В фокусах нагрева, какими являются в печах для кремния электрические дуги, температура доходит до 7000 – 8000°. Отдельные факелы газов на высоте 1 – 1,2 м выше дуги имеют температуру 1800 – 1900°. Шихта в центре колошника, между электродами, имеет температуру не ниже 750°, а в наиболее холодной точке 430°. Железный кожух печи на расстоянии 950 мм от дуг имеет температуру 215°, температура кремния на выпуске – 1510°. Приведенные данные говорят о большой неравномерности потенциалов теплового поля в ванне.

Температурный градиент ванны изменяется в различных направлениях то скачкообразно, то относительно плавно. Даже при работе печей без простоев в зависимости от случайных особенностей схода шихты и движения газов температурный градиент в одной и той же геометрической точке резко меняется во времени. Расчеты электрического и температурного поля дуговых ферросплавных печей необходимо производить с учетом реальных условий горения дуги, неравномерного температурного градиента ванны и условий теплопередачи при помощи горя чих газов. В противном случае подобные расчеты [73] нельзя считать достоверными. Нельзя полностью согласиться с мнением тех авторов, которые считают, что правильного распределения температуры в печном пространстве можно достигнуть обеспечением соответствующего электрического поля [50].

Газовые потоки, состав шихты, ее габариты и физические свойства (спекаемость, вязкость, теплопроводность и пр.), методы ведения колошника (закрытый колошник или работа с проплавлением, гомогенная или гетерогенная загрузка шихты, применение прокалывателей, завалка конусами вокруг электродов и т.п.), особенности шлаковой фазы, периодичность выпусков – все эти факторы оказывают более существенное влияние на образование температурного поля, чем электрическое поле. Более того, можно предполагать, что характер электрического ноля вне дуги является результатом существования некоторого температурного поля.

По схеме распределения тока в печи, предложенной Б. М, Струнским [74], при бесшлаковом процессе под каждым электродом имеется газовое пространство (так называемый «тигель»), стенками которого является раскаленная и спекшаяся шихта, днищем – расплав и сводом – электрод. Результаты многократных выломок печей, производящих кремний, с целью прощупать материалы, находящиеся под электродами, не подтвердили такой схемы.

Установлено, что расплав (жидкий кремний) располагается не на подине (в строительном ее понимании) и отделен от электрода не только газовым промежутком. Действительная картина такова; горн печи заполнен «магмой» (выражение М.С. Максименко), содержащей неопределенной величины «озера» жидкого кремния. Часто такое скопление находится вблизи выпускного отверстия и соединяется с подэлектродными пространствами сравнительно узкими ходами (каналами).

Применяемое производственниками название «тигель» отнюдь не означает заполненного газом пространства под торцом электрода, как это можно подумать при взгляде на схему, опубликованную Г.В. Кирсановым [75], или приведенную в работе [1]. Автор этого термина понимал его таким образом [76]: «Так как ферросилициевая шихта плохо проводит тепло, высокая температура, получаемая в газовой среде, держится близко у электрода Поэтому работу электрода необходимо представить себе таким образом, что шихта около электрода расположена в виде тигля и все процессы плавления и восстановления происходят в этом тигле». В другом месте [77] А. Вальтер дает следующее разъяснение: «Ввиду того, что при восстановлении шихты газообразные продукты восстановления подымаются и выходят через колошник из печи, а образующийся сплав занимает всего лишь 0,06 объема заданной для его образования в печь шихты – во время процесса плавки над реакционным пространством постоянно образуются пустоты, в которые оседает вышележащая шихта. Последняя при осадке, начиная с поверхности колошника, постепенно просушивается и прокаливается. Осадка происходит по кольцевому пространству (активному поясу) вокруг электрода. Диаметры кольцевого пространства определяются: внутренний – диаметром электрода, а наружный – диаметром простирания реакционной температуры…»

Шихта, задаваемая в печь, движется в пределах этого пояса, который является важнейшей частью «тигля». Тигель имеет расширенную, в результате работы газов при конической загрузке шихты, верхнюю часть. Дно тигля пористое. Через него просачивается ферросилиций к поду печи.

В одноэлектродной печи стенками тигля служит боковой гарниссаж. В двух и трехэлектродных печах даже при горячем ходе также обнаруживается нарастание гарниссажа по периметру живого сечения колошника, вследствие отсутствия здесь схода шихты При холодном ходе печи «колодцы» («тигли») вокруг электродов могут и не соприкасаться между собой и образуется устойчивое средостение, разделяющее рабочие пространства отдельных электродов. В этом случае середина колошника печи шихту не принимает, газы здесь не выделяются.

