автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Моделирование тепломассобменных процессов в струйно-эмульсионном агрегате при разработке технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов

пр^в^х рукописи

1 ^ ЛЕН 20П

ЕРМАКОВА ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННОМ АГРЕГАТЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ИЗ ОТХОДОВ И ПЫЛЕВИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 2000

Работа выполнена

на кафедре информационных технологий в металлургии Сибирского государственного индустриального университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Мочалов С.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хрущев М.С. кандидат технических наук Козырев Н.А.

Ведущая организация:

ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат"

Защита состоится 29 июня 2000 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 063.99.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова, 42, СибГИУ. Email: mochalov@sinerg.kemerovo.su Факс: (3843) 46-57-92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГИУ.

Автореферат разослан мая 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат технических наук

,доцент

A.JI. Николаев

КМ? У- . (У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современная металлургия полного цикла является одной из наиболее энергоемких отраслей. Для достижения рентабельного уровня необходимо создание принципиально новых процессов и технологий. Наиболее перспективными являются процессы получения металла методом прямого жидкофазного восстановления непосредственно из пылевидных руд и отходов промышленных предприятий, которые могут быть реализованы в агрегатах струйно-эмульсионного типа.

При разработке таких технологий возникает проблема определения режимов подачи потоков шихты железорудных материалов, кислорода, топлива и восстановителей в основные реакторы агрегата.

Одним из направлений решения таких задач является расчет технологий на основе моделирования тепломассообменных процессов, протекающих в дисперсных системах агрегата, с учетом термодинамических и гидродинамических условий.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом хоздоговорных и госбюджетных НИР Сибирского государственного индустриального университета в рамках: научно-технической программы Минобразования РФ "Энерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии", 1998-1999 г., направление 3; единого заказ-наряда Минобразования РФ, 1995-1999 г.; двух конкурсов грантов Минобразования РФ по фундаментальным проблемам металлургии, раздел "Производство черных и цветных металлов, и сплавов", 19961998 г. и 1999-2000 г.; программ Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" раздел 1.13 и "Научные исследования высшей школы в области новых материалов" раздел 2.3,2000 г.

Выполнение работы осуществлялось в рамках научного направления "Математические модели, автоматизированные обучающие и исследовательские системы, новые металлургические процессы на основе принципов самоорганизации", научным руководителем которого является Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В.П. Цымбал.

Цель работы. Разработка на основе моделирования тепломассообменных процессов режимов подачи в реакционную камеру и рафинирующий отстойник струйно-эмульсионного агрегата шихтовых материалов и энергоносителей для технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов.

Научной новизной диссертации является:

• математическая модель тепломассообмена частиц в виде совместной системы уравнений теплопроводности и молекулярной диффузии с граничными условиями 3 рода и методика решения задачи нестационарного тепломассообмена частиц шихтовых материалов с учетом фазового перехода;

• методика моделирования тепломассообменых процессов совокупности частиц железорудных материалов заданного закона распределения;

. методика расчета режимов основных реакторов агрегата на основе моделирования тепломассообменных процессов с учетом термодинамических и гидродинамических условий;

• результаты по определению условий протекания процессов и режимов подачи шихтовых материалов и энергоносителей в реакционную камеру и рафинирующий отстойник.

Практическая значимость. Полученные при выполнении работы результаты имеют важное практическое значение при реализации технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов на опытной установке, созданной в ККЦ-2 ОАО "ЗСМК", а также при определении характеристик и расходов потоков в реакторы струйно-эмульсионного агрегата шихтовых материалов, кислорода и природного газа для проектируемых технологических комплексов.

Реализация результатов. Результаты расчета условий протекания процессов и режимов подачи шихтовых материалов и энергоносителей в струйно-эмульсионной агрегат для технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов использованы:

• при отладке и экспериментальной проверке технологии на опытной установке;

• при разработке исходных данных для проектирования типового металлургического модуля производительностью 150^-200 тыс. тонн в год и маломасштабной демонстрационной установки производительностью 1,5-^2,0 т/час.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

• математическая модель и методика решения задачи нестационарного тепломассообмена частиц шихтовых материалов с учетом фазового перехода;

. методика и результаты моделирования тепломассообменых процессов совокупности частиц железорудных материалов;

• методика расчета режимов и процессов, протекающих в реакционной камере и рафинирующем отстойнике, для технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов;

• результаты расчета условий и режимов подачи шихтовых материалов и энергоносителей в реакционную камеру и рафинирующий отстойник для опытной установки и проектируемых агрегатов.

