Способ амплификации металлургического процесса
Изобретение относится к области исследования и амплификации (увеличения объема, масштабирования) металлургического и химического оборудования. Технический результат – упрощение металлургического процесса за счет использования концепции адаптации и амплификации. Способ амплификации металлургического процесса содержит следующие этапы: определяют взаимосвязь между процессом металлургической реакции и давлением, концентрацией и температурой; определяют этапы, влияющие на скорость реакции; определяют характеристики реактора, его конструкцию и физическое поле; определяют единый фактор периода реакции; определяют амплификационное число единого фактора; получают результаты пилотных испытаний, схему амплификации, осуществляют подготовку промышленного производства и завершают амплификацию металлургического процесса. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[001] Настоящее изобретение относится к области исследования и амплификации (увеличения объема, масштабирования) металлургического и химического оборудования и, в частности, к способу амплификации металлургического процесса.
2. Уровень техники
[002] Экологичное, крупномасштабное, интегрированное и интеллектуальное развитие металлургической промышленности не только требует экологичной технологии извлечения металла, низкого энергопотребления, короткого потока и хорошей экономии, но также крупномасштабного металлургического реакционного оборудования, соответствующего технологии. Анализ и амплификация металлургического процесса обеспечивают важную гарантию плавного внедрения производственной технологии и повышения экономической выгоды предприятий, а также являются единственным способом применения результатов научных исследований от этапа лабораторного исследования до промышленного производства. В связи с несовершенством системы научных исследований и недостатком техник анализа и обнаружения амплификационная работа стандартного реактора часто зависит от личного опыта инженеров для постепенной амплификации оборудования, что приводит к таким недостаткам как низкая эффективность, временные затраты, трудозатраты, ненадежность амплификационной схемы и т.п. Кроме того, амплификационная схема не может быть использована даже в аналогичных реакционных системах. Вместе с развитием науки и технологий в химической промышленности были проведены глубокие исследования оборудования и был предложен способ амплификации посредством математического моделирования. Способ основан на информации о расходе материалов в химическом оборудовании и предлагает средства математического анализа, такие как дифференцирование или интегрирование, для построения уравнения баланса расхода материалов в оборудовании, чтобы осуществить амплификацию оборудования. Несмотря на то, что в металлургической промышленности имеется аналогичный типовой процесс, также присутствуют очевидные отличия, такие как характеристики высокой температуры, высокой коррозионной активности, высокого напряжения, сильного магнитного поля, сильного электрического поля, комплексных физических свойств сред и многопрофильной взаимосвязи. Таким образом, сложность металлургической реакционной системы делает комплексное, точное и реальное измерение эффективных данных в реакторе трудным, и очень сложно разработать точную математическую модель. Поэтому разработка техники и способа амплификации металлургического реактора с характеристиками металлургического процесса стали актуальными научными проблемами, требующими решения.
[003] Амплификация металлургического оборудования требует фокусировки на внутреннем металлургическом процессе химического реагирования и процессе физического переноса, и при проектировании металлургической реакции необходимо проанализировать процесс, образующийся в металлургическом реакторе, в соответствии с теорией скорости реакции, чтобы прояснить характеристики реактора, определить эксплуатационные условия реакции, попытаться управлять процессом реакции в соответствии с наилучшим состоянием, и, наконец, получить комплексную техническую и экономическую выгоду. Таким образом, проектирование металлургической реакции также называют наукой анализа и амплификации металлургического реактора.
