автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка вариантов утилизации сплава, полученного атомотермическим восстановлением хвостов обогащения

и. 1

На правах рукописи

ШАИГИН НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Разработка вариантов утилизации сплава, полученного алгомотермическим восстановлением хвостов обогащения.

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА. 1998

Работа выполнена на кафедре "Теории металлургических процессов" Московского. Государственного Института Стали н Сплавов (Технологического Университета)

. Научный руководитель:

Кандидат технических наук, профессор КРАШЕНИННИКОВ М.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ВЕГМАН Е.Ф. кандидат технических наук, ЯКУШЕВ A.M.

Ведущая организация: Московский институт Металлургии нмЛ.А.Байкова

Защита диссертации состоится * If* ^_ 1998 г. в * IV

часов на заседании специализированного совета К.053.08.01 Московского Государственного Института Стали и Сплавов. Адрес института: ] 17936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Института Стали и Сплавов.

Автореферат разослан _1998 г.

Справки по телефону; 236-99-61

Ученый секретарь

специализированного совета

И.Ф.Курунов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы: Традиционные технологические процессы производства стали включают агломерацию, доменное и коксохимическое производство. Кафедрой ТМП Московского Института Стали и Сплавов с середины 80-х годов разрабатываются основы одностадийного технологического процесса прямого производства электростали методом восстановительной плавки с использованием расходуемых самообжигающихся полых электродов, через которые в электродуговую печь подаются оксидные железорудные материалы в смеси с восстановителем. Особенно возрастает значение данной технологии в современный период, так как малая металлургия позволяет использовать любые сорта топлива, различные железорудные концентраты, отходы производства, шламы.

Преимуществами данной технологии являются: простота в аппаратурном оформлении и управлении ходом плавки, относительно низкие капитальные и эксплуатационные расходы, возможность конструктивного выполнения процесса как экологически чистого при реализации его в закрытом кожухе и с использованием тепла отходящих газов. Применение данной технологии для вторичного использования отходов металлургического передела является перспективным направлением, требующим тщательной проработки.

В предшествующих работах была создана модель процессов восстановления оксидов железа в полом эдектроде, но в связи со значительными упрощениями ей был присущ ряд недостатков: описывался только одномерный процесс тепломассопереноса в полом электроде, тогда как в условиях реальной промышленной установки может иметь существенное значение радиальная составляющая тепломассопереноса; не уделялось внимание двухфазной зоне, возникающей в процессе плавления электродной массы в полом электроде; расчет производился только для установившегося режима восстановления оксидов железа в полом электроде, основанного на

нагреве с постоянной скоростью, т.е. не предусмотрен произвольный режим изменения температуры и скорости схода электродной массы; модель не позволяла расчитывать химический состава по объему полого электрода; не учитывалось влияние на ход процесса температурного поля вокруг полого электрода; отсутствовала возможность моделирования селективного газоотвода на состав восстановительной атмосферы внутри полого электрода.

Отсюда с учетом вышесказанного весьма актуальной представляется задача подробного описания процесса восстановления оксидов железа в полом электроде, позволяющего преодолеть описанные недостатки существующих подходов, с достаточной точностью прогнозировать ход процесса восстановления оксидов железа в полом электроде и определить условия применимости данного процесса дня переработки вышеупомянутого сплайа. Для количественной верификации созданного описания должна быть разработана соответствующая математическая модель, формализованная в виде системы уравнений и, в случае невозможности аналитического решения последней, реализованная в виде программы для ЭВМ.

Кроме того, как уже отмечалось выше, существует возможность переработки в полом электроде отходов металлургического производства; а. в настоящее время в стране накоплено огромное количество металлургических отходов, так на одном Магнитогорском металлургическом комбинате ежегодно образуется 235 тысяч тонн шламов и пылей III; на горнообогатительных комбинатах накоплено большое количество отходов (хвостов ) в процессе обогащения сульфидных руд. Они содержат такие ценные элементы, как железо, титан, хром, алюминий, марганец, ниобий и другие. Помимо того факта, что оказываются не использованными многие ценные металлы, происходит значительное загрязнение окружающей среды.

