автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства файнштейна и оптимизация переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования

На правах рукописи

ПЕТРОВИЧ Игорь Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ФАЙНШТЕЙНА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛУПРОДУКТОВ НА ПЕРЕДЕЛАХ РХЦНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ И КОНВЕРТИРОВАНИЯ

Специальность 05 16 02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ1702ББ

Санкт-Петербург - 2008

003170266

Работа выполнена в ООО «Институт Гипроникель»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Цемехман Лев Шлемович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Белоглазов Илья Никитич

кандидат технических наук, доцент

Серебряков Вячеслав Федорович

Ведущая организация ГНЦ РФ «Институт Гинцветмет»

Защита состоится « 19 » июня 2008 г в 16 час 00 мин

на заседании диссертационного совета Д 212 229 03 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, Санкт-Петербург, ул Политехническая, 29, хим корпус, ауд 51

Факс (для отзывов) (812)335-31-37

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Автореферат разослан /3 jj 2008 г

Ученый секретарь доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На комбинате «Печенганикель» ОАО «КГМК» сульфидный медно-никелевый концентрат подвергается окатыванию и обжигу Окатыши совместно с богатой рудой плавятся в электропечах, полученный штейн конвертируется с получением файнштейна Конвертерный шлак заливается в рудные электропечи Конвертерные газы используются для производства серной кислоты

В последнее время произошло существенное повышение содержания оксида магния в перерабатываемом сырье, а также предстоит внедрение брикетирования конценграта взамен обжига Оба этих фактора приведут к изменению технологических режимов и составов образующихся продуктов Поиск оптимальных параметров в условиях изменяющихся факторов наиболее эффективно может быть осуществлен с помощью математических моделей

При переработке сульфидного медно-никелевого сырья образуется большое количество различных твердых оборотов, в том числе ковшевые настыли, пыли, проливы, свернутый шлак от производства черновой меди Особые проблемы возникают при переработке крупнокусковых твердых шлаков Эффективно они могут быть переработаны лишь в конвертере Однако возможности конвертерного передела по их переработке ограничиваются энергетическим ресурсом жидких штейнов, поступающих на передел Скорость усвоения свернутого шлака в барботируемом оксидно-сульфидном растворе зависит от целого ряда факторов, которые не могут быть учтены при выполнении тепловых расчетов Необходимо исследование закономерностей поведения твердого шлака при конвертировании штейнов и изыскание путей снижения выхода внутрицеховых оборотов

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность задач количественного анализа процессов настылеобразования, разработки мер по сокращению выхода оборотов, исследования кинетики усвоения свернутого шлака и разработки режимов конвертерной плавки, обеспечивающих максимально возможное количество шлака в переработке

Цель работы — совершенствование технологии производства файн-штейна и оптимизация переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования штейнов

Методы исследования Экспериментальные исследования выполнялись в плавильном цехе комбината «Печенганикель» Замеры температур для идентификации модели насгылеобразования регистрировались с помощью инфракрасной камеры 111928+ Изучение вещественного состава отобранных проб проводилось методами рентгенодифракционного анализа (РФА), растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа (РЭМ и РСМА) с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-6 (РФА) и растровых электронных микроскопов Теэсап 5130ММ и Сат8сап-4 (РЭМ и РСМА)

Идентификация параметров модельных уравнений осуществлялась с учетом физико-химических закономерностей процесса методами регрессионного анализа по результатам статистической обработки массивов производственных данных Математические модели кинетики усвоения расплавом холодных присадок и процессов настылеобразования разрабатывались на основе методов математической физики и сеточных методов численного решения уравнений в частных производных

Научная новизна

- получены новые данные но вещественному составу продуктов рудно-термической и конвертерной плавок, а также ковшевых насгылей, которые использованы для анализа металлургических процессов и при разработке математических моделей,

- в результате исследования кинетики усвоения твердых шлаков медного производства жидкой конвертерной ванной показано, в частности, что время, за которое они полностью растворяются в расплаве, прямо пропорционально квадрату их исходного размера,

- исследование процесса образования ковшевых настылей на основе те-плофизической модели для многослойной двухфазной среды позволило сделать вывод, что динамика их роста описывается степенным уравнением, частным

случаем которого является закон квадратною корня,

- разработаны математические модели основных переделов производства файнштейна на основе уравнений множественной регрессии, связывающих взаимные зависимости содержаний компонентов в продуктах, что позволило минимизировать число исходных параметров, повысить достоверность и упростить технологические расчеты материальных и тепловых потоков

Практическая ценность Полученные результаты использованы при усовершенствовании технологической схемы переработки медно-никелевого сульфидного сырья в плавильном цехе комбината «Печенганикель» для разработки технологического регламента реконструкции плавильного производства комбината «Печенганикель»

Внедрение результатов работы позволяет

- снизить энер! озаграты на переделе рудной плавки на 4%,

- сократить выход ковшевых настылей и количество собственных оборотов на 8%,

- оптимизировать объемы переработки привозных шлаков медного производства комбината «Североникель» между переделами РТП и конвертерным,

- повысить прямое извлечение металлов в файнштейн на 0,8%

Основные положения, выносимые на защит}':

1 Результаты исследований вещественного состава медно-никелевого концентрата, окатышей, штейна РТП, файнштейна, конвертерного и отвального шлаков, а также медного шлака, настылей и пылей

2 Результаты исследования кинетики усвоения кусков твердого шлака медного производства конвертерной ванной

3 Результаты анализа процессов настылеобразования в ковшах па основе теплофизической модели для многослойной двухфазной среды

4 Математические модели подготовительных операций, переделов РТП и конвертирования и комплексной модели цеха в целом

Апробация работы Материалы диссертационной работы докладывались на научно-техническом совещании «Компьютерное моделирование и оп-

тимизация технологических процессов электротермических производств» (г С -Петербург, научно-техническое совещание «ДУГА-200», 2002 г ) и на 4-й международной научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов» (г Москва, 13-ая международная выставка МЕТАЛЛ-ЭКСПО, 2007 г )

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 печатных

работ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 93 наименований В работе содержится 232 страницы текста, в т ч 53 рисунка, 61 таблица, приложение

Автор выражает сердечную благодарность за научное соруководство и творческую помощь в постановке задачи и обсуждении почученных результа-

тов канд техн наук Блинову В А и д-ру техн наук Козыреву В Ф

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Пирометаллургические технологии производства файиштейна из сульфидного медно-никелевого сырья

Производство файнштейна независимо от используемых на предприятиях технологий переработки рудного сырья всегда сопровождается образованием больших количеств оборотов, переработка которых требует энергозатрат и сопряжена с дополнительными потерями металлов

Основным видом оборотов в металлургическом производстве комбината «Печенганикель» являются ковшевые настыли В связи с этим представляется актуальной задача исследования факторов их образования и разработка мероприятий по сокращению выхода это1 о вида оборогов

Одним из основных видов металлосодержащих материалов, поступающих в медно-никелевое производство с родственных предприятий, является шлак от производства черновой меди, который перерабатывается в конвертерах Расчет количества шлака, возможного в переработке по тепловому балансу

процесса, не учитывает кинетических факторов и, как следствие, завышает возможности передела по переработке этог о материала

В связи с этим представляется актуальной задача исследования кинетики усвоения свернутого шлака сульфидно-оксидной ванной расплава и разработка режимов конвертерной плавки, обеспечивающих максимально возможное количество шлака в переработке на штейнах различного состава

Для оперативной оценки показателей производства и корректировки технологических режимов, а также при планировании производственной деятельности представляется актуальной задача разработки универсальных магматических моделей металлургических переделов и технологических схем, включающих эти переделы

2. Исследование процессов подготовки сырья к плавке

По своему строению и составу пробы медно-никелевою концентрата и окатышей необожженных идентичны Пробы имеют следующий состав, % масс № — 7,57, Си —3,88, Со — 0,222, РеоГ1Щ —27,2, МёО — 11,0, СаО — 0,85, БЮг — 22,9, 8 — 18,6, Ъъ — 0,038, РЬ ^0,0020, Аб —0,013, Бе — 0,0054, Те — 0,00093, Бп — 0,012, БЬ — 0,0049, С — 0,11