[004] С точки зрения проектирования металлургической реакции проанализирован процесс амплификации металлургического реактора и установлено, что во время процесса увеличения размера реакции закономерности химической реакции не изменяется, а изменение габаритов оборудования и сред (таких как пузырьки, капли и частицы), задействованных в реакции, главным образом влияет на физические процессы, такие как течение, перенос тепла и перенос вещества. Таким образом, вместе с масштабом реально изменяется не закономерность химической реакции, а закономерность процесса физического переноса. Поэтому для металлургического реактора фактически необходимо отслеживать и исследовать закономерность процесса переноса и эффект взаимодействия между закономерностью процесса переноса и закономерностью химической реакции. Однако в стандартном способе эмпирической амплификации и способе оптимизации математической модели, используемых в процессе амплификации реактора, исследовании характеристик реакции в реакторе, характеристики реактора и зависимости взаимосвязи между характеристиками реакции в реакторе и характеристиками реактора не ясны, что приводит к несоответствию между характеристиками реакции после фактической амплификации и характеристиками реактора и стало фактическим узким местом, ограничивающим надежную и эффективную амплификацию реактора.
[005] Настоящее изобретение предлагает концепцию адаптации и амплификации металлургического процесса. Механизм может гарантировать не только глубокий анализ процесса реакции, но также предотвращение создания сложных математических моделей, чтобы диапазон применения был шире, а практическое применение проще и удобнее.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] Чтобы преодолеть недостатки и несовершенства стандартного способа поэтапной эмпирической амплификации и способа математического моделирования, первоочередной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа амплификации для металлургического процесса на основе принципов «адаптационной теории» и «единого фактора». Способ имеет широкий диапазон применения и более удобен для практического применения.
[007] Для решения вышеуказанных задач настоящее изобретение предлагает способ амплификации металлургического процесса, включающий следующие этапы:
[008] этап I, на котором определяют взаимосвязь между процессом металлургической реакции и давлением, концентрацией и температурой посредством метода макрокинетического исследования металлургической реакции, при этом формула взаимосвязи следующая: R = f(P, T, C, X), где R — скорость реакции процесса металлургической реакции, f — функциональная взаимосвязь, P — давление, T — температура, C — концентрация, X — другие влияющие факторы; и определяют наиболее критические этапы технологии, влияющие на скорость реакции в процессе металлургической реакции для получения характеристик реакции;
[009] этап II, на котором определяют характеристики физического поля реактора для оптимизации реактора способом физического моделирования и/или способом численного моделирования и определяют реактор и его конструкцию, подходящие для характеристик металлургической реакции;
[0010] этап III, на котором исходя из характеристик реакции, определенных на этапе I, и характеристик физического поля реактора, определенных на этапе II, определяют единый фактор периода реакции, причем единый фактор является решающим фактором, существующим в особом периоде металлургической реакции;
[0011] этап IV, на котором исходя из определенного единого фактора и взаимосвязи единого фактора, влияющей на процесс металлургической реакции, определяют амплификационное число единого фактора; и
[0012] этап V, на котором исходя из критерия амплификации, который состоит в том, что амплификационное число единого фактора остается неизменным в процессе амплификации, получают результаты пилотных испытаний посредством эксперимента в горячем состоянии или средств моделирования, проверяют критерий амплификации, получают схему амплификации, осуществляют подготовку промышленного производства и завершают амплификацию металлургического процесса.
[0013] На этапе I определяют взаимосвязь между процессом металлургической реакции и температурой, давлением, концентрацией или другими факторами, не относящимися к конструкции реактора и связанными только с определенным ключевым фактором в особом периоде времени.
[0014] На этапе I в методе макрокинетического исследования металлургической реакции для получения общего уравнения скорости, а именно R = f(P, T, C, X), может быть выбран один способ или комбинация нескольких способов из группы, включающей дифференциальный термический анализ, термогравиметрический анализ, дифференциальную сканирующую калориметрию, измерение концентрации частиц и компонентный анализ, и определяют этап управления реакцией.
[0015] На этапе II физические поля реактора содержат поле давления, поле потока, поле концентрации, магнитное поле, физическое поле перемешивания и другие физические поля, влияющие на процесс металлургической реакции.
[0016] На этапе II определяют реактор и его конструкцию, подходящую для характеристик металлургической реакции, причем характеристики физического поля реактора и его конструкция должны соответствовать требованиям закономерностей металлургической реакции при амплификации металлургического процесса.
