По примеру балансов, составленных Э. Шлумбергером [162] и Равеном, был опубликован в 1934 г. баланс производства ферросилиция на трехфазной печи челябинского завода мощностью 7800 ква [27] (1). Впоследствии были опубликованы материальные балансы печей Запорожского ферросплавного завода (до войны). ЧФЗ (1943 г.), составленные под руководством С. И. Хитрика (2 и 3) [163], восточного завода, составленные В. Д. Мароном и Корочкиным [120] зимой 1953 – 54 гг. (4) и техническим отделом и металлургической лабораторией ЧФЗ в 1954 и 1956 гг. (5 и 6). Каждый из этих балансов имеет свои особенности. В табл. 42 – 45 приведены состав шихтовых материалов и расходные коэффициенты на 1 т сплава.

Таблица 42 

Состав кварцитов, %

Таблица 43 

Состав углеродистых восстановителей

Таблица 44 

Состав стальной стружки, %

Таблица 45 

Расходные коэффициенты на базовую тонну, кг

Обращает на себя внимание, что в 1956 г., вследствие влияния случайных факторов, кварцит, употреблявшийся для выплавки 75%-ного ферросилиция был хуже, чем для выплавки 45%-ного ферросилиция.

В табл. 45 дан расход материалов на 1 «базовую» тонну сплава. «Базовой» тонной считают соответственно для Си45 и Си75 450 и 750 кг кремния в сплаве. Из табл. 45 видна выгодность работы на самоспекающихся электродах, расход которых ниже, чем прессованных и обожженных (на них работали в 1934 г. на челябинском заводе). К расходу электродной массы в последующих балансах следует добавить расход листового железа (по балансу № 4 – не указан): при выплавке 45%-ного ферросилиция на челябинском заводе в 1956 г. 1,4 кг, на 75%-ный (там же) – 1,67 кг.

При снятии баланса № 4 выявлен, помимо указанных в таблице материалов, расход отсевов 75%-ного ферросилиция в количестве 4,04 кг и 45%-ного – ,в количестве 1,19 кг на базовую тонну полученного сплава.

Обращает на себя внимание увеличенный расход кварцита при производстве 75%-ного сплава на челябинском заводе в сентябре 1956 г. по сравнению с 1943 г. Потери кремния с колошниковыми газами в этом процессе в 1943 г. составляли 10%, в шлак – 0,6% (количество шлака определено расчетом по балансу алюминия). Между тем, по балансу кремния в 1956 г. потеряно с газами лишь 6,7% кремния, в шлаке 2,9%. Дело В том, что кварцит при снятии баланса 1943 г. был богаче по SiO₂ на 1,7%, и в каждых 100 кг коксика содержалось также на 1,1 кг SiO₂ больше, чем при снятии баланса 1956 г. Значит, несмотря на увеличение расходного коэффициента кварцита, использование кремния несколько повысилось.

Сравнив баланс кремния в 1943 г. и 1956 г. при выплавке 45%-ного ферросилиция, заметим, что в первом случае потери кремния с колошниковыми газами составили 4,3%, со шлаком – 0,4%; во втором случае 4,56%, с газами и 1,1% со шлаком.

Однако нужно сказать, что перед составлением баланса в октябре 1956 г. был составлен на этой же печи еще один материальный баланс при ином электрическом режиме, причем потери кремния с газами были 3,0% и со шлаком 1,9%, т.е. всего 4,9%. По балансу № 4 потери кремния еще меньше: с газами 2,75% и со шлаком 1,52%, т.е. всего 4,27%. Следовательно, при хорошей работе суммарные потери внесенного в печь кремния должны быть не более 4,5%, а так как кварцит вносит ~ 96% SiO₂, содержащегося в шихте, то отношение кремния, содержащегося в годном сплаве, к кремнию, вносимому кварцитом, составит 99,5 – 100%. Соответствующая величина при производстве 75%-ного ферросилиция (отношение количества кремния в сплаве к количеству кремния, внесенного кварцитом) при хорошей работе составляет 94 – 96%.

Приближенно можно считать, что потери кремния при производстве 75%-ного ферросилиция вдвое больше, чем при производстве 45%-ного. Это хорошо объясняется тем, что на единицу кварцита в шихте при выплавке 45%-ного ферросилиция вводится в пять раз больше железа (в виде стружки), способствующего восстановлению и конденсации кремния.

