Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период 2019 - 2020 годов по проекту РНФ «Разработка теоретических основ и программного обеспечения для моделирования переработки металлургических отходов плавильно-восстановительным процессом в электропечи с подовыми электродами», № 19-79-00118 был выполнен весь запланированный объём работ и опубликованы две статьи, а также подготовлены и отправлены в редакцию журналов еще три дополнительные статьи. Результаты работы по проекту представлены на двух международных профильных конференциях и в качестве приглашенного доклада в Йенском университете имени Фридриха Шиллера в г. Йена, Германия. Настоящий проект посвящен разработке физической и математической моделей, аналитико-численных методов и программного продукта для исследования процесса выплавки металлов из исходного сырья с малым и особо малым содержанием металлов с минимальными энергетическими затратами и в отсутствии загрязнения окружающей среды в промышленных масштабах. Согласно данным Всемирной ассоциации стали Российская Федерация принадлежит к 10 ведущим производителям стали в мире. Производство стали и цветных металлов высокого качества является определяющим фактором в развитии большинства современных производств. Каждый год Россия производит порядка 70 млн. тонн стали. В условиях высоких и неустойчивых цен на металлолом и руды с высоким содержанием выплавляемого металла, используемые в производстве стали, становится актуальной задача использования металлизированного сырья и, следовательно, техногенных отходов (шлака, пыли, шлама и т.д.) в качестве частичной замены традиционных типов исходного сырья для выплавки металлов. Накопленные ранее и воспроизводимые в настоящее время на металлургических предприятиях техногенные отходы делают необходимым разработку новых, энергоэффективных, экологически чистых технологий утилизации и переработки отходов металлургического производства. В проекте предлагается метод позволяющий осуществлять выплавку металла из исходного сырья с малым и особо малым содержанием металлов. На данный момент не существует эффективных промышленных методов для выплавки металлов из исходного сырья с процентным содержанием выплавляемого металла менее 40 %. В предлагаемом методе выплавка металлов возможна уже при содержании выплавляемого металла порядка 10-15 % и менее, затрачивая на выплавку единицы готовой продукции соизмеримое, а при достаточной степени оптимизации и использовании в промышленных масштабах меньшего количества энергии на единицу готовой продукции. Также предлагаемый метод отличается высокой степенью экологической безопасности, в отличие от большинства других электрометаллургических печей отсутствует горение дуги, которое производит большое количество трудноуловимой пыли и шумового загрязнения окружающей среды, делая необходимым разработку систем вентиляции и пылеудаления. В предлагаемом методе возможна полная или частичная герметизация рабочей части установки. Предлагаемый метод не имеет аналогов в мире и позволяет открыть в будущем, при достаточном теоретическом исследовании, новое направление в металлургии. Особо следует отметить, что в предлагаемом методе используются исходные материалы, непригодные для выплавки металлов и являющиеся, как правило, отходами существующего производства или рудами, не используемыми в настоящее время в виду малого содержания выплавляемого металла. Этот факт позволяет считать тематику проекта значимой не только в контексте экономики металлургической промышленности, но и крайне важном, с точки зрения экологии, в контексте безопасной утилизации промышленных отходов, снижения загрязнения вредными веществами атмосферы, воды и почвы. Актуальность этого положения не раз отмечалась Президентом и Правительством. В основе технологии лежит использование углеродотермического восстановления оксидных материалов, в том числе техногенных отходов, в печи, где основная часть энергии, необходимой для процесса, выделяется в шлаковой ванне при прохождении через нее электрического тока. Дополнительное тепло, как альтернативу электроэнергии, получают при продувке ванны металла кислородом в результате окисления углерода. При использовании постоянного тока определенное развитие получает электролиз, обеспечивая осаждение восстанавливаемого металла из шлакового расплава на катоде. Основной идеей предложенной в проекте является снижение расходов на изготовление пробных установок для выплавки металла и снижение затрат на экспериментальное изучение характеристик новой установки при помощи численного моделирования всего комплекса процессов во время выплавки металлов в предложенной установке. Также существенно снижается время разработки новой установки, что позволяет в кратчайшие сроки рассчитать и изготовить установку с наперед