Введение к работе
Актуальность работы. Современная металлургия полного цикла является одной из наиболее энергоемких отраслей. Для достижения рентабельного уровня необходимо создание принципиально новых процессов и технологий. Наиболее перспективными являются процессы получения металла методом прямого жидкофазного восстановления непосредственно из пылевидных руд и отходов промышленных предприятий, которые могут быть реализованы в агрегатах струйно-эмульсионного типа.
При разработке таких технологий возникает проблема определения режимов подачи потоков шихты железорудных материалов, кислорода, топлива и восстановителей в основные реакторы агрегата.
Одним из направлений решения таких задач является расчет технологий на основе моделирования тепломассообменных процессов, протекающих в дисперсных системах агрегата, с учетом термодинамических и гидродинамических условий.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом хоздоговорных и госбюджетных НИР Сибирского государственного индустриального университета в рамках: научно-технической программы Минобразования РФ "Энерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии", 1998-1999 г., направление 3; единого заказ-наряда Минобразования РФ, 1995-1999 г.; двух конкурсов грантов Минобразования РФ по фундаментальным проблемам металлургии, раздел "Производство черных и цветных металлов, и сплавов", 1996-1998 г. и 1999-2000 г.; программ Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" раздел 1.13 и "Научные исследования высшей школы в области новых материалов" раздел 2.3,2000 г.
Выполнение работы осуществлялось в рамках научного направления "Математические модели, автоматизированные обучающие и исследовательские системы, новые металлургические процессы на основе принципов самоорганизации", научным руководителем которого является Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В.П. Цымбал.
Цель работы. Разработка на основе моделирования тепломассообменных процессов режимов подачи в реакционную камеру и рафинирующий отстойник струйно-эмульсионного агрегата шихтовых материалов и энергоносителей для технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов.
Научной новизной диссертации является:
математическая модель тепломассообмена частиц в виде совместной системы уравнений теплопроводности и молекулярной диффузии с граничными условиями 3 рода и методика решения задачи нестационарного тепломассообмена частиц шихтовых материалов с учетом фазового перехода;
методика моделирования тепломассообменых процессов совокупности частиц железорудных материалов заданного закона распределения;
. методика расчета режимов основных реакторов агрегата на основе моделирования тепломассообменных процессов с учетом термодинамических и гидродинамических условий;
результаты по определению условий протекания процессов и ре
жимов подачи шихтовых материалов и энергоносителей в реакци
онную камеру и рафинирующий отстойник.
Практическая значимость. Полученные при выполнении работы результаты имеют важное практическое значение при реализации технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов на опытной установке, созданной в ККЦ-2 ОАО "ЗСМК", а также при определении характеристик и расходов потоков в реакторы струйно-эмульсионного агрегата шихтовых материалов, кислорода и природного газа для проектируемых технологических комплексов.
Реализация результатов. Результаты расчета условий протекания процессов и режимов подачи шихтовых материалов и энергоносителей в струйно-эмульсионной агрегат для технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов использованы:
при отладке и экспериментальной проверке технологии на опытной установке;
при разработке исходных данных для проектирования типового металлургического модуля производительностью 150-Г-200 тыс. тонн в год и маломасштабной демонстрационной установки производительностью 1,5-^2,0 т/час.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
математическая модель и методика решения задачи нестационар
ного тепломассообмена частиц шихтовых материалов с учетом фа
зового перехода;
. методика и результаты моделирования тепломассообменых процессов совокупности частиц железорудных материалов;
методика расчета режимов и процессов, протекающих в реакционной камере и рафинирующем отстойнике, для технологии прямого получения металла из отходов и пылевидных материалов;
результаты расчета условий и режимов подачи шихтовых материалов и энергоносителей в реакционную камеру и рафинирующий отстойник для опытной установки и проектируемых агрегатов.
Автору принадлежит: разработка математической модели нестационарного тепломассообмена частиц материалов; создание методики моделирования тепломассообменных процессов совокупности частиц железосодержащего материала; разработка методики расчета процессов в основных реакторах агрегата; проведение расчетов процессов и режимов технологии при проведении экспериментов на опытной установке и проектируемых агрегатов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология" (Новокузнецк, 1996); Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1998); Межвузовской научной конференции "Численно-аналитические методы решения краевых задач" (Новокузнецк, 1998); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых" (Красноярск, 1999); Всероссийской научно-практической конференции "Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы" (Новокузнецк, 1999).
Публикации: результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах в центральных журналах и сборниках, в том числе 5 статей.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и приложения. Изложена на 156 страницах, содержит 30 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 129 наименований.