Горенский Б.М., Кирякова О.В., Даныкина Г.Б. Информационные технологии в металлургии. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Если плотность раствора равна 1.82-1,85 г/см , то в этом ел\чае прекра-

щают подачу хлора, выключают охлаждение и выкачивают раствор с помо-

щью вакуум-насоса. Если же плотность раствора не достигла заданного зна-

чения, то в этом случае продолжают подачу хлора еще некоторое время, до

установления необходимой плотности

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите все основные стадии процесса аффинажа платины.

2. Какие из перечисленных стадий относятся к первой линии очистки

3. Какие стадии относятся ко второй линии очистки?

4. Расскажите об основных технологических параметрах процесса

осаждения ГХПА-1. Напишите реакцию осаждения платины из раствора.

5. Как влияет избыток хлорида аммония на степень осаждения приме-

сей?

6. Расскажите об основных технологических параметрах

процесса хлорирования ГХПА-1.

7. Для чего нужен процесс прокаливания ГХПА-1 и ГХПА-2? Назовите

основные технологические параметры процесса прокаливания. По каким

признакам судят об окончании процесса прокаливания?

8. С какой целью проводится процесс хлорирования? Приведите основ-

ные характеристики процесса хлорирования.

9. Для чего применяется контрольная фильтрация в процессе аффинажа

платины?

10. Охарактеризуйте особенности осаждения ГХПА-2.

11. Поясните различия процессов прокаливания ГХПА-1 и

ГХПА-2.

12. Приведите материальный баланс первой стадии.

13. Составьте уравнение теплового баланса первой стадии.

14. Какие из параметров теплового и материального балансов оказыва-

ют наибольшее влияние на процесс осаждения платины?

Лабораторная работа № 4

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ПЛАВКИ В РУДНО-ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Цель работы. Ознакомиться с технологическим процессом плавки

сульфидных руд в рудно-термических печах (РТП). Научиться навыкам оп-

тимального управления процессом плавки в РТП как с позиции управления

отдельными выходными параметрами, так и управления процессом с пози-

ций системного подхода. Приобрести опыт использования ЭВМ и компью-

терных тренажеров для коррекции хода технологического процесса в случае

отклонения значений контролируемого параметра от оптимального значения.

Психологически подготовиться к управлению процессом при возникновении

аварийных режимов и нештатных ситуаций.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

На предприятиях никелевой промышленности в основном перерабаты-

ваются сульфидные медно-никелевые руды и концентраты, а также окислен-

ные никелевые руды. Переработка медно-никелевых сульфидных руд и кон-

центратов осуществляется в рудно-термических печах (РТП). Высокие тем-

пературы в зоне плавления шихты создают возможность перерабатывать в

электрических печах металлосодержащие материалы практически любого

состава. Однако для получения удовлетворительных технико-экономических

показателей шихта, поступающая в плавку, должна отвечать следующим ос-

новным требованиям: иметь определенную крупность и минимальную влаж-

ность, быть постоянной по составу шлакообразующих компонентов, имен,

определенное содержание серы. Всем этим требованиям отвечает агломерат,

поступающий на плавку.

Одним из основных процессов технологической схемы получения нике-

ля из медно-никелевых сульфидных руд и концентратов является рудно-

термическая плавка медно-никелевого сырья. Показатели процесса плавки в

значительной степени определяют технико-экономические показатели всего

производства в целом.

Работа рудно-термических печей при плавке медно-никелевого суль-

фидного сырья характеризуется следующими технико-экономическими пока-

зателями:

1. Удельный проплав по шихте, т/м

*сут: 8 – 10;

2. Производительность по штейну, т/ч: 15 – 30

3. Удельный расход электроэнергии на 1 тонну шихты: 570-750;

4. Извлечение в штейн, %:

никеля: 94 – 97;

меди: 94 – 96;

кобальта: 75 – 80.

5. Содержание цветных металлов в отвальных шлаках, %:

никеля: 0,07 – 0,12;

меди: 0,08 – 0,15;

кобальта: 0,06 – 0,11.

Плавка медно-никелевого сырья характеризуется высоким выходом

шлаков, с которыми теряется значительное количество цветных металлов.