Основой пробы являются СиРеБг (халькопирит), (Ие,N1)988 (пенглан-дит), \^з8цО|о(ОН)2 (тальк) По-видимому, присутствуют небольшие количества сульфидов железа РеБ (троилит) и Ре1_х8 (пирротин, гексагональный), соединений из группы хлоритов, имеющих межплоскостное расстояние (1=14,0А и серпентинов (<1=7,2, 3,бА), а также следы шпинельной фазы, вероятнее всего, мат нетита

Кроме того, в пробе диагностируются свободные частицы пирита (Ре32) и магнетита общим объемом не более 2 % об, а также единичные зерна ильменита (РеТЮз) Размеры зерен всех указанных минералов лежат в пределах 10— 70 мкм

Проба обожженных окатышей имеег следующий состав, % масс N1 ■— 8,4, Си —4,04, Со —0,246, Рео6ш — 29,5; МёО — 13,1; СаО — 0,69, 8Ю2 —

26,0, Б — 16,1, Ъл — 0,030, РЬ —0,0020, Аб — 0,0091, Бе —0,0045, Те — 0,00050, Бп — 0,012, БЬ — 0,0022, С — 0,7

Окатыши имеют ярко выраженное зональное строение Периферийные области представлены магнетитовой скелетной основой, пустоты которой заполнены силикатами железа-магния состава оливинов и пироксенов Сульфидное ядро содержит продукты твердофазного взаимодействия исходных минералов

Пыль обжиговая имеет следующий состав, % масс N1 — 7,95, Си — 3,76, Со — 0,232, Ре0бщ — 29,0, Б — 17,7, 8Ю2 — 25,0,1^0 — 12,5, СаО — 0,68, АЬ03 — 1,2, Ъа — 0,038, РЬ —0,0020, Аб — 0,012, Бе— 0,0051; Те — 0,0010, Бп — 0,016, БЬ — 0,0049, С — 0,37

Основой пыли являются СиРеБг (халькопирит), (Ре,N1)988 (пентландит), Мёз814О10(ОН)2 (тальк) В сульфидной части пробы диагностированы пентландит (около 50% объема), пирротин (около 45%), халькопирит (единичные самые крупные частицы), сфалерит, троилит, минералы мышьяка состава герс-дорфита, в том числе, кобальтового (в сумме около 1% объема) Оксидно-силикатные минералы силикаты серпентин—хлоритовой группы минералов и тальк, магнетит, в основном в свободной форме, изредка — в сростках с сульфидными минералами

Исследованы процессы упрочняющего обжига окатанного рудного флотационного концентрата и его брикетирования Установлены зависимости, связывающие технологические показатели подготовительных операций с физико-химическими характеристиками перерабатываемой шихты

Полученные данные использованы при разработке математической модели расчета материальных и тепловых балансов процессов агломерирующего обжига

На основании лабораторных исследований разработаны модели зависимостей прочностных свойств брикетов от технологических параметров брикетирования рудного флотационного сульфидного медно-никелевого концентрата*

- прочности на раздавливание — от температуры сушки, остаточной влажности брикетов и содержания лигносульфоната в шихте,

- прочности на сброс — ог содержания лшносульфонага в шихте, исходной влажности и остаточная влажность брикетов

Эти модели позволяют достаточно уверенно прогнозировать прочностные свойства получаемых брикетов в зависимости от технологических параметров операции

3. Исследование технологии плавки шихты в рудио-термических печах

Основным сырьем для электроплавки является шихта, состоящая из обожженных окатышей, сульфидной медно-никелевой руды, собственных и привозных оборотных никельсодержащих материалов (корки, выбивки, штейн комбината «Североникель»), флюса (песка) и углеродистого восстановителя В печи заливается жидкий конвертерный шлак

Исследован вещественный состав продуктов РТП Проба штейна имела следующий состав, % масс N1 — 15,9, Си — 7,18, Со — 0,66, Ре — 45,2, Б — 26,7, гп —0,020, РЬ — 0,031, Ав — 0,021, Бе — 0,0070, Те — 0,0019, Бп — 0,019, БЬ — 0,0059, С — 0,06 По данным РСМА в качестве основных составляющих штейн содержит пирротиновый твердый раствор, типичную структуру эвтектики Ре—БеБ, моносульфидный твердый раствор (МББ), кристаллы металлической фазы (твердого раствора на основе никеля), объемное содержание этой фазы можно оценить как 3,0—5,5 % об Также штейн содержит тонкую пластинчатую фазу борнигового твердого раствора и включения размером 5— 7 мкм, которые диагностируются как вюсгит

Проба отвального гранулированного шлака имела следующий состав, % масс №-0,228, Си-0,143, Со-0,089, Ре-29,2, Ре"2-20,66, 8-0,65, 8Ю2 - 39,9, MgO-12,7, СаО-2,8, А1203 -6,6, Ъъ- 0,039, РЬ-0,0070, Ав - 0,0024, Бе - 0,0019, Те<0,00005, Бп - 0,021, БЬ - 0,0048, С - 0,04 По данным РЭМ и РСМА представленная проба представлена хорошо закаленным силикатным стеклом состава (Ре.Мд^БЮ^ содержащим менее 0,1 % об корольков, размеры которых от 4—10 до 30—50 мкм, и немногочисленные капли штейна

В рассматриваемой пробе доля растворимых потерь составляет, % никеля -60, кобальта ■— более 90, меди -70

Проба электропечной пыли имела следующий состав, % масс N1 — 6,33, Си — 2,84, Со — 0,200, Ее — 25,3, Ре+2 — 13,3, Б — 7,0, М§0 — 9,3, СаО — 2,0, А1203 — 4,1, Б102 — 32,5, 2п — 0,059, РЬ —0,078, Аб — 0,029, Бе — 0,0093, Те — 0,0016, Бп — 0,041, БЬ — 0,0025, С — 1,6

По данным РЭМ и РСМА представленная проба состоит из отдельных частиц неправильной формы, каплевидных частиц и сравнительно некрупных конгломератов Установлено, что основу пробы электропечной пыли составляют компоненты слоя шихты, находящегося на поверхности ванны печи, для которых степень протекания процессов плавления, образования шлака и разделения шлакового и штейнового расплава невелика

Разработана математическая модель и алгоритм расчета материального и теплового баланса процесса рудной плавки Для разработки математической модели были выбраны надежные данные технических отчетов и результаты наших исследований, а также зависимости между компонентами, входящими в состав штейнов и шлаков

Получаемые с помощью разработанного программного обеспечения оценки хорошо согласуются с реальными показателями производственной практики, что позволяет их использовать для целей прогнозирования и планирования производственной деятельности

Данная модель была использована для расчета технологии плавки брикетов в РТП

4. Исследование процесса конвертирования медно-никелевого штейна

Исследован вещественный состав продуктов передела конвертирования Проба файнштейна имела следующий состав, % масс N1 - 43,28, Си -28,20, Со - 0,92, Ре-2,77, Б - 23,6, Ъ\ — 0,0013, РЬ - 0,21, Бп - 0,040, БЬ -0,0085, Аб - 0,059, Бе - 0,082, Те - 0,0060 Исследования пробы методом РФА показали, что файнштейн имеет фазовый состав, соответствующий основной

фазе — N1382 (хизлевудит), Си^бБ (джарлеит) и металлической фазы, являющейся твердым раствором на основе никеля По данным исследования методом РЭМ и РСМА проба файнштейна представляет собой типичный файнштейн с суммой цветных металлов ~70 % масс

Проба конвертерного шлака имела состав, % масс N1 - 0,88, Си - 0,62, Со-0,249, Ре-49,1,Ее+2 —34,4, 5-3,15, 8Ю2-26,3, МдО— 1,1, СаО- 1,4, гп — 0,032, РЬ - 0,083, Аэ — 0,0041, 5е — 0,0039, Те - 0,000059, Бп - 0,012, БЬ - 0,0040, С-0,05 Шлак содержит корольки, в основном, деформированные, размером 10-100 мкм, объемная доля корольков составляет ~2 % об , оплавленные блоки первичного гетерогенного магнетита размером от 10 до 150 мкм в объеме 5—8 %, характерные кристаллиты силиката железа, состав которых близок к фаялиту (Ро^ЯЮ.)) — фазы, которая кристаллизуется первой, остаточное силикатное «стекло», множество выделений вторичного магнетита Эгот магнетит образуется в процессе кристаллизации вследствие распада силикатного раствора и, соответственно, приурочен к остаточному стеклу

