減緩硅鈣合金電爐的爐缸堆積的技術(shù)和電爐優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例1

1、減緩硅鈣合金電爐爐缸堆積的技術(shù)和電爐優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例賈強(qiáng)1王雪梅1張烽2李蒙姬2萬勇31. 中鋼集團(tuán)吉林機(jī)電設(shè)備有限公司，中國吉林，1320212. 中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，中國北京，1000813. 內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)市同盛鐵合金有限公司，中國豐鎮(zhèn)，012100前言2009年以前，國內(nèi)硅鈣合金的生產(chǎn)均采用小型交流和直流電爐，用分層法或混合法冶煉。分層法冶煉的變壓器容量最大為1500KVA，冶煉周期幾個月或更長些?；旌戏ㄒ睙挼淖儔浩魅萘糠謩e為1800、3200、最大的容量為6300 KVA，冶煉周期大約1個月左右。兩種方法均采用固定、敞口式電爐，自焙電極，含鈣料采用生石灰。總之那時硅鈣電爐的共同問題是爐型

2、小、周期短、能耗高、質(zhì)量低，環(huán)境污染嚴(yán)重。為了一舉改變我國硅鈣生產(chǎn)的落后狀態(tài)，在20世紀(jì)八十年代，當(dāng)時的冶金部從意大利O、E、T公司購置一臺30000 KVA硅鈣電爐和相應(yīng)的配套設(shè)施1，含硅石水洗和原料運(yùn)輸設(shè)備、硅鈣冶煉與澆鑄的機(jī)電設(shè)備、廠房鋼結(jié)構(gòu)，硅鈣破碎和制粉系統(tǒng)，成品的檢驗(yàn)儀器，機(jī)修設(shè)備及部分公用設(shè)施，并籌建湖北宜昌鐵合金廠。但由于難以說明的因素，時至今日仍然沒有建立起來，造成了極大的資源浪費(fèi)。2009年，陜西盛華冶化有限公司在國內(nèi)率先成功建造并投產(chǎn)30000 KVA硅鈣電爐2，拉開了我國大容量，旋轉(zhuǎn)爐體，多鐵口，采用石灰石混合法冶煉硅鈣合金的序幕。至今，我國已有多臺12500、1650

3、0、18000和30000KVA冶煉硅鈣合金電爐在運(yùn)行，主體爐型為30000KVA。歷經(jīng)半個世紀(jì)的努力，我國硅鈣合金的生產(chǎn)終于完成了歷史性的轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變除電爐的大型化外，其技術(shù)進(jìn)步表現(xiàn)在：（1） 用石灰石代替生石灰。（2） 采用混合加料法完全替代分層法。（3） 實(shí)現(xiàn)了電爐除塵，減少了對環(huán)境的污染。（4） 實(shí)現(xiàn)了矮煙罩旋轉(zhuǎn)爐體與多鐵口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（5） 實(shí)現(xiàn)了采用開堵爐眼機(jī)的鐵口操作。（6） 實(shí)現(xiàn)了鐵水包的傾包和清包的機(jī)械化。（7） 實(shí)現(xiàn)了渣鐵分離好，并爐渣百分百的回爐利用。（8） 實(shí)現(xiàn)了半封閉爐下料管下料。人工加料方式已完全淘汰，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度，工作環(huán)境大大改善。（9） 合金的成分

4、穩(wěn)定，含Ca28-30占主導(dǎo)地位。（10） 冶煉的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯改善，硅的利用率70，鈣的利用率65（小電爐鈣、硅的利用率分別為40和50），冶煉電耗穩(wěn)定在11500KWh左右。（11） 爐役的冶煉周期大大增加，基本可以穩(wěn)定在一年左右。上述，可以說，使我國硅鈣合金的生產(chǎn)發(fā)生了歷史性的進(jìn)步。幾年大電爐冶煉硅鈣合金的實(shí)踐說明，延長冶煉周期，改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的工作仍有較大的空間。本文從冶煉硅鈣合金的冶金理論和減緩爐缸堆積的技術(shù)出發(fā)，結(jié)合大小容量電爐的生產(chǎn)實(shí)踐來深入的討論這個問題，并依此提出25.5MW硅鈣電爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。一 硅鈣冶煉的熱化學(xué)反應(yīng)理論1. 硅的氧化物及還原在Si-O系中最穩(wěn)定的硅

