ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-4-509-518ipolytech-508Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEМатематическое моделирование теплового режима агрегата печь-ковш с учетом внутренних тепловых источниковMathematical modelling of the thermal regime of a ladle- furnace unit considering internal heat sourcesЧеремисинД. Д.CheremisinD. D.

Черемисин Дмитрий Дмитриевич, кандидат технических наук, инженер

620137, г. Екатеринбург, ул. Александровская, 3/А

Dmitry D. Cheremisin, Cand. Sci. (Eng.), Engineer

3/A, Aleksandrovskaya St., Yekaterinburg 620137

e1.ry@e1.ruНовокрещеновС. А.NovokreschenovS. A.

Новокрещенов Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры экономики и управления на металлургических и машиностроительных предприятиях

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Sergey A. Novokreschenov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Economy and Management at Metallurgical and Machine-Building Enterprises

19, Mira St., Yekaterinburg 620002

novokreschenov@e1.ruШвыдкийВ. С.ShvydkiyV. S.

Швыдкий Владимир Серафимович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теплофизики и информатики в металлургии

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Vladimir S. Shvydkiy, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Thermal Physics and Information Science in Metallurgy

19, Mira St., Yekaterinburg 620002

vshvit_1@isnet.ruЖуковВ. П.ZhukovV. P.

Жуков Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник

620144, г. Екатеринбург, ул. Хохрякова, 87

Vladimir P. Zhukov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Leading Researcher

87, Khokhryakov St., Yekaterinburg 620144

zhukov.v.p@mail.ruАО «Уралэнергочермет»РоссияUralenergochermet JSCRussian FederationУральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationАО «Уралмеханобр»РоссияUralmekhanobr JSCRussian Federation202101092021254509518Copyright © Черемисин Д.Д., Новокрещенов С.А., Швыдкий В.С., Жуков В.П., 20212021Черемисин Д.Д., Новокрещенов С.А., Швыдкий В.С., Жуков В.П.Cheremisin D.D., Novokreschenov S.A., Shvydkiy V.S., Zhukov V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/508

Цель – исследование методами математического моделирования процессов теплообмена огневого рафинирования черновой меди в агрегате печь-ковш. Основным металлургическим агрегатом при моделировании был принят агрегат печь-ковш, предназначенный для апробации технологии рафинирования с использованием донной продувки в пузырьковом режиме с применением газообразных восстановителей (углеводородов) и окислителя. Использованы методы математического моделирования, позволяющие описывать свойства реального процесса на основе математической формализации физических законов и закономерностей. Вместо дорогостоящего мазута, используемого в качестве жидкого восстановителя, предложено использовать газообразные восстановители. Показано, что их использование в режиме продувки «снизу» позволяет достигнуть высоких технико-экономических показателей процесса. Этому также способствуют перенос части технологических операций непосредственно в ковш, исключение необходимости повторного расплавления и разогрева рафинируемой меди. Показано, что одной из проблем является необходимость поддержания заданного теплового режима, обеспечивающего как саму возможность проведения операций рафинирования, так и ввода в расплав при донной продувке газообразного реагента, от которого зависят гидрогазодинамические параметры. Предложена оригинальнаяметодика учета в математических моделях влияния тепловых эффектов химических реакций (на примере экзотермических реакций окислительного периода рафинирования). Использование двух различных методов анализа позволило достаточно полно идентифицировать величину влияния основных экзотермических реакций на тепловой режим процесса рафинирования. Представленные математические модели позволяют определить удельное влияние различных технологических параметров (состав и расход топлива, температура и степень обогащения дутья, конструкция футеровки и т.д.) на динамику изменения температурного поля расплава и технико-экономические параметры плавки в целом.

