» » Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена
17.01.2015

В процессе металлизации молибденсодержащих материалов, состоящих из триоксида молибдена и железной окалины, состав шихты и целевого продукта определяется соотношением основных компонентов, которое позволяет получить конечный продукт с массовой долей молибдена от 5 до 70 %. Исходные компоненты шихты измельчают, брикетируют и восстанавливают газовой смесью. Полученную губку подвергают дроблению и повторному брикетированию для увеличения плотности металлизованных материалов до 4,5...6,1 г/см3, К числу недостатков такого состава шихты (8...85 % MoO3, остальное - железо) следует отнести низкую скорость металлизации триоксида молибдена газовой смесью по сравнению с комбинированным восстановлением твердым углеродом и конвертированным природным газом.
В отечественной практике получила развитие и длительное время эксплуатировалась технология производства металлизованного молибденового концентрата в шахтных электропечах из брикетированной шихты, параметры которой совершенствовались и оптимизировались. Целью работы была разработка технологических параметров восстановления молибдена из концентрата и состава шихты, а настоящих исследований - математическое моделирование параметров, обеспечивающих повышение техникоэкономических показателей производства губчатого ферромолибдена.
Поставленная цель достигается тем, что шихта для получения губчатого ферромолибдена, содержащая молибденовый концентрат, связующее, углеродистый восстановитель и металлический порошок, дополнительно содержит увлажнитель а в качестве молибденового концентрата - гидрометаллургический и/или уротропиновый концентрат, поставляемый по ГОСТ 212-69. Концентрат содержал, % мас.: 52. .58 Mo; 0,01...0,02 Р; 0,01...0,02 Cu; 0,01...0,02 Sb, 0,03...0,07 As; 0,03 , 0,07 Zn; 0,8...1,0 SiO2; 0,01...0,03 Bi; 2,0...5,0 H2O.
Увлажнитель вводят в шихту вместе с гидрометаллургическим концентратом, влажность которого составляет 0,5...1,5 % по уровням поставки. Остальная часть увлажнителя задается в виде паров воды при 393...413 К под давлением 200...400 кПа во время перемешивания шихты в смесителе с паровым обогревом. В качестве увлажнителя может быть применена вода, нагретая до 60...90°С. Ввод увлажнителя в состав шихты позволяет практически исключить механические потери компонентов и, что главное, сделать его непосредственно реагентом комбинированного восстановления оксидов молибдена в печных агрегатах. При 1073...1473 К увлажнитель (водяной пар) взаимодействует с углеродом по следующим реакциям:
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

Выделившийся в результате реакций (9.7) и (9.8) свободный водород взаимодействует с оксидами молибдена:
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

Таким образом, взаимодействие увлажнителя проявляется через пароокислительный механизм и имеет каталитическую природу, ускоряя процесс восстановления оксидов молибдена, и обеспечивает повышение производительности печных агрегатов. Увлажнитель, кроме того, способствует формированию более высокой пористости шихты и металлизованного продукта, что также улучшает газообмен в реакционной зоне, повышает скорость процесса металлизации шихты и обеспечивает более высокую степень ее восстановления.
Реакция восстановления сульфида молибдена водородом в интервале температур 1073...1373 К идет практически до полного удаления серы при достаточном времени выдержки. Эта реакция идет параллельно с удалением кислорода за счет твердого (древесного угля, каменноугольного пека) или газообразного (конвертированного природного газа) восстановителя. Таким образом, в результате окисления сульфида молибдена или восстановления его водородом образуются H2S и SO2, которые интенсивно удаляются с потоком отработанного восстановительного газа. При этом газообмен через газопроницаемые вставки перфорированных стаканов между продуктами реакций и восстановительным газом, основным компонентом которого является водород, смещает равновесие вправо.
Дефосфорация металлизованного продукта происходит по аналогичной схеме. При нагреве шихты выше 773 К фосфор взаимодействует с водородом, образуя летучие фосфины типа PH3, а соединение P2O5 возгоняется при 620 К При незначительных концентрациях фосфора в шихте равновесие этих реакций смещается в область более высоких температур (>1073 К).
В промышленности был проведен эксперимент с изменением состава шихты и технологических параметров в широких пределах для установления наиболее значимых зависимостей. Выполнен их анализ и отобраны, а потом оптимизированы и выделены в систему параметры, которые определяют технико-экономические показатели технологического процесса и состава целевого продукта. Выделена система количественных признаков (уs, xj) при s=1, ..., 5, j=1, ..., 4, где y1, y2, y3, y4, y5 - массовая доля в шихте, %, молибденового концентрата, каменноугольного пека, углеродсодержащего восстановителя, металлического порошка, увлажнителя соответственно; x1 - выход сырых брикетов, %; x2 - степень восстановления, %; x3 - производительность процесса, кг/ч; x4 - плотность металлизованных брикетов, г/см3.
Каждая зависимость указанного вида представляет собой ряд дискретных значений (пар чисел). Для удобного представления таких зависимостей решали задачу аппроксимацией точечных значений на К-том интервале области определения зависимостей y=f(x) кривыми 1-го и 2-го порядка:
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