5、氧化物相是SiO2，其熔點(diǎn)為1933K，它是生產(chǎn)硅鈣合金硅元素的來源，在用碳還原SiO2過程中總的反應(yīng)式為：SiO2+2C=Si+2COG0=697390-359.07T （1）當(dāng)溫度達(dá)到1942K時為起始的反應(yīng)溫度3。（1）式為綜合反應(yīng)式，可以作為配料的基礎(chǔ)。在硅鈣電爐實(shí)際的硅還原中將首先發(fā)生兩個最主要的過渡反應(yīng)：SiO2+3C=SiC+2COG0=555615-322.11T （2）當(dāng)P CO=100KP時，1725K時G0=0。工業(yè)碳化硅的生產(chǎn)就是依據(jù)（2）式來完成的。顯然，（2）式反應(yīng)是在固態(tài)下完成的。SiC是一種化學(xué)穩(wěn)定的物質(zhì)，這是因?yàn)楣枧c碳原子之間有很強(qiáng)的共價鍵，它的分解溫度高達(dá)2

6、880K。另一個硅氧化物被碳還原的過渡反應(yīng)是SiO2的高溫裂解。在液態(tài)下純SiO2的裂解反應(yīng)按如下反應(yīng)進(jìn)行，SiO2=SiO+1/2O2G0=762240-244.06T （3）在電爐的料層中生成的固態(tài)SiC沿著料層由上向下運(yùn)動；在電弧反應(yīng)區(qū)中生成的氣態(tài)SiO由電弧反應(yīng)區(qū)自下而上運(yùn)動，它們的耦合反應(yīng)就是硅元素生成的終點(diǎn)反應(yīng)式：SiO+ SiC =2Si+CO （4）（4）式是典型的氣（SiO）和固（SiC）反應(yīng)。硅氧化物的還原是一個極其復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，物相、物流的轉(zhuǎn)換相當(dāng)復(fù)雜，描述硅氧化物被碳還原的反應(yīng)機(jī)理及熱力學(xué)可參閱文獻(xiàn)3，4，5。2. 鈣氧化物還原的過渡反應(yīng)在大電爐中生產(chǎn)硅鈣合金已經(jīng)

7、用石灰石（CaCO3）來取代生石灰（CaO）作為鈣元素的來源，這樣就避免生石灰儲存過程中的潮解。在電爐料層的上部分，石灰石按下列反應(yīng)生成CaO：CaCO3= CaO+ CO2G0=170648-144.2T （5）CaCO3的分解壓（KPa）與溫度的對數(shù)關(guān)系為：LgPCO2=-37300/T+36.6 (6)當(dāng)溫度達(dá)到1183K時，CaCO3的分解壓力為100 KPa。由CaCO3轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO理論溫度從910開始，所以CaCO3的分解在料層的上部即可完成。在冶煉硅鈣合金中鈣氧化物（CaO）還原的過渡反應(yīng)是按下式首先生成碳化鈣：CaO+3 C=CaC2+ COG0=466550-229.6T （

8、7）反應(yīng)式（7），當(dāng)G0=0時的溫度為2032K。純碳化鈣在2433K（2160）熔化，但當(dāng)在PCO=100 KPa時生成CaC2反應(yīng)的開始理論溫度低于它的熔化溫度，由于在CaOCaC2系中形成低共熔混合物，所以工業(yè)生產(chǎn)的碳化鈣是含有86CaC2和1015CaO的共熔熔體，從而可以實(shí)現(xiàn)在礦熱爐中生產(chǎn)電石。3. 硅鈣合金的生成由于堿土金屬Ca原子中電子配置的特點(diǎn)【Ca（4S2）】，這就決定了鈣元素與氧有很大的親和力和在鐵中很低的溶解度。鈣金屬在鐵中的溶解度（at%）與溫度的關(guān)系如下：LgCa=（-7869/T）+3.095 （8）1600下的液態(tài)鐵溶解（at%）0.078 Ca。由于，堿土金屬鈣