Глубина тигля определяется наибольшей применяемой в практике глубиной погружения электродов в шихту. При изменениях в шихтовке, в электрическом режиме или в уровне колошника глубина погружения электродов может увеличиваться; в большинстве случаев дуга на конце электрода сравнительно быстро разрабатывает дно тигля (часто имеющее форму воронки) на соответствующую глубину. Очень часто торец электрода на какое-то время поднимается на несколько сот миллиметров от дна тигля. И в этих случаях под электродом не остается значительной газовой камеры: все заполняется до дна конденсированными веществами.

Из внутренней стенки тигля печи, плавящей кремний, при выломке ее содержимого была взята проба [78]. На этом участке сохранились вещества, еще не вступившие в химическую реакцию между собой (свободный углерод, SiO₂), имелись промежуточные продукты (SiC и SiO), и, наконец, корольки восстановленного кремния. Проба была визуально разделена на две части по макроструктуре и окраске. Приводим анализ, выполненный ?.М. Костяновской (табл. 12).

Как следует из табл. 12, непрореагировавшая шихта (SiO₂ и C_своб.) является заполнителем пор в стенке тигля и занимает от 35 до 50% ее состава. Скелетом стенки тигля являются промежуточные продукты восстановительного процесса (SiO и SiC), вышедшие из горячей зоны дальнейшего развития реакции; эти «полупродукты» занимают в стенке тигля от 20 до 60% ее состава. При длительной устойчивой работе печи стенки и дно тигля представляют собой твердую изотермическую поверхность, характеризующуюся наличием значительного содержания карборунда.

Теоретически температура этой поверхности должна быть близка к 1960°, так как выше этой температуры карборунд разрушается газообразной моноокисью кремния и жидким кремнеземом. Внутри тигля такое накопление карборунда может происходить лишь временно под влиянием избытка углерода и снижения температуры. При отсутствии заметных скоплений карборунда, т.е. при ощутительном недостатке углерода в шихте, устойчивый гарниссаж может образоваться в более холодной (и более удаленной от электрода) области ванны. Изотермическая (внутренняя) поверхность такого гарниссажа теоретически должна иметь температуру, близкую к 1700°, т.е. к точке плавления кварца.

Дно тигля, расположенное на минимальном (по температурным условиям) расстоянии от торца электрода, не должно находиться на уровне подины: близость дуги с ее высокой температурой заметно мешает конденсации кремния в горне печи. В практике работы неоднократно бывали случаи, когда в открытое выпускное отверстие была видна дуга. В этих случаях газы свободно уходят через выпускное отверстие, в связи с этим теряются полупродукты (т.е. затраченное на их получение «химическое» тепло) и физическое тепло, затраченное для их нагрева.

Такой режим приводит также к разъеданию дугами подины. Поэтому дно тигля должно быть хотя бы на 200 мм выше подины. Наименьшее расстояние между дном тигля и подиной получается при работе с непрерывным выпуском продукта из печи.

Глубина погружения электрода в шихтовые материалы при производстве кремния должна составлять около 1,2 м. При глубине погружения электрода менее 1 м потери кремния (и тепла) через колошник резко увеличиваются. По данным проведенного в 1951 г. баланса потери кремния при нормальном ходе печи составили 20,2%.

При избытке углеродистого восстановителя в шихте в верхних частях тигля скапливается карборунд и уменьшается погружение электрода в шихту вследствие повышения электропроводности ванны. При длительном избытке углерода карборунд заполняет нижние части тигля, а в дальнейшем его поры пропитываются кремнием и образуется механически очень прочный блок, удаление которого требует остановки печи. При недостатке восстановителя ходы горна быстро затягиваются кварцевым стеклом, затрудняющим выход сплава. Электрод, вследствие падения электропроводности ванны, опускается глубже нормального и, соприкасаясь с кварцевым стеклом, быстро расходуется как восстановитель.

При правильной дозировке углеродистого восстановителя глубокое погружение электрода в шихту увеличивает расстояние между дугой и поверхностью колошника, а следовательно: а) улучшается тепловая изоляция высокотемпературной зоны и протекание физико-химических процессов, б) лучше используется тепло газов, движущихся от дна тигля к колошнику, в) полнее улавливаются восстановленные продукты и г) увеличивается реакционное пространство тигля и «живое сечение» колошника. Наилучшие технико-экономические показатели в производстве кремния достигнуты в печах со строительной глубиной ванны 1600 мм при устойчивой глубине погружения электродов около 1300 мм. По данным 1954 г. использование кремния на таких печах достигало 86%, следовательно, потери через колошник не превышали 13 – 14%.