где aij(k), bij(k), cij(k) - коэффициенты зависимости,
Sij - количество интервалов разбиения для зависимости.
При аij(k)=0 зависимость (9.11) становится линейной.
Определение границ интервалов, коэффициентов aij(k), bij(k), сij(k), определяющих вид функциональной зависимости на К-том интервале для yi(xj) осуществлялись методом наименьших квадратов.
В исследуемом случае было достаточно использовать в качестве функциональных зависимостей на интервалах линейные зависимости вида:
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

В результате зависимость yi(xj) принимает вид:
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

где mij1(k), mij2(k) — границы соответственно слева слева и справа для K-того интервала.
При этом на границах зависимость не терпит разрывов:
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

для K=2,Sij.
Вычисления произведены с точностью до 0,01 и вполне удовлетворяют требованиям точности для технологических параметров в производственных условиях.
На основании результатов анализа предшествующих работ по совершенствованию технологических параметров производства губчатого ферромолибдена разработаны определенные условия изменения ингредиентов в составе шихты и выделены те, которые оказывают наиболее существенное влияние на показатель относительно целевой задачи настоящих исследований. Исходя из этого, в первой серии активного эксперимента массовые доли молибденового концентрата и металлического порошка во всех случаях были одинаковыми 46,0 и 33,5 % соответственно. Для удобства графического и математического представления оптимальных зависимостей на модели они не показаны. Результаты моделирования основных параметров получения металлизованного молибденового концентрата приведены на рис. 9.4...9.7 и в табл. 9.1...9.4. На рисунках содержание каменноугольного пека, углеродсодержащего восстановителя и увлажнителя представлено парами кривых, т.е. верхними и нижними граничными пределам, а области между ними отражают оптимальные значения параметров. По технической сущности и достигаемому положительному результату они наиболее предпочтительны.
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

Установлено рафинирующее воздействие конвертированного природного газа в процессе комбинированного восстановления обожженного молибденового концентрата на содержание сопутствующих примесей серы и фосфора. С целью улучшения качества выпускаемого губчатого ферромолибдена отработаны и внедрены технологические параметры процесса восстановления исходного молибденового сырья, которые обеспечили снижение серы и фосфора в 4...6 раз каждого. Скорость десульфурации восстанавливаемых брикетов зависит от скоростей их нагрева и скорости движения газа в печи.
Разработана математическая модель параметров технологии металлизации оксидов молибдена из концентрата, которая позволила выделить их оптимальные значения и улучшить экономические показатели производства и качества губчатого ферромолибдена.
Для составления математической модели y(z1, z2, z3, z4, z5) были проведены эксперименты по плану второго порядка Бенкина для пяти факторов. Расчёт коэффициентов модели выполнен используя множественный регрессионный анализ. После проведения регрессионного анализа указанное модельное соотношение получено в форме:
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена

и представлено на рис. 9.8.
Разработана и оптимизирована математическая модель ведущих многофункциональных технико-экономических показателей производства металлизованного молибденового концентрата и выплавки стали 08Х17Н15МЗТ (ЭП-580) с его применением. Определены граничные пределы наиболее предпочтительных значений. Подтверждены и обоснованы технические и экономические преимущества производства и использования в сталепроизводстве нового легирующего материала на основе молибдена методами порошковой металлургии.
Математическое моделирование параметров производства губчатого ферромолибдена