Так как затраты на сырье при электроплавке сульфидного медно-никелевого

сырья составляют значительную часть, то проблема снижения потерь цвет-

ных металлов (Ni, Co, Сu) с отвальными шлаками является одной из главных

в металлургии никеля.

Для плавки шихты применяют рудно-термические печи трехфазного

тока с шестью самоспекающимися электродами диаметром 1200 мм, заглуб-

ленными на 0,1–0,8 диаметра в расплав. Мощность печей достигает 52 МВт.

Шихту подают на «электроды» из загрузочных бункеров. В состав

шихты входят агломерат, руда, песчаник, конвертерный шлак, уголь. Физи-

ко-химические превращения шихтовых материалов и образование продуктов

плавки происходят, в основном, в ванне печи на поверхности плавающей

шихты, погруженной в шлак. К основным продуктам плавки относятся шлак,

являющийся отвальным продуктом, и штейн, используемый для дальнейшей

технологической переработки. Разделение штейна и шлака происходит

вследствие разности их плотности.

Жидкие продукты плавки выпускают со стороны торцовых стенок пе-

чи.

Кроме штейна и шлака, при плавке образуются газы, состоящие из азо-

та, кислорода, диоксидов серы и углерода (SO

и СО

) и паров воды. Газы

получаются, в основном, в результате термической диссоциации высших

сульфидов и карбонатов и горения углеродистых материалов шихты и элек-

тродов. Теоретическое количество технологических газов электроплавки со-

ставляет не более 120 м

/т шихты, на практике за счет подсосов воздуха –

1100–1200 м

/т.

Основными процессами, проходящими при электроплавке руд и кон-

центратов, являются:

 физико-химические превращения исходных материалов;

 преобразование электрической энергии в тепловую;

 движение твердых и расплавленных материалов и продуктов;

 теплообмен в различных зонах печи;

 движение газов.

Физико-химические процессы, протекающие при электроплавке руд и

концентратов, имеют свои особенности.

Первая особенность электроплавки заключается в том; что все превра-

щения шихтовых материалов происходят, в основном, в ванне печи при

весьма активном участии расплавленного шлака. Расплавленная шлаковая

масса взаимодействует с твердой шихтой одновременно с процессом нагрева

и плавления шихты.

Вторая особенность электроплавки – энергичное восстановление окси-

дов шлака углеродистым восстановителем, вводимым в твердую шихту. Фи-

зической основой этого процесса является конвекционное движение шлака,

обеспечивающее непрерывное прохождение массы шлака через так называе-

мый скользящий контакт с восстановителем. Усиленное восстановление ок-

сидов, находящихся в шлаках, совместно с интенсивным перемещением

шлаков с каплями сульфидов штейна обусловлено значительным перегревом

всей массы шлака и создает условия для глубокой доработки шлаков в элек-

тропечах.

При нагревании шихты до 1000

С в печи протекают процессы термиче-

ского разложения сложных сульфидов, сульфатов, карбонатов и гидроокси-

дов. Наряду с процессами термического разложения в шихте происходит

взаимодействие между различными химическими соединениями. При темпе-

ратуре 1000 – 1300

С получают активное развитие реакции между сульфида-

ми и оксидами.

Сульфиды никеля, меди, кобальта и железа взаимно растворяются и

образуют основной продукт плавки – штейн. В штейне также растворяются

благородные металлы и магнетит. Основными реакциями штейнообразова-

ния являются следующие:

O + FeS = Cu

S + FеО (4.1)

3NiO + 3FeS = Ni

+ 3FeO + 0.5 S

(4.2)

CoO + FeS = CoS + FeO (4.3)

Таким образом, штейн содержит: Cu

S, Ni

, CoS, FeS, Fe

, Fe ме-

таллическое и благородные металлы.

Окисленное железо и другие основные оксиды (CaO, MgO), вступая во

взаимодействие с кремнеземом SiO

, образуют силикаты типа m MeO *

n SiO

, которые, смешиваясь в расплавленном состоянии, образуют другой

продукт электроплавки – шлак. Основными реакциями шлакообразования

являются:

10Fe

+ FeS = 7Fe

+ SO

(4.4)

CaO + SiO

= CaO*SiO

(4.5)

Разделение шлака и штейна в печи происходит вследствие разности их

плотностей, которые составляют  2,9 т/м

для шлака и  5 т/м

для штейна.

