Актуальность темы. Пирометаллургическая переработка сульфидных медных концентратов остается наиболее распространенной технологией извлечения из них ценных компонентов. Наиболее широкое применение в цветной металлургии получили автогенные процессы, использующие в качестве основного источника теплоты экзотермические реакции окисления сульфидов кислородом дутья.
Плавка в печи с погружной фурмой (ТЗЬ) является одним из вариантов аппаратурного оформления таких процессов, к преимуществам которого можно отнести простоту конструкции печи, высокую удельную производительность, малую газопроницаемость корпуса реактора, интенсивный массо- и теплообмен за счет перемешивания расплава потоками кислородо-воздушной смеси (КВС).
Для реализации данной технологии в непрерывном режиме необходимо использовать внешний агрегат-отстойник, т.к. разделение шлако-штейновой массы непосредственно в плавильном агрегате предполагает периодичность процесса и соответственно снижает его производительность.
Поиск возможных путей интенсификации плавки в цепи аппаратов плавильная печь «Аусмелт» и внешний отстойник является актуальной задачей ввиду широкого распространения агрегатов данного типа в зарубежной практике производства меди и применения на Уральских медеплавильных предприятиях (действующий комплекс ЗАО «Карабашмедь», находящийся на стадии строительства комплекс на ОАО «Святогор»).
В настоящее время физико-химические закономерности окислительных процессов, протекающих в барботируемой ванне с учетом гидродинамической обстановки в зоне продувки исследованы недостаточно полно. В частности, отсутствует информация о геометрии реакционной зоны, особенностях её движения (пульсация, вращение) в условиях продувки расплава с помощью вертикальной фурмы, оборудованной «завихрителями»; не в полной мере исследованы процессы разделения фаз в отстойнике с учетом различных дутьевых режимов в плавильной печи. Кроме того, переменный состав шихтовых материалов различных предприятий влияет на физико-химические свойства получаемых расплавов и, как следствие, на закономерности плавки, отстаивания.
В этой связи целесообразно создание модельного комплекса и проведение исследований методом холодного моделирования, что позволит оценить влияние режимов дутья на особенности гидродинамической обстановки в зоне продувки; прогнозировать во взаимосвязи величин производительности этапа плавки и стадии разделения фаз в отстойнике, общую производительность комплекса аппаратов и оптимизировать технологические параметры плавки; с учетом полученных данных представляется возможным разработать математическую модель окислительного процесса и определить его лимитирующую стадию.
Степень разработанности темы исследования. Вопросы продувки ванны плавильных печей являлись предметом изучения многих отечественных и зарубежных исследователей. В работах В.И. Явойского, В.И. Баптизманского, Е.А. Капустина Б.Л. Маркова В.Б. Охотского, А.В. Гречко, Е.С. Гнатовского А.А. Гальнбека Г.С. Сборщикова, Л.М. Шалыгина, В.А. Сурина, Ю.Н. Назарова и др. рассмотрены общие закономерности и методологические подходы к изучению физико-химической механики газожидкостных систем плавильных процессов черной и цветной металлургии. Floyd J.M. и Matusewicz D. (Ausmelt ltd., Австралия) занимались разработкой процесса плавки с погружной фурмой и являются авторами ряда работ, описывающих общие принципы процесса и историю его создания.
Однако, в настоящее время отсутствуют данные, полученные во взаимосвязи режимов продувки в агрегате с погружной вертикальной фурмой с параметрами последующего разделения фаз во внешнем отстойнике.
Целью работы является разработка научно обоснованного режима продувки в печи «Аусмелт», обеспечивающего повышение эффективности отстаивания и увеличение общей производительности работы системы аппаратов "печь с вертикальной фурмой-миксер".
Задачи исследования:
1. Изучение физико-химических свойств (вязкости, плотности) шлаков, получаемых в процессе плавки в печи с погружной фурмой и возможности их корректировки;
2. Анализ динамической обстановки в зоне образования факела дутья, выделение основных зон интенсивного массообмена и установление оптимальных режимов для минимизации диффузионных ограничений;
3. Изучение влияния интенсивности продувки ванны на крупность штейновых капель и качество разделения расплава в агрегате-отстойнике.
Научная новизна и теоретическая значимость работы:
1. На основе фундаментальных законов кинетики и с учетом поверхности реагирования разработана методология математического описания процессов нестационарной диффузии применительно к гетерогенным реакциям в условиях подвижной границы раздела фаз;
2. С использованием методов холодного моделирования создана адекватная производственным данным математическая модель процесса массопередачи через контактную поверхность:"газовая фаза-расплав", основанная на форме и динамических характеристиках погруженной струи;
3. Показано, что в условиях плавки скорость процесса окисления сульфида железа лимитируется диффузией серы из объема расплава к реакционной поверхности;
4. Проведена оценка влияния интенсивности дутья на дробление сульфидных капель расплава. Обосновано, что при работе в экстремальных режимах продувки происходит переизмельчение фазы, приводящее к значительному увеличению механических потерь меди со шлаками при отстаивании.
5. Установлено, что при использовании коаксиальной фурмы с завихрителями процесс обновления реакционной поверхности зависит от частоты пульсации дутья и радиальной скорости вращения погруженной струи относительно вертикальной оси. Получены уравнения, позволяющие количественно оценить интегральную величину контактной поверхности.
