Моделирование потока газа в печи автогенной плавки медного концентрата в ANSYS CFX

Д.В.Мамонтов, канд. техн. наук, доцент,
Е.Е.Мамонтова, аспирант,
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (г.Владикавказ)

Введение

В настоящее время 70-75% черновой меди по­лучают в печах автогенной плавки различной конструкции. Суть процесса заключается в том, что сульфидная шихта интенсивно обдувается потоком воздушного дутья, в котором сульфиды окисляются с выделением тепла, достаточного для плавления материала. Наиболее известными типами печей автогенной плавки являются печь Ванюкова, печь кислородно-взвешенной плав­ки (КВП), кислородно-факельной плавки (КФП), печи компаний Outokumpu, Noranda и др.

Рис. 1. Схема печи КВПЭН

Во всем мире проводятся исследования, направленные на усовершенствование конс­трукций и повышение экономической эффектив­ности автогенных процессов. В Северо-Кавказ­ском горно-металлургическом институте ведет­ся аналогичная работа. Авторами данной статьи получен патент на полезную модель [1] печи кис­лородно-взвешенной плавки с электронагревом (КВПЭН). Отличительной особенностью данной конструкции является размещение в отстойной зоне печи четырех самоспекающихся электро­дов. Причем три фазных электрода расположе­ны в вершинах воображаемого равностороннего треугольника, а четвертый, нулевой электрод, установлен в центре этого треугольника с воз­можностью перемещения вдоль вертикальной оси. Такое расположение электродов защищено патентом на изобретение [2].

Печь КВПЭН работает следующим обра­зом. Шихта в потоке обогащенного кислоро­дом дутья через горелку 1 (рис. 1) поступает в реакционную шахту 2, где в условиях высокой температуры происходит окисление сульфидов с выделением тепла и плавка шихты. Капли расплавленного материала падают в расплав, расположенный в отстойной секции печи, где за счет разности плотностей материал разделяет­ся на штейн 6, содержащий медь и ее соедине­ния, и шлак 5, в котором концентрируются менее ценные компоненты. Штейн выводится из печи через шпуровое отверстие или сифон 4. Шлак выводится через шпуровое отверстие 8. Газы и пыль, выделяющиеся в процессе плавления, от­водятся через газоход 9.

Рис. 2. Поле скоростей в турбинной ступени

Рис. 3. Поле скоростей в продольном сечении печи

В середине отстойной секции расположе­ны погруженные в расплав четыре самоспека­ющихся электрода 10. Центральный электрод подключен к нулевой фазе. Он позволяет из­менять величину тока в фазных электродах, а следовательно, используется для выравнивания и регулирования мощности, выделяемой фаз­ными электродами, иными словами — для регу­лирования температуры в отстойной зоне. Для увеличения мощности нулевой электрод углуб­ляют в расплав, для уменьшения — поднимают.

Углерод самоспекающихся электродов в процессе работы восстанавливает оксиды меди в шлаке, что приводит к снижению потерь меди со шлаком. Применение четвертого электрода позволяет не только выровнять выделение мощ­ности по объему расплава, но и уменьшить раз­личие напряжений в фазных токах.

В рамках расчета технологических пара­метров печи КВПЭН было проведено моделиро­вание потока газа по всей траектории его дви­жения внутри печи. Этот параметр оказывает существенное влияние на показатели пылевы- носа и длительность компании печи. Для моде­лирования процессов в печи использовался про­граммный продукт ANSYS CFX 11.0 — один из наиболее мощных сегодня коммерческих CFD- пакетов, предназначенных для численного мо­делирования разнообразных газодинамических процессов.

С целью последовательного приближения расчета к реальным физическим процессам на данном этапе проводилось два расчета. В пер­вом из них моделировалась подача газа в рабо­чую зону печи без подачи концентрата, при этом анализировались только поля скоростей основ­ного газа. Во втором расчете учитывалась при­месь к основному газу в виде массового расхода концентрата, представляющего собой дисперси­онную среду из сферических твердых частиц.

Были использованы модель турбулентнос­ти k-£ и модель лагранжевых частиц. В исходных данных учтены температура и состав входящей газовой смеси, температуры и состояние повер­хности зеркала расплава, стенок и свода печи, а также размер и форма частиц шихты.

Относительно реального физического про­цесса были сделаны следующие допущения: среда подается в печь уже нагретой и с соста­вом продуктов сгорания; частицы не прилипают к поверхностям; взаимодействие со стенкой аб­солютно упругое; поверхность расплава непо­движна; электроды не являются источниками теплового потока; горение отсутствует.

