WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Отклонение расчётных значений температуры шлака от производственных составило ± (20 – 30) оС, а относительная ошибка – 2 - 4 %. Сравнение расчётных данных, полученных на основе предложенной программы и известного программного продукта Hsc, показало, что расхождения между ними в части расчёта энтальпий реакций не превышает 2 %.

4. Моделирование электротермических процессов в зоне электронагрева КВПЭН с тремя электродами

Одним из существенных недостатков кислородно-взвешенной плавки является высокое содержание меди в шлаках, связанной с высоким содержанием меди в штейне выбранного состава и высоким содержанием кислорода в дутье. Вследствие этого возникает необходимость обеднения шлаков по меди как внепечными методами (электроплавка, флотация), так и внутри печи кислородно-взвешенной плавки.

В литературе имеется описание печи и процесса под названием КИВЦЭТ (Кислородно-взвешенная циклонно-электротермическая), в которой плавка производилась в циклоне под воздействием технического кислорода, а обеднение шлаков – внутри ванны подогреваемой трёхэлектродной электропечью. В связи с рядом недостатков процесс не стали использовать в промышленном масштабе.

В настоящей диссертации предложена усовершенствованная конструкция печи автогенной плавки с размещением в отстойной части устройства для нагрева шлака, состоящего из четырёх самоспекающихся электродов КВПЭН (Кислородно-Взвешенная Плавка с ЭлектроНагревом). Печь изображена на рис. 4.

Рис. 4..Конструкция печи КВПЭН: 1 – горелка; 2 – реакционная шахта; 3 – печь; 4 – выпуск штейна; 5 – шлак; 6 – штейн; 7 – подина печи; 8 – выпуск шлака; 9 – газоход; 10 – самоспекающиеся электроды; 11 - отверстия для подачи восстановителя.

В отстойной зоне печи расположены, погруженные в шлак, четыре самоспекающихся электрода 10.

Целью исследования была численная оценка влияния геометрических и технологических параметров на нагрев шлака. В данной главе рассмотрен случай с тремя электродами.

Основным методом исследования, ввиду сложности натурного моделирования, был выбран планируемый вычислительный эксперимент. В качестве инструмента моделирования использовалась CFD-программа, для которой были написаны два макроса. Первый являлся инструкцией для расчета электрических параметров, а второй позволял решить связанную тепловую задачу, т.е. на основе результатов электрического расчета проводил расчет соответствующего выделения тепла.

В качестве независимых переменных были использованы: диаметр электрода (D), расстояние между электродами (R), глубина погружения электродов (H), напряжение на электродах (U). В качестве зависимых параметров моделировались температура (T), тепловой поток (Q) и градиент температуры в зоне электронагрева (gradT). В результате работы были получены соответствующие уравнения регрессии и доказана их адекватность.

Для расчёта приняты следующие параметры шлака:

Удельное сопротивление, Ом·м 3,0

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) 68,8

Удельная теплоёмкость, кДж/(кг·К) 11,5

Температура на границе штейн/шлак, К 1623,0

Коэффициент конвективной теплоотдачи, кДж·К/м2·с) 30,0

Температура обдувающего газа, К 1573,0

Таблица 2

Граничные условия независимых переменных для случая

трёх электродов

Уровни

D, м

(X1)

R, м

(X2)

H, м

(X3)

U, В

(X4)

Основной (0)

Интервал

Нижний (-1)

Верхний (+1)

0,7

0,1

0,6

0,8

1,8

0,2

0,6

2,0

0,7

0,2

0,5

0,9

450

50

400

500

Математическая модель зависимости температуры слоя шлака в зоне электронагрева в безразмерном масштабе.

(5)

Математическая модель зависимости температуры слоя шлака в зоне электронагрева тремя электродами в размерном масштабе.

(6)

Независимые переменные по силе влияния на температуру шлака ранжируются следующим образом (по убыванию):

Иными словами, в условиях принятых ограничений наибольшее влияние на температуру шлака оказывает расстояние между электродами, затем напряжение, диаметр и уровень погружения.

Картина поля температур, соответствующая максимальному значению данного параметра в условиях принятых интервалов варьирования независимых переменных показана на рис. 5.

Рис. 5. Поле температур

Методом планирования машинного эксперимента сформирована также математическая модель зависимости градиента температуры в слое шлака зоны электронагрева от указанных независимых параметров. В безразмерном масштабе модель имеет вид:

(7)

Математическая модель зависимости градиента температуры в слое шлака зоны электронагрева в размерном масштабе.

(8)

По аналогичной методике построена математическая модель зависимости теплового потока (кДж/(м2·с) в слое шлака зоны электронагрева.

В безразмерном масштабе она имеет вид:

(9)

Математическая модель зависимости теплового потока в слое шлака зоны электронагрева в размерном масштабе.

(10)

5. Моделирование электротермических процессов в зоне электронагрева КВПЭН с четырьмя электродами

При подключении четырех электродов, как это показано на рис.6, центральный электрод подключается к нулевой фазе. Он позволяет менять величину тока в фазных электродах и, следовательно, используется для выравнивания и регулирования выделяемой ими мощности. Для увеличения мощности нулевой электрод погружают в расплав, для уменьшения – поднимают.

