Наряду с верхним пределом целесообразно определить и нижний предел величины полезных напряжений для ферросилициевой печи.

Стэнсфилд [125] писал: «При ненормальных условиях на конце электрода нет дуг, сопротивление и рабочее напряжение очень малы, плавление идет медленно и электрод как бы «застывает». При «застывших» электродах тепло выделяется главным образом в шлаке и по всей печи, но не в определенной области – на конце электрода».

Неудачу Хельфенштайна, построившего в 1913 г. в Домнарвете печь расчетной мощностью 7360 квт на пониженном напряжении, Стэнсфилд объясняет низким ?э и в результате – отсутствием дуг на концах электродов.

Точка зрения Конрада и Хельфенштайна [123] была близка к взглядам Миге; так как расплавленный кварц плохо проводит ток, то можно, считали они, использовать только одно джоулево тепло. Рекомендовалась не только работа за счет электросопротивления твердого и жидкого содержимого ванны, но и закварцевание ванны. А. Вальтер считал, что величина полезного фазового напряжения должна составлять 35 – 50 в: если оно меньше, то электрод не работает [147], так как подлинная работа по восстановлению группируется в сфере образования дуги на конце электрода; прохождение тока через загрузку ванны не может дать сильного нагрева вследствие чрезмерно большого сечения этого сопротивления. С.С. Штейнберг [148] для выплавки ферросилиция считал наиболее приемлемым напряжение 50 – 60 в на электрод. По Л.И. Морозенскому и Г.М. Вайнштейну [88] в трехфазной ферросилициевой печи имеются три реакционные зоны («колодцы», «тигли») вокруг электродов. При нормальной работе газовые потоки вокруг электродов препятствуют прохождению тока по «треугольнику» (по шихте между электродами) и почти вся энергия выделяется под электродом. Эти авторы вместе с тем не обнаружили зависимости между техническими показателями и величиной используемого напряжения.

По К.П. Григоровичу [128], чтобы прогреть более высокий слой шихты, приходится пользоваться более высоким напряжением. Однако более высокому слою шихты соответствует более глубокое погружение электродов в «шихту», большей же глубины погружения увеличением напряжения достичь нельзя. И. Бочке указывал [140], что полезное напряжение (на фазу) составляет для 45%-ного ферросилиция 50 в, для 25%-ного 55 в. Данные эти случайны; нет оснований при выплавке 25%-ного ферросилиция работать на большем полезном напряжении, чем при выплавке 45%-ного, скорее наоборот. В 1944 1945 гг. С.А. Моргулев доказывал неправильность мнения о существовании предельных напряжений для ферросилициевых печей. По А.С. Микулинскому [149], напряжение печи должно быть пропорционально кубическому корню из кажущейся мощности. Эти расчеты основаны на случайном материале и пренебрегают влиянием параметров токопровода, которые имеют самые различные значения.

При изучении работы мощных печей (выше 4750 квт), выплавлявших 45%-ный ферросилиций, обнаружено, что на наиболее низком полезном напряжении работала однофазная печь в Запорожье – 37 в при полезном удельном расходе энергии (Полезный удельный расход энергии ранен произведению удельного расхода энергии на электрический к.п.д.). 3920 квт-ч/т. Однако выплавку 75%-ного ферросилиция на этом режиме освоить не удалось; она была постепенно освоено лишь после переключения трансформаторов этих печей на более высокое напряжение. По частному сообщению И, Д. Кириченко, наименьший полезный расход энергии на этих печах наблюдался при и₂ = 60 – 63 в и 180 – 200 ка, т.е. при u_{полезн.фаз} ? 56 в.

Мощные (выше 6200 квт) печи, выплавляющие 75%-ный ферросилиций, работают нормально при полезном фазном напряжении не ниже 56 в. Такое полезное напряжение было на печи Челябинского ферросплавного завода в 1948 г. при удельном расходе энергии 8632 квт-ч/т и полезном удельном расходе энергии 6560 квт-ч/т («тепловой» к.п.д. 73%). На печах других конструкций полезный расход энергии составлял, квт-ч/т:

Из этих данных и табл. 40 видно, что наименьший полезный удельный расход энергии был достигнут при плавке 45 и 75%-ного ферросилиция на невысоких полезных фазовых напряжениях – 56 – 57 в. Более низкое полезное напряжение (например 37 в) привело к худшим результатам. Единственным объяснением этого является недостаточное развитие электрических дуг в ванне. Напряжение дуги, конечно, меньше, чем u_{полезн.фаз} так как некоторая часть его теряется при прохождении токи через жидкости и твердые тела в ванне. Кроме того, напряжение дуг быстро меняется из-за непрерывных изменений толщины, состава и температуры пробиваемых дугами газовых потоков и из-за передвижения электрода вверх и вниз для поддержания заданного тока.