В данной работе разработывался способ использования сплава, полученного из отходов обогащения методом атомотермического восста-

новления. По составу этот сплав близок к составу ферросилиция. Основная трудность в его утилизации - это очень высокая (выше 2000 °С) температура плавления. Выявление недефицитных присадок к выше упомянутому сплаву, позволяющих ассимилировать его расплавом при температурах, характерных для сталеплавильных процессов ( 1400-1500 °С ), являлось одной из задач данной работы. Использования данного легирующего сплава в промышленности позволит снизить уровень загрязнения окружающей среды.

Цель работы: разработка вариантов угилизации сплава, полученного алюмотермическим восстановлением окисленных хвостов обогащения.

Научная новизна: разработано описание процесса восстановления оксидов железа в полом электроде; получены данные, позволяющие получить зависимость химического состава электродной массы по объему полого электрода от параметров процесса; по данным'верификации разработанная модель была признана адекватно описьгеающей исследуемый процесс.

Практическая значимость: разработана комплексная оксидная модифицирующая присадка, позволяющая использовать сплав, полученный алюмотермическим восстановлением хвостов обогащения; установлен ее оптимальный состав; предложен способ использования исходного сплава, позволяющий утилизировать окисленные хвосты обогащения, кроме того предложенный способ может быть с успехом использован для модификации тугоплавких карбонитрндосодержащих сплавов, полученных металло-термическим восстановлением пиритных огарков, хвостов обогащения никелевых руд, а также других видов подобных отходов; на основе разработанной математической модели восстановления оксидов железа в полом электроде создан проект лабораторного практикума, позволяющего проводить имитационный восстановительный эксперимент в реальном масштабе времени.

Публикации и апробация: Основные результаты работы представле-

ны на девятой научной международной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" в г.Челябинске, 1995 г. и опубликованы в 2-х печатных работах.

В настоящей работе защите подлежат: комплексная оксидная модифицирующая присадка, позволяющая использовать сплав, полученный алюмотермнческим восстановлением хвостов обогащения; ее оптимальный состав; математическая модель процессов восстановления оксидов железа в полом электроде. •

Структура н объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения, списка использованных источников, включающего_

наименований н приложения. Работа Изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 32 рисунка.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

]В работе исследовался сплав, полученный на Лисаковском горнометаллургическом комбинате алюмотермнческим восстановлением хвостов обогащения.

Сплав имеет следующий состав, % масс.: Реовщ — 75,5 - 88,8; А1 — 3,3 -10,0; Б! — 10,8 - 20,7; Сг — 1,0; Т1 — 0,6; Мп — 0,5; N1) — 0,4; Ъъ — 0,03; Ът — 0,002; N — 0,16; С — 2,2; Б — 0,30; Р — 0,019.

Проводилось исследование влияния различных присадок на "температуру плавления исходного става", осуществлялся подбор оптимального состава комплексного оксидного модификатора, определялось количество комплексной присадки, необходимое для переведения сплава ц его легкоплавкую модификации, проверялось влияние различных вариантов загрузки и степень усвоения ценных компонент исходного сплава и его легкоплавкой модификации расплавом армко железа.

Экспериментальные плавки проводились в печи сопротивления с графитовым нагревателем в токе азота. Температурный режим контро-

лнровался термопарой ВР5/20.

Работы по моделированию процессов восстановления оксидов железа в полом электроде проводили на ПЭВМ IBM Р-120. Использовалось программное обеспечение, созданное на алгоритмических языках высокого уровня TURBO PASCAL - 7.0 (Borland), С++ - 3.1 (Borland) и MS FORTRAN 5.0.

РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ УТИЛИЗАЦИИ СПЛАВА;

ПОЛУЧЕННОГО АЛЮМОТЕРМИЧЕСКИМ

ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

Экспериментальные плавки проводились при температуре 1650 °С с выдержкой 10 мин., масса навески исследуемого сплава составляла 10 г. Выбор температуры для проведения экспериментальных плавок был выбран исходя из температур характерных для сталеплавильных процессой, время выдержки - из времени необходимого для равномерного прогрева и плавления аналогичного образца нержавеющей стали.

В первой части работы было исследовано влияние колошниковой пыли, оксидов железа (FeO), кальция (СаО) и кремния (SiOî). Колошниковая пыль имела следующий химический состав, % масс.: FeO - 2 - 3; РегОз -45 - 50; СаО -12 -■ 14; SiOj -10 -12; MgO - 2 - 3; MnO < 1; АЬОз - 3 - 4; С - 7 -10; SO« - 0,1 - 0,2; Р2О5 - 0,1 - 0,2.

