Ферросилиций начали выплавлять в 1899 г. в электропечах для карбида кальция. До настоящего времени эти родственные процессы осуществляют в печах, по конструкции не очень различающихся между собой.

Жидкотекучий ферросилиций, в отличие от тугоплавкого и вязкого карбида кальция, с самого начала не наплавляли на блок («на козла»), а удаляли через выпускное отверстие. В этих производствах подину и внутреннюю облицовку горна стали выполнять из высокоогнеупорных прессованных обожженных угольных блоков, снаружи одевая их шамотным кирпичом. Иногда печь скрепляют стальным каркасом, но чаше, для предохранения угольных блоков от окисления воздухом, ее заключают в стальной кожух. Предпочтительно для герметизации делать кожух сварным. Чтобы кожух не представлял собой замкнутого витка, т.е. для уменьшения электрических потерь, в нем делают разрыв в виде прокладки из немагнитного материала. Кожух должен иметь прочные кольца и ребра жесткости для сопротивления силам, стремящимся превратить цилиндрическую конструкцию в шарообразную. В самом слабом месте конструкции – в районе выпускного отверстия – раньше всего обнаруживается выпучивание ванны. Целесообразно диаметр цилиндрического вверху кожуха уменьшить внизу на конус (на высоту лещади).

Для смягчения усилий, возникающих при нагревании и охлаждении печи, между огнеупорной кладкой и кожухом ванны засыпают отсеянную от мелочи магнезитовую или шамотную крупку слоем в 60 – 100 мм. Непосредственно к внутренней стороне кожуха примыкает тепловая изоляция из асбестового картона.

Довольно удачной (правда, очень дорогой) конструкции был кожух печи Миге-Перрона. Так как трансформатор находился под печью, то шины прямого и обратного токопровода в виде «паука» подходили соответственно к внутреннему и внешнему кожухам, выполненным из бронзы, в нее были залиты трубы водяного охлаждения. Между кожухами находилась асбоцементная изоляционная прокладка. Внешний кожух соединялся с подиной подовыми шинами, залитыми в блоки; сверху внешний кожух конически приближался к электроду и гибкими лентами соединялся с контактными щеками. Водяное охлаждение кожухов печей применяется в Липпендорфе (ГДР) [130].

Шамотная облицовка ванн состоит из двух-трех рядов кирпича, предпочтительно крупного, доменного, с перекрытием швов и выполняется на шамотно-глиняном растворе. Под угольную подину укладывается несколько слоев шамотного кирпича и тем больше, чем меньше общая толщина угольной подины (толщина угольной подины, состоящей из двух-трех слоев прессованных блоков, колеблется от 800 до 1500 мм). Для уменьшения количества швов желательно использовать длинномерные блоки (1,5 – 2,0 м), но это сильно затрудняет их монтаж. Блоки можно укладывать вплотную, обмазав их предварительно с боков специальной пастой, но надежнее оставлять большие 100 мм) швы, тщательно утрамбовывая их хорошо разогретой «подовой массой» (с температурой размягчения связующего около 40°) при помощи острых раскаленных ломиков вручную или сжатым воздухом. Следует помнить, что подина ферросилициевой печи должна служить примерно десять лет.

Угольную стенку горна не следует выводить от подины выше, чем на 1200 мм, так как не закрытые шихтой блоки быстро окисляются. При работе с низким колошником достаточно иметь блоки высотой 800 мм. На период сушки и разогрева стенку закрывают шамотным кирпичом (например, лещадкой).

Внутренний диаметр круглой ванны определяется диаметром распада электродов, диаметром электродов и расстоянием между образующей электрода и огнеупорной кладкой. Это расстояние для самых мощных печей не превышает 750 мм. Глубина ванны на мощных печах составляет 1600 – 2500 мм. Более глубокая ванна при одинаковом уровне загрузки колошника удобнее тем, что уменьшается телесный угол облучения людей и оборудования. Дальнейшее увеличение глубины ванны нецелесообразно, так как затрудняет обслуживание колошника, особенно при пользовании завалочными машинами метательного типа. Обычно верхний обрез ванны находится на уровне рабочей площадки. На печах Миге-Перрона колошник печи был поднят над уровнем рабочей площадки в связи с тем, что завалка производилась лотками из печных карманов, пикаж предполагался пневматический и обслуживание сводилось к обработке колошника гребками.