Автору принадлежит: разработка математической модели нестационарного тепломассообмена частиц материалов; создание методики моделирования тепломассообменных процессов совокупности частиц железосодержащего материала; разработка методики расчета процессов в основных реакторах агрегата; проведение расчетов процессов и режимов технологии при проведении экспериментов на опытной установке и проектируемых агрегатов.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология" (Новокузнецк, 1996); Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1998); Межвузовской научной конференции "Численно-аналитические методы решения краевых задач" (Новокузнецк, 1998); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых" (Красноярск, 1999); Всероссийской научно-практической конференции "Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы" (Новокузнецк, 1999).

Публикации: результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах в центральных журналах и сборниках, в том числе 5 статей.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и приложения. Изложена на 156 страницах, содержит 30 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В результате рассмотрения процессов и технологий переработки пылевидных отходов и материалов по прямой схеме показано, что в последнее время наблюдается значительное увеличение количества разработок по созданию новых способов, технологических схем и конструкций агрегатов. Проведена классификация процессов прямого

получения металла по виду используемого восстановителя, виду получаемого продукта, способу организации взаимодействия фаз, способу построения технологической схемы, очередности процессов плавления и восстановления, фазовому состоянию компонентов системы.

Показано, что в зарубежной металлургии в последние 5-7 лет наблюдается невиданный технический прогресс. Особенно интенсивно ведутся работы по созданию новых металлургических процессов. В настоящее время в мире построено или находится в разных стадиях строительства более ста установок различных вариантов твердофазного восстановления и около 25 установок жидкофазного восстановления. Осуществляется структурная перестройка, которая направлена на повышение гибкости и экономической эффективности производства, а также улучшения качества готовой продукции и охрану окружающей среды. Меняются стратегические подходы к структуре предприятия. В противовес прежней системе массового производства металла на громоздких заводах с полным металлургическим циклом приоритетными становятся мини-заводы, ориентированные на требования рынка.

Приведены результаты сопоставительного анализа процессов и затрат на создание агрегатов, из которых следует, что наиболее перспективными являются процессы жидкофазного восстановления, позволяющие получать металл непосредственно из пылевидных материалов и отходов без предварительной окомкования.

Рассмотрены современные представления о механизме твердофазного и жидкофазного восстановления. Показано, что математическое описание процессов является сложной задачей, упрощение которой возможно путем постадийного представления процесса на основе использования двухстадийной диссоциативной, адсорбционно-автокаталитической или реактивно-диффузионной теории. Наиболее точные результаты получаются при использовании реактивно-диффузионной теории, которая вводит принципиально новое понятие о "размытости" или даже полном отсутствии фронта реакции в его классическом понимании. Рассмотрены двухстадийный и электрохимический механизмы процесса восстановления металлов из оксидных расплавов и в эмульсионных средах, как твердым так и расплавленным углеродом.

Проанализированы наиболее распространенные модели и методы, которые широко используются при описании тепло- и массооб-менных процессов в дисперсных средах без и с учетом химических реакций: пленочная теория, пенетрационная модель, модель обновления поверхности, пленочно-пенетрационная модель и модель диффу-

зионного пограничного слоя. Рассмотрены условия решения внешней и внутренней задачи массо- и теплообмена.

Рассмотрены особенности конструкции и технологии прямого получения металла в агрегатах струйно-эмульсионного типа. Выделены основные преимущества таких процессов и агрегатов: высокие скорости тепломассообменных процессов (в 100+200 раз выше чем в конвертере); малые размеры и материалоемкость агрегатов (в 10+20 раз меньше чем в традиционной металлургии); низкие сквозные энергозатраты (13+15 ГДж/т) и себестоимость (40+60 $/т); высокая эколо-гичность и безотходность технологий; управляемость, универсальность и мобильность; возможность использования в шихте различного рода пылевидных материалов и отходов; возможность реализации целого комплекса безотходных технологий; выплавки меди, ферросплавов и других металлов; капитальные затраты (50+80 $/т) и срок окупаемости (2-3 года); возможность реализации новой концепции структурных изменений в металлургии и строительства мини-заводов новой структуры производства в виде независимых друг от друга и параллельно работающих типовых технологических модулей вместо последовательности крупных агрегатов многозвенного металлургического передела.

