Б. О. Джолдошев а из Института автоматики и информационных технологий нан кр, г. Бишкек; «Cинтез кибернетических автоматических систем с использованием эталонной модели»

Анализ физико-химических особенностей процесса ПВ показал, что технологическая эффективность агрегата обусловлена характером и интенсивностью протекания массо- и теплообменных процессов, являющихся результатом взаимодействия в расплаве сульфидного сырья, загружаемого на поверхность расплава, с кислородом дутья, подаваемого через боковые фурмы в слой расплава. Характер движения образующихся при этом потоков штейновой и шлаковой фаз позволяет выделить в агрегате две основные зоны: барботажную (интенсивно перемешиваемую дутьем), реакционную – надфурменную зону (НЗ) и относительно спокойную зону расслоения штейно-шлаковой эмульсии и образования сплошной штейновой фазы, расположенную ниже плоскости фурм, – подфурменную зону (ПЗ).

Рассмотрим надфурменную зону, в которой одновременно протекают такие характерные для ППВ процессы, как плавление и растворение компонентов шихты, диссоциация высших сульфидов и окисление образующихся сульфидов и серы с выделением большого количества тепла, что определяет автогенность процесса плавки.

Процессы диссоциации и окисления в НЗ полностью характеризуются следующими реакциями:

FeS₂=>FeS+¹/₂S₂;

CuFeS₂=>¹/₂ Cu₂S+FeS+¹/₂S₂;

S₂+2O₂=2SO₂; (1)

FeS+³/₂ O2=FeO+SO₂; (2)

(FeS)+3(Fe₃O₄)=10FeO+SO₂; (3)

3FeO+¹/₂O₂= Fe₃O₄. (4)

Кроме учета образующихся в процессе плавки продуктов штейна, шлака и газовой фазы, влияющих на величину тепловыделения, необходимо учитывать реакцию окисления диссоциированной серы шлаковым расплавом:

2(FeO)+³/₂S₂=2[FeS]+SO₂. (5)

Вследствие равновесия реакции (5) часть элементарной серы окисляется и переходит в газовую фазу, что необходимо учитывать при расчете теплового баланса. Элементарная сера расплава окисляется в фурменном факеле по реакции (1) и шлаковым расплавом по реакции (5), а также по реакции восстановления магнетита в объеме ванны диссоциированной серой (6). Достижение равновесия при этом объясняется тем, что окисление серы до SO₂ протекает до установления равновесного соотношения между ними в соответствии с реакцией (5), которая протекает в областях с высоким парциальным давлением серы (процесс сульфидирования шлака).

Образование магнетита происходит вследствие переокисления шлака в фурменном факеле по реакции (4), а равновесное содержание магнетита в шлаке устанавливается по реакции:

С учетом принятых допущений математическая модель процессов, протекающих в НЗ ПВ, авторы [1]представили совокупностью дифференциальных уравнений материального и теплового балансов по реагирующим соединениям штейна, шлака и газовой фазы, определяемых зависимостями между концентрациями соединений во входных и выходных потоках в соответствии с реакциями (1-6) и условиями реактора идеального перемешивания.

Предложенная в [1] математическая модель НЗ ПВ по сравнению с существующими моделями расчета статических режимов отражает динамику протекания физико-химических и теплотехнических явлений НЗ агрегата и позволяет посредством включения в систему реакций (5) и (6) учесть к тому же динамику взаимодействия продуктов (штейна, шлака), образующихся в процессе плавки и оценить поток магнетита, восстанавливаемого диссоциированной серой. Это позволит учитывать изменение величины тепловыделения и, следовательно, структуры теплового баланса в условиях равновесия в системе штейн – шлак – газовая фаза.

Таким образом, полученные в работе [1] результаты позволяют моделировать процессы в надфурменной зоне ППВ, описывающие кинетику химических реакций с учетом входных и выходных потоков исходных веществ и продуктов реакций. Однако эти соотношения не учитывают гидродинамическую обстановку в зоне, а также не позволяют описать процессы разделения фаз в подфурменной зоне.

В исследованиях [2], напротив, хорошо описывается гидродинамика в фурменной и подфурменной зонах, однако не приводятся соотношения, описывающие кинетику протекающих реакций. Кроме того, модель [2] не описывает процесс в динамике. При этом полученные в [2] результаты позволили авторам не только находить оптимальные режимы в уже существующих печах ПВ, но прогнозировать режимы новых технологий.

С учетом отмеченных достоинств и недостатком моделей [1] и [1] предлагается объединить основные уравнения этих двух работ, дополнив их уравнениями для согласования моделей.