全煤冶煉工業(yè)硅的操作工藝及礦熱爐各參數(shù)的計算
更新時間：2022-03-08 關(guān)注：2735
結(jié)合全煤生產(chǎn)工業(yè)硅的工藝要求，選擇合理的幾何參數(shù)和電氣參數(shù)，以便設(shè)計或改造工業(yè)硅電爐，為適應(yīng)全煤冶煉要求創(chuàng)造條件，以保證正常生產(chǎn)。
電爐的幾何參數(shù)包括電極直徑、極心圓直徑、爐膛直徑和爐膛深度等，電氣參數(shù)有熔池電阻、電極電流和工作電壓等多個變量。需要根據(jù)煙煤的性質(zhì)，選擇合理的操作電阻，以便控制適當(dāng)?shù)亩坞妷簷n位下的電流電壓比。
礦熱爐的極心圓直徑“d”、爐膛直徑“D”、爐膛深度“H”等幾何參數(shù)通常是用相似計算得出的：
式中，下角標(biāo)1和2分別表示品種相同而容量不同的電爐。
礦熱爐的極心圓直徑、爐膛直徑和爐膛深度等幾何參數(shù)通常按照電極直徑的倍數(shù)來設(shè)計。下表列出了這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
電爐幾何參數(shù)與電極直徑的倍數(shù)關(guān)系
1、電極直徑(d電極)
石墨電極有**標(biāo)準(zhǔn)，而炭素電極目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家仍按用戶需求作為“非標(biāo)生產(chǎn)”，所以理化指標(biāo)差異較大。推薦使用電流密度為5~10A/cm2炭素電極，但從各企業(yè)的實(shí)際使用情況來看，以6~7A/cm2炭素電極的居多，可以說是經(jīng)濟(jì)電流密度口。
工業(yè)硅電爐的電極直徑也可用下式計算：
上式中，d電極一電極直徑，P a一有功功率，kW;K?-系數(shù)，取1.4。
2、極心圓
電極極心圓的概念與反應(yīng)區(qū)功率密度有關(guān)，對電爐的工作電壓也有一定影響。
極心圓直徑()是一個對冶煉過程有很大影響的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，電極極心圓直徑選得適當(dāng)(圖1-1)，三根電極電弧作用區(qū)域相交于爐心(電極反應(yīng)區(qū)的直徑與電爐的極心圓直徑相等)，各電極反應(yīng)區(qū)既相連且重疊部分**小，在這種情況下，爐內(nèi)熱量分配合理，坩堝熔池**大，吃料均勻，爐況穩(wěn)定，爐況也易于調(diào)節(jié)。極心圓過小(圖1?2)，則電極間距離過小，爐料電阻減小，爐料電流增大，電極不易深插;極心圓過大(圖1?3)，三根電極下坩堝不易連通，形成了3個分離的小熔池。爐心熱量不夠，不利于SiO?的充分還原，爐心化料慢或爐心硅石還原不充分沉入爐底，增加爐內(nèi)積渣，同樣會使電極上抬，影響爐況。
圖1 極心圓直徑
確定電極直徑多用幾何比的辦法，即電極直徑乘以電極同心圓系數(shù)。由于計算電極直徑時的電流密度范圍很大，容量相同的爐子電極直徑差別也很大，所以確定極心圓直徑主要從電氣和能量角度來考慮：①極心圓的**佳功率密度，功率密度大，則熔池溫度就高，熔池就大，**佳功率密度應(yīng)該是三相熔池相交合適，即三個熔池的圓周交于爐膛中心，既無死角，又不過分集中;②電極之間的電位梯度，即電極之間的電壓與電極之間的距離的比值，反映了電極之間爐料電阻及電流的情況。
全煤冶煉工業(yè)硅電極間電位梯度選定為0.145V/mm左右，極心圓平均功率密度為2250-3000kW/m2。
用極心圓的單位面積功率密度關(guān)系核算極心圓直徑皿。如下式：
公式(6)中Φw—極心圓功率密度，kW/m2;Pa —有功功率，kW;Dw一極心圓直徑，m。
3、爐膛直徑
按照反應(yīng)區(qū)的理論，電爐極心圓直徑與每支電極反應(yīng)區(qū)直徑相同;電爐反應(yīng)區(qū)為電極直徑的2倍。由于出爐口是爐襯**薄弱的部位，**容易燒穿，爐膛直徑通常比所需要的要稍大一些。經(jīng)驗(yàn)表明，爐膛直徑應(yīng)該大于2倍的極心圓直徑Dw，使熔煉區(qū)不與爐襯相接觸。筆者建議，D爐膛=2.3d電極。
常用的計算公式是：D爐膛=2Dw+d 電極
