Первоначально электроплавильные печи с подвижными электродами работали на угольных прессованных и обожженных электродах, которые при необходимости собирались в пакеты. На рабочей длине таких электродов в печах челябинского завода терялось 9 – 12% мощности. Впоследствии (кроме США) на восстановительных электропечах, работающих непрерывным процессом, широкое распространение получили самоспекающиеся электроды (С.В. Содерберга), впервые примененные в 1918 г. на ферросилициевой печи в Фискаа (Норвегия). Они представляют собой наполненный электродной массой цилиндрический кожух из тонкого листового железа (1 – 2 мм) с внутренними радиальными ребрами, способствующими коксованию электродной массы по всему поперечному сечению цилиндра. В СССР впервые применил самоспекающиеся электроды Макеевский карбидный завод, а из ферросплавных заводов – Челябинский [131]. Для производства ферросилиция на отечественных заводах электродную массу впервые использовал запорожский завод в комбинированных электродах печей Миге.

Масса в таком электроде находилась внутри кольца из прессованных и обожженных электродных секторов, собранных на стальном каркасе, а не в железном кожухе.

Французская фирма Монрише предложила следующий состав массы для заполнения внутреннего цилиндра электрода Миге: 30% кокса или антрацита с размером зерен 5 – 8 мм. 25% кокса или электродных огарков (боя) размером зерен 1 – 2 мм, 20% огарков с размером зерен 0,01 мм и 25% пекл (связующего). Массу такого состава загружали в электрод в разогретом (жидком) виде Прочность массы в скоксованном состоянии была удовлетворительной; чаше обрывались отдельные наружные сектора, чем высыпалась масса Только в явно ненормальных случаях (например, при пристывании электрода к содержимому остановленной печи) происходили обрывы электрода по всему его сечению, что являлось очень большой аварией.

Б.М. Струнский и Р.С. Шкляр [132] изучали процесс спекания электродной массы в электроде с железным кожухом диаметром 900 мм большой трехфазной ферросилициевой печи Коксовалась масса, изготовленная Челябинским электродным заводом, следующего состава: электродная стружка или бой 0 – 20 мм – 52%, антрацит или термоантрацит 0 – 20 мм – 34% препарированная смола – 14%. Свойства образцов этой массы после обжига приведены в табл. 35.

Таблица 35 

Свойства электродной массы в зависимости от скорости нагрева

Следует отметить, что работники ферросплавных цехов до сих пор не придают должного значения необходимости посте пенного прогрева и коксования электродной массы. В связи с этим «пустота» в кожухе над верхним уровнем столба массы должна быть возможно меньше. Из приведенных данных видно, что быстрое коксование ведет к образованию пористого, механически непрочного электрода, плохо проводящего ток.

Электрод, коксование массы в котором изучали Б.М. Струнский и Р.С. Шкляр, в период наблюдений имел «пустоту» высотой 2 – 3 м. Первая стадия обжига массы на длине 3,5 – 4,0 м в зоне воздушной рубашки сводится к нагреву ее с 25° до 60°, в результате чего кусковая масса размягчается и сливается в один блок. На второй стадии, на участке с водяным охлаждением, протяженностью около 1 м, температура поднимается с 60° до 200° у железного кожуха и до 350° в центре электрода, образуя так называемый «конус спекания» (рис. 52).

Рис. 52. Вертикальный разрез самоспекающегося электрода с изотермами по ходу обжига [132]

Под контактные щеки масса поступает еще пластичной. На последней стадии обжига, под щеками, на участке длиной около 1 м, температура массы поднимается до 800°, и из-под щек электрод выходит обожженным. Участок в щеках является самым важным, так как здесь бурно выделяются летучие (пики при 500 и 700 – 750°, см. рис. 53).

Рис. 53. Изменение количества газов, выделяющихся при обжиге самоспекающихся электродов, с повышением температуры

При дальнейшем нагреве заметно (рис. 54) падает электрическое сопротивление массы, например: при 900° – 82,3 ом • мм²/м, при 1000° – 64,7 ом • мм²/м, при 1200° – 55, ом • мм²/м.