Проба конвертерной пыли имела состав, % масс N1 - 16,0, Си - 9,4, Со -0,59, Ре-24,8, Б - 13,3, БЮг - 24,1, М§0 —1,0, СаО - 1,4, гп — 0,034, РЬ -0,074, Аб - 0,027, Бе — 0,017, Те - 0,0018, Бп - 0,045, БЬ - 0,0058, С - 0,09 Основу ныли составляюг крупные частицы сферической формы и неправильной осколочной формы Основная доля частиц имеег размеры от 50 до 500 мкм Сферические частицы представляют собой типичный конвертерный шлак с высоким содержанием гетерогенного магнетита, богатые сульфиды, состав которых изменяется от штейна до файнштейна, капли оксисульфидов переменного состава На комбинате «Печенганикель» в переработку на передел конвертирования поступает в больших количествах шлак медною производства комбината «Североникель» Шлак представлен, в основном, ферритом никеля, купритом и силикатами никеля - магния

Максимально возможное в переработке количество твердых полупродуктов на любом заданном составе штейна может быть определено на основе балансовой модели конвертирования Однако, как показывает практика, реаль-

ные возможности переработки твердых полупродуктов за конвертерную плавку ниже Это связано с тем, что балансовая модель не позволяет адекватно оценить влияние целого ряда факторов, определяющих динамику процесса усвоения твердых кусков жидкой конвертерной ванной их начальной температуры, теплофизических параметров — теплопроводности, теплоемкости, скрытой теплоты плавления (затвердевания), плотности, 1ранулометрического состава, режима загрузки кусков — массированной и единовременной или порционной и рассредоточенной в течение плавки

Куски твердых полупродуктов, как правило, значительно дифференцированы по размерам и имеют неправильную форму со сложной поверхностью Скорость их плавления прямо зависит от значений тепловых потоков через их поверхность, т е от площади их поверхности При попадании кусков твердых полупродуктов в жидкую ванну конвертера они охлаждают прилегающие к ним слои расплава, состоящего в рассматриваемом случае из двух жидких фаз — штейна или обогащенной сульфидной массы и конвертерного шлака Это приводит к тому, что вначале на поверхности твердых кусков происходит затвердевание расплава, в результате чего образуется кусковая настыль Толщина настыли, время ее образования и плавления определяется начальным размером Э0 куска, его температурой Т0 и характером теплообмена с окружающим кусок расплавом После прогрева куска до температуры плавления Тщ,, главным образом, за счет внешнего теплоподвода, начинается процесс плавления настыли и самого куска

Т о рассматриваемая задача о кинетике усвоения твердых полупродуктов жидкой конвертерной ванной сводится к определению нестационарного температурного поля Т в двухфазной среде На основании полученных данных разработана теплофизическая модель этого процесса, которая основана на численном решении нестационарной квазилинейной краевой задачи относительно квазилинейною уравнения теплопроводности в сферических координатах на множестве обобщенных функций

ОI Г" ст^ от

где 8 — дельта-функция Дирака; р, с, X— плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность, рассматриваемые как разрывные кусочно-постоянные функции радиальной координаты в двухфазной среде.

На рисунке 1 представлены полученные зависимости времени (мин.) усвоения тус1! кусков медного шлака конвертерной ванной от их начальных размеров О0. Исследования кинетики показали, что время полного растворения твердых кусков в расплаве прямо пропорционально квадрату их исходного размера.

Расчеты показали, что на штейнах РТП с содержанием Си+М1 ~ 25—32% возможная максимальная переработка медного шлака за конвертерную плавку составляет не более О,14—0,16 т/т штейна.

Рисунок 1— Кинетика усвоения кусков медного шлака конвертерной ванной (Т0 = 10°С)

Разработана математическая модель процесса конвертирования. Для идентификации зависимостей использовались методы регрессионного анализа данных оперативного технологического контроля процесса с учетом физико-химических закономерностей и полученных нами кинетических данных по переработке отходов.

80 см

40 S0 (50 7 0 80 90 100 время нахождения» конвертерной ванне, мин

Для выполнения расчетов необходимо ввести массы и составы всех поступающих в конвертер материалов, разбавление отходящих газов, производительность конвертера по дутыо и использование конвертера под дутьем, температуры поступающих на плавку материалов и продуктов процесса

Тестирование разработанных математических моделей проводилось путем сопоставления расчетных данных с результатами экспериментальных плавок Сопоставление представленных расчетных оценок с соответствующими данными наблюдений позволяет сделать вывод об их хорошей согласованности, как по составу полученной массы, так и по продолжительности дутья

Модель позволяет рассчитывать количества и составы продуктов конвертирования, количество и состав отходящих газов, извлечение цветных металлов в файнштейн или массу, а также серы в газы, расходы флюса и дутья — на всю переработку и удельные расходы (т/т файнштейна и нм3/т файнштейна), чистое время дутья и продолжительность плавки, постатейные тепловые балансы с оценкой энергетических возможностей агрегата в части переработки холодных полупродуктов

Разработанная модель была использована при расчете процесса конвертирования в проекте реконструкции головных переделов металлургического производства Кольской ГМК Было установлено, что образующиеся в медном производстве твердые шлаки не могут быть переработаны в конвертерном переделе Необходимо строительство дополнительных мощностей

5. Исследование процесса настылеобразования в ковшах

Основной источник металлосодержащих оборотов в плавильных цехах цветной металлургии — это ковшевые настыли, образующиеся при транспортировке расплавов Так, на комбинате «Печенганикель» выход их в общей массе собственных оборотов достигает 70—80 %, причем ~60 % этого количества составляют корки конвертерного шлака

Были отобраны и исследованы пробы ковшевых настылей В строении всех проб отмечены следующие общие закономерности зона шлака, приле-

гагощая к стенке ковша, имеет толщину около 0,2—0,5 см и идентичное строение для разных проб с образованием непосредственно на стенке ковша явно выраженного оксидного слоя толщиной до 50—60 мкм, внутренняя часть настылей толщиной 2—4 см имеет крупнокристаллическое строение, типичное для раскристаллизованных конвертерных шлаков

Непосредственно на стенке ковша формируется слой шпинелей, по составу близких магнетиту, в пристеночной зоне и по всей толщине настыли также диагностированы гетерогенные шпинели, состав, форма выделения и размеры которых несколько изменяются они обедняются железом и незначительно обогащаются алюминием и хромом, становятся крупнее в середине настыли и мельче — к огневому краю На огневом краю выделения гетерогенного магнетита имеют сглаженные грани Кроме гетерогенных шпинелей все пробы содержат вторичные оксидные фазы распада силикатного раствора

Образование ковшевых настылей неизбежно и определяется тепловыми закономерностями процесса кристаллизации расплавов В этой связи представляется актуальной задача изучения вещественного состава настылей и количественного анализа этого процесса на основе его мат ематического моделирования

Рассматриваемая задача о кристаллизации расплава на охлаждаемой поверхности относится к классу задач с движущейся границей раздела фаз и сводится к определению нестационарною температурного поля Т в многослойной среде стенка ковша (Тк) — слой гарнисажа (Тг) — настыль (Т.) — расплав (Т+), условно изображенной на рисунке 2

Для исследования динамики роста толщины и массы ковшевых настылей были разработаны плоская и объемная теплофизические модели этого процесса, основанные на численном решении нестационарных краевых задач относительно квазилинейных уравнений теплопроводности в декартовых и цилиндрических координатах на множестве обобщенных функций

[рс + гшр б(Т-Т )]—= — \У шН- V &

дх

где 5 — дельта-функция Дирака, р, с, Л— плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность, рассматриваемые как разрывные кусочно-постоянные функции декартовой х и радиальной г координат в многослойной среде, изображенной на рисунке 2

поверхность кристаллизации

Рисунок 2 — Тепловая схема настылеобразования (вк, в! и в — толщина соответственно стенки ковша, слоя гарнисажа и настыли, Тр — температура расплава в центре ковша)

Разработанные модели настылеобразования позволяют с высокой точностью оценивать динамику изменения температурного поля во всех точках ковша, заполненного расплавом и, как следствие, определять закон движения границы раздела фаз

С целью идентификации разработанной модели в плавильном цехе комбината «Печенганикель» были проведены исследования, методика которых состояла в следующем Холодный неошлакованный ковш наполнялся шлаковым расплавом при сливе его из конвертера Расплав выдерживался в ковше определенное время и сливался в рудно-термическую печь После охлаждения ковша из него выбивалась намерзшая на его внутренней поверхности шлаковая корка,

и производились измерения ее толщины. Результаты компьютерного моделирования процесса настылеобразования хорошо согласуются с экспериментальными данными (относительная погрешность расчета не превосходит 5%), что свидетельствует об адекватности разработанной модели реальным закономерностям процесса настылеобразования.