9、不與鐵相互作用，因而不可能存在鈣鐵合金。但是堿土金屬鈣可以與硅生成熱力學(xué)穩(wěn)定的硅化物，因而可以通過冶煉含硅的鈣合金（硅鈣合金）來實(shí)現(xiàn)含鈣合金的工業(yè)生產(chǎn)。Ca-Si系中形成一系列的硅化物3,5見表1：表1. 鈣的硅化物的熱力學(xué)性質(zhì)物相Ca,%Si,%H0298KJ/molS0298J/ mol·K熔點(diǎn)，KCa2Si74.0525.95-209.31578CaSi58.8041.20-150.562.81588CaSi241.6458.36-150.592.111306硅鈣合金生成的過程描述：碳熱法生產(chǎn)硅鈣合金主要原料是生石灰（CaO）或石灰石（CaCO3）、硅石和碳還原劑。熔煉是在礦熱

10、電爐中進(jìn)行的。被碳還原的SiO2和 CaO首先生成中間產(chǎn)物SiC 和CaC2。生成的中間產(chǎn)物SiC 和CaC2隨即轉(zhuǎn)入硅酸鈣渣中，從而大大提高了渣的難熔性和熱焓，為還原硅、鈣賦予高溫介質(zhì)。碳還原CaO、SiO2的綜合反應(yīng)式為：（CaO）+3(SiO2)+7C=CaSi2+Si+7CO （9）在高溫硅熔體的存在下，將會發(fā)生硅從氧化鈣中還原鈣的反應(yīng)5：3（CaO）+5SiCaSi2+Si+2（ CaO·SiO2） （10）（10）式是采用硅熱法生產(chǎn)硅鈣合金的理論反應(yīng)式。在有高溫熔體CaC2的存在下，將會發(fā)生CaC2還原SiO2生成硅鈣的反應(yīng)：2(SiO2)+ CaC2=CaSi2+4 C

11、O （11）（11）式反應(yīng)式說明了為什么在冶煉硅鈣合金的原料中可以用碳化鈣來替代氧化鈣作為鈣元素來源的機(jī)理。在電弧的高溫?zé)釁^(qū)的超高溫度和電場的作用下，將會發(fā)生鈣氧化物、CaC2的裂解生成汽化的鈣離子蒸汽，并形成鈣的凝聚相。顯然，金屬鈣的生成反應(yīng)呈多元化特征。還原出的金屬鈣迅速溶入硅熔體中，大大降低了硅和鈣的活度，使得從氧化物中還原反應(yīng)順利進(jìn)行，并生成熱力學(xué)很穩(wěn)定并且成分接近于CaSi2還原組合的硅鈣合金。表1中的硅化物具有生成包晶的特征，CaSi2像單硅化物一樣在達(dá)到熔點(diǎn)以前很穩(wěn)定5。工業(yè)硅鈣合金的物相組分為：CaSi2 77%，Si自由20%，CaSi 5-15%，SiC8%5。顯然，硅鈣合

12、金的熔化溫度應(yīng)在1100左右，而硅鈣合金出爐溫度約1700，它是出爐嚴(yán)重過熱的合金。二 冶煉過程中的工藝難點(diǎn)與緩解我國大小硅鈣電爐的冶煉過程中總結(jié)了大量的經(jīng)驗(yàn)，也十分明確了冶煉過程中的難點(diǎn)，也為破解這些難點(diǎn)提供了廣泛的思考空間。1. 硅鈣合金冶煉過程的難點(diǎn)無論冶煉硅鈣合金的大小電爐直到目前為止仍然沒有擺脫周期性生產(chǎn)的局面。文獻(xiàn)3這樣來描述冶煉硅鈣的工藝難點(diǎn)：“配料計(jì)算要充分考慮每一種元素的實(shí)際有效利用率，冶煉CK30牌號的硅鈣合金計(jì)算爐料組成時鈣的利用率為67%，硅的利用率為75%。冶煉含鈣高的合金要十分注意成渣過程，因?yàn)檫@種渣較重，會沉積在爐底，引起爐底上漲，爐況惡化?！?文獻(xiàn)3同時給出冶煉