Исходя из анализа высокоинтенсивных режимов протекания процессов в струйно-эмульсионном агрегате и использования в качестве шихты мелкодисперсных материалов, сделан вывод о целесообразности разработки методик расчета и моделирования на основе решения внутренней задачи тепломассообмена с учетом термодинамических и гидродинамических условий протекания процессов в дисперсных системах реакторов агрегата.

II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Рассмотрена схема представления физико-химических и гидродинамических процессов, протекающих в струйно-эмульсионном агрегате, с выделением и классификацией дисперсных систем и возможных химических реакций. Проведено математическое моделирование тепломассообмена частиц с учетом фазового перехода, lía основе которого разработана методика расчета процессов нагрева, плавления и восстановления совокупности частиц железосодержащих материалов при заданных граничных условиях.

Разработанная схема представления процессов в струйно-эмульсионном агрегате при реализации технологии прямого получения металла приведена на рис. 1. Здесь показаны: основные реакторы

Схема агрегата и процессов технологий прямого получения металла

1-1

ПЕРВИЧНАЯ РЕАКЦИОННАЯ ЗОНА

(сад+адмсвд+^ад

II ЗОНА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ

СЛОЙ

СТРУКТУРИРОВАННОЙ ШЛАКОВОЙ ПЕНЫ ЗОНА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПОТОКОВ

(ЛО) + |С] = |Ге]т{СО!

Сш+{С01\=ЦСЩ (С0) + (О2) = {С0г} (Ге0)+(а?}=1Ге1+{С01} (ГггО,)+3(а35=2[Л1+3(СОг}

(Л,01)+З!яг}=2(й]+З(ед Л>0„ ->(ЙО)

ПА- -»(»А) ЗОНА ОБРАЗОВАНИЯ ШЛАКОВОЙ ПЕНЫ 0„[СН,| ЗОНА ТУРБУЛИЗИРОВАННЫХ ВИХРЕВЫХ ПОТОКОВ (ГеО) + [С] = 1Ге1+(СО)

(Г«С) + {С»1=Гг%|+{а?,)

(Лг03)+З(005 =2[Й1 + З{а>г} {/>103)+3{Й1}=2|Й1+3{Я10}

1 ■ расходные буккера; 2 • смеситель; 3 • шихтапровод; 4 - реакционная камера; 5 - газокислородная фурма; 6 - отводной канал; 7 - рафинирующий отстойник,- 8 - летка выпуска металла; 9 - патрубок отвода шлака и газа-, 10 - газокислородная фурма; 11 - кислородная фурма

С„ +((Щ=2!СЦ

ЗОНД НАКОПЛЕНИЯ МЕТАЛЛА

+ {01)={СО1) ,

+ У1{01}=\С0}

+ (С02)=2{00)

Газ ->кап:ш

отработанного мггсла

Газ - пленка масла на частице железорудного материала

Частица железорудного материала пленка железорудного материала

Газ-

часгсща кокса

Газ - капля железорудного материала -капля металла

Газ -

частица хокса -капля металла

Шлак -

капля металла -газ

агрегата; способы организации и взаимодействия потоков; структура гидродинамических потоков в реакторах и основные реакционные зоны; типы элементарных дисперсных систем и виды основных химические реакций.

В реакционной камере при подаче пластифицированной шихты, кислорода и природного газа образуются две зоны: первичная реакционная зона, в которой происходит горение природного газа или отработанного масла, и зона основного объема (зона идеального смешения), заполненная газовзвесью, где происходит нагрев и расплавление материалов, восстановление оксидов железа, горение углерода и другие окислительно-восстановительные реакции. Образующаяся потоки отводятся из реакционной камеры^через цилиндрический соединительный канал (зона идеального вытеснения).

Основными зонами рафинирующего отстойника являются: застойная зона в нижней части, где происходит накопление готового продукта; зона турбулизированцых вихревых потоков, расположенная в области выхода среды из реакционной камеры; зона образования шлаковой пены; зона вертикальных потоков в виде движущейся пенообразной смеси конденсированных и газообразных фаз с наличием противотока; слой структурированной шлаковой пены в верхней части отстойника.

Рассмотрение и анализ процессов, протекающих в струйно-эмульсиопном агрегате, позволил сформулировать задачи по постановке и математическому моделированию тепломассообменных процессов в выделенных дисперсных системах.

