📄Работа №102200
Тема: СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДЬСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ В ТРОФ-КОНВЕРТЕРЕ
Тип работы
Диссертации (РГБ)
Предмет
металлургия
Объем:
192 листов
Год:
2018
Просмотров:
325
4330
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНОГО
МЕДЬСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 10
1.1 Гидрометаллургические способы переработки ВЦМ 11
1.2 Пирометаллургическая технология переработки медьсодержащих ломов и отходов 13
1.3 Анализ технологических процессов обеднения шлаков ВЦМ 18
1.3.1 Физико-химические свойства шлаков ВЦМ 18
1.3.2 Пиро- и гидрометаллургические технологии переработки шлаков от плавки ВЦМ 28
1.4 Характеристика сырья ЗАО «НМЗ» и описание существующей технологии его
переработки 40
1.5 Физико-химические особенности переработки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от плавки
латуни в ТРОФ-конвертере 44
Выводы по разделу 45
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 47
2.1 Исследование влияния состава шихты в агрегате ТРОФ на распределение меди между
продуктами плавки и конвертирования 47
2.2 Разработка номограммы для расчета содержания флюсующих компонентов в
зависимости от концентрации цинка в шлаке 56
Выводы и постановка задач исследований в работе 60
Глава 3. ПОИСК ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ
МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ ВЦМ В ТРОФ-КОНВЕРТЕРЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШЛАКОВ 61
3.1 Анализ химического и фазового составов шлаков МЕРЦ и шлаков от плавки латунных ломов в ТРОФ-конвертере 61
3.2 Исследование вязкости шлаков 65
3.3 Исследование электропроводности шлаков 71
3.4 Термодинамическое моделирование совместной плавки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от
переработки латунных ломов в ТРОФ-конвертере 75
3.4.1 Методика термодинамического моделирования 76
3.4.2 Результаты эксперимента и их обсуждение 88
3.5. Исследование кинетических закономерностей отгонки цинка из шлаков 107
3.5.1 Методика и объекты исследования 108
3.5.2 Результаты экспериментов и их обсуждение 112
Выводы и рекомендации 123
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ВАННЫ ТРОФ-КОНВЕРТЕРА МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 125
4.1 Особенности гидродинамики работы ТРОФ-конвертера 125
4.2. Моделирование гидродинамики работы ТРОФ-конвертера 128
Выводы по разделу 154
Глава 5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЛАВКИ ШЛАКОВ И ЛОМОВ В ТРОФ-КОНВЕРТЕРЕ 156
5.1 Особенности конструкции ТРОФ-конвертера 156
5.2 Источники тепла и причины потерь тепла. Основные факторы, влияющие на тепловой баланс 157
5.3 Плавка шлаков 163
Выводы и рекомендации 166
Глава 6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКОВ
ПЕЧИ МЕРЦ И ОТ ПЛАВКИ ЛАТУННЫХ ЛОМОВ В ТРОФ-КОНВЕРТЕРЕ 168
6.1 Плавка ломов 168
6.2 Результаты опытных плавок ломов 171
6.4 Обеднение шлаков 173
6.5 Результаты обеднения шлаков 175
6.6 Рекомендации 175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 183
Приложение Акт внедрения 192
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНОГО
МЕДЬСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 10
1.1 Гидрометаллургические способы переработки ВЦМ 11
1.2 Пирометаллургическая технология переработки медьсодержащих ломов и отходов 13
1.3 Анализ технологических процессов обеднения шлаков ВЦМ 18
1.3.1 Физико-химические свойства шлаков ВЦМ 18
1.3.2 Пиро- и гидрометаллургические технологии переработки шлаков от плавки ВЦМ 28
1.4 Характеристика сырья ЗАО «НМЗ» и описание существующей технологии его
переработки 40
1.5 Физико-химические особенности переработки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от плавки
латуни в ТРОФ-конвертере 44
Выводы по разделу 45
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 47
2.1 Исследование влияния состава шихты в агрегате ТРОФ на распределение меди между
продуктами плавки и конвертирования 47
2.2 Разработка номограммы для расчета содержания флюсующих компонентов в
зависимости от концентрации цинка в шлаке 56
Выводы и постановка задач исследований в работе 60
Глава 3. ПОИСК ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ
МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ ВЦМ В ТРОФ-КОНВЕРТЕРЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШЛАКОВ 61
3.1 Анализ химического и фазового составов шлаков МЕРЦ и шлаков от плавки латунных ломов в ТРОФ-конвертере 61
3.2 Исследование вязкости шлаков 65
3.3 Исследование электропроводности шлаков 71
3.4 Термодинамическое моделирование совместной плавки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от
переработки латунных ломов в ТРОФ-конвертере 75
3.4.1 Методика термодинамического моделирования 76