Основными факторами, определяющими скорость настылеобразования, являются: температура заливаемого в ковш расплава; начальная температура огневой поверхности ковша (гарнисажа); толщина слоя гарнисажа; продолжительность нахождения расплава в ковше.

На рисунке 3 представлены результаты расчетов по модели настылеобразования, из которых следует, что чем выше температура заливаемого в ковш расплава и чем выше температура огневой поверхности гарнисажа, тем ниже скорость намерзания на ней нового слоя настыли.

время, мин

Рисунок 3 — Влияние на процесс настылеобразования температуры заливаемого в ковш расплава и начальной температуры ошлакованного ковша

Зависимость толщины б намерзающей настыли от времени I, как показали проведенные исследования, с высокой точностью аппроксимируется зависимостью вида б = V 1°, что является обобщением известного закона квадратного корня на случай многослойной двухфазной среды

Исследованием процесса настылеобразования с использованием разработанной математической модели показано, что интенсивное намерзание расплава на стенках ковша происходит при нахождении расплава в ковше более 17—20 минут Рекомендовано ограничить время транспортировки расплавов (включая наполнение, транспортировку и слив) этим временным промежутком Для снижения выхода оборотов целесообразно снизить до минимума количество используемых ковшей, что позволит сохранить температуру ковшей

6. Исследование замкнутой технологической схемы переработки сульфидного медно-никелевого сырья

Структура общей комплексной математической модели замкнутой технологической схемы действующего производства файнштейна на комбинате «Печенганикель» отражает структуру технологической схемы плавильного производства Каждому из блоков этой схемы соответствуют частные математические модели переделов, представленные в предыдущих главах Расчет технологических параметров замкнутой технологической схемы реализуется итерационным способом

Для определения материальных потоков по предлагаемой модели в качестве задания на расчет вводятся следующие данные количество и состав медно-никелевою концентрата, поступающего на обжиг, влажность шихты, поступающей на окатывание, десульфуризация, разбавление отходящих газов в зоне обжига, количества и составы твердых шихтовых металлосодержащих материалов, поступающих на электроплавку в РТП, количества и составы холодных металлосодержащих оборотных полупродуктов, загружаемых в конвертер для стабилизации темперагурного режима конвертерной плавки, состав крем-пийсодержащего флюса, влажность полупродуктов и флюса, содержание желе-

за в файнштейне, содержание серы в штейне и файнштейне, содержание меди, никеля и кобальта в конвертерном шлаке, содержание БЮ^ и серы в конвертерном и отвальном шлаках, усвоение кислорода расплавом, разбавление отходящих газов, производительность конвертера по дутью и использование конвертера под дутьем, потери металлов — никеля, меди, кобальта

Для выполнения тепловых расчетов следует ввести в качестве исходных данных температуры поступающих на переработку материалов и продуктов процессов

Комплексная математическая модель позволяет рассчитывать сквозные показатели полной технологической схемы, в т ч прямые извлечения цветных металлов в файнштейн, составы всех полупродуктов, энергозатраты

Получаемые с помощью комплексной компьютерной модели оценки хорошо согласуются с реальными значениями сквозных показателей, что позволяет их использовать для целей про! позирования и планирования производственной деятельности по полной технологической схеме

Использование разработанной комплексной компьютерной модели позволяет оптимизировать распределение загрузки металлосодержащего сырья и оборотных полупродуктов между переделами рудно-термической электроплавки и конвертирования, что позволило повысить прямое извлечение цветных металлов в файшшейн в среднем примерно па 1,2%

С помощью этой модели впервые были проанализированы влияние содержания в концентрате и количество оборотов на потери цветных металлов со шлаками и расход электроэнергии

Разработанная модель была использована при расчете процесса конвертирования в проекте реконструкции головных переделов металлургического производства Кольской ГМК Было установлено, что образующиеся в медном производстве твердые шлаки не могут быть переработаны в конвертерном переделе Необходимо строительство дополнительных мощностей

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Усовершенствована технология производства файнштейна с оптимизацией переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования штейнов

2 С использованием методов РСМА, РЭМ и РФА исследован вещественный состав исходных материалов, полупродуктов и товарной продукции плавильного производства комбината «Печенганикель» медно-никелево! о концентрата, обожженных окатышей, штейна РТП и файнштейна, огвального и конвертерного шлаков, обжиговых, электропечных и конвертерных пылей Полученные данные использованы при разработке математических моделей процессов агломерирующего обжига, рудно-термической электроплавки и конвертирования медно-никелевого штейна до файнштейна

3 Исследованы процессы упрочняющего обжига окатанного рудного концентрата и его брикетирования Установлены зависимости, связывающие технологические показатели подготовительных операций с физико-химическими характеристиками перерабатываемой шихты

4 На промышленных рудно-термических печах проведены исследования и установлены зависимости, связывающие между собой содержание основных компонентов продуктов электроплавки, расхода электроэнергии, флюса, восстановителя и др

5 На промышленных агрегатах исследована кинетика усвоения твердых шлаков медного производства жидкой конвертерной ванной Установлен вещественный состав шлаков Разработана теплофизическая модель процесса, которая основана на численном решении нестационарной квазилинейной краевой задачи относительно уравнения теплопроводности в сферических координатах Установлено, что время полного растворения кусков твердого шлака в расплаве прямо пропорционально квадрату их исходного размера Установлено, что время усвоения колеблется от 30 минут до 4-х часов На штейнах РТП с содержанием Си+№~25-32% возможная максимальная переработка медного шлака за конвертерную плавку составляет не более 0,14-0,16 т/г штейна

6 На промышленных конвертерах проведены исследования процесса конвертирования медио-никелевых штейнов Установлены зависимости, связывающие содержания компонентов продуктов конвертирования, расхода воздуха и флюса, загрузки холодных оборотов, продолжительности конвертерной плавки и др

7 Исследован вещественный состав ковшевых настылей Установлено, что он неоднороден и заметно меняется по мере движения от стенки ковша к огневому краю Проведены исследования и разработана математическая модель процесса настылеобразования, которая основана на численном решении нестационарной квазилинейной краевой задачи относительно уравнения теплопроводности в декартовых и цилиндрических координатах, позволяющая с высокой точностью оценивать динамику изменения температурного поля во всех точках ковша, заполненного расплавом и, как следствие, определять закон движения границы раздела фаз Динамика намерзания настыли, как показали проведенные исследования, с высокой точностью аппроксимируется степенной зависимостью, являющейся обобщением известного закона квадратного корня на случай многослойной двухфазной среды

Установлено, что основными факторами, определяющими скорость настылеобразования, являются температура заливаемого в ковш расплава, начальная температура огневой поверхности ковша (гарнисажа), толщина слоя гарнисажа, продолжительность нахождения расплава в ковше

Установлено также, что интенсивное намерзание расплава на стенках ковша происходит при нахождении расплава в ковше более ] 7—20 минут Рекомендовано ограничить количество используемых ковшей

8 Разработаны математические модели расчета материальных и тепловых балансов и процессов агломерирующего обжига и брикетирования, рудно-термической электроплавки, конвертирования штейнов, а также комплексная модель замкнутой технологической схемы Предложенные модели построены на основе уравнений множественной регрессии, связывающих взаимные зависимости содержания компонентов в продуктах, что позволило минимизировать

число исходных параметров и повысить достоверность расчетов по оптимизации показателей работы как отдельных переделов и операций, так и технологии производства файнштейна в целом Разработанная модель была использована при расчете процесса конвертирования в проекте реконструкции головных переделов металлургического производства Кольской ГМК Было установлено, что образующиеся в медном производстве твердые шлаки не могут быть переработаны в конвертерном переделе Необходимо строительство дополнительных мощностей

Разработанная модель использована также для расчета технологии переработки брикетов на основе рудно-термической плавки

9 Внедрение результатов работы позволит снизить энергозатраты на переделе рудной плавки на 4%, сократить выход ковшевых настылей и количество собственных оборотов на 8%, оптимизировать объемы переработки привозных шлаков медного производства комбината «Североникель» между переделами РТП и конвертерным, повысить прямое извлечение цветных металлов в файнштейн в среднем на 1,2%

Экономический эффект от внедрения результатов работы составит 1,4 млн рублей в год (в ценах до 2005 года)

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Петрович И.Ю., Чумаков ЮЛ, Зудии Ю.Г. и др. Переработка метал-лосодержащих полупродуктов в плавильном цехе комбината «Печенганикель» // Цветные металлы. 2001. № 2. С. 90—92.

