一、半密闭式12500KVA工业硅矿热炉的设计正确设计矿热炉的结构是保障矿热炉工作性能的先决条件，是设计工作者面临的最大困难。好的矿热炉结构设计不仅有利于炉子保障高产、优质、低能耗、少故障的生产，而且有利于节约建设成本、方便其它设备布置、保证操作顺畅。高效、节能、先进工业硅冶炼技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。我国工业硅生产能源消耗高，主要是因为设计上不合理、控制水平与管理水平不高。设计上不合理体现在我国普遍使用的是6300KVA左右的小炉型（散热大、产量低）、炉型设计上为隔热措施不严密、电路设计不合理、极心圆尺寸大小不合理等许多细节方面。控制水平不高体现在人工操作范围大、炉况稳定性差、造成因调整炉况波动费时较长而使得非生产性能耗损失大。管理水平不高体现在管理上不严、制度不健全、操作细节缺乏，造成物资或能源上的消耗浪费。 一）、工业硅矿热电炉特点： 炉型大型化则单位热容率增大，能量供应集中，通过外围表面单位面积散热小、炉子热稳定增强，有利于降低热损失，提高冶炼效率。冶炼工业硅采用先进技术和设备，炉变选用低阻抗电压的恒功率电炉变压器，功率因素高，超负荷能力强；短网采用通水式铜管，电极三角全补偿式外短网，短网软缆采用水冷电缆，阻抗损失小；科学选用石墨电极；有利于高产降耗，电炉炉型采用矮烟罩半密闭式，有利于收尘，工人操作环境好；电极把持器的铜瓦采用液压波纹管压紧式；电极升降采用液压，捣炉机选用半液压式大功率捣炉机。二）、矿热电炉结构选型技术参数：在工业硅冶炼过程中矿热炉的状态与电气参数的变化密切相关，控制最佳的供电制度对保证取得好的经济技术指标十分重要。12500KVA工业硅矿热电炉冶炼（工业硅）的日产22—25吨。电耗11800-12800kw/吨。1、变压器容量：12500KVA壳式强油水冷矿热炉变压器；
2、 一次侧电压：35KV
3、 二次侧电压：140～175（V）
4、 二次侧电压级数：17级，级差：3V
5、 常用电压：151（V）
6、 二次电流：49154（A）
7、 电极直径：Φ780mm（石墨）
8、 电极极心圆直径：Φ2350mm±100mm
9、 炉膛直径：Φ5700(mm)
10、炉壳直径：Φ7200mm
11、炉膛深度：2200mm
双端面机械密封12、炉壳高度：4300mm
13、矮烟罩高度：2400mm
14、电极行程：1600mm
15、电极升降速度：0.5m/min
16、冷却水用量：340t/h
三）、电炉结构选型设计依据
12500KVA交流还原电炉机械设备包括炉体、电极系统、烟罩、变压器和输电短网、液压系统和水冷系统等。
图—1 12500KVA电炉部分示意图
1、炉壳部分：国内外对炉衬、炉底散热强度计算表明，保持炉衬与炉底热损失为2%～4%是在合理的范围内，或者保持炉衬表面温度在70～120℃是允许的，因此按照这个条件以及结合所选择材料的使用温度，根据传热学知识可确定炉衬与炉底工作层、保温层、隔热层、绝热层的厚度，钢板层的厚度根据强度需要而定。
炉壳过大，从而炉衬厚度过厚，引起筑炉成本上升，出炉困难，占地面积扩大，炉衬表面积增加，散热面积增大；炉壳过小，炉衬厚度过薄，抑或炉衬强度不够，抑或无法保温。炉底厚度亦是如此。采用炉壳直径Φ7200mm，高4300mm,两个出铁口，夹角120°，炉壳
钢板厚16mm，炉底厚20mm，腰带及竖筋为160mm槽钢，炉底工字钢高为250mm。