3.4.2 Результаты эксперимента и их обсуждение 88
3.5. Исследование кинетических закономерностей отгонки цинка из шлаков 107
3.5.1 Методика и объекты исследования 108
3.5.2 Результаты экспериментов и их обсуждение 112
Выводы и рекомендации 123
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ВАННЫ ТРОФ-КОНВЕРТЕРА МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 125
4.1 Особенности гидродинамики работы ТРОФ-конвертера 125
4.2. Моделирование гидродинамики работы ТРОФ-конвертера 128
Выводы по разделу 154
Глава 5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЛАВКИ ШЛАКОВ И ЛОМОВ В ТРОФ-КОНВЕРТЕРЕ 156
5.1 Особенности конструкции ТРОФ-конвертера 156
5.2 Источники тепла и причины потерь тепла. Основные факторы, влияющие на тепловой баланс 157
5.3 Плавка шлаков 163
Выводы и рекомендации 166
Глава 6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКОВ
ПЕЧИ МЕРЦ И ОТ ПЛАВКИ ЛАТУННЫХ ЛОМОВ В ТРОФ-КОНВЕРТЕРЕ 168
6.1 Плавка ломов 168
6.2 Результаты опытных плавок ломов 171
6.4 Обеднение шлаков 173
6.5 Результаты обеднения шлаков 175
6.6 Рекомендации 175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 183
Приложение Акт внедрения 192
📖 Введение
Актуальность работы
Переработка вторичных медьсодержащих материалов в настоящее время является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед цветной металлургией. В то время как запасы минерально-сырьевой базы сокращаются, объемы техногенного медьсодержащего сырья продолжают возрастать. К такому сырью относятся: лома сплавов цветных металлов, шлаки металлургических производств, пыли и прочие медьсодержащие материалы.
Гидрометаллургические способы переработки этих материалов осложняются непостоянством их химического состава, загрязненностью сырья различными неметаллическими примесями и многообразием форм и размеров перерабатываемых материалов, а так же сравнительно низкой производительностью. Эти причины обуславливают ограниченную применимость гидрометаллургических методов. Традиционным способом переработки таких материалов является пирометаллургический способ. Современная тенденция снижения материалоемкости новых изделий вынуждает разработчиков использовать более разнообразные материалы и сплавы. Таким образом, в переработку поступает сырье все более сложного состава, что вынуждает металлургов искать способы наиболее комплексной переработки такого сырья.
Степень разработанности темы исследования
В настоящее время большинство предприятий, перерабатывающих вторичное медьсодержащее сырье, используют пирометаллургическую схему переработки ввиду ее относительной простоты и высокой эффективности. Уменьшение объема высококачественных ломов приводит к тому, что переработке подвергаются лома и материалы более сложного состава, содержащие, кроме меди, значительные количества цинка, свинца, никеля и прочих металлов. Большое содержание цинка в исходном сырье значительно затрудняет его переработку. Так, увеличение содержания цинка в шихте приводит к образованию высоковязких тугоплавких цинковистых шлаков. В свою очередь ухудшение свойств шлаков приводит к увеличению потерь меди со шлаком. Помимо этого, значительно возрастает время переработки и, как следствие, увеличиваются операционные затраты. Решением проблемы переработки вторичных медьсодержащих материалов может быть достигнуто оптимизацией физико-химических свойств шлаков за счет перевода цинка, содержащегося в шихте, в самостоятельный продукт - возгоны, с последующим улавливанием их из газовой фазы на фильтрах.
Целью работы является разработка научно обоснованного способа снижения потерь меди со шлаками за счет корректировки состава шлаков при переработке ломов цветных металлов в ТРОФ-конвертере и уменьшения объема отвальных шлаков.
Задачи исследования:
1. Провести термодинамическое моделирование для определения равновесных составов системы металл-шлак-газовая фаза применительно к процессу обеднения смеси шлаков в ТРОФ-конвертере.
2. Определить кинетические особенности протекания процессов возгонки соединений цинка при пирометаллургической переработке вторичных медьсодержащих материалов в условиях ТРОФ-конвертера.
3. Определить физико-химические свойства шлаков и возможные методы их корректировки.
4. Изучить гидродинамические особенности работы плавильного агрегата для создания условий, позволяющих увеличить степень обеднения шлаков, сократить время переработки и снизить нагрузку на футеровку, создав тем самым предпосылки для продления кампании агрегата.
5. Установить оптимальные режимы плавки вторичного медьсодержащего сырья в ТРОФ-конвертере.
Научная новизна и теоретическая значимость:
1. На основании данных об анализах заводских шлаков установлена корреляция между содержанием меди и содержанием цинка в шлаке.
