научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ АППАРАТОВ «РЕАКТОР TSL - ОТСТОЙНИК» МЕТОДАМИ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ АППАРАТОВ «РЕАКТОР TSL - ОТСТОЙНИК» МЕТОДАМИ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

УДК 669.2.8.041

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ АППАРАТОВ «Реактор TSL - отстойник» МЕТОДАМИ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ*

© Жуков Владимир Петрович, д-р техн. наук, проф; Колмачихин Борис Валерьевич

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург. E-mail: zhukov.v.p@mail.ru

Статья поступила 13.02.2013 г.

Собрана лабораторная установка, обоснованы критерии и проведены тестовые испытания по холодному моделированию системы аппаратов «печь Аусмелт - отстойник». Показаны принципиальные возможности метода для оценки общей производительности процесса, состояния ванны и полноты разделения фаз в отстойнике.

Ключевые слова: моделирование; Ausmelt; автогенные процессы; погружная фурма; отстаивание; разделение фаз.

Агрегаты TSL (Top Submerged Lance) - печи с погружной фурмой (рис. 1) получили широкое распространение в мировой практике производства цветных металлов и переработки различного техногенного сырья. Для печей этого типа характерна простота в управлении, например при заглублении или поднятии фурмы можно регулировать интенсивность перемешивания ванны и, при необходимости, полноту отстаивания непосредственно в плавильном агрегате. Достоинствами процесса являются также малая тепловая инерционность установки и возможность остановки печи (или работы на горячем холостом ходу) в течение длительного периода, а также возможность ее оперативного разогрева после «останова». Необходимо отметить высокую удельную производительность, сравнитель-

тк.

Рис. 1. Принципиальная схема и основные зоны печи

^ Ausmelt

>

с;

с; <

5 * В работе принимал участие В.А.Меньщиков.

но низкие затраты на строительство и обслуживание.

Вместе с тем организация процесса разделения фаз в самой печи снижает общую производительность плавки, поэтому аппараты TSL дополнительно оборудованы внешним отстойником (электропечь или миксер), в которых завершаются процессы формирования, разделения металлического (штейнового) и шлакового расплавов.

В мировой практике производства меди первоначально [1] в качестве внешнего устройства применяли печь-миксер или вращающуюся печь-отстойник (RHF - Rotary Holding Furnace). В дальнейшем [2, 3] использовали систему аппаратов, состоящих из нескольких параллельно работающих миксеров или электропечи. Основной функцией узла-отстойника является получение наиболее бедного по извлекаемому компоненту шлака, соответствующего минимальной величине механических потерь цветных металлов, достигаемых при сравнительно высокой скорости отстаивания.

Многообразие, взаимосвязь различных по природе физико-химических, гидрогазодинамических, массо- и теплообменных процессов, протекающих в барботируемой ванне, создают определенные трудности для поиска общих закономерностей продувки в условиях реального пирометаллургического производства. Поэтому наиболее простым и надежным способом здесь может быть метод холодного моделирования. Теория подобия и размерностей, составляющих основу данного метода, в настоящее время разработана достаточно полно [4, 5]. При наличии

Рис. 2. Общий вид и схема модели: 1 - внутренняя труба

фурмы; 2 - внешняя труба фурмы; 3 - съемные блоки завихрителей; 4 - верхняя крышка; 5 - корпус; 6 - нижняя крышка; 7 - ножки; 8 - воздухопроводы к фурме; 9 - панель с закрепленными расходомерами; 10 - входные редукторы перед расходомерами

известных допущений это позволяет применять результаты исследований, полученных с использованием модельных прозрачных жидкостей, визуальных наблюдений, к промышленным объектам [6, 7].

Описание модельного комплекса. Целью предварительного этапа исследований является оценка принципиальной возможности применения методологии холодного моделирования для оценки влияния интенсивности перемешивания двух фаз в плавильной печи и скорости (полноты) последующего отстаивания фаз во внешнем агрегате общей системы «печь ТБЬ -отстойник» на общую производительность работы комплекса.

Для моделирования был выбран геометрический масштаб 1:10, как наиболее просто реализуемый в технике эксперимента и последующих расчетах.

Установка выполнена из плексигласа, пластика и дерева с гибкими шлангами для подачи дутья. Преимущество модели - возможность изменения геометрических параметров различных элементов без необходимости полного ее демонтажа. Общий вид модели и принципиальная схема установки показаны на рис. 2.

Для предварительных опытов в качестве модельных жидкостей выбраны техническое масло (шлак), вода (штейн, богатая масса) и основным

Рис. 3. Типичный вид барботажной области

критерием подобия принято соотношение плотностей фаз

(Р1/Р2) - idem, (1)

где р1, р2 - плотность шлака и штейна (кг/дм3) соответственно.

Известно [8] применение глицерина в качестве модели шлака водных растворов, но в этом случае возникают трудности с выполнением условия (1).

В качестве источника дутья выбран компрессор производительностью 250 л/мин с возможностью регулирования мощности согласно поставленной задаче моделирования.