При добавке в шихту углеродистого восстановителя (угольный штыб)

шлаки обедняются более эффективно. Взаимодействие оксидов шлака с угле-

родистым восстановителем может быть представлено следующими взаимосвя-

занными реакциями:

(MeO)

шл

+ CO = Me + CO

(4.6)

C + CO

= 2CO (4.7)

При прохождении капелек металлизированного штейна через шлако-

вый слой восстановление оксидов цветных металлов металлическим железом

штейна протекает по реакциям:

(MeO)

шл

+ Fe

шт

= Me

шт

+ FeO

шл

(4.8)

Восстановленные металлы растворяются в штейне и, реагируя с суль-

фидами железа, переходят в сульфидную форму по уравнению:

шт

+FeS

шт

= MeS

шт

+ Fe

шт

(4.9)

Таким образом, восстановление цветных металлов из шлака осуществ-

ляется как углеродистым восстановителем, так и металлическим железом.

Штейн состоит из сульфидов никеля, меди и железа (Ni

, Cu

S, FeS),

а также содержит некоторое количество свободных металлов в виде железно-

никелевого сплава, штейн и благородные металлы. Штейн имеет следующий

химический состав, %: 13,8 – 15,5 Ni; 8,4 – 9,7 Cu; 0,43 – 0,49 Co; 46,6 – 51,0

Fe; 7 – 9 Fe мет, 24,8 – 25,2 S.

Шлаки рудно-термических печей содержат, %: 41 – 75 SiO

; 30 – 36

FeO; 10 – 20 MgO; 3 – 5 CaO; 5 – 12 Al

Кроме того, в шлаке содержится незначительное количество магнетита

и цветных металлов в сульфидной и окисленной формах. Содержание цвет-

ных металлов в шлаке зависит от состава шлака, штейна, их температуры,

условий ведения технологического процесса и обычно составляет 0,06 –

0,11% Ni, 0,08 – 0,13% Cu, 0,04 – 0,08% Co. Температура шлака в печи под-

держивается на уровне 1255 – 1265

С.

Преобразование электрической энергии в тепловую в РТП происходит

как в шлаковом слое ванны, так и в переходном контакте электрод–шлак.

Доля мощности, выделяемой в переходном контакте, уменьшается с увели-

чением заглубления электрода. В результате тепловыделения шлаковый рас-

плав разогревается, максимальный перегрев происходит вблизи электродов.

Здесь же шлак наиболее насыщен газовыми пузырьками. В результате этого

возникает разность в плотностях слоев шлака, что приводит к его циркуля-

ции в ванне электропечи. Токопроводящей частью ванны служит околоэлек-

тродная зона, в которой верхние слои шлака имеют наибольшую температуру

(1350 – 1450

С), нижние слои шлака имеют наименьшую температуру, в ре-

зультате чего наиболее интенсивное плавление шихты происходит на по-

верхности шлака, на поверхности шихтовых конусов обращенных к электро-

ду.

Анализ влияния основных режимных параметров на технологиче-

ский процесс плавки в РТП

Анализ технологического процесса электроплавки медно-никелевого

агломерата в рудно-термических печах показал, что данный процесс отно-

сится к взаимосвязанному технологическому процессу и характеризуется од-

новременным воздействием комплекса управляющих воздействий и случай-

ных возмущений. В данной работе рассмотрено влияние основных управ-

ляющих воздействий на такие выходные параметры процесса, как произво-

дительность, удельный расход электроэнергии, содержание цветных метал-

лов в отвальных шлаках, выбросы вредных веществ в атмосферу и темпера-

тура шлака, измеренная на выпуске. В качестве основных управляющих воз-

действий используются электрические параметры и загрузка шихты по от-

дельным составляющим. Выбор управляющих параметров обусловлен их ве-

сомым влиянием на процесс. В качестве управляемых (выходных) парамет-

ров выбирали такие, которые характеризуют процесс с различных сторон, т.е.