2. Изучено влияние металлического железа, применяемого в качестве флюса и восстановителя при плавке медного цинксодержащего лома, на кондиционность шлаков. Показано, что использование в качестве восстановителя металлического железа, позволяет эффективно восстановить соединения цинка, обеспечить снижение содержания цинка в шлаке, что приводит к снижению содержания меди в отвальных шлаках.
3. Изучены физические свойства высокоцинковистых шлаков и возможные способы влияния на них в процессе плавки. Определена энергия активации вязкого течения, которая максимальна в случае гетерогенизации шлака и составляет 460 кДж/моль. Установлено оптимальное соотношение флюсующих компонентов (МРе 15 %, МСао 4 % от массы шлака), способствующее получению кондиционных шлаков.
4. Проведен термодинамический анализ совместной переработки высокоцинковистых шлаков и шлаков огневого рафинирования черновой меди.
На основе полученных данных показана принципиальная возможность совместной переработки указанных шлаков с выделением металлической меди в виде донной фазы и переводом значительной части цинка в газовую фазу.
5. Изучены кинетические закономерности отгонки цинка из высокоцинковистых шлаков в условиях ТРОФ-конвертера. Определено, что величина эмпирической энергии активации для максимальной скорости обесцинкования изменяется в интервале от 2,15 до 2,54 кДж/моль в зависимости от содержания 2пО в расплаве. Выявлено, что при температуре расплава 1200 °С процесс обесцинкования протекает в кинетической области. При более высокой температуре 1280 °С скорость процесса, вероятнее всего, лимитируется диффузией.
6. Методами холодного моделирования определены величины диффузионных потоков 2пО к поверхности восстановителя - металлического железа.
Интенсивность потоков в условиях турбулентного движения расплава, соответствующего максимальной интенсивности продувки, достигает 12-15-10'4 моль/(с-м2), что подтверждает выводы кинетических исследований о диффузионном характере процесса.
Практическая значимость работы:
1. Предложен способ совместной переработки высокоцинковистых шлаков совместно со шлаками анодных печей, позволяющий доизвлечь медь и цинк из данных шлаков, а также снизить объем шлаков, оправляемых для переработки на сторонне предприятие.
2. Даны рекомендации по предотвращению образования и корректировке состава высокоцинковистых шлаков за счет добавки флюсующих компонентов и создания условий, способствующих эффективной отгонке цинка.
3. Обоснованна перспективность пирометаллургической технологии переработки ломов цветных металлов и цинксодержащих шлаков с достаточно высоким извлечением меди в черновой металл.
4. Показана необходимость интенсификации массообменных процессов при переработке высокоцинковистых шлаков в ТРОФ-конвертере.
Методология и методы исследования
В работе использованы методы термогравиметрического и рентгенофазового, атомно-абсорбционного анализа, методы холодного моделирования. Термодинамическое моделирование выполнено с применением пакета прикладных программ «HSC Chemistry 6.1». Измерение вязкости шлаков произведено с использованием ротационного вискозиметра. Результаты опытов обработаны при помощи программного пакета «Statgraphics».
Степень достоверности и апробация результатов
Обеспечиваются представительностью и надежностью исходных данных, использованием сертифицированного оборудования, современных средств и методик проведения исследований, использованием достоверных и аттестованных методик выполнения измерений. Подтверждается согласованностью данных эксперимента и научных выводов, воспроизводимостью результатов лабораторных испытаний и адекватностью разработанной модели.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современного оборудования, обновляемых баз данных «HSC Chemistry 6.1», общепринятых отработанных методик экспериментов. А также их воспроизводимостью при использовании ряда независимых современных средств и методик эксперимента, аттестованных методик выполнения измерений, приемами математической статистики при обработке опытных данных, и сопоставлением модельных и экспериментальных данных с данными реальной заводской практики.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
1. Результаты термодинамического анализа совместной переработки шлаков от плавки латунных ломов и шлаков огневого рафинирования и составленная на их основе математическая модель процесса.
2. Кинетические характеристики отгонки цинка из многокомпонентного шлакового расплава.
3. Обоснование изменения технологических режимов схемы переработки вторичных медьсодержащих материалов в ТРОФ-конвертере с целью снижения потерь ценных компонентов со шлаками.
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании, формировании цели и направлений исследований, непосредственное участие в них, анализ и обобщение полученных результатов, сопоставление их с производственными данными, подготовка научных публикаций, представление результатов на конференциях, оценка эффективности предложенных решений и формирование предложений по изменению технологического режима.
Основные результаты работы доложены на четырех всероссийских и международных научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК (WOS, Scopus) - 3.
