Совершенствование технологии переработки медьсодержащего сырья в ТРОФ-конвертере Меньщиков Викентий Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Характеристика технологии переработки вторичного медьсодержащего сырья (литературный обзор) 10

1.1 Гидрометаллургические способы переработки ВЦМ 11

1.2 Пирометаллургическая технология переработки медьсодержащих ломов и отходов 13

1.3 Анализ технологических процессов обеднения шлаков ВЦМ 18

1.3.1 Физико-химические свойства шлаков ВЦМ 18

1.3.2 Пиро- и гидрометаллургические технологии переработки шлаков от плавки ВЦМ 28

1.4 Характеристика сырья ЗАО «НМЗ» и описание существующей технологии его переработки 40

1.5 Физико-химические особенности переработки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от плавки латуни в ТРОФ-конвертере 44

Выводы по разделу 45

Глава 2. Технологические предпосылки к постановке задачи исследования 47

2.1 Исследование влияния состава шихты в агрегате ТРОФ на распределение меди между продуктами плавки и конвертирования 47

2.2 Разработка номограммы для расчета содержания флюсующих компонентов в зависимости от концентрации цинка в шлаке 56

Выводы и постановка задач исследований в работе 60

Глава 3. Поиск путей совершенствования технологии плавки медьсодержащих ВЦМ в ТРОФ-конвертере. исследование физико-химических свойств шлаков 61

3.1 Анализ химического и фазового составов шлаков МЕРЦ и шлаков от плавки латунных ломов в ТРОФ-конвертере 61

3.2 Исследование вязкости шлаков 65

3.3 Исследование электропроводности шлаков 71

3.4 Термодинамическое моделирование совместной плавки шлаков печи МЕРЦ и шлаков от переработки латунных ломов в ТРОФ-конвертере 76

3.4.1 Методика термодинамического моделирования 76

3.4.2 Результаты эксперимента и их обсуждение 88

3.5. Исследование кинетических закономерностей отгонки цинка из шлаков 107

3.5.1 Методика и объекты исследования 108

3.5.2 Результаты экспериментов и их обсуждение 112

Выводы и рекомендации 123

Глава 4. Исследование гидродинамики ванны ТРОФ-конвертера методом холодного моделирования 125

4.1 Особенности гидродинамики работы ТРОФ-конвертера 125

4.2. Моделирование гидродинамики работы ТРОФ-конвертера 128

Выводы по разделу 154

Глава 5. Тепловой баланс плавки шлаков и ломов в ТРОФ-конвертере 156

5.1 Особенности конструкции ТРОФ-конвертера 156

5.2 Источники тепла и причины потерь тепла. Основные факторы, влияющие на тепловой баланс 157

5.3 Плавка шлаков 163

Выводы и рекомендации 166

Глава 6. Промышленные испытания технологии переработки шлаков печи Мерц и от плавки латунных ломов в ТРОФ-конвертере 168

6.1 Плавка ломов 168

6.2 Результаты опытных плавок ломов 168

6.4 Обеднение шлаков 173

6.5 Результаты обеднения шлаков 175

6.6 Рекомендации 175

Заключение 178

Список литературы 183

Приложение Акт внедрения 192

• Физико-химические свойства шлаков ВЦМ
• Методика термодинамического моделирования
• Моделирование гидродинамики работы ТРОФ-конвертера
• Результаты опытных плавок ломов

Введение к работе

Актуальность работы. Переработка вторичных медьсодержащих материалов в настоящее время является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед цветной металлургией. В то время как запасы минерально-сырьевой базы сокращаются, объемы техногенного медьсодержащего сырья продолжают возрастать. К такому сырью относятся: лома сплавов цветных металлов, шлаки металлургических производств, пыли и прочие медьсодержащие материалы.

Гидрометаллургические способы переработки этих материалов осложняются
непостоянством их химического состава, загрязненностью сырья различными
неметаллическими примесями и многообразием форм и размеров перерабатываемых
материалов, а так же сравнительно низкой производительностью. Эти причины
обуславливают ограниченную применимость гидрометаллургических методов.

