автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка расчетных моделей, исследование и оптимизация теплообмена в автогенных печах факельно-барботажной плавки для переработки медного сульфидного сырья

На правах рукописи

СОБОЛЕВ Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ,

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В АВТОГЕННЫХ ПЕЧАХ ФА К Е Л Ь Н О - Б А Р Б О Т А Ж Н О Й П Л А В К И ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНОГО СУЛЬФИДНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.14.04 — Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата . технических наук

Красноярск-1996

Работа выполнена и Красноярской государственной академии цветных металлов и золота на кафедре «Инженерная теплофизика»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Журавлев Ю. А.

кандидат технических наук, доцент Скуратов А. П.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Краев М- В. Кандидат технических наук, профессор Бледное Б. П. Ведущее предприятие: институт «Сибцветметниипроект»

(г. Красноярск)

Защита состоится « . » . 1996 года в

А?-*? часов па заседании диссертационного совета К 004.03.02 при Красноярской государственной, академии цветных металлов и золота по адресу: 660025, г. Красноярск, пр: им. газеты «Красноярский рабочий», 95.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярской государственной академии цветных металлов и золота. . ^

Автореферат разослан « » 1996 года.

Ученый секретарь -

-

. „ ' V__

...... _ ¿-г*

диссертационного совета. Прошкин А. В-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тепы. Одним из перспективных способов переработки медного сульфидного сырья в настоящее время является фа-кельно-барботажная плавка (ФБП). Принцип технологии заключается в комбинировании в одном агрегате бесфлюсовой плавки сухого концентрата .в кислородном факеле на штейны различного состава с бар-ботажным доокислением расплава в расположенной непосредственно под факелом ванне, в которую подаются флюсы. По сравнению с известными автогенными плавками ФБП имеет ряд преимуществ: возможность получения в одном агрегате металлического продукта практически любого состава вплоть до черновой меди. более_ высокие скорости окисления сульфидов за счет равномерного отвода сернистого ангидрида из реакционных зон, низкое содержание магнетйта в шлаке. -

Необходимость внедрения ФБП на предприятиях цветной металлургии требует доработки технологии плавки и конструкции плавильных агрегатов. Важную роль в решении данной задачи'играеу применение научно обоснованных методов математического . моделирования. Сложность исслбдуемого процесса Факельно-барботажной плавки требует дальнейшего совершенствования этих методов.

Работа выполнялась в соответствии с государственной программой "Экоэнергокомплекс" и планами исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства металлургии СССР и института "Гинцветиет" (г. Москва).

В настоящей работе решается научная задача углубления теоретических основ тепловой работы комбинированных агрегатов автогенной плавки, совершенствования технологии факельно-барботажной плавки с разработкой рациональных вариантов сочетания режимных параметров н ее конструктивного оформления

Целью исследования является:

1. Разработка расчетной недели теплообмена в печах факель-но-барботажйой плавки, учитывающей физико-химические особенности протекающих теплотехнологических процессов в различных зонах печи, тепло- н иассообмбнное взаимодействие меяду ними, гарнисаже-образование, влияние режимных и конструктивных параметров.

2. Проведение расчетных и экспериментальных исследований на полупромышленной печи с целый выявления особенностей тепловой ра-

боты агрегатов факельно-барботажной плавни.

3. Исследование и оптимизация тепловой работы и конструкции полупромышленной и проектируемых печей факельно-барботажной плавни.

• Методы, исследования включают: анализ литературных источников и производственной практики, математическое моделирование • промышленные эксперименты •

Результаты исследования включают:

1) комплексную зональную модель теплообмена в печах ФБП;

2) закономерности тепловой работы печей факельно-барботажной »лавки по результатам анализа расчетных и экспериментальных исследований;

3) выбор и обоснование технологических и конструктивных изменений с целью улучшения тепловой работы агрегатов ФБП;

4) прогнозирующую модель теплового состояния печей данного типа, построенную на основе статистической обработки результатов математических экспериментов.

Автор видит новизну полученных результатов в том, что изучены особенности протекания теплообменных процессов в агрегатах фа-кельно-барботажного типа; заложены научные основы расчета и проектирования печей факельно-барботажной плавки.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных.значений показателей теплообмена с данными экспериментальных исследований на полупромышленной печи.

