾倍，相應(yīng)的短網(wǎng)重量減輕很多。同時(shí)，短網(wǎng)、電極上的導(dǎo)電銅管以及銅瓦可組成1個(gè)冷卻水回路。管式短網(wǎng)的溫度比板式短網(wǎng)低得多，電損失相應(yīng)減少。短網(wǎng)銅管外均包有絕緣層，以防止短網(wǎng)短路事故的發(fā)生。

(8)電爐爐頂部采用圓盤給料機(jī)布料，分別給入爐頂料倉(cāng)，再由加料管自動(dòng)直接給入爐內(nèi)。

(9)電爐變壓器容量大，無(wú)功損耗高，三相電極功率不平衡對(duì)生產(chǎn)操作帶來(lái)影響大。每臺(tái)電爐采用有載調(diào)壓3臺(tái)單相變壓器。

(10)為電爐配套車式加料撥料搗爐機(jī)、全自動(dòng)化配料上料系統(tǒng)、大型正壓袋式除塵系統(tǒng)。

2.2 大型化工業(yè)硅電爐的國(guó)產(chǎn)化

云南永昌硅業(yè)股份有限公司的5萬(wàn)t/a工業(yè)硅項(xiàng)目于2007年8月開(kāi)始設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)大型電爐僅有藍(lán)星硅材料有限公司的1臺(tái)25.5 MVA在生產(chǎn)運(yùn)行，該電爐引進(jìn)費(fèi)用及投資高，并且一直在生產(chǎn)中摸索著掌握國(guó)外技術(shù)，一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不如中小型電爐，使得行業(yè)內(nèi)對(duì)大型工業(yè)硅電爐望而生畏，產(chǎn)生了大型電爐不如中小型電爐好用的偏見(jiàn)，使國(guó)家推行電爐大型化受到阻礙。

云南永昌硅業(yè)股份有限公司5萬(wàn)t/a工業(yè)硅項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用了3臺(tái)25.5 MVA的大型工業(yè)硅電爐，在吸收、消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)下，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，采用國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、制造、安裝，第1臺(tái)電爐于2008年7月投產(chǎn)，2008年10月第2臺(tái)電爐投產(chǎn)，2009年5月第3臺(tái)電爐投產(chǎn)，運(yùn)行都正常穩(wěn)定，工業(yè)硅冶煉電耗為11 600 kWh/t，低于國(guó)外引進(jìn)設(shè)備和產(chǎn)業(yè)政策的準(zhǔn)入值，工業(yè)硅電極消耗65 kg/t，優(yōu)于國(guó)內(nèi)同行業(yè)水平。2010年8月8日，中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織召開(kāi)云南永昌硅業(yè)股份有限公司“25.5 MVA大容量電爐熔煉工業(yè)硅技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目科技成果鑒定會(huì)，與會(huì)專家認(rèn)為，該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)25.5 MVA大容量電爐熔煉工業(yè)硅技術(shù)的集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，綜合電耗和電極消耗達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成為我國(guó)工業(yè)硅領(lǐng)域的示范工程。2010年11月13日，云南永昌硅業(yè)股份有限公司“25.5 MVA大容量電爐熔煉工業(yè)硅技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目榮獲中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)。

2.3 大型化工業(yè)硅電爐的發(fā)展

隨著云南永昌硅業(yè)股份有限公司5萬(wàn)t/a工業(yè)硅項(xiàng)目的建成投產(chǎn)，促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)硅行業(yè)技術(shù)裝備的升級(jí)。在“十一五”期間，我國(guó)硅產(chǎn)業(yè)的技術(shù)裝備不斷更新，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷改善也促進(jìn)了工業(yè)硅爐型的大型化、企業(yè)規(guī)?；目焖侔l(fā)展。截止2010年底，國(guó)內(nèi)12.5 MVA以上的爐型產(chǎn)能占全國(guó)總產(chǎn)能的比例達(dá)到50%以上(表4)。

表4 2010年年底我國(guó)各種工業(yè)硅爐型數(shù)量及產(chǎn)量Tab.4 Quantities and Capacity of All－Types of Industrial Silicon Furnace by the End of 2010