Традиционным способом переработки таких материалов является пирометаллургический способ. Современная тенденция снижения материалоемкости новых изделий вынуждает разработчиков использовать более разнообразные материалы и сплавы. Таким образом, в переработку поступает сырье все более сложного состава, что вынуждает металлургов искать способы наиболее комплексной переработки такого сырья.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время большинство предприятий, перерабатывающих вторичное медьсодержащее сырье, используют пирометаллургическую схему переработки ввиду ее относительной простоты и высокой эффективности. Уменьшение объема высококачественных ломов приводит к тому, что переработке подвергаются лома и материалы более сложного состава, содержащие, кроме меди, значительные количества цинка, свинца, никеля и прочих металлов. Большое содержание цинка в исходном сырье значительно затрудняет его переработку. Так, увеличение содержания цинка в шихте приводит к образованию высоковязких тугоплавких цинковистых шлаков. В свою очередь ухудшение свойств шлаков приводит к увеличению потерь меди со шлаком. Помимо этого, значительно возрастает время переработки и, как следствие, увеличиваются операционные затраты. Решением проблемы переработки вторичных медьсодержащих материалов может быть достигнуто оптимизацией физико-химических свойств шлаков за счет перевода цинка, содержащегося в шихте, в самостоятельный продукт – возгоны, с последующим улавливанием их из газовой фазы на фильтрах.

Целью работы является разработка научно обоснованного способа снижения потерь меди со шлаками за счет корректировки состава шлаков при переработке ломов цветных металлов в ТРОФ-конвертере и уменьшения объема отвальных шлаков.

Задачи исследования:

1. Провести термодинамическое моделирование для определения равновесных составов системы металл-шлак-газовая фаза применительно к процессу обеднения смеси шлаков в ТРОФ-конвертере.

2. Определить кинетические особенности протекания процессов возгонки соединений цинка при пирометаллургической переработке вторичных медьсодержащих материалов в условиях ТРОФ-конвертера.

3. Определить физико-химические свойства шлаков и возможные методы их корректировки.

4. Изучить гидродинамические особенности работы плавильного агрегата для создания условий, позволяющих увеличить степень обеднения шлаков, сократить время переработки и снизить нагрузку на футеровку, создав тем самым предпосылки для продления кампании агрегата.

5. Установить оптимальные режимы плавки вторичного медьсодержащего сырья в ТРОФ-конвертере.

Научная новизна и теоретическая значимость:

1. На основании данных об анализах заводских шлаков установлена корреляция между содержанием меди и содержанием цинка в шлаке.

2. Изучено влияние металлического железа, применяемого в качестве флюса и восстановителя при плавке медного цинксодержащего лома, на кондиционность шлаков. Показано, что использование в качестве восстановителя металлического железа, позволяет эффективно восстановить соединения цинка, обеспечить снижение содержания цинка в шлаке, что приводит к снижению содержания меди в отвальных шлаках.

3. Изучены физические свойства высокоцинковистых шлаков и возможные способы влияния на них в процессе плавки. Определена энергия активации вязкого течения, которая максимальна в случае гетерогенизации шлака и составляет 460 кДж/моль. Установлено оптимальное соотношение флюсующих компонентов (М_Fe 15 %, M_CaO 4 % от массы шлака), способствующее получению кондиционных шлаков.

4. Проведен термодинамический анализ совместной переработки высокоцинковистых шлаков и шлаков огневого рафинирования черновой меди.

На основе полученных данных показана принципиальная возможность совместной переработки указанных шлаков с выделением металлической меди в виде донной фазы и переводом значительной части цинка в газовую фазу.

5. Изучены кинетические закономерности отгонки цинка из высокоцинковистых шлаков в условиях ТРОФ-конвертера. Определено, что величина эмпирической энергии активации для максимальной скорости обесцинкования изменяется в интервале от 2,15 до 2,54 кДж/моль в зависимости от содержания ZnO в расплаве. Выявлено, что при температуре расплава 1200 ^оС процесс обесцинкования протекает в кинетической области. При более высокой температуре 1280 ^оС скорость процесса, вероятнее всего, лимитируется диффузией.