При выплавке 18%-ного ферросилиция, когда расходуется большое количество электропроводной стальной стружки и создаются лучшие условия для восстановления кремнезема, достаточна полезная разность потенциалов на фазу 52 в. На ЧФЗ в 1946 г. плавили 18%-ный ферросилиций при полезном напряжении 40 в (u₂ = 115 в) с удельным расходом энергии 2539 квт-ч/т, в 1947 г. при полезном напряжении 49 в (в результате уменьшения тока) с расходом энергии 2296 квт-ч/т, а при полезном напряжении 59 в (u₂ = 130 в) – с расходом энергии 2190 квт-ч/т. В это же время на Кузнецком ферросплавном заводе 18%-ный ферросилиций выплавляли при полезном фазном напряжении 68 в (u₂ = 182 в) с расходом энергии 2300 квт-ч/т , наименьший удельный полезный расход энергии (1973 квт-ч/т) был достигнут при u_{полезн.фаз} = 59 в.

Наблюдения показывают, что при чрезмерно низких напряжениях ванна перегревается по всему сечению и усиливаются шлакообразование, плавление и карбидообразование. Электроды быстро обсасываются шлаком, глубина их погружения в содержимое ванны непрерывно уменьшается. Если избегать зажигания дуги при отрывах подвижного электрода от твердых и жидких материалов, для чего работать с весьма низким напряжением, то ток прерывается. Несмотря на это, С.А. Моргулевым отстаивалась целесообразность «бездугового» режима.

Убедительные данные позволила получить обнаруженная С.И. Тельным и др. [150, 151] зависимость между напряжением дуги в ванне печи и возникающим в результате наличия дуги напряжением третьей гармоники, обнаруживаемым между нулевыми точками ванны и трансформатора (рис. 60).

В предельном случае, когда кривая напряжения дуги представляет собой знакопеременные отрезки прямой, параллельной оси времени, напряжение тройной частоты Нш= 1/3 ид. При других формах кривой напряжения дуги коэффициент, как показал Ефроймович, больше трех, т.е. в общем виде нд > 3нш. При увеличении шунтирующих дугу токов (до 0,4 /2) Нш понижается и оно тем меньше, чем меньше отношение uд / uполезн [152].

Для измерения напряжения третьей гармонической составляющей между нулевыми точками ванны и трансформатора Леглер предложил использовать вольтметр с частотным фильтром. Все измерения неизменно обнаруживали в ферросилициевых печах режим дуги, закрытой шихтой. Значения напряжения дуги, исчисленные по наименьшей кратности его по сравнению с напряжением тройной частоты (т.е. с коэффициентом 3,0), колеблются в пределах 7,5 – 27 в для 45%-ного ферросилиция (по нашим данным). Для 75%-ного ферросилиция [154] среднее напряжение дуги 24 в (от 9 до 39 в по нашим данным).

Хотя в газовой прослойке вокруг рабочего конца электрода среди прочих веществ присутствует железо, потенциал однократной ионизации которого всего ~ 7 в, напряжение дуги в ванне ферросилициевой печи, как правило, выше, что обеспечивает ионизацию кремния и углерода, а это в свою очередь повышает температуру дугового газа. Ионизация кремния начинается при температурах выше 5500° К и заканчивается выше 8500° К.

Согласно тепловой теории дуги источником электронной эмиссии при установившейся дуге является раскаленный катод. При переменном токе мы получим непрерывную (знакопеременную) дугу лишь при отсутствии клапанного эффекта, когда катодом является один из электродов. Следовательно, непрерывность дугового режима предполагает ионизацию углерода угольных электродов печи.

При помощи вольтметров с частотным фильтром и самопишущего прибора ЦНИИЧМ было изучено влияние различных факторов на колебания величины напряжения тройной частоты на двух ферросилициевых печах разных конструкций (ЧФЗ) В обоих случаях, хотя в неодинаковой степени, были обнаружены минимумы, совпадающие по времени с ломкой смен; это связано с тем, что в последнем выпуске каждой смены принимались меры, обеспечивающие сход жидкого сплава «насухо» для большего погружения электродов. Это позволило выяснить что улучшение тепловой изоляции рабочего конца электрода способствует развитию дуг, увеличению их напряжения и длины вопреки первоначальному предположению С.А. Моргулева. считавшего, что увеличение напряжения тройной частоты свидетельствует об избытке кокса. Кривая напряжения тройной частоты на самопишущем приборе служит целям контроля ритма и правильности технологии выплавки ферросилиция, говоря о ходе явлений, происходящих в дуге, до этого совершена укрытых от наблюдения.

Сотрудники С.И. Тельного изучали ту часть тока, которая замыкается в ванне трехфазной печи не через «звезду» (т.е. дуги на концах электродов и нулевую точку ванны), а «треугольником», т.е. через свежую шихту на колошнике. Ранее М.С. Максименко [11] пришел к выводу о малой реальности шунтирования при прохождении тока по «треугольнику», так как электромагнитное поле выгибает линии тока к поду. По другому мнению, по положению впадины на осциллограмме восходящей ветки тока можно выяснить соотношение между дуговой и шихтовой проводимостью.

