cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2025-1-80-90cvmet-1660Research ArticleЭнерго- и ресурсосбережениеEnergy and Resource SavingПовышение эффективности и моделирование использования камеры дожигания в печи ВанюковаEnhancing efficiency and modeling the operation of the afterburning chamber in the Vanyukov furnaceКирсановВ. А.KirsanovV. А.

Владимир Андреевич Кирсанов – советник ген. директора по инжинирингу

620063, Свердловская обл., г. Екатеринбург, ул. Хохрякова, 87

Vladimir A. Kirsanov – Advisor to the General Director for Engineering

ПобережныйЮ. Ф.PoberezhnyYu. F.

Юрий Федорович Побережный – начальник бюро инжиниринга и инноваций

620063, Свердловская обл., г. Екатеринбург, ул. Хохрякова, 87

Yuri F. Poberezhny – Head of the Bureau of Engineering and Innovation

https://orcid.org/0009-0006-2019-019XМихайловН. Г.MikhailovN. G.

Николай Григорьевич Михайлов – вед. инженер отдела технологического аудита 

620063, Свердловская обл., г. Екатеринбург, ул. Хохрякова, 87

Nikolai G. Mikhailov – Leading Engineer of the Technological Audit Department

СладковМ. М.SladkovM. M.

Максим Михайлович Сладков – гл. инженер 

623280, Свердловская обл., г. Ревда, ул. Среднеуральская, 1

Maxim M. Sladkov – Chief Engineer

ГотенкоС. Н.GotenkoS. N.

Сергей Николаевич Готенко – начальник технического управления

623280, Свердловская обл., г. Ревда, ул. Среднеуральская, 1

Sergey N. Gotenko – Head of the Technical Department

Уральский научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемыхРоссияUral Research and Design Institute of Mining Processing, Metallurgy, Chemistry, StandartizationRussian FederationСреднеуральский медеплавильный заводРоссияSredneuralsky Copper SmelterуRussian Federation2025230320253118090Copyright © Кирсанов В.А., Побережный Ю.Ф., Михайлов Н.Г., Сладков М.М., Готенко С.Н., 20252025Кирсанов В.А., Побережный Ю.Ф., Михайлов Н.Г., Сладков М.М., Готенко С.Н.Kirsanov V.А., Poberezhny Y.F., Mikhailov N.G., Sladkov M.M., Gotenko S.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1660

В исследуемом процессе повышения эффективности использования камеры дожигания в печи Ванюкова изучены различные эксплуатационные варианты работы печи и камеры, найдены режимы оптимального окисления и дожигания серы, выявлены способы снижения настылеобразования. Проведены измерения и анализ отходящих газов. Определен состав пыли. По результатам выполненных расчетов применяли ряд упрощений и допущений, позволяющих представлять движение газов, термодинамические процессы, профиль скоростей, области взаимодействия. Некоторые варианты термодинамических расчетов взаимопроникающих встречных струй построены на гипотезах, заимствованных из теории теплообмена в смешивающих аппаратах. Представлены экспериментальные результаты численного моделирования и варианты некоторых прогнозных симуляций, происходящих в камере дожигания печи Ванюкова. Проведены замеры параметров, построены графики аэродинамических характеристик фурм при среднем значении подачи кислорода в пространство камеры дожигания не более 2500 н.м3/ч (38 н.м3/т загрузки шихты). Предложены мероприятия для эффективной технологической эксплуатации. Опыт специалистов Среднеуральского медеплавильного завода, результаты испытаний и моделирования процесса способствовали выбору наилучшего распределения дутья по фурмам. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно сложных аэродинамических и термодинамических процессах, происходящих в пространстве камеры дожигания, представлении в одной проекции взаимодействий явлений динамики фурменных дутьевых потоков охлаждения, выделения тепловой энергии экзотермических реакций окисления, принудительной и естественной конвекции отходящих расплавных газов с различными температурными градиентами.

This study investigates the process of enhancing the efficiency of the afterburning chamber in the Vanyukov furnace. Various operational modes of the furnace and the chamber were analyzed to identify optimal conditions for sulfur oxidation and afterburning, as well as methods for reducing accretions. Measurements and analyses of off-gas compositions were conducted, and the dust content was determined.Simplifications and assumptions were applied in the calculations, enabling the modeling of gas flow, thermodynamic processes, velocity profiles, and interaction zones. Some thermodynamic calculations of counter-penetrating gas jets were based on hypotheses derived from heat exchange theories in mixing devices. Experimental results of numerical modeling and predictive simulations within the afterburning chamber are presented. Parameters were measured, and aerodynamic characteristics of the tuyeres were charted at an average oxygen supply to the chamber of no more than 2500 n.m3/h (38 n.m3 per ton of batch load). Recommendations for effective technological operations were proposed. The expertise of specialists from the Sredneuralsk Copper Smelter, along with the results of trials and process modeling, facilitated the selection of the optimal tuyere air distribution. The findings reveal the complexity of aerodynamic and thermodynamic processes occurring within the afterburning chamber. These include interactions between tuyere cooling airflows, heat release from exothermic oxidation reactions, and forced and natural convection of off-gases with varying temperature gradients, all visualized within a single projection.

камера дожиганияповышение эффективностимоделированиепроцесс Ванюковаafterburning chamberimproving efficiencymodelingVanyukov processReferencesЛисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Плавильные агрегаты: теплотехника, управление и экология. М.: Теплотехник, 2005. 912 с.Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Плавильные агрегаты: теплотехника, управление и экология. М.: Теплотехник, 2005. 912 с.Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. М.: Теплотехник, 2004. 832 с.Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. М.: Теплотехник, 2004. 832 с.Набойченко С.С., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.П., Жуков В.П., Елисеев Е.И. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2005. 700 с.Набойченко С.С., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.П., Жуков В.П., Елисеев Е.И. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2005. 700 с.Сборщиков Г.С., Володин А.М., Валавин В.С. Свободная конвекция расплава в печи с барботажным слоем при его продувке через боковую фурму, установленную под уровнем слоя. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015;(2):58—68. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2015-2-58-68Sborshchikov G.S., Volodin A.M., Valavin V.S. Free convection of the melt in the furnace with a bubble layer during its blowing through a side tