В качестве восстановителей при производстве ферросилиция в электропечах применяют древесный и каменный уголь, каменноугольный кокс (так называемый «орешек»), изредка – торфяной кокс и другие виды углеродистых материалов. При производстве 90%-ного ферросилиция используется древесный уголь, что облегчает ход печи и уменьшает количество золы. Иногда при выплавке 90%-ного ферросилиция применяют смесь углеродистых восстановителей, состоящую на одну треть из древесного угля, на одну треть из кокса и на одну треть из антрацита [16]. Из табл. 5 того же источника видно, однако, что практически древесный уголь составляет от 50 (в печах мощностью 5 – 6 тыс. квт) до 100% (печь 1000 квт) всего углеродистого восстановителя по натуральному весу.

Применение кокса взамен древесного угля вызывает иногда сильное спекание шихты, так как при равном весе кокс занимает на колошнике втрое меньший объем, чем древесный уголь. При получении сплава с 90% Si во избежание спекания в шихту необходимо вводить 25 – 50% древесного угля. По [16] низкий удельный расход электроэнергии при производстве 75%-ного ферросилиция, равный 9000 квт-ч/т, достигнут при использовании древесного угля в количестве 28% от всей навески углеродистого восстановителя, в печи мощностью 6000 квт. На печах меньшей мощности (2500, 4500 квт), ход которых легче нарушается, древесный уголь используют даже при выплавке бедных сплавов типа Си45.

В период освоения производства электротермического ферросилиция в Советском Союзе древесный уголь применялся с целью более глубокого погружения электродов в шихту [88]. Торфяной и газовый коксы, а также антрацит, применяемые в США [39] и Западной Европе [90], в Советском Союзе не используют.

Изменение размеров и электропроводности антрацита в зависимости от температуры показано в табл. 22.

Таблица 22 

Температурные изменения антрацита

Температура °C	Размеры кристаллов мм х 10-3	Электрическое сопротивление, ом
200	0,001	?
600		17 • 109
855	0,01 – 0,1	1 250
1200	0,10	60
2400	0,1 – 1,0	25

При температуре около 2200° куски антрацита вспучиваются и растрескиваются.

М.С. Максименко указывал, что в печах малой мощности с медленным сходом шихты антрацит успевает графитизироваться и теряет активность, а также электросопротивление, а в печах большой мощности с быстрым сходом шихты антрацит является более приемлемым восстановителем [11]. Частичное применение антрацита при производстве 93%-ного сплава можно объяснить лишь его малозольностью и дешевизной. В то же время даже при выплавке 45%-ного ферросилиция его применяют лишь вместе с древесным углем [16].

В Советском Союзе некоторое время использовали челябинский бурый и карагандинский уголь, как материал дешевый и обладающий относительно большим электрическим сопротивлением, преимущественно в смеси с коксиком, в отношении 3 : 4. В связи с этим уже во второй половине 1934 г. удельный расход энергии при производстве 45%-ного ферросилиция повысился по сравнению с концом 1933 г до 5370 квт ч/т, или на 3%, что объясняется не только низкой реакционной способностью ископаемого угля, но и его зольностью. Челябинский уголь содержит 20 – 22% золы, которая состоит в основном из кремнезема (45%) и глинозема (20 – 30%), сильно понижающих реакционную способность углеродистых восстановителей.

При выплавке ферросилиция электроэнергия расходуется также на удаление летучих (до 36%), влаги (20%) и на восстановление закиси железа (12 – 20% от веса золы). В числе шлакообразующих зола кокса, кроме глинозема, содержит 4 – 5% извести и 3 – 4% окиси магния. Таким образом, в шлак переходит 7% навески челябинского угля. Малозольные бурые угли, особенно такие, в золе которых больше щелочных окислов, можно использовать в качестве дешевого восстановителя, отличающегося относительно высоким электрическим сопротивлением.

Некоторые сорта каменных углей также могут оказаться пригодными в качестве восстановителя в смеси с коксиком. Так, например, анжерский уголь, содержащий – 11% золы, в конце 1955 г. применяли на одной из печей ЧФЗ для выплавки ферросилиция При навеске восстановителя, состоящей из каменного угля (23%) и коксика /77%), расход электроэнергии составил 9050 квт-ч/т против 9000 квт-ч/т при работе на одном коксике. Каменный уголь применяли для производства ферросилиция также на Кузнецком ферросплавном заводе [95].

Летучие некоторых каменных углей при нагревании выделяют дисперсный углерод [13], который полностью участвует в восстановлении.

Важнейшим из углеродистых восстановителей является пористый каменноугольный кокс, отличающийся развитой поверхностью и мелкокристаллической структурой. Электрическое сопротивление кокса возрастает вдвое, если битум коксующегося угля окислен воздухом при температуре 200° и если отсутствует выдержка при коксовании в интервале 700 – 900°. Пористость хорошего кокса составляет 56%, тогда как пористость древесного угля доходит до 90%. Кокс содержит 1,5 – 3,0% летучих – в несколько раз меньше, чем древесный уголь. В табл. 23 указан состав кокса (из угля различных районов) и содержащейся в нем золы. Количество шлакообразующих примесей в золе кокса имеет решающее значение для кратности шлака. Из табл. 23 следует, что в шлак переходит от 2 до 8% навески сухого кокса.

Таблица 23 

Состав кокса и содержащейся в нем золы из углей различных месторождений

(продолжение)

Зольность кокса зависит в значительной степени от размеров кусков, В составе летучих магнитогорского кокса, выжженного при 1000 – 1100°, оказалось % (объемн.): CO₂ – 13,2; СО – 24,1; СН₄ – 0,9; Н₂ – 39,5 и N₂ – 22,3 [58]. В навеске губахинского кокса содержится до 6,0% глинозема, что создает благоприятные условия для перехода алюминия в сплав и соответственного повышения расхода электроэнергии.

Главным источником алюминия в 75%-ном ферросилиции в одном случае является кокс, содержащий 13% золы, в которой может быть до 34% глинозема (кокс вносит 69% глинозема, имеющегося в шихте). В этом случае способом снижения содержания алюминия в ферросилиции является замена кокса в шихте малозольными восстановителями.

Содержание других окислов в золе кокса, в том числе трудновосстановимой извести, играет меньшую роль. В южноуральском коксе содержание фосфора может доходить до 0,09%, что весьма нежелательно при выплавке ферросилиция марки Си75; кокс для выплавки 75%-ного ферросилиция не должен содержать >0,04% Р. Действительное содержание влаги в коксе зависит от способа тушения кокса и от условий перевозки и хранения. В неблагоприятных условиях содержание влаги может доходить до 25%.

В табл. 24 приводятся данные лаборатории Челябинского электродного завода (1950 г.), характеризующие физические свойства кокса, изготовленного различными заводами.

Таблица 24 

Физические свойства кокса, изготовленного на различных заводах

Из табл. 24 видно, что весьма высоким удельным электрическим сопротивлением отличается губахинский коксик; это связано с его повышенной пористостью, а также с повышенным содержанием в нем летучих и золы. Электрическое сопротивление кокса определяли при постоянном давлении и при измельчении в 49 – 50 0,3 мм). Коксик Кузнецкого металлургического комбината имеет при малом содержании летучих (0,6 – 0,8%) электросопротивление в 1,4 раза меньшее, чем коксик магнитогорский, челябинский или кемеровский.

Использование кокса различных заводов позволяет регулировать ход электрической печи. Так, при замене южноуральского кокса губахинским улучшается состояние колошника и увеличивается погружение электродов в шихту. С другой стороны, губахинский кокс, обладающий высокой пористостью, реагирует уже в верхних слоях колошника и непригоден для восстановительных процессов внизу ванны.

На одном заводе при выплавке 75%-ного ферросилиция использовали кокс трех разновидностей, расход электроэнергии был различным: 9300, 9640 и 9110 квт-ч/т. По указанным выше причинам кокс различных заводов необходимо хранить отдельно и применять с учетом его физико-химических свойств. В период освоения производства ферросилиция начинали работать на коксе размером 40 – 60 мм, опасаясь высокой зольности мелкого кокса. Однако вскоре было установлено, что при работе на более мелком коксе (10 – 15 мм) производительность ферросилициевой печи увеличивается почти на 30%. Работа на смеси из равных количеств мелкого кокса и древесного угля повысила производительность печей еще на 30% [77].