6. Показана возможность применения фото- и видеосъемки прозрачных модельных жидкостей и соответствующих прикладных программ для обработки изображений для определения геометрических параметров затопленных струй при высоких значениях динамического критерия Архимеда;
7. Установлена взаимосвязь между дутьевым режимом в процессе плавки и последующим отстаиванием расплава в печи-миксере. Обнаружено, что экстремальные дутьевые режимы являются причиной переизмельчения сульфидных капель в расплаве, что приводит к снижению полноты разделения фаз и увеличению механических потерь меди со шлаком. Получены новые сведения о гидродинамической обстановке барботируемой ванны при продувке через вертикальную фурму с закручиванием газового потока;
8. Впервые предложена математическая модель, описывающая технологические параметры плавки во взаимосвязи с количественными характеристиками диффузионной кинетики на границе раздела «затопленная струя-расплав в агрегатах типа ТЗЬ.
Практическая значимость работы:
1. Найдены предельные режимы дутья (Аг < 50.2), при которых не происходит переизмельчения штейновой фазы и отстаивание протекает в оптимальном режиме;
2. Поскольку лимитирующей стадией плавки является массоотдача серы сульфидов к реакционной поверхности, то с целью интенсификации процесса окисления и плавления сульфидов рекомендован ввод серусодержащего материала непосредственно в реакционную зону;
3. С учетом выявленных закономерностей диффузионной кинетики разработана общая технологическая модель плавки, позволяющая в зависимости от состава сырья, заданной производительности определять необходимый объем дутья и может быть использована в качестве элемента системы АСУТП.
4. Определен резерв в увеличении производительности плавки при сохранении плановых показателей извлечения меди в штейн.
Методология и методы диссертационного исследования.
Методологической основой работы являются исследования ведущих отечественных и зарубежных ученых, посвященные автогенным процессам и изучению продувки металлургических расплавов. Использованы широко применяемые пакеты прикладных программ (MS OFFICE, STATISTICA, HSC Chemistry), физические методы исследований (вискозиметрия, электронная микроскопия, оптическая микроскопия, рентгенофазовый анализ), методы физического и математического моделирования и специализированные программы для обработки результатов (“ImageJ” и “Neuroph” для обработки фотографий, “WavePad” для обработки звуковых файлов).
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Особенности гидрогазодинамической обстановки в реакционной зоне печи с погружной фурмой, полученные на холодной модели;
2. Результаты изучения образцов шлака и штейна, полученных при работе промышленного агрегата на различных дутьевых режимах;
3. Физико-химическая модель взаимодействия погруженной струи с расплавом, учитывающая обновление реакционной поверхности в режиме нестационарной диффузии.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечивается их воспроизводимостью при использовании ряда независимых современных средств и методик эксперимента, аттестованных методик выполнения измерений, а также приемами математической статистики при обработке опытных данных и сопоставлением модельных и экспериментальных данных с данными реальной заводской практики.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на всероссийских и международных конференциях, в том числе: III международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии», (г. Екатеринбург, 2013 г.); XII всероссийской научной конференции «Бакунинские чтения», (г. Екатеринбург, 2014 г.), международном совещании «Современные процессы комплексной и глубокой переработки труднообогатимого минерального сырья» Плаксинские чтения - 2015, (г. Иркутск, 2015 г.), международной конференции «Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья» Плаксинские чтения 2017 (г. Красноярск., 2017 г.)
Личный вклад соискателя: Теоретическое обоснование, формирование 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.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков, 16 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 72 источников отечественных и зарубежных авторов.
Полученные в работе результаты исследований и построенные модели свидетельствуют о сложности процессов массообмена, протекающих при плавке сульфидных медных концентратов в агрегатах с погружной фурмой. В данной работе предпринята попытка применения методик математического и физического моделирования для изучения этого процесса и формирования методики подбора оптимальных дутьевых режимов с учетом их влияния на последующую стадию отстаивания расплава во внешнем агрегате.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Подтверждено, что перемешивание расплава дутьем через коаксиальную фурму с завихрителями происходит за счет пульсирующего движения факела в вертикальной плоскости и вращательного движения тела вращения вокруг оси фурмы в горизонтальной плоскости. В экстремальных режимах стабильная поверхность вращения не формируется, наблюдается повышенное разбрызгивание расплава и переизмельчение сульфидных капель.
2. Найдено, что оптимальным с точки зрения перемешивания ванны при отсутствии чрезмерного дробления частиц штейна является значение критерия Архимеда до 50.2 (соответствует объему дутья в 51 700 м3/ч в случае с реальным агрегатом). Эта величина может использоваться при определении оптимального дутьевого режима и подборе соотношений параметров «объем дутья - диаметр фурмы - степень обогащения дутья».
3. Показано, что большое влияние на ход процесса оказывает степень заглубления фурмы. Так, увеличение заглубления на 25% позволило получить сопоставимые результаты с точки зрения перемешивания массы при объеме дутья на треть меньшем, чем при реально используемом заглублении. Вместе с тем уменьшение заглубления приводит к невозможности эффективно перемешать расплав даже с использованием экстремальных режимов продувки. Однако опыт зарубежных предприятий показывает, что увеличение заглубления сказывается на кампании фурмы в сторону уменьшения, что ограничивает возможность интенсификации процесса этим способом.
4. Предложена математическая модель процесса, сочетающая в себе расчеты теплового и материального балансов с моделью массообмена, позволяющая оценить окислительную способность дутья и степень использования кислорода.
5. Обосновано, что диффузия кислорода не является лимитирующей для процесса окисления сульфидов, а скорость десульфуризации расплава вероятней всего, контролируется массоотдачей серы в объеме расплава. Это позволяет рекомендовать для интенсификации процесса ввод шихтовых материалов непосредственно в реакционную зону. Одним из вариантов является подача высушенного тонкоизмельченного концентрата через центральную трубу фурмы инжекцией. Непосредственный ввод в реакционную зону мелкодисперсного материала наряду с развитием контактной поверхности создает предпосылки не только для интенсификации процессов десульфуризации, но и повышает величину удельного тепловыдения и усвоение теплоты экзотермических реакций в зоне погруженного факела.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