设计中，工作层都使用高炉碳砖、保温层选用新型隔热耐火粘土砖（热导率<0.44W/(m•K)及高炉砖、隔热层用粒度为3～8mm的细硅石与矿渣混合物、绝热层使用石棉纤维板、钢板层选用16mm厚的普通钢（炉底钢板厚20mm）。如图1
1电极孔 2烟罩上盖板 3烟囱孔 4冷却水道 5观测孔 6捣料炉门 7红砖 8隔热耐火砖 9纳米绝热材料 10复合硅酸铝纤维毯 11钢板 12出硅口 13高铝砖 14自焙炭砖
图2 12500KVA工业硅矿热炉结构图
2、电极直径的选择：在确定矿热炉其它结构尺寸之前，必须先确定电极直径，它决定着矿热炉其它结构尺寸的大小。电极直径有许多计算方法，一般根据电极电流和电极电流密度确定：
d=
式中I2为电极电流，A，△I为电极电流密度 5.5-6.1A/cm2。
3、炉膛深度、内径确定：在选择炉膛深度时，要保证电极端部与炉底之间有一定的距离、电极有效插入的深度和料层有一定的厚度。炉膛深度若过深，电极与炉底距离远，电极不能深插，高温区上移，炉底温度低，炉底ggg15SiC会沉积，炉底上抬，堵塞出硅口，炉况变差。炉膛深度若太浅，料层厚度将很薄，炉口温度升高，硅挥发损失增加，容易露弧操作，能耗增大。合适的炉膛深度可按经验公式h=βd；
式中β为炉膛深度倍数，β=2.5-2.8计算。
在选择炉膛内径时，要保证电流流过电极—炉料—炉壁时所受的阻力大于经过电极—炉料—电极或炉底时所受的阻力。否则，炉膛内径选择尺寸过大，矿热炉表面散热面积大，还原剂烧损严重，出硅口温度低，出硅困难，炉况会恶化。炉膛内径选择过小，电极—炉料—
炉壁回路上通过的电流增加，反应区偏向炉壁，将使炉内热量分散，炉心反应区温度低，炉壁腐蚀严重，炉况也会恶化。炉膛内径可按下面经验公式计rDn=rd；式中r为炉膛内径倍数，r=5.8-6.0。
4、烟罩结构与材料选择：大容量矿热炉炉膛尺寸跨度大，烟罩设计较困难，同时从烟罩通过的电流大，处理不好涡流损失大。由于烟罩尺寸跨度大，结构强度要求高。因此上盖中心区梁、盖板为不锈钢材料，钢梁为20#槽钢，钢板厚度为8mm。烟罩顶部水冷盖板为活动式结构，便于更换维修。为了解决烟罩结构强度与防止涡流损失，采取用水冷钢管（防磁）做骨架并起吊，上下盖采用石板与水泥构筑，用细钢筋做支撑，既减轻了烟罩整体重量又防止了筑砌或制作上的不便。上下盖间通水冷却。烟罩为12边形，边宽2170mm，烟罩高为2400mm。
5、炉门结构与材料选择：大容量炉最大的问题是炉缘距离炉心远，上料困难，特别是国内强调以人工精细加料来取得好质量与低能耗产品的观点下，普遍认为在大容量炉子在国内不如6300KVA炉子的性能，因此一次又一次的阻碍了投资方建造大容量炉子的热情。设计
6个炉门用于加料、处理炉况和捣炉，三侧捣炉大炉门有效操作空间高度为2100mm，操作孔炉门为对开式。侧面采用双层水冷，改善操作工的工作环境。不需要捣炉时，炉门关上，密闭冶炼。
工业硅炉冶炼过程中，极心圆参数是重要的参数，在电极上下运动过程中，为防止电极摆动而折断电极和极心圆的变化，同时防止炉内烟气从上部逸出，因此在水冷大套设有密封导向装置。密封装置用不锈钢隔磁。
6、电炉排烟系统：
（1）主烟道：根据冶炼过程中产生的烟气量及半密闭炉的野风量，设计烟管为两根直径Φ1600mm排烟管。由于烟气温度高，为改善设备的工矿条件，设计烟管底部约3.5米高为双层水冷，材料采用Q235，厚度为8mm，其连接采用两道绝缘法兰连接，绝缘材料HP-5。其余为单层，材质为Q235，厚度6mm，第三层平台上部留有除尘管道接口，接口上端为翻板碟阀，此碟阀为手动控制。
