Производство кремния в СССР было освоено, в 1937 г. в однофазных печах мощностью 600 кВт. Печи питались током до 18 ка при напряжении 47 в. Коэффициент мощности (cos ?) был низок (падал до 0,71). Исследованием было установлено, что при полной силе тока печи работали за максимумом полезной мощности. Глубина ванны составляла около 1 м. Каждая печь имела один подвесной электрод диаметром 600 мм, угольный, прессованный и обожженный, с нарезкой для наращивания. Иногда электрод погружался в шихту на всю глубину ванны, что приводило к порче проводящей подины [69 Показатели работы печей значительно улучшились при повышении их мощности до 900 квт, путем повышения напряжения до 70 в.

В 1939 г. была построена новая типовая печь для производства кремния. Эта печь была также однофазная, но с двумя подвесными электродами (рис. 23).

Рис. 23. Шахта двухэлектродной печи для производства кремния

Печь питалась от многоступенчатого трансформатора. Вначале работали при сравнительно низких напряжениях, а затем напряжение было повышено до 140 в. Фактическая мощность типовой печи в первые годы составляла около 2000 квт, а затем была значительно увеличена.

Ванна печи – овальная. Внизу шахта имеет длину 3200 мм, ширину 2000 мм, глубина ванны 1700 мм. На высоте 850 мм от подины ванна начинает расширяться. Расстояние между осями электродов 1250 мм. Электроды – угольные, обожженные, диаметром 500 или 600 мм с удельным электрическим сопротивлением 30 – 70 ом-мм²/м И допустимой плотностью тока 6 7 а/см². Ток к каждому электроду подводится шестью стальными щеками, охлаждаемыми водой, поступающей через токоведущие медные трубы. Глубина погружения электродов 1500 мм, что обеспечивает уменьшение потерь с газами до 8 – 10% и высокие технические показатели работы. Выпускное отверстие расположено между электродами на уровне подины. Чем ближе расположены электроды, тем горячее и производительнее идет печь.

При значительном расстоянии может образоваться «перегородка» между тиглями двух электродов. Печь снабжена автоматической регулировкой (схема ХЭМЗ).

В ферросплавной промышленности кремний получали в трехфазных печах. Одна из первых печей питалась от трансформатора со ступенями напряжения 80, 90, 100, 115, 130, 145 и 160 в при силе тока для первых четырех ступеней 6530 а, а для последующих ступеней – 5780, 5180, 4700 а. Как и на однофазных печах, первое время работали на низких напряжениях, постепенно дошли до 115 в. Ванна печи – круглая, диаметром 2000 мм, глубиной 1300 мм. С увеличением глубины ванны до 1400 мм (а следовательно, с увеличением глубины погружения электродов) потери кремния уменьшились на 4%.

Электроды расположены в вершинах треугольника. Диаметр окружности распада электродов 1000 мм. Электроды – графитированные, диаметром 400 мм, удельное электросопротивление их 10 – 14 ом • мм²/м; допустимая плотность тока 15 а/см². Глубина погружения электродов поддерживалась вначале на уровне 600 мм; постепенно ее увеличили до 1000 мм и больше. В этой конструкции для подвода тока использовались 2 – 4 водоохлаждаемые томпаковые контактные щеки на каждый электрод. Футеровка подины и стенок горна печей для производства кремния в настоящее время выполняется из прессованных и обожженных угольных блоков и нуждается в герметичном стальном кожухе. Верхнюю часть футеровки стенок выкладывают из шамотного кирпича.

Электрическая характеристика трехфазной печи приведена на рис. 24.

Рис. 24. Электрическая нагрузочная характеристика трехфазной печи для выплавки кремния на ступени и2л = 100 в.

Во Франции в 1940 г. кремний получали в однофазной печи с одним самоспекающимся электродом Содерберга с алюминиевым кожухом (во избежание повышения содержания железа). При мощности 2000 квт расход электроэнергии составлял 19 000 квт-ч/т. В дальнейшем электроды Содерберга были использованы и в трехфазных печах, причем плотность тока на них достигала 6 – 7 а/см² [70].

