Mathematical modelling of the thermal regime of a ladle- furnace unit considering internal heat sources

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We apply mathematical modelling to study heat transfer processes during fire refining of blister copper in a ladle-furnace unit. A ladle-furnace unit was designed to test the refining technology using bottom blowing in a bubble mode by gaseous reducing agents (hydrocarbons) and an oxidiser. Mathematical modelling allows the properties of a real process to be described based on mathematical formalisation of physical laws and regularities. It was proposed to use gaseous reducing agents, rather than expensive residual fuel, as a liquid-reducing agent. The use of gaseous reducing agents in the bottom blowing mode produces higher technical and economic indicators of the process. In addition, some technological operations were transferred directly to the ladle, thereby eliminating the need for re-melting and heating of refined copper. One of the identified problems was the need to maintain the predetermined thermal regime, which provides the very possibility of both performing refining operations and introducing a gaseous reagent (determining the hydro-gas-dynamic parameters) into the melt during bottom blowing. An original method for considering the thermal effects of chemical reactions in mathematical models was presented using an example of exothermic reactions during oxidative refining. The use of two different methods of analysis allowed a comprehensive assessment of the influence of the main exothermic reactions on the thermal regime of the refining process. The presented mathematical models can be used for determining the specific effect of various technological parameters (composition and fuel consumption, temperature and degree of blast enrichment, lining design, etc.) on the dynamics of changes in the temperature field of the melt and the technical and economic parameters of melting as a whole.