（压缩空气汽车2）出炉口烟道：包括出硅口吸烟罩及烟道、手动翻板阀，出炉风机，在第三层平台与主烟道连接。出铁口吸烟罩最大吸收出炉时产生的烟气量，副烟道与炉壳绝缘可靠。
7、电炉电极系统：极心圆直径是一个对冶炼过程有很大影响的设备结构参数，电极极心圆直径选得适当（图3-1），三根电极电弧作用区域部分刚好相交于炉心，各电极反应区既相互相连又重叠部分最小，在这种情况下，炉内热量分配合理，坩埚熔池最大，吃料均匀，炉况稳定，炉况也易于调节。如果设计不适当，则热量不是过分集中就是热量分散，这都会造成炉况调节频繁或根本无法调节的严重错误。结合矿热炉容量、可调极心圆范围，设计中极心圆直径可按下式计算：路灯节电Dg=ad；式中a为极心圆倍数，a=2.2-2.3。
图3-1 极心圆适当 图3-2 极心圆过小 图3-3 极心圆过大
图3 极心圆图示
电极系统由电极、电极把持器、电极升降机构和电极压放装置组成。电极采用（电流密度4~7/ A.cm²），把持器由导电铜瓦、导电铜管、压力环及电极极心圆调整机构等构件组成。把持器伸进炉盖烟罩内，并以导向水套（大套）进行密封。各部件均在高温和强磁场条件下工作，利用充分的循环水冷却和较好的水套（大套材质不锈钢）防磁性能。
（1）电极升降设计：电极直径Φ780mm（石墨），包括上把持筒，下把持筒，水冷大套，油缸压力环，导电铜管夹持装置及吊挂装置等。冶炼过程中大电流产生强大的磁涡流，为减少涡流损失，水冷大套、下把持筒下面2200mm长材质为不锈钢。水冷大套结构为4块,安装及拆卸方便。
电极升降设计为液压升降，工作平稳，防止卷扬机升降造成工作不平稳，在冶炼过程中卷扬机不能有效对电极起把持作用，把持系统容易不垂直造成在炉膛内极心圆的变化，对冶炼造成影响。油缸在第三层平台,为吊挂式结构，每根电极用两个缸径Φ220的升降油缸进行提升，提升高度1.6米，提升速度0.5m/min。铜瓦抱紧机构采用油缸式压力环夹紧铜瓦，由于每个油缸是独立工作，因此使每块铜瓦与电极能紧密接触，防止铜瓦与电极产生刺火
现象而影响铜瓦寿命，电流传递稳定，接触电阻小，电能损失小。压力环工矿条件恶劣，材质采用锅炉钢板（20g）,耳环采用不锈钢隔磁。水冷大套采用全不锈钢材料，减小电能损失，提高功率因数。
（2）电极压放：电极压放为双液压抱闸之间三个压放油缸来执行，压放油缸直径Φ125mm，行程100mm，液压抱闸采用碟簧抱紧液压放松，闸瓦硫化橡胶，10mm厚的绝缘橡胶。碟簧抱紧为机械抱紧，可有效防止因液压、电器故障而产生电极下滑，同时机械力量可以调整。抱闸的松、紧及电极压放用PLC控制，电极压放量根据需要压放。也可采用气囊抱闸。
8、液压系统：液压系统为电极压放、电极升降、铜瓦夹紧油缸的动力源。包括液压站、蓄能器、二个油泵、二个电机，系统压力最大为12MPa，液压站设加热装置。电极压放装置为液压抱闸，上下两抱闸间为九个缸径Φ125mm行程100mm的压放缸。液压系统管道均设计绝缘装置。液压软管用高压绝缘软管，连接为绝缘接头。榆次金泽液压在矿热炉液压系统设计方面，有多年的实践经验。
9、短网系统：短网的布置和布局结构紧凑、投资小，便于加工，设备占地面积小、设备投资较小、维修简单，事故率低。
