WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

МАМОНТОВА Евгения Евгеньевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

АВТОГЕННОЙ ПЛАВКИ МЕДНЫХ СУЛЬФИДНЫХ

ШИХТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ

КОМПЬЮТЕРНОЙ ИМИТАЦИИ

Специальность 05.16.02

“Металлургия черных, цветных и редких металлов”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Владикавказ - 2009

Работа выполнена на кафедре «Металлургия цветных металлов»

Северо-Кавказского горно-металлургического института

(государственного технологического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Алкацев М. И.

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Рутковский А.Л.;

кандидат технических наук,

Колосова Л.А.

Ведущая организация: НПК «Югцветметавтоматика», г. Владикавказ

Защита диссертации состоится «30» июня 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.246.05 при Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) по адресу: 362021, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ).

Факс: (8672) 407203, E-mail: skgtu@skgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГМИ (ГТУ)

Автореферат разослан _____________ 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

д-р. техн. наук, проф. В.Н.Хетагуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Автогенная плавка сульфидных концентратов тяжелых металлов, из которых взвешенная плавка и плавка в жидкой ванне являются наиболее экономичными и экологически чистыми, находят широкое применение в промышленности. Вместе с тем, исследования процессов плавки в промышленных печах с целью получения математических моделей, на основе которых возможна оптимизация процессов, требует значительных затрат энергии и времени. В связи с этим изучение автогенных процессов методом компьютерного моделирования становится актуальным.

Цель работы

Исследование и моделирование тепловых, массообменных и газодинамических процессов в печах кислородно-взвешенной плавки с целью разработки и расчета новой более эффективной конструкции печи автогенной плавки, совмещенной с электротермическим нагревом шлаков с целью снижения в них содержания меди.

Методы исследования

Исследования были проведены с использованием математических методов моделирования тепловых, массообменных, газодинамических и электротермических процессов, математической статистики, прямого численного моделирования.

Наиболее существенные научные результаты работы

  1. С использованием метода имитационного планируемого эксперимента предложена математическая модель зависимости температуры продуктов плавки от следующих 6 факторов: производительности печи по шихте, содержания меди и серы в шихте, содержания меди в получаемом штейне, содержания кислорода в дутье и влажности шихты. Предложенная модель позволяет прогнозировать параметры процесса плавки.
  2. Установлено, что в условиях принятых ограничений на независимые переменные наибольшее влияние на температуру шлака, которая определяет количество потерь меди, оказывают (по убыванию): содержание меди в штейне, содержание меди и серы в шихте.
  3. Предложена методика и создана компьютерная программа для расчета тепловых и материальных балансов кислородно-факельной плавки (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007611391 (RU)).
  4. Рассчитаны и визуализированы тепловые параметры шлака в зоне электронагрева в печи КВПЭН (Кислородно-взвешенная печь с электронагревом).

Практическая значимость работы

  1. Предложена новая конструкция печи КВПЭН (пат. РФ на полезную модель № 64331), включающая горелку для взвешенной плавки и четырёхэлектродную электропечь для обеднения шлаков по меди.
  2. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенной печи составит более 12 млн. руб. в год.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель, отражающая зависимость температуры шлака от основных технологических параметров печи для взвешенной плавки медных сульфидных шихт.

2. Конструкция новой печи для автогенной плавки сульфидного концентрата КВПЭН, совмещающая печь для взвешенной плавки с электропечью для обеднения шлаков по меди.

3. Расчет параметров потока газа, проходящего через КВПЭН.

4. Математические модели, отражающие зависимость температуры шлака, градиента и теплового потока в зоне электронагрева.

Апробация работы

Основные положения диссертации прошли апробацию на VI Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий», научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ), Международной научно-технической конференции “Перспектива 2006” и “Перспектива 2007”, расширенном заседании кафедры металлургии цветных металлов СКГМИ (ГТУ), а также в научных публикациях.

Публикации

Содержание диссертации отражено в 13 публикациях, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, один патент Российской Федерации на полезную модель и одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 138 наименований, 6 приложений, 54 рисунков, 22 таблиц и изложена на 192 стр. машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования.

1. Аналитический обзор литературы

Выполнен информационно-аналитический обзор публикаций, посвященных вопросам моделирования и модернизации печей автогенной плавки медного сульфидного сырья.

Рассмотрены процессы, происходящие в факеле, шлаке и штейне, а так же свойства продуктов плавки. Приведены методы ведения автогенных процессов, применяющиеся на различных предприятиях. Определена их большая экологическая чистота по сравнению с другими процессами плавки медного концентрата. Проведен анализ экономических преимуществ автогенного ведения процесса.

Критически рассмотрены наиболее важные и нашедшие применение в металлургической практике типы плавильных агрегатов. Среди них процессы (печи) Мицубиси, Тамано, Норанда, КФП, КВП, Инко, печь Ванюкова, Уоркра, а также КИВЦЕТ и ФБП.

Особое внимание было уделено выявлению и анализу методик и компьютерных программ математического моделирования процесса. Подчеркнуто, что в настоящее время роль компьютерного моделирования сложных газодинамических и тепловых процессов становится все более важной. Программы моделирования, благодаря росту мощности компьютеров и алгоритмов все чаще и чаще становятся полноценным заменителем натурных экспериментов.

На основе исследования конструкций существующих печей, анализа методов расчета, методик и компьютерных программ моделирования, выделения основных направлений совершенствования процесса были сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы

1. Создание адекватной математической модели процесса автогенной кислородно-факельной плавки с использованием машинного имитационного эксперимента.