Полезная мощность печи зависит от номинальной (кажущейся) мощности трансформатора, от расстояния между трансформатором и ванной и конструкции цепи вторичного напряжения – «короткой сети». Для трехфазной печной установки коэффициент мощности

где I₂ – вторичный ток;

x – реактивное сопротивление «короткой сети»;

U₂ – вторичное линейное напряжение.

Как известно, x = 2?fL, где f – частота тока и L – коэффициент самоиндукции с учетом взаимоиндукции, зависящей от расположения проводников.

Электрический коэффициент полезного действия печной установки определяется по формуле:

где ? – потребляемая мощность;

P_потерь – мощность, расходуемая в короткой сети (джоулевы потери);

Р_{полезн.} – мощность, выделяющаяся в ванне печи;

U_{полезн.} – полезное напряжение, приходящееся на ванну, или сумма потерь напряжения в закрытом шихтой рабочем конце электрода, в дуге и в содержимом ванны;

r – активное сопротивление короткой сети;

U_акт – активная составляющая вторичного напряжения.

Из последнего уравнения видно следующее: а) электрический к.п.д. изменяется пропорционально изменению коэффициента мощности; б) ?_э и cos ? прямо пропорциональны вторичному напряжению и обратно пропорциональны вторичному току; в) cos ? падает с ростом реактивного сопротивления, а ?_э – с ростом активного сопротивления короткой сети; г) полезное напряжение прямо пропорционально электрическому к.п.д. В однофазной печи полезное напряжение можно определить по формуле

При наличии двух подвесных электродов полезное напряжение, приходящееся на один электрод, составит

В трехфазной печи

При выборе электрического режима следует ориентироваться на наибольшее значение ?_общ, что означает работу с меньшими по возможности токами и большими напряжениями.

Различные технологические процессы производства ферросплавов требуют разного уровня полезного напряжения [71]. Трехфазные печи, работающие при вторичном напряжении 130 в, имели наиболее высокие значения коэффициента полезного действия ?_э = 0,85 и cos ? = 0,89.

В трехфазной печи, выплавляющей кремний, самый низкий удельный расход электроэнергии составил 13 100 квт-ч/т и был достигнут при uполезн фаз = 57 в. при снижении uполезн фаз до 49 в удельный расход электроэнергии увеличился на 10%. При производстве технически чистого кремния с повышением мощности печей удельный расход электроэнергии снижается следующим образом [70, 72]:

В трехфазной печи мощностью 6000 квт расход электроэнергии снизился до 12 200 квт-ч/т. По другим данным, в печах мощностью 8000 квт расход электроэнергии на тонну сплава содержащего 97% Si, составляет 14 000 квт-ч [16]. Кроме мощности печей, удельный расход электроэнергии зависит от многих других факторов: количества и характера тепловых потерь, величины теплоотдающей поверхности, поверхности ванны и др. При увеличении мощности печей, выплавляющих кремний обслуживание их затрудняется. Для некоторого облегчения работающих фирма «Лектромелт» применила подачу шихты на колошник через загрузочные трубы. Вся печь укрыта защитным колпаком с вырезами для обслуживания колошника, плавильщики пользуются защитными масками.

В последние годы стали применять печи, вращающиеся вокруг вертикальной оси. Вращение печи разрушает скопления карборунда, позволяет увеличить зону восстановительных реакций и облегчает работу плавильщиков [70]. Имеются вращающиеся печи с непрерывным выпуском технически чистого кремния. Печь совершает один оборот за 72 часа; после поворот на 120° ежедневно в одно и то же время закрывают очередно выпускное отверстие из трех имеющихся и открывают следующее. Продолжительность одного оборота печи можно определить по формуле Эллефсена

где R – радиус окружности распада электродов, см;

у – объемный вес шихты;

d – диаметр окружности электродов, см;

h – глубина погружения электродов, см;

? – сход шихты, г/квт-ч.

Во вращающейся печи мощностью 7250 ква, работавшей на древесном угле (выплавляли сплав, содержащий 98% Si), удаюсь снизить удельный расход электроэнергии до 12 000 квт-ч/т. На отечественной трехфазной печи при повороте ее на 60° удалось уменьшить расход древесного угля, одновременно снизив на 5% удельный расход электроэнергии.

При составлении теплового баланса стационарной трехфазной печи, выплавлявшей технический кремний, установлено, что электрический к.п.д. составлял 84,9%. Следует отметить, что для печи, работающей при не слишком сильных токах, такие потери высоки.