Автор выражает благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту Агееву Никифору Георгиевичу, доктору технических наук, профессору Жукову Владимиру Петровичу, ведущему инженеру кафедры МЦМ Колмачихину Борису Валерьевичу и Колмачихиной Эльвире Барыевне, коллективу кафедры «Металлургии цветных металлов» УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, специалистам ЗАО “Новгородский металлургический завод” и руководству предприятия за помощь в работе над диссертацией.
Переработка вторичных медьсодержащих материалов в настоящее время является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед цветной металлургией. В то время как запасы минерально-сырьевой базы сокращаются, объемы техногенного медьсодержащего сырья продолжают возрастать. К такому сырью относятся: лома сплавов цветных металлов, шлаки металлургических производств, пыли и прочие медьсодержащие материалы.
Гидрометаллургические способы переработки этих материалов осложняются непостоянством их химического состава, загрязненностью сырья различными неметаллическими примесями и многообразием форм и размеров перерабатываемых материалов, а так же сравнительно низкой производительностью. Эти причины обуславливают ограниченную применимость гидрометаллургических методов. Традиционным способом переработки таких материалов является пирометаллургический способ. Современная тенденция снижения материалоемкости новых изделий вынуждает разработчиков использовать более разнообразные материалы и сплавы. Таким образом, в переработку поступает сырье все более сложного состава, что вынуждает металлургов искать способы наиболее комплексной переработки такого сырья.
Степень разработанности темы исследования
В настоящее время большинство предприятий, перерабатывающих вторичное медьсодержащее сырье, используют пирометаллургическую схему переработки ввиду ее относительной простоты и высокой эффективности. Уменьшение объема высококачественных ломов приводит к тому, что переработке подвергаются лома и материалы более сложного состава, содержащие, кроме меди, значительные количества цинка, свинца, никеля и прочих металлов. Большое содержание цинка в исходном сырье значительно затрудняет его переработку. Так, увеличение содержания цинка в шихте приводит к образованию высоковязких тугоплавких цинковистых шлаков. В свою очередь ухудшение свойств шлаков приводит к увеличению потерь меди со шлаком. Помимо этого, значительно возрастает время переработки и, как следствие, увеличиваются операционные затраты. Решением проблемы переработки вторичных медьсодержащих материалов может быть достигнуто оптимизацией физико-химических свойств шлаков за счет перевода цинка, содержащегося в шихте, в самостоятельный продукт - возгоны, с последующим улавливанием их из газовой фазы на фильтрах.
Целью работы является разработка научно обоснованного способа снижения потерь меди со шлаками за счет корректировки состава шлаков при переработке ломов цветных металлов в ТРОФ-конвертере и уменьшения объема отвальных шлаков.
Задачи исследования:
1. Провести термодинамическое моделирование для определения равновесных составов системы металл-шлак-газовая фаза применительно к процессу обеднения смеси шлаков в ТРОФ-конвертере.
2. Определить кинетические особенности протекания процессов возгонки соединений цинка при пирометаллургической переработке вторичных медьсодержащих материалов в условиях ТРОФ-конвертера.
3. Определить физико-химические свойства шлаков и возможные методы их корректировки.
4. Изучить гидродинамические особенности работы плавильного агрегата для создания условий, позволяющих увеличить степень обеднения шлаков, сократить время переработки и снизить нагрузку на футеровку, создав тем самым предпосылки для продления кампании агрегата.
5. Установить оптимальные режимы плавки вторичного медьсодержащего сырья в ТРОФ-конвертере.
Научная новизна и теоретическая значимость:
1. На основании данных об анализах заводских шлаков установлена корреляция между содержанием меди и содержанием цинка в шлаке.
2. Изучено влияние металлического железа, применяемого в качестве флюса и восстановителя при плавке медного цинксодержащего лома, на кондиционность шлаков. Показано, что использование в качестве восстановителя металлического железа, позволяет эффективно восстановить соединения цинка, обеспечить снижение содержания цинка в шлаке, что приводит к снижению содержания меди в отвальных шлаках.
3. Изучены физические свойства высокоцинковистых шлаков и возможные способы влияния на них в процессе плавки. Определена энергия активации вязкого течения, которая максимальна в случае гетерогенизации шлака и составляет 460 кДж/моль. Установлено оптимальное соотношение флюсующих компонентов (МРе 15 %, МСао 4 % от массы шлака), способствующее получению кондиционных шлаков.
4. Проведен термодинамический анализ совместной переработки высокоцинковистых шлаков и шлаков огневого рафинирования черновой меди.
На основе полученных данных показана принципиальная возможность совместной переработки указанных шлаков с выделением металлической меди в виде донной фазы и переводом значительной части цинка в газовую фазу.
