我國工業(yè)硅電爐大型化的發(fā)展歷程

張志凌，梁 可

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

我國工業(yè)硅電爐大型化的發(fā)展歷程

張志凌，梁 可

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

從國內(nèi)外工業(yè)硅的發(fā)展，闡述了我國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)硅是一個高能耗產(chǎn)品，由于中國生產(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。我國的工業(yè)硅生產(chǎn)始于1957年，從1980年開始出口。我國是全球最大的工業(yè)硅生產(chǎn)國和消費國，2010年我國工業(yè)硅的產(chǎn)量和消費量分別占全球的55%和24%(表1)。

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

長期以來，我國工業(yè)硅行業(yè)處于低水平重復建設和無序競爭，2006年2月～2009年6月，國家發(fā)改委公布了符合《鐵合金行業(yè)準入條件》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t，平均規(guī)模不到1萬t，有工業(yè)硅電爐312臺，其中6.3 MVA電爐236臺，占總電爐數(shù)量的75.6%(表2)。

表2 符合《鐵合金行業(yè)準入條件》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”

說明我國工業(yè)硅產(chǎn)業(yè)集中度低，企業(yè)規(guī)模小，設備裝置落后，技術管理水平難以提高。

1 國內(nèi)外工業(yè)硅的發(fā)展

1.1 國外工業(yè)硅的發(fā)展

國外工業(yè)硅的總產(chǎn)能達到約93萬t/a，生產(chǎn)國主要是美國、巴西、挪威、俄羅斯、法國等國，但因能耗高、勞動強度大、產(chǎn)量均呈下降趨勢，年產(chǎn)量在50萬t左右。

挪威埃肯公司是世界上著名的鐵合金冶煉技術、設備開發(fā)商和供應商，其在本土和國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)集團公司。該公司的技術和產(chǎn)業(yè)遍布幾大洲的跨國公司，它們在工藝技術、生產(chǎn)裝備方面，特別是煙氣治理及煙氣熱能回收發(fā)電方面的技術貢獻為鐵合金行業(yè)所稱道。埃肯公司在國內(nèi)擁有精品工業(yè)硅5.5萬t/a的生產(chǎn)規(guī)模。在挪威國內(nèi)還有伊拉和利勒佩冶金公司，工業(yè)硅產(chǎn)量約2萬t/a。

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

中南美洲這一地區(qū)主要的鐵合金生產(chǎn)國包括巴西、阿根廷、墨西哥及秘魯?shù)葒摇Ｔ摰貐^(qū)雨量充足水電資源較豐富，電力價格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，是中國在世界市場中工業(yè)硅產(chǎn)品的最主要競爭對手。巴西鋁合金公司、工商電冶金公司等廠家生產(chǎn)工業(yè)硅十幾萬噸。

國外生產(chǎn)工業(yè)硅的十幾個國家中，實際生產(chǎn)廠家(或公司)總共不到50個，一些主要工業(yè)硅生產(chǎn)國普遍采用大容量的旋轉爐體電爐生產(chǎn)工業(yè)硅，很少有采用10 MVA以下容量的電爐，以國外在上世紀末的大容量電爐情況來看，截至目前，本世紀國外工業(yè)硅冶煉沒有大的發(fā)展(表3)。

1.2 我國工業(yè)硅的發(fā)展

1957年我國開始工業(yè)硅生產(chǎn)，當時在蘇聯(lián)幫助下在我國遼寧建成投產(chǎn)了采用單相雙電極工業(yè)硅電爐。1960年以后，我國開始自行設計建設單相和三相電極工業(yè)硅爐，從上世紀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)了十幾個生產(chǎn)單位，形成了近2萬t/a的生產(chǎn)能力。這一階段，我國的工業(yè)硅生產(chǎn)，是國內(nèi)自產(chǎn)自用，達到了自給自足。

1980年以后，我國的工業(yè)硅開始出口，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80年代末，我國的工業(yè)硅企業(yè)達到約300家。1989年，我國的工業(yè)硅企業(yè)關停或轉產(chǎn)了一半以上。20世紀90年代中期，世界工業(yè)硅出現(xiàn)了短暫的供不應求，價格上揚，我國的工業(yè)硅企業(yè)又有一些恢復生產(chǎn)，還有一些單位新建或增建了工業(yè)硅爐。20世紀90年代后期，受國際市場工業(yè)硅價格下滑和亞洲金融危機等因素影響，我國東北、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)或轉產(chǎn)，同時在電力供應充足，且電價較低的貴州、云南、四川等省區(qū)又新建了一批工業(yè)硅企業(yè)。進入21世紀以來，隨著我國各地區(qū)能源和原材料供應狀況和價格的不斷變化，不適合繼續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)被迫關停，而具有能源供應等優(yōu)勢的地區(qū)新建了工業(yè)硅企業(yè)。