We apply mathematical modelling to study heat transfer processes during fire refining of blister copper in a ladle-furnace unit. A ladle-furnace unit was designed to test the refining technology using bottom blowing in a bubble mode by gaseous reducing agents (hydrocarbons) and an oxidiser. Mathematical modelling allows the properties of a real process to be described based on mathematical formalisation of physical laws and regularities. It was proposed to use gaseous reducing agents, rather than expensive residual fuel, as a liquid-reducing agent. The use of gaseous reducing agents in the bottom blowing mode produces higher technical and economic indicators of the process. In addition, some technological operations were transferred directly to the ladle, thereby eliminating the need for re-melting and heating of refined copper. One of the identified problems was the need to maintain the predetermined thermal regime, which provides the very possibility of both performing refining operations and introducing a gaseous reagent (determining the hydro-gas-dynamic parameters) into the melt during bottom blowing. An original method for considering the thermal effects of chemical reactions in mathematical models was presented using an example of exothermic reactions during oxidative refining. The use of two different methods of analysis allowed a comprehensive assessment of the influence of the main exothermic reactions on the thermal regime of the refining process. The presented mathematical models can be used for determining the specific effect of various technological parameters (composition and fuel consumption, temperature and degree of blast enrichment, lining design, etc.) on the dynamics of changes in the temperature field of the melt and the technical and economic parameters of melting as a whole.

