Изменение напряжения на дуге является наиболее сильным средством регулирования температуры и объема высоко нагретой зоны ванны ферросилициевой печи. Поскольку повышение напряжения с одной стороны обеспечивает развитие дуг и ускорение восстановительного процесса, а с другой – уменьшает погружение электрода в загруженные в ванну материалы, повышая потери через колошник, – должно существовать наиболее выгодное полезное напряжение, эмпирически определяемое при режиме, дающем наименьший полезный удельный расход энергии. Как сказано выше, при низком активном сопротивлении токопровода мы получим и наивысший ?общ и наименьший удельный расход электроэнергии. С технической точки зрения режим наименьшего удельного расхода энергии является выгодным потому, что он, как правило, является режимом высшей производительности данного агрегата; исключениями являются случаи достижения более высокой производительности данного агрегата в результате более высокого расхода энергии.

Такое положение имело место на печах Челябинского ферросплавного завода при переходе со ступени 145 в на ступень 160 в. С экономической точки зрения наименьший расход электроэнергии является выгодным, так как затраты на нее (по льготным для ферросплавного производства ценам) составляют 35 – 45% себестоимости ферросилиция для Си45 и Си75 соответственно, а остальные затраты также связаны с расходом электроэнергии.

Чувствительность ферросилициевых печей к изменениям напряжения предопределила тот факт, что все применявшиеся при выплавке 45%-ного ферросилиция фазовые напряжения отличались сравнительно немного максимум в 2,1 раза, а лучшие полезные напряжения только в 1,4 раза; применяемые мощности отличались в 2,3 раза при различии применявшихся токов в 8 раз (токи печей Миге и печей завода «Пороги» отличались в 34 раза, а напряжения – в 1,5 раза). Аналогично для 75%-ного ферросилиция предельные фазовые напряжения отличались на 40% (к наименьшему); различия в мощности были несколько больше 53% и обусловливались большой разницей токов.

Следовательно, мощность (и полезная мощность) и ток могут меняться в широких пределах по сравнению с напряжением, поскольку полезное напряжение непосредственно определяет успех технологического процесса.

Высказывалось много других взглядов. Р.М. Киней считал важным отношение мощности к поверхности колошника ванны (удельная мощность на единицу поверхности колошника); это так называемая «нагрузка на под». В изученных режимах она отличается в предельных случаях для 45%-ного ферросилиция в 1,85 раза, для 75%-ного – в 2,1 раза, т.е. сравнительно немного. Несомненно, эта величина представляет некоторый интерес, Для печей одинаковой мощности обычно лучшие результаты получаются при средней (статистической) удельной мощности на единицу площади колошника. Но при сравнении печей различной мощности обнаруживается (вопреки А. Д. Крамарову [157]), что с повышением абсолютной (и полезной) мощности целесообразно несколько повышать и «нагрузку на под» (полезную). Эндри пытался связать полезную мощность с объемом рабочего конца электрода, погруженного в шихту печи, и пришел к выводу о существовании обратно пропорциональной зависимости между электрическим сопротивлением ванны и диаметром электрода; однако диаметр электрода обычно пропорционален току и уже потому при неизменном полезном напряжении обратно пропорционален сопротивлению ванны. Таким образом, «вывод» Эндри в сущности не содержит ничего нового.

С. С. Штейнберг считал [148], что чем больший ток проходит через квадратный сантиметр, тем сосредоточенней нагрев. Но истинная плотность тока в различных точках ванны колеблется в огромных пределах и достигает наибольших значений в мизерных по площади и объему участках, прежде всего в дугах; при наличии дуг заботиться о повышении плотности тока излишне.

По Кофману полезная мощность фазы пропорциональна расстоянию между нижним обрезом электрода и подиной и квадрату плотности тока на электроде: отсюда удельная энергия или – при постоянстве напряжения – ток соответствует данной глубине погружения электрода. Однако достаточно понаблюдать за работой ферросилициевой печи несколько часов, чтобы убедиться в необходимости передвижения электродов для поддержания определенной силы тока. Представления Кофмана [126] не соответствуют условиям работы реальных печей. Надежды на хорошую работу печей Миге-Перрон с неподвижным электродом не оправдались, вследствие неблагоприятного влияния регулирования тока путем резких колебаний напряжения на производительность печи.