2 Яценко В Н , Петрович И Ю , Блинов В А и др Математическая модель брикетирования рудного флотационного сульфидного концентрата Деп в ВИНИТИ 14 12 2002, №2579-В2001

3 И Ю Петрович, В А Блинов, О И Желдыбин и др Математическая модель и профамма расчета плавки сульфидного медно-никелевого сырья в рудно-термической печи// «Компьютерное моделирование и оптимизация тех-

нологических процессов электротермических производств» (ДУГА-200)» Доклады научно-технического совещания — С -Пб —2002 — С 62—70

4. Петрович И.Ю., Блинов В .А., Желдыбин О.И. и др. Математическое моделирование процесса настылеобразования в ковшах // Цветные металлы. 2002. № 5. С. 64—67.

5. Петрович И.Ю., Чумаков Ю.А., Блинов ВА. и др. Компьютерный расчет плавки сульфидного медно-ннкелевого сырья в руднотермической печи // Электрометаллургия. — 2003. — № 7. - С. 18—22.

6. Петрович И.Ю., Блинов В.А., Желдыбин О.И. и др. Исследование процесса настылеобразования в ковшах на основе объемной математической модели // Цветные металлы. — 2004.—№ 1. — С. 81—85.

7. Петрович И.Ю., Блинов В.А., Желдыбин О.И. и др. Математическая модель конвертирования чедно-никелевых штейнов// Цветные металлы. — 2004.—№ 12 — С. 65—70.

8. Петрович И.Ю., Блинов В.А., Желдыбин О.И. и др. Кинетика усвоения твердого медного шлака конвертерной ванной // Цветные металлы. — 2004. — № 12. — С. 132—136.

9 Петрович И Ю, Блинов В А, Беркутов С В , Цемехман Л111 Разработка математических моделей и программ для расчета металлургических процессов// МЕТАЛЛ-ЭКСПО'2007 4-ая международная научно-практическая конференция «Современные технологии в области обработки и производства цветных металлов» Тезисы докладов — 2007 — С 29

Лицензия ЛР № 020593 от 07 08 97 Налоговая льгота - Общероссийский классификатор продукции 005-93, т 2,95 3004 - научная и производственная литература

Подписано в печать 28 04 2008 Формат 60x84/16 Печать Уел печ л 1,5 Уч-издл 1,5 Тираж 100 Заказ 2937Ь

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного составителями типографском центре Издательства Политехнического 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул , 29 Тел (812)550-40-14 Тел/факс (812)297-57-76

Введение.

1 Пирометаллургические технологии производства файнштейна из сульфидного медно-никелевого сырья (обзор).

1.1 Современные пирометаллургические методы переработки сульфидного медно-никелевого сырья до файнштейна.

1.2 Пирометаллургические технологии переработки сульфидного медно-никелевого сырья на российских и зарубежных предприятиях.

1.3 Конвертирование медно-никелевых штейнов.

1.4 Переработка собственных и привозных металл о содержащих оборотных материалов.

1.5 Использование математического моделирования для исследования пирометаллургических переделов и технологий.

Актуальность темы. На комбинате «Печенганикель» ОАО «Кольская ГМК» сульфидный медно-никелевый концентрат подвергается окатыванию и обжигу. Окатыши совместно с богатой рудой плавятся в,электропечах, полученный штейн конвертируется с получением файнштейна. Конвертерный шлак заливается в рудные электропечи. Конвертерные газы используются для производства'серной кислоты.

В последнее время произошло существенное изменение состава перерабатываемого сырья с повышением содержания MgO, предстоит внедрение брикетирования концентрата взамен обжига. Оба этих фактора приведут к изменению технологических режимов и составов образующихся продуктов. Поиск оптимальных параметров в условиях изменящихся факторов наиболее эффективно может быть осуществлен с помощью математических моделей.

При переработке сульфидного медно-никелевого сырья образуется большое количество различных твердых оборотов, в том числе ковшевые настыли, образующиеся- при транспортировке расплавов, пыли, проливы, свёрнутый шлак от производства черновой меди. Особые проблемы возникают при' переработке крупнокусковых твердых шлаков. Эффективно они могут быть переработаны лишь в конвертере. Это наиболее экономичный, не требующий дополнительных энергозатрат и предварительной подготовки к плавке способ, обеспечивающий прямое извлечение цветных металлов- в файнштейн. Однако возможности конвертерного передела по переработке твёрдых металлосодержащих материалов ограничиваются энергетическим ресурсом жидких штейнов, поступающих на передел. При внедрении авто

Автор выражает сердечную благодарность за научное соруководство и творческую помощь в постановке задачи и обсуждении полученных результатов канд. техн. наук Блинову В.А. и д-ру техн. наук Козыреву В.Ф. генных процессов образуется богатый штейн, поступление которого на конвертерный передел сокращает возможности передела по переработке холодных металлосодержащих материалов. Скорость усвоения свёрнутого шлака в барботируемом оксидно-сульфидном растворе зависит от целого ряда факторов, которые не могут быть учтены при выполнении тепловых расчётов, и как следствие, завышают реальные возможности передела по переработке этого полупродукта. Необходимо исследование закономерностей поведения твердого шлака при конвертировании штейнов и изыскание путей снижения выхода внутрицеховых оборотов.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность задач количественного анализа методами математического моделирования процессов на-стылеобразования; разработки мер по сокращению выхода оборотов; исследования кинетики усвоения свёрнутого шлака и разработки режимов конвертерной плавки, обеспечивающих максимально возможное количество шлака, в переработке.

Цель работы — совершенствование технологии производства файн-штейна и оптимизация переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования штейнов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• выполнен анализ вещественного состава продуктов и количественный анализ технологических параметров операций подготовки рудного флотационного сульфидного медно-никелевого концентрата к плавке — процессов обжига и брикетирования, переделов плавки сульфидного медно-никелевого сырья в рудно-термической печи и конвертирования штейнов РТП;

• исследована кинетика усвоения конвертерной ванной используемых в качестве холодных присадок кусков твердых металлосодержащих полупродуктов и определены их количества, возможные в переработке в различных технологических режимах; • проведены исследования вещественного состава кошевых настылей и динамики процесса настылеобразования в ковшах. Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнялись в условиях действующего производства плавильного цеха комбината «Печенганикель» ОАО «КГМК».

Изучение вещественного состава отобранных проб проводилось методами рентгенодифракционного анализа (РФА), растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа (РЭМ и РСМА) с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-6 (РФА) и растровых электронных микроскопов Tescan 5130ММ и CamScan-4 (РЭМ и РСМА).

Идентификация параметров модельных уравнений, связывающих взаимные зависимости содержаний металлов и других компонентов в продуктах плавок, осуществлялась методами регрессионного анализа по результатам статистической обработки массивов производственных данных оперативного контроля состава продуктов плавок. Идентификация математических моделей расчета материальных потоков осуществлялась на основе балансовых плавок.

Математические модели кинетики усвоения расплавом холодных присадок и процессов настылеобразования и реализующие их расчетные алгоритмы разрабатывались на основе методов математической физики и сеточных методов численного решения уравнений в частных производных. Последовательные замеры температур для идентификации модели настылеобразования в процессе намерзания ковшевой настыли регистрировались с помощью инфракрасной камеры IR928+.