Все присадки добавлялись в количестве 10, 20 и 30 % по массе.

Результаты исследования представлены в табл. 1.

Из проведенных экспериментов можно заключить, что наиболее эффективными добавками являются СаО и FeO. Но как уже отмечалось, гораздо чаще встречается сочетание оксидов кальция, железа и кремния, в том числе и в сталеплавильных и доменных шлаках, поэтому во второй серии опытов исследовалось влияние различных соотношений FeO : СаО : S1O2 на температуру плавления комплексной оксидной смеси, а также сё

смачиваемость исходного сплава.

В табл.2 представлены результаты измерения температуры плавления и краевого угла смачивания оксидного расплава различного состава подложки из отшлифованного исходного сплава.

Таблица 1.

Результаты первой серии экспериментов

Концентрация присадки, % масс Результат введения

10% Колошниковой пыли Смесь слабо спекается

20% Колошниковой пыли Смесь слабо спекается

30% Колошниковой ПЫЛ11 Смесь хорошо спекается с образованием по всей поверхности корольков металла размером 1-3 мм.

10% РеО Смесь слабо спекается

• 20% РеО Смесь хорошо спекается, наблюдается частичное плавление

30% РеО Смесь хорошо спекается и плавится; металл мягкий, легко обрабатывается

10% СаО Смесь оксида кальция и исходного сплава хорошо спекается. Вся поверхность образца покрыта круглыми корольками металла.

20% СаО Смесь хорошо спекается и плавится.

10% БЮг Смесь не плавится и слабо спекается.

20% БЮз Смесь не плавится и слабо спекается.

30% БЮг Смесь хорошо спекается, наблюдается частичное плавление - образуются корольки металла.

Из проведенных опытов следует, что наименьшим углом смачивания й температурой плавления обладают смеси с соотношением FeO : СаО : SiOi лежащим в интервале 1 -1,5 :1-1,5 :1.

С целью выявить количество оксидной смеси, достаточное для полной ассимиляции исходного сплава были проведены дополнительные экспериментальные плавки, результаты которых приведены в табл.3. Температура опыта поддерживалась 1450 °С, состав оксидной

смеси РеО : СаО : 5Юг = 1,5 : 1 : I.

Из результатов эксперимента вытекает, что 15-20 % масс, комплексной оксидной модифицирующей добавки, достаточно для полной ассимиляции исходного сплава.

Таблица 2.

Результаты зторой серии опытов

№ п/п Соотношение компонентов в оксидном расплаве, РеО: СаО : БЮг 0, град. ttv^.t «с

1 РеО: СаО: БЮз =1:1:1 39,2 1270

2 РеО : СаО : БЮг = 1,5: 1 : 1 39,0 1220

3 РеО : СаО : 510: = 0,7 : 1 :1 74,2 1370

4 РеО: СаО: БЮг = 2:1:1 58,0 1300

5 ТеО: СаО : БЮг = 1 : 1,5: 1 40,2 1280

6 РеО: СаО: ЭЮг =1:2:1 63,2 1350

7 РеО: СаО : БЮг = 1 :0,7: 1 76.8 • 1320

8 РеО : СаО: ЭЮг = 1,5:1,5: 1 36,5 1240

Для определения выхода легкоплавкой фазы при переработке исходного сплава и степени усвоения легкоплавкой модификации металлическим расплавом были проведены дополнительные исследования, в которых изучалось влияние вариантов загрузки исходного сплава и оксидной смеси на указанные выше показатели процесса.

Таблица 3.

Результаты третьей серии опытов

Содержание оксидной смеси, % масс. Характеристика продукта

5 Смесь слабо спекается, но не плавится. Тугоплавкие кусочки и оксидные составляющие не изменили своей формы

10 Смесь хорошо спекается, наблюдается частичное плавление с выделением корольков металла

15 Смесь полностью расплавилась с образованием монолитного металлического слитка

20 Смесь полностью расплавилась с образованием монолитного металлического слитка

30 Смесь полностью расплавилась с образованием монолитного мегаллического слитка

Таблица 4.

Результаты исследования усвоения исходного сплава металлическим расплавом армко-железа

Варианты загрузки исходного сплава Выход металла, г. Выход шлака, г. Потер и в газовую фазу, г. .Химический состав металла, % масс.

