11
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХЛОРИДНО-СУЛЬФАТИЗИРУЮЩЕГО
ОБЖИГА ОЛОВЯННОГО МЫШЬЯКСОДЕРЖАЩЕГО КОНЦЕНТРАТА В
ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ
Хидиров Ш.У.
Национальный исследовательский технологический университет
«МИСиС», Москва
https://doi.org/10.5281/zenodo.13235773
Цель работы – Разработка алгоритм математической модели процесса слабо
восстановительного обжига оловянного концентрата и повышение качества
функционирования трубчатой печи на основе изучения математической модели
процесса при различных законах управления.
Основные задачи исследования:
-
анализ состояния современных систем управления процессами обжига в
трубчатых вращающихся печках трубчатых вдающихся печах и температурным
профилем;
-
разработка алгоритм управления математической модели процесса в трубчатых
вращающихся печах для статических и динамических условий функционирования этой
печи;
-
определение зависимости между степенью завершенностью процесса и
температурным профилем восстановительного обжиг
-
исследование процессов регулирования температуры в выбранной печи при
использовании динамической модели и различных законах регулирования выбор
оптимального закона регулирования.
В работе использовались данные, полученные в ходе литературных, патентных и
статьи промышленных исследований, посвященных возгоны в процессе обжига.
Пирометаллургические агрегаты составляют очень большую роль в производстве
алюминия. Одним из главных технологических пределов является производство
глинозема в трубчатых вращающихся печах спекания. Создание математических
моделей, описывающих тепловые процессы в печи, позволяет оценить эффективность
работы агрегата после его модернизации. Результаты моделирования помогают
производить доработку существующих компонентов агрегата и прогнозировать
последствия улучшений [1].
Заметное место занимает использование программных продуктов. Они
предназначены для решения систем уравнений, описывающих физико-химические
процессы. Данный подход реализуется в создании моделей факела горелочных
устройств, учитывающих аэродинамику и химическую кинетику; моделей
теплообменных процессов. Разработанные модели, при этом, редко используют
системный подход при формализации поставленной задачи. Модель не достоверно
отражает процессы, происходящие в агрегате, и возникает риск ошибки [2].
Восстановления в трубчатых печах дает – получение укрупненного, максимально
перевода олова и мышьяка в возгоны перед гидрометаллургической переработкой.
Такая возгонка этих элементов позволяет полностью разделать вольфрам от олова и
мышьяка и дальнейшие их разделения. Использование данной технологии выгодно с
экономической точки зрения. Практическое осуществление процессов обжига
12
сульфидов и восстановление олова и мышьяка определяется физико-химическими
свойствами реагентов, термодинамическими и кинетическими характеристиками [3].
Сырьем для проведения опытно-промышленных испытаний являются бедные
концентраты, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав концентрата
Концентрат
Содержание, %
Sn
10-15
As
20-28
W
05-09
Fe
18-24
S
6-10
Для обжига медно-оловянных концентратов с высоким содержанием мышьяка
была выбрана трубчатая вращающаяся печь, поскольку она больше подходит для этого
процесса благодаря таким преимуществам, как низкое содержание разрыхлителя,
отсутствие завышенных цен и время ремонта огнеупоров.
Теория
работы
трубчатое
вращающиеся
печи
показывает,
что
производительность и основные размеры печей зависят от четырех важнейших
процессов, протекающих в этих печах: химического процесса, движения материалов,
движения газов, процесса теплообмена. Для оптимальной работы трубчатых печей
необходима система автоматического управления, поддерживающая параметры
процесса на заданном уровне. Главным управляющим параметром является
температурный профиль в ТВП, который должен быть определен и выдержан в
течение всего процесса. Важным условием для определения и поддержания
оптимального управления процессом является наличие математической модели,
устанавливающей связь между параметрами технологического процесса и качеством
получаемой продукции [4]. Математическая модель является источником
дополнительной информации о процессе и расширяет сведения о протекании процесса
с позиций интернета вещей и позволяет определить структуру и параметры
оптимального управления процессом в зависимости от его состояния и характера
действующих возмущений.
Структурная схема процесса перевода олова и мышьяка в возгоны представлена
на рисунке 1.
13
Рисунок 1 – Структурная схема процесса перевода олова и мышьяка в возгоны
Технологический
регламент
на
хлоридно-сульфатизирующего
обжига
представлен в таблице 2.