Программная реализация проводилась на основе использования приложения Microsoft Office Excel 97/2003/ХР в системе Visual Basic for application (VBA).

Научная новизна:

• получены новые данные по вещественному составу продуктов рудно-термической и конвертерной плавок, а также ковшевых настылей, которые использованы для анализа металлургических процессов и при разработке математических моделей;

• в результате исследования кинетики усвоения твердых шлаков медного производства жидкой конвертерной ванной показано, в частности, что время, за которое они полностью растворяются в расплаве, прямо пропорционально квадрату их исходного размера;

• исследование процесса образования ковшевых настылей на основе те-плофизической модели для многослойной двухфазной среды позволило сделать вывод, что динамика их роста описывается степенным « уравнением, частным случаем которого является закон квадратного корня;

• разработаны математические модели основных переделов производства файнштейна на основе уравнений множественной регрессии, связывающих взаимные зависимости содержаний компонентов в продуктах, что позволило минимизировать число исходных параметров, повысить достоверность и упростить технологические расчеты материальных и тепловых потоков.

Практическая ценность. Полученные результаты использованы при усовершествовании технологической схемы переработки медно-никелевого сульфидного сырья- в плавильном цехе комбинате «Печенганикель» ОАО «КГМК», для разработки технологического регламента реконструкции плавильного производства комбината «Печенганикель». Внедрение результатов работы позволяет:

• снизить энергозатраты на переделе рудной плавки на 4%;

• сократить выход ковшевых настылей и количество собственных оборотов на 8%;

• оптимизировать объемы переработки привозных шлаков медного производства комбината «Североникель» между переделами РТП и конвертерным;

• повысить прямое извлечение металлов в файнштейн на 0,8%.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований вещественного состава медно-никелевого концентрата, окатышей, штейна РТП, файнштейна, конвертерного и отвального шлаков, а также медного шлака, настылей и пылей.

2. Результаты исследования кинетики усвоения кусков твердого шлака медного производства конвертерной ванной.

3. Результаты анализа процессов настылеобразования в ковшах на-основе теплофизической модели для многослойной двухфазной среды.

4. Математические модели подготовительных операций, переделов РТП и конвертирования и комплексной модели цеха в целом.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-техническом совещании «Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов электротермических производств» (г. С.-Петербург, научно-техническое совещание «ДУГА-200», 2002 г.) и на 4-й международной научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов» (г. Москва, 13-ая международная выставка МЕТАЛЛ-ЭКСПО, 2007 г.).

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Пирометаллургические технологии производства файнштейна (обзор)» дана оценка современного состояния технологических процессов переработки сульфидного медно-никелевого сырья на файнштейн. Дан сравнительный анализ действующих в настоящее время на предприятиях цветной металлургии нашей страны и за рубежом пирометаллургических технологий и переделов, включая плавку во взвешенном состоянии, электроплавку и конвертирование. Представлен также аналитический обзор публикаций в области математического моделирования этих процессов. В результате анализа состояния вопроса сформулированы конкретные задачи и методологические направления исследований.

В главе 2 «Исследование процессов подготовки сырья к плавке» рассмотрен вещественный состав продуктов обжига, на основе предложенных математических моделей проведен анализ подготовительных операций сульфидных медно-никелевых концентратов концентрата к плавке — агломерирующего обжига и брикетирования.

В главе 3 «Исследование технологии плавки шихты в рудно-термических печах» дано подробное описание вещественного состава продуктов РТП и компьтерной модели передела, показаны ее возможности при выполнении оперативных и прогнозных расчетов, а также поиске (определении) оптимального состава шихты, при котором достигаются лучшие технико-экономические показатели (удельный расход электроэнергии, извлечение металлов).

В главе 4 «Исследование процесса конвертирования медно-никелевого штейна до файнштейна» дана общая характеристика конвертерного передела; исследован вещественный состав его продуктов; на основе математических моделей материального и теплового балансов конвертирования штейнов, а также кинетики усвоения кусков твердых полупродуктов конвертерной ванной определены и обоснованы возможности по переработке в различных технологических режимах холодных присадок различного состава.

В главе 5 «Исследование замкнутых технологических схем переработки сульфидных медно-никелевых концентратов до файнштейна» с использованием комплексной математической модели на основе итерационного счета рассматриваются возможности оптимизации сквозных показателей полной технологической схемы производства файнштейна на комбинате «Пе-ченганикель».

В главе 6 «Исследование процесса настылеобразования в ковшах» приведены результаты анализа вещественного состава ковшевых настылей методами РЭМ и РСМА и количесвенного анализа динамики настылеобразования на основе разработанной теплофизической модели, дано качественное описание механизма образования ковшевых настылей и выработаны предложения по сокращению их выхода.

Приложения целиком посвящены описанию программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы, рассмотренные в предыдущих разделах.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Усовершенствована технология производства файнштейна с оптимизацией переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования штейнов.

2. С использованием методов РСМА, РЭМ и РФА исследован вещественный состав исходных материалов, полупродуктов и товарной продукции плавильного производства комбината «Печенганикель»: медно-никелевого концентрата, обожженных окатышей; штейна РТП и файнштейна; отвального и конвертерного шлаков; обжиговых, электропечных и конвертерных пылей. Полученные данные использованы при разработке математических моделей процессов агломерирующего обжига, рудно-термической электроплавки и конвертирования медно-никелевого штейна до файнштейна.

3. Исследованы процессы упрочняющего обжига окатанного рудного концентрата и его брикетирования. Установлены зависимости, связывающие технологические показатели подготовительных операций с физико-химическими характеристиками перерабатываемой шихты.

4. На промышленных рудно-термических печах проведены исследования и установлены зависимости, связывающие между собой содержания основных компонентов продуктов электроплавки, расхода электроэнергии, флюса, восстановителя и др.

5. На промышленных агрегатах исследована кинетика усвоения твердых шлаков медного производства жидкой конвертерной ванной. Установлен вещественный состав этих шлаков. Разработана теплофизическая модель этого процесса, которая основана на численном решении нестационарной квазилинейной краевой задачи относительно уравнения теплопроводности в сферических координатах. Установлено, что время полного растворения кусков твердого шлака в расплаве прямо пропорционально квадрату их исходного размера. Установлено, что время усвоения их колеблется от 30 минут до 4-х часов. На штейнах РТП с содержанием Cu+Ni~25-32% возможная максимальная переработка медного шлака за конвертерную плавку составляет не более 0,14-0,16 т/т штейна.

6. На промышленных конвертерах проведены исследования процесса конвертирования медно-никелевых штейнов. Установлены зависимости, связывающие содержания компонентов продуктов конвертирования, расхода воздуха и флюса, загрузки холодных оборотов, продолжительности конвертерной плавки и др.

7. Исследован вещественный состав ковшевых настылей. Установлено, что он неоднороден и заметно меняется по мере движения от стенки ковша к огневому краю. Проведены исследования и разработана математическая модель процесса настылеобразования, которая основана на численном решении нестационарной квазилинейной краевой задачи относительно уравнения теплопроводности в декартовых и цилиндрических координатах, позволяющая с высокой точностью оценивать динамику изменения температурного поля во всех точках ковша, заполненного расплавом и, как следствие, определять закон движения границы раздела фаз. Динамика намерзания настыли, как показали проведенные исследования, с высокой точностью аппроксимируется степенной зависимостью, являющейся обобщением известного закона квадратного корня на случай многослойной двухфазной среды.

Установлено, что основными факторами, определяющими скорость настылеобразования, являются температура заливаемого в ковш расплава; начальная температура огневой поверхности ковша (гарнисажа); толщина слоя гарнисажа; продолжительность нахождения расплава в ковше.

Установлено также, что интенсивное намерзание расплава на стенках ковша происходит при нахождении расплава в ковше более 17—20 минут. Рекомендовано ограничить количество используемых ковшей.