А1 | 81 | Сг | Мп | Т1 | N | Б | Р

1. 100 г. исходного сплава загружали в алундовый тигель 1700 95,5 _ од Сплав не спекается в не плавится. Химический анализ не проводился.

2.-40 г. исходного сплава и 6 г. оксидной смеси смешивали н загружали в тпгель 1400 39,0 4,0 2,0 7.0 11,0 8,4 одо 0,42 0,035 0,012 0,010

3. 6 г. оксидной смеси загружали в тигель, расплавляли, на её поверхность загружали кусковой исходный сплав (40 г.) 1400 39,0 4,0 2,0 8,0 124» 9,3 0,35 0.5 0.04 0,010 0.0Э9

4. 100 г. армко железа расплавляли, на его поверхность последовательно загружали оксидную смесь (6 г.), а затем исходного сплава (40 г.) 1550 139,0 4,5 23 2,4 3,5 0.4 0,05 0,12 0,025 0.02 0,009

5. 100 г. армко железа расплавляли и на его поверхность загружали 100 г. легкоплавкой модификации, полученной в опыте 3. 1550 139,7 - 0,3 2,6 4,0 0,25 0,08 0,14 0,030 0,017 0,008

6. 100 г. армко железа загружали в тигель совместно с исходным порошком исходного сплава (40 г.) крупностью менее 1 мм. 1700 140,0 - - Смесь спекается, но не плавится, на поверхности и в изломе видны отдельные корольки металла величиной 1- 2 мм. Химический анализ не проводился.

Исследования проводили в печи сопротивления в нейтральной атмосфере; алундовых тиглях. Время выдержки во всех сериях опытов составляло 10 мин. В качестве металла использовали армко железа. В качестве оксидной модифицирующей смеси использовали химически чистые FeO, СаО, SiC>2 крупностью 0- 3 мм., взятые в соотношении 1 - 1,5 : I -1,5:1.

Результаты исследования приведены в табл.4.

Результаты экспериментов подтверждают справедливость выбранного состава модифицирующей присадки. Независимо от варианта- загрузки степень перехода основных легирующих элементов в метал для AI, Si, Cr, Ti составляет не менее 90%; для Мп от 40% до 60%; для N не менее 50%.

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В ПОЛОМ ЭЛЕКТРОДЕ

В данной работе предложена модель, учитывающая основную особенность восстановления шихтовых материалов в полом электроде, завершение полного восстановления оксидов после их расплавления.

Используя известные выражения уравнение переноса тепла с учетом движения электродной массы (ЭМ) и протекания химических реакций восстановления и газификации можно представить п виде:

2Е + Ш. + _L + уа*<иЛГ + Iv + Q - о (1)

а у2 дтО х дх . X. ду

где х - расстояние от центра электрода, м; у - высота электрода, м; Т - температура ЭМ внутри полого электрода, К; и - скорость схода ЭМ, м/с; р - плотность ЭМ, кг/м3; с - теплоемкость ЭМ, Дж/(кг*К); X - тепло-

проводность ЭМ, Вт/(м2*К); 1у - сток теплоты на химические реакции и

плавление ЭМ, отнесенный к коэффициенту теплопроводности, Вт/м3; -удельный тепловой поток от электрической дуги, отнесенный к коэффициенту теплопроводности, Вт/м3;

Уравнению (1) соответствуют следующие граничные условия:

2Л |=0. (2)

д х х=0

Х*2Х | = а,*^-Т(5,у)) (3)

х=5

.\*йЛ- \ = а3Ф(Т(х,0)-Та) (4)

ду у=0

Л*ах | = а2 * (Тт -Т(х,Ь)) (5)

ду у=Ь

где - температура стенки полого электрода, К; Та - температура ЭМ, загруженной в полый электрод, К; Тт - температура жидкой ванны, К; а,, а2, аз - коэффициенты теплопередачи от ЭМ к стенкам электрода^

жидкой ванне, загрузочной системе, Дж/(м2*К»с); 6 - радиус полого электрода, м; Ь - высота полого электрода, м;.

Начало координат располагается в Центральной верхней точке полого электрода. Параметр "^"определяется выражением:

1У ¿1УС'+- * ¿Л «5)

■ х <1 у :

где г - удельная теплота плавления оксидной части ЭМ, Дж/м3; у -степень плавления ЭМ в области существования двухфазной зоны, доли

единицы; 1ус - сток теплоты на химические реакции, отнесенный к коэффициенту теплопроводности, Вт/м 3.