заданными характеристиками для конкретного производства или промышленного предприятия. Выплавка металлов представляет собой сложный физический и химический процесс, протекающий при особо высоких температурах и тем самым, сводит к минимуму возможности проведения прямых экспериментальных исследований и выдвигает особые требования к созданию адекватной физической и математической моделей процессов в металлургической печи, а также необходимость создания программного продукта для численного моделирования. В ходе работы по гранту сформулирована математическая модель и вычислительный алгоритм, а также выполнена программная реализация в виде программного продукта собственной разработки для численного моделирования процессов выплавки металла с использованием принципиально нового метода в печи с подовыми электродами. Разработаны новые и усовершенствованы уже существующие пакеты прикладных программ для моделирования процессов выплавки металлов, которые включают следующие расчеты: нагрев и плавление шихты, физико-химические процессы в расплаве металла, выпуск готового продукта. Внедрение полученных результатов сможет привести к росту производительности, экономии энергии, улучшению экологического состояния, широкому распространению новых электрометаллургических технологий. Для отладки методов и подходов к численному моделированию процессов выплавки металлов, полученные результаты сравнивались с экспериментальными данными для проверки выбранной физической и математической моделей, а также применяемой расчетной схемы. Метод численного моделирования позволил понять суть процессов, протекающих в установке для выплавки металлов, приступить к ее эффективной оптимизации и путем варьирования параметров установки добиться снижения стоимости выплавляемого металла, а также снижения загрязнения окружающей среды металлургическим производством, тем самым поднимая экономическую рентабельность предложенного метода и улучшая экологическую обстановку. Созданная необходимая теоретическая база, а также детальная физическая и математическая модели и их реализация в виде численных алгоритмов и компьютерных программ, позволяют провести разработку, основываясь на численном моделировании, прототипа установки мощностью 1…3 тыс. т. жидкого чугуна в год с целью наработки технологической и технико-экономической базы, необходимых для создания промышленной установки производительностью 20…50 тыс. т. металлизованного сырья в год. Дальнейшая реализация проекта сделает возможным сформировать технические требования и экономическое обоснование для создания и развития экспериментальной установки по изучению рассматриваемого инновационного метода выплавки металлов. Дальнейшие работы с предлагаемой установкой запланировано проводить в кооперации с ведущими металлургическими предприятиями Урала, регулярно сотрудничающими с Уральским федеральным университетом (УГМК, РМК и др.). В дальнейшем использование полученных методов численного моделирования позволит установить фундаментальные особенности ряда физических процессов, обосновать и усовершенствовать различные технологические процессы, например, электрометаллургические технологии, электрометаллургические печи постоянного и переменного тока, электродуговую сварку металлов и прочее. Результаты исследований опубликованы в двух статьях и подготовлены еще три статьи в научные журналы из списка ВАК, баз цитирования Scopus и Web of Science, а также представлены на двух международных профильных научных конференциях и одном приглашенном докладе в Йенском университете имени Фридриха Шиллера в г. Йена, Германия. Готовится заявка на получение патента на предложенный метод выплавки металлов. Публикации по теме проекта 1) Kazak O., Starodumov I. Comparison of argon injection and other methods of electrovortex flow control in metallurgical furnaces. Eur. Phys. J. Spec. Top. 229, Pp. 475–483 (2020). https://doi.org/10.1140/epjst/e2019-900141-8 (опубликована) 2) Kazak O.V., Starodumov I.O. 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng.709 044032 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/709/4/044032/pdf (опубликована) 3) Kazak O. The method for the control of vortex flow intensity by changing the bottom position in DC arc furnace with bottom electrode Ironmaking & Steelmaking – Taylor & Francis Online (подготовлена и подана в редакцию) 4) Oleg Kazak, Ilya Starodumov Simulation of the electromagnetic processes in a metallurgical furnace with two bottom electrodes IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (2020 г.) (подготовлена и подана в редакцию) 5) Oleg Kazak, Ilya Starodumov Simulation of electromagnetic parameters in a laboratory installation IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (2020 г.) (подготовлена и подана в редакцию)