Избыток твердого углерода (горение на колошнике и унос с газами), по данным С. И. Хитрика (1943 г.), при выплавке 45%-ного ферросилиция ориентировочно составляет 8,5%, по данным В. Д. Марона и Е. И. Корочкина – 7,8%, по балансу, сделанному на челябинском заводе в октябре 1956 г. – 10,8%. При выплавке 75%-ного ферросилиция в 1934 г. избыток (угар) составил примерно 9,0%, а в 1956 г. – 8,9%. Таким образом, угар углерода при обычной шихте и нормальной работе колебнется очень немного, в пределах 8 – 9% (меньшая цифра относится к Си45); больший угар, по балансу, составленному в октябре 1956 г. на челябинском заводе, должен вызывать законную тревогу.

В табл. 46 приведены составы сплавов, выплавленных во время составления балансов.

Таблица 46 

Составы ферросилиция, %

Обращает на себя внимание высокое содержание алюминия по балансу № 4; составители баланса объясняют это тем, что среди примесей железной стружки обнаружено большое количество (3,2% к весу неочищенной стружки) алюминия в металлическом и окисленном состоянии. Недобросовестность поставщика, плохо организовавшего сбор и хранение стружки, выяснилась только при составлении материального баланса.

Содержание фосфора в 75%-ном ферросилиции челябинского завода высокое, переход фосфора в сплав составляем 84%. Переход материалов из шихты в продукты плавки характеризуется следующими цифрами: для сплава марки Си45 (В. Д. Марон и Е. И. Корочкин) – в сплав 44,7%, в шлак 2,0%. в газы – 53,3%; для сплава марки Си75 (баланс, составленный на челябинском заводе в 1956 г.) – в сплав 32,4%, в шлак 1,5%, в газы 66,6%.

Не существует единого способа отбора проб шлаков: отбирают пробы из-под струи жидкого шлака, квартованием застывшего шлака (челябинские балансы 1956 г.); не существует также единой методики их химического анализа, крайне усложненного из-за вкраплений сплава (ферросилиция) и карборунда. Это затрудняет пользование табл. 47, в которой показаны составы шлаков.

Таблица 47 

Состав шлаков, %

Во всех шлаках количественно преобладают глинозем или кремнезем. Следовательно, в жидкой шлаковой фазе мы во всех случаях имеем дело с алюмосиликатами таких оснований как СаО, ВаО и MgO. Количество шлака (кратность) определяли по-разному.

При составлении баланса выплавки 45%-ного ферросилиция, выполненном под руководством С. И. Хитрика, весовая кратность газов по отношению к полученному сплаву составляла 1,1. Пробы колошниковых газов брали до их окисления из верхнего слоя шихты при помощи стальной трубки (протравленной внутри кислотой) с фарфоровым наконечником. По-видимому, в пробы попадало около 10% воздуха.

По данным С. И. Хитрика, в среднем при выплавке 1 базовой тонны сплава Си45 выделяется 850 м³ газов, при выплавке 1 базовой тонны сплава Си75 – 1400 м³, теплотворной способностью 2700 – 2900 кал/м³.

Анализ газа, полученный В. Д. Мароном и Е. И. Корочкиным, приведен в табл. 48.

Таблица 48 

Средний состав колошниковых газов при выплавке 45%-ного ферросилиция

Последние пробы чище от азота (следовательно – воздуха) и характерны заметно большей концентрацией СО. Весовая кратность (вместе с парами) по этому балансу – 1,19. По челябинскому балансу 1956 г. весовая кратность газов и паров при выплавке 45%-ного ферросилиция 1,16, 75%-ного – 2,04. Следовательно, ферросилициевая печь есть одновременно и газогенератор.

Газы сгорают над колошником, после чего удаляются, разбавленные воздухом не менее чем в 50 раз. На каждую тонну 45%-ного ферросилиция приходится выбрасывать не менее 60 т отходящих газов; через вытяжную трубу должно пройти при исходной температуре ~ 300° приблизительно 140 000 м³ отходящих газов на каждую тонну сплава. Количество отходящих газов на каждую тонну 75%-ного ферросилиция почти вдвое больше, вследствие более высокой температуры над колошником (не менее 240 000 м³).

Цель составления материальных балансов – дать картину переработки в печи действительно загруженных в нее материалов, в то время как производственная бухгалтерская отчетность учитывает и различные потери их до печи. Баланс на мощной ферросилициевой печи должен проводиться около 10 суток для исключения влияния кратковременных случайных явлений. Балансы, проводимые на опытных режимах (например, некоторые балансы, проведенные под руководством С.И. Хитрика, для испытания высших или низших ступеней напряжения), преследуют более узкую цель. Данные балансов особенно ценны для технических расчетов потребности в сырье и вспомогательных материалах, для проектирования и, наконец, для выяснения возможности экономии материалов. Материальные балансы одновременно являются проверкой качества работы отдела технического снабжения, отдела технического контроля, химической лаборатории, участка чистки ферросилиция, службы оперативного и бухгалтерского учета и т.д.