Расчет числовых характеристик дисперсных материалов осуществлялся в предположении, что частицы имеют сферическую форму, а исходными экспериментальными данными для количественного описания плотности распределения частиц по их диаметрам в интервале {с1тт с1тзх) являются массы фракций, полученные в результате обработки данных просеивания шихтовых материалов на ряде стандартных сит.

Для описания использовали такие характеристики, как плотности распределения количества /„((1), поверхности и массы частиц /т(с1), а также соответствующих функций распределения Е„(с1), /г!(о').

Через /„(¿/), /Д^), обозначим соответствующие нор-

мированные плотности распределения, а через Ь\ (с1), (с!) -

нормированные функции распределения.

Оценку для /ш (с{) строили в классе регулярных распределений в интервале (Лтт, в виде логарифмически нормального закона с учетом минимального и максимального диаметров частиц с!пш и

'»шах

1л] ^ "■ Ипо

(¿та*

Конкретный вид /„, (¿г) определяется значениями параметров й* и ст*, которые минимизируют функционал

^ м V

Ф^^^гаЬХ - , (2)

1=1

м

где Л^ - количество фракций;

с/, - максимальный диаметр частиц в г'-ой фракции; М,- - масса г'-ой фракции.

В результате обработки экспериментальных данных получены и приняты при моделировании следующие значения а и а* параметров законов распределения дисиерсных шихтовых материалов: железорудный концентрат - 0,8 и 0,8; шлам - 3,9 и 1,0; окалина - 1,8 и 0,8; коксик - 4,9 и 1,4; пылевидная известь - 4,1 и 1,6; марганцевый концентрат - 2,6 и 0,6, Им соответствуют следующие значения числовых характеристик: удельная поверхность (железорудный концентрат 5,2 м /кг, шлам 16,2 м2/кг, окалина 2,4 м2/кг, коксик 16,88 м2/кг, пылевидная известь 18,6 м2/кг, марганцевый концентрат 16,9 м2/кг,); количество частиц в килограмме (железорудный концентрат 11,9-106 шт/кг, шлам 537,4-106 шт/кг, окалина 2,5-106 шт/кг, коксик 444,7-106 шт/кг, пылевидная известь 1079,2-106 шт/кг„ марганцевый концентрат 122,3-106 шт/кг).

Моделирование тпепломассообменных процессов частиц материалов осуществлялось в два этапа. На первом этапе провели отдельно численные расчеты процессов теплообмена и массообмена для частиц различных размеров и внешних условий, которые характерны для сред струйно-эмульсионных агрегатов.

В результате моделирования теплообмена получили зависимости времени процесса нагрева частиц до температуры, равной 95% от исходного перепада температур, и их размера для каждого вида материала, а также значений коэффициента теплоотдачи а = 400+20000 Вт/(м2-К), которые соответствуют условиям теплообмена в газовых,

эмульсионных и шлаковых средах при ламинарном и турбулентном режимах. Для частиц железосодержащих материалов размером до 5-10'3 м время нагрева не превышает 140 с. Время нагрева мелкодисперсных материалов, имеющих размеры 0,1+0,25-10"3 м, составляет со-этветственно 0,02+5 секунд. Полученные результаты позволили заклю-шть, что в высокотемпературных газово-эмульсионных средах 1300°+1600°С) необходимым временем пребывания для нагрева материалов должна быть величина, равная нескольким секундам.

Результаты моделирования процесса массообмена частиц шихтовых материалов показали, что при массообмене твердой частицы В = 3,34-10"12 м/с, ? = 1200 °С) в диапазоне значений (3=0,2+2-105 м/с юзможности твердофазного восстановления, для времени 10+15 се-сунд, ограничены размерами 1,5-10"7 м, а для условий жидкофазного юсстановления (£>=(1+10)-10'10 м/с) и материалов размером 0,025+3)-10"3 м время массообмена составляет 0,3+300 секунд.