рафинирование медипечь-ковшдонная продувкатепловой балансгазообразные восстановителигидрогазодинамические параметрыcopper refiningladle furnacebottom blowingheat balancegaseous reducing agentshydro-gas-dynamic parametersReferencesDong Joon Min, Tsukihashi F. Recent advances in understanding physical properties of metallurgical slags // Metals and Materials International. 2017. Vol. 23. Iss. 1. P. 1–19. https://doi.org/10.1007/s12540-017-6750-5Dong Joon Min, Tsukihashi F. Recent advances in understanding physical properties of metallurgical slags. Metals and Materials International. 2017;23(1):1-19. https://doi.org/10.1007/s12540-017-6750-5Sarfo Prince, Young Jamie, Ma Guojun, Young Courtney. Characterization and recovery of valuables from waste copper smelting slag // Advances in Molten Slags, Fluxes, and Salts: Proceedings of the 10th International Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts (Berlin, 1st January 2016). Berlin: Springer, Cham, 2016. P. 889–898. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48769-4_95Sarfo Prince, Young Jamie, Ma Guojun, Young Courtney A. Characterization and recovery of valuables from waste copper smelting slag. In: Advances in Molten Slags, Fluxes, and Salts: Proceedings of the 10th International Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts. 1st January 2016, Berlin. Berlin: Springer, Cham; 2016, p. 889- 898. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48769-4_95Шнеерсон Я.М., Иванова Н.Ф. Применение автоклавных методов для рафинирования труднообогатимых медных полиметаллических концентратов // Цветные металлы. 2003. № 7. С. 63–67.Schneerson YaM, Ivanova NF. Using pressure oxidation methods for refining refractory polymetallic copper concentrates. Tsvetnye Metally. 2003;7:63-67. (In Russ.)Davenport W.G., King M.J., Schlesinger M.E., Biswas A.K. Extractive metallurgy of copper. London: Oxford, Pergamon, 2002. 452 p. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elsevier.com/books/extractive-metallurgy-ofcopper/davenport/978-0-08-044029-3 (12.05.2021).Davenport WG, King MJ, Schlesinger ME, Biswas AK. Extractive metallurgy of copper. London: Oxford, Pergamon; 2002. 452 p. Available from: https://www.elsevier.com/books/extractive-metallurgy-ofcopper/davenport/978-0-08-044029-3 [Accessed 12th May 2020].Комков А.А., Камкин Р.И. Поведение меди и примесей при продувке медеплавильных шлаков газовой смесью СО–СО2 // Цветные металлы. 2011. № 6. С. 26–31.Komkov AA, Kamkin RI. Behaviors of copper and impurity elements during expulsion copper melt slags with COCO2 gas mixture. Tsvetnye Metally. 2011;6:26-31. (In Russ.)Coursol Р., Valencia C.N., Mackey V.Р., Bell S., Davis B. Minimization of copper losses in copper smelting slag during electric furnace treatment // JOM. 2012. Vol. 64. No. 11. P. 1305–1313. https://doi.org/10.1007/s11837-012-0454-6Coursol Р, Valencia CN, Mackey VР, Bell S, Davis B. Minimization of copper losses in copper smelting slag during electric furnace treatment. JOM. 2012; 64(11):1305-1313. https://doi.org/10.1007/s11837-012-0454-6Лукавый С.Л., Федоров А.Н., Хабиев М.П., Хабиев Р.П., Мин М.Г. Исследование динамической вязкости высокомедистых шлаковых расплавов // Цветные металлы. 2012. № 2. С. 32–35.Lukavy SL, Fedorov AN, Habiev MP, Abiev RP, Min MG. Researching of dynamic viscosity of high-copper slag melts. Tsvetnye Metally. 2012; 2:32-35. (In Russ.)Булатов К.В., Жуков В.П. Технологические возможности металлургической переработки промпродуктов обогащения полиметаллических руд и обеднения шлаков медеплавильного производства в агрегате «Победа» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 421–433. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-421-433Bulatov KV, Zhukov VP. Technological capabilities for metallurgical processing of industrial products in polymetallic ore preparation and copper smelting slag depletion in the Pobeda smelting unit. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(2):421-433. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-421-433Паньшин А.М., Якорнов С.А., Скопов Г.В. Переработка техногенных отходов металлургических предприятий Уральской горно-металлургической компании // Техноген-2019: сб. науч. тр. Екатеринбург: УрО РАН, 2019. С. 29–34.Panchin AM, Jakornov SA, Skopov GV. Processing of technogenic waste of metallurgical enterprises of the Ural mining and metallurgical company. In: Technogen-2019: Collected scientific works. Yekaterinburg: Ural branch of the Russian Academy of Sciences; 2019, p. 29-34. (In Russ.)Selivanov E.N., Popov A.I., Selmenskikh N.I., Lebed A.B. Oxide inclusions in copper during its fire refining // Non-ferrous Metals. 2013. No. 2. P. 19–22.Selivanov EN, Popov AI, Selmenskikh NI, Lebed AB. Oxide inclusions in copper during its fire refining. Tsvetnye Metally. 2013;2:19-22. (In Russ.)Жуков В.П., Холод С.И., Лисиенко В.Г., Лаптева А.В. Возможность оптимизации состава шихты анодной плавки черновой меди методом математического планирования // Цветные металлы. 2017. № 9. С. 35– 38. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.09.05Zhukov VP, Kholod SI, Lisienko VG, Lapteva AV. The possibility of optimization of composition of anode smelting charge of blister copper by mathematical planning. Tsvetnye Metally. 2017;9:35-38. (In Russ.)Жмурова В.В., Немчинова Н.В., Васильев А.А. Гидрохимическая очистка от меди и свинца золотосодержащих катодных осадков // Цветные металлы. 2019. № 8. С. 64–74. https://doi.org/10.17580/tsm.2019.08.07Zhmurova VV, Nemchinova NV, Vasiliev AA. Removal of copper and lead from gold-bearing сathode deposits by hydrochemical treatment. Tsvetnye Metally. 