Разработка теоретических основ и программного обеспечения для моделирования переработки металлургических отходов плавильно-восстановительным процессом с подовыми электролитами

Проект: Проект-Грант

Сведения о проекте

Описание

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.
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 металла 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 возможно 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. Этот факт позволяет считать тематику проекта значимой не только в контексте экономики металлургической промышленности, но и крайне важной 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.
Задачей дальнейших исследований является создание необходимой теоретической базы, а также детальной физической и математической моделей и их реализация в виде численных алгоритмов и компьютерных программ, позволяющих 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.
Полученные методы численного моделирования позволят установить фундаментальные особенности ряда физических процессов, обосновать и усовершенствовать различные технологические процессы, например, электрометаллургические технологии, электрометаллургические печи постоянного и переменного тока, электрическую сварку металлов и прочее. Будут разработаны новые и усовершенствованы уже существующие пакеты прикладных программ для моделирования процессов выплавки металлов, которые будут включать 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.
Реализация проекта сделает возможным сформировать технические требования и экономическое обоснование для создания и развития экспериментальной установки по изучению рассматриваемого инновационного метода выплавки металла. Работы на такой установке будут проводиться в кооперации с ведущими металлургическими предприятиями Урала, регулярно сотрудничающими с Уральским федеральным университетом (УГМК, РМК и др.)
Результаты исследований будут опубликованы в научных журналах из списка ВАК, баз цитирования Scopus и Web of Science, а также представлены на профильных научных конференциях. Предполагается оформить заявку на получение патента на предложенный метод.
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания02/08/201930/06/2021

ГРНТИ

  • 53.01.11 Современное состояние и перспективы развития

Тип источника финансирования (РФФИ, РНФ, Х/Д, Гранты и т.д.)

  • РНФ

Площадка НИЧ УрФУ, где ведется данный грант (НИЧ Куйбышева, НИЧ Мира)

  • НИЧ Куйбышева

Результат исследований

  • 1 Материалы конференции

Influence of joule heat and heat of electric arc on the vortex flow in DC arc furnace

Kazak, O. V. & Starodumov, I. O., 3 янв 2020, В : IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 709, 4, 044032.

Результат исследований: Вклад в журналМатериалы конференции

Открытый доступ