6. Методами холодного моделирования определены величины диффузионных потоков ZnO к поверхности восстановителя - металлического железа. Интенсивность потоков в условиях турбулентного движения расплава, соответствующего максимальной интенсивности продувки, достигает 12-1510^-4 моль/(см²), что подтверждает выводы кинетических исследований о диффузионном характере процесса.

Практическая значимость работы:

1. Предложен способ совместной переработки высокоцинковистых шлаков

совместно со шлаками анодных печей, позволяющий доизвлечь медь и цинк из данных

шлаков, а также снизить объем шлаков, отравляемых для переработки на стороннее предприятие.

2. Даны рекомендации по предотвращению образования и корректировке состава высокоцинковистых шлаков за счет добавки флюсующих компонентов и создания условий, способствующих эффективной отгонке цинка.

3. Обоснованна перспективность пирометаллургической технологии переработки ломов цветных металлов и цинксодержащих шлаков с достаточно высоким извлечением меди в черновой металл.

4. Показана необходимость интенсификации массообменных процессов при переработке высокоцинковистых шлаков в ТРОФ-конвертере.

Методология и методы исследования.

В работе использованы методы термогравиметрического и рентгенофазового, атомно-абсорбционного анализа, методы холодного моделирования. Термодинамическое моделирование выполнено с применением пакета прикладных программ «HSC Chemistry 6.1». Измерение вязкости шлаков произведено с использованием ротационного вискозиметра. Результаты опытов обработаны при помощи программного пакета «Statgraphics».

Степень достоверности и апробация результатов обеспечиваются

представительностью и надежностью исходных данных, использованием

сертифицированного оборудования, современных средств и методик проведения
исследований, использованием достоверных и аттестованных методик выполнения
измерений. Подтверждается согласованностью данных эксперимента и научных выводов,
воспроизводимостью результатов лабораторных испытаний и адекватностью

разработанной модели.

Достоверность результатов обеспечивается использованием современного

оборудования, обновляемых баз данных «HSC Chemistry 6.1», общепринятых отработанных методик экспериментов. А также их воспроизводимостью при использовании ряда независимых современных средств и методик эксперимента, аттестованных методик выполнения измерений, приемами математической статистики при обработке опытных данных, и сопоставлением модельных и экспериментальных данных с данными реальной заводской практики.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Результаты термодинамического анализа совместной переработки шлаков от плавки латунных ломов и шлаков огневого рафинирования и составленная на их основе математическая модель процесса.

2. Кинетические характеристики отгонки цинка из многокомпонентного шлакового расплава.

3. Обоснование изменения технологических режимов схемы переработки вторичных медьсодержащих материалов в ТРОФ-конвертере с целью снижения потерь ценных компонентов со шлаками.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на всероссийсих и международных конференциях, в том числе: Международном совещании «Плаксинские чтения - 2017», г. Красноярск, 2017 г.; Международной молодежной научной

конференции «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2016», г. Екатеринбург, 2016; Международной конференции «Ресурсосбережение и охрана окружающей среды при обогащении и переработке минерального сырья», (Плаксинские чтения 2016) г. Иркутск 2016 г.; Международном совещании «Плаксинские чтения - 2015», г. Иркутск, 2015 г.

Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании, формировании цели и направлений исследований, непосредственное участие в них, анализ и обобщение полученных результатов, сопоставление их с производственными данными, подготовка научных публикаций, представление результатов на конференциях, оценка эффективности предложенных решений и формирование предложений по изменению технологического режима.

Основные результаты работы доложены на четырех всероссийских и международных научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК (WOS, Scopus) – 3.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работ изложена на 192 страницах машинописного текста, включает 85 рисунков, 24 таблиц и состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 97 источников отечественных и зарубежных авторов.