На втором этапе провели моделирование параллельно проте-:ающих тепло массообменных процессов, которые описали уравне-[иями молекулярной диффузии и теплопроводности для частиц сфе-1Ической формы с граничными условиями 3 рода:

дС

<ЭЯзд г2 дг

сВ

1 д

' 8 1

оС дг

дРод Ьи г2 дг

С

д&

дг

= 0 ©I =0

,7=0

(3)

дС 87

дС

= 0

г= о

д& дг

дг

= 0

д@ дг

= 1-0),

зе С=-г

с-с0

-Сп

- безразмерная относительная концентрация, Со - на-

альпая концентрация рассматриваемого элемента в частице; С - кон-

ентрация этого элемента в окружающей среде; © =

*ср~*0

безраз-

ерная относительная температура; (о - начальная температура части-

г. ~ Г

цы; (ср - температура окружающей среды; к- радиус частицы; г ~~

безразмерный радиус Ьи = — - число Льюиса; Род = Щ- - диффузи-

а Я

онное число Фурье; Б;л = —- - диффузионное число Био; Ш = —- -

Е) А.

число Био; О - коэффициент диффузии, м2/с; (3 -коэффициент массо-отдачи, м/с; а - коэффициент температуропроводности частицы, м2/с; А. - коэффициент теплопроводности частицы, Вт/(м-К); а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); т - время, с.

Краевая задача решалась методом разделения переменных с использованием быстросходящихся рядов. Особенность методики решения заключается в построении схемы расчета, которая позволяет получать результаты, характеризующие связь между определяющими параметрами задачи в заданном любом интервале переменных, представленных как в критериальной, так и в размерной физической формах. Этапы методики расчета.

1. Построение для среднемассовых безразмерных температуры &мас и концентрации Смас с использованием аналитических уравнений вида зависимости &мас = &мас(Ео1Х ¿и, ВГ), Смас = Смас(Гоа,Вгд) для заданного диапазона изменения критериев подобия, соответствующего условиям рассматриваемых систем.

2. Решение обратной задачи при различных &мас и 2?/, Смас и

на основе результатов этапа 1 и численное определение характера связи времени массообмена и теплообмена от параметров в критериальной форме .Род = Роа {Смас, В1д), Го= Го(&мас, ВГ), где ¥о~¥оа/Ьи.

3. Построение номограмм, определяющих количественную связь между конкретными физическими величинами

■ г

2 (4)

т.^ Ро^^у^а, К)

При расчете на каждой итерации сначала по составу определяли температуру плавления, затем рассчитывали текущую температуру, по которой определяли коэффициент диффузии с учетом фазового состояния частицы. После чего на следующей итерации определяли новые теплофизические параметры материала с учетом полученного состава и фазового состояния.

Методика моделирования тепломассообмена совокупности дисперсных частиц

Моделирование тепломас-сообменных процессов совокупности дисперсных частиц. Назначение созданной методики заключается в моделирование тепломассообмена совокупности дисперсных частиц заданного закона распределения на основе рассмотренной выше модели. Методика моделирования представлена на рис. 2.

Реализация этой методики предусматривает: задание времени процесса и температуры среды; разбиение всего интервала размеров на ряд диапазонов; расчет теп-ломассообменных процессов для частиц выбранных диапазонов;

определение интегральных значений масс, состава фаз и затрат тепла на нагрев, плавление и восстановление. На рис. 3 приведены результаты моделирования тепломассообменных процессов 1 кг железосодержащих материалов для условий, характеризующих режимы в реакционной камере (диапазон температур 1400+1600 °С и время процесса от 0,3 до 0,5 с). Здесь показана зависимость долей: шихты твердой на-

Рис.;

Результаты моделирования тепломассообменных процессов совокупности частиц материалов

0,9 0,8

0,7

0,6

- 1 - . ) ■ 1 ■—■

Ш, (Т^1600)

■ тттп 1Ш^«11«|тШ|Д11жи

ии1'(1=1400)

Щ." (Т=1400)

0,3

0,35

0,4 т.с

0,45

0,5

Рис. 3

гретой Штн, в которой каждый диапазон размеров частиц имеет свою температуру; шихты расплавленной Шжр, капли которой имеют температуру выше температуры плавления; шихты расплавленной и восстановленной Шжв.

III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В РЕАКТОРАХ СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННОГО АГРЕГАТА ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА

Рассмотрена методика расчета процессов и режимов подачи шихтовых материалов и энергоносителей в основные реакторы агрегата для опытной установки и проектируемых технологических модулей, а также результаты экспериментов по проверке практической реализуемости технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов.