Трехфазные круглые печи, установленные на челябинском заводе, а также печи Кузнецкого завода ферросплавов первоначально имели по две летки – против электродов крайних фаз. При недостаточной – относительно диаметра ванны – мощности и чрезмерном диаметре распада электродов только при использовании обеих леток печь достаточно полно освобождается от ферросилиция. Но при соответствии размеров ванны используемой мощности необходимость перехода с одной летки на другую возникает очень редко, лишь при неполадках в ходе лечи. Работают с одной леткой, обычно расположенной против электрода «дикой» фазы. Для прожигания очка летки на подвесной тележке или консоли укреплен специальный угольный или графитированный электрод или железный прут, питание подается либо от особого источника тока, либо от одной из фаз печного трансформатора. Эффективность прожигания зависит от напряжения; оно должно быть во всяком случае не ниже 100 в. Иногда выпускное отверстие прожигают кислородом; однако при нормальной работе очко летки легко разделывается ломиком.

Норвежская фирма «Электрокемиск» в 1937 г. построила в Фискаа Верк печь мощностью 12 000 ква с ванной, вращающейся вокруг вертикальной оси («Элкем»), что, по мысли авторов, предохраняет от местных аномалий в ванне печи с непрерывным рабочим процессом. М. Додро оценил это улучшение конструкции для открытой печи как второстепенное [70], сравнивая показатели вращающихся печей с хорошо работающими неподвижными печами. На одном из зарубежных заводов на вращающихся печах мощностью 6,5 тыс. квт расход электроэнергии при выплавке сплава марки Си90 составил 10 ООО квт-ч/т, марки Си75 – 8600 квт-ч/т (с древесным углем и кварцем). По данным Воскресенского и Рысса, на челябинском заводе при реверсивном повороте печи расход энергии снизился с 8808 до 8612 квт-ч/т Си75 Во избежание поломок электродов и других неприятностей ванны вращаются медленно. На кузнецком заводе лучшие результаты получены при вращении со скоростью один оборот за 36 часов, хотя формула Эллефсена ориентирует на более быстрое вращение.

Остановку на поворотном столе и механизм вращения многотонной (до 700 т с учетом содержимого) ванны надо тщательно обдумать и рассчитать, совместно с решением задачи выпуска сплава. Ванна должна иметь несколько выпускных отверстий (обычно – три), поочередно подходящих при вращении к месту выпуска, либо, наоборот, приемники (изложницы, ковши) для ферросилиция должны двигаться вокруг ванны Возможно так же реверсивное движение ванны с углом поворота 120 – 180°. Практика советских заводов говорит в пользу реверсивного вращения в секторе, когда можно постоянно работать с одной леткой.

Существенным усовершенствованием ферросилициевой печи является установка на колошнике газоулавливающих коробов (так называемая полузакрытая печь), усиленно охлаждаемых водой. По Тромь такая печь использует 85 – 90% отходящего газа (СО). По Вальде улавливаемый газ содержит 74 – 76% СО, 8% Н₂, остальное – CO₂; азота практически нет. Фрост сообщил, что перед второй мировой войной фирма ИГ-Фарбен индустри получила на «полузакрытой» печи газ, содержащий 60 – 70% СО [70]. По материалам отечественной карбидной промышленности, газоотсос облегчает работу оборудования печи в результате резкого уменьшения горения газов над колошником. Важным условием ведения «полузакрытой» и закрытой печи является предварительная сушка кокса; при плохой сушке кокса в улавливаемом газе поднимается содержание водорода. Газ очищается в специальных устройствах от пыли.