5. Изучены кинетические закономерности отгонки цинка из высокоцинковистых шлаков в условиях ТРОФ-конвертера. Определено, что величина эмпирической энергии активации для максимальной скорости обесцинкования изменяется в интервале от 2,15 до 2,54 кДж/моль в зависимости от содержания 2пО в расплаве. Выявлено, что при температуре расплава 1200 °С процесс обесцинкования протекает в кинетической области. При более высокой температуре 1280 °С скорость процесса, вероятнее всего, лимитируется диффузией.
6. Методами холодного моделирования определены величины диффузионных потоков 2пО к поверхности восстановителя - металлического железа.
Интенсивность потоков в условиях турбулентного движения расплава, соответствующего максимальной интенсивности продувки, достигает 12-15-10'4 моль/(с-м2), что подтверждает выводы кинетических исследований о диффузионном характере процесса.
Практическая значимость работы:
1. Предложен способ совместной переработки высокоцинковистых шлаков совместно со шлаками анодных печей, позволяющий доизвлечь медь и цинк из данных шлаков, а также снизить объем шлаков, оправляемых для переработки на сторонне предприятие.
2. Даны рекомендации по предотвращению образования и корректировке состава высокоцинковистых шлаков за счет добавки флюсующих компонентов и создания условий, способствующих эффективной отгонке цинка.
3. Обоснованна перспективность пирометаллургической технологии переработки ломов цветных металлов и цинксодержащих шлаков с достаточно высоким извлечением меди в черновой металл.
4. Показана необходимость интенсификации массообменных процессов при переработке высокоцинковистых шлаков в ТРОФ-конвертере.
Методология и методы исследования
В работе использованы методы термогравиметрического и рентгенофазового, атомно-абсорбционного анализа, методы холодного моделирования. Термодинамическое моделирование выполнено с применением пакета прикладных программ «HSC Chemistry 6.1». Измерение вязкости шлаков произведено с использованием ротационного вискозиметра. Результаты опытов обработаны при помощи программного пакета «Statgraphics».
Степень достоверности и апробация результатов
Обеспечиваются представительностью и надежностью исходных данных, использованием сертифицированного оборудования, современных средств и методик проведения исследований, использованием достоверных и аттестованных методик выполнения измерений. Подтверждается согласованностью данных эксперимента и научных выводов, воспроизводимостью результатов лабораторных испытаний и адекватностью разработанной модели.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современного оборудования, обновляемых баз данных «HSC Chemistry 6.1», общепринятых отработанных методик экспериментов. А также их воспроизводимостью при использовании ряда независимых современных средств и методик эксперимента, аттестованных методик выполнения измерений, приемами математической статистики при обработке опытных данных, и сопоставлением модельных и экспериментальных данных с данными реальной заводской практики.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
1. Результаты термодинамического анализа совместной переработки шлаков от плавки латунных ломов и шлаков огневого рафинирования и составленная на их основе математическая модель процесса.
2. Кинетические характеристики отгонки цинка из многокомпонентного шлакового расплава.
3. Обоснование изменения технологических режимов схемы переработки вторичных медьсодержащих материалов в ТРОФ-конвертере с целью снижения потерь ценных компонентов со шлаками.
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании, формировании цели и направлений исследований, непосредственное участие в них, анализ и обобщение полученных результатов, сопоставление их с производственными данными, подготовка научных публикаций, представление результатов на конференциях, оценка эффективности предложенных решений и формирование предложений по изменению технологического режима.
Основные результаты работы доложены на четырех всероссийских и международных научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК (WOS, Scopus) - 3.
Автор выражает благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту Агееву Никифору Георгиевичу, доктору технических наук, профессору Жукову Владимиру Петровичу, ведущему инженеру кафедры МЦМ Колмачихину Борису Валерьевичу и Колмачихиной Эльвире Барыевне, коллективу кафедры «Металлургии цветных металлов» УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, специалистам ЗАО “Новгородский металлургический завод” и руководству предприятия за помощь в работе над диссертацией.
✅ Заключение
Полученные в работе результаты исследований свидетельствуют о сложном, комплексном влиянии цинка на процесс переработки медьсодержащих материалов, таких как шлаки и лома. Изучено влияние явления гетерогенизации шлакового расплава на показатели процесса плавки ломов и обеднения шлаков.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Исследован химический и фазовый состав шлаков ТРОФ и МЕРЦ. Показано, что максимальное содержание меди в шлаках от переработки латунных ломов ТРОФ-конвертера может достигать 48.67 %, в шлаках огневого рафинирования МЕРЦ - 13 %.
Основными шлакообразующими соединениями являются 2РеО8Ю2, 2и8Юз, 2СаО8Ю2.
2. Исследована вязкость синтетических шлаков, включающих основные шлакообразующие компоненты.