[0017] На этапе II используют способ физического моделирования и способ численного моделирования для определения характеристик физического поля реактора; при этом способ физического моделирования выбирают из группы, включающей следующие способы: анемометрия частиц, высокоскоростная съемка, доплерография и формирование ИК-изображений, и выполняют эксперимент на водной модели; причем способ численного моделирования представляет собой детальное моделирование, полученное посредством моделирования ANSYS/FLUENT.
[0018] На этапе II исходя из способа физического моделирования и способа численного моделирования получают закономерность переноса вещества, и определяют феноменологическое уравнение в соответствии с феноменологией.
[0019] На этапе III единый фактор является решающим фактором, который неизбежно существует в особом периоде металлургической реакции.
[0020] На этапе IV определяют амплификационное число единого фактора, являющееся критерием амплификации единого фактора, на основании единого фактора, который может быть установлен в особый период для амплификации металлургического процесса.
[0021] В способе амплификации металлургического процесса, предлагаемом настоящим изобретением, определение реактора, его конструкции и отдельных факторов, подходящих для характеристик металлургической реакции, осуществляют на основе платформы исследования амплификации, объединенной с методом макрокинетического исследования металлургической реакции, способом физического моделирования, способом численного моделирования и экспериментом в горячем состоянии для проверки, и амплификация металлургического процесса может быть точно выполнена согласно этапам способа амплификации металлургического процесса.
[0022] Согласно способу амплификации металлургического процесса, предложенному настоящим изобретением, определение ключевых управляющих связей процесса металлургической реакции на этапе I относится к макроуровню, например, внешней диффузии; на этапе III дополнительно определяют «единый фактор» в управляющей связи, чтобы прояснить, какой фактор является ключевым фактором определенного этапа реакции. В сравнении со стандартным способом поэтапной эмпирической амплификации и стандартным способом математической модели техническая схема имеет следующие характеристики и преимущества:
[0023] Во-первых, настоящее изобретение предлагает концепцию «адаптивной амплификации», решает техническую проблему, когда обычный способ амплификации используется для амплификации реактора, причем сбой амплификации, вызванный несоответствием между признаками реакции и признаками реактора, происходит потому, что характеристики реакции в реакторе, характеристики реактора и закономерности взаимодействия неясны.
[0024] Процесс металлургической реакции содержит две части: химическая реакция и физический перенос. Сущность химической реакции состоит в том, что пути и закономерности металлургической химической реакции не изменяются в определенной физической среде. Например, исходная температура реакции горения угля, распада сульфидной руды и т.п. является фиксированной при нормальном давлении. Однако та же химическая реакция имеет различные эффекты преобразования, скорости реакции и даже продукты реакции в различном реакционном оборудовании, различных рабочих условиях и оборудовании различных габаритов. В связи с различиями реакционной среды, обеспечиваемой реакторами с различными особенностями конструкции, обеспечивается различие процесса переноса вещества, а затем — различие результатов химической реакции. Таким образом, основной идеей амплификации металлургического процесса является обеспечение соответствия физической среды в металлургическом оборудовании после амплификации среде, требуемой для химической реакции, с реализацией таким образом надежной амплификации металлургического процесса.
[0025] Во-вторых, настоящее изобретение предлагает принцип «единого фактора», который может уловить основные несоответствия в металлургическом процессе, найти основные и решающие влияющие факторы в комплексной металлургической системе, упростить установление критерия амплификации и решить проблему сложности создания математической модели.
[0026] Металлургический процесс часто является процессом реакции, содержащим множество материалов, участвующих в реакции, сложные пути реакции и многофазную совместимость. Таким образом, очень сложно составить точные математические уравнения. Настоящее изобретение предлагает принцип «единого фактора», который может учесть основные и решающие влияющие факторы в металлургическом процессе и обычно управляет скоростью реакции и изменением физического поля, упрощая таким образом металлургический процесс. Например, в процессе диффузно-контролируемой реакции исследуют закономерность взаимодействия факторов для изменения химической реакции и физических полей потока; в реакции, управляемой химической реакцией, исследуют закономерность влияния изменения температурного поля и изменения межфазной контактной зоны на реакцию; и морфология продукта имеет определенные требования, и исследуют влияние распределения внешней силы, чтобы определить «единый фактор» процесса.