Теоретическая значимость выполненных исследований заключается в следующем:

Разработана комплексная математическая модель расчета теплообмена в агрегатах факельно-барботажной плавки, позволяющая учесть взаимодействие процессов тепло- и массообмена между технологическими зонами установки н физико-химические особенности плавки.

Выявлены особенности тепловой работы печей факельно-барбо-гажного типа. Установлены параметры, требующие обязательного учета при расчете теплообмена в печах ФБП.

Экспериментально измерены локальные и интегральные показатели тешюгай , аботы полупромышленной печи ФБП. Проведено исследо-валие выгорания бесфлюсового сульфидного факела.

- б -

Полученные результаты в совокупности углубляют теоретические основы пирометаллургической переработки медного сульфидного, сырья В комбинированных' факельно-барботажных печах.

Практическая ценность работы и реализация полученных результатов состоит в следующем:

Разработанная математическая модель сопряженного теплообмена позволяет проводить детальные исследования с учетом особенностей конструкции агрегатов ФБП, схемы развития и выгорания сульфидного факела, тепло- и массообмёна между технологическими зонами, наличия гарнисажной футеровки и системы еэ охлаждения. Результаты моделирования использованы институтом "Гинцветмет"-(г. Москва) при разработке регламента на рабочее проектирование и строительство, полупромышленной установки ФБП опытного свинцового завода (ОСЗ) г. Усть-Каменогорска, промышленных печей ФБП Алмалыкского ГМК и Иртышского медеплавильного завода Усть-Каменогорского комбината. Выработанные предложения по инженерному методу расчета (прогнозирующая модель теплового состояния факельно-барботадного агрегата) использованы Специальным конструкторским Бюро цветной металлургии (СКБЦМ) для оценки работоспособности - конструктивных элементов проектируемых печей ФБП. Ожидаемый годовой экономический эффект за счет снижения капитальных и текущих затрат при строительстве н эксплуатации промышленных печей Алмалыкского и Иртышского медеплавильных заводов, оцененный представителями Государственного проектного института цветной металлургии "Гипроцветмет", составляет 419800 тыс. руб. (в ценах 1991 р.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Инженерная теплофизика" Красноярской государственной академии цветных металлов и' золота (1991..Л995 гг.). на заседаниях лаборатории печей и топлива института "Гинцветмет" г. Москва (1989... 1994 гг.), на научно-технических конференциях и симпозиумах г. Красноярск (1990 г.), г.Ташкент (1991 г.). г. Суздаль (1991 ;.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи.

Автор защищает :

1. Комплексная математическая модель теплообмена в печах фа-кельно-барботажной плавки медного ."сульфидною, сырья.

2. Выявленные закономерности процессов теплообмена в агрега-¡ах автогенной плавки факельно-барботажного типа.

3. Предложения по рациональным параметрам тепловой работы и конструкции печей ФБП.

Структура и объем- работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, библиографии и приложений. Основное содержание работы изложено на 124 страницах машинописного текста и включает 6 таблиц и 33 рисунка.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. Парецкому В.М. за научные коноультации и предоставленные материалы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Проблема безотходной и экологически безопасной переработки' немного сульфидного сырья решается путем одностадийной плавки на белый матт или черновую медь. Исследования последний лет погс&за-ш, что эффективный способ одностадийной плавки 'может быть реализовал путем комбинации взвешенной (факельной) и барботажной плавки в жидкой ванне. Распределение кислорода, необходимого для ош.сления концентрата, между технологическими зонами установки дает возможность регулирования процесса - достижения требуемой степени десульфуризации, перераспределения тепловых и газовых потоков, изменения температурных режимов в зонах установки. Решающий вклад в разработку новой технологии внесли Парецкий В.И., Окунев А.И., МечевВ. В., Чахотин В. С., Селиванов Е. Н., Лтицын А. М. и др.

С целью отработки технологии и элементов конструкции факель-но-барботажной технологии было принято решение о проведении полупромышленных испытаний на опытном свинцовом заводе г. Усть-Каменогорска. После получения положительных результатов испытаний предполагалось установка .комплекса ФБП на Алмалыкском горно-металлургическом комбинате и Иртышском медеплавильном заводе.