Применение четвертого электрода позволяет не только выровнять выделение мощности по объему расплава, но и уменьшить различие напряжений в фазных токах. При наличии четвертого электрода появляются элементы схемы соединения электродов не только в треугольник, что происходит при подключении трех электродов, расположенных треугольником в рудно-термической печи, но и в звезду (рис. 6).

Рис. 6. Схема цепи с четырьмя электродами

Это приводит к тому, что в электродах появляются фазные составляющие токов элементов звезды (см. рис. 6). Данное обстоятельство способствует увеличению токов в электродах, погруженных в расплав. При этом токи схемы треугольника складываются с токами схемы звезды. С увеличением глубины погружения нулевого электрода увеличиваются фазные составляющие токов элементов звезды.

В работе был проведен полный факторный планируемый вычислительный эксперимент, целью которого было создание математических моделей, отражающих влияние геометрических и технологических параметров подключения четырех электродов на температуру, тепловой поток и градиент температуры.

В качестве независимых параметров были выбраны: диаметр периферийных (Dp) и нулевого (центрального) электродов (D0), расстояние периферийных электродов от нулевого (R), глубина погружения периферийных (Hp) и нулевого электродов (H0), фазное напряжение (U).

Таблица 3

Граничные условия независимых переменных для случая 4-х электродов

Уровни

Dp, м

(X1)

D0,м

(X2)

R, м

(X3)

Hp, м

(X4)

H0,м

(X5)

U, В

(X6)

Основной (0)

Интервал

Нижний (-1)

Верхний (+1)

0,7

0,1

0,6

0,8

0,7

0,1

0,6

0,8

1,8

0,2

0,6

2,0

0,7

0,2

0,5

0,9

0,7

0,2

0,5

0,9

450

50

400

500

Вычисления проводились в CFD-программе методом конечных элементов. Были созданы два макроса, которые реализовывали решение связанных задач. Первый макрос получал исходные значения независимых переменных и решал электротехническую задачу, а второй, опираясь на полученные результаты, выполнял теплотехнический расчет. По результатам вычислений были построены модели и доказана их адекватность экспериментальным (машинным) данным.

Математическая модель зависимости температуры от перечисленных параметров:

- в безразмерном масштабе:

, (11)

- в размерном масштабе:

. (12)

Независимые переменные ранжируются по убыванию их влияния на температуру шлака в следующем порядке:

Наибольшее влияние на температуру шлака в условиях нагрева четырьмя электродами оказывает напряжение, затем идут по убыванию: расстояние между электродами, диаметр периферийных электродов, заглубление периферийных электродов, диаметр нулевого электрода и его заглубление.

Математическая модель градиента температуры (K) в условиях нагрева четырьмя электродами имеет следующий вид:

в безразмерном масштабе:

(13)

в размерном масштабе:

, (14)



Математическая модель теплового потока (кДж/(м2·с) в условиях нагрева четырьмя электродами в безразмерном масштабе имеет вид:

(15)

Математическая модель в размерном масштабе:

(16)

Независимые переменные ранжируются по степени их влияния на тепловой поток следующим образом:

На рис. 7 показаны температурные поля для случаев 3-х и 4-х электродов при одинаковых значениях диаметров электродов, их заглубления и напряжений.

Рис. 7. Поля температур при подключениях с разным количеством электродов.

Из рис. 7 следует, что четвёртый электрод способствует выравниванию токов на рабочих электродах, что снижает опасность возникновения перекосов фаз в цепи.

Заключение

Выполнена актуальная научно-квалификационная работа, в которой содержатся новые технологические решения и их аппаратурное оформление по автогенной плавке медного сульфидного концентрата.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

  1. С использованием метода имитационного планируемого эксперимента предложена математическая модель зависимости температуры продуктов плавки от следующих 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 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).
  5. Внедрение новой конструкции позволит обеднять шлак непосредственно в плавильном агрегате, что позволит исключить флотационное обеднение шлака и сэкономить предприятию более 12 миллионов руб. в год.
  6. Проведен расчет газодинамических параметров потока газа, проходящего сквозь рабочее пространство печи.
  7. Составлены математические модели, описывающие влияние наиболее важных геометрических и технологических параметров предлагаемой печи с температурой, градиентом температуры и тепловым потоком при электронагреве тремя и четырьмя электродами.
  8. Материалы диссертации рекомендуются для использования как в промышленном производстве меди, так и в учебном процессе при подготовке инженеров-металлургов.

Положения диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

по специальности металлургия

  1. Алкацев М.И., Мамонтова Е.Е., Мамонтов Д.В. Исследование некоторых закономерностей кислородно-взвешенной плавки медных сульфидных концентратов с использованием метода компьютерной имитации // Изв. Вуз. Цветная металлургия. 2008. №5. С. 18 - 20.
  2. Мамонтова Е.Е., Мамонтов Д.В. Компьютерное моделирование газодинамических и тепловых параметров потока газа в металлургической печи.// Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2008. №2. С. 280-285

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

по специальности вычислительная техника и информатика

  1. Мамонтова Е.Е., Мамонтов Д.В. Имитационный анализ потока дутья в печи кислородно-взвешенной плавки с электронагревом // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №3. С. 114-119.

Другие публикации

Pages:     | 1 || 3 |






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