[0027] В-третьих, создан способ исследования, объединяющий метод макрокинетического исследования металлургической реакции, способ физического моделирования, способ численного моделирования, и устанавливают эксперимент в горячем состоянии для проверки, чтобы мог быть гарантирован глубокий анализ процесса реакции от механизма, можно было избежать создания сложных математических моделей и способ амплификации имел более широкое применение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0028] На фигуре 1 показана схема исследовательской платформы для амплификации металлургического процесса и поток амплификации металлургического процесса согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0029] Настоящее изобретение будет далее подробно раскрыто со ссылкой на нижеуказанные варианты осуществления.
Варианты осуществления изобретения
[0030] Исследовательская платформа для амплификации металлургического процесса и поток амплификации металлургического процесса показаны на фигуре 1. Настоящее изобретение предлагает способ амплификации металлургического процесса, содержащего следующие этапы:
[0031] На этапе I на основе метода макрокинетического исследования металлургической реакции с использованием одного способа или комбинации нескольких способов из группы, включающей дифференциальный термический анализ, термогравиметрический анализ и дифференциальную сканирующую калориметрию, путем рассмотрения эффекта переноса материалов, исследуют закономерности или характеристики металлургической макрохимической реакции, исследуют количественную взаимосвязь между эффективностью химической реакции и несколькими влияющими факторами, и составляют общее уравнение скорости металлургической реакции с различными факторами и эффектами реакции, а именно, R=f(P, T, C, X), где R — скорость реакции процесса металлургической реакции, f — функциональная взаимосвязь, P — давление, T — температура, C — концентрация, а X — другие влияющие факторы. Определены основные связи, управляющие скоростью реакции в процессе металлургической реакции, и получены характеристики реакции.
[0032] На этапе II применяют способ физического моделирования и способ численного моделирования для анализа характеристик реактора. Анемометрию частиц, высокоскоростную съемку, формирование ИК-изображений и доплерографию используют для анализа распределения физических полей, таких как температурное поле, поле скорости и поле концентрации в физической модели. Для более детального анализа может быть использован способ численного моделирования ANSYS для анализа закономерности изменения физического поля с множества точек зрения и составления характеристик физического поля реакторов с различными габаритами, конструкциями и операциями, чтобы получить реактор и его конструкцию, подходящие для характеристик металлургической реакции, и составить феноменологические уравнения параметров функций физического поля и эксплуатационных и конструкционных условий.
[0033] На этапе III исходя из характеристик реакции, определенных на этапе I, и характеристик физического поля реактора, определенных на этапе II, определяют ключевое несоответствие — «единый фактор» в металлургической химической реакции и процессе переноса материала. В методе макрокинетического исследования металлургической реакции ограничивающие этапы в металлургии разделены на управление физическим переносом, управление химической реакцией и смешанное управление физическим переносом и химической реакцией. На основе метода макрокинетического исследования металлургической реакции и аналитического исследования «физического поля» принцип единого влияющего фактора основан на исследовании закономерности влияния изменения физических факторов на металлургическую химическую реакцию и эффект переноса вещества, чтобы найти решающий единый физический фактор, управляющий общей скоростью химической реакции в различных физических полях.
[0034] На этапе IV, согласно влиянию единого фактора на процесс металлургической реакции, получают амплификационное число единого фактора.
[0035] На этапе V исходя из критерия амплификации, выбранного так, что амплификационное число единого фактора остается неизменным в процессе амплификации, конструируют критерий амплификации. Например, посредством метода макрокинетического исследования металлургической реакции обнаружено, что управление металлургическим процессом осуществляется за счет диффузии так, что принцип единого влияющего фактора фокусируется на процессе диффузии реактивов и исследует закономерности влияния ключевых параметров, таких, как скорость перемешивания, тип перемешивания и конструкция перемешивания, на диффузию материала, определяют окончательное число перемешивания и составляют критерий амплификации.