Физико-химические свойства шлаков ВЦМ

Физико-химические свойства шлаков оказывают значительное виляние на полноту разделения фаз, а следовательно, и на потери меди со шлаком. Поэтому для определения рациональных технологических параметров плавки латуней в ТРОФ-конвертере, обеспечивающих наиболее полный перевод цинка в возгоны, необходима информация об основных физико-химических характеристиках шлака. Следует отметить, что по ходу плавки и обесцинкования шлака происходит постоянное изменение его химического состава, и как следствие его физико-химических свойств. Последнее обусловлено тем, что в процессе плавления шихты осуществляется сублимация и возгонка цинка. Это приводит к повышению содержания флюсующих компонентов Si02, CaO, FeO. Поэтому в дальнейшем целесообразно определение физико-химических свойств шлака ТРОФ-конвертера при изменении его состава в процессе переработки с целью корректировки количества вводимых флюсов. Экспериментальное определение физико-химических свойств шлаков ТРОФ-конвертера на разных этапах плавки латунных ломов ранее не проводилось.

Шлаки от плавки ВЦМ существенно отличаются по составу и, соответственно, свойствам от шлаков рудной плавки. Ниже приведен краткий анализ физико-химических свойств шлаков, применительно к вторичной цветной металлургии.

Металлургические шлаки представляют собой сложные комплексные образования с изменяющимся типом структурных единиц при изменении температуры или состава [4]. Основными физико-химическими свойствами шлака, влияющими на технологический процесс, являются: теплота плавления, вязкость и поверхностное натяжение. В цветной металлургии текучесть шлаков влияет на нормальное протекание металлургических процессов. К сожалению, в литературных источниках вопрос влияния содержания оксидов цинка на свойства шлака освещен недостаточно. Большинство исследователей рассматривали влияние цинка на систему CaO-Si02-FeO. При этом увеличение доли ZnO происходило за счет эквивалентного уменьшения доли FeO.

Теплоты плавления шлаков

Диаграмма изотеплот плавления шлака представлена на рисунке 1.3.1.

Согласно данным [21] для систем CaO-FeO-SiC теплота плавления составляет 13-20 Дж/г. В диапазоне содержаний цинка в шлаке от 13% до 20% теплота плавления шлака снижается. Замещение FeO, на ZnO оксидом цинка до 7% приводит к повышению энтальпии шлака. Энтальпия также увеличивается с ростом температуры.

Теплосодержание

Теплосодержание шлаков в системе FeO-Si02 повышается с увеличением содержания в них БіОг или СаО.

По данным [22] увеличение содержания ZnO до 12 % или замещение FeO на ZnO не приводит к увеличению теплосодержания.

Замена БіОг на ZnO в системе FeO(Fe203)-ZnO-Si02 приводит к снижению теплосодержания на 14% в интервале температур. 1200-1300 С.

Плотность

Распределение продуктов плавки в процессе пирометаллургической переработки сырья происходит вследствие разности плотностей конечных расплавов. Чем больше разность плотностей шлаковой и металлической фазы, тем более полно будет происходить их разделение.

Введение в вьюститный шлак кремнезема способствует снижению плотности расплава, это подтверждается данными авторов [21]. В системе FeO-Si02 при 1400 С с увеличением содержания БіОг плотность расплава уменьшается до величины 3,67 г/см , равной плотности фаялита. Замена части FeO на СаО так же приводит к уменьшению плотности. Авторами [21] произведена оценка влияния содержания окисда цинка на плотность шлаковой системы ZnO-CaO-Si02, данная зависимость представлена на рисунке 1.3.2.

Как следует из графика, с увеличением содержания оксида цинка при температуре 1300 С плотность расплава снижается [23]. Плотность компонентов шлака приведена в таблице 1.3.1.

Авторы [24] исследовали плотность высокомедистых оксидных расплавов. В ходе исследования было выявлено понижение плотности при повышении температуры. Это объясняется тем, что с ростом концентрации катионов металлов, меди, плотность растет за счет укрупнения кремне-кислородных комплексов и более плотной их упаковки. Однако с ростом температуры, когда концентрация катионов меди остается постоянной, происходит ослабление ионных связей, это приводит к росту молярного объема расплава и снижению его плотности. Авторы заключают, что чем больше содержание Си и СаО в шлаке, тем меньше изменяется плотность расплава от температуры, такие шлаки имеют меньшую температуру ликвидус.

Поверхностное натяжение

В тройной системе FeO-CaO-Si02 замещение оксида железа FeO окисью кальция слабо влияет на величину поверхностного натяжения а, напротив, повышение содержания Si02 - сопровождается снижением величины поверхностного натяжения. Замена FeO на Fe203 так же приводит к уменьшению поверхностного натяжения [22].