Толкование осциллограмм ферросилициевой печи затруднено тем, что невозможно снять осциллограмму непосредственно на дуговом промежутке; осциллограммы снимались то на участке колошник – летка, то на участке электрод – летка, то на вторичных выводах печного трансформатора. Чем дальше от дуг в электрической цепи снимается осциллограмма, тем меньше она отражает явления в области дуги, затемняемые главным образом реактивностью токопровода. Указывают [140], что форма осциллограммы дуги характеризует ее устойчивость; формы кривых тока и напряжения связывают таким путем с теплопроводностью зоны дуги (Дуддель – Маршан). По Г.А. Сисояну, в зависимости от условий, в которых горит печная дуга, форма кривых ее напряжения может меняться в широких пределах.

При вытаскивании рабочих концов электродов из ванны ферросилициевой печи (при разрыве, следовательно, цепи тока) оптическим пирометром была определена (инж. Р.А. Невский) температура большой площади рабочего конца электрода – она составляла 1700 – 1850°; даже после исчезновения дуг здесь было самое разогретое место ванны. Г.А. Сисоян отмечал [41], что при высокой посадке электрода ферросилициевой печи наблюдались мелкие дуги, горящие между электродом и шихтой, и справедливо предположил, что такой же характер носил переход тока от электрода к шихте и в нижних зонах.

Нельзя полностью пренебрегать той частью тока, которая проходит по шихте, минуя газовую оболочку рабочего конца электрода, как это полемически делает С.А. Моргулев. Именно повышение электропроводности шихты является причиной роста тока и уменьшения погружения электродов в шихту. Известно, что при большем содержании стальной стружки в шихте ферросилициевой печи погружение электродов в шихту уменьшается.

Если погружение электрода меняется при переходе на другую марку ферросилиция или временно из-за непостоянства шихтовых материалов (так называемые «качания» электродов) на сотни миллиметров, то это происходит не в результате изменения длины дуг. Длина дуг изменяется не более, чем на десятки миллиметров, но дуги перемещаются вместе с рабочим концом электрода, передвигаемым вследствие изменений электропроводности шихты и доли шунтирующего дуги тока. Путем подъема электрода снижают нагрузку на печи за счет, во-первых, уменьшения поверхности прямого контакта электрода с шихтой, а во-вторых – увеличения петли тока, в частности увеличения участка электрода от зажимных щек до шихты.

Увеличение гудения дуг при «вылезании» электрода не обязательно говорит об увеличении их длины; оно является следствием непосредственного газообмена дуговой зоны с атмосферой. Известно, что в герметичных сосудах дуги горят беззвучно. Общеизвестно, наконец, что для быстрой «посадки» электродов забрасывают кварцит непосредственно к электродам.

Загруженные материалы, с большим содержанием летучих, увеличивают общее электрическое сопротивление ванны и уменьшают шунтирующий ток.

При закварцевании «тиглей», когда в их нижней части не осталось углерода, дуги перемещаются вверх вдоль электрода к участкам, пропитанным углеродом. При длинном, постепенно обсасываемом на «карандаш», электроде венчик дуг оказывается непосредственно под уровнем колошника, что связано с большими тепловыми потерями. Дача кварцита становится бессмысленной. Введение в это время проникающей вниз извести способствует, вследствие ее электропроводности, перемещению дуг вниз и обгоранию электрода с торца, некоторое количество кремнезема вымывается из ванны в виде силикатов кальция, а часть извести остается в ванне. Радикальным средством исправления хода печи является в этом случае продавливание коксика па дно «тигля», но при очень длинном рабочем конце электрода приходится его предварительно обламывать, чтобы иметь возможность поддерживать заданную силу тока. Поэтому необходимо следить за состоянием «тигля» и разрабатывать его в ширину, чтобы газы уходили медленнее, спокойнее, отдавая как можно больше тепла встречным материалам, чтобы дуги были хорошо теплоизолированы и горели на большой глубине.

И.Т. Жердев считал [159], что изменение электросопротивления шихты не может вызвать заметного изменения тока, так как будет возмещено противоположным изменением сопротивления дуги, благодаря своеобразию ее физических свойств. Но повышение тока в ветви цепи, содержащей последовательно включенную дугу, сопровождается понижением ее электросопротивления, хотя напряжение и длина дуги неизменны. В этом же направлении сниженное электросопротивление шихты влияет на величину шунтирующего и суммарного тока; также при повышении электросопротивления шихты повысится и электросопротивление дуги. ?.А. Марков показал [152], что повышение электросопротивления шихты приводит к понижению общего тока, если напряжение дуги меньше полезного напряжения. В общем случае для ферросилициевой печи ветви тока отходят от электрода на разных высотах, «дуговые» ближе к торцу, следовательно, u_д < u_полезн. И.Т. Жердев опубликовал данные измерений тока в шихте [155] вокруг электрода на глубине ~ 15 см. Однако неясно, является ли измеренный ток всем или только частью тока, шунтирующего дугу.