Расчет процесса в целом и определение числовых характеристик входного потока шихтовых материалов необходимы для анализа процесса на уровне входных и выходных параметров и формирования требований к химическому и гранулометрическому составу шихтовых материалов. Этап предусматривает реализацию задач термодинамического моделирования, расчет материальных и тепловых балансов, а также расчет параметров закона распределения и числовых характеристик потока шихты, состоящего из набора различных материалов. Процедура формирования потока смеси из желаемого набора шихтовых материалов и массовых соотношений компонентов смеси с

Схема расчета процесса в реакторах агрегата

ЗАДАНИЕ ЦЕЛЕВЫХ КРЯТТРИЕВ И ИСХОДНЫХ дишых ДЛЯ РАСЧЕТА

ОЦЕНКА ТЕРНОДИНАНЯЧЕСЮа И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ таиюМАССООБМЕКНЫХ ПРОЦЕССОВ

известными параметрами закона распределения предусматривает: разбиение всего интервала размеров частиц на диапазоны; определения массы частиц каждого материала для текущего диапазона; расчет массы смеси текущего диапазона; анализа вида закона распределения смеси; нахождения параметров закона распределения асм и а*см и расчет числовых характеристик смеси.

Схема расчета процессов в реакторах агрегата приведена на рис. 4. Задание целевых критериев и исходных данных для расчета осуществляется исходя из технологических соображений для обеспечения необходимых режимов процесса. Для оценки термодинамических и гидродинамических условий протекания тепломассо-обменных процессов используются создан-Рис- 4 ные на кафедре

"Информационных технологий в металлургии" СибГИУ инструментальные системы и программный комплекс "Астра". С учетом временя пребывания и теплофизических параметров реактора рассчитываются процессы тепломассообмена, материальный и тепловой балансы. В результате необходимого количества итераций для заданных условий в реакторе определяются параметры входных потоков либо при заданных входных потоков рассчитываются время пребывания,

Ш Восстановленная пищ ■ Расплетая иоота В Твертая щнгп

■ (^металла □ (¿цьпка

BQpac плавленой шихты ЕЗОтвердой шнхты ВОвосстаноЕления

Рис. 5

степень восстановления, фазовое состояние материалов, температура и составы твердых, жидких и газообразных фаз. Методика реализована средствами табличного процессора EXCEL в виде модуля, имеющего согласованные форматы данных с другими системами.

Расчет процессов в реакционной камере осуществлялся для технологии прямого получения металла заданного состава и температуры из окалины, шлама и концентрата. Все расчеты производили на 10 кг/с железорудной шихты.

На рис. 5 приведены результаты моделирования процессов для разных температур и времени пребывания компонентов шихты в реакционной камере, которые характеризуют возможные пределы развития массообменных и теплообмехшых процессов.

Расчет процессов в рафинирующем отстойнике проводился с целью определения времени усвоения крупного коксика, расплавления и восстановления частиц железорудных материалов, а также процессов дожигания оксидов углерода в шлаковой пене. При расчетах учитывали, что входной поток в рафинирующий отстойник складывается из выходного потока реакционной камеры, поступающего по соединительному каналу, смеси кислорода с природным газом или кислорода, подаваемых через фурмы.

На рис. 6 показано влияние расхода кислорода, подаваемого через дополнительные фурмы на основные параметры процессов в этом реакторе.

Вариант итогового расчета последовательно соединенных реакционной камеры и рафинирующего отстойника с соответствующими входными потоками для технологии прямого получения металла приведен в таблице 1, в которой показаны потоки, степени превращения, интегральные источники и затраты тепла.

Созданные методики и средства позволяют определять необходимые соотношения компонентов смеси потока шихтовых материалов (окалина, шлам, концентрат, пылевидная известь, коксик, отработанное масло), соотношений крупного и мелкого коксика во входных потоках, а также расходы природного газа и кислорода для проектируемых агрегатов и кислорода для опытной установки.

Экспериментальная проверка возможности реализации технологии осуществлялась на опытной установке непрерывного металлургического процесса созданной в ККЦ №2 ОАО "ЗСМК". В результате проведенных экспериментов получен низкоуглеродистый ([С] = 0,03+0,10%), среднеуглеродистый ([С] = 0,25+0,55%) и высокоуглеродистый ([С] = 0,7+1,5%) металл. Эксперименты проводились в период с 1996 по 1999 г. по различным технологическим режимам,

Влияние расхода кислорода на основные параметры процессов в рафинирующем отстойнике

40% 30%

9 20%

10% 0%

т

ОРеО)

[С]

2,2 2,4 2,6 2,8 Расход кислорода, кг

1800 1500 1200

<

900 ® 600 300 0

и х

й ■е-

и и а

12 10 8 6 4 2 0

-Рва— —.— Ст. ВОСС]

1у|еталл

--- V

—в- Шлак -V

-1- - 1 ---Углг-роп \

2,2 2,4 2,6 2,8 Расход кислорода, кг Рис.6

0,95 2

0,9 | о л

0,85 г н О

0,8

которые подтвердили принципиальную возможность получения металла различного состава из окалины, шлама и пылевидных материалов методом прямого восстановления в струйно-эмульсионном агрегате.