Рис. 54. Изменение удельного электросопротивления самоспекающихся электродов с повышением температуры обжига

Некоторые ферросплавные заводы сами приготовляют электродную массу, которая обычно хуже, чем масса специализированных электродных заводов. Для приготовления Массы применяют прокаленный антрацит (крупные фракции) Или термоантрацит, содержащий (не более): летучих – 0,5%, золы – 5,5%, влаги – 0,2%; крупность зерна 3 – 20 мм. Тонкой Фракции – ниже 0,5 мм – в сухой шихте должно быть не меньше 40%. Электродную стружку применяют крупностью до 1 мм, а каменноугольный кокс, заменяющий стружку, крупностью 0 – 4 мм; при их отсутствии попользуют термоантрацит фракции ниже 0,3 мм. В шихту идет 37 – 44% крупного антрацита, 36 – 39% электродной стружки или кокса и 20 – 25% связующего. Смолу и пек дают в отношении от 1 : 1 до 2:3 с температурой размягчения связующего 38 – 65°. После горячего смешения масса должна содержать летучих 15 – 18% (по Брукман – Мук 13 – 16%), золы не более 6 – 10% (по В. Марет и В. Фрейганг [16]). По последнему источнику температурный коэффициент электросопротивления массы после коксования составляет около 0,0003, теплоемкость при 110° 0,20 ккал/кг • град и теплопроводность 6 – 10 ккал/м • час • град.

В табл. 36 показан удельный расход самоспекающихся электродов для различных сплавов.

Таблица 36 

Удельный расход самоспекающихся электродов

Марка сплава	Расход электродной массы, кг		Расход кожухов, кг
	на 1 т сплава	на 1000 квт/ч электроэнергии	на 1 т сплава	на 1000 квт-ч электроэнергии
Си 18	13	6,1	1	0,47
Си 45	24	4,9	1	0,20
Си 75	45	4,9	2	0,22

Скорость нагрева электрода в щеках достигает 47° С/час, иногда и больше; необходимо снизить скорость коксования в щеках путем повышения скорости прогрева массы в воздуш ной рубашке, например, подогревая в зимнее время вдуваемый в рубашку воздух (по опыту КФЗ) или другими путями регулируя температуру обжига.

М.И. Гасик, под руководством С.И. Хитрика [133], изучал причины значительного обгорания самоспекающихся электродов под контактными щеками и при выходе из-под шеки. Наблюдения велись за электродами диаметром 850 мм при нагрузке в 34 800 – 38 500 а на печи, выплавлявшей 75%-ный ферросилиций, и за электродами диаметром 940 мм при нагрузке 39 000 с? на печи, выплавлявшей 45%-ный ферросилиций. Электроды находились в рубашках (мантелях) для принудительного воздушного охлаждения диаметром 1000 мм и высотой 9600 мм, дополняемых над контактными щеками охлаждаемыми водой щитками высотой 500 – 600 мм Электроды диаметром 850 мм имели 6 ребер в кожухе шириной 130 – 180 мм, зажимались шестью контактными щеками площадью 1100 X 410 мм каждая и погружались в содержимое ванны на 1000 – 1200 мм. Электроды диаметром 940 мм имели по 8 ребер в кожухе, зажимались 8 щеками площадью по 1100 X 360 мм и погружались в содержимое ванны на 800 – 1000 мм. Толщина стали кожуха и ребер 1,25 – 1,5 мм. Кожуха были собраны из листов внахлестку на заклепках через 120 мм, наружные швы проварены автогеном (длина шва 50 мм на каждые 100 мм). Двухметровые кожуха при установке на печи сваривались также автогеном сплошным швом; к тормозным лентам (130X2 мм) кожуха приваривали автогеном, длина шва 100 мм на каждые 300 мм.

По Б.М. Струнскому, при 700° сопротивление 1 см длины железного кожуха сечением 65,5 см² более чем в 10 раз меньше сопротивления на этой же длине угольного блока сечением 5293 см² (диаметр 900 мм); только при 900° сопротивление угольного блока становится несколько ниже возрастающего сопротивления кожуха; следовательно, до 800° токовую нагрузку несет почти исключительно кожух, ребра которого авторы [133] рекомендуют увеличить. Исследовалось поведение электродной массы производства Днепровского электродного завода, состоящей по сухой шихтовке из термоантрацита (50%), графитированного кокса (25% 1 и литейного кокса (25%). В сухой Шихте фракций меньше 0,075 мм содержится 25 – 31%. Связующее – средний пек с температурой размягчения 65 – 72° – добавляется в количестве 22 – 25%. Масса содержит 2,41 – 7,1% золы, 14,4 – 17,3% летучих, 0,67 – 0,11% влаги. В обожженном состоянии пористость образца составила 20,7%, механическая прочность 320 кг/см², удельное электрическое сопротивление ом • мм²/м, окисляемость 19,8%, осыпаемость 10,1%. Эта Масса принадлежит к числу лучших, однако уступает прессованным обожженным электродам по электропроводности (по ГОСТ 4425 – 48 удельное электросопротивление товарных электродов должно быть не выше 55 ом • мм²/м).