[0036] На этапе VI составляют и проводят испытания критерия амплификации. При этом осуществляют исследование количественной взаимосвязи между «единым фактором», скоростью химической реакции и «физическим полем», составляют математическое уравнение для «единого фактора», работой и размером реактора, и используют уравнение для прогнозирования результата после амплификации реактора. Посредством способа численного моделирования или эксперимента в горячем состоянии составляют амплифицированную модель производства, рассчитывают результаты химической реакции и физического переноса и проверяют критерий амплификации.
Вариант I осуществления изобретения
[0037] В варианте осуществления вводится «принцип тонкого материала» и устанавливается способ амплификации с температурным эффектом как основным недостатком в процессе металлургической реакции.
[0038] Конкретный процесс следующий: шлам, обогащенный бором, отработанный шлам, содержащий бор, который производят посредством доменного производства, где содержание бора составляет около 12 %, и шлам, обогащенный бором, являются идеальным сырьевым материалом для промышленного извлечения бора. Однако шлам, обогащенный бором, полученный при высокой температуре, обладает низкой активностью после охлаждения, поэтому шлам, обогащенный бором, не подходит в качестве сырьевого материала для извлечения бора.
[0039] В варианте осуществления изобретения способ амплификации для металлургического процесса содержит следующие этапы:
[0040] этап I, определяющий взаимосвязь между процессом металлургической реакции и давлением, концентрацией и температурой посредством метода макрокинетического исследования металлургической реакции. Формула взаимосвязи следующая: 
B = 61,21+1,25
( изменяется от 2
/мин. до 20 /мин.), где B — степень использования шлама, обогащенного бором, после охлаждения, - градиент температуры во время охлаждения.
[0041] Согласно формуле взаимосвязи обнаружено, что температура имеет большое влияние на скорость реакции процесса металлургической реакции шлама, обогащенного бором. Методом ортогонального эксперимента определяют фазовые изменения в шламе, обогащенном бором, при различных температурах охлаждения и скоростях охлаждения. Обнаружено, что основной недостаток в процессе охлаждения шлама, обогащенного бором, это конкурирующее осаждение бората магния, форстерита и стеклофазы, вызванное температурным эффектом. Таким образом, температуры охлаждения и скорости охлаждения являются наиболее критическими технологическими этапами в процессе металлургической реакции шлама, обогащенного бором.
[0042] На этапе II посредством способа физического моделирования поля охлаждающей температуры, определяют бак медленного охлаждения с промышленными габаритами (размер бака: 1500 мм × 900 мм × 150 мм) и печь медленного охлаждения (размер печи: 4524 мм × 2488 мм × 2065 мм).
[0043] На этапе III в соответствии с температурами охлаждения и скоростями охлаждения, определенными на этапе I как наиболее критические технологические этапы в процессе металлургической реакции шлама, обогащенного бором, и характеристиками физического поля реактора, определенными на этапе II, температуру определяют как единый фактор.
[0044] На этапе IV в соответствии с особенностями фазового перехода в процессе охлаждения, а именно двухэтапным выполнением медленного охлаждения, когда шлам, обогащенный бором, быстро охлаждается со скоростью более 10/мин. в диапазоне 1500-1200 и медленно охлаждается со скоростью менее 3/мин при температуре ниже 1200, чтобы борат магния мог быть выборочно осажден. Таким образом, вводятся «принцип тонкого материала», число Fo (отношение глубины распространения внутренней температуры к размеру элемента объекта) и число Bi (отношение внутреннего сопротивления теплопроводности к внутреннему сопротивлению высвобождению тепла объекта).
