Математическое моделирование теплового режима агрегата печь-ковш с учетом внутренних тепловых источников

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 оригинальная
методика 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.

1. Dong 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/s12540-017-6750-5

2. Sarfo 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_95

3. Шнеерсон Я.М., Иванова Н.Ф. Применение автоклавных методов для рафинирования труднообогатимых медных полиметаллических концентратов // Цветные металлы. 2003. № 7. С. 63–67.

4. 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).

5. 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.

6. 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/s11837-012-0454-6

7. Лукавый 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.

8. 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/10.21285/1814-3520-2020-2-421-433

9. Паньшин 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.

10. 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.

11. 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.2017.09.05

12. 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.2019.08.07

13. Жуков 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.

14. Широков А.В., Пискунов И.Н., Миллер О.Г. Исследование кинетики раскисления меди продуктами неполного сгорания природного газа // Цветная металлургия. 1966. № 11. С. 34–37.

15. 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.

16. 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.

17. 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/10.17073/0021-3438-2013-5-58-62

18. Новокрещенов 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/10.17073/0021-3438-2016-1-72-78

19. Шиляев 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.

20. 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/S0967091207030023

21. Пиптюк 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.

22. Драганов Б.Х., Алмаев Р.А. Анализ динамики и теплообмена паровых пузырьков в газожидкостной среде // Енергетика i автоматика. 2014. № 3. C. 21–26.

23. 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.