13、CK30時爐渣組成范圍（表2）：表2 硅鈣渣的組成，%組份CaOSiO2Al2O3SiCCaC2含量15-2045-552-31010-15在電爐冶煉過程中，CaO和SiO2會形成多種類型的硅酸鈣，表3給出了幾種硅酸鈣的熔化溫度6。表3是根據(jù)X光相分析所測定的堆積物中的幾種化合物的熔化溫度化合物熔化溫度KCaSiO318171544Ca2Al2SiO718661593Ca3SiO523432070Ca2SiO424032130 文獻(xiàn)6詳細(xì)地介紹了我們對1800KVA硅鈣電爐的解剖及通過化學(xué)分析和物相分析所得出的如下結(jié)論： 解剖表明爐膛內(nèi)除部分沒有進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的浮料外，其余半熔體和熔融體層為已經(jīng)

14、或正在進(jìn)行反應(yīng)的料層，它由碳化硅、碳化鈣、石墨和各種類型的硅酸鈣組成，坩堝底以下部分是以高溫型-SiC為主的基本均一相。 坩堝底以上以低溫型-SiC為主；以下（含堝底）以高溫型-SiC為主，同時含有高熔點(diǎn)的Ca3SiO5 和Ca2SiO4 復(fù)合化合物，這說明電極坩堝內(nèi)的溫度達(dá)到2100以上。 爐缸堆積物以高溫型-SiC為主，還有少量的-SiC、高熔點(diǎn)的碳酸鈣、石墨和CaC2 。 混合加料法冶煉硅鈣時極易生成CaSiO3 和Ca2Al2SiO7 低熔點(diǎn)復(fù)合化合物。它集中在半熔體層，而高熔點(diǎn)的Ca3SiO5 和Ca2SiO4 主要存在于熔融體層，說明在高溫熔融狀態(tài)下它們的結(jié)構(gòu)也是穩(wěn)定的，這大大降低

15、了aSiO2 和aCaO 的值，造成硅尤其是鈣的還原難度。文獻(xiàn)5的表2，文獻(xiàn)6的表3和文獻(xiàn)6的1800KVA混合法冶煉硅鈣合金的電爐解剖結(jié)論，可以說高度的一致與吻合。它們最充分地說明了冶煉硅鈣合金的難點(diǎn)，表現(xiàn)在： 礦物分析和渣的化學(xué)成分的組成表明，堆積物的組份的主體成分均為難熔、高熔點(diǎn)物質(zhì)，它構(gòu)成了堆積物的熔化溫度高，并難以破壞的特征。 在爐內(nèi)半熔體層，極易生成CaSiO3 和Ca2Al2SiO7 低熔點(diǎn)復(fù)合化合物，加大了這些渣熔體中還原Si、Ca的難度。 爐渣熔體的密度略大于生成Si-Ca合金的密度，使得在電爐料層中生成合金的合金熔體的位置略高于渣熔體，它會造成電極下插困難。 沉積于爐底的渣

16、熔體的累計(jì)堆積，引起爐底上漲，至冶煉工藝無法進(jìn)行。簡言之，硅鈣的同時還原過程中，形成低熔點(diǎn)的硅酸鈣，和以碳化物硅酸鈣為主體的渣熔體，易產(chǎn)生殘留爐內(nèi)渣熔體的堆積，這是電爐冶煉硅鈣合金的主要難點(diǎn)。2. 緩解爐缸堆積的技術(shù)前面我們已經(jīng)就硅鈣氧化物還原的熱力學(xué)條件，中間產(chǎn)物SiC、CaC2 和硅酸鈣熔體的作用，以及中間產(chǎn)物SiC和CaC2 （尤其是SiC）殘留的危害，爐缸堆積物的形成，組成和特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步明確了緩解爐缸堆積物的技術(shù)方向。 2.1 滿足強(qiáng)化還原的高溫、高熱的熱力學(xué)條件2.1.1 大型高功率電爐盡管硅鈣合金的生成具有多元化的特征，但它的生成反應(yīng)主要是在含有CaC2 ，SiC和硅酸鈣所