电炉的几何尺寸和短网设计对电炉电抗有直接影响。不当的设计可能大幅度降低电炉的功率因数，减少有功功率的输出。电炉的损失功率是由变压器、短网、电极等几部分损失组成。降低变压器、短网和电极电阻有助于提高电炉电效率，降低产品电耗。水冷电缆具有良好的冷却效果，（许用电流密度约5~8A/mm²）,是管式短网（许用电流密度约3~5A/mm²）的配套技术，锻造铜瓦（许用电流密度约2.5~4A/mm²），锻造铜瓦于电极接触面（许用电流密度约2.5~3A/mm²），具有质量轻、投资省、运行可靠、结构紧凑与布置排列优化等优点。为了便于变压器和短网的长度缩短一些，减少电损失。
10、水冷系统：电炉水冷却系统是对处于高温条件下工作的构件进行冷却的装置。电炉采用净循环水，水质要求为低硬度软水(80~100 mg/L)(CaO) (8~10ºdH)悬浮物小于50 mg/L，进水温度应低于30ºC，供水点的压力为0.3MPa；进出水温差控制在10ºC左右，循
环水量为约150㎡/n 高流速和大流量的要求。冷却装置由给水管、分水器、集水箱、配水管等组成。分水器装有检测给水压力表、温度表和流量仪表等。进水温度不超过30℃，回水温度不超过50℃。
11、出料系统：出硅口是矿热炉上非常重要的一个部位，它的位置、结构形状、尺寸、材料选择都是需要仔细斟酌的。位置布置不当，出硅口部位温度低，出硅不畅或者是操作不方便；结构形状尺寸不当，也会导致出硅不畅或者封堵困难或者出硅时间延长；材料选择不当，容易氧化腐蚀，维修频繁。
设计中，出硅口设计二个，每个出硅口水平位置与炉底齐平并比炉底水平线下倾斜3℃，角度位置它处于炉心与电极中心两点的延长线与炉壁的焦点上。出硅口应当设计成圆形，便于烧穿与封堵，直径100-120mm。烧穿器2个，铁水包4个，出料小车2个，出料卷扬机2个，锭模两组。
四）、电气设备
12500KVA工业硅炉的电气设备由高压供电系统、变压器、低压供电及控制系统组成。
1、 基本组成：高压供电系统由高压进线隔离开关及电压互感器、高压真空断路器及电流互感器、氧化锌避雷器及阻容吸收保护装置组成。所用高压断路器为真空型，主要用来接通或断开主回路、切断由于电弧短路而造成的过电流，同时还可以用来为炉子设备提供短路保护。
2、基本功能：在高压室设3minip2p面高压柜，进线柜（隔离开关＋电压互感器）、真空开关、氧化锌避雷器及阻容保护装置，然后用电缆联络至变压器室。
高压供电系统可向炉子提供35kV主电源，并可进行主回路短路保护，在高压回路设置双重过电压吸收装置，吸收操作过电压及浪涌电压，以保护变压器。氧化锌避雷器进行防雷击保护，设有进线隔离开关以便于设备调试及维护。
高压系统的真空断路器合、分闸，在高压室的柜面设有本控/远控选择开关，可在高压室和主控室两地操作控制。
3、低压部分包括低压电气控制、信号检测、各种仪器、仪表等的控制监测。
4、电炉的熔池电阻较小，电抗较大，电炉功率因数普遍较低。为了补偿功率因数，需要在变压器的一次侧线圈接入电容器进行并联和串联补偿。是电炉变压器所能达到的最大视在功率。
二、12500KVA工业硅矿热电炉生产实践
电炉生产工业硅，炉况容易波动，较难控制，因此必须正确判断炉况并及时处理。影响炉况的因素是很多的，但是在实际生产中，影响炉况最主要的因素还是还原剂用量，还原剂用量不当会使炉况发生急剧变化。一般来说，炉况变化通常反应在电极插入深度、电流稳定程度、炉子表面冒火情况，出硅情况及产品质量波动情况等几方面。
认真研究工业硅的冶炼原理，分析影响因素，出最佳操作方法，全面搞好电炉操作。工业硅冶炼电炉操作，主要是指生产过程中的配料、混料、加料、捣炉、配电、出炉和精炼等一系列作业。冶炼电炉的操作好坏，直接取决于企业技术操作人员的能力。我国工业硅行业长期依靠廉价电力维持生存的年代一去不复反，企业要想获得较好的经济效益，就必须提高操作技术水平。