Однако теория тепловой работы автогенных печей ФБП развита еще недостаточно, ' практически отсутствует научное обеспечение проектирования. Важную роль при решении данных задач играет создайте научкг обоснованных методов теплового расчета и математический цпделей плавки,' применение которых позволит еще на стадии

разработки и проектирования дать надежную оценку принятого варианта конструкции и технологического режима плавки. Значительному прогрессу в области расчетов и исследования теплообмена в печах автогенной плавки способствовали работы Греч/га A.B., Кобахидзе В. В., Лисина Ф. Н,, Абрамзона M. Н., Скуратова А. П. и др.

Проведенный анализ методов расчета теплообмена показал, что в наибольшей степени требованиям адекватности технологическим и тепловым процессам о агрегатах автогенной плавки отвечают математические модели, построенные на базе зонального метода. Большой объем работ по создания и совершенствовании зональных методов расчета радиационного и сложного теплообмена, по разработке на их основе математических моделей теплообмена в топочных камерах и металлургических печах проведен в Уральской техническом университете и Красноярской академии цветных металлов и золота под руководством В.Г.Лисиенко и Ю. А. Куравлева. Однако наличие в печи фа кельно-барботажной плавки различных теплотехнологических зон требует дополнения зональной модели соотношениями, учитывающими физико-химические особенности каждой зоны и их тепло- и мае .»обменное взаимодействие. 4

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ПЕЧАХ

АВТОГЕННОЙ ПЛАВКИ ФАКЕЛЬНО-БАРБОТАЖНОГО ТИПА

Для расчета теплообмена в печах факельно-барботажной плавки нами разработана комплексная зональная модель. На первом этапе производится расчет системы уравнений материального и теплового балансов факельной зоны. Система уравнений материального баланса включает уравнения материального баланса по каждому элементу, уравнения, описывающие распределение кислорода и железа а шлаке-между магнетитом и вюститом; уравнения, описывающие величину дз~ сульфуризации и состав газовой и конденсированной Фаз по основные элементам. Принтом в качестве исходных дачных используются следующие входные параметры: состав шихты, величина пылевыноса, извлечение меди в штейн факела., содержание в штейне факела, соотношение количества железа, окисленного до магнетита, к количеству железа, окисленного до вюстита (Fel3/Fert), содержание кислорода в дутье. При расчете теплового баланса факельной зоны в качестве исходных данных, в том числе, используются: потери теплоты в ок-

рулающую среду через ограждения результирующий тепловой поток между газовой фазой и ванной расплава 0рВ„.

Выходные параметры при расчете состава Факельного продукта (состав конденсированного продукта) служат входными параметрами для расчета состава шлака, штейна и газа барботажной зоны. Другими исходными данными при решении системы уравнений материального баланса ванны расплава являются; извлечение меди из штейна факела в штейн барботажной зоны, соотношение Ре* а/Ре,г, содержание в шлаке 510г и СаО, содержание кислорода в дутье. При расчете теп-лозого баланса барботажной зоны, в частности, предусмотрен учет следующих статей: физической теплоты продуктов окисления факела (шлака н штейна)-и флюсов, потерь теплоты на кессоны 0цС и в результате лучистого и конвективного взаимодействия технологических зон 0,)а8.

На следующем шаге разрабатывается зональная математическая модель надслоевого пространства. Принцип разбиения печного пространства на зоны представлен на рис. 1. При этом учитываются специфические особенности расчета температуры поверхности ванны расплава 1Ц|. Температура ^ „ соответствует температуре продуктов плавки, рассчитанной в общем случае из уравнения теплового баланса надфурыьнной зоны о^шы расплава.