Установлено, что богатый по 2пО шлак характеризуется наибольшим значением коэффицента динамической вязкости, что объясняется явлением гетерогенизации шлаков. Причем наиболее резкое изменение вязкости наблюдается в области температур 1230-1240 °С и далее монотнно снижается до г| < 1 Па с.
Установлено, что при более низком содержании 2пО и в случаях бесцинковистых шлаков, при постоянной температуре, различия в коэффициентах динамической вязкости менее значимы, чем для шлаков содержащих более 20 мае. % 2пО.
По результатам экспериментов рассчитано эмпирическое значение величины энергии активации вязкого течения, которое максимально в случае гетерогенизации шлака и составляет 460 кДж/моль.
Высокая вязкость шлака обусловлена быстрой кристаллизацией расплава и выделением тугоплавких составляющих. Качественная картина изменения вязкости соответствует правилу Эйнштейна.
3. Измерена электропроводность шлаков ТРОФ и МЕРЦ. При этом установлено, что при температуре 1200 °С электрическое сопротивление шлаков ТРОФ в несколько раз выше шлаков МЕРЦ. Сформулирована рекомендация о том, что для электротермического обеднения целесообразно загружать смешанную шихту с преобладанием шлака МЕРЦ. Отмечается целесообразность переработки цинксодержащих шлаков методом электротермии.
4. Проведено термодинамическое моделирование процесса совместной переработки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от плавки латунных ломов в ТРОФ-конвертере. При этом определена последовательность восстановления цинка из шлакового расплава. Показана стадийность процесса восстановления соединений цинка. Отмечено, что исходя из величин изменений свободной энергии Гиббса реакции 3.4.9, прямое восстановление оксида цинка металлическим железом возможно, но маловероятно. Показано, что обязательным условием для отгонки цинка из шлака является присутствие газообразных восстановителей. Отгонка цинка затрудняется нахождением его в виде 2иО А12Оз, разрушить данное соединение можно только с помощью газовых восстановителей. Определены оптимальные параметры обесцинкования смеси шлаков ТРОФ и МЕРЦ: МРе 15 %, МСао 4 %, температура 1250 °С, а =0.95.
5. Исследована кинетика отгонки цинка из шлаков. Показано, что в области низких концентраций 2пО ~ 15 мае. %, т.е. до гетерогенизации расплава скорость процесса лимитируется кинетикой восстановления с эмпирической энергией активации, равной 21.5 кДж/моль. Отмечается смена порядка процесса с 0.3 до 1.2, что может объясняться изменением вязкости расплава.
6. Проведен анализ диффузионно-кинетических закономерностей процесса в области концентраций 2пО характерных для гетерогенного расплава (31 %).
Определен эмпирический порядок по 2пО. Установлено, что в области температур от 1200 - 1280 °С величина порядка близка к единице и составляет 0.9-1.2. Дополнительно показана применимость уравнения Павлюченко для описания процесса в диффузионном режиме. Отмеченные обстоятельства позволяют предполагать, что скорость процесса лимитируется диффузией в гетерогенном расплаве, а следовательно могут являться подтверждением высокого содержания меди в шлаках, обусловленной повышенной вязкостью.
7. Разработана методология холодного моделирования гидро- газодинамической обстановки при внедрении струи в жидкость. Сконструирована масштабная экспериментальная установка по проведению опытов на холодных моделях. Обоснован выбор критериев подобия. Показана возможность видеофиксации быстропротекающих процессов в объеме жидкости. Получены данные о поведении каверны в зависимости от гидродинамической обстановки в зоне продувки. Определена зависимость глубины проникновения струи от расхода дутья. Проведена оценка на основе объема вытесненной жидкости полной энергии струи.
8. На основании холодного моделирования выявлены основные потоки и определены скорости движения расплава в ТРОФ-конвертере, изменяющиеся в диапазоне 0.05 - 0.365 м/с. С учетом концентрации 2пО в расплаве и расчетной величины константы массоотдачи диффузионный поток на поверхность восстановителя принимает значения от (12-15)-10'4 при турбулентном режиме течения расплава, до 6.66-10'4 моль/с м2 при ламинарном режиме.
9. Сопоставление величин диффузионного потока на поверхность восстановителя и скоростей восстановления с отгонкой цинка позволяет утверждать, что процесс развивается в диффузионном режиме при достижении гетерогенизации расплава и его скорость лимитируется массоотдачей 2пО к поверхности металлического железа
10. Исследовано влияние наклона фурмы на гидродинамическую обстановку в реакционной зоне ТРОФ-конвертера. Установлено появление несимметричных потоков относительно продольной оси конвертера. При отклонении положения фурмы от соосного с корпусом конвертера образуется единый массивный поток расплава, циркулирующий по круговым траекториям.
