Совершенствование технологии производства файнштейна и оптимизация переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования

Актуальность темы

На комбинате «Печенганикель» ОАО «Кольская ГМК» сульфидный медно-никелевый концентрат подвергается окатыванию и обжигу. Окатыши совместно с богатой рудой плавятся в, электропечах, полученный штейн конвертируется с получением файнштейна. Конвертерный шлак заливается в рудные электропечи. Конвертерные газы используются для производства’серной кислоты.

В последнее время произошло существенное изменение состава перерабатываемого сырья с повышением содержания MgO, предстоит внедрение брикетирования концентрата взамен обжига. Оба этих фактора приведут к изменению технологических режимов и составов образующихся продуктов. Поиск оптимальных параметров в условиях изменящихся факторов наиболее эффективно может быть осуществлен с помощью математических моделей.

При переработке сульфидного медно-никелевого сырья образуется большое количество различных твердых оборотов, в том числе ковшевые настыли, образующиесяпри транспортировке расплавов, пыли, проливы, свёрнутый шлак от производства черновой меди. Особые проблемы возникают при' переработке крупнокусковых твердых шлаков. Эффективно они могут быть переработаны лишь в конвертере. Это наиболее экономичный, не требующий дополнительных энергозатрат и предварительной подготовки к плавке способ, обеспечивающий прямое извлечение цветных металловв файнштейн. Однако возможности конвертерного передела по переработке твёрдых металлосодержащих материалов ограничиваются энергетическим ресурсом жидких штейнов, поступающих на передел. При внедрении авто.

Автор выражает сердечную благодарность за научное соруководство и творческую помощь в постановке задачи и обсуждении полученных результатов канд. техн. наук Блинову В. А. и д-ру техн. наук Козыреву В. Ф. генных процессов образуется богатый штейн, поступление которого на конвертерный передел сокращает возможности передела по переработке холодных металлосодержащих материалов. Скорость усвоения свёрнутого шлака в барботируемом оксидно-сульфидном растворе зависит от целого ряда факторов, которые не могут быть учтены при выполнении тепловых расчётов, и как следствие, завышают реальные возможности передела по переработке этого полупродукта. Необходимо исследование закономерностей поведения твердого шлака при конвертировании штейнов и изыскание путей снижения выхода внутрицеховых оборотов.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность задач количественного анализа методами математического моделирования процессов на-стылеобразованияразработки мер по сокращению выхода оборотовисследования кинетики усвоения свёрнутого шлака и разработки режимов конвертерной плавки, обеспечивающих максимально возможное количество шлака, в переработке.

Цель работы — совершенствование технологии производства файн-штейна и оптимизация переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования штейнов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• выполнен анализ вещественного состава продуктов и количественный анализ технологических параметров операций подготовки рудного флотационного сульфидного медно-никелевого концентрата к плавке — процессов обжига и брикетирования, переделов плавки сульфидного медно-никелевого сырья в рудно-термической печи и конвертирования штейнов РТП;

• исследована кинетика усвоения конвертерной ванной используемых в качестве холодных присадок кусков твердых металлосодержащих полупродуктов и определены их количества, возможные в переработке в различных технологических режимах- • проведены исследования вещественного состава кошевых настылей и динамики процесса настылеобразования в ковшах. Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнялись в условиях действующего производства плавильного цеха комбината «Печенганикель» ОАО «КГМК».

Изучение вещественного состава отобранных проб проводилось методами рентгенодифракционного анализа (РФА), растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа (РЭМ и РСМА) с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-6 (РФА) и растровых электронных микроскопов Tescan 5130 ММ и CamScan-4 (РЭМ и РСМА).

Идентификация параметров модельных уравнений, связывающих взаимные зависимости содержаний металлов и других компонентов в продуктах плавок, осуществлялась методами регрессионного анализа по результатам статистической обработки массивов производственных данных оперативного контроля состава продуктов плавок. Идентификация математических моделей расчета материальных потоков осуществлялась на основе балансовых плавок.

Математические модели кинетики усвоения расплавом холодных присадок и процессов настылеобразования и реализующие их расчетные алгоритмы разрабатывались на основе методов математической физики и сеточных методов численного решения уравнений в частных производных. Последовательные замеры температур для идентификации модели настылеобразования в процессе намерзания ковшевой настыли регистрировались с помощью инфракрасной камеры IR928+.

Программная реализация проводилась на основе использования приложения Microsoft Office Excel 97/2003/ХР в системе Visual Basic for application (VBA).