8. Разработаны математические модели расчета материальных и тепловых балансов и процессов агломерирующего обжига и брикетирования, рудно-термической электроплавки, конвертирования штейнов, а также комплексная модель замкнутой технологической схемы. Предложенные модели построены на основе уравнений множественной регрессии, связывающих взаимные зависимости содержания компонентов в продуктах, что позволило минимизировать число исходных параметров и повысить достоверность расчетов по оптимизации показателей работы как отдельных переделов и операций, так и технологии производства файнштейна в целом. Разработанная модель была использована при расчете процесса конвертирования в проекте реконструкции головных переделов металлургического производства Кольской ГМК. Было установлено, что образующиеся в медном производстве твердые шлаки не могут быть переработаны в конвертерном переделе. Необходимо строительство дополнительных мощностей.

Разработанная модель использована также для расчета технологии переработки брикетов на основе рудно-термической плавки.

9. Внедрение результатов работы позволит: снизить энергозатраты на переделе рудной плавки на 4%; сократить выход ковшевых настылей и количество собственных оборотов на 8%; оптимизировать объемы переработки привозных шлаков медного производства комбината «Североникель» между переделами РТП и конвертерным; повысить прямое извлечение цветных металлов в файнштейн в среднем на 1,2%.

Экономический эффект от внедрения результатов работы составит 1,4 млн. рублей в год (в ценах до 2005 года).

1. Атлас минерального сырья, технологических промышленных продуктов и товарной продукции компании / ОАО "ГМК "Норильский никель", ОАО "Институт Гипроникель" — Санкт-Петербург, 2006

2. C.W. Bale and J.M. Toguri, "Thermodynamics of the Cu-S, Fe-S and Cu-Fe-S Systems," Canadian Metallurgical Quarterly, 14 (2) (1976), 305-318.

3. R.M. Felder and R.W. Rousseau, "Elementary Principles of Chemical Processes,3rd edition (New York, NY: John Wiley and Sons, 1999), 321-326.

4. D. R. Gaskell, J. Palacios and C. Somsiri, "The Physical Chemistry of Copper Mattes,"Proceedings of the Elliott Symposium, ed. P. J. Koros and G.R. St. Pierre (Warrendale, PA: The Iron and Steel Society, 1990), 161-172.

5. J. Koh and A. Yazawa, "Thermodynamic Properties of the Cu-S, Fe-S and Cu-Fe-S Systems,"Bulletin of the Research Institute of Mineral Dressing and Metallurgy (Sendai, Japan: Tohoku University) 38 (2) (1982), 107-118.

6. R. Schuhmann and P.J. Ensio, "Thermodynamics of Iron-Slikate Slags: Slags Saturated with Gamma Iron," AIME Transactions, 191 (1951), 401411.

7. C. Somsiri and D. R. Gaskell, "The Activities of Sulfide and Oxide Components and the Solubility of Oxigen in Copper-Iron-Sulfur-Oxigen Mattes at 1300°C," Metallurgical Trans. В. 26B (1995), 1157-1164.

8. E. T. Turkdogan, Fundamentals of Steelmaking (London UK: Institute of Metals, 1996), 138.

9. Y. Waseda and J.M. Toguri, The Structure and Properties of Oxide Melts (Singapore World Scientific Publishing Company, 1998).

10. H. Carr, M.J. Humphris, A. Longo. The smelting of bulk Cu-Ni concentrates at the Inco Copper Cliff smelter. Symposium Nickel-Cobalt'97. Vol. III. - P. 5-16.

11. Paul E. Queneau, Samuel W. Marcuson. Oxygen pyrometallurgy at Copper Cliff- a half century of progress. JOM. 1996. - Vol. 48, № 1. - P. 14-21.

12. A.E.M. Warner, G.E. Osborne, J. Lui and others. Inco's oxygen top-blowing, nitrogen bottom-stirring technology for converting chalcocite to "semi-blister". Copper 2003- Cobre 2003. Vol. IV. Pyrometallurgy of Copper (book 1). -P. 371-384.

13. Marilyn Scales. Smelter modernization // Canadian Mining Journal. -1986. May. - P. 44-50.

14. Jorgensen F.R.A., Elliot B.J. Flash furnace reaction shaft evaluation through simulation. Extract. Met. Gold and Base metals. Melbourne, 1992. - P. 387-394.

15. Elliot B.J. Compain В., Muller R.G. Operation of the integrated flash furnace at Kalgoorlie nickel smelter. Extraction Metallurgy'89 Symposium. London, IMM. 1989. - P. 467-498.

16. A.G. Hunt, B.J. Elliot and others. Modeling for design and control at Kalgoorlie Nickel smelter. The Paul Queneau International Symposium. Extractive Metallurgy of Copper, Nickel, Cobalt. 1993.- Vol. 1. - P. 489-500.

17. Grant Samuel Report, dated October 28, 2002. P. 38.

18. K. Robinson, M.R. Wilson, A.S. Boothroyd. Planning and extraction of the 4th major overhaul of BCL Limited's smelter. The Paul Queneau International Symposium. Extractive Metallurgy of Copper, Nickel, Cobalt. — 1993. Vol. II. - P. 1699-1730.

19. CIM Bulletin. 1995 - Vol. 88, № 992. - p. 89-96.

20. Jane Werniuk. Getting better. Canadian Mining Journal. 1988. -June. - P. 83-88.

21. Калюта B.B., Рябко А.Г., Гродинский Г.И. Снижение выхода оборотных полупродуктов при внедрении автогенных процессов. — Научн. тр./ Автогенные и автоклавные процессы в медноникелевом производстве. Д.: Гипроникель, 1987, с. 41—44.

22. Мечёв В.В. Конвертирование никельсодержащих медных штейнов — М.: Металлургия, 1973.

23. Ежов Е.И., Огородникова Л.А., Желдыбин О.И., Сиркис Л.А., Емелина J1.H. // Научные труды / Гипроникель. JL, 1988. - С. 62.

24. Попов И.О., Мироевский Г.П., Шаньгин О.В., Шкодин М.А. // Цветные металлы. 2001. - № 2. - С. 124.

25. Мироевский Г.П., Попов И.Д., Голов А.Н. и др. // Цветные металлы. 2001.-№ 2. - С. 127.

26. Травничек М.Н. Изучение структуры и распределение металлов между сульфидной и магнитной фазами файнштейна: автореф. дис. канд. техн. наук. Л.: ЛГИ, 1970.

27. Кончаков А.П. // Цветные металлы. 1963. - № 3. - С. 18-21.

28. Машурьян В.Н., Шалыгин JI.M., Васильев М.Г. и др. // Цветная металлургия. Бюл. Ин-та "Цветметинформация". 1979. - № 9. - С. 24-26.

29. Максимов Д.Б. Совершенствование пирометаллургических технологий переработки медного концентрата от разделения файнштейна. — Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -— СПб.: СПбГИ, 2007. — 22 с.

30. Сухарев С.В., Князев М.В., Сухарев С.В., Тольд А.К. // Цветные металлы. 1989. - № 1. - С. 47-49.

31. Хагажеев Д.Т., Дзираев В.А., Князев М.В., Сухарев С.В., Тольд А.К. // Цветные металлы. 1986. - № 7. - С. 31-33.

32. Рябко А.Г. Развитие научных основ работы автогенных комплексов для переработки сульфидного медно-никелевого сырья и на их основе совершенствование технологии взвешенной плавки на Норильском ГМК: дис. д-ра техн. наук (ДСП). СПб.: ЛГИ, 1995. - 139 с.

33. Блатов И.А. Совершенствование технологии переработки высокомагнезиального медно-никелевого сырья с пониженным содержанием серы. — Автореф. дисс. . д-ра техн. наук. — СПб.: СПбГИ, 1998. — 22 с

34. Петрович И.Ю., Чумаков Ю.А., Зудин Ю.Г. , Цемехман Л.Ш., Жел-дыбин О.И. Переработка металлосодержащих полупродуктов в плавильном цехе комбината «Печенганикель» // Цветные металлы. 2001. - № 2. - С. 90-92.

35. Агеенков В.Г., Михин Я.Я. Металлургические расчеты. — М.: Ме-таллургиздат, 1962.

36. Диомидовский Д.А., Гальнбек А.А., Шалыгин Н.М., Южанинов И.А. Расчеты пиропроцессов и печей цветной металлургии. — М.: Метал -лургиздат, 1963.— 467 с.

37. Лоскутов Ф.М., Цейдлер А.А. Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов — М.: Металлургиздат, 1963

38. Максимов Ю. М., Рожнов И. М., Саакян М. А. Математическое моделирование металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1976. — 288 с.