11. Исследовано методом видеофиксации движение расплава в ванне промышленного агрегата. Подтверждена адекватность результатов опытов по холодному моделированию.
12. Предложена математическая модель, включающая в себя материальный и тепловой балансы плавки в ТРОФ-конвертере смеси шлаков от плавки латунного лома и от рафинирования черновой меди.
Расчетным путем определена доля тепловых эффектов реакций в тепловом балансе переработки смеси шлаков.
Количественно определены статьи потерь тепла.
13. Проведены промышленные испытания технологии обеднения медьсодержащих шлаков в ТРОФ-конвертере. Показана возможность снижения содержания меди в шлаке с 9.05 - 9.25 мае. % до 2.92 - 2.83 мае. % за счет обесцинкования шлака. Сформулированы рекомендации по оптимальному режиму обеднения шлака. Стадию плавления лома вести с расходом топлива близкому к максимальному 220 - 250 м3/ч при а=1.0. После подплавления всей партии металл-содержащей шихты установить а=0.9 при прежнем расходе газа. Отгонку цинка осуществлять не менее 60 минут при скорости вращения колбы 2-3 об/мин. Отстаивание расплава производить при максимальном расходе топлива и а=1.0 не менее 40 минут без вращения колбы.
Шлак печи МЕРЦ шихтовать флюсами, %: Ре 14-16, 2-4, СаО 0.8-1, по отношению к массе шлака. Целесообразно состав шлака контролировать экспресс-анализом и в соответствии с номограммой корректировать подачу флюсующих компонентов до достижения оптимальной концентрации, % SiO233, CaO 12.6 Fe 21.4.
Результаты работы внедрены в практику ЗАО «НМЗ» с фактическим экономическим эффектом, подтвержденным актом внедрения.
Перспективные направления дальнейших исследований:
Учитывая необходимость вывода цинка, перешедшего в газовую фазу из реакционной зоны, при оптимизации процесса в дальнейшем следует учесть необходимость отвода газообразных продуктов с использованием газов-носителей.
Представляет интерес изучение функции железа как переносчика кислорода в расплаве.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Исследован химический и фазовый состав шлаков ТРОФ и МЕРЦ. Показано, что максимальное содержание меди в шлаках от переработки латунных ломов ТРОФ-конвертера может достигать 48.67 %, в шлаках огневого рафинирования МЕРЦ - 13 %.
Основными шлакообразующими соединениями являются 2РеО8Ю2, 2и8Юз, 2СаО8Ю2.
2. Исследована вязкость синтетических шлаков, включающих основные шлакообразующие компоненты.
Установлено, что богатый по 2пО шлак характеризуется наибольшим значением коэффицента динамической вязкости, что объясняется явлением гетерогенизации шлаков. Причем наиболее резкое изменение вязкости наблюдается в области температур 1230-1240 °С и далее монотнно снижается до г| < 1 Па с.
Установлено, что при более низком содержании 2пО и в случаях бесцинковистых шлаков, при постоянной температуре, различия в коэффициентах динамической вязкости менее значимы, чем для шлаков содержащих более 20 мае. % 2пО.
По результатам экспериментов рассчитано эмпирическое значение величины энергии активации вязкого течения, которое максимально в случае гетерогенизации шлака и составляет 460 кДж/моль.
Высокая вязкость шлака обусловлена быстрой кристаллизацией расплава и выделением тугоплавких составляющих. Качественная картина изменения вязкости соответствует правилу Эйнштейна.
3. Измерена электропроводность шлаков ТРОФ и МЕРЦ. При этом установлено, что при температуре 1200 °С электрическое сопротивление шлаков ТРОФ в несколько раз выше шлаков МЕРЦ. Сформулирована рекомендация о том, что для электротермического обеднения целесообразно загружать смешанную шихту с преобладанием шлака МЕРЦ. Отмечается целесообразность переработки цинксодержащих шлаков методом электротермии.
4. Проведено термодинамическое моделирование процесса совместной переработки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от плавки латунных ломов в ТРОФ-конвертере. При этом определена последовательность восстановления цинка из шлакового расплава. Показана стадийность процесса восстановления соединений цинка. Отмечено, что исходя из величин изменений свободной энергии Гиббса реакции 3.4.9, прямое восстановление оксида цинка металлическим железом возможно, но маловероятно. Показано, что обязательным условием для отгонки цинка из шлака является присутствие газообразных восстановителей. Отгонка цинка затрудняется нахождением его в виде 2иО А12Оз, разрушить данное соединение можно только с помощью газовых восстановителей. Определены оптимальные параметры обесцинкования смеси шлаков ТРОФ и МЕРЦ: МРе 15 %, МСао 4 %, температура 1250 °С, а =0.95.
