Сравнение энергетических балансов производства ферросилиция затруднено тем, что до сих пор некоторые составители их, помимо сопоставления затраченной и полученной энергии, включают в статьи баланса промежуточные превращения энергии, т.е. связанные с предполагаемыми промежуточными химическими процессами. При составлении материального баланса эти авторы, по понятным причинам, не учитывают количества веществ, появляющихся и исчезающих тут же в ванне печи, однако в энергетических балансах они по неизвестным соображениям пренебрегают правилом Гесса, утверждающим, что тепловой баланс реакции зависит от исходного и конечного состояний системы, а не от того или иного пути процесса. Пренебрегая этим правилом можно ввести в статьи теплового баланса произвольное количество промежуточных превращений энергии и всякий раз, увеличивая или уменьшая общую сумму балансируемой энергии, получить в результате несколько иной энергетический коэффициент полезного действия ?0. Поэтому нами пересчитаны те энергетические балансы, которые включают в себя экзотермические реакции внутри ванны печи, поскольку в целом процесс выплавки ферросилиция эндотермичен.

С учетом сказанного в статье прихода будет только электрическая энергия, взятая печным трансформатором; как видно из вышеприведенных анализов колошниковых газов, окисления СО до CO₂ в ванне не происходит. Тепло образования алюмосиликатов шлака учитывать не имеет смысла, так как они образуются вновь в результате разрушения минералов и солей шихты.

Удельный расход электроэнергии при производстве ферросилиция приведен в табл. 49.

Из табл. 49 видно, что лучший расход на 1 т кремния а 75%-ном ферросилиции на 11% выше, чем лучший расход энергии на 1 т кремния в 45%-ном. Это вызвано прежде всего большими потерями кремния при выплавке 75%-ного ферросилиция, как это видно из материальных балансов.

Обращает на себя внимание высокий удельный расход энергии при выплавке 45%-ного ферросилиция в Челябинске в 1956 г. Заметим, что на печи другой конструкции этого же завода в августе – сентябре 1956 г. также был составлен баланс производства 45%-ного ферросилиция; удельный расход энергии был равен 4880 квт-ч/т, что также уступает ранее достигнутым показателям. Ниже мы рассмотрим причины этого.

В табл. 50 обращает на себя внимание баланс № 4, составленный для печи с чрезмерными электрическими потерями (?_э =83,5%).

Но из табл. 49 видно, что в то же время на этой печи был наименьший удельный расход электроэнергии, очевидно в результате меньших тепловых потерь, меньшей затраты тепла на побочные химические реакции (69% Al, содержащегося в сплаве, были внесены в металлическом виде). Низкими электрическими потерями отличается печь ЧФЗ с бифилярным токопроводом, выплавлявшая в 1956 г. 75%-ный ферросилиций. Однако ее работа характеризовалась повышенными тепловыми потерями, главным образом через колошник.

Из этого сопоставления вытекает, что приводимые балансы не демонстрируют нам совершенной печи, имеющей одновременно наименьшие как электрические, так и тепловые потери. Если высокие электрические потери являются прямым результатом плохих параметров трансформатора и токопровода в целом, то причина высоких тепловых потерь лежит в некоторых, часто различных, обстоятельствах эксплуатации ферросилициевой печи.

Различия в теплосодержании шлака объясняются тем, что в балансах С. И. Хитрика количество шлака получено косвенным путем, по анализу, и, по-видимому, занижено (кратность шлака при выплавке 45%-ного ферросилиция всего 1,3%). Различия в теплосодержании сплава связаны с различием температуры выпуска и разными приемами подсчета теплоемкости. Как же выразить в общем коэффициенте полезного действия степень совершенства печи и осуществляемого в ней процесса?