Величина зависит для данной модели от скорости процессов

восстановления оксидной части ЭМ и газификации углерода в каждом из сечений полого электрода и определяется выражением:

<2т .АЖт + ^

ц.,{1-¿X—-±Х—1 * ¿Еь.

х ( ¿Ет_ + ^ <1у ёу

А у с1у

при < 1,Я£< 0,25 (7)

и.ф{ ----йХ—1 ♦ +

\ ^ сЖуи + ±Каэ5_ ^ б у й у

с! у <1у

при = 1, > 0,25

где , , - удельные тепловые эффекты реакций восстановления магнетита, вюстита в твердом и жидком состоянии и газификации углерода соответственно, Дж/м3; - степень восстановления магнетита до вюстита, доли единиц; , - степень восстановления вюстита в твердом и жидком состоянии соответственно, доли единиц;

- степень газификации твердого углерода, доли единиц; - степень полноты протекания процесса металлизации, доли единиц;

Выражения для определения степени восстановления ЭМ и газификации твердого углерода имеют вид: '

с!у = (Кот/и) ♦ ехр { - Ет/ т } • (!- ; (8)

(Жм/(1у = (К0»./и)«ехр {-Е»1/ЯТ } ♦ ; (9) •

м

<Ж»ж/ (1у = /и) * ехр { - Ежж / ЯТ } ф (1- Яжж)ы«ж ; (10) = (К01! /о) ♦ ехр { - Ек / ЯТ } * (1 - ; (11)

где Ко ш, Кош!, Ко»'ж, Кой * частотные множители Аррениуса для реакций восстановления магнетита, вюстНта в твердом и жидком состоянии и газификации углерода, с-'; Ет, Ем, Е»*, Е8 - кажущиеся энергии активации соответствующих реакций, кДж/моль; Ыт, N»1, Ы»*, И* - формальные порядки соответствующих реакций.

Уравнения (8) - (II) имеют следующие граничные условия:

Яш =Нот > ' (12)

|уо = 1^1 ; (13)

Я№Ж|у,о=0; (14)

1й> =0 ; (15)

Коэффициент теплопроводности в первом приближении (существует только металл и его оксид) может быть вычислен по формуле:

\<у,Т) = Ъ (Т) * (1-МУ)) + Хк=(Т) * ^(У) (16)

где Ко (Т), Хяе (Т) - температурные зависимости коэффициентов теплопроводности оксидной составляющей ЭМ и жидкого железа соответственно, Дж/(м*К*с).

Система дифференциальных уравнений (1)...(16) представляет собой математическую модель восстановления оксидов железа.

Применялся итерационный метод установления, в котором время играло роль итерационного параметра. В этом случае решению задачи (1)...(7) соответствовало решение системы двух одномерных нестационарных задач при условии, что для данной итерации величина выражения '!дТ1дх" меньше заданной точности.

В ходе вычислительного эксперимента на основе опытных данных были заданы следующие значения параметров модели: р = 2700 кг/м3 ; с =

1000 Дж/(кг*К); Т = 2080 К; и = 2*10"2 м/с.

Также для сравнения расчет был проведен для более низкой скорости схода электродной массы, и = 1*10"' м/с;

На рис.1 и рис.2 показаны зависимости степени восстановления от высоты и радиуса полого электрода для скоростей схода 0,02 м/с и 0,001 м/с соответственно.

Из рис. 1 и 2 можно сделать вывод — для малых значений скоростей схода (V) электродной массы процесс металлизации можно описать без учета радиальной составляющей теплопереноса, с достачнон достоверностью. То есть для описания процесса восстановления оксидов железа в полом электроде при скоростях схода электродной массы порядка 1 мм/с достаточно одномерной математической модели. Но уже для скоростей схода ЭМ порядка 1 — 2 см/с (что характерно для реального производства) начинает заметно различаться степень восстановления по радиусу полого электрода и как следствие, неадекватность одномерной математической модели.

На рис.3 и рис.4 показаны зависимости содержания железа (% по массе) от высоты и радиуса полого электрода для скоростей схода 0,02 м/с и 0,001 м/с соответственно.

Использование зависимости химического состава ЭМ в различных сечениях полого электрода от параметров процесса позволяет более точно контролировать технологический процесс, значительно облегчает разработку новых технологий переработки в установке на базе полого электрода. Как было отмечено ранее, возможность проведения вышеописанных расчетов позволяет контролировать состав получаемого расплава с целью получения ферросплавов заданных марок.