17、組成的高穩(wěn)定性高耐熔性的熔渣中進(jìn)行的。在礦石還原電爐中生成的這種熔渣在碳的作用下不斷地被還原生成合金。硅鈣合金的冶煉過程就是熔渣生成，集聚，還原不斷循環(huán)的過程。表2為冶煉含Ca 30%排出的熔渣成分。這種未還原殘量在每次出鐵時應(yīng)盡數(shù)隨鐵流排出。爐內(nèi)殘留量少，出鐵排渣順利，渣鐵分離清晰，這是理想爐況的重要標(biāo)志，也是爐溫的標(biāo)志。上述硅鈣還原的所有物化過程均要吸收大量的熱能，而且這種熱能的供給應(yīng)當(dāng)是持續(xù)穩(wěn)定的。硅鈣合金得到高溫高熱的條件，首先就是電爐必須大型化。大型化的高功率電爐，是取得高的電效率、熱效率的基礎(chǔ)，從而得到高電負(fù)荷適應(yīng)冶煉硅鈣的電爐反應(yīng)器。電爐大型化后，爐容大，耐材多，蓄熱能力強(qiáng)，爐內(nèi)

18、的溫度分布合理并平穩(wěn)。外界因素（如出渣鐵，熱停等）變化后，溫度變化波動相對較小，利于還原反應(yīng)鏈的持續(xù)進(jìn)行。2.1.2 大電爐供熱條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)大電爐應(yīng)摒棄以電爐容量（KVA）來設(shè)計(jì)電爐參數(shù)的理念。這是由于隨著電爐的大型化的發(fā)展，自然功率因數(shù)隨之降低，因而以KVA來進(jìn)行爐子的選型是不適宜的，應(yīng)以電爐的有功功率作為電爐設(shè)計(jì)電參數(shù)的基礎(chǔ)依據(jù)。大型硅鈣電爐優(yōu)化設(shè)計(jì)，要做到： 功率尺寸參數(shù)匹配。 電弧電流與爐料電流相比占主導(dǎo)地位（>70%）。為了滿足要求正確地選擇電極直徑、極心圓直徑、爐膛直徑與爐膛高度。為了滿足的要求，要正確地選擇爐膛內(nèi)碳磚的高度，正確地選擇電極間距和電極爐墻間距尺寸的合理比例。

19、根據(jù)本文作者對冶煉工藝的體會與認(rèn)識，體現(xiàn)滿足高溫高熱的供熱條件而提出了相應(yīng)的尺寸功率密度的參數(shù)值，本文25.5MW的設(shè)計(jì)實(shí)例就是以這些參數(shù)值為依據(jù)設(shè)計(jì)的爐子尺寸參數(shù)值。2.1.3 冶煉操作的負(fù)荷控制在冶煉實(shí)際的操作中要十分注意電爐要在不低于額定負(fù)荷（有功功率）下工作，也就是說必須用足負(fù)荷。這是電爐大型化后發(fā)揮大電爐的優(yōu)勢的主要要求。也是發(fā)揮大電爐優(yōu)勢，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，延長冶煉周期的關(guān)鍵。2.2 強(qiáng)化反應(yīng)速率的動力學(xué)條件2.2.1 適時搗爐的重要作用SiC和CaC2 的沉積是由爐墻邊緣向中心發(fā)展的，其結(jié)果在電極周圍形成以SiC和CaC2 為主體的坩堝壁。這種坩堝壁形成一定厚度后就會減少料