2019;8:67- 74. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/tsm.2019.08.07Жуков В.П., Новокрещенов С.А., Агеев Н.Г. Математическое моделирование кинетики восстановления оксида меди (I) продуктами неполного сгорания природного газа. Сообщение 2 // Известия вузов. Цветная металлургия. 2013. № 3. С. 58–62.Zhukov VP, Novokreshchenov SA, Ageyev NG. Mathematic simulation of copper (I) oxide reduction kinetics by the products of incomplete consumption of natural gas. Report 2. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya = Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2013;(3):58-62. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2013-3-231-236Широков А.В., Пискунов И.Н., Миллер О.Г. Исследование кинетики раскисления меди продуктами неполного сгорания природного газа // Цветная металлургия. 1966. № 11. С. 34–37.Shirokov AV, Piskunov IN, Miller OG. Studying kinetics of copper deoxidation by the products of natural gas incomplete combustion. Tsvetnaya metallurgiya = Nonferrous metallurgy. 1966;11:34-37. (In Russ.)Вольхин А.И., Елисеев Е.И., Жуков В.П., Смирнов Б.Н. Анодная и катодная медь: физико-химические и технологические основы. Челябинск: Южно-Уральское книжное изд-во, 2001. 431 с.Vol'hin AI, Eliseev EI, Zhukov VP, Smirnov BN. Anode and cathode copper: physicochemical and technological fundamentals. Chelyabinsk: Yuzhno-Ural'skoe knizhnoe izdatel'stvo; 2001, 431 р. (In Russ.)Швыдкий В.С., Новокрещенов С.А., Гольцев В.А., Берняев О.Г. Разработка математической модели теплового режима печи-ковша для проведения процессов огневого рафинирования меди // Творческое наследие Б.И. Китаева: тр. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Екатеринбург, 11–14 февраля 2009 г.). Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2009. С. 324–328.Shvydkij VS, Novokreshchenov SA, Gol'cev VA, Bernyaev OG. Development of a mathematical model of a ladle furnace thermal regime for carrying out fire refining of copper. Tvorcheskoe nasledie B.I. Kitaeva: trudy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii = B.I. Kitaev’s creative heritage: Proceedings of International scientific and practical conference. 11-14 February 2009, Ekaterinburg. Ekaterinburg: Ural State Technical University; 2009, р. 324-328. (In Russ.)Новокрещенов С.А., Швыдкий В.С., Жуков В.П., Овчинников Ю.Н., Черемисин Д.Д. Математическое моделирование гидродинамики пузырькового режима при донной продувке печи-ковша. Сообщение III // Известия вузов. Цветная металлургия. 2013. № 5. Р. 58– 62. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2013-5-58-62Novokreshchyonov SA, Shvydky VS, Zhukov VP, Ovchinnikov YuN, Cheremisin DD. Mathematical modeling of bubble mode modeling in case of bottom blowingthrough of ladle-furnace. Report III. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya = Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2013;(5):58-62. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2013-5-58-62Новокрещенов С.А., Швыдкий В.С., Жуков В.П., Черемисин Д.Д. Математическое моделирование теплового режима печи-ковша при пузырьковой продувке расплава газом. Сообщение IV // Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. № 1. Р. 72–78. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-72-78Novokreschenov SA, Shvydkii VS, Zhukov VP, Cheremisin DD. Mathematical modeling of ladle furnace thermal conditions during gas-bubble melt blowing. Report IV. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya = Izvestiya. NonFerrous Metallurgy. 2016;(1):72-78. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-72-78Шиляев М.И., Толстых А.В., Деренок А.Н., Хромова Е.М. Моделирование тепломассообмена при формировании пузырей в барботажных аппаратах // Теоретические основы химической технологии. 2003. Т. 37. № 6. С. 575–583.Shilyaev MI, Tolstykh AV, Derenok AN, Khromova EM. Modeling of heat and mass transfer during bubble formation in bubblers. Teoreticheskie osnovy himicheskoj tekhnologii = Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2003;37(6):539-546. (In Russ.)Pis'menov S.A., Povolotskii D.Ya., Ustyugov A.A. Bath hydrodynamics with gas injection in a ladle-furnace unit: physical modeling // Steel in Translation. 2007. Vol. 37. No. 3. P. 189–190. https://doi.org/10.3103/S0967091207030023Pis'menov SA, Povolotskii DYa, Ustyugov AA. Bath hydrodynamics with gas injection in a ladle-furnace unit: physical modeling. Steel in Translation. 2007;37(3):189- 190. https://doi.org/10.3103/S0967091207030023Пиптюк В.П., Поляков В.Ф., Самохвалов С.Е., Исаев О.Б., Павлов С.Н., Травинчев А.А. Изучение теплового состояния ванны установки ковш-печь // Металлург. 2011. № 7. С. 50–53.Piptyuk VP, Polyakov VF, Samokhvalov SE, Isaev OB, Pavlov SN, Travinchev AA. Investigation of metal bath thermal state for a ladle-furnace plant. Metallurg. 2011;7:50-53. (In Russ.)Драганов Б.Х., Алмаев Р.А. Анализ динамики и теплообмена паровых пузырьков в газожидкостной среде // Енергетика i автоматика. 2014. № 3. C. 21–26.Draganov BH, Almaev RA. Analysis of dynamics and of heat exchange vapor bubble in gas-liquid environments. Energetika i avtomatika. 2014;3:21-26.Новокрещенов С.А., Жуков В.П., Черемисин Д.Д., Холод С.И. Математическое описание внутренних источников тепла в процессе огневого рафинирования меди в печи-ковше // Цветные металлы. 2011. № 4. С. 28–30.Novokreshchenov SA, Zhukov VP, Cheremisin DD, Kholod SI. Mathematical description of internal thermal source in process of fire refining of copper in ladle furnace. Tsvetnye Metally. 2011;4:28-30. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.