Научная новизна:

• получены новые данные по вещественному составу продуктов рудно-термической и конвертерной плавок, а также ковшевых настылей, которые использованы для анализа металлургических процессов и при разработке математических моделей;

• в результате исследования кинетики усвоения твердых шлаков медного производства жидкой конвертерной ванной показано, в частности, что время, за которое они полностью растворяются в расплаве, прямо пропорционально квадрату их исходного размера;

• исследование процесса образования ковшевых настылей на основе те-плофизической модели для многослойной двухфазной среды позволило сделать вывод, что динамика их роста описывается степенным «уравнением, частным случаем которого является закон квадратного корня;

• разработаны математические модели основных переделов производства файнштейна на основе уравнений множественной регрессии, связывающих взаимные зависимости содержаний компонентов в продуктах, что позволило минимизировать число исходных параметров, повысить достоверность и упростить технологические расчеты материальных и тепловых потоков.

Практическая ценность. Полученные результаты использованы при усовершествовании технологической схемы переработки медно-никелевого сульфидного сырьяв плавильном цехе комбинате «Печенганикель» ОАО «КГМК», для разработки технологического регламента реконструкции плавильного производства комбината «Печенганикель». Внедрение результатов работы позволяет:

• снизить энергозатраты на переделе рудной плавки на 4%;

• сократить выход ковшевых настылей и количество собственных оборотов на 8%;

• оптимизировать объемы переработки привозных шлаков медного производства комбината «Североникель» между переделами РТП и конвертерным;

• повысить прямое извлечение металлов в файнштейн на 0,8%.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований вещественного состава медно-никелевого концентрата, окатышей, штейна РТП, файнштейна, конвертерного и отвального шлаков, а также медного шлака, настылей и пылей.

2. Результаты исследования кинетики усвоения кусков твердого шлака медного производства конвертерной ванной.

3. Результаты анализа процессов настылеобразования в ковшах на-основе теплофизической модели для многослойной двухфазной среды.

4. Математические модели подготовительных операций, переделов РТП и конвертирования и комплексной модели цеха в целом.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-техническом совещании «Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов электротермических производств» (г. С.-Петербург, научно-техническое совещание «ДУГА-200», 2002 г.) и на 4-й международной научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов» (г. Москва, 13-ая международная выставка МЕТАЛЛ-ЭКСПО, 2007 г.).

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Пирометаллургические технологии производства файнштейна (обзор)» дана оценка современного состояния технологических процессов переработки сульфидного медно-никелевого сырья на файнштейн. Дан сравнительный анализ действующих в настоящее время на предприятиях цветной металлургии нашей страны и за рубежом пирометаллургических технологий и переделов, включая плавку во взвешенном состоянии, электроплавку и конвертирование. Представлен также аналитический обзор публикаций в области математического моделирования этих процессов. В результате анализа состояния вопроса сформулированы конкретные задачи и методологические направления исследований.

В главе 2 «Исследование процессов подготовки сырья к плавке» рассмотрен вещественный состав продуктов обжига, на основе предложенных математических моделей проведен анализ подготовительных операций сульфидных медно-никелевых концентратов концентрата к плавке — агломерирующего обжига и брикетирования.

В главе 3 «Исследование технологии плавки шихты в рудно-термических печах» дано подробное описание вещественного состава продуктов РТП и компьтерной модели передела, показаны ее возможности при выполнении оперативных и прогнозных расчетов, а также поиске (определении) оптимального состава шихты, при котором достигаются лучшие технико-экономические показатели (удельный расход электроэнергии, извлечение металлов).

В главе 4 «Исследование процесса конвертирования медно-никелевого штейна до файнштейна» дана общая характеристика конвертерного переделаисследован вещественный состав его продуктовна основе математических моделей материального и теплового балансов конвертирования штейнов, а также кинетики усвоения кусков твердых полупродуктов конвертерной ванной определены и обоснованы возможности по переработке в различных технологических режимах холодных присадок различного состава.

В главе 5 «Исследование замкнутых технологических схем переработки сульфидных медно-никелевых концентратов до файнштейна» с использованием комплексной математической модели на основе итерационного счета рассматриваются возможности оптимизации сквозных показателей полной технологической схемы производства файнштейна на комбинате «Пе-ченганикель».

В главе 6 «Исследование процесса настылеобразования в ковшах» приведены результаты анализа вещественного состава ковшевых настылей методами РЭМ и РСМА и количесвенного анализа динамики настылеобразования на основе разработанной теплофизической модели, дано качественное описание механизма образования ковшевых настылей и выработаны предложения по сокращению их выхода.