Влияние содержания СаО более сложное. Увеличение концентрации СаО до 10 мол. % приводит к снижению поверхностного натяжения, дальнейшее увеличение содержания СаО до 25 мол. % приводит к его росту [25].

В системе FeO-ZnO-CaO-Si02 замена FeO на ZnO приводит к снижению величины поверхностного натяжения а. Влияние состава шлака на величину а объясняется с точки зрения ионной теории [21]. Чем больше сила взаимодействия частиц в жидкости, тем больше величина избыточной свободной энергии поверхностного слоя, тем больше поверхностное натяжение расплава [19]. Согласно данным, приведенным в работе [23] поверхностное натяжение большинства шлаков составляют 0.2-0.5 Fl/м.

На процесс отгонки цинка также влияет поверхностное натяжение на границе металл-шлак, так как образование Zn(r) с наибольшей вероятностью происходит именно на границе раздела, нежели в объеме расплава, так как а металла значительно выше, чем шлака [26].

Исследователи [25] делают вывод, что FeO и СаО в присутствии Fe203 не влияют на поверхностное натяжение расплава. Более того, в системе CaO-FeO, в которой отсутствуют сложные анионы FexOyz, катионы Са2+ становятся поверхностно-активными. Большие значения вязкости обусловлены наличием крупных SixOyz" имеющих малую подвижность.

Вязкость

Вязкость силикатных расплавов оказывает большое влияние на кинетику химических реакций, внося диффузионные затруднения. Величина вязкости шлаковых расплавов влияет на распределение металлов по продуктам плавки, за счет механических потерь металлов со шлаками. Исходя из значений вязкости шлаков, можно судить об их составе, так как вязкость - это структурно чувствительная характеристика.

По вязкости шлаки разделяют на следующие группы: очень жидкие 0.5 нс/м , жидкие 0.5 - 1 нс/м , вязкие 1-2 нс/м . Шлаки отражательных рафинировочных печей, по мнению авторов [21], относятся к 1-2 группе. К ним можно отнести шлаки от печи МЕРЦ. В значительной степени вязкость шлаков зависит от температуры, с ее увеличением, вязкость шлаков снижается.

Диаграммы вязкости шлаковой системы Si02-CaO-FeO. при температуре 1250-1300 С представлены на рисунке 1.3.3.

Методика термодинамического моделирования

Из заводских данных за период 2013-2014 гг. определили средний состав шлаков. Для определения вещественного состава произвели рентгенофазовый анализ шлаков печи МЕРЦ и ТРОФ. Результаты рентгенофазового анализа были представлены в предыдущей главе. Согласно результатам расчета рационального состава, выполненного на основании рентгенофазового анализа, в шлаках были обнаружены следующие соединения, приведенные в таблице 3.1.5.

Как было отмечено ранее, рентгенофазовый анализ позволяет полуколичественно определять аморфные соединения, такие как шпинели и силикатные соединения. Для уточнения состава шлаков был проведен элементный анализ. Химические составы шлаков от переработки латунных ломов в ТРОФ-конвертере и рафинирования черновой меди (МЕРЦ) по данным ОАО «НМЗ» приведены в таблице 3.4.1.

Рациональный и элементный состав шлаков ТРОФ и МЕРЦ, составленный исходя из данных химического и рентгенофазового анализа, приведен в таблицах 3.1.3,3.1.4

Для постановки задачи были приняты массы получаемых шлаков от переработки латунных ломов и от рафинирования черновой меди, равными 3600 и 2400 тонн в год соответственно, что соответствует отношению масс 60:40. Состав смеси шлаков для термодинамического моделирования представлен в таблице 3.4.2.