Следующим шагом является разработка зональной математически модели ванны расплава. Количество, конфигурация и размеры зон выбираются, исходя из конструкции агрегата и специфики протекания физико-химических процессов в отдельных частях ванны. Для каждой ,)-ой объемной зоны записывается алгебраическое уравнение теплообмена и теплового баланса вида

Сл^ - Т,) + 0рО8, + (4,, + Ц,,, + Оф,, + Оц^ + 0, - 0, (1)

где й,, - теплоемкость продуктов плавки (шлака, штейна, газовых пузырей), входящих в зону J из зоны 1 и выходящих из зоны .), Вт/К; Т,, Т) - температуры зон, средние по массе. К; 0рВЭ. - результирующий тепловой поток меаду зоной расплава и газовым пространством, Вт; (4л,, С^ и - значения физической теплоты «ходящих в зону j шлака, штейна й флюсов, Вт; 0ОС;1 - потери теплоты ьз кессоны в зоне 3. Вт; 0, - свободный член, вклвчащий внутренние тепловые эффекты химических реакций в зоне Л, Вт.

Концентрат 4 Флюсы Кислород 4"

Т

QфлJ

4:

Т Т

I

Т

Ореэ)

шлак+штейн

шлак

»—► шлак •«-—►-штейн — ► - газы -•—►-флюсы -О- ►-пыль

Рис. -1. Схема построения зональной модели а автогенных печах факвльно-барботажной плавки

Величины 0,лI, %т) и 0фЛ] рассчитываются с учетом полученных в модели надслаСБого пространства температур плана и штейна факельной зоны, а также потиса флюсов.

На основании итерационных расчетов уточняются значения температуры поверхности ванны расплава, результирующих тепловых потоков между факельной и барбогажной зонами, тепловые потерн в надслосвом пространстве и ванне расплава, теплосодержание компонентов плавки (шихты, расплава, топлива, технологических газов). Уточняющие расчоты проводятся до достижения требуемой точности.

РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА

В ПОЛУПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕЧИ ФАКЕЛЬНО-БАРБОТАШЙ ПЛАВКИ

С цс-пьо проверки адекватности предлагаемой кошлслсной модели, ее анализа и выявления особенностей протекания процессов теплообмена в автогенных печах факельно-барботакного типа для создания теоретических основ их тепловой работы проведено расчетное и экспериментальное исследование теплообмена на полупромышленной

пе'ш ФБП опытного свинцового завода (ОСЗ) г. Усть-Каменогорска. При этом оценивалась степень воздействия изменения того или иного режимного параметра на теплообмен в печах факольно-барботажной плавки. Определенный таким образом отклик модели на изменение входных факторов играет решающую роль в последующих процедурах оптимизации теплообмена в крупномасштабных печах ФБП.

Более точное описание процесса требует учета и обобщения накопленного экспериментального материала и включения его в модель. Для оценки величины степени выгорания бесфлюсового факела нами проведено экспериментальное исследование состава конденсированной фазы факельной зоны (рис. 2). Пробы отбирали с помогцью водоохлаж-даемого пробоотборника, что обеспечивало их закалку. Определены энергетическая длина и угол раскрытия бесфлюсового факела для условий полупромышленной печи, которые составили соответственно 2 м и 16-18".

На разработанной математической модели теплообмена полу.чро-ншленной установки получено трехмерное распределение температур и тепловых потоков (режим 1 на рис. 3), Выявлено, что распределение температур в печном пространстве характеризуется существенной неравномерностью. Подтверждено предположение, что температура надфурменной зоны в условиях ФБП будет превышать температуру соответствующей зоны плавки Ванюкова благодаря высокому теплосодержанию жидких продуктов окисления факела. ' Это же приводит к более высокому температурному градиенту по высоте ванны расплава.

Выявлено, что при расчете и проектировании новых агрегатов по технологии ФБП необходимо учитывать радиационное взаимодействие факельной и барботажной зон. Так, например, вклад теплоты, теряемой излучением с поверхности ванны, в расходной части теплового баланса барботажной зоны полупромышленной печи составляет 18,7 I Показано, что при моделировании агрегатов малой производительности необходим учет теплоты, получаемой слоем штейна от верхних слоев ванны расплава теплопроводностью. В частности, в расчетах ФБП ОСЗ доля данного фактора в приходной части теплового баланса слоя штейна составила 17 Я.

Проведено экспериментальное исследование локальных и интегральных показателей теплообмена на полупромышленной печи во время ¡ии-тани,! в апреле-июне 1992 г. В процессе испытаний был снят ее полней теплимой баланс на различных рг.-згияах Установлено, что

- и -

1,3 2

h, м

Рис. 2. Содержание серы Бф в конденсированном продукте факела на расстоянии Ь от устья горелки

Режим.