About the authors

D. D. Cheremisin

Uralenergochermet JSC

Email: e1.ry@e1.ru

S. A. Novokreschenov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: novokreschenov@e1.ru

V. S. Shvydkiy

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: vshvit_1@isnet.ru

V. P. Zhukov

Uralmekhanobr JSC

Email: zhukov.v.p@mail.ru

References

  1. Dong Joon Min, Tsukihashi F. Recent advances in understanding physical properties of metallurgical slags // Metals and Materials International. 2017. Vol. 23. Iss. 1. P. 1–19. https://doi.org/10.1007/s12540-017-6750-5
  2. Sarfo Prince, Young Jamie, Ma Guojun, Young Courtney. Characterization and recovery of valuables from waste copper smelting slag // Advances in Molten Slags, Fluxes, and Salts: Proceedings of the 10th International Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts (Berlin, 1st January 2016). Berlin: Springer, Cham, 2016. P. 889–898. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48769-4_95
  3. Шнеерсон Я.М., Иванова Н.Ф. Применение автоклавных методов для рафинирования труднообогатимых медных полиметаллических концентратов // Цветные металлы. 2003. № 7. С. 63–67.
  4. Davenport W.G., King M.J., Schlesinger M.E., Biswas A.K. Extractive metallurgy of copper. London: Oxford, Pergamon, 2002. 452 p.. URL: https://www.elsevier.com/books/extractive-metallurgy-ofcopper/davenport/978-0-08-044029-3 (12.05.2021).
  5. Комков А.А., Камкин Р.И. Поведение меди и примесей при продувке медеплавильных шлаков газовой смесью СО–СО2 // Цветные металлы. 2011. № 6. С. 26–31.
  6. Coursol Р., Valencia C.N., Mackey V.Р., Bell S., Davis B. Minimization of copper losses in copper smelting slag during electric furnace treatment // JOM. 2012. Vol. 64. No. 11. P. 1305–1313. https://doi.org/10.1007/s11837-012-0454-6
  7. Лукавый С.Л., Федоров А.Н., Хабиев М.П., Хабиев Р.П., Мин М.Г. Исследование динамической вязкости высокомедистых шлаковых расплавов // Цветные металлы. 2012. № 2. С. 32–35.
  8. Булатов К.В., Жуков В.П. Технологические возможности металлургической переработки промпродуктов обогащения полиметаллических руд и обеднения шлаков медеплавильного производства в агрегате «Победа» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 421–433. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-421-433
  9. Паньшин А.М., Якорнов С.А., Скопов Г.В. Переработка техногенных отходов металлургических предприятий Уральской горно-металлургической компании // Техноген-2019: сб. науч. тр. Екатеринбург: УрО РАН, 2019. С. 29–34.
  10. Selivanov E.N., Popov A.I., Selmenskikh N.I., Lebed A.B. Oxide inclusions in copper during its fire refining // Non-ferrous Metals. 2013. No. 2. P. 19–22.
  11. Жуков В.П., Холод С.И., Лисиенко В.Г., Лаптева А.В. Возможность оптимизации состава шихты анодной плавки черновой меди методом математического планирования // Цветные металлы. 2017. № 9. С. 35– 38. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.09.05
  12. Жмурова В.В., Немчинова Н.В., Васильев А.А. Гидрохимическая очистка от меди и свинца золотосодержащих катодных осадков // Цветные металлы. 2019. № 8. С. 64–74. https://doi.org/10.17580/tsm.2019.08.07
  13. Жуков В.П., Новокрещенов С.А., Агеев Н.Г. Математическое моделирование кинетики восстановления оксида меди (I) продуктами неполного сгорания природного газа. Сообщение 2 // Известия вузов. Цветная металлургия. 2013. № 3. С. 58–62.
  14. Широков А.В., Пискунов И.Н., Миллер О.Г. Исследование кинетики раскисления меди продуктами неполного сгорания природного газа // Цветная металлургия. 1966. № 11. С. 34–37.
  15. Вольхин А.И., Елисеев Е.И., Жуков В.П., Смирнов Б.Н. Анодная и катодная медь: физико-химические и технологические основы. Челябинск: Южно-Уральское книжное изд-во, 2001. 431 с.
  16. Швыдкий В.С., Новокрещенов С.А., Гольцев В.А., Берняев О.Г. Разработка математической модели теплового режима печи-ковша для проведения процессов огневого рафинирования меди // Творческое наследие Б.И. Китаева: тр. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Екатеринбург, 11–14 февраля 2009 г.). Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2009. С. 324–328.
  17. Новокрещенов С.А., Швыдкий В.С., Жуков В.П., Овчинников Ю.Н., Черемисин Д.Д. Математическое моделирование гидродинамики пузырькового режима при донной продувке печи-ковша. Сообщение III // Известия вузов. Цветная металлургия. 2013. № 5. Р. 58– 62. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2013-5-58-62
  18. Новокрещенов С.А., Швыдкий В.С., Жуков В.П., Черемисин Д.Д. Математическое моделирование теплового режима печи-ковша при пузырьковой продувке расплава газом. Сообщение IV // Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. № 1. Р. 72–78. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-72-78
  19. Шиляев М.И., Толстых А.В., Деренок А.Н., Хромова Е.М. Моделирование тепломассообмена при формировании пузырей в барботажных аппаратах // Теоретические основы химической технологии. 2003. Т. 37. № 6. С. 575–583.
  20. Pis'menov S.A., Povolotskii D.Ya., Ustyugov A.A. Bath hydrodynamics with gas injection in a ladle-furnace unit: physical modeling // Steel in Translation. 2007. Vol. 37. No. 3. P. 189–190. https://doi.org/10.3103/S0967091207030023
  21. Пиптюк В.П., Поляков В.Ф., Самохвалов С.Е., Исаев О.Б., Павлов С.Н., Травинчев А.А. Изучение теплового состояния ванны установки ковш-печь // Металлург. 2011. № 7. С. 50–53.
  22. Драганов Б.Х., Алмаев Р.А. Анализ динамики и теплообмена паровых пузырьков в газожидкостной среде // Енергетика i автоматика. 2014. № 3. C. 21–26.
  23. Новокрещенов С.А., Жуков В.П., Черемисин Д.Д., Холод С.И. Математическое описание внутренних источников тепла в процессе огневого рафинирования меди в печи-ковше // Цветные металлы. 2011. № 4. С. 28–30.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).