позволяют оценить технические, энергетические и экологические аспекты,

отражающие процесс плавки медно-никелевого агломерата в РТП.

Важной особенностью предлагаемой имитационной модели является

возможность исследования процесса электроплавки с позиций системного

подхода. Это дает возможность оценить влияние управляющих параметров

не на один из основных выходных технологических параметров, как это при-

нято в заводской практике, при использовании локальных систем автомати-

ческого управления и регулирования, а на все основные выходные парамет-

ры, характеризующие процесс в целом. Данный подход позволяет проверить

эффективность управляющих воздействий и выбрать такой режим, который

является оптимальным для достижения высоких технико-экономических по-

казателей процесса электроплавки в целом.

Определяющее влияние на процесс электроплавки оказывают следую-

щие параметры.

Одним из основных показателей электроплавки является удельный рас-

ход электроэнергии на 1 тонну шихты, зависящий в большей степени от ее

состава. Чем больше содержание в шихте пустой породы, содержащей туго-

плавкие компоненты, тем больше теплопотребление шихты и тем выше рас-

ход электроэнергии. Расход электроэнергии получается тем ниже, чем выше

коэффициент загрузки трансформаторов и соответственно выше проплав пе-

чи. Для снижения расхода электроэнергии следует загружать в электропечь

шихту в горячем состоянии.

Большое значение для работы электропечи имеют электропроводность

шлака и толщина его слоя в ванне печи. При работе на глубокой ванне мож-

но увеличивать подэлектродное сопротивление и, следовательно, напряжение

вторичной обмотки трансформатора. Это очень выгодно для увеличения

мощности, подаваемой на печь, так как увеличивать силу тока сверх опреде-

ленного максимума нельзя из-за перегрева обмоток трансформатора. Режим

работы электропечи при высоком напряжении и минимальном значении си-

лы тока является наиболее экономичным и позволяет снизить удельный рас-

ход электроэнергии на 3 тонны перерабатываемой шихты. Для уменьшения

удельного расхода электроэнергии необходимо повысить электропровод-

ность шлака, что может быть достигнуто за счет снижения содержания SiO

шлаке и увеличения подачи углеродистого восстановителя.

Важным параметром, характеризующим эффективность электроплавки

медно-никелевых руд и концентратов, является снижение потерь никеля, ме-

ди и кобальта с отвальными шлаками. При электроплавке принято рассмат-

ривать три вида потерь цветных металлов в шлаке: химические, физические и

механические. При плавке сульфидных медно-никелевых руд и концентратов

химические потери связаны с неполным сульфидированием оксидов метал-

лов. Физические потери обусловлены растворением в шлаке сульфидов. Ме-

ханические потери имеют место при неполном разделении шлака и штейна и

возникают вследствие запутывания в шлаке мельчайших капель жидкого

штейна.

На химические потери цветных металлов со шлаком существенное

влияние оказывает содержание кислорода в газовой фазе. Во всех случаях,

когда процесс протекает при сравнительно невысоком парциальном давлении

кислорода (в нейтральной или восстановительной атмосфере в печи) химиче-

ские потери никеля, меди и кобальта уменьшаются. Повышение температуры

шлака способствует увеличению содержания растворенных цветных метал-

лов в шлаке, т.е. увеличивает физические потери.

На содержание растворенных цветных металлов большое влияние ока-

зывает состав шлака. Установлено, что с повышением содержания оксидов

железа в шлаке химические и физические потери металлов увеличиваются.

На механические потери цветных металлов со шлаками влияют сле-

дующие факторы: возрастание вязкости расплава, снижение градиента плот-

ностей шлака и штейна, увеличение глубины шлаковой ванны, интенсив-

ность конвекции шлака, крупность частиц сульфидов, содержание цветных

металлов в штейне.

Определенное значение для механических потерь металлов имеет газо-

вая флотация в растворах мелких взвешенных частиц. Если количество выде-

лившихся из шлака газов будет достаточно большим, то это приведет к выно-

су пузырьками газа мелких частиц штейна в поверхностный шлаковый слой,

где мелкие капли сливаются в более крупные и затем оседают в штейн. По-

этому чем более газов образуется в шлаке, тем меньше потери со шлаком ни-

келя, кобальта и меди.