-Л -

1

-•в---3

—1 - -С-- - 2 --О-- 3

Режимы 1. Яш • 38,30%; Gij = 1000 кг/ч; Смаэ = 20 кг/ч; Gkji = 120 «г/ч; [С и|фэ = 30 %; ICUJ63 = SO %

2 Su> • 31,20%; fjui = 1000 кг/ч; Ома» « 30 кг/ч; Gtoi ~ 120 кг/ч, 1Си]ф» = 30 it, fCu|6a = 57 %

3 Sli) - 39,70*, Gut = 1150 и/Ч, Сиаз = 30 кг/ч; Gwi = 120 кг/^[Си!фз = 30 %, fC(iJ«3 * 67,3 --расчет;-----SKcnt рименг

Рис. 3. Расчетное и экспериментальное распределение температур факела и расплаве ло высот» Н плавильной шахты

тепловые потери с маломасштабной полупромышленной установки ФБП равны 56,6 %, Определено, что удельный тепловой поток на кессоны в ванне расплава полупромышленной печи меньше соответствующего показателя для других барботажных процессов благодаря менее интенсивному барботажу и равен 57 кВт/м2.

Сопоставление измеренных и расчетных значений температур и тепловых потоков в различных точках рабочего пространства показало на удовлетворительное их совпадение (рис. 3). Так, расхождения а температурах факельной зоны составили В-10 %. штейна барботаж-ной - 3-5 %, плотности падащих тепловых потоков - 13-15 %.

С целью определения отклика модели на изменение режимных параметров проведен анализ влияния на показатели теплообмена в полупромышленной печи состава шихты (Б,), производительности леч! по шихте расхода клинкера в барботаченую зону (Ск,), расход;

мазута в факельную зону (С„-1а), содержания меди в штейне факельной и барботажной зон (1Си]фЯ и [Си]0в) и перераспределения степени десульфуризации между технологическими зонами установки. Полученные результаты свидетельствуют о высокой чувствитсльност! разработанной модели к изменению указанных параметров, что позво ляет произвести -выбор оптимального их сочетания.

Установлено, что задача обеспечения надежного теплового ре жима процесса плавки в условиях нестабильности состава шихты малой тепловой инерционности установки может ' ¿ыть решена путо введения дополнительного источника теплоты в рабочее пространс тво. Разработаны номограмма, позволяющие определить рабочие об ласти ведения процесса в зависимости от состава шихты и расход углеродистого топлива (мазута и клинкера). Результаты моделирова мня использованы институтом Гинцветмот пр^ разработке технологи ческого регламента на рабочее проектнропание и строительство пс лупроцышлскной установки ФБП ОСЗ г. Уе'гьг-Каменогорска.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕПЛООБМЕНА

В ПРОЕКТИРУЕМОЙ ПЕЧИ ФАКЕЛЬНО-БАРБОТАжНОЙ ПЛАВКИ

При расчета и проектировании автогенных факельно-барботакш печей предлагается реализовать иерархический подход. На перво! высшим, уровне поело получения технического задания, в котор< указываются конструкция печи, входные и выходные параметра (те;

нологический роашм плавки), производится расчет материального и теплового балансов, определяются размеры рабочего пространства и температура плавки. На втором уровне, с цель» получения оперативной количественной оценки теплового состояния принятого варианта печи, используется прогнозирующая модель. В модели применяются регрессионные уравнения, связывающие основные показатели теплообмена (температурные и тепловые потоки) с режимны/ли и конструктивными параметрами. Регрессионные уравнения строятСя на основе зональных расчетов большого числа возможных вариантов конструкции печи в широком диапазоне изменения входных параметров. Если показатели теплообмена выходят за технологический регламент (конструкция печи окажется неработоспособной), то возвращаются на первый уровень. Здесь производится корректировка геометрии печи, входных параметров или изменяется техническое задание на проектирование. Если яе показатели теплообмена не выходят за технологический регламент, то переходят на следующий, третий, уровень ио-лелирования, где на основе более совершенных моделей производится детализированный расчет технологического п теплового режимов плавки. В результате оптимизируются входные параметры и элементы конструкции печи (например, схема расположения охлаждающих элементов, режим теплоотвода и другое).