表3 國外大容量電爐情況Tab.3 Overseas High Capacity Submerged Arc Furnace

2004年以來，國家針對高耗能、高排放的資源性產(chǎn)品行業(yè)相繼出臺了一系列宏觀調(diào)控政策措施。在國家不斷加強宏觀調(diào)控力度下，工業(yè)硅項目低水平重復建設的勢頭受到一定遏制，落后生產(chǎn)能力開始被淘汰，整個行業(yè)節(jié)能和環(huán)保意識有所增強，硅行業(yè)的各企業(yè)逐漸認識到加快產(chǎn)業(yè)結構調(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重、能源損耗大的爐型，但一直以來以其建設周期短、便于開停爐，用電便利等優(yōu)勢在中國工業(yè)硅冶煉生產(chǎn)中得到普遍應用，也造成生產(chǎn)規(guī)模盲目擴張。2010年，工信部對18個工業(yè)行業(yè)提出了淘汰落后產(chǎn)能的目標任務，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t;2011年4月，工信部下達了當年工業(yè)行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能的通知，淘汰任務涉及企業(yè)共2 050家，其中工業(yè)硅、鐵合金企業(yè)160家，產(chǎn)能180萬t。國家將在2011～2014年期間完成對落后爐型的淘汰，實施步驟為:6.3 MVA以下爐型從文件發(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;國家級貧困縣、利用獨立運行的小水電地區(qū)淘汰執(zhí)行日期延后到2014年前。

經(jīng)過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。我國建成投產(chǎn)的工業(yè)硅企業(yè)達到600家以上，目前仍在生產(chǎn)的企業(yè)有200家以上，生產(chǎn)能力達到300萬t/a以上，實際產(chǎn)量早已超過120萬t/a，出口量近70萬t/a，我國工業(yè)硅出口到近60個國家和地區(qū)，年出口量已相當于西方發(fā)達國家總消費量的一半以上。我國的工業(yè)硅生產(chǎn)對國家和世界硅業(yè)及各相關行業(yè)的發(fā)展都有著舉足輕重的影響。

2 我國工業(yè)硅電爐的大型化歷程

2.1 大型化工業(yè)硅電爐的引進

2001年，藍星硅材料有限公司引進挪威王國埃肯集團公司及德國德瑪格公司技術，將1臺25.5 MVA和1臺10.0 MVA電石爐改造成工業(yè)硅爐，并從國外進口電爐的部分關鍵設備，德瑪格公司進行總體系統(tǒng)的基本設計并進行現(xiàn)場安裝和生產(chǎn)技術服務。項目于2003年10月投產(chǎn)，填補了國內(nèi)大型電爐生產(chǎn)工業(yè)硅的空白。

該電爐技術的引進，給國內(nèi)電爐技術帶來了如下的提升:

(1)電爐爐缸為旋轉式，爐體旋轉速度在90～240 h/轉之間調(diào)整，爐體旋轉能夠疏松爐料，擴大坩堝區(qū)，使冶煉技術經(jīng)濟指標提高。

(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、導電銅管、保護屏、保護環(huán)組成。通過壓力環(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)點是:①可實現(xiàn)一對一的徑向頂緊銅瓦，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，有利于實現(xiàn)電極的程序壓放和倒拔。③波紋膨脹管的壽命較長。銅瓦為鍛造銅瓦，鍛造銅瓦的載流密度大，使用壽命長。這樣就可以減少銅瓦損耗量，大大減少熱停爐時間，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)，為實現(xiàn)微機控制打下基礎。

(5)電極壓放裝置采用液壓蝶型彈簧抱閘，對電極的抱緊力靠蝶型彈簧的彈力，松開電極時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，側壁及頂內(nèi)側搗制高鋁耐火澆注料，使用壽命長、維修量小，煙罩設置2根煙氣導出管，煙氣通過垂直煙道進入收塵系統(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，相應的短網(wǎng)重量減輕很多。同時，短網(wǎng)、電極上的導電銅管以及銅瓦可組成1個冷卻水回路。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布料，分別給入爐頂料倉，再由加料管自動直接給入爐內(nèi)。