Уже Вочке отметил крайнюю условность понятия «к. п. д. электроплавильной печи» [140]. Можно, например, считать, что к. п. д. печи определяется ее назначением, как аппарата для получения продукта Эндотермическим процессом; при таком понимании ?_печи явится отношением энергетических затрат на все химические реакции и теплосодержание ферросилиция к за траченной электроэнергии. Однако в числе затрат на химические реакции могут быть затраты на реакции паразитические, на восстановление примесей, окислов железа и т.п. При помощи термохимических расчетов можно пытаться выделить затраты энергии на восстановление кремния в присутствии железа и отнести их ко всем затратам на химические реакции, получив так называемый к. п. д. химических реакций ?_х.р.

Тогда общий к. п. д.

Результаты подобных расчетов приведены в табл. 51 (теоретический расход энергии на восстановление кремния в 1 т сплава марки Си45 принят 2520 квт-ч и в 1 т сплава Си75 4210 квт-ч; расход на нагрев сплава до 1800° соответственно 500 квт-ч и 575 квт-ч).

В нашем случае ?_общ равно отношению принятого нами теоретического полезного удельного расхода энергии (3020 квт-ч/т для 45%-ного ферросилиция и 4785 квт-ч/т для 75%-ного) к фактическому удельному расходу энергии. 30 лет назад удельный расход энергии на выплавку 45%-ного ферросилиция по балансу, составленному для печи мощностью 4500 квт Э. Шлумбергером [162], составил 5900 квт-ч/т, что соответствует ?_общ =51%; по балансу, составленному Равеном для американской печи – 5040 квт-ч в переводе на метрическую тонну, что соответствует ?_общ = 60 %.

Напомним теперь, что над колошником открытой ферросилициевой печи идут мощные экзотермические реакции горения до CO₂ и H₂O колошниковых газов и избыточного углерода. Энергия этого дополнительного процесса находится «за балансом» ферросилициевой печи до тех пор, пока печь не используется как газогенератор. Однако было бы недопустимо не учитывать бесполезно расточаемое до сих пор топливо. Поэтому, расширив рамки материального баланса ферросилициевой печи введением в него расхода кислорода воздуха, окисляющего генерируемое ею топливо, включим теплоту сжигания топлива в энергетический баланс. Соответственно получим новый – разумеется, меньший по величине – к.п.д. печи-генератора ?_общ (см табл. 51).

Здесь баланс № 4 показал влияние на улучшение не только низкого расхода электроэнергии, но и низкого расхода топлива. Главным же является необходимость улавливания колошниковых газов и наилучшего их употребления.

При составлении энергетического баланса необходимо убедиться в том, что печь находится в тепловом равновесии, что температура теплоотдающих точек ее поверхности практически постоянна (печь не на разогреве); в противном случае печь накопляет (или теряет) тепло. Необходимо сравнить электрические измерения участков токопровода, охлаждаемых водой, с нагревом этой воды. Количество тепла, отдаваемого ванной через колошник путем сгорания СО и других окисляющихся веществ и излучения твердых материалов, загруженных в ванну, должно быть сопоставлено с теплосодержанием газов и пыли, проходящих через вытяжной зонт, для чего определяют их количество, состав и температуру. Должна быть определена тепло отдача через электроды и сопоставлена с электрическим сопротивлением их рабочего участка (от шихты до контактных щек).

С. М. Андоньев предложил использовать тепло, уносимое водой, охлаждающей детали печи, путем внедрения испари тельного охлаждения. По его данным [164], тепловые напряжения составляют на контактных щеках 15 – 75 ккал/м² • час. на зажимных кольцах 5 – 30 ккал/м² • час и на водяной рубашке электрода 3 – 15 ккал/м² • час. Потери тепла с охлаждающей водой на 1 т продукции составляют 8 – 12% мощности печи. При испарительном охлаждении расход воды сокращается в 55 – 125 раз, капитальные затраты на охладительные устройства уменьшаются в 2,5 раза, экономия при эксплуатации составляет 0,2 – 0,3 руб. на тонну, Он предложил также использовать тепло, воспринимаемое вытяжным зонтом печи, что может дополнительно дать 1 – 1,5 т/час пара.