По данным, собранным ОКБ треста «Электропечь», при производстве 45%-ного ферросилиция в закрытой сводом печи отводимый газ содержит до 85% СО и – после очистки – не более 0,05 г/см³ пыли. Калорийность такого газа составляет 2500 ккал/м³. Часто в своде устраивают дверцы и печи при необходимости (например, при разогреве) могут работать как открытые [85]. По сообщению В. Вильке [16], при тщательном выборе шихтовых материалов удалось в течение восьми недель без перебоев выплавлять 45%-ный ферросилиций в закрытой печи. Закрытую печь выгоднее, чем открытую, делать вращающейся; так как свод печи не должен вращаться вместе с шахтой, то их разделяют газонепроницаемым, песочным затвором. Овод делают стальным (водоохлаждаемым) или шамотным, либо из жароупорного бетона На рис. 51 показана закрытая сводом ферросилициевая печь.

Загружать шихту через свод можно при помощи водоохлаждаемых карманов или патрубков, направляющих шихту к электродам, либо через кольцевые щели непосредственно вокруг электродов. При загрузке шихты через обособленные карманы необходимо уплотнять отверстия в своде для регулируемых электродов (например, при помощи водяных затворов). Нельзя не согласиться с Лорком [70], что производство в закрытой печи 25%-ного ферросилиция относительно более просто (и сравнимо с производством чугуна или ферромарганца), чем ферросилиция высокопроцентного.

Б.М. Струнский [74], на основании замера температур наружной поверхности кожухов ванн ряда печей, подсчитал тепловые потери (Q) боковой поверхности кожуха по формуле

где S – поверхность кожуха, м³;

? – коэффициент потерь конвекцией, равный 2,2V t_ст – t_в;

t_ст – температура стенки, °С;

Т_ст – температура стенки, °К;

t_в – температура воздуха, °С;

Т_в – температура воздуха, °К;

с – коэффициент теплоизлучения.

Для двух печей фактической мощностью 5416 квт и 6237 квт, выплавлявших 45%-ный ферросилиций, эти потери оказались соответственно равны 2,49% и 3,15% мощности. Вторая ванна имела вдвое большую площадь теплоотдачи, чем первая. Для печей мощностью 6579 квт и 8517 квт, выплавлявших 75%-ный ферросилиций, потери соответственно составили 2,63% и 0,92% мощности. Здесь вторая ванна обладала почти вдвое меньшей площадью теплоотдачи (78 м²), чем первая (140 м²) и, кроме того, теряла с каждого квадратного метра меньше тепла (1,01 и 1,24 her). Температура кожуха второй ванны составляла 65 – 100°, а первой – 55 – 205°. Более низкие тепловые потери кожуха при выплавке 75%-ного ферросилиция Б.М. Струнский объясняет большим слоем гарниссажа.

Следует отметить, что увеличение наружных размеров кожуха невыгодно, так как вызывает некоторое увеличение тепловых потерь; в частности, это относится к размерам ребер жесткости

По Б М. Струнскому, тепловой поток через подину

где F – площадь подины, м²;

t₁ – температура внутренней поверхности угольной подины, °С;

S_уг толщина слоя угольной подины;

t₂ – температура кирпичной кладки, °С; – толщина слоя кирпичной кладки;

?_уг – теплопроводность угольной подины (при 1500° равна 52 кал/м • час °С);

?_ш – теплопроводность кирпичного слоя (при 1000° равна 1,15 кал/м • час °С).

Подсчет для меньшей из печей, выплавлявших 45%-ный ферросилиций, дает потери в 58 квт, или 1,08% мощности. В сумме потери всей поверхности ванны этой печи составляли; 3,51% мощности печи.

Нелишне подчеркнуть, что слой крупки (шамотной или другой) между кожухом и футеровкой и другие прослойки могут значительно снизить температуру кожуха и связанные с ней потери.

Под угольной подиной печи, в кирпичной кладке, целесообразно поместить термопару. Значительное повышение температуры горячего спая этой термопары будет сигнализировать о разгаре подины и необходимости усиленного ее охлаждения для предупреждения проедания, а также о ходе разогрева подины, который в новой печи длится две-три недели.