С уменьшением крупности кусков увеличивается не только электросопротивление, но и «горючесть» кокса [91].

На Запорожском заводе ферросплавов, отказавшись от применения древесного угля, вынуждены были сразу же ограничить верхний предел размеров кусков кокса 40 мм. В дальнейшем, с переводом однофазных печей запорожского завода на режим повышенного вторичного напряжения (1936 – 38 гг.), стали работать на коксе размером 15 – 25 мм. С 1944 г. начали отсеивать мелочь кокса ниже 8 мм при выплавке 75%-ного ферросилиция и на челябинском заводе; при этом исходили из того, что мелочь содержит особенно много загрязнений и ухудшает газопроницаемость колошника. Отсев мелочи коксика обеспечил снижение расхода электроэнергии при производстве 75%-ного ферросилиция на 3%. После этого мелочь ниже 8 – 10 мм стали отсеивать и при производстве 45%-ного ферросилиция.

По итальянским данным [9] при производстве 75%-ного ферросилиция употребляется стандартный коксик с содержанием фракции 10 – 20 мм в количестве 69% (с колебанием по суткам от 66 до 73%). На одном из заводов снизили верхний предел размера кусков кокса с 20 до 18 мм; это положительно сказалось на погружении электродов в шихту. Лучшие результаты в отечественной и зарубежной практике получены при использовании коксика в кусках размером 8 – 20 мм [16].

На запорожском заводе до 18% коксика отсеивается в виде мелочи. Особенно важно в настоящее время наладить грохочение коксика до вальцевания, чтобы вальцевать только коксик с размерами кусков более 20 мм. Следует иметь в виду, что обычно 6% вальцуемого кокса превращается в мелочь. Любопытно, что лучшее отношение между верхним и нижним пределами кусков коксика такое же, какое получено производственным опытом и для кварцита, т.е. примерно 2,2. Увеличение этого отношения приводит к ухудшению газопроницаемости колошника. Следует особо подчеркнуть, что абсолютные размеры кусков коксика при правильной подготовке шихты должны быть меньше размеров кусков кварцита в 3 – 7 раз. Такое соотношение между размерами коксика и кварцита необходимо для увеличения реакционной поверхности коксика и повышения электросопротивления шихты. При большем (в 10 – 15 раз) соотношении между размерами кварцита и коксика снижается так называемая «порозность» и возможно спекание шихты на колошнике.

Неоднократно делались попытки использовать отсеваемую мелочь коксика, в определенной дозировке. Результаты работы ферросплавных печей с применением коксовой мелочи указаны в табл. 25.

Таблица 25 

Влияние качества кокса на расход электроэнергии при выплавке ферросилиция

Многочисленные опыты подтверждают невыгодность использования мелочи кокса в каких бы то ни было количествах. При работе на коксовой мелочи колошник спекался, шихта сходила плохо, расход электроэнергии на одну колошу увеличивался, колошник перегружался, рабочие концы электродов сильно обсасывались. При этом значительно увеличивался расход кварцита и кокса на тонну годного сплава, Наличие в «орешке» крупных кусков кокса сказывается еще вреднее, чем присутствие мелочи: электропроводность шихты резко возрастает, для поддержания установленного тока приходится заметно поднимать электроды, что вызывает огромные потери тепла с газами.

Наиболее неприятной особенностью употребляемого в настоящее время коксика является непостоянство содержания в нем влаги, из-за чего приходится часто изменять навеску восстановителя на колошу шихты и давать кокс в виде отдельных добавок. Ежесменно приходится определять содержание влаги в расходуемом коксике и в соответствии с полученным анализом пересчитывать шихту. Частые перешихтовки и ошибки в дозировке восстановителя являются наиболее распространенной причиной расстройств хода ферросилициевых печей.

В настоящее время сушка кокса до некоторой постоянной влажности не представляет проблемы; например, при производстве карбида кальция кокс сушат в сушильных барабанах длиной 12 м, диаметром 2,8 м со скоростью вращения 8 об/мин. при угле наклона – 3°. Проектная производительность установки для сушки коксика, работающей на газовом топливе, при остаточной влаге 1,5% составляет 173 т/сутки. Газ и кокс движутся в одном направлении. При обогреве барабана теплом от сжигания каменного угля его производительность составляет 150 т/сутки с остаточной влагой до 2%.

На Челябинском ферросплавном заводе коксик сушили отходящим газом ферросилициевой печи. В Китае [92, 95] с успехом применяют вместо кокса полукокс – продукт коксования при температуре до 700°, содержащий всего 4 – 6% золы. Если при Работе на металлургическом коксе расход электроэнергии составил 9000 квт-ч/т, то при работе на коксе, полученном в горизонтальных печах (ретортах), удается использовать отходы графитировочных печей, содержащие карборунд, и снизить расход электроэнергии на 14%.

При использовании же полукокса, отмытого от мелочи с удалением от 1/3 до 2/3 золы, расход электроэнергии составил всего 7620 квт-ч/т. Полукокс после промывки содержит 9 – 11% золы, 2 – 6% летучих при пористости 55 – 59%. Зола полукокса содержит 49,5% SiO₂; 37,5% Al₂O₃; 9,3% Fe₂O₃; 2,2% СаО; 0,6% MgO.

Низкотемпературный нефтекокс, содержащий 10% летучих и 17 – 19% золы, имеет пористость 49% и относительно невысокую электропроводность; при использовании этого восстановителя. взамен обычного каменноугольного кокса удельный расход энергии снижался на несколько процентов. Серовский ферросплавный завод первым в 1958 г. опробовал для выплавки 75%-ного ферросилиция сернистый, но малозольный и дешевый нефтекокс, содержащий 4% S, 2% золы и 0,025% Р.

С 1954 г. запорожский завод ввел в шихту отходы графитировочного передела Днепровского электродного завода. Эти отходы содержат 24 – 40% карборунда; 19 – 44% свободного углерода; 0,6 – 1,4% Fe₂O₃; 0,7 – 0,9% Al₂O₃; 0,3 – 0,9% извести. Практика показала выгодность использования отходов графитизации не только вследствие их дешевизны, но и как материала, содержащего восстановленный, хотя и связанный кремний; в результате был достигнут наиболее низкий удельный расход энергии – уже за 1955 г. в среднем 4444 квт-ч/т. Другой завод, при наличии в отходах графитизации 40 – 50% SiC, расходовал на тонну 45%-ного ферросилиция по 4200 квт-ч/т. Отходы графитизации могут содержать до 60% SiC при 23% SiO₂ [92].

Выгодность применения отходов графитизации зависит от содержания в них карборунда. Опыты применения бедных карборундом отходов графитизации Челябинского электродного завода при выплавке 45%-ного ферросилиция в 1955 г. дали следующие результаты по удельному расходу энергии на «базу»: без употребления отходов – 5054 – 5150 квт-ч/т, при введении 50 кг отходов на колошу – 4996 квт-ч/т, при 100 кг отходов на колошу – 5033 квт-ч/т; в последнем случае отмечалась трудность обслуживания колошника, вызванная мелкозернистостью отходов графитизации.

Выяснено, что при выплавке 75%-ного ферросилиция, когда вводится мало железа, разрушающего карборунд, использование углерода и кремния отходов графитизации падает до 30 – 40% против 80 – 90% при выплавке 45%-ного ферросилиция. Но, как выше сказано, отходы оправдывают себя при замене в шихте кокса полукоксом. На некоторых заводах в качестве восстановителя применяют древесные отходы [94]. В марте 1956 г. на печи челябинского завода, выплавлявшей 45%-ный ферросилиций, пробовали вводить в шихту древесные опилки и стружку. Предполагалось, что древесные отходы создают пористый колошник, лучше его теплоизолируют, снижают электропроводность шихты, уменьшают испарение и количество пыли. Однако испытание не дало положительных результатов.