Разумеется, без материального баланса нельзя составить тепловой баланс производства.

Составление материального баланса требует серьезной подготовки и наличия специального наблюдающего и взвешивающего персонала в местах взвешивания шихты, обслуживания колошника, разливки и очистки ферросилиция. Обычное взвешивание шихтовых материалов не исключает больших отклонений от заданного веса. При составлении баланса не следует требовать абсолютной точности дозировки, так как это может задержать заготовку шихты, но нужно точно записывать ее фактический вес. Целесообразно иметь в закромах запас шихтовых материалов определенного состава на все время составления баланса (что, однако, не снимает необходимости периодического отбора проб); это является гарантией ритмичной работы печи в период исследования и предохраняет от неожиданностей. Вообще говоря, повышенное внимание, сопровождающее всякое серьезно поставленное производственное исследование, приводит, как правило, к улучшению производственных показателей.

Пробы для химического анализа следует отбирать в количествах, безусловно обеспечивающих их соответствие среднему составу расходуемых материалов. Это значит, что должна быть обеспечена достаточная частота отбора проб и регулярность. Объем пробы должен определяться расчетом, учитывающим размеры кусков шихты. Чем больше средний размер кусков, тем больше будет относительный объем пробы, и чем больше будут пределы колебаний в размерах, тем также больше будет относительный объем пробы. Пробы материалов, в которых должна определяться влага, нельзя хранить в открытом виде, их следует возможно быстрее квартовать и подвергать анализу.

Необходимо обеспечить взвешивание и химический анализ всех вспомогательных материалов, попадающих в ванну или в разливочный ковш электродной массы и кожухов, жердей и прутьев, огнеупоров, песка, материалов, служащих для прошуровывания и закрывания выпускного отверстия, отсевов топлива, служащих для засыпания сплава в ковше. Тем более необходимо взвешивать и устанавливать состав всяких случайно или регулярно переплавляемых отходов. Желательно взвешивать разливочный ковш до выпуска, а затем ковш, заполненный сплавом, перед разливкой. Взвешивают годный, очищенный Сплав и отдельно отсевы, шлак, брак. Таким путем устанавливают потери в ковше, потери при разбивке и очистке сплави.

Пробы шлака следует брать параллельно – от струи жидкого шлака и от собранного твердого расквартованного шлака. Сравнение анализов параллельных проб чрезвычайно важно для установления подлинного состава и количества шлака, который во время выпуска неизбежно меняется, загрязняется песком, материалами, служащими для закрывания летки, в результате разъедания футеровки разливочного ковша и т.д. Пробы сплава также следует брать параллельно – от жидкой струи и от слитков.

Для уточнения состава и количества газов необходим отбор проб газов на колошнике (до сгорания) и параллельный отбор проб в достаточно длинном прямолинейном участке дымохода, наряду с определением запыленности и состава пыли в газах и их скорости. Параллельные пробы позволят правильно оценить количество и состав газов, характер и количество уносимой ими пыли.

Необходимо сводить баланс не только по суммарному весу всех материалов (заданных и полученных), но и по таким элементам, как Si, С, Fe, Al. Опыт показывает, что при общей невязке, например, 0,7 – 1,6%, невязка в балансах по элементам колеблется в пределах 2,1 – 9,0%. Выяснение причин невязок всегда приводит к поучительным, подчас неожиданным, результатам, как в случае обнаружения (баланс № 4) примеси алюминия в стальной стружке.

В декабре 1954 г. на челябинском заводе при составлении материального баланса на печи, выплавлявшей 75%-ный ферросилиций, балансом по кремнию установлена невыгодность переплава отходов в печи. Без переплава отходов удельный расход кварцита был 1740 кг/т, энергии – 8730 квт-ч/т, а при переплаве – 1745 кг кварцита и 8750 квт-ч на базовую тонну. Из-за введения в шихту отходов несколько ухудшились ход печи и работа летки.

При составлении материальных балансов производства ферросилиция приходится решать вопрос о том, в каком виде теряется кремний. Из температур кипения SiO, SiO₂ и Si следует сделать вывод, что потери элементарного кремния с газами возможны лишь при таком ходе печи, который сопровождается частыми «свищами» на колошнике. При нормальном ходе печи наиболее вероятна потеря кремния в виде SiO.