ВВЕДЕНИЕ 3
1 Литературный обзор 10
1.1 Сырьевая база Уральских предприятий 10
1.2 Особенности и область применения печей с погружными фурмами . 10
1.3 Физико-химические основы процесса 20
1.4. Исследование процесса методами физического и математического моделирования 25
1.5 Выводы по главе и постановка задач исследования 34
2 Физико-химические свойства и параметры процесса 36
2.1 Термодинамика и кинетика физико-химических процессов 36
2.2 Материальный и тепловой балансы процесса 40
3 Исследование процессов перемешивания и отстаивания методом
холодного моделирования 43
3.1 Холодное моделирование плавильного агрегата 43
3.2. Разработка математической модели окислительного процесса 51
3.3 Холодное моделирование процесса разделения фаз 74
3.4 Обработка результатов и математическое моделирование 80
3.5 Лабораторное изучение продуктов плавки 82
3.6 Разработка модели процесса отстаивания 87
3.7 Обсуждение результатов 90
4. Поиск оптимальных режимов работы плавильного агрегата на технологической модели 97
4.1 Описание модели 97
4.2 Источники данных и общий вид модели 98
4.3 Интеграция модели в существующую систему управления процессом 98
4.4 Рекомендации по оптимизации условий ведения процесса плавки .. 101
Заключение 103
Список литературы 105
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 настоящей 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:
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 (Ar < 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 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).
Основные положения диссертационной работы, 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.
Личный вклад автора
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.
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.
Основные результаты работы доложены на четырех всероссийских и международных научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 4 работы в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК.
Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Жукову Владимиру Петровичу, кандидату технических наук, доценту Агееву Никифору Георгиевичу, ведущему инженеру кафедры МЦМ Меньшикову Викентию Алексеевичу, коллективу кафедры «МЦМ» УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, специалистам металлургического цеха ЗАО “Карабашмедь” и руководству предприятия за помощь в работе над диссертацией.
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