2. Разработка конструкции печи и технологии, позволяющих снизить содержание меди в шлаках автогенной взвешенной плавки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести термодинамическую оценку возможных процессов;

- составить компьютерную программу.

2. Исследование некоторых закономерностей кислородно-факельной плавки медных сульфидных концентратов с использованием метода компьютерной имитации

Для проведения машинной имитации процессов кислородно-факельной плавки была создана компьютерная программа, которая позволила рассчитывать материальные и тепловые балансы плавки в зависимости от состава исходной шихты, расхода дутья, его температуры и содержания кислорода. На рис. 1 показана технологическая схема взвешенной плавки.

Рис. 1. Технологическая схема автогенной взвешенной плавки медного сульфидного сырья с использованием флотационного обеднения шлаков по меди.

Материальные балансы взвешенной плавки были рассчитаны на основе системы линейных алгебраических уравнений, состоящей из следующих уравнений: баланса меди в плавке, баланса меди в конвертировании, баланса меди во флотации и баланса кремнезёма при конвертировании.

На рис. 2 приведен алгоритм моделирования процессов кислородно-взвешенной плавки медных сульфидных шихт.

Рис. 2. Принципиальный алгоритм реализации имитационного моделирования кислородно-взвешенной плавки.

При создании математической модели было проведено планирование эксперимента и обработка его результатов методом наименьших квадратов. В качестве независимых параметров были выбраны расход шихты, содержание меди в шихте, содержание серы в шихте, содержание меди в штейне, содержание кислорода в дутье и влажность шихты.

Был реализован имитационный (машинный) дробный линейный факторный эксперимент с числом опытов, где k = 6 – число независимых переменных (Xi). В качестве генерирующих соотношений были использованы

(1)

Зависимость температуры шлака от наиболее важных в процессе КФП факторов в общем виде может быть выражена следующей функцией:

(2)

где P – расход шихты; – содержание меди в шихте, %; – содержание серы в шихте, %; – содержание меди в штейне, %; – содержание кислорода в дутье, % (об); – влажность шихты, %; tшл – температура шлака, оС.

Граничные условия, в рамках которых получены уравнения регрессии, приведены в табл. 1

Таблица 1

Граничные условия независимых переменных

Уровни

P

(X1)

Cuш

(X2)

(X3)

Cuшт

(X4)

O2

(X5)

W

(X6)

Основной (0)

Интервал

Нижний (-1)

Верхний (+1)

1,025

0,025

1,000

1,050

21,0

3,0

18,0

24,0

34,0

2,0

32,0

36,0

50,0

10,0

40,0

60,0

93,0

2,0

91,0

95,0

0,4

0,2

0,2

0,6

представляет собой независимую переменную в безразмерном масштабе:

; ; ;

;.

В результате обработки имитационных экспериментальных данных методом наименьших квадратов получены следующие линейные уравнения регрессии:

– в безразмерном масштабе:

(3)

– в размерном масштабе:

(4)

где - расчётное значение F – статистики; табличное значение критерия Фишера; дисперсия адекватности.

В связи с тем, что уравнения регрессии (3) и (4) признаны адекватными результатам машинного расчёта.

Ошибка аппроксимации температуры шлака равна

что составляет 2,4 % от средней температуры шлака в печи.

В связи с тем, что уравнение (3) является адекватным, а независимые переменные в нём приведены в безразмерном масштабе, то они могут быть ранжированы по силе влияния на температуру шлака в соответствии с их абсолютными значениями следующим образом (по убыванию):

Иными словами, наибольшее влияние на температуру шлака оказывает содержание меди в штейне, затем (по убыванию) идут содержание меди и серы в шихте, далее производительность печи и в меньшей мере (в условиях принятых ограничений) влажность шихты и содержание кислорода в дутье.

Частные зависимости температуры шлака от различных факторов в соответствии с уравнением (3) приведены на рис. 3.

Рис. 3. Частные зависимости средней температуры шлака от:

1 – расход шихты (Х1); 2 – содержания меди в шихте (X2); 3 – содержания серы в шихте (X3); 4 – содержания меди в штейне (X4); 5 – содержания кислорода в дутье (X5); 6 – влажности шихты (X6). (Независимые переменные (Xi ) на рисунке приведены в безразмерном масштабе).

Частные графики построены по следующим уравнениям:

t1 = 1285 + 23,938 Х1. t4 = 1285 + 141,313 Х4.

t2 = 1285 - 64,938 Х2. t5 = 1285 + 4,313 Х5.

t3 = 1285 + 64,188 Х3. t6 = 1285 - 5,188 Х6.

Анализ уравнения (3) на максимум и минимум зависимой переменной (температуры шлака) позволил установить, что они соответствуют граничным значениям независимых переменных, а именно:

- максимальная температура имеет место при максимальных значениях производительности печи, серы в шихте, меди в штейне, кислорода в дутье и минимальном содержании меди в шихте и влажности;

- минимальная температура - при максимальном значении меди в шихте и влажности шихты и минимальном значении производительности, серы в шихте, меди в штейне и содержании кислорода в дутье.

Идентификацию полученной математической модели проводили в два этапа:

- адекватность модели данным, полученным в результате машинных модельных расчётов. Этот метод идентификации сам по себе является корректным вследствие того, что основан на фундаментальных законах термодинамики и достоверных экспериментальных данных (закон Кирхгофа, уравнения зависимости теплоёмкость веществ от температуры и др.);

- оценка сходимости расчётных данных с производственными. При этом использованы публикации Купрякова Ю.П. и Бочкарёва Л.М. о показателях Алмалыкского медеплавильного завода.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»