Разработанная прогнозирующая модель проектируемой печи ФБП позволяет оценить влияние расхода концентрата ^ (т/ч), энергетической длины факела (и), содержания меди в штейне факельной зоны [Си]4з (%) на температуры ( °С) уходящих из печи газов 1уг, максимальных факела и"13*,- жидких продуктов плавки - белого матта

(13 по

и шлака плавильной зоны 16м и , отвального шлака н бедного штейна обеднительной зоны ^доэ и 1ЯТ03, а также на максимальную величину плотности падающих тепловых потоков на поверхности кес-сонированных стенок Чпад"13*, (кБт/м2). Кремле того, уравнения позволяют связэть экстремальны» значения толщины твердого гарнисажа а факельной зоне <5,гга"' Ы и результирующего теплового потока к охлаждающему агенту чрг;3"а* (кВт/м2-) с коэффициентом теплопроводности твердого гарнпсажа !ЦГ <кВт/(М'К), максимальным падающим тепловым потоком р„а,'ла* и эффективностью теплосъема (температурой охлаждающего агента и коэффициентом теплоотдачи конвекцией от стенки кессона аихл).

tvr - 913 + Z.39G, - 101, + 0.85[Cu],, - 0,0105g/ + 5,2 + + 0,006tCu]|88; (й)

t,raax - -160 + 5, 35Gb, + 1861, + 47,9[Си]фя - 0,027GBZ -

- 301,2 - 0, 31 tCu]фз2; (3) tflMn3 - 1235 + 5,41C* + 191, - 13,8tCu]|s - 0,0219Gb -

- 2.51,z 0.05(Cu],8z; (4) t,/3 - 1167 + 3.74G,, + 191, - 2, 16[Cu],„ - 0.0182G/ -

- 2,51,z - O.llSCCu),/; (6) tBJI03 - 1168 + I.17G« + 111, + 4,4[Cu],B + 0,0041G^? -

- 1, 51,z - 0,08[Cu],8z: (6) tiTü3 ■ 1174 + 1.4BG* + 111, + l,9[Cu],g + 0,0041Gbг "

- 1,51,2 - 0,05tCu],sE; (7) Чпав"13* - "97 + 1.31GL - 251, + 11,5fCu],3 - 0,00326/ +

+ 2.51,* + 0/17[Си]#,5;

ßrrm,n - 0,202 + 7. 97X,r - 0,466-10"3qnainax + (8)

+ 0.227-10" 3oaxJI - 0,355-10"3 T0JJ( ♦ 0,158-104^Гг + + 0,378 10"6q„aaBax 2 - 0,124-М^еЦ,2 + 0. 447■ 10"GToxд2; (9) - - 42.8 - 12л,.* 0,562qnaam,i* - 0,253-10"4„* "

- 0,526Тохл + 0,535-1о\гг + 0,831-10"4q.,aflwa11-г +

+ 0,208-10" 3ct0XJIz + 0,66- 10"аТох/. (10)

Приведенные уравнения получены для плавки алмалыкского концентрата на белый матт при входных параметрах, изменяющихся < следующих пределах: - 50-85 т/ч; Ц = 2-5 м; tCu],„ ■= 30-50 %; Xjr - 0,05-1,5 Вт/Чм-К); d^ - 2,3-11,6 кВт/Чм2- К): . Toxi -323-423 К и при Чпад"3* - 300-700 кВт/мг.

Оценка на прогнозирующей модели работоспособности залохенны в проект конструктивных элементов и технологического регламент промышленной печи ФБП Алмалккского ГМК сказала, что температур белого матта и шлака плавильной зоны едятся ниже критически значений, соответствующих продуктам да.- ■ ■., о состава. Поэтому нам на третьем иерархичесгажуровне проектирования с использование комплексной математической модели была проведена серия детальны исследований по оценке влияния конструктивных и режимных парамет ров на теплообмен в проектируемой печи ФБП. Схема зональной- моде ли tieчи представлена На рис. 4.