5. Исследована кинетика отгонки цинка из шлаков. Показано, что в области низких концентраций 2пО ~ 15 мае. %, т.е. до гетерогенизации расплава скорость процесса лимитируется кинетикой восстановления с эмпирической энергией активации, равной 21.5 кДж/моль. Отмечается смена порядка процесса с 0.3 до 1.2, что может объясняться изменением вязкости расплава.
6. Проведен анализ диффузионно-кинетических закономерностей процесса в области концентраций 2пО характерных для гетерогенного расплава (31 %).
Определен эмпирический порядок по 2пО. Установлено, что в области температур от 1200 - 1280 °С величина порядка близка к единице и составляет 0.9-1.2. Дополнительно показана применимость уравнения Павлюченко для описания процесса в диффузионном режиме. Отмеченные обстоятельства позволяют предполагать, что скорость процесса лимитируется диффузией в гетерогенном расплаве, а следовательно могут являться подтверждением высокого содержания меди в шлаках, обусловленной повышенной вязкостью.
7. Разработана методология холодного моделирования гидро- газодинамической обстановки при внедрении струи в жидкость. Сконструирована масштабная экспериментальная установка по проведению опытов на холодных моделях. Обоснован выбор критериев подобия. Показана возможность видеофиксации быстропротекающих процессов в объеме жидкости. Получены данные о поведении каверны в зависимости от гидродинамической обстановки в зоне продувки. Определена зависимость глубины проникновения струи от расхода дутья. Проведена оценка на основе объема вытесненной жидкости полной энергии струи.
8. На основании холодного моделирования выявлены основные потоки и определены скорости движения расплава в ТРОФ-конвертере, изменяющиеся в диапазоне 0.05 - 0.365 м/с. С учетом концентрации 2пО в расплаве и расчетной величины константы массоотдачи диффузионный поток на поверхность восстановителя принимает значения от (12-15)-10'4 при турбулентном режиме течения расплава, до 6.66-10'4 моль/с м2 при ламинарном режиме.
9. Сопоставление величин диффузионного потока на поверхность восстановителя и скоростей восстановления с отгонкой цинка позволяет утверждать, что процесс развивается в диффузионном режиме при достижении гетерогенизации расплава и его скорость лимитируется массоотдачей 2пО к поверхности металлического железа
10. Исследовано влияние наклона фурмы на гидродинамическую обстановку в реакционной зоне ТРОФ-конвертера. Установлено появление несимметричных потоков относительно продольной оси конвертера. При отклонении положения фурмы от соосного с корпусом конвертера образуется единый массивный поток расплава, циркулирующий по круговым траекториям.
11. Исследовано методом видеофиксации движение расплава в ванне промышленного агрегата. Подтверждена адекватность результатов опытов по холодному моделированию.
12. Предложена математическая модель, включающая в себя материальный и тепловой балансы плавки в ТРОФ-конвертере смеси шлаков от плавки латунного лома и от рафинирования черновой меди.
Расчетным путем определена доля тепловых эффектов реакций в тепловом балансе переработки смеси шлаков.
Количественно определены статьи потерь тепла.
13. Проведены промышленные испытания технологии обеднения медьсодержащих шлаков в ТРОФ-конвертере. Показана возможность снижения содержания меди в шлаке с 9.05 - 9.25 мае. % до 2.92 - 2.83 мае. % за счет обесцинкования шлака. Сформулированы рекомендации по оптимальному режиму обеднения шлака. Стадию плавления лома вести с расходом топлива близкому к максимальному 220 - 250 м3/ч при а=1.0. После подплавления всей партии металл-содержащей шихты установить а=0.9 при прежнем расходе газа. Отгонку цинка осуществлять не менее 60 минут при скорости вращения колбы 2-3 об/мин. Отстаивание расплава производить при максимальном расходе топлива и а=1.0 не менее 40 минут без вращения колбы.
Шлак печи МЕРЦ шихтовать флюсами, %: Ре 14-16, 2-4, СаО 0.8-1, по отношению к массе шлака. Целесообразно состав шлака контролировать экспресс-анализом и в соответствии с номограммой корректировать подачу флюсующих компонентов до достижения оптимальной концентрации, % SiO233, CaO 12.6 Fe 21.4.
Результаты работы внедрены в практику ЗАО «НМЗ» с фактическим экономическим эффектом, подтвержденным актом внедрения.
Перспективные направления дальнейших исследований:
Учитывая необходимость вывода цинка, перешедшего в газовую фазу из реакционной зоны, при оптимизации процесса в дальнейшем следует учесть необходимость отвода газообразных продуктов с использованием газов-носителей.
Представляет интерес изучение функции железа как переносчика кислорода в расплаве.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.