Большое влияние на потери металлов со шлаком оказывает темпера-

турный режим процесса плавки. Повышение температуры шлака приводит к

снижению вязкости и, в большинстве случаев, к увеличению межфазного на-

тяжения. Обе эти причины способствуют снижению механических потерь со

шлаком, хотя при повышении температуры несколько возрастает раствори-

мость цветных металлов в шлаковых расплавах. Однако суммарный эффект

снижения содержания цветных металлов от повышения температуры, как

правило, положительный.

Температура шлака по высоте слоя, несмотря на интенсивное конвек-

ционное перемешивание, неодинакова. В слое шлака под электродом темпе-

ратура медленно снижается и на границе раздела «шлак-штейн» из шлака

возможно выделение наиболее тугоплавких компонентов в виде твердых

кристаллов, сильно повышающих его вязкость. Вследствие этого опять начи-

нается обогащение шлака цветными металлами за счет задержавшихся в нем

капелек штейна. Отсюда следует, что для получения шлака, обедненного

цветными металлами, важно поддерживать на определенном уровне темпера-

туру как в верхних слоях шлака, так и в нижних.

Добавка в шихту плавки медно-никелевых концентратов небольшого

количества (2 – 3%) углеродистого восстановителя уменьшает потери цвет-

ных металлов со шлаком. Добавка углеродистого восстановителя приводит

также к увеличению производительности и некоторому незначительному

увеличению SO

за счет увеличения сульфидов.

Как показывает анализ влияния основных, технологических параметров

на процесс, важное значение приобретает поддержание параметров в опреде-

ленных границах. Это может быть достигнуто как применением более эф-

фективных средств автоматизации, так и повышением квалификации рабо-

чих.

Материальный и тепловой балансы плавки в РТП

При электроплавке медно-никелевого агломерата в РТП протекает

сложный комплекс взаимосвязанных физико-химических превращений: из-

менение агрегатного состояния вещества (твердое – жидкое – газообразное),

химические реакции, характеризующие взаимодействие основных элементов

и окислительно-восстановительные процессы, массо- и теплоперенос в ак-

тивной зоне печи, механическое движение потоков расплава и газа (газогид-

родинамика) и т.д.

Математическое описание процесса в рудно-термической печи исполь-

зуют при создании динамических моделей, описывающих поведение процес-

са во времени. Синтез математических моделей основан на дифференциаль-

ных уравнениях мгновенных балансов веществ, принимающих участие в

процессе, и энергии, получаемой в ходе процесса. Данные модели применяют

для построения уравнений материального и теплового баланса, на базе кото-

рых построены имитационные модели функционирования РТП по различным

входным и выходным параметрам.

Уравнения материального баланса процесса плавки в РТП по основ-

ным элементам представим как систему с сосредоточенными параметрами в

следующем виде:

3121112010

)(

CGCGCGCGGGCG

VCd

гпшлкшSiOCаг



(4.10)

уравнение теплового баланса имеет вид:

)

)()()(

штштштшлшлшл

вpогоговрpSiOSiO

cccaaакшкшкшЭ

TLGTLG

TTLGTThFTsioTLG

THGTHGTLGIK









(4.11)

где V

– объем реакционной зоны РТП;

– концентрация металлов в реакционной зоне;

, G

SiO2

, G

кш

– входные потоки агломерата, восстановителя, диоксида

кремния, конвертерного шлака соответственно;

, С

– концентрация металлов в агломерате и конвертерном шлаке;

– концентрация цветных металлов в отвальном шлаке;

– количество выносимой пыли;

– концентрация металлов в пыли;

– количество выбрасываемого в атмосферу газа;

– концентрация основных элементов в газе;

I – ток электрода;



– удельное сопротивление расплава шлака;

– коэффициент, учитывающий степень преобразования электрической

энергии в тепловую;

кш

, L

SiO2

, L

ог

, L

шт

, L

шл

– теплоемкость заливаемого конвертерного шлака,

диоксида кремния, отходящих газов, штейна и шлака соответственно;



– тепловой эффект реакции сгорания серы и угля соответствен-

но;

кш

, T

, Т

SiO2

, T

ов

, Т

шл

, Т

шт

– температура конвертерного шлака,

загружаемого агломерата, кокса, расплава, диоксида кремния, охлаждающей

воды, воздуха, шлака и штейна соответственно;

h – коэффициент теплопередачи от расплава к окружающей среде;

F – площадь стенок печи;

ог

шл

, G

шт

– количество отходящих газов, выпускаемого шлака и

штейна соответственно.