4、爐膛深度
爐膛深度的計算一般采用經(jīng)驗(yàn)式方法，即按照電極直徑的倍數(shù)計算爐膛深度。
爐膛深度要合適，爐膛深些，有利于平頂型料面操作，降低爐口溫度，改進(jìn)生產(chǎn)現(xiàn)場的勞動環(huán)境，有利于減少SiO2的揮發(fā)損失，有利于熱量集中爐內(nèi)，減少熱損失。爐膛過深，操作稍有不慎，即造成料層過厚，料面上升，使?fàn)t內(nèi)高溫區(qū)上移，**終導(dǎo)致電極上抬，爐底溫度降低，使?fàn)t況惡化。爐膛過淺，則使料層變薄，Si()2的揮發(fā)損失增大，影響Si的還原，產(chǎn)量降低，能耗增加，特別使?fàn)t口熱損失增大，爐口溫度過高，生產(chǎn)勞動環(huán)境明顯變差，易產(chǎn)生塌料、刺火，使冶煉過程不能順利進(jìn)行。
爐膛工作深度按下式計算：
上式中，大電爐取大值，小電爐取小值。
全煤冶煉工業(yè)硅爐膛平均功率密度為200kW/m2左右，與電爐容量的大小沒有對應(yīng)關(guān)系。
(1)全煤冶煉工業(yè)硅，爐料的比電阻增大，爐況運(yùn)行平穩(wěn)，具體表現(xiàn)為：
①配料比中作為可調(diào)部分的木炭取消，爐前操作人員應(yīng)掌握準(zhǔn)確的配料比。同時，由于爐料配料比穩(wěn)定，避免了爐料出現(xiàn)“料重”、“料輕”等現(xiàn)象。
②電極埋入深，料面“刺火”、“塌料”現(xiàn)象少，爐內(nèi)熱量集中，料面只有少量小黏結(jié)塊。爐前操作容易進(jìn)行，勞動強(qiáng)度減輕，搗爐周期延長了15min左右。
③全煤冶煉工業(yè)硅，出爐時有大流，伴有少量黏渣排出，這是爐溫提高、坩堝擴(kuò)大所致。此時，出爐燒爐眼時間稍有延長，但精煉時間延長2倍左右不影響產(chǎn)品質(zhì)量。
④由于使用大電壓，在出爐前，爐內(nèi)硅液區(qū)聚集了大量的硅液，使電極上抬，電流波動較大，因此要適當(dāng)降低電流，保持爐況平穩(wěn)。
(2)加強(qiáng)料面操作，減少SiO的揮發(fā)損失。
SiO的揮發(fā)損失將造成：①C與SiO?反應(yīng)平衡受到破壞，還原比例失調(diào);②隨著時間的變化，SiO的損失量將導(dǎo)致爐況波動，需要頻繁調(diào)節(jié)爐況;③爐內(nèi)產(chǎn)生富集難熔的以Sic為主的聚集體，引起電極上抬，爐底上漲。
(3)使用煙煤時爐料沉料緩慢，有利于爐口處還原劑中水分和揮發(fā)分的充分排出，處理爐口的勞動量也可減少20%~30%，提高了爐料的透氣性。硅液溫度上升，爐況較穩(wěn)定。但是，由于煙煤揮發(fā)分較高，料面溫度較高，還原劑燒損也較多，因此，爐門不可完全關(guān)閉，底部預(yù)留200mm左右間隙，以控制料面溫度，提高硅的回收率。
(4)爐料表面燒結(jié)是工業(yè)硅冶煉中特有的爐況特征。爐料燒結(jié)主要是由SiO氣體的歧化反應(yīng)引起的。一方面SiO的凝聚反應(yīng)生成SiO?和Si，封閉了爐氣外逸通路;另一方面，SiO凝聚反應(yīng)和硅的氧化放出大量熱能使硅石發(fā)生軟熔。
爐料表面一旦發(fā)生燒結(jié)，坩堝內(nèi)部的高壓氣體只能沿著電極表面或從少量空隙噴出，形成刺火。電爐刺火造成大量熱能被逸出的SiO氣體帶到煙氣中去。頻繁刺火將導(dǎo)致硅的回收率降低，電耗增加。
改進(jìn)原料條件和爐口操作是改善爐料透氣性的必要措施。
由于還原劑全部使用煙煤進(jìn)行冶煉，其透氣性不如木炭，因此必須合理地選擇爐料疏松劑一木塊。疏松劑用多了，爐料體積增大，易塌料、刺火，且較浪費(fèi);用量少了，爐料透氣性差，造成熔煉困難。同時，由于煙煤灰分中含雜質(zhì)較多，爐渣也較多，因此必須隨時注意排渣，否則造成爐底積渣過多上漲，爐溫降低，出爐困難。
(5)通過搗爐松動燒結(jié)的爐料結(jié)構(gòu)是工業(yè)硅冶煉的重要操作。搗爐操作應(yīng)以松動爐料改善透氣性為主要目的。不適當(dāng)?shù)膿v爐操作會破壞坩堝反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)或增大爐口熱損失。