Рис. 1 Зависимость степени восстановления ЭМ от высоты и радиуса полого электрода для У=0.02 м/с.

мо

Рис.2 Зависимость степени восстановления ЭМ от высоты полого электрода для У=0.001 м/с.

Кроме того следует заметить, что знание состава, а следовательно и содержание вюстита в электродной массе, делает возможным переработку исследуемого сплава, полученного алюмотермическим восстановлением хвостов обогащения в установке на базе полого электрода.

Рис.3 Зависимость содержания Еч (% по массе) от высоты я радиуса полого электрода (V = 0.02 м/с).

<ЮЕ-03

Рис.4 Зависимость содержания Ие (% по массе) от высоты и радиуса полого электрода (V = 0.001 м/с).

Представленная математическая модель была верифицирована путем сопоставления результатов эксперимента, проведенного на высокотемпературной электродуговой установке, с результатами численного решения системы дифференциальных уравнений (1)...(16) при соответствующих значениях параметров модели.

Результаты верификации представлены на рис.5,6."

Рис.5 Расчетная и экспериментальная зависимости степени восстановления ЭМ от высоты полого электрода для различных сечений. 1 —х = 0; 2 —х = 0.005 м; 3 — х = 0.01 м.

1 - по экспариментаяьным значениям

2 -по расчетным аначениям

Рис.6 Расчетная и экспериментальная зависимости скорости схода ЭМ от высоты полого электрода.

Зависимости степени восстановления ЭМ от высоты электрода ■ > лученные в ходе численного эксперимента, а также результаты опытов, проведенных на высокотемпературной электродуговой установке, представлены на рис.5. Расчетная и экспериментальная зависимости скорости схода ЭМ от температуры жидкой ванны представлены на рис.

Наблюдаемые различия между экспериментальной и модельной зависимостями от в верхней части электрода могут объясняться возрастанием вклада газового массопереноса в процесс нагрева ЭМ. Для разных продольных сечений полого электрода зависимости температуры ЭМ от вертикальной координаты заметно отличаются друг от друга, что свидетельствует о значительном вкладе радиальной теплопередачи в процесс нагрева ЭМ.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА

В ПОЛОМ ЭЛЕКТРОДЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

В данной работе представлено программное обеспечение (ПО), разработанное при помощи средств визуального программирования VisualPascal (Delphi) и реализующее часть лабораторного практикума, касающуюся работы по изучению процессов восстановления оксидов железа в полом электроде на экспериментальной установке на базе полого электрода. Программное обеспечение основывается на программной реализации математической модели восстановления оксидов железа в полом электроде. По скорости разработки и трудозатратам разработанное ПО значительно превосходит аналогичное, созданное при помощи традиционных средств программирования.

Основу программного интерфейса составляет система независимых окон, доступных друг из друга при помощи кнопочных переключателей. Каждое из окон отображает определенный этап выполнения лаборатор-

ной работы или же — ситуацию возникновения критической ошибки. Окна реализуют интерактивный диалог с пользователем при помощи кнопок и объектов графического выбора (рис.7).

Окна выбора начальных параметров и графического отображения результатов эксперимента (макет)

Внимание

Вшшвине! Пгрел выполнением этой операции. Вы должны выбрать параметры опыта

ч/ОК

Степень восст (ютегр) »лектродноА мае cu V*

Рис.7

Температура ЭМ, СЦ

2000

1600 1200

га

400 200

О,» 0,6 D.8 1.0 высота электрода, доля единиц

Работа с системой многооконного пользовательского интерфейса происходит в операционной среде MS Windows. Предусмотрена возможность пользования контекстной помощью.

Предоставляется возможность визуального контроля графиков зависимостей от времени, температуры ванны и скорости схода электродной массы (Рис.7).

Система застрахована от возможных трудностей, возникающих при работе с реальной экспериментальной установкой.

Возможность выполнения работы на компьютерном тренажере значительно облегчает задачу овладения навыками реального физико-химического эксперимента и способствует более глубокому усвоению студентом характера лабораторной работы, а также значительно облегчается контроль преподавателем процесса выполнения работы.