[0045] На этапе V на основе числа Fo и числа Bi составляют модель охлаждения для изменения температуры в расплаве во время процесса охлаждения. Наконец определяют принцип амплификации медленного охлаждения шлама, обогащенного бором, т.е. шлам, обогащенный бором, должен быть охлажден в форме с толщиной менее 0,15 м, в частности, медленное охлаждение в форме из «тонкого материала» для обеспечения скорости извлечения бора. Таким образом, в процессе амплификации оборудования температура предварительного нагрева составляет от 700до 900, толщина слоя шлама составляет менее 0,15 м, температура окружающей среды на этапе быстрого охлаждения составляет от 600до 900 и температура окружающей среды на этапе теплового консервирования составляет от 780до 980, что может обеспечить эффективное извлечение бора. Результаты эксперимента по промышленной амплификации показывают, что средняя активность бора в шламе, обогащенном бором, составляет 80,0 %, что на 5 % выше указанного индекса. Распределение температуры в баке медленного охлаждения, прогнозируемое критерием амплификации, соответствует температуре, фактически измеренной в промышленности.
Вариант II осуществления изобретения
[0046] В варианте осуществления предложен способ амплификации с эффектом распределения концентрации в качестве основного несоответствия в механической системе перемешивания твердого вещества-жидкости, и создан способ амплификации бака осаждения кристаллов оксида алюминия.
[0047] Конкретный процесс следующий: распад кристалла раствора алюмината натрия является одной из ключевых рабочих процедур производства оксида алюминия способом Байера, что не только влияет на количество и качество продуктов оксида алюминия, но также непосредственно влияет на эффективность цикла и другие рабочие процедуры. Распад кристаллов представляет собой процесс осаждения твердого гидроксида алюминия из раствора алюмината натрия, который является двухфазной реакцией твердого вещества-жидкости. Представленное механическое перемешивание может не только обеспечить равномерность распределения твердых частиц, но также равномерность и стабильность концентрации жидкой фазы и температуры реакции в системе реакции. За счет средств, объединяющих способ физического моделирования и способ численного моделирования, анализируют состояние потока жидкости и состояние смешивания «жидкость-твердое вещество» многофазной системы «жидкость-твердое вещество» в баке осаждения кристаллов. Обнаружено, что проблема осаждения возникает на дне бака осаждения кристаллов в связи с влиянием конструкции, эксплуатации и т.п. мешалки, что обеспечивает снижение выхода и качества оксида алюминия на последующем этапе. Таким образом, основным недостатком в процессе амплификации бака осаждения кристаллов является обеспечение равномерного распределения осажденных твердых частиц без эффекта накопления чрезмерной локальной концентрации.
[0048] В варианте осуществления изобретения способ амплификации для бака осаждения кристаллов оксида алюминия содержит следующие этапы:
[0049] На этапе I закономерность распределения концентрации частиц в баке осаждения кристаллов при различных рабочих условиях измеряют прибором для измерения концентрации частиц, и получают формулу взаимосвязи Q=0,57Fr-0,34, где Q — равномерность на дне, а Fr — число Фруда. Согласно формуле взаимосвязи, автор изобретения обнаружил, что когда скорость мешалки постепенно увеличивается, твердые частицы постепенно взвешиваются в растворе, и можно избежать феномена отложения на дне бака осаждения кристаллов, т.е. скорость мешалки является ключевым фактором, влияющим на процесс осаждения кристаллов.
[0050] На этапе II посредством объединения способа физического моделирования и способа численного моделирования анализируют характеристики физического поля состояния потока жидкости и состояния смешивания жидкости-твердого вещества многофазной системы «жидкость-твердое вещество» в баке осаждения кристаллов, и определяют амплифицированный бак осаждения кристаллов и его конструкцию. Амплифицированный бак осаждения кристаллов представляет собой бак для механического перемешивания с плоским днищем диаметром 14 м, высотой 30 м и рабочим объемом 4500 м3.
[0051] На этапе III исходя из характеристик реакции, определенных на этапе I, и характеристик физического поля реактора, определенных на этапе II, единый фактор реакции определяют как критическую скорость взвешивания.
[0052] На этапе IV, согласно взаимосвязи между концентрацией твердых частиц и критической скоростью взвешивания на этапе III, устанавливают амплификационное число с критической скоростью взвешивания как основной влияющий фактор: Njs=Njs0-0,868, где Njs — критическая скорость взвешивания после амплификации, Njs0 — критическая скорость взвешивания перед амплификацией для бака осаждения кристаллов, и — объемный множитель амплификации для бака осаждения кристаллов.