Определено количество и расположенно кессонированных элемен тов в печном пространстве. Показано, что при снижении стелен

Концентр Кислород ат Кварц Пирит 1 Известняк 1 Клинкер

1 Ьк

Ш Щ 1 * щ 1 и II

Надфурменная зона

Шлак -

Белый матт . Штейн . ; .

I II Обеднительная

Плавильная зона . зона

1,1! - участки плавильной зоны Рис. 4. Геометрическая модель проектируемой печи ФБП

кессоннроЕания проектируемой печи ФБП от 52, 5 до 42, 8 % температурный уровень слоев расплава остается практически неизменным. В результате предложено исключить" кессонирование верхнего ряда шлакового пояса на II участке плавильной зоны и обеднительной зоны.

Выявлено, что увеличение энергетической длины факела Ц приводит к некоторому росту температур слоев расплава. Однако при этом наблюдается снижение максимальной температуры факела, что увеличивает вероятность магнетитообразования. Рекомендовано установка шихтово-кислородной горелки, обеспечивающей энергетическую длину факела 3-4 м.

Расчеты показали. что увеличение расхода шихты выше номинального вызывает ухудшение тепловой работы установки, приводя к значительному повышению температуры надфурменной зоны I участка плавнльной зоны над предельно допустимой и усилению тепловой нагрузки на кессоны. Рекомендуемый диапазон изменения расхода ЖТ.ы составляет 63-66 т/ч.

Установлено, что возрастание содержания меди в штейне факельной зоны ведет к увеличению температурного градиента между факельной и плавильной зонами и^увеличивает вероятность настыле-образования. Выявлено, что плавка на более богатый штейн в факеле несколько снижает тепловые потери на кессоны печи. Наиболее опти-

мальной в теплотехническом отношении является плавка на [Си]», » 30-34 *. ' '

Установлено, что в зонах расплава, расположенных непосредственно под факелом, необходимо-поддерживать степень обогащения дутья кислородом 1 в интервале <7-50 %. Это позволяет избежать больших тепловых нагрузок на кессоны и фурмы в местах подачи окислительного дутья.

Выявлено, что для достижения требуемых температур поступающего на обеднение шлака и выпускаемого белого матта необходимо сжигание природного газа в ванне расплава на II участке плавильной зоны в количестве (3,,,.. - 1200-1600 нм3/ч (2,3-3,1 % от массы перерабатываемой шихты).

На основе методов планирования эксперимента построены номограммы, позволяющие выбрать Сочетание входных параметров ЕСиЗ^,, i и (хщ,, обеспечивающих оптимальный тепловой режим в проектируемой печи. Результаты расчетов использованы при разработке окончательного проекта печи ФБП Алмалыкского ГМК.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана комплексная зональная математическая модель теплообмена в автогенных печах факельно-барботажной плавки. Модель учитывает особенности конструкции печи, схему развития и выгорания сульфидного факела, специфику протекания физико-химических процессов в теплотехнологических зонах установки, тепло- н м&ссшбменное взаимодействие газового пространства и ванны расплава. наличие гарнисаяной футеровки и системы ее охлаждения.

2. Разработана и проанализирована зональная математическая модель теплообмена в полупромышленной установке факельно-барботажной плавки. Выявлено, что прн расчета* теплообмена в комбинированных агрегатах факельно-барботажной плавки необходим учет радиационного взаимодействия газового пространства и ванны расплава. Определена степень воздействия изменения величины режимньо параметров на показатели теплообмена в печах факельно-барботажно! плавки. Разработаны номограммы для определения рационального соотношения распределения углеродистого топлива между теплотехноло-гическими зонами при плавке на штейны различного состава в полул ромышленной печи. Рекомендации использованы институтом Гинцветме'

при. разработке технологического регламента на рабочее проектирование и строительство указанной печи.

3. Проведено экспериментальное исследование локальных и интегральных показателей теплообмена в полупромышленной установка факельно-барботажной плавки и снят ее полный тепловой баланс. Установлено, что тепловые потери с маломасштабных установок данного типа равны 56,5 %. Определены энергетическая длина и угол раскрытия бесфлюсового факела для условий полупромышленной печи, которые составили соответственно 2 м и 16-18°.