С использованием лабораторной модели проведен ряд пробных экспериментов, в ходе которых осуществляли фото- и видеосъемку состояния ванны. Показано, что для количественной оценки и построения эпюры скоростей в барбо-тажной зоне достаточна видеосъемка со скоростью 100 кадров/с, что может быть обеспечено обычными цифровыми камерами (рис. 3).

В ходе тестовых опытов рассмотрены различные режимы работы с подачей воздуха только во внешнюю или внутреннюю области фурмы. Результаты показывают, что большее влияние на развитие гидроаэродинамики процесса (в случае с однофазной системой) имеет внешняя труба (большего диаметра). Однако при наличии двух сред с разной плотностью более заметное влияние оказывает внутренняя часть фурмы. В результате оценки гидродинамической обстановки установлено, что общая картина продувки жидкости с помощью погруженных сопел отличается от известных данных [9, 10], полученных по более упрощенной методологии для других моделей печей. ^

Следующей стадией поисковых исследований являлось создание комплексной модели (рис. 4) ^ с отстойником, которая предусматривает переток массы из модели печи типа TSL через желоб £ с затвором в упрощенную модель отстойника. В < случае с печью-миксером моделирование отстаи- s

Рис. 4. Схема комплексной модели «печь TSL - отстойник»

вания не представляет затруднений, так как динамический режим печи подвергается воздействию только со стороны поступающей массы, а также незначительному воздействию со стороны горелки, установленной в верхней части печи, влиянием которой на гидродинамику ванны можно пренебречь. В общем виде схема отстаивания в печи-миксере показана на рис. 5.

При использовании электроотстойника (практика работы завода «Тонлин», Китай [9]) процесс отстаивания становится более сложным, так как при наличии сводовых электродов неизбежна тепловая конвекция расплава в приэлектродной области. Перемешивание ванны в отстойнике может негативно влиять на полноту разделения фаз, что является самостоятельным объектом исследований на холодных моделях.

Математическое описание сводится к трем основным частям: построение балансов (материального и теплового), моделирование процессов перемешивания и отстаивания с использованием различных программных пакетов и обработка данных холодных экспериментов для корректировки математических моделей.

Определяющими критериями для процесса перемешивания и взаимного проникновения жидкостей в печах типа TSL можно считать критерии Вебера и Архимеда. Процесс разделения фаз в миксере может быть описан критериями Стокса и Фруда.

На основе рассчитанных материального и теплового балансов, а также практических данных о работе металлургических предприятий была создана упрощенная модель отстаивания, соответствующая рис. 5 (wK wr - вертикальная и горизонтальная составляющие скорости, м/с; wF -результирующая скорость, м/с) и описываемая уравнением

Wв = (1/18^)gd (Р2 - Pi), (2)

где ц - вязкость шлака; g - ускорение свободного падения; P2- P1 - разность плотностей штейна и шлака; d - диаметр частицы.

2,50

S 2,00 S? Начальной w, ^ уровень< С w

g 1,00'

и

0,50 0

Уровень шлака

1,5

3,35 $

Уровень штейна

Уровень пода

2 3

4 5 6 7 Длина печи, м

9 10

Рис. 5. Схема отстаивания в печи-миксере для печи длиной

10 м

Горизонтальная составляющая скорости wr может быть рассчитана по формуле

wг = Ум/F, (3)

где Vyy - это объем массы, поступающей в отстойник за единицу времени, м3/с; F - площадь сечения печи, м2.

Эта модель позволяет рассчитать количество частиц штейна, включенных в шлаковую фазу за произвольно выбранное время отстаивания.

Моделирование процессов перемешивания является более сложной задачей, так как программные пакеты для моделирования жидких сред требуют большого количества ресурсов и времени на численную интерпретацию операций в системе с заданными параметрами. Одним из наиболее распространенных пакетов является Open FOAM, позволяющий строить сложные жидкостные модели, включая и многофазовые. С помощью этого пакета и модуля обработки изображений видеозапись перемешивания однофазной жидкости переводится в набор двумерных схем типа рис. 6.

Аналогичная обработка проводится и для двухфазных систем. Полученные данные применяются для построения более сложных трехмерных моделей, где также возможно построение температурных профилей с использованием известных из практики данных о распределении температур на различных уровнях агрегата.

В результате может быть получено поле векторов скорости, представление о степени взаимного проникновения двух фаз и о степени вовлечения частиц более плотной фазы в поток менее плотной. Эти данные приобретают значение для корректировки входных параметров модели отстаивания.

Применение такого комплексного подхода позволяет создать модель, учитывающую реальную гидродинамику ванны агрегата с погружной фурмой, ее влияние на процесс последующего отстаивания и на потери ценных компонентов со шлаками.

1

8

t = 0 c t = 0,4 c t = 0,8 c

t = 1,2 с t = 1,6 с

Рис. 6. Динамика процесса перемешивания однофазно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»