[0053] На этапе V исходя из характеристик распределения концентрации твердых частиц и закономерности изменения критической скорости взвешивания вместе с изменением размера бака осаждения кристаллов, устанавливают критерий амплификации и реализуют быструю амплификацию с большим увеличением от малогабаритного бака осаждения кристаллов для лаборатории до бака осаждения кристаллов на 40 000 тонн для отрасли. После амплификации энергопотребление бака осаждения кристаллов снижается на 31,2 % по сравнению с обычным баком осаждения кристаллов.
Вариант III осуществления изобретения
[0054] В варианте осуществления предлагают способ амплификации с эффектом распределения энергии как основного несоответствия в металлургической реактивной системе со сложными реактивными механизмами, множеством фаз и взаимодействием различных физических полей.
[0055] Конкретный процесс следующий: в качестве важного сырьевого материала для аккумуляторов сферический гидроксид никеля широко используется в электронике, гальванических покрытиях, аэрокосмической технике, военной промышленности и других важных областях техники. Сложность амплификации бака для синтеза сферического гидроксида никеля состоит в сложных механизмах реакции синтеза, процесс реакции представляет собой многофазную реакцию, в которой твердые кристаллы генерируются в жидкой фазе, и процесс реакции содержит взаимосвязь различных физических полей, таких как распределение концентрации, распределение температуры, распределение времени пребывания, интенсивность перемешивания и распределение скорости. В то же время сферичность продуктов гидроксида никеля влияет на характеристики зарядки и разрядки последующих аккумуляторов, поэтому существуют строгие требования к морфологии продуктов.
[0056] В варианте осуществления изобретения способ амплификации для металлургического процесса содержит следующие этапы:
[0057] На этапе I в ходе фактического процесса производства автор изобретения обнаружил, что перемешивание в системе находится в состоянии чрезмерного перемешивания, и двухфазное распределение твердого вещества-жидкости и температура являются однородными, поэтому исключаются влияние концентрации и влияние температуры. Согласно теории роста кристалла время роста кристалла и интенсивность энергии перемешивания являются важными факторами, влияющими на форму роста и морфологию кристалла. Распределение времени пребывания материалов в баке для синтеза при различных рабочих условиях измеряют посредством способа «стимул-реакция», и автор изобретения обнаружил, что время пребывания при различных рабочих условиях мало различается. Кроме того, было выполнено сравнение распределений кинетической энергии турбулентности в баке для синтеза при различных рабочих условиях, и автор изобретения обнаружил, что интенсивность энергии перемешивания имеет важное влияние на форму роста и морфологию кристалла гидроксида никеля. Таким образом, способ, раскрытый в настоящем изобретении, определяет, что единый фактор, влияющий на качество и производительность — это интенсивность энергии перемешивания.
[0058] На этапе II за счет средств, объединяющих способ численного моделирования и способ физического моделирования, время пребывания частиц продукта в баке для синтеза при различных конструкциях реактора, поля силы перемешивания, распределение поля потока, распределение концентрации и распределение температуры в реакторе измеряют в одно время посредством анемометрии частиц, анализатора концентрации частиц и т.п. Моделируют взаимосвязь между состоянием потока жидкости и энергопотреблением в реакторах с различными конструкциями, и определяют типы и конструкции реакторов в процессе реакции. Диаметра бака для синтеза составляет 2,4 м, соотношение высоты и диаметра составляет 1,1, и номинальный объем составляет 10,51 м3.
[0059] На этапе III исходя из характеристик реакции, определенных на этапе I, и характеристик физического поля реактора, определенных на этапе II, единый фактор периода реакции определяют как постоянную линейную скорость.
[0060] На этапе IV исходя из определенного единого фактора и влияния единого фактора на процесс металлургической реакции, амплификационное число единого фактора определяют как UE, превышающее или равное 7 м/с, где UE —линейная скорость на одном конце мешалки.
