Программный комплекс «Селектор» как эффективный
инструмент для исследования металлургических процессов
Из-за сложного характера процессов в металлургических системах невозможно понимание механизмов перераспределения вещества в технологическом цикле без применения химической термодинамики, которая использует взаимосвязи между химическими реакциями и энергией, затрачиваемой на их осуществление.
Структура и характеристика программного комплекса «Селектор»
ПК «Селектор» представляет систему программных и информационных модулей, функционирующих в рамках единой интегрированной среды. Обобщенная структура ПК «Селектор» представлена в виде блок-схемы (рисунок 1).
Интерфейс ПК «Селектор» позволяет выбирать один из макромодулей, определяющих основные функциональные возможности ПК: система баз ТД данных; формирование новой модели; расчет модели; обработка полученных результатов. В используемом ПК представлена обширная система баз ТД данных, приведенных в справочниках JANAF, Robie R. A., Hemingway B. S., Yokokawa H., что дает возможность моделировать физико-химические процессы с участием расплавов, содержащих наряду с обычными простыми компонентами более сложные разнообразные комплексы, а также ионизированные частицы.
Благодаря своим широким возможностям ПК «Селектор» используется при изучении различных металлургических процессов.
 |
Рисунок 1 – Блок-схема ПК «Селектор»
Так, ПК «Селектор» использовался для изучения теоретических аспектов электроплавки серебросодержащих концентратов Дукатского ГОКа. В процессе моделирования исследовались следующие системы: «Ag–S–O–C–Na», «Pb–S–O–C–Na» и «Cu–S–O–C–Na». Расчеты осуществлялись в температурном интервале 100 – 1200°C при общем давлении газовой фазы 105 Па (1 бар). Установлено, что поведение металлов в исследуемых системах определяется содержанием кислорода в системе.
Также ПК «Селектор» использовался при исследовании вопросов оптимизации состава электролита (в электрометаллургии алюминия) по температуре его плавления и летучести компонентов. С этой целью была создана модель реального расплава системы «Na3AlF6–Al2O3–CaF2–MgF2–LiF». По мнению авторов на основе результатов расчетов, выполненных с помощью ПК «Селектор», с высокой точностью может быть определено криолитовое отношение и подобран оптимальный состав корректирующих добавок, что на практике является сложной аналитической проблемой.
Применение программного комплекса «Селектор»
при изучении процесса получения кремния в руднотермической печи
Вопросы моделирования карботермического процесса интересуют многих отечественных исследователей. Одна из первых отдельных попыток ТД моделирования процессов восстановления Si углеродом представлена, например, в работе. Однако впервые в научно-последовательном ключе исследовательскую работу по разработке ТД моделей карботермического восстановления оксидов Si и алюминия с использованием ПК «Селектор» организовал на кафедре металлургии цветных металлов Иркутского государственного технического университета профессор .
С помощью ПК «Селектор» при начальных исследованиях руднотермической плавки были разработаны: методика построения диаграмм состояния системы «Si–O–C»; модель процесса восстановления при нагреве шихты до заданной температуры; модель процесса восстановления при охлаждении и конденсации продуктов восстановления; модель восстановления в противотоке движения шихты и газообразных продуктов плавки.
Также были изучены теоретические вопросы химизма карботермического восстановления SiO2, построена математическая модель процесса восстановления технического кремния применительно к промышленной электропечи, стало возможно более детально изучить процессы, протекающие в горне печи, и объяснить механизм потерь кремния при плавке.
В дальнейшем исследования и в целом идеи физико-химического моделирования металлургических процессов были развиты в работах других сотрудников кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ. Так, были разработаны методики построения диаграмм фазовых равновесий в координатах «состав–температура» тройных систем «Me–O–C» с помощью методов графического изображения химических составов, детально описывающих протекающие в них физико-химические превращения. В результате анализа промышленной технологии получения технического кремния с позиций диаграммы состояния «Si–O–C», рассчитанной в интервале температур 1000–3000°C при атмосферном давлении, был установлен механизм образования кремния в электродуговой печи, причины значительных потерь его и пути их снижения. При расчетах диаграмм состояния в равновесных составах контролировались следующие вещества: SiO2т, ж, SiOг, Siт, ж,г, SiСт, Сог, СО2г, С2Ог, С3О2г, О2г, О3г, Ст, г. При этом была найдена последовательность превращений при нагреве шихт из кремнезема и углерода, изображаемая схемой:
SiO2т+Cт SiСт+ SiO2т+СОг SiСт+SiOг+СОг Siж, г + СОг.
Работа [Катков температуры нагрева шихты на кинетику карботермического восстановления кремнезема / , // Изв. вузов. Цветная металлургия. – 1991. – № 3. – С. 118-120] посвящена разработке алгоритмов, обеспечивающих моделирование металлургических процессов с одновременным использованием средств химической термодинамики и кинетики.
Автор [Черных и прикладные аспекты подготовки шихты для выплавки кремния / // Автореферат дисс. на соискание уч. степ. доктора техн. наук. – Иркутск: ИрГТУ, 1994. – 40 с] создал и применил методы определения поправок к стандартным значениям энергии Гиббса кремнезема, углерода и карбида кремния при оптимизации технологии выплавки технического кремния. Разработана методология физико-химического моделирования равновесного состояния ТД системы «Si–O–C» с учетом структурных несовершенств и развитой поверхности составляющих ее твердых фаз. Сформулирована математическая модель системы «Si–O–C», учитывающая возможность существования следующих зависимых компонентов в конденсированном состоянии: SiO2(т, ж) в форме α–β–кварца, α–β–тридимита, α–β–кристобалита и кварцевого стекла; β–Si(куб), α–SiC(гекс); C(т), Si(т, ж). В газовой фазе была учтена вероятность образования следующих компонентов: O, O2, Si, SiO, SiO2, C, C2, C3, CO, CO2. Равновесный состав системы рассчитывался для мольного отношения C / SiO2 = 2 в интервале температур 1400 – 2700°C с шагом 100 град при давлении газовой фазы 0,1 МПа. Математическая модель системы «Si–O–C» была сформулирована без учета потерь кремния с отходящими газами и со шлаком.
Работа [Шадис и применение высокопористых композиционных видов сырья для выплавки кремния: дисс… канд. техн. наук / . – Иркутск: ИрГТУ, 1997. – 127 с] содержит разработанную ТД модель и решение вопросов оптимизации подготовки шихты для выплавки технического кремния с применением композиционных добавок на основе жидкого стекла. При этом рассматривались следующие вопросы: изменение окислительно-восстановительного состояния системы «водный раствор–газ–конденсированные фазы»; изменение изоэнтальпической температуры процесса взаимодействия водного раствора с минеральными компонентами; определение основных закономерностей формирования газовой фазы. Выбор физико-химического моделирования с использованием ПК «Селектор» в данном случае объясняется тем, что результаты моделирования расширенной (по сравнению со стандартной «Si–O–C») системы «Si–C–Na–H–O–e», имитирующей процесс образования высокопористых шихтовых композиций (названных пеношихтой), послужат основой моделирования процесса восстановления кремния в РТП.
При создании экологически безотходной технологии в производстве кремния использован метод ТД моделирования для обоснования рециклинга пылевых отходов. Так, автор [Евсеев технологии выплавки кремния с использованием пылевых отходов: дисс… канд. техн. наук / . – Иркутск: ИрГТУ, 1991. – 148 с] исследовал влияние добавок крупнодисперсной пыли газоочистки, в частности SiC, на процесс карботермического восстановления кремния, для этого был проведен полный анализ равновесного состава газовой и конденсированной фаз систем, содержащих Si, O и C. Автором было доказано, что при использовании исходных веществ, содержащих SiC, температура начала образования Si снижается на 30-60°C. Этот эффект автор связывает с изменением соотношения компонентов, составляющих систему, т. е. Si, O и C. Также проведенный автором ТД расчет позволил определить полный состав конденсированных продуктов с учетом всех возможных компонентов в газовой фазе, уточнена температура начала образования металлического Si (1800°C) и SiC (1497°C).
В работе [Тупицын технологии получения алюминиево-кремниевых лигатур: дисс. канд. техн. наук / . – Иркутск: ИрГТУ, 1995. – 172 с] содержатся методика и результаты расчета ТД свойств целого ряда интерметаллидов – компонентов расплава алюминиево-кремниевых сплавов, что дало возможность приступить на методически разработанной основе к моделированию физико-химических систем металлов и сплавов любого состава и сложности. Была создана согласованная база ТД данных, ориентированная на физико-химические модели высокотемпературных процессов, состоящая из 14 независимых компонентов, 442 зависимых компонента, в том числе 210 газов, 166 твердых фаз (из них 53 интерметаллида) и 66 компонентов расплава. В результате физико-химического анализа технологии производства алюминиево-кремниевых лигатур (система «Al-Si-Fe-Ca-Ti-Na-Mg-Mn-O-H-C-N») выявлены пути улучшения качества получаемого продукта и предложена технологическая схема, позволяющая получить по окончании процесса как высококачественную лигатуру, так и высококремнистый конструкционный силумин.
На основе разработанной модели, в основу которой положено разделение РТП на зоны, различающиеся температурным и вещественным составом и обменивающиеся между собой тепло - и массопотоками, авторами работы [Гринберг модель кремнеплавильной рудно-термической электропечи / , , // Цветные металлы. – 1999. – № 3. – С. 72-77] была построена многорезервуарная физико-химическая модель плавки технического кремния на базе системы «Si-O-C». Мегасистема, состоящая из резервуаров со стационарными потоками, развиваясь во времени при отсутствии потоков воспроизводства или поглощения, стремится к стабильному (стационарному) состоянию динамического равновесия, при котором состав и масса всех резервуаров неизменны. Чтобы учесть влияние входа или выноса вещества из резервуаров, не включенных в мегасистему, необходимо наряду с потоками веществ рассматривать стехиометрический баланс в каждом из резервуаров мегасистемы. Внедрение такого подхода в управление технологическими процессами (в частности, получение кремния в РТП) видится во введении дополнительных ограничений частичного равновесия, а именно кинетики заданных химических реакций в резервуарах, а также включения в расчетную схему уравнения теплопереноса. ПК «Селектор» предусматривает решение задач, в которых мегасистема «расчленяется» на несколько элементарных систем, различающихся температурными и фазовыми характеристиками, сопряженных между собой массовыми и тепловыми потоками резервуаров. С целью адекватного описания процесса восстановления кремния из кремнезема создана модель, состоящая из 3 независимых компонентов (Si, С, О) и 22 зависимых, в том числе 16 газов, 4 конденсированных фаз и 2 компонентов жидкого расплава. Построенная модель, по мнению авторов, достаточно точно соответствует реальным условиям плавки кремния и может служить инструментом исследования процесса, позволяющим варьировать все параметры состояния системы (объем, температуру, давление, химический состав).
Сведения о результатах изучения поведения примесей Fe, Al, Ca и Ti в процессе восстановления кварцита Антоновского месторождения, полученных методом модельного эксперимента на ЭВМ, приведены в работе [Катков металлов-примесей при выплавке кремния из кварцита в дуговой электропечи / // Изв. вузов. Цветная металлургия. – 1993. – № 3-4. – С. 37-40]. Было показано, что извлечение металлов-примесей при плавке определяется химизмом восстановления и свойствами продуктов или промпродуктов, в первую очередь их летучестью и степенью уноса летучих в соединении с реакционными технологическими газами. В процессе плавки в значительной степени выдуваются и уносятся газами в пыль те элементы, которые в промежуточном состоянии летучи, а именно: алюминий в виде АlО и Al2O, кальций в виде элементарного Ca. В наименьшей степени подвержены уносу Fe и Ti. Приведенные данные по восстановлению этих элементов при выплавке кремния показывают, что факт извлечения примесей с газами может быть интенсифицирован и использован в целях очистки продукта и улучшения его сортности.
Автор работы [Елисеев высокотемпературных процессов рафинирования высокочистого металлургического кремния как сырья для выращивания мультикремния для солнечной энергетики / // Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. – Улан-Удэ, 2005. – 21 с] использовал методы моделирования при изучении процесса ковшевого рафинирования технического кремния. Была создана расширенная модель метастабильного состояния системы «Si-P-B-Fe-Ca-Al-Ti-Na-Mg-Mn-O-H-C-N-Ar» в диапазоне температур 1475-1775°C при давлении 105 Па, описывающая процесс рафинирования кремния. с использованием барботажа расплава увлажненными газами. Созданная база ТД параметров Si позволила рассчитать процессы, протекающие при вакуумировании расплава и рафинировании технического кремния с высокой степенью точности. Автором были проведены исследования по удалению из расплава кремния таких примесей как C, B, Al, Ca, P, Fe, а также удаление щелочных и щелочноземельных металлов.
Таким образом, многие исследователи, занимающиеся моделированием процесса карботермического восстановления кремния в РТП из кремнезема, рассматривают в основном взаимодействие компонентов системы «Si–O–C». Для выявления общих закономерностей процесса данная система является упрощенной, которая не позволяет исследовать вопросы формирования фазовых включений и их распределение между газовой фазой, расплавом и твердыми продуктами (шлаком). Поэтому наши исследования направлены на создание модели (на основе обобщенной системы «Si–O–C»), наиболее приближенной к реальным производственным условиям и с введением в процесс большинства примесных элементов, содержание которых в шихте незначительно.