Таблица 1

Вариант расчета процессов в реакционной камере и рафинирующем отстойнике

Наименование потоков, видов процессов Общие потоки Реакционная камера Рафинирующий отстойник

массы, кг/с тепла, кДж/с Потоки массы, кг/с Степень превращения, % Потеки тепла Потоки массы, кг/с Степень превращения, % Потоки тепла

кДж/с Доля, % кДж/с Доля, %

Металлошихта 10,00 -10,00

Штв 0,00 0 6,11 61,15 -3990 100,00 -5,11 ь 61,15 3990 100,00

ШжР 0,00 0 2,61 26,13 -3492 100,00 -2,61 26,13 3492 100,00

Восст. оке. железа -37867 -3859 10,19 -34008 89,81

Известь 0,60 0 -0,08 12,73 -205 100,00 -0,52 87,27 205 100,00

Кокс мелкий 1,49 0 -1,49 100,00 0 0,00 0,00 0,00 0 0,00

Кокс крупный 1,49 0 0,00 0,00 -120 100,00 -1,49 100,00 120 100,00

Горен, кокса до СО 30070 14295 47,54 15775 52,46

Дожиг. СО до С02 42166 0,43 7,79 4344 10,30 3,87 60,13 37822 89,70

Кислород 5,59 -3,09 55,33 -2,50 44,67

Природный газ 1,00 12561 -0,70 70,00 10694 85,14 -0,30 30,00 -1867 14,86

Металл 5,89 -7312 0,54 9,17 -487 6,66 5,35 90,83 -6825 93,34

Шлак 2,27 -3691 0,57 25,19 -883 23,92 1,70 74,81 -2808 76,08

Газ 11,94 -28362 5,50 46,06 -13104 46,20 6,44 53,94 -15257 53,80

Потери -6000 -3000 50,00 -3000 50,00

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана схема представления физико-химических и гидродинамических процессов, протекающих в струйно-эмульсионном агрегате при реализации технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных руд, которая отражает: конструктивные особенности агрегата; входные материальные и энергетические потоки, способы их подачи и взаимодействия; структуру макропотоков в реакторах; основные реакционные зоны; типы элементарных дисперсных систем и виды протекающих реакций.

2. На основе анализа условий и режимов высокоинтенсивного протекания гидродинамических процессов в агрегате струйно-эмульсионного типа предложена математическая модель в виде совместной системы уравнений теплопроводности и молекулярной диффузии с граничными условиями 3 рода и методика решения задачи нестационарного тепломассообмена частиц шихтовых материалов с учетом фазового перехода,

3. Разработана методика моделирования тепломассообменых процессов совокупности частиц железорудных материалов заданного закона распределения, которая предусматривает: задание времени процесса и температуры среды; разбиение всего интервала размеров на ряд диапазонов; расчет тепломассообменных процессов для частиц выбранных диапазонов; определение интегральных значений масс, состава фаз и затрат тепла на нагрев, плавление и восстановление.

4. Предложена методика расчета параметров закона распределения и числовых характеристик потока шихты, состоящего из набора различных материалов, которые подают в струйно-эмульсионный агрегат.

5. Разработана методика расчета режимов основных реакторов агрегата, которая заключается в расчете входных и выходных потоков на основе моделирования тепломассообменных процессов с учетом термодинамических и гидродинамических условий протекания процессов в дисперсных системах реактора.

6. На основе моделирования тепломассообменных процессов, протекающих в реакционной камере и рафинирующем отстойнике, определены условия протекания процессов и сформулированы требования к характеристикам входных потоков материалов.