[0061] На этапе V постоянную линейную скорость устанавливают как критерий амплификации и проверяют посредством эксперимента, и реализуют быструю амплификацию с большим увеличением от лабораторных 150 л до промышленных 10 м3.
1. Способ амплификации металлургического процесса, включающий следующие этапы:
этап I, на котором определяют взаимосвязь между процессом металлургической реакции и давлением, концентрацией и температурой посредством метода макрокинетического исследования металлургической реакции, при этом формула взаимосвязи следующая: R=f(P, T, C), где R - скорость реакции процесса металлургической реакции, f - функциональная взаимосвязь, P - давление, T - температура и C - концентрация; и определяют наиболее критические этапы технологии, влияющие на скорость реакции в процессе металлургической реакции для получения характеристик реакции;
этап II, на котором определяют характеристики физического поля реактора для оптимизации реактора способом физического моделирования и/или способом численного моделирования и определяют реактор и его конструкцию, подходящую для характеристик металлургической реакции;
этап III, на котором исходя из характеристик реакции, определенных на этапе I, и характеристик физического поля реактора, определенных на этапе II, определяют единый фактор периода реакции;
этап IV, на котором исходя из определенного единого фактора и взаимосвязи единого фактора, влияющей на процесс металлургической реакции, определяют амплификационное число единого фактора; и
этап V, на котором исходя из критерия амплификации, который состоит в том, что амплификационное число единого фактора остается неизменным в процессе амплификации, получают результаты пилотных испытаний посредством эксперимента в горячем состоянии или посредством средств моделирования, проверяют критерий амплификации, получают схему амплификации, осуществляют подготовку промышленного производства и завершают амплификацию металлургического процесса.
2. Способ амплификации по п. 1, в котором на этапе I в методе макрокинетического исследования металлургической реакции для получения общего уравнения скорости, а именно R=f(P, T, C), выбирают один способ или комбинацию нескольких способов из группы, включающей дифференциальный термический анализ, термогравиметрический анализ, дифференциальную сканирующую калориметрию, измерение концентрации частиц и компонентный анализ, и определяют этап управления реакцией.
3. Способ амплификации по п. 1, в котором на этапе II физические поля реактора содержат поле давления, поле потока, поле концентрации, магнитное поле и физическое поле перемешивания.
4. Способ амплификации по п. 1, в котором на этапе II определяют реактор и его конструкцию, подходящую для характеристик металлургической реакции, причем характеристики физического поля реактора и его конструкция должны соответствовать требованиям закономерностей металлургической реакции при амплификации металлургического процесса.
5. Способ амплификации по п. 1, в котором на этапе II используют способ физического моделирования и способ численного моделирования для определения характеристик физического поля реактора; при этом способ физического моделирования выбирают из группы, включающей следующие способы: анемометрия частиц, высокоскоростная съемка, доплерография и формирование ИК-изображений, и выполняют эксперимент на водной модели; причем способ численного моделирования представляет собой детальное моделирование, полученное посредством моделирования ANSYS/FLUENT.
6. Способ амплификации по п. 1, в котором на этапе II исходя из способа физического моделирования и способа численного моделирования получают закономерность переноса вещества и определяют феноменологическое уравнение в соответствии с феноменологией.
7. Способ амплификации по п. 1, в котором на этапе IV определяют амплификационное число единого фактора, являющееся критерием амплификации единого фактора, на основании единого фактора, который может быть установлен в особый период для амплификации металлургического процесса.
8. Способ амплификации по п. 1, в котором определение реактора и его конструкции, подходящей для характеристик металлургической реакции, и определение единого фактора осуществляют на основе исследовательской платформы амплификации металлургического процесса, объединенной с методом макрокинетического исследования металлургической реакции, способом физического моделирования, способом численного моделирования и экспериментом в горячем состоянии для проверки и амплификацию металлургического процесса точно выполняют согласно этапам способам амплификации металлургического процесса.