Трудность улучшения качества электродной массы заключается в том, что действующие технические условия ЦМТУ 2038 – 47 не оговаривают никаких показателей ее свойств после коксования и даже по допускаемому содержанию золы (до 10%) непомерно снисходительны по сравнению с фактической зольностью массы.

М.И. Гасик и С.И. Хитрик исследовали обломок рабочего конца электрода. Электрод, как обычно, сломался в месте стыка двух смежных секций кожуха, представляющем с электрической и тепловой, а в конечном счете и с механической точки зрения слабое место электрода. Длина обломка была 1270 мм. Установлена неоднородность электрода по содержанию коксика и пека, большая пористость в местах скопления пека. Поры имеют удлиненную вертикальную форму. Удаление летучих, по мнению авторов, происходит через уже скоксованную часть электрода, т.е. не вверх, а вниз. К такому же мнению приходят и зарубежные авторы [16].

Нижний торец электрода полностью графитирован; это говорит о том, что он работает при температуре не ниже 2000°.

Средний истинный удельный вес ряда вырезанных из обломка образцов составлял 2,28 при. пористости 26,3%. Механическая прочность оказалась в пределах 113 – 272 кг/см², удельное электрическое сопротивление образцов 12 – 35 ОМ • ММ²/М, что значительно меньше, чем при лабораторном коксовании, проводимом без всякой возможности графитизации.

В. В Рукавишников исследовал образцы электродной массы различных электродных и ферросплавных заводов СССР; полученные данные приведены в табл. 37.

Таблица 37 

Свойства электродной массы различных заводов после коксования

Завод-изготовитель	Истинный удельный вес г/см3	Пористость %	Прочность кг/см2	Удельное электрическое сопротивление, ом • мм2/м
Днепровский	1,91	22,4	315	60
Актюбинский	1,87 – 1,96	26,2 – 34,0	87 – 258	72,2 – 123,0
Зестафонский	1.85– 1,94	23,1 – 34,5	85 – 175	77,8 – 104,0
Липецкий	1.86– 1,89	27,4 – 30,8	134 – 243	87,2 – 152,5
Челябинский	1,91 – 1,92	27,7 – 33,0	107 – 298	66,6 – 80,1
Кузнецкий	1,88	29,0	218	101,5

Все приведенные в табл. 37 образцы отличаются от массы, изготовляемой Днепровским электродным заводом, большим истинным удельным весом, значительно большей пористостью, меньшей механической прочностью и большим электрическим сопротивлением. Лучшее качество массы ДЭЗ обусловливает ее меньший расход, как относительный, так и абсолютный. При выплавке 45%-ного ферросилиция на запорожском заводе электроды перепускали один раз в сутки на 120 – 150 мм; на других заводах по крайней мере вдвое чаще. При выплавке 75%-ного ферросилиция за 10 мес. 1955 г. средняя высота перепуска составила 221 мм. При небольшой высоте единовременного пере пуска можно производить его без снижения нагрузки на электрод.

М.И. Гасик и С.И. Хитрик впервые достаточно подробно выяснили влияние регулировки подачи воздуха в воздушные рубашки электродов на ход обжига массы и установили, что температура воздуха на выходе из нижнего обреза рубашки должна составлять 50 – 60°; для регулировки они рекомендовали установить автоматические устройства. До применения автоматических устройств они предложили дробить электродную массу перед загрузкой в кожух до кусков размером не более 150 мм, контролировать температуру дутья на выходе из рубашки стационарными или переносными термопарами два раза в смену и вручную регулировать шиберы воздухопровода До сих пор фактическая температура воздуха (на выходе) в разное время года колебалась от 2 до 327°. Низкая температура воздуха приводит к чрезмерному повышению скорости обжига в нижней половине щек, высокая – к раннему коксованию электрода. Имеются сведения о случаях разрыва электрода при быстром выделении летучих в зоне зажимных щек; при раннем коксовании электрода не обеспечивается контакт его со щеками и они выходят из строя.

Удельный расход электродов на различных заводах показан в табл. 38 [134].

Таблица 38 

Удельный расход электродной массы

Заводы	Удельный расход электродной массы (кг) на 1 т сплава
	Си 45	Си 75
Запорожский	14	26
Челябинский	24	41
Кузнецкий	16	40
Липецкий	32	65

По Л. Аронову [126] к 1933 г. в США удельный расход угольных электродов составлял: на 15%-ный ферросилиций 12 – 26 кг/т, на 50%-ный – 25 – 37 кг/т, на 80%-ный – 40 – 60 кг/т и на высокопроцентный (> 90%) – 75 – 100 кг/т.