对工作人员的操作技术相对要提高，操作制度要严格管理，杜绝违规。对设备检查和维护要实行点检制度， 把设备事故处理在萌芽状。方可提高产生效率，降低综合成本等。为了提高工业硅冶炼的高度和精度，需要特别注意控制冶炼过程中的各个环节：
一）、电炉高温冶炼
在具体操作中必须千方百计地减少热损失，基本上保持或扩大坩埚。根据炉况特点随时调整电气参数，用多级分接电压。生产硅含量大于95%以上的工业硅，液相线温度在1410℃
以上，需要在1800℃以上高温冶炼。由此产生三个结果：其一是炉料更易烧结；其二是上层炉料中生成的片状SiC积存后容易使炉底上涨；其三是Si和SiO高温挥发的现象更加显著。别为了提高炉温，减少Si和SiO的挥发损失，基本上应保持SiC在炉内平衡。
在工业硅生产中，采用烧结性良好的石油焦，有利于炉内热量集中，但料面难以自动下沉。采用一定时间的焖烧和定期集中加料的操作方法。 平衡三相电压,抑制闪变,提高电压,减少无功冲击.使其所有设备能够正常、安全、稳定运行,使用寿命延长等。为此，在冶炼过程中必须做到：
1、 控制较高的炉膛温度。
2 、控制Si和SiO挥发。
3、 使SiC的形成和破坏相对平衡。
辊道窑
二）、冶炼炉料配比
炉料配比不准或炉料混合不均都会在炉内造成还原剂过多或缺少现象，影响电极下插，缩小“坩埚”，破坏正常冶炼进行。正确的配加料是炉况稳定的先决条件。正确配比根据炉料化学成分、粒度、含水量及炉况等因素确定，其中应该特别注意还原剂使用比例和使用数量，正确的配比应使料面松软又不塌料，透气性良好，能保证规定的焖烧时间。炉料配比确定后，炉料应进行准确称量，误差应不超过0.5%，均匀混合后入炉。
三）、快速沉料捣炉
在工业硅生产中采用烧结性良好的石油焦，以自动下沉，一般需要强制沉料。当炉内炉料焖烧到规定的时间时，料面料壳下面的炉料基本化清烧空，料面也开始发白发亮，火焰短而黄，局部地区出现刺火塌料，此时应该立刻进行强制沉料操作。沉料时，先用捣炉机从锥体外缘开始将料壳向下压，使料层下塌。然后用捣炉机捣松锥体下脚，捣松熟料就地推在下塌的料层上，捣出的大块黏料和死料推向炉心，同时铲净电极上的黏料。沉料时高温
区外露，热损失很大，因而，沉料捣炉操作必须快速进行。
四）、炉料形状和焖烧
生产中，如果炉底因加热不足而结瘤，就要适当深埋电极。而电极过分深埋，且弧热比率也增大，电热过分集中，出现炉底烧穿发生漏炉。沉料捣炉完毕后，应将混合炉料迅速集中加于电极周围炉心地区，使炉料在炉内形成一平顶锥体，并保持一定的料面高度。不准偏加料，一次加入新料数量相当于1小时左右的用料量。 新料加完后，进行焖烧，焖烧时间控制1小时左右，焖烧和定期沉料的操作方法，有利于减少热损失，提高炉温和扩大“坩埚”。
五）、扎透气眼
集中加料时，大量生料加入炉内，可能使反应区温度下降。因而在加料前期，炉温较低，反应进行得缓慢，气体生成量不会太多，在焖烧一段时间后，炉温迅速上升，反应趋于激
烈，气体生成量也将急剧增加，此时为了帮助炉气均匀外逸，有必要在锥体下脚“扎眼透气”。石油焦具有良好的烧结性能，集中加料焖烧一段时间后，容易在料面形成一层硬壳，炉内也容易出现块料，为了改善炉料的透气性，调节炉内电流分布，扩大“坩埚”，除扎眼氧气外，还应用捣炉机或钢棒松动锥体下脚严重的部分炉料。至于彻底的捣炉，则在沉料时进行。