20、面的吃料面積，影響三個電極反應(yīng)區(qū)的溝通，電極下插難，出現(xiàn)料面工作困難。為此，就要適時搗爐，破壞過厚的坩堝壁，回復(fù)正常的冶煉操作。搗爐的時間間隔直接地反映了電爐的運(yùn)行狀態(tài)。冶煉過程搗爐操作屬被動的表現(xiàn)，維護(hù)良好的爐況減少搗爐次數(shù)是料面操作的重要內(nèi)容之一。2.2.2 旋轉(zhuǎn)爐體的重要作用大電爐設(shè)計(jì)的重要不同之一是爐體整體旋轉(zhuǎn)7。爐體整體旋轉(zhuǎn)，使電爐沿著電極極心圓作圓周循環(huán)運(yùn)動，它的作用表現(xiàn)在： 與固定式電爐相比，大大地?cái)U(kuò)大了電弧反應(yīng)區(qū)的容積，從而加大了反應(yīng)界面，提高了反應(yīng)速度。 與固定式電爐相比，物料在爐內(nèi)不僅有縱向運(yùn)動而且兼有橫向運(yùn)動，這使?fàn)t內(nèi)參與反應(yīng)的物料的物流更加平衡，更加合理，更加充分。 與

21、固定式電爐相比，爐體旋轉(zhuǎn)有利于爐膛內(nèi)的物質(zhì)阻抗均勻，有利于電極的下插和三根電極的插深平衡。 與固定式電爐相比，爐料在爐內(nèi)的運(yùn)動有利于改善料面的透氣性，有利于減少死料區(qū)。2.2.3 多鐵口設(shè)計(jì)的重要作用爐體旋轉(zhuǎn)為電爐多鐵口的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。12500KVA以上的硅鈣電爐應(yīng)選擇5個出鐵口，它的作用是：多鐵口縮短了出鐵、出渣的路徑，利于排鐵排渣，從而減少爐渣在爐缸內(nèi)的堆積量。多鐵口輪流出鐵利于三根電極插深平衡。對于冶煉硅鈣的電爐來說，多鐵口輪流出鐵是必須堅(jiān)持的。2.3 綜合提高冶煉硅鈣合金的工藝水平減少爐缸堆積速度，延長電爐的服務(wù)周期，全面提高冶煉的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對硅鈣合金這個難煉的品種是一個綜合的

22、系統(tǒng)工程，除以上的敘述外，還仍關(guān)注：以開好爐為核心，做到開爐期間電極碳化正常，不硬斷不軟斷；爐體不形變，并在投料前得到充分的蓄熱。開爐時應(yīng)采用正確的開爐方案，要注意投料前爐內(nèi)留碳不要太多，同時要更注意投料前變壓器零點(diǎn)位置不要過高。以原料為核心進(jìn)行原料精選和準(zhǔn)確的配料（碳）。以電極的插深為核心優(yōu)選冶煉渣型。以提高爐役服務(wù)周期為核心，最大限度地減少熱停提高電爐的作業(yè)率。三. 推薦25.5MW硅鈣電爐設(shè)計(jì)實(shí)例根據(jù)本文的技術(shù)分析，結(jié)合大小電爐的冶煉硅鈣合金的實(shí)踐，本文作者提出25.5MW硅鈣電爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，供參考。1. 電參數(shù)1.1 一次網(wǎng)壓110KV或35KV。1.2 采用高壓+中壓補(bǔ)償無功功率

23、8，冶煉功率因素按0.85計(jì)算，25.5MW電爐容量為3000KVA（三臺10000KVA單相變壓器）。1.3接線方式：Ddo（一次側(cè)帶星角轉(zhuǎn)換）。1.4 常用工作電壓：190V。1.5 常用二次電流：91163A。1.6 礦變二次側(cè)電壓：110170222V（29檔，級差4V）。1.7 有功功率：25500KW。2、電爐尺寸參數(shù)2.1 按電極的電流密度6.3A/cm2，電極單位截面的功率密度0.6KW/cm2核算電極直徑為1350mm。2.2 以極心圓功率密度2650KW/m2計(jì)算，極心圓直徑核定為3500mm。2.3 以爐膛面積功率密度500KW/ m2計(jì)算，爐膛直徑核定為8000mm。2.4 以體積功率密度為180KW/m3計(jì)算，爐膛深度核定為2800mm。2.5 電極的極間距：1681mm。2.6 電流的極墻距：1575mm。2.7 爐膛內(nèi)碳磚高度：1100mm。3、爐體類型3.1 矮煙罩旋轉(zhuǎn)式。3.2 爐體旋轉(zhuǎn)速度：24-