Таблица 2 - Химический состав концентрата
Наименование параметра
Значение, %
Содержание угля в шихте, %
6-8
Содержание CaCl
2
в шихте, %
4-8
Крупность гранулы, мм
05,-2
Температура обжига, °С
820-860
Время обжига, мин
40-120
На основе изученных данных определяются важные входные и выходные
параметры процесса обжига, которые показаны на рисунке 3.
Рисунок
2
-
Входные
и
выходные
параметры
процесса
обжига.
1 – Содержание S в концентрате, 2 – Температура обжига, 3 – Расход угля, 4 – Крупность
гранулы, 5 – Содержание SiO
2
, 6 – Извлечение олово в возгоны, 7 – Содержание
мышьяка в огарке, 8 – Содержание WO
3
в огарке
14
Окись металла может взаимодействовать с твердым углеродом только в местах
контакта мелких частиц окиси металла с частицами углерода. Этот контакт точечный и
он быстро нарушается. При отсутствии перемешивания реагирующих веществ
восстановительная реакция может идти только за счет диффузии, скорость которой в
данном случае ничтожно мала. Процесс восстановления продолжается за счет
взаимодействия оставшегося окисла металла с образующейся окисью углерода по
реакции [5]
Если давление диссоциации окисла металла больше давления диссоциации окиси
углерода, то идет реакция восстановления, в противном же случае
происходит окисление металла с помощью окиси углерода [6]. Рассмотрим
константу равновесия реакции образования и диссоциации окиси углерода:
2C + O
2
> 2CO
2C + O
2
>2C + O
2
Константа равновесия запишется в виде
при РO
2
= Кр*Р
2
СО, т.е. чем больше Рсо, тем больше РO
2
и тем меньше сродство
углерода к кислороду.
Для реакции МеО + С = Me + СО Константа равновесия Кр = Рго поскольку при
восстановительном процессе в трубчатой печи окисей металла, восстановитель и
полученный металл находятся в твердой фазе (твердо фазное восстановление).
Следовательно, при некотором Р*со больше равновесного (Р*со> Рсо) идет окисление
металла, а если Р’гО<Рсо идет восстановление металл
Информационная схема работы обжига представлена на рисунке 3
Рисунок 3 - Информационная схема работы обжига
На основе практических данных современных агрегатов для восстановительного
обжига оловянных концентратов разработан алгоритм управления тепловым
15
состоянием трубчатое вращающиеся печи, который контролировать температурный
профиль и дает возможность прогноза и оценки степени восстановления олова и
мышьяка. Способ управления температурой в ТВП позволяет переход олова и мышьяка
в возгоны и снизить расход электроэнергии в процессе.
Блок схема алгоритма процесса обжига представлен на рисунке 2.
Проведенная работа представляет собой научно-исследовательскую работу, в
которой содержится предложение важных параметров по переработке оловянных
концентратов трубчатой вращающейся печи обжига. Первый шаг, по решению этой
задачи достигается за счет создания модели трубчатой вращающейся печи обжига,
позволяющей прогнозировать последствия расход воздуха и угля, например. Второй
шаг - это разработка добавление угля прямой в процесс. Третий шаг - разработка
методики по определению коэффициента СО в газах и температуры процесса.
References:
1.
Металлургия тяжелых цветных металлов [Электронный ресурс] : электрон. учеб.
пособие / Н. В. Марченко, Е. П. Вершинина, Э. М. Гильдебрандт. – Электрон. Дан.
2.
Сырьевые материалы в технологии неорганических веществ: Методические
указания к практическим занятиям / Санкт Петербургский горный университет/ Сост.:
С.Н. Салтыкова, М.Ю. Назаренко. СПб, 2019, 53 с.
3.
Использование сидеритовых руд при производстве агломерата и выплавке чугуна
/ С.Г. Меламуд, Б.П. Юрьев, И.А. Дудчук // Сталь. 2015. № 1. –С. 5-8.
4.
Гудима Н.В. Краткий справочник по металлургии цветных металлов /
5.
Н.В. Гудима, Я.П. Шейн. – М.: Металлургия, 1975. – 536 с
16
6.
Кляйн С.Э. Извлечение цинка из рудного сырья / С.Э. Кляйн, П.А.
7.
Козлов, С.С. Набойченко. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. – 491 с
8.
Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка / Г.Н. Шиврин. – М.:
9.
Металлургия, 1982. – 303 с.