Состав шлаков предлагается корректировать путем добавки флюсующих компонентов Si02, СаО и восстановителя - металлического железа, оксид которого выполняет роль основного флюса. Авторами [75, 76] отмечается, что повышение содержания закиси железа и оксида кальция интенсифицирует процесс обесцинкования шлакового расплава. Обобщив заводские данные, определили, что при переработке шлаков комплекса МЕРЦ на 1 кг шлака в среднем расходуется, кг: 0.2 Fe, 0.05 СаО, 0.003 Si02

Диапазон температур для проведения термодинамического моделирования обусловлен температурами плавления шлаков с различным содержанием цинка. Как видно из таблицы 3.4.1, содержание цинка в шлаках МЕРЦ и ТРОФ значительно отличается и составляет 4,9 и 27 % соответственно. В исследуемой смеси шлаков оно составило 18.1 %. В этой связи возникла необходимость оценки температуры плавления шлаков на основе фаялита с различным содержанием ZnO. Предварительно были подготовлены синтетические образцы шлаков

псевдотройной системы FeO-Si02-ZnO, составы шлаков представлены в таблице 3.4.3.

Температуру плавления определяли по классической, общепринятой методике [77].

Эксперимент по определению температуры плавления фаялитового шлака с различным содержанием ZnO показал, что температура плавления растет при увеличении содержания ZnO и достигает 1200 С при содержании 20 %. Зависимость температуры плавления шлака от содержания в нем цинка представлена на рисунке 3.4.1.

Полученные в ходе эксперимента результаты хорошо согласуются с данными, представленными в работе [21], где автором определены температуры плавления системы ZnO-FeO-Si02 в диапазоне концентраций ZnO 10-50 %. По данным [21] следует, что температура плавления шлака с содержанием ZnO 18 % составляет 1180 С. Однако согласно существующей схеме шлаки поступают на переработку в твердом дробленом виде. Таким образом, в шихте будут присутствовать куски шлака как с содержанием Zn 4.6 %, так и 27 %, температуры плавления которых составляют 1110 С и 1250 С соответственно. Исходя из этого, для термодинамического моделирования приняли диапазон температур от 1100 С до 1300 С. Верхний диапазон температур обусловлен конструктивными возможностями ТРОФ-конвертера и использованными в нем огнеупорными материалами.

Из опыта переработки цинксодержащих материалов следует, что эффективность отгонки цинка зависит от количества восстановителя, состава газовой фазы и от интенсивности массообменных процессов в агрегате. В процессе переработки шлака основным восстановителем является металлическое железо, взаимодействие цинка с которым протекает в массе расплава.

Атмосфера печи определяется коэффициентом избытка воздуха а, который может варьироваться от 0.9 до 1.1. Наиболее приемлемым с точки зрения тепловой работы конвертера является а=1, так как при этом топливо сгорает с максимальной эффективностью. Таким образом, состав атмосферы печи необходимо учитывать при проведении термодинамического моделирования.

Согласно трудам Ю.Б. Шмонина [68], в разных точках плавильного агрегата создаются различные условия для формирования равновесия фаз, так называемые подсистемы. Выделяют подсистемы (межфазные контакты) на границах: шлак -газовая фаза, шлак - пузырьки газа - взвесь, шлак - донная фаза. Ввиду большого количества параметров для моделирования, рассмотрим две подсистемы:

Оценим степень восстановления шлакового расплава металлическим железом в объеме расплава.

Оценим степень перехода цинка в оксид на границе шлаковой и газовой фаз.

Термодинамическое моделирование проводили с помощью модуля Equlibrium Composition пакета программ HSC Chemistry согласно методике описанной автором [78]. Данный модуль позволяет вычислить равновесный состав многокомпонентной системы при заданных значениях давления, температуры и концентрации исходных веществ. Работа модуля основана на минимизации энергии Гиббса.

Из-за большого количества варьируемых параметров для систематизации полученных данных использовали модель полного факторного эксперимента. При помощи программного пакета Statgraphics создали матрицу вычислительного эксперимента в натуральных значениях. При этом изменяемыми параметрами эксперимента являлись объемы добавки Fe, СаО, БіОг, температура и коэффициент а.

В первой серии опытов не учитывалось влияние газовой фазы. За счет этого удалось определить степень восстановления цинка металлическим железом, необходимое количество восстановителя и флюсующих добавок.

Во второй серии опытов было учтено влияние газовой фазы, в частности определена зависимость степени извлечения цинка в виде ZnO от коэффициента избытка воздуха а.