0.2

ВЫВОДЫ

1. Внимание к процессам восстановительной плавки с использованием железорудных материалов без их предварительной подготовки никогда не ослабевает. Это обусловлено относительно низкими капитальными и эксплуатационными затратами1, а также большим диапазоном возможностей применения этих процессов. Способ получения металла с использованием расходуемых самообжигающихся электродов является перспективным, если учесть возможность попутной переработки отходов металлургического передела, в частности таких, как алюмотермически восстановленные хвосты обогащения.

2. В лабораторных условиях исследовано влияние на температуру ассимиляции исходного сплава колошниковой пыли, оксидов железа (РеО), кальция (СаО), кремния (БЮг), а также их сочетания в различной пропорции. Установлено, что сочетание оксидов железа, кальция и кремния в следующей пропорции РеО : СаО: БЮг = 1 - 1,5 :1 -1,5 :1 позволяет снизить температуру ассимиляции исходного сплава до 1450° С.

3. Установлено, что смесь оксидов РеО : СаО : ЭЮг = 1,5 : 1 : 1 в количестве 15-20 % масс, достаточно для переведения исходного сплава в его легкоплавкую модификацию.

4. Исследовано влияние вариантов загрузки исходного сплава и степень усвоения его легкоплавкой модификации металлическим расплавом. Установлено, что независимо от вариантов загрузки степень перехода основных легирующих элементов в металл для А1, Б», Сг, "П составляет не менее 90 %; для Мп от 40 % до 60 %; для N не менее 50%.

5. Следует особо отметить низкое содержание серы и фосфора в легкоплавкой модификации исходного сплава и в легированном металле, что скорее всего объясняется высокой активностью оксидного расплава и служит показателем возможности применения исходного сплава в качестве

легирующего.

6. Высокое содержание азота в металле, а также присутствие в исходном сплаве карбонитридных, карбидных и ннтридных составляющих, позволяют наметить направление его использования, как легирующего для получения высокопрочных дисперсионно-упрочненных марок стали типа 14Г2АФ, 16Г2АФ, 14Г2ФАД, 16Г2АФД, 12ГН2МФАЮ путем легирования первичного расплава соответствующими ферросплавами.

V

7. Необходимо учесть, что количество окисленных хвостов обогащения сульфидных руд насчитывает сотни миллионов тонн и непрерывно растет, кроме того предложенный способ может быть с успехом использован для модификации тугоплавких карбошпридосодержащих сплавов, полученных металлотермическим восстановлением пиритных огарков, хвостов обогащения окисленных никелевых руд, а также других видов отходов, не находящих применения в черной металлургии вследствии загрязненности последних вредными примесями.

8. Разработана математическая модель, адекватно описывающая процессы восстановления оксидов железа в полом электроде. Модель реализована в виде программы для ЭВМ, позволяющей моделировать ход восстановительной плавки в реальном масштабе времени.

9. По данным верификации математическая модель была признана адекватно описывающей процесс неизотермической металлизации.

10. Было показано, что при определенных значениях технологических параметров восстановительной плавки разработанная модель позволяет более точно (по сравнению с предшествующими аналогами) описать ход процесса. ;

11. Получены зависимости скорости, степени восстановления, процентного содержания железа, распределения температуры в полом электроде от скорости схода электродной массы, положения электродной массы в полом электроде (радиуса и высоты), температуры ванны.

12. На основании разработанной модели, можно предположить, что

процесс использования исходного сплава может быть реализован с помощью установки на базе полого графитового электрода.

13. На основе разработанной математической модели восстановления оксидов железа в полом электроде создан проект лабораторной работы для использования в учебном процессе, позволяющий проводить имитационный восстановительный эксперимент в реальном масштабе времени посредством создания части автоматизированного лабораторного практикума.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Шангин H.A.,Крашенинников М.Г., Борисов В.М.// Известия Вузов. Черная металлургия. 1995, N-9. с.14-17.

2. Шангин H.A.,Крашенинников М.Г.// Известия Вузов. Черная металлургия. 1996 NT-7 с.?9-32.

3. Шангин Н.А.,Крашенинников М.Г. Физико-химическое исследование хвостов обогащения сульфидных руд как источника сырья для производства легированных сталей II IX международная конференция "Современные проблемы электрометаллургии стали". Тезисы докладов. Челябинск, 1995 г. с. 16-17.

Объем I пл. Тираж 100 экз. Заказ ЗЗУ Типография МИСиС, ул.Орджоникидзе, 8/9