Физическое моделирование процесса разделения двух несмешивающихся жидкостей в плавильном агрегате «Победа» при наличии локальной зоны барботажного перемешивания расплава боковыми и донными фурмами

Цель – поиск физико-химических закономерностей процесса разделения жидких продуктов плавки при продувке расплава боковыми и донными фурмами, установленных в зоне загрузки и плавления медьсодержащей шихты агрегата «Победа». В работе принят метод физического моделирования с использованием прозрачных сред (растительное масло, окрашенная вода) и стеклянной кюветы. Динамическое подобие образца и модели обеспечивали постоянством критерия Архимеда Ar. Исходное соотношение уровней менее и более плотной жидкостей выбирали на основании критерия Вебера We. Величины критериев Архимеда на одну боковую и донную фурмы составляли 5;3 и 12;6 (варианты 1 и 2, соответственно). Полноту разделения фаз определяли визуально с помощью киносъемки, фиксирующей появление границы раздела жидкостей и перемещение фронта отстаивания, а также количественно – методом отбора проб с последующим выделением воды и масла центрифугированием. Из условия Ar = idem рассчитаны параметры продувки на «холодной» модели c установкой 6 донных и 3 боковых фурм, места расположения которых принимали за барботажную зону ванны. Показано, что закономерности разделения фаз зависят от продолжительности и интенсивности ввода дутья. Продувка по варианту 1 характеризуется формированием в конце опыта постоянного профиля расслоения фаз, что происходит на ограниченном участке зоны отстаивания, находящегося вдали от области барботажа. При бóльших значениях Архимеда (вариант 2) жидкая ванна за меньшее время приобретает однородную структуру, и границ расслаивания не наблюдается по всей длине ванны. Таким образом, разработана методология холодного моделирования, позволяющая исследовать закономерности разделения фаз при наличии отдельной зоны барботажа в жидкой ванне. Это позволяет в дальнейшем получить объективные характеристики по расположению фурм, режимам продувки, обеспечивающие снижение механических потерь меди со шлаками при заданной производительности плавки в агрегате «Победа».

1. Быстров В.П. Процесс Ванюкова и печь Ванюкова // Известия вузов. Цветная металлургия. 1999. № 1. С. 7–12.

2. Li Ming-zhou, Zhou Jie-min, Tong Chang-ren, Zhang Wen-hai, Li He-song. Mathematical model of whole-process calculation for bottom-blowing copper smelting // Metallurgical Research & Technology. 2018. Vol. 115. No. 1. Р. 107. https://doi.org/10.1051/metal/2017078.

3. Shao Pin, Jiang Lepeng. Flow and mixing behavior in a new bottom blown copper smelting furnace // International Journal of Molecular Sciences. 2019. Vol. 20. Iss. 22. Р. 5757. https://doi.org/10.3390/ijms20225757.

4. Zhenyang Zhang, Zhuo Chen, Hongjie Yan, Fangkan Liu, Liu Liu, Zhixiang Cui, et al. Numerical simulation of gasliquid multi-phase flows in oxygen enriched bottom-blown furnace // The Chinese Journal of Nonferrous Metals. 2012. Vol. 22. Iss. 6. P. 1826–1834.

5. Hongjie Yan, Fangkan Liu, Zhenyang Zhang, Qiang Gao, Liu Liu, Zhixiang Cui, et al. Influence of lance arrangement on bottom-blowing bath smelting process // The Chinese Journal of Nonferrous Metals. 2012. Vol. 22. Iss. 8. P. 2393–2400.

6. Shui Lang, Cui Zhixiang, Ma Xiaоdong, Rhamdhani M.A., Nguyen Anh V., Zhao Baojun. Understanding of bath surface wave in bottom blown copper smelting furnace // Metallurgical and Materials Transactions B. 2016. Vol. 47. P. 135–144. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0466-z.

7. Jiang Xu, Cui Zhixiang, Chen Mao, Zhao Baojun. Mixing behaviors in the horizontal bath smelting furnaces // Metallurgical and Materials Transactions B. 2018. Vol. 50. Iss. 4. P. 173–180. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1433-2.

8. Jiang Xu, Cui Zhixiang, Chen Mao, Zhao Baojun. Study of plume eye in the copper bottom blown smelting furnace // Metallurgical and Materials Transactions B. 2019. Vol. 50. P. 782–789. https://doi.org/10.1007/s11663-019-01516-0.

9. Сборщиков Г.С., Володин А.М., Валавин В.С. Свободная конвекция расплава в печи с барботажным слоем при его продувке через боковую фурму, установленную под уровнем слоя // Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. № 2. С. 58–68. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2015-2-58-68. EDN: TRKZAN.

10. Шалыгин Л.М. Конвертерный передел в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1965. 160 с.

11. Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. М.: Металлургия, 1974. 495 с.

12. Гречко А.В., Нестеренко Р.Д., Кудинов Ю.А. Практика физического моделирования на металлургическом заводе. М.: Металлургия, 1976. 224 с.

13. Мечев В.В., Быстров В.П., Тарасов А.В., Гречко А.В., Мазурчук Э.Н. Автогенные процессы в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1991. 413 с.

14. Булатов К.В., Жуков В.П., Братыгин Е.В., Томилов Н.А., Меньщиков В.А. Исследование физических явлений в барботажной зоне плавильного агрегата «Победа» методом холодного моделирования. Сообщение 1. Исследование гидрогазодинамических закономерностей продувки жидкости газом с помощью боковой фурмы в защитной газовой оболочке // Известия вузов. Цветная металлургия. 2021. Т. 27. № 3. С. 15–23. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-3-15-23. EDN: MBZBSU.

15. Баласанов А.В., Лехерзак В.Е., Роменец В.А., Усачев А.Б. Газификация угля в шлаковом расплаве. М.: Стальпроект, 2008. 288 с.

16. Булатов К.В., Жуков В.П., Братыгин Е.В., Томилов Н.А., Меньщиков В.А. Исследование физических явлений в барботажной зоне плавильного агрегата «Победа» методом холодного моделирования Сообщение 3. Гидрогазодинамика комбинированной продувки жидкости газом с помощью донной и боковой фурм // Известия вузов. Цветная металлургия. 2023. № 1. С. 26–38. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2023-1-26-38. EDN: XQKNJE.

17. Shui Lang, Cui Zhixiang, Ma Xiaodong, Jiang Xu, Chen Mao, Xiang Yong, et al. A water model study on mixing behavior of the two-layered bath in bottom-blown copper smelting furnace // JOM. 2018. Vol. 70. Iss. 10. P. 2065– 2070. https://doi.org/10.1007/s11837-018-2879-z.

18. Shui Lang, Cui Zhixiang, Ma Xiaodong, Rhamdhani M.A., Nguyen Anh, Zhao Baojun. Mixing phenomena in a bottom blown copper smelter: a water model study // Metallurgical and Materials Transactions B. 2015. Vol. 46. P. 1218–1225. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0324-z.

19. Gajjar P., Haas T., Owusu K.B., Eickhoff M., Kowitwarangkul P., Pfeifer H. Physical study of the impact of injector design on mixing, convection and turbulence in ladle metallurgy // Engineering Science and Technology. 2019. Vol. 22. P. 538–547. https://doi.org/10.1016/J.JESTCH.2018.11.010.

20. Сурин В.А., Назаров Ю.Н. Массо- и теплообмен, гидрогазодинамика металлургической ванны. М.: Металлургия, 1993. 352 с.

21. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах: монография. М.: Металлургия, 1994. 432 с.

22. Марков Б.Л. Методы продувки мартеновской ванны. М.: Металлургия, 1975. 279 с.