4. Проведена детальная расчетная оценка тепловой работы проектируемой печи факельно-барботажной плавки Алмалыкского горно-металлургического комбината. Определено, что наиболее опти-' мальный в теплотехническом отношении режим плавки алмалыкского концентрата на белый матт обеспечивается при энергетической длине сульфидного факела 3-4 м, расходе шихты 63-68 т/ч, содержании меди в штейне факельной зоны 30-34 и сжигании природного газа, в ванне расплава в количестве 1200-1600 нм3/ч. Разработаны номограммы для определения рациональных эксплуатационных режимов работы проектируемой печи Алмалыкского ГМК.1

5. Разработана прогнозирующая математическая модель теплового состояния проектируемого факельно-барботажного агрегата. 8 результате решения регрессионных уравнений, построенных на основе большой серии зональных расчетов в кироком диапазоне изменения входных параметров, определяются температур« шкодящих из печи газообразных и яидких продуктов плавки и .экстремальные значения толщины гарнисажного покрытия и плотности отводимого кессонами теплового потока. Прогнозирующая модель использована Специальным Конструкторским Бюро цветной металлургии для' оперативной оценки работоспособности заложенных в проект ¡конструктивных решений и технологического регламента промышленной печи ФШ.

. 6. Разработанная методика расчета и выработанные предложения по совершенствованию тепловой работы печей факельнонбарботажной плавки были использованы институтами Гинцветмет и Гипроцветмет при разработке окончательного варианта технологического регламента на рабочее проектирование и строительство печи. Ожидаемый годовой эффект за счет снижения капитальных и эксплуатационных затрат составляет 419ВОО тыс. руб. <в ценах 1991 г.).

Основное содержание диссертации изложено в следующих рабо-

1, Использование математического эксперимента в проектировании и автоматизации факельно-барботажных агрегатов для переработки медного сульфидного сырья / Молодежь и научно-технический прогресс. Тез. докл. Красноярской краевой науч.-техн. конф.'ВНТО цветной металлургии Красноярское отделение НТО. 1990. С. 20. (Соавторы Саларев Ю. А., Скуратов А. П.).

Z. Методика математического моделирования теплообмена в надслоевом пространстве факельно-барботажного агрегата // Теория процессов в производстве тяжелых цветных металлов. Сб. научн. тр. Гинцветмета.- М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 3992. - С. 100-104. (Соавторы Скуратов А.П., Парецкнй В.М., Финкельштейн

3. Учет параметров гарнисажной футеровки факельно-барботаж-ных печей в зональных расчетах теплообмена ff Знегосберегающие технологии в произсодстве тяжелых металлов.' Тез докл. Всесоюзн. научн.-техн. симпозиума. Суздаль, 1991. - С. 29. (Соавторы Скуратов А. П., Парецкий В. М., Финкельштейн А. В.)

4. Исследование теплообмена в проектируемых факельно-барбо-тажных агрегатах автогенной плавки // Там же. С. 29-30. (Соавторы Скуратов А.П, Парецкий В. М.. МечеаВ. В., Финкельштейн А. В.) -

1 5. Разработка расчетных моделей и исследование теплообмена в элементах энерготехнологических комплексов автогенной плавки Теория и практика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических топлив в энергетике i промышленности. Тез. докл. Y11 Всесоюзн. конф. по радиационному теплообмену. Ташкент, 1991; Изд. Кампании промышленных предприятий АИР. - С. 97. (Соавторы Скуратов А.П., Парецкнй В.М.. Скуратова С. Д., Журавлев D. А.)

6. Учет параметров гарнисажной фут^РОзки Факельно-барбота«;-ных печей в зональных расчетах теплоо;%&»а // Цв. металлургия. 1992. - По 1. -С. 19-23. (Соавторы Скуратов А. П., Генерало! В. А., Парецкий В. М.)

7. Исследование особенностей теплообмена в надслоевом пространстве проектируемой печи автогенной плавки // Цв. металлургия 1992. - No. 1. -С. 23-27. (Соавторы Скуратов А. П., Парецки! 3. М., Генералов В; А.)

A.B.)