Термодинамическая модель обеднения в ТРОФ-конвертере смеси шлаков, указанного выше состава, включает в себя исходные и образующиеся вещества и компоненты атмосферы печи. Исходя из возможного распределения веществ по продуктам плавки определено 5 фаз для моделирования. Первая фаза представляет шлаковый расплав, состоящий из смеси шлаков ТРОФ и МЕРЦ в соотношении по массе 60:40, состав представлен в таблице 3.4.3. Вторая фаза -донная, в нее ожидается переход образующихся металлов в металлическом виде. Третья и четвертая фазы представляют собой добавки флюсующих компонентов СаО, Si02 и восстановителя - металлического железа. Пятая - газовая фаза, она состоит из газов, образующиеся при сжигании топлива (природного газа). Так же в эту фазу ожидается переход цинка в виде паров и оксида. Рабочий лист программного модуля «Eqilibrium composition» представлен на рисунке 3.4.2.

Моделирование гидродинамики работы ТРОФ-конвертера

Преимущество метода холодного моделирования заключается в том, что массообменные процессы, протекающие в реальном агрегате, можно изучать на прозрачных жидкостях и задавать различные режимы и параметры работы агрегата. Физической основой моделирования является теория подобия, которая утверждает, что модель подобна объекту, если критерии подобия для модели и объекта численно равны.

Эти законы сводятся к нахождению безразмерных величин - критериев подобия. Ниже приведены основные критерии подобия, применяемые при холодном моделировании:

— = St- число Струхаля - отношение локальной составляющей сил инерции к конвективной составляющей тех же сил.

— = Fr - число Фруда выражает отношение сил инерции к силам тяжести или к гравитационным силам.

В общем виде критериальное уравнение для описания работы конвертера можно записать в безразмерном виде (4.2.1- 4.2.2): где V - Скорость движения газов; L - геометрический фактор; d - поперечный размер ванны; п - вязкость расплава; р - плотность жидкости; ю - пульсации движения; Т - температурный фактор; Ср - теплоемкость газа; g - ускорение свободного радения; АР - изменение статического давления; По, ml, m2, m3, т4 -эмпирические коэффициенты.

Исходя из физического смысла критериев применительно к работе ТРОФ-конвертера, допускаем, что при больших скоростях потока, числом Фруда можно пренебречь. Моделирование при постоянной температуре позволит исключить тепловое число. Так же при стационарном течении газа числом Струхаля также можно пренебречь. Таким образом, наиболее значимым остается критерий Рейнольдса. Это утверждение соответствует выводам авторов [86, 87].

Определение параметров для холодного моделирования. При определении параметров моделирования соблюдали следующие условия:

1. Геометрическое подобие. Модель должна соответствовать конфигурации объекта.

2. Подобие условий движения газов и жидкостей на входе в модель.

3. Подобие физических свойств достигается при изотермичности движения потоков во всех точках модели.

4. Равенство значений критериев Re и Рг для модели и объекта.

Для соблюдения геометрического подобия исходили из того, что внутренний размер рабочего пространства реального агрегата имеет диаметр 2.15 м и глубину 4.15 м, геометрический масштаб модели приняли равным 1:10.

Фурма реального конвертера выполнена по схеме труба в трубе из жаропрочной стали. Внешняя труба имеет условный диаметр 57x3 мм, внутренняя - 20x3 мм. По внешней трубе подается воздух, по внутренней - технический кислород. Типовые величины расходов, максимальные 500 нм /ч для кислорода и 1500 нм /ч воздуха, соответственно.

Расчет объемного расхода дутья для модели производили исходя из соотношения скоростей истечения газа. Зная площади сечений каналов фурмы и объемные расходы газов, определи скорость истечения газа из фурмы.

Определим площадь проходного сечения заводской фурмы. Для этого определим сечение внешней трубы и вычтем из него сечение внутренней трубы с учетом толщины стенки. Площади сечения внутренней и внешней фурмы реального агрегата (4.2.3- 4.2.4).

Значения параметров, зафиксированные при работе ТРОФ-конвертера, приведены для нормальных условий. Примем во внимание, что истечение кислорода и воздуха из фурмы происходит при давлении 0.2 МПа, а температура дутья составляет 20 С. На основании соотношения (4.2.5) определим объемный расход газа для реальных условий и скорость истечения газа из фурмы.