Удельный расход электродной массы уменьшается при переходе от легкоплавкого связующего (с температурой размягчения около 40°) к связующему с температурой размягчения 65 – 72°.

Недостаточно ясен вопрос о допустимой плотности тока на самоспекающихся электродах. Поскольку их электропроводность приближается к электропроводности прессованных электродов, предельная плотность тока не должна превышать 5,5 а/см² (хотя прессованные электроды печей завода Мариетта работают при г = 6,8 а/см² [85]). М. Додро [70] оценивает достижимую плотность тока на самоспекающемся электроде в 6 – 7 а/см². Д.Л. Оршанский и А.Н. Соколов [45] считают, что электроды диаметром 700 мм могут иметь плотность тока 8 а/см² диаметром 950 мм – 7 а/см². Заниженная плотность тока приводит к созданию тяжелых и громоздких подвесных систем.

На печах Миге-Перрон работали при небольшой плотности тока (2 а/см²). Это привело к тому, что на печи мощностью 13 700 ква диаметр электрода достиг 3,8 м, а на печи мощностью 15 000 ква даже 4,45 м. Электрод диаметром 3,8 м весил 100 г. Выплавка ферросилиция на таких печах в течение семи лет показала, что столь низкая плотность тока на электроде не дает никаких преимуществ в ведении технологического процесса и не улучшает производственные показатели.

Укажем (по М.С. Максименко [11]) на метод расчета рациональной плотности тока на электроде по формуле Паскье

где I – ток, а;

S – площадь сечения электрода, см²;

L – длина электрода, см;

? и ? – коэффициенты из таблицы;

? – теплопроводность, вт/см³ • °С;

t – разность температур между горячим и холодным концами электрода;

? – удельное электрическое сопротивление электрода, ом/см.

Примем L – длину электрода между нижним обрезом контактных щек и шихтой – равным 1 м. Диаметр электрода d= 1 м. Тогда ? =2,5, ? = 0,6, для 1300° • ?_уг = 0,575; 1750° – – 850° = 900°; ? = 0,00368. Получаем i = 7,66 а/см². Для тока в 50 000 а диаметр электрода равен 91,2 см. Все зависит, как видно из формулы, от разности температур на интересующей нас длине электрода.

По ?.?. Алексееву [135], ход обжига электродной массы определяется скоростью схода (количеством перепусков) электрода, зависящей от диаметра электрода и расхода его на 1000 квт-ч. ?.М. Алексеев указывает, что на запорожском заводе расход электродной массы при выплавке 45%-ного ферросилиция составлял 2,9 кг/1000 квт-ч вместо 4,5 – 4,9 кг/1000 квт-ч на других заводах, вследствие чего электроды коксовались выше контактных щек, и предлагает регулировать скорость схода электрода, изменяя его диаметр. Он рекомендует для 45%-ного ферросилиция, исходя из удельного расхода массы в 4,5 кг/1000 квт-ч и оптимальной плотности тока в электроде 5,3 а/см², определенный диаметр электрода для каждой силы тока (например, 980 мм для тока в 40 ка), по формуле

где i – оптимальная плотность тока, а/см²;

? – удельный расход массы, кг/1000 квт-ч.

Для 75%-ного ферросилиция ?.М. Алексеев принимает г = 5,5 а/см² и ? =4 кг/1000 квт-ч.

В соответствии с этими соображениями для увеличения скорости схода электрода на запорожском заводе следовало бы уменьшить диаметр электродов. ?.М. Алексеев в связи с этим ограничивает применимость приведенной формулы плотностью тока < 5,5 а/см² и указывает, что диаметр электродов запорожского завода пришлось, наоборот, увеличить для снижения плотности тока и одновременно отрегулировать режим воздушного охлаждения электродов.

По Блелоку [2], в западных странах плавят 50%-ный сплав в печах мощностью 12 500 ква при токе 40 000 а и диаметре электродов 0,915 м, т.е. при плотности тока ~ 6 а/см². Для электродов Содерберга и де-Стази принимает плотность тока 6 а/см².

При увеличении диаметра электродов сильнее сказывается влияние поверхностного эффекта (скин-эффекта), повышающего электросопротивление переменному току. В нашей практике нормально работает электрод диаметром 1050 мм при плотности тока i = 5,8 а/см², за рубежом – электрод диаметром 1500 мм при i = 4,4 а/см².