Расчетная сетка (гексаэдрическая неструк­турированная) была построена в ANSYS ICEM CFD (рис. 2). Сетка генерировалась путем со­здания блочной структуры и дальнейшего пре­образования ее в неструктурированный тип. В зоне расположения электродов применена «О»-сетка, позволяющая более точно описать геометрию модели. Общее количество элемен­тов расчетной сетки составило более 990 тыс. элементов.

Расчет проводился на персональном ком­пьютере с процессором Core2Duo Е6300 и объ­емом оперативной памяти 4 Гбайт. Использо­ванный объем памяти при расчете — 1,4 Гбайт. Решение достигло сходимости по невязкам ос­новных параметров 1е-4 за 160 итераций.

Анализ результатов расчета

Первый расчетный случай

Продольный срез картины скорости потока по всей длине рабочего пространства печи показан на рис. 3.

В области входа наблюдается устойчивое истечение затопленной струи (рис. 4). Наличие тупиковых зон с одной стороны камеры придает течению несимметричность на выходе. Основ­ная часть потока устремляется по направлению к выходу, при этом небольшая часть рабочего тела заходит в тупиковые области.

На выходе из камеры поток существенно перестраивается (рис. 5 и 6).

По краям канала образуются парные вих­ри, а в его центре скорость потока снижается. По мере приближения к зоне электродов поток уменьшает скорость и неравномерность (рис. 7).

Общая картина течения в горизонтальной плоскости выглядит так, как показано на рис. 8.

Проходя над зеркалом расплава к электро­дам, поток существенно выравнивается. В зоне расположения электродов неравномерность скорости увеличивается из-за различных про­ходных сечений между соседними электродами и стенкой (рис. 9). По внешним краям боковых электродов скорость потока заметно возраста­ет, что может вызвать износ футеровки и нали­пание на нее частиц шихты.

Несмотря на симметричное расположение электродов, условия обтекания каждого из них заметно различаются. Первый по ходу потока электрод «затеняет» центральный. Два боковых также частично находятся в тени центрального, но за счет большого расстояния до стенки поток устремляется в обход группы электродов. Неста­ционарное вихреобразование, наблюдаемое на боковых электродах, несколько выравнивает картину течения за группой электродов. В даль­нейшем поток выходит через газоход с двойным поворотом на 90^о. Резкие изменения углов вы­ходного патрубка интенсифицируют отрывы по­тока в месте поворота. Данная неравномерность сохраняется до выхода из модели (рис. 10).

Анализ результатов проведенного расчета показывает приемлемое снижение скорости отходящего газа и, следовательно, снижение пы- левыноса из рабочего пространства печи, а так­же необходимость перепрофилирования газохо­да для уменьшения неравномерности потока.

Рис. 4. Поле скоростей в поперечном сечении печи вблизи от входа

Рис. 5. Скорость потока на расстоянии 3 м от оси сопла

Рис. 6. Скорость потока на расстоянии 4 м от оси сопла

Рис. 7. Поток на расстоянии 1 м от первого электрода

Рис. 8. Общая картина течения в горизонтальной плоскости

Рис. 9. Картина скоростей потока в зоне электродов

Второй расчетный случай

Второй расчетный случай отличается наличием фазы концентрата, представленной сферичес­кими частицами заданного диаметра. В модели рассчитывается двустороннее взаимодействие основной фазы и частиц. За счет этого поля ско­ростей изменяются по сравнению с первым слу­чаем. Траектории движения частиц определяют­ся с учетом упругого взаимодействия со стенкой.

Рис. 10. Выход потока из печи

Распределение концентраций примеси в основном схоже с картиной течения перво­го варианта — основная часть концентрата устремляется в обход группы электродов (рис. 11). Этот факт, несомненно, говорит о по­вышенной нагрузке на футеровку в зоне элект­родов, но вследствие относительно низких ско­ростей газа и частиц в этой области критически быстрого износа стен или налипания частиц на­блюдаться не будет.

Рис. 11. Траектории движения частиц концентрата

В дальнейшем мы планируем провести расчет горения газовой смеси с учетом входного устройства в камеру. Это позволит определить тепловые характеристики процесса, эпюры тем­ператур и возможные термонапряжения в кон­струкции.

Литература:

1. Патент на полезную модель № 64331. Печь автогенной плавки сульфидного сырья на штейн.
2. Патент 2146794 (РФ). Рудно-термическая печь / Воро­нин П.А., Алкацев М.И., Давидсон А.М., Мамонтов Д.В. 1998.