На основании соотношения 4.2.5 определили, что расход воздуха составляет 805 м /ч, а кислорода 268 м /ч. Зная сечения и расходы фурм определим скорости истечения кислорода и воздуха 4.2.6, 4.2.7.

Исходя из того, что объемный расход в кольцевом зазоре и по внутренней трубе составляют 805 и 268 м /ч скорости их равны 144 и 237 м/с соответственно. При этом средневзвешенная скорость потоков, согласно 4.2.8, будет равна 167 м/с.

Определим расход дутья для модели. Для этого зададимся равенством скоростей истечения газа на модели и реальном агрегате. Исходя из условий геометрического подобия примем диаметр проходного сечения фурмы 5 мм. Ввиду малых размеров фурмы модели, применим прямую фурму вместо коаксиальной. При этом площадь сечения фурмы согласно 4.2.9 будет равна 5Ф = = 0.000019м2 (4.2.9)

В таком случае объемный расход дутья будет равен 167 м/с 0.000019 м2 60 = 0.19 м7мин

Исходя из геометрического масштаба 1:10 для модели были определены следующие параметры: диаметр 0.21 м, глубина 0.41 м, диаметр фурмы 0.005 м, расход дутья 190 дм /мин. В качестве модельной жидкости был использован раствор поваренной соли NaCl плотностью 1200 кг/м3 (t = 20 С). Значение критерия Re согласно выражению (3.2.10) для указанных условий составляет:

Вычисленный критерий подобия Re = 5.57-104 свидетельствует об истечении газа в турбулентном режиме [88].

Результаты опытных плавок ломов

Как было сказано ранее, плавка ломов медных сплавов сопровождается образованием высоковязкого шлака, имеющего повышенное содержание меди. Целью опытных плавок ломов являлось достижение остаточного содержания меди в шлаке 4.0 мае. %.

Методика проведения испытаний.

На первом этапе (контрольная плавка) плавку вели по обычной технологии при составе шихты: смешанный лом-18; радиаторы - 9.0; стружка -3; всего - 30 т. Расход флюсов на плавку: Si02 - 2000; известь - 200; Fe - 2600; общий расход-4800 кг.

В этот период тщательно контролировали все параметры, входящие в сменный рапорт и дополнительно: расход топлива и окислителя на горелку, м /ч, коэффициент расхода окислителя; температуру шлака (погружной термопарой после окончательного расплавления загруженных порций шихты) с периодичностью 1 ч, массу пыли, кг, состав отходящих газов, % об.: С02; СО; 02 (своб); Н2 и температуру газов в печи.

Пробы шлака отбирались на стадиях плавления материала, и окисления расплава. Помимо стандартного анализа содержания Си, Pb, Ni, Fe, Sn, Zn, CaO, Si02 в шлаке так же определяли содержание Al; Ag, Cr, Mg, К, Na. Аналогично анализируют образцы пыли. Осуществляется контроль переходящей ванны.

Во время плавки ведется визуальное наблюдение за состоянием ванны, плавкостью и текучестью расплава. При необходимости корректируется состав шлака.

На втором этапе, который следует сразу после контрольной базовой плавки, использовалась шихта идентичная первому этапу. Дополнительно для отгонки цинка вводится кокс. Состав шихты и флюсов приведен в таблице 6.1.1.

В период плавки и отгонки цинка колба конвертера работает в режиме вращения с повышенной скоростью 4-6 об/мин для повышения эффективности контакта с восстановителем и интенсификации возгонки. Из-за особенностей технологческого процесса плавки ломов, продолжительно поддерживать коэффициент а 1 на горелках было невозможно, это привело бы к снижению производительности и увеличению продолжительности плавки. Для улучшения условий отгонки цинка дополнительно загружали кокс.

Флюсы загружали порционно вместе с шихтовыми материалами на каждой стадии загрузки. В период экспериментальных плавок контролируются все параметры первого этапа. Отбор проб шлака и анализ на цинк в плавках с коксиком проводят с периодичностью в 1 час.