Равновесное состояние уравнений материального и теплового балансов

характеризует режим работы РТП, при котором количество поступающего

сырья равно количеству получаемых продуктов и потере с отвальными шла-

ками и отходящими газами, а количество тепла, поступающего в РТП, равно

количеству тепла, теряемого печью. Левая часть выражений может быть оце-

нена как равновесное материальное и тепловое состояние расплава в ванне

РТП. При этом материальный баланс позволяет определить потери цветных

металлов с отвальными шлаками и выбросы вредных веществ в атмосферу с

отходящими газами. Тепловой баланс позволяет определить температуру

расплава, которая оказывает определяющее влияние на технико-

экономические параметры работы РТП. Анализ уравнений физико-

химических превращений и уравнений материального и теплового балансов

показывает, что к основным управляющим воздействиям относятся количе-

ство загружаемого агломерата, угля, кокса, конвертерного шлака, вводимая

мощность, ток нагрузки электродов, заглубление электродов и напряжение,

подаваемое на электроды. Основными управляемыми параметрами, по кото-

рым производится оценка эффективности процесса, являются температура

расплава шлака, удельный расход электроэнергии, потери цветных металлов

с отвальными шлаками, выбросы вредных веществ в атмосферу, производи-

тельность РТП.

ОПИСАНИЕ ТРЕНАЖЕРА

Отличительной особенностью предлагаемого тренажера для обучения

плавильщиков РТП является использование системного подхода к управле-

нию процессом и. как следствие, системного подхода к обучению рабочих

плавильных цехов. Основой функционирования компьютерного тренажера

является математическая модель, для функционирования которой в реальном

масштабе времени разработано программное обеспечение.

Программа функционирования тренажера составлена под Windows в

системе Delphi. Основной язык программирования Object Pascal. Компью-

терный тренажер включает в себя системный блок, предназначенный для об-

работки вводимой информации, монитор и органы управления (клавиатура и

«мышь»). Мнемосхема процесса, реализуемого с помощью компьютерного

тренажера, представлена на экране монитора (рисунок 4.1). Тренажер состо-

ит из рудно-термической печи, системы перемещения электродов, системы

загрузки шихты по отдельным составляющим, системы выпуска шлака и

штейна, системы охлаждения РТП посредством прокачиваемой через кессо-

ны воды, пульта оператора, на котором представлена основная регулирую-

щая и контрольно-измерительная аппаратура, применяемая для управления

процессом и контроля за ходом технологического процесса, и графика изме-

нения основного технологического параметра, по которому производится

управление.

Элементами управления компьютерного тренажера для обучения пла-

вильщиков РТП являются следующие функциональные кнопки и клавиши,

расположенные в верхней части экрана (рисунок 4.1).

Рис. 4.1 – Мнемосхема компьютерного тренажера

«Исследование процесса плавки в РТП

Клавиша «режим работы» позволяет выбрать один из возможных ре-

жимов работы: обучение, советчик, контроль знаний, управление с прогно-

зом изменения основных параметров.

Клавиша «регулируемый параметр» позволяет выбрать, один из воз-

можных регулируемых параметров: температуру расплава шлака Т

шл

С,

удельный расход электроэнергии W

, кВт*ч/м, производительность П, т/ч,

концентрацию никеля в шлаке С

, %, количество выбрасываемого в атмо-

сферу диоксида серы Gso

, т/ч.

Клавиша «временная задержка» позволяет выбрать режимы: без учета

постоянной времени объекта (применяется для наглядного исследования

влияния управляющих воздействий на различные выходные параметры); с

учетом постоянной времени объекта (учитывается постоянная времени по

разным каналам управления).

Клавиша «выбор типа модели» позволяет выбрать модель: без учета

флуктуации (данная модель позволяет рассчитать значения управляемых па-