三、12500KVA工业硅矿热电炉使用生产的优点
通过对国内处12500KVA工业硅矿热电炉参数消化、吸收了德国德马克公司的技术。针对国内外工业硅产品要求，结合国内工业硅生产条件和市场所供需求。研究设计制造适应用于硅冶炼多种产品和适应用于超载运行矿热电炉。设备运行优点是：
1、运行稳定没有缓冲。对设备保护良好，对灰尘回收效率高，不污染环境（矮烟罩加保护套）。
2、铜瓦抱紧装置采用波纹管。其技术优点是：免维护运行稳定，使铜瓦受力均匀与电极桶接触良好，不会产生铜瓦与电极桶接触不良，而打火烧毁设备和铜瓦。有记录显视锻造铜瓦不要因质量和操作原因可以使用五年以上没有更换过。
3、压放和抱紧装置采用多道抱紧装置，在运行时压放时，运行可靠事故率极低。他的维护率低，生产效率高，使用的综合成本低，便于操纵等。
4、电炉采用液压缸传动升降，其优点是有导向装置，电极摆动小，升降机构结构紧凑，传动平稳，便于实现自动化操作，便于电极极心圆调整。
5、根据炉型的不同，高烟罩敞口式电炉，入炉气量大，一氧化碳浓度低，不产生二次燃烧，炉表层温度低，还原计烧毁小。矮烟罩半封闭式电炉特点是劳动条件好、有利于消烟除尘、污染环境小、劳动强度小、入炉原料要求不严格。借于结构的优缺点，随着还原电炉技术的改进，适当提矮烟罩半封闭式电炉烟罩高度，增加入炉气量。
四、工业硅矿热炉生产节约能源途径：
工业硅矿热炉热效率低就是因为逸出气体带走热、炉面散热、炉体散热、短网热损失、冷却水带走热。经过多年的摸索探讨，各种提高电效率的技术或措施也比较成熟，如改进短网结构设计、使用优质导电材质、采用低压补偿技术、改善电参数等方面。我国工业硅电弧炉的热效率普遍比较低，这是导致我国工业硅生产能耗高、能源利用效率低的主要原因。
工业硅生产中能源节约途径主要有：1）炉型的大型化方向2）炉型的密闭化方向；3）余热利用化方向；4）提高炉子电效率措施如改进短网结构设计、改善变压器性能、改善电参数、采用低频电源等；5）提高炉子热效率；6）改变炉内反应机制；7）改变原料性能方向；8）采用自动控制方向；9）管理制度建设方向。
由于上述诸多途径尚处于讨论阶段，形成固定技术并推广者仅有短网改进、管理制度建设上，许多技术细节缺乏，因此真正意义上可以直接使用的工业硅生产中能源节约技术还需
要研究与试验。
五、结论
12500KVA炉型的设计和生产实践证明，从炉型大型化方向、炉型的密闭化方向、余热利用化方向、隔热设计技术几个方面来提高工业硅冶炼过程中的热效率是可行的。是一项工业硅冶炼综合性能源节约技术，能够提高热效率、减少热损失的技术和改善炉前操作环境的有力措施。
1、炉体的形状是根据电极的配置情况确定的，釆用等边三角形炉体，适应矮烟罩半封闭式还原电炉，不污染环境，
2、设计具有结构简单、紧凑、投资小、易维护等优点，劳动条件好，有利于消烟除尘，易于操作与维护，降底生产成本；
3、釆用等边三角形炉体，电流平衡稳定，电极可以深入炉内，炉底温度高反应区温度要高、反应速度要快，炉内三相畅通，解决了炉内金属流出困难，炉状操作恶化，对生产十分有利。
4、生产中，配料、配电、操作得当，等边三角形炉体的外形可以没有死料区，炉膛内炉温要高一些，化料速度会更快一些。
5、电极能深入炉内，炉底温度高，炉内三相畅通，炉状操作条件较好，电炉360天运行，碳质炉膛寿命可达到五年以上。
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