近年來(lái)，如下一批高起點(diǎn)建設(shè)的企業(yè)出現(xiàn)，使我國(guó)工業(yè)硅企業(yè)正在向國(guó)際一流企業(yè)邁進(jìn)。

(1)藍(lán)星硅材料有限公司引進(jìn)了挪威?？瞎炯暗聡?guó)DEMAG公司技術(shù)及設(shè)備，建設(shè)投產(chǎn)2臺(tái)25.5 MVA工業(yè)硅電爐，隨后又建設(shè)了2臺(tái)27 MVA工業(yè)硅電爐。

(2)云南永昌硅業(yè)股份有限公司建設(shè)的3臺(tái)25.5 MVA工業(yè)硅電爐投產(chǎn)后，運(yùn)行良好，取得國(guó)內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，2011年將建設(shè)8臺(tái)25.5 MVA工業(yè)硅電爐。

(3)云南保山昌寧立得硅業(yè)有限責(zé)任公司擬建設(shè)18臺(tái)25.5 MVA工業(yè)硅電爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)工業(yè)硅20萬(wàn)t，現(xiàn)6臺(tái)即將進(jìn)入安裝。

(4)云南芒市卓信硅業(yè)采用1臺(tái)27 MVA工業(yè)硅電爐，投產(chǎn)使用了兩年多。

(5)內(nèi)蒙古四子王旗佳輝硅業(yè)有限公司建設(shè)8臺(tái)27 MVA工業(yè)硅電爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)工業(yè)硅10萬(wàn)t。2009年6月動(dòng)工建設(shè)4臺(tái)，2010年底有2臺(tái)投產(chǎn)。

(6)山西潞安西仵硅業(yè)有限公司建設(shè)2臺(tái)33 MVA工業(yè)硅電爐，已于2011年4月投產(chǎn)。

(7)四川汶川潘達(dá)爾硅業(yè)有限責(zé)任公司在阿壩州茂縣建設(shè)6臺(tái)33 MVA工業(yè)硅電爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)工業(yè)硅10萬(wàn)t。2010年6月動(dòng)工建設(shè)2臺(tái)。

(8)四川協(xié)鑫硅業(yè)科技有限公司建設(shè)4臺(tái)33 MVA工業(yè)硅電爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)工業(yè)硅8萬(wàn)t，現(xiàn)已開(kāi)始設(shè)備招標(biāo)。

(9)湖北三新硅業(yè)有限責(zé)任公司建設(shè)16臺(tái)33 MVA工業(yè)硅電爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)工業(yè)硅20萬(wàn)t，2010年10月動(dòng)工。

(10)河南升揚(yáng)硅業(yè)科技發(fā)展有限公司引進(jìn)南非Pyomet公司技術(shù)，建設(shè)2臺(tái)39 MVA工業(yè)硅電爐，為我國(guó)現(xiàn)行最大容量的工業(yè)硅電爐，投產(chǎn)運(yùn)行1年。

(11)云南怒江宏盛錦盟硅業(yè)有限公司建設(shè)3臺(tái)30 MVA工業(yè)硅爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)工業(yè)硅4.5萬(wàn)t，2011年11月動(dòng)工。

3 結(jié)語(yǔ)

從1957年我國(guó)只有1臺(tái)5.0 MVA單相雙電極工業(yè)硅爐發(fā)展到今天，我國(guó)工業(yè)硅電爐已達(dá)到39.0 MVA。當(dāng)前，我國(guó)硅業(yè)正處于快速發(fā)展時(shí)期，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能、產(chǎn)量顯著增加，技術(shù)裝備也得到了逐步改進(jìn)和更新，我國(guó)正由“硅產(chǎn)業(yè)大國(guó)”向“硅產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)。

Development of Large－Sized Submerged Arc Furnace for Industrial Grade Silicon in China

ZHANG Zhi－ ling，LIANG Ke
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

From domestic and overseas development of industrial grade(metallic)silicon，the production and large－sized development history and its achievement of submerged arc furnace in metallic silicon industry for more than 50 years have been presented.

Industrial grade silicon;submerged arc furnace

TF748.4

A

1004－2660(2011)04－0047－05

2011－08－09.

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