7. Выполнены расчеты состава потока шихтовых материалов (окалина, шлам, концентрат, пылевидная известь, коксик, отработанное масло) при общем расходе шихты 6+6,5 кг/с при проведении экспериментов на опытной установке в ККЦ №2 ОАО "ЗСМК" по отлад-

ке технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов с определением доли мелких (до 5-10"3 м) и крупных (до 30-10"3 м) фракций коксика, соотношений железорудных материалов, расходов кислорода в реакционную камеру и рафинирующий отстойник.

8. Определены характеристики и расходы потоков в реакторы струйно-эмульсионного агрегата шихтовых материалов, кислорода и природного газа технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов для проектируемых технологических комплексов - типового модуля и маломасштабной установки.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Моделирование процессов горения в дисперсных системах и движения двухфазных потоков в агрегате струйно-эмульсионного типа / С.П. Мочалов, JI. А. Ермакова, В.Д. Сарычев, С. Н. Калашников Ü Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология. Труды Международной научно-технической конференции. Новокузнецк, 1996. - С.102.

2. Методика численно-аналитического моделирования тепло-массообменных процессов в дисперсных системах / С. Н. Калашников, С. П. Мочалов, С. Ю. Красноперов, Л. А. Ермакова // Численно-аналитические методы решения краевых задач. Сборник трудов межвузовской научной конференции. Новокузнецк, 1998. - С. 52-54.

3. Ермакова Л. А. Анализ процессов прямого восстановления металлов из пылевидных отходов // Современные проблемы и пути развития металлургии. Труды Международной научно-практической конференции. Новокузнецк, 1998. - С. 27-29.

4. Ермакова Л. А., Мочалов С. П. Теоретический анализ процессов восстановления металлов применительно к условиям технологий переработки пылевидных отходов в струйно-эмульсионном агрегате // Совершенствование методов поиска и разведки, технологии до-5ычи и переработки полезных ископаемых. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых. Красно-фск, 1999.-С. 172-173.

5. Моделирование восстановительных процессов и оценка энергетических возможностей технологии прямого получения метал-тов из пылевидных отходов в струйно-эмульсионных агрегатах на принципах самоорганизации / С.П. Мочалов, Л.А. Ермакова, K.M. [Дакиров, В.П. Цымбал // Изв. вузов. Черная металлургия. -1999. -№4. ■С. 44-50.

6. Методика моделирования массообменных процессов пру восстановлении пылевидных железосодержащих материалов / С. Н Калашников, С. П. Мочалов, JI. А. Ермакова, С. Ю. Красноперов /, Изв. вузов. Черная металлургия. -1999. -№10. - С. 61-64.

7. Расчет параметров тепломассообмена в зонах агрегате струйно-эмульсионного типа при восстановлении пылевидных материалов / Л. А. Ермакова, С. П. Мочалов, С. Н. Калашников, Е. И Ли-верц. // Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы. Материалы всероссийской научно-практической конференции. Новокузнецк, 1999. -С. 235-237.

8. Ермакова Л. А., Калашников С. Н., Мочалов С. П. Совместная математическая модель тепломассообменных процессов в дисперсных средах применительно к условиям восстановительных процессов в струйно-эмульсионном агрегате // Металлургия на порог« ХХГ века: достижения и прогнозы. Материалы всероссийской научно-практической конференции. Новокузнецк, 1999. -С. 238-240.

9. Разработка комплексной технологии прямого получения металла из отходов промышленных предприятий на основе непрерывного струйно-эмульсионного процесса / В. П. Цымбал, Р. С. Айзатулов С. П. Мочалов, Л. А. Ермакова и др. // Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы. Материалы всероссийской научно-практической конференции. Новокузнецк, 1999. -С. 241-243.

10. Ермакова Л. А., Мочалов С. П., Цымбал В. П. Новые процессы и технологии переработки пылевидных железосодержащих материалов и отходов по прямой схеме // Деп. в ВИНИТИ. 10.11.99 №3313 -В99. - 18 с.

11. Ермакова Л. А., Мочалов С. П., Шакиров К. М. Изучение механизмов и моделирование восстановительных процессов для условий получения металла из пылевидных материалов в струйно-эмульсионном агрегате непрерывного действия / Деп. в ВИНИТИ 10.11.99, №3312-В99,- 14 с.

12. Цымбал В. П., Мочалов С. П., Ермакова Л. А. Моделирование процессов и разработка технологии получения металла из отходен на основе непрерывного струйно-эмульсионного процесса // Изв. вузов. Черная металлургия. -2000. -№2. - С. 60.