(9)電爐變壓器容量大，無功損耗高，三相電極功率不平衡對生產(chǎn)操作帶來影響大。每臺電爐采用有載調(diào)壓3臺單相變壓器。

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

2.2 大型化工業(yè)硅電爐的國產(chǎn)化

云南永昌硅業(yè)股份有限公司的5萬t/a工業(yè)硅項目于2007年8月開始設計。當時在國內(nèi)大型電爐僅有藍星硅材料有限公司的1臺25.5 MVA在生產(chǎn)運行，該電爐引進費用及投資高，并且一直在生產(chǎn)中摸索著掌握國外技術，一些技術經(jīng)濟指標不如中小型電爐，使得行業(yè)內(nèi)對大型工業(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，使國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t/a工業(yè)硅項目設計采用了3臺25.5 MVA的大型工業(yè)硅電爐，在吸收、消化國外先進技術基礎下，結合我國實際情況，采用國內(nèi)設計、制造、安裝，第1臺電爐于2008年7月投產(chǎn)，2008年10月第2臺電爐投產(chǎn)，2009年5月第3臺電爐投產(chǎn)，運行都正常穩(wěn)定，工業(yè)硅冶煉電耗為11 600 kWh/t，低于國外引進設備和產(chǎn)業(yè)政策的準入值，工業(yè)硅電極消耗65 kg/t，優(yōu)于國內(nèi)同行業(yè)水平。2010年8月8日，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會組織召開云南永昌硅業(yè)股份有限公司“25.5 MVA大容量電爐熔煉工業(yè)硅技術及產(chǎn)業(yè)化”項目科技成果鑒定會，與會專家認為，該項目通過對25.5 MVA大容量電爐熔煉工業(yè)硅技術的集成創(chuàng)新，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，整體技術達到國內(nèi)領先水平，綜合電耗和電極消耗達到國際先進水平，成為我國工業(yè)硅領域的示范工程。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)硅技術及產(chǎn)業(yè)化”項目榮獲中國有色金屬工業(yè)科學技術二等獎。

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t/a工業(yè)硅項目的建成投產(chǎn)，促進了我國工業(yè)硅行業(yè)技術裝備的升級。在“十一五”期間，我國硅產(chǎn)業(yè)的技術裝備不斷更新，經(jīng)濟指標不斷改善也促進了工業(yè)硅爐型的大型化、企業(yè)規(guī)模化的快速發(fā)展。截止2010年底，國內(nèi)12.5 MVA以上的爐型產(chǎn)能占全國總產(chǎn)能的比例達到50%以上(表4)。

表4 2010年年底我國各種工業(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，如下一批高起點建設的企業(yè)出現(xiàn)，使我國工業(yè)硅企業(yè)正在向國際一流企業(yè)邁進。

(1)藍星硅材料有限公司引進了挪威埃肯公司及德國DEMAG公司技術及設備，建設投產(chǎn)2臺25.5 MVA工業(yè)硅電爐，隨后又建設了2臺27 MVA工業(yè)硅電爐。

(2)云南永昌硅業(yè)股份有限公司建設的3臺25.5 MVA工業(yè)硅電爐投產(chǎn)后，運行良好，取得國內(nèi)先進的技術經(jīng)濟指標，2011年將建設8臺25.5 MVA工業(yè)硅電爐。

(3)云南保山昌寧立得硅業(yè)有限責任公司擬建設18臺25.5 MVA工業(yè)硅電爐，設計年產(chǎn)工業(yè)硅20萬t，現(xiàn)6臺即將進入安裝。

(4)云南芒市卓信硅業(yè)采用1臺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8臺27 MVA工業(yè)硅電爐，設計年產(chǎn)工業(yè)硅10萬t。2009年6月動工建設4臺，2010年底有2臺投產(chǎn)。

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

(7)四川汶川潘達爾硅業(yè)有限責任公司在阿壩州茂縣建設6臺33 MVA工業(yè)硅電爐，設計年產(chǎn)工業(yè)硅10萬t。2010年6月動工建設2臺。

(8)四川協(xié)鑫硅業(yè)科技有限公司建設4臺33 MVA工業(yè)硅電爐，設計年產(chǎn)工業(yè)硅8萬t，現(xiàn)已開始設備招標。

(9)湖北三新硅業(yè)有限責任公司建設16臺33 MVA工業(yè)硅電爐，設計年產(chǎn)工業(yè)硅20萬t，2010年10月動工。

(10)河南升揚硅業(yè)科技發(fā)展有限公司引進南非Pyomet公司技術，建設2臺39 MVA工業(yè)硅電爐，為我國現(xiàn)行最大容量的工業(yè)硅電爐，投產(chǎn)運行1年。

(11)云南怒江宏盛錦盟硅業(yè)有限公司建設3臺30 MVA工業(yè)硅爐，設計年產(chǎn)工業(yè)硅4.5萬t，2011年11月動工。

3 結語

從1957年我國只有1臺5.0 MVA單相雙電極工業(yè)硅爐發(fā)展到今天，我國工業(yè)硅電爐已達到39.0 MVA。當前，我國硅業(yè)正處于快速發(fā)展時期，整個產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能、產(chǎn)量顯著增加，技術裝備也得到了逐步改進和更新，我國正由“硅產(chǎn)業(yè)大國”向“硅產(chǎn)業(yè)強國”邁進。

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，高級工程師.主要研究方向:冶煉設計.