Возможности снижения удельного расхода энергии. Из приведенных данных видно, что одновременно высокие значения ?_х.?. и ?_печи почти не встречаются. В достижении этого сочетания и заключается в настоящее время главный резерв улучшения технико-экономических показателей производства ферросилиция. В настоящее время мы обязаны обеспечить, по крайней мере, ?_печи = 76% и ?_х.р. = 81%, т.е. ?_общ = 62% (на уровне баланса №4); стремятся в ближайшее время получить ?_печи =77% и ?_х.р. = 87%, что дает ?_общ = 67% или расход энергии 4500 квт-ч/т 45%-ного ферросилиция (без ввода в шихту отходов графитизации).

Если внимательно оценить современные конструкции ферросилициевых печей с энергетической точки зрения, то не подлежит сомнению, что при использовании бифилярного токопровода и заботливом уходе за его состоянием ?₃ не должен быть ниже 90% (баланс № 6). Равным образом для 45%-ного сплава потери тепла ванной не должны превышать 2,5%, потери тепла с газами и пылью – 7%, теплосодержание шлака – 0,25%, а всего тепловые потери составят около 10%, т.е. так называемый тепловой к. п. д. процесса будет 90%.

Если принять ?_х.р. =0,87 (баланс №4), то ?_общ будет равно 70%, что соответствует расходу 4300 квт-ч/т сплава. Что такой расход практически достижим, показывают данные балансов и ряд других фактов: на Челябинском заводе ферросплавов в 1946 г. среднегодовой расход энергии составил 4554 квт-ч/т, на кузнецком заводе за 1948 г. – 4660 квт-ч/т, а на запорожском заводе в 1955 г. (с применением отходов графитизации электродного производства) расход энергии составлял 4444 квт-ч/т 45%-ного ферросилиция.

При выплавке 75%-ного ферросилиция на челябинском заводе расход в 1952 г. составил 8350 квт-ч/т, а на запорожском в 1953 г. – 8434 квт-ч/т, что соответствует ?_общ = 57%, т.е. значительно более высокому, чем при составлении балансов. Однако балансы показывают, что при сочетании уже достигнутых высших значений ?_печи и ?_х.р. мы получим ?_общ =0,58, или расход энергии 8250 квт-ч/т. Если же принять потери ванны в 3%, потерн с газами и пылью в 8%, теплосодержание шлака 0,5%, то «тепловой» к. п. д. процесса будет не ниже 88%; приняв _?х.р. = 76% (баланс № 6) и ?_э = 90%, получим практически возможный ?_общ = ?_тепл ?_х.р. ?_э = 60%, что соответствует расходу энергии в 7975 квт-ч/т. Такой низкий расход энергии был достигнут на фушуньском заводе в Китае, где уделяют серьезное внимание качеству шихтовых материалов и подбору электрических параметров печи [93].

Необходимо еще затронуть вопрос о важности непрерывной работы ферросилициевой печи. При увеличении простоев удельный расход электроэнергии быстро возрастает. По данным Л. И. Морозенского и Г. М. Вайнштейна [88], относящимся к ферросилициевым печам челябинского завода и охватывающим 1932 г. и 1 квартал 1933 г., при фактической мощности печей в 5000 квт и 17% простоев (по отношению к календарному времени), расход энергии составлял 5200 квт-ч/т 45%-ного ферросилиция (без поправок), при 19% простоев – 5800 квт-ч/т, при 25% простоев – 6400 квт-ч/т, а при 35% простоев – 7150 квт-ч/т. Кроме того, расход энергии оказался обратно пропорциональным фактической мощности печи.

Производительность за час фактической работы в зависимости от простоев на печах Миге-Перрон Запорожского завода ферросплавов за 1 полугодие 1935 г. [89] была следующей:

Путем статистической обработки материалов челябинского завода за 1948 г. был получен график зависимости удельного расхода электроэнергии от длительности простоев (рис. 62).

В связи с этим ниже будут рассмотрены вопросы ухода за ферросилициевой печью и ее оборудованием, определяющие величину простоев.