39. Безденежных А.А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчета кинетических констант. —JL: Химия, 1973 — 259 с.

40. Астафьев А.Ф., Алексеев Ю.В. Окислительный обжиг никелевых сульфидных полупродуктов в кипящем слое. —М.: Металлургия, 1982.

41. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. — М.: Химия, 1988 —448 с.

42. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. — М.: Наука, 1976 — 500 с.

43. Лисовский Д.И., Иванов В.А., Китаев Т. АЛ Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 1970, №5. —С. 134—139.

44. Батунер JI.M., Позин М.Е. Математические методы в химической технике.—М.: Химия, 1971.

45. Плескунин В.И., Воронина Е.Д. Теоретические вопросы организации и анализа выборочных данных в эксперименте. — Д.: Изд-во ЛГУ, 1979.

46. Дудников Е.Г. и др. Построение математических моделей химико технологических объектов. — М.: Химия 1970.

47. Алиев Р.А., Церковный А.Э., Мамедова Г.А. Управление производством при нечеткой исходной информации. — М.: Энергоатомиздат, 1991. —240 с.

48. Анашкин А.С., Власов К.П., Гальнбек А.А., Чумаков Ю.А. «Система оптимального управления газовым режимом конвертерного отделения плавильного цеха комбината «Печенганикель» / «Цветные металлы» № 8 2001 г.

49. Анашкин А.С. Синтез системы оптимального управления газовым режимом горизонтальных конвертеров. — Автореф. дисс. . канд. техн. наук. — СПб.: СПбГИ, 2002. — 22 с.

50. Алиев Р.А., Абдикеев Н.М., Шахназаров М.М. Производственные системы с искусственным интеллектом — М.: Радио и связь, 1990. — 264 с.

51. Цымбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1986. — 240 с.

52. Комков А.А., Быстров В.П.,Федоров А.Н., Лазарев В.И., Быстров С.В.// Цветные металлы. — 2006. — № 1. — С. 7—11.

53. Длаватилло Дж. и др. Автоматизация процесса взвешенной плавки// Материалы 3-го Международного конгресса по взвешенной плавке. 1977

54. Калнин Е.И., Макарова Г.Г., Чахотин B.C. // Цветные металлы. 1993. №6. С. 44—47.

55. Калнин Е.И., Макарова Г.Г., Гречко А.В. // Цветная металлургия. 1993. №3. С. 14—20.

56. Блатов И.А., Гальнбек А.А., Чумаков Ю.А., Савва В.П., Смирнов П.Ю. // Цветная металлургия. 1994. №4—5. С. 52—54.

57. Взвешенная плавка: контроль, анализ и оптимизация/ Дэвенпорт У.Г., Джоунс Д.М., Кинг М.Дж., Партелпоег Е.Г.: Пер. с англ./ Под ред. Р.В.Старых — М.: «МИСИС», 2006. — 400 с.

58. Абдуллаев А.А., Алиев Р.А., Уланов Г.М. Принципы построения автоматизированных систем управления промышленными предприятиями / Под ред. акад. Б.Н.Петрова. — М.: Энергия, 1975. — 440 с.

59. Кишнев В.В., Текиев Ю.М. // Автоматизация технологических процессов цветной металлургии/ Под ред. В.А.Иванова: Научные труды № 128/ МИС и С — М.: Металлургия, 1981. — С. 89—97

60. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников В.В. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. — М.: Металлургия, 1990. —239 с.

61. Арсеньев Б.А., Блатов И.А., Бондаренко В.П., Тихонов О.Н., Романов A.JI. // Цветные металлы.2000. № 4. С. 37

62. Жидовецкий В. Д. Разработка математических моделей и исследование процессов автогенной плавки медного концентрата от разделения файнштейна. —Автореф. дисс. . канд. техн. наук. — СПб.: СПбГИ, 2005. — 22 с.

63. Коздоба Д.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975.

64. Производство окатышей медно-никелевых. Технологическая инструкция ТИ 48200234-2-47-04-2006. Производство окатышей медно-никелевых. Комбинат «Печенганикель» ОАО «Кольская ГМК». — г. Заполярный, 2006

65. Яценко В.Н., Петрович И.Ю., Блинов В.А., Портов А.Б., Желды-бин О.И., Цемехман Л.Ш. Математическая модель брикетирования рудного флотационного сульфидного концентрата. Деп. в ВИНИТИ 14.12.2002, №2579-В2001

66. Машьянов А. К., Голов А. Н., Козырев В. Ф., Портов А. Б., Цемехман Л. Ш. Влияние химического и гранулометрического состава медноникелевого концентрата на его брикетируемость// Цветные металлы. — 2007.10.— С. 41—43.

67. Машьянов А.К., Голов А.Н., Козырев В.Ф., Портов А.Б., Цемех-ман Л.Ш. Отработка технологии брикетирования рудного медно-никелевого концентрата на промышленных брикет-прессах// Цветные металлы. — 2007.12,— С. 37—46.

68. Технологическая инструкция плавильного цеха комбината «Пе-ченганикель» ОАО «Кольская ГМК». Рудно-термическая электроплавка. — г. Заполярный, 2001

69. Петрович И.Ю., Чумаков Ю.А., Блинов В.А., Желдыбин О.И., Мосиондз К.И., Цемехман Л.Ш. Компьютерный расчет плавки сульфидного медно-никелевого сырья в руднотермической печи // Электрометаллургия. — 2003.7.-С. 18—22.

70. Диомидовский Д.А. Металлургические печи. — М.: Металлург-издат, 1961.

71. ОАО «Кольская ГМК» Комбинат «Печенганикель». Технологическая инструкция ТИ 48200234-2-47-03-2004. Конвертирование медно-никелевого штейна.

72. Изучить формы потерь цветных металлов со шлаками медно-никелевого производства с применением современных физических методо-ванализа и сверхбыстрой закалки расплавов: Отчет о НИР / Ин-т Гипрони-кель. -тема№ 3-81 (теоретическая) Л., 1982.

73. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1966.

74. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. Теоретические основы / Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Белоусов В.В. и др.— М.: МИСиС, 2002. —608 с.

75. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5. №5. с. 816—827.

76. Самарский А.А. Теория разностных схем. — М.: Наука. — 1983 —616 с.

77. Петрович И.Ю., Блинов В.А., Желдыбин О.И., Цемехман Л.Ш., Чумаков Ю.А. Кинетика усвоения твердого медного шлака конвертерной ванной // Цветные металлы. — 2004. — № 12. — С. 132—136.

78. Санна П. И и др. Visual Basic® для приложений (версия 5) в подлиннике. — СПб.: BHV — Санкт-Пертербург, 1988.

79. Петрович И.Ю., Блинов В.А., Желдыбин О.И., Цемехман Л.Ш., Чумаков Ю.А. АККрохинов, Ю.Г. Ураков. Математическая модель конвертирования медно-никелевых штейнов // Цветные металлы. — 2004. — № 12. — С. 65—70.

80. Лундин Л.М. Кислород в штейнах окислительных процессов медно-никелевого и никелевого пролизводств: Автореферат дис. . канд. техн. наук. — Ленинград, 1991.

81. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. — М.: Металлургия, 1982.

82. Вайсбурд С.Е., Зедина И.Н.// Труды проектного и научно-исследовательского института «Гипроникель», вып. 46, — С. 118—129.

83. Блатов И.А., Гальнбек А.А., Чумаков Ю.А., Савва В.П., Смирнов П.Ю. // Цветная металлургия. 1994. №4—5. С. 52—54.

84. Петрович И.О., Блинов В.А., Желдыбин О.И., Цемехман Л.Ш., Чумаков Ю.А. Математическое моделирование процесса настылеобразования в ковшах // Цветные металлы. 2002. № 5. С. 64—67.

85. Спэрроу Е.М., Рамадьяни С., Патанкар С.В. // Теплопередача. 1978. Т. 100. №3. С. 10—17.

86. Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1967. — С. 80—88.

87. Петрович И.Ю., Блинов В.А., Желдыбин О.И., Цемехман Л.Ш., Чумаков Ю.А. Исследование процесса настылеобразования в ковшах на основе объемной математической модели // Цветные металлы. — 2004. — № 1. — С. 81—85.