Приложения целиком посвящены описанию программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы, рассмотренные в предыдущих разделах.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Усовершенствована технология производства файнштейна с оптимизацией переработки металлосодержащих полупродуктов на переделах рудно-термической электроплавки и конвертирования штейнов.

2. С использованием методов РСМА, РЭМ и РФА исследован вещественный состав исходных материалов, полупродуктов и товарной продукции плавильного производства комбината «Печенганикель»: медно-никелевого концентрата, обожженных окатышейштейна РТП и файнштейнаотвального и конвертерного шлаковобжиговых, электропечных и конвертерных пылей. Полученные данные использованы при разработке математических моделей процессов агломерирующего обжига, рудно-термической электроплавки и конвертирования медно-никелевого штейна до файнштейна.

3. Исследованы процессы упрочняющего обжига окатанного рудного концентрата и его брикетирования. Установлены зависимости, связывающие технологические показатели подготовительных операций с физико-химическими характеристиками перерабатываемой шихты.

4. На промышленных рудно-термических печах проведены исследования и установлены зависимости, связывающие между собой содержания основных компонентов продуктов электроплавки, расхода электроэнергии, флюса, восстановителя и др.

5. На промышленных агрегатах исследована кинетика усвоения твердых шлаков медного производства жидкой конвертерной ванной. Установлен вещественный состав этих шлаков. Разработана теплофизическая модель этого процесса, которая основана на численном решении нестационарной квазилинейной краевой задачи относительно уравнения теплопроводности в сферических координатах. Установлено, что время полного растворения кусков твердого шлака в расплаве прямо пропорционально квадрату их исходного размера. Установлено, что время усвоения их колеблется от 30 минут до 4-х часов. На штейнах РТП с содержанием Cu+Ni~25−32% возможная максимальная переработка медного шлака за конвертерную плавку составляет не более 0,14−0,16 т/т штейна.

6. На промышленных конвертерах проведены исследования процесса конвертирования медно-никелевых штейнов. Установлены зависимости, связывающие содержания компонентов продуктов конвертирования, расхода воздуха и флюса, загрузки холодных оборотов, продолжительности конвертерной плавки и др.

7. Исследован вещественный состав ковшевых настылей. Установлено, что он неоднороден и заметно меняется по мере движения от стенки ковша к огневому краю. Проведены исследования и разработана математическая модель процесса настылеобразования, которая основана на численном решении нестационарной квазилинейной краевой задачи относительно уравнения теплопроводности в декартовых и цилиндрических координатах, позволяющая с высокой точностью оценивать динамику изменения температурного поля во всех точках ковша, заполненного расплавом и, как следствие, определять закон движения границы раздела фаз. Динамика намерзания настыли, как показали проведенные исследования, с высокой точностью аппроксимируется степенной зависимостью, являющейся обобщением известного закона квадратного корня на случай многослойной двухфазной среды.

Установлено, что основными факторами, определяющими скорость настылеобразования, являются температура заливаемого в ковш расплаваначальная температура огневой поверхности ковша (гарнисажа) — толщина слоя гарнисажапродолжительность нахождения расплава в ковше.

Установлено также, что интенсивное намерзание расплава на стенках ковша происходит при нахождении расплава в ковше более 17—20 минут. Рекомендовано ограничить количество используемых ковшей.

8. Разработаны математические модели расчета материальных и тепловых балансов и процессов агломерирующего обжига и брикетирования, рудно-термической электроплавки, конвертирования штейнов, а также комплексная модель замкнутой технологической схемы. Предложенные модели построены на основе уравнений множественной регрессии, связывающих взаимные зависимости содержания компонентов в продуктах, что позволило минимизировать число исходных параметров и повысить достоверность расчетов по оптимизации показателей работы как отдельных переделов и операций, так и технологии производства файнштейна в целом. Разработанная модель была использована при расчете процесса конвертирования в проекте реконструкции головных переделов металлургического производства Кольской ГМК. Было установлено, что образующиеся в медном производстве твердые шлаки не могут быть переработаны в конвертерном переделе. Необходимо строительство дополнительных мощностей.

Разработанная модель использована также для расчета технологии переработки брикетов на основе рудно-термической плавки.

9. Внедрение результатов работы позволит: снизить энергозатраты на переделе рудной плавки на 4%- сократить выход ковшевых настылей и количество собственных оборотов на 8%- оптимизировать объемы переработки привозных шлаков медного производства комбината «Североникель» между переделами РТП и конвертернымповысить прямое извлечение цветных металлов в файнштейн в среднем на 1,2%.

Экономический эффект от внедрения результатов работы составит 1,4 млн. рублей в год (в ценах до 2005 года).