М. С. Максименко указал, что при определенном времени пребывания шихты в печи увеличение удельной мощности (при уменьшении свободного сечения горна) требует увеличения высоты слоя шихты. Но само время пребывания шихты в печи зависит прежде всего от объема и температуры зоны восстановления («тигля»), определяемых электрическим режимом, а значит в какой-то мере и полезной удельной мощностью. В последние годы отмечается одновременное увеличение удельной мощности и уменьшение высоты слоя шихты в ванне ферросилициевых печей.

В. Н. Крылов [158] предложил выбирать электрический режим в зависимости от оптимальной удельной мощности в электроде. Заметим, что для крайних случаев этот показатель отличается в 9 раз; он не нашел применения, так как не дает пути для выбора напряжения.

С. А. Моргулев одно время считал критерием для подбора электрического режима величину полезного сопротивления ванны; тогда оптимальный ток должен быть пропорционален полезному напряжению. Это примитивное представление до сих пор живуче; В. В. Рукавишников и В. А. Кравченко [124] искали зависимость глубины погружения электродов в запорожских и челябинских печах от отношения I₂ : u₂. Такая зависимость справедлива для печей с одинаковыми электрическими параметрами. Если же взять отношение I₂: u_{полезн.фаз}, то на челябинских печах оно составляет от 512 до 605, а на запорожских (из данных «Севзапэнергочермета») – 565, что не объясняет различия в глубине погружения электродов. Более важно то, что на запорожских печах на 9% ниже полезное фазовое напряжение, чем на челябинских. По отношению тока к напряжению известны режимы работы при выплавке 45%-ного ферросилиция, которые отличались в 18 раз. Таким образом, использование этого отношения для сравнения различных печей только запутывает дело.

А. С. Микулинский выдвинул следующие положения [50]: «В электрических руднотермических печах минимальный удельный расход энергии достигается правильным распределением тока в твердой шихте и подэлектродном пространстве. Это электрическое поле создается, если и

Напряжение на печи не должно превосходить значения

где

u_ок – оптимальное напряжение на печи при удельном омическом сопротивлении твердой шихты ? и диаметре электрода к, равных единице;

i – плотность тока на электроде;

k – соотношение между омическими сопротивлениями шихты на колошнике и у низа электрода;

Р_каж. – мощность печи, ква,

а – расстояние между осями электродов;

l – расстояние от зеркала жидкого расплава до верхнего обреза ванны.

А. С. Микулинский смешивает напряжение и мощность трансформатора с напряжением и мощностью в ванне, пренебрегая потерями в токопроводе, что делает его формулы не совсем точными; он пренебрегает теплопередачей газовых потоков и условиями тепловой изоляции дуг. Использование геометрического подобия при расчете электроплавильных печей неправомерно; нельзя не учитывать определяющего влияния распределения градиентов напряжения и газовых потоков на температурное поле. Наконец, лучшая в данное время по своим показателям печь не может служить шаблоном для будущих печей, так как новые печи должны быть избавлены от недостатков известных и испытанных конструкций и электрических режимов. А. С. Микулинский, уклоняясь от конкретного анализа электрических режимов и конструкций печей, не может вскрыть новых резервов производства. Утверждение, что при обеспечивается минимальный расход энергии, недостаточно точно. В известных нам трехфазных ферросилициевых печах колеблется от 2,07 до 3,00; печи, имеющие ближе к 2,00, конструктивно удачнее, так как минимальный распад электродов обеспечивает объединение воедино «тиглей» трех электродов. Но в печи наибольшей мощности, при использовании относительно высоких напряжений, хорошие показатели можно получить и при около 3,00. Для расчетов по формулам А. С. Микулинского надо уметь определить u_ок, ? и k, что представляет особые трудности. Позднее А. С. Микулинский [51] пришел к определению критерия подобия печей через

В последние годы С. А. Моргулев утверждает, что должно существовать определенное соотношение между мощностью дуги и полезной мощностью; так как он полностью пренебрегает шунтирующей дугу частью тока, то подобное же соотношение должно быть между напряжением дуги и полезным напряжением. Битюков по этому поводу указал, что влияние добавок в шихту, меняющее электросопротивление ванны, заметно через 35 мин. после их загрузки на колошник, что говорит о наличии шунтирующего тока на некоторой глубине от поверхности колошника; кроме того, напряжение тройной частоты, по которому исчисляется u_д, значительно менее постоянно, чем u_{полезн фаз}. Напомним также о ненадежности вычисления u_д как 3и щ. Таким образом, в настоящее время недостаточно данных для рекомендации определенного отношения u_д : u_{полезн фаз} и (что существеннее) для рекомендации оптимальной величины u_д.