Электрические потери складываются из следующих статей: потери в трансформаторе – 19,3%, в ошиновке и контактных щеках – 56,7%, в электродах – 24%. Для снижения расхода электроэнергии контактная поверхность щек должна быть точно обработана по диаметру электрода. Для предохранения контактной поверхности от загрязнения выше контактных щек электрод заключен в железную рубашку, принудительно продуваемую незапыленным воздухом.

В печах, выплавляющих кремний, контактные щеки, токоведущие трубы, электрододержатели и вытяжной зонт находятся в особенно тяжелых условиях – температура колошниковых газов в среднем равна 1063°, а в отдельных случаях достигает 1700°. Поэтому вдоль каждого электрододержателя устраивают водяное охлаждение. На печах мощностью 6000 квт токоведущие трубы и гибкие кабели размещают над зонтами.

Тепловые потери через стенки и подину печи составляют около 6% подведенной электрической мощности. Наиболее интенсивная теплоотдача ванны наблюдается в районе выпускного отверстия, так как здесь температура при открытой летке составляет в среднем 1660°, а при закрытой – 618°.

На исследуемой печи летка была открыта 50% общего времени, однако вследствие малой площади теплоотдачи здесь терялось лишь 5,7% тепла от всех потерь ванны. Почти 80% тепла теряется через стенки (железный кожух) ванны, средняя температура которых оказалась равной: верхний пояс – 216°, средний – 214° и нижний – 120°. Потери тепла через подину, нагретую до 170°, вследствие застоя воздуха под ней (температура воздуха 70°), сравнительно невелики и составляют около 13%. Для уменьшения тепловых потерь через кожух большое значение имеет применение высококачественных теплоизоляторов (асбеста, шамотной крупки и т.п.).

Выпускное отверстие закрывают деревянными пробками, огнеупорной глиной, пробками из электродной массы. Капитальный ремонт печи с полной сменой футеровки проводится через 1 – 2 года. Материалы тепловых балансов дают возможность оценить степень совершенства печи и технологического процесса выплавки кремния. В приводимом ниже тепловом балансе процесса нет иных статей прихода тепла кроме электроэнергии, поскольку углерод восстановителя и электродов в печи для получения кремния не является «топливом» и без дугового нагрева его невозможно окислить кислородом кварцита.

В соответствии с законом Гесса в тепловом балансе учтены лишь суммарные эндотермические реакции восстановления Горение избытка углерода и сжигание CO оставлены «за балансом», так как тепло при этом выделяется вне ванны, над колошником.

Тепловой баланс

Статьи прихода

Электроэнергия 100%

Статьи расхода в % к полученной электроэнергии

1. Электрические потери в трансформаторе, ошиновке и электродах	15,06
2. Потери через стенку и подину печи	5,57
3. Восстановление кремния, содержащегося в годном продукте	45,10
4. Теплосодержащие годного продукта	4,15
5. Теплосодержание газов	4,45
6. Восстановление испарившегося кремния	5,52
7. Теплосодержание испарившегося кремния	0,56
8. Восстановление кремния и карборунда отходов	0,62
9. Теплосодержание отходов	0,05
10. Восстановление испарившегося SiO	5,61
11 Восстановление глинозема	0,13
12. Восстановление извести	0,08
13. Испарение влаги*, теплоотдача через электроды и другие потери	13,10

* Шихта на колошнике смачивалась водой, израсходовано на каждые 100 кг кварца 15,6 кг воды.

Из приведенного баланса видно, что общий к.п.д. печи

«Тепловой» к.п.д. (в узком смысле)

Известно, что в случае устройства закрытой печи могут быть использованы в качестве топлива колошниковые газы, содержащие СО, Н₂ и СН₄. В закрытых печах предотвращается сгорание углерода шихты в кислороде воздуха, вынуждающее вводить так называемый «избыток» восстановителя Если учесть в приходной части баланса эти непроизводительные затраты топлива, то устройство закрытой печи позволит повысить к.п.д. в 1,2 – 1,5 раза. Удаление газов в закрытых печах должно обеспечивать соблюдение санитарных норм: содержание СО не более 0,03 мг/л и пыли SiO₂ не более 2 мг/м³.