Промышленные электроплавильные печи, используемые для получения ферросилиция, имеют один или несколько подвижных электродов, в отличие от тех печей, где ток проходит только по неподвижному сопротивлению (например, печей для производства карборунда). Применение подвижных электродов дает возможность наиболее просто регулировать силу тока, менять или наращивать электроды, создавать нагрузку по желанию сопротивлением, дугой или их сочетанием.
Благодаря прохождению тока непосредственно через ванну (прямое действие тока), в ферросилициевых печах имеется возможность хорошей тепловой изоляции фокусов нагрева (по сравнению с отражательным – непрямым – нагревом), а это тем важнее, чем выше их температура; в дуге она достигает, по крайней мере, 6000°. Чтобы обеспечить протекание восстановительного процесса в газовой фазе, ферросилициевые печи работают с дугами, закрытыми шихтой, причем – по М.С. Максименко – как печи 1 класса, т.е. p > q, где p – выделение энергии в газовом промежутке между концами электродов и загрузкой, a q – энергия, выделяющаяся в загрузке Такое утверждение вызывало сомнения.
Стэнсфилд [125] указал, что в опытной печи Эру (1906 г.) с трансформатором в 225 квт полезное напряжение составляло всего 14 в и оказалось подходящим для работы с дугой, закрытой шихтой. Поль Миге, предложивший оригинальную конструкцию однофазной печи с малыми электрическими потерями, исходил из того, чтобы иметь вторичное напряжение 38 – 40 в, не более, и наименьшую платность тока на электроде, во избежание «местных перегревов» сплава, ведущих, по его мнению, к повышению потерь кремния путем испарения. Р. Тауссиг [126] объявил себя сторонником «нагрева печи исключительно способом сопротивления (самой шихты), вытеснившим в конце концов совершенно нагрев с помощью вольтовой дуги» (?).
Утверждали, что «осциллограммы, снятые с печи Миге, показали, что через шихту проходит ~ 60% всего тока печи».
В этом случае, следовательно, 40% тока проходит через газовый промежуток, т.е. используются дуги.
Производственные наблюдения установили, что трехфазные печи, пущенные летом 1931 г. на челябинском заводе, даже при использовании низкой ступени линейного напряжения – 115 в – работали на ясно слышимой дуге. Естественно, что при работе на более высоком напряжении – 145 и 160 в – дуговой режим выражается еще более резко.
При выплавке 45%-ного ферросилиция на запорожском заводе печи работали на дуговом режиме при всех значениях тока и напряжения (высшая ступень 57 в). После перехода, по предложению С.А. Моргулева, на работу на более высоком напряжении (до 90 в) и низком токе (120 ка против разрешенных ранее 240 ка) дуговой режим стал более резко выраженным.
Практика подтвердила, что выплавка ферросилиция прекращается при ликвидации дуги на конце электрода [11]; например, при работе печи Миге (рис. 49) на напряжении 25 – 30 в при максимальной силе тока (до 240 ка) отсутствует характерное звучание дуги, резко сокращаются языки пламени от горения СО вокруг электродов и прекращается сход шихты.
При длительной работе печи в режиме «сопротивления ванны» (без дуги) материалы в ней прогреваются по всему объему и достигают температуры шлакообразования; углерод восстановителя постепенно выгорает.
Как явствует из работ Диомидовского [127], даже типичные шлаковые процессы в электроплавильных печах с подвижными электродами протекают с образованием у контактной поверхности электродов многочисленных дуговых разрядов (шунтируемых прямыми контактами электродов со шлаком) сквозь газовую оболочку. Газовая оболочка непрерывно воспроизводится вследствие наиболее высокой разности потенциалов именно в этом участке, наиболее высокой температуры здесь, наибольшей скорости восстановительной реакции и давления в дуге.
Ферросилициевые печи в настоящее время питаются переменным током (использование постоянного тока необходимо лишь в электролитических производствах). Печи могут быть как однофазными, так и трехфазными; кроме одного или нескольких подвижных, вертикально подвешенных электродов, могут быть один или несколько неподвижных электродов в подине или стенке ванны, как было в одной из первых русских ферросплавных печей на заводе «Пороги».
Как показал опыт эксплуатации печи конструкции П. Миге, однофазные печи с одним подвесным и одним подовым электродами наиболее легко усовершенствовать в направлении механизации загрузки шихты, перепуска электрода, обслуживания колошника и проч. С другой стороны, мощные однофазные печи, во избежание несимметрии в электрической системе, следует устанавливать в количестве кратном трем; простой или снижение мощности одной из печей вызывает в системе «перекос фаз»; на случай длительной работы двух печей вместо трех должно быть предусмотрено соединение их по схеме Скотта (рис. 50), что требует устройства специальных коммутационных приспособлений и наличия в трансформаторе, для включения его в качестве «вертикального», секционирования 13% обмотки.
По данным К.П. Григоровича [128], к 1932 г. на 76 ферросплавных и карбидных заводах разных стран суммарная мощность трехфазных печей составляла 554 тыс. квт, а однофазных – 336 тыс. квт. С тех пор соотношение мощностей печей непрерывно меняется в пользу печей трехфазных. Производство ферросилиция в однофазных печах запорожского завода было прекращено в августе 1941 г. В дальнейшем в СССР ферросилиций в однофазных печах не выплавляли, так как показатели плавки в трехфазных печах были лучшими.
Ферросилициевые печи работают с непрерывной загрузкой шихтовых материалов и с закрытым колошником, т.е. без проплавления. Стремятся ванну ферросилициевой печи закрыть сводом и использовать отходящие газы, но из-за трудности надзора и обслуживания колошника в таких условиях пока работают «открытые» печи. В последнее время распространяются печи с вращающейся вокруг вертикальной оси ванной. Ферросилициевые печи в плане могут иметь любую форму (окружность, овал, квадрат, прямоугольник); чаще строят печи цилиндрические, учитывая радиальное распространение тепловых напряжений. В связи с такой формой ванны в трехфазных печах, как правило, электроды располагают в вершинах треугольника.
При расположении электродов по одной линии облегчается обслуживание колошника; однако в этом случае ванна печи должна иметь овальную или прямоугольную форму, а главное – в таких печах более ярко выражена асимметрия фаз («дикая*» и «мертвая» фазы), вследствие трудности создания бифилярного токопровода («короткой сети»).
Ферросилициевые электроплавильные печи не имеют принципиальных отличий от других дуговых печей, предназначенных для восстановительных процессов. Такого рода печи называют «рудно-восстановительными», что не совсем правильно; в русском языке слово «руда» имеет более узкий смысл, чем слово «минерал» в романских языках и мало применимо к такому ископаемому, как кварц, поскольку продукт восстановления – кремний – не принадлежит к числу металлов.
Совсем непригодно название «рудно-термические печи», впервые введенное Я. В Дашевским [77]. Словообразование «рудно-термический» напоминает укоренившиеся термины: «электротермия», «металлотермия», «силикотермия», в которых содержатся указания на источник нагрева (электричество, сгорающие металлы, кремний). Однако руда-то не горюча! Этот термин был осужден резолюцией («Общие вопросы», п. 20) всесоюзного совещания, созванного ВНИТОЭ в 1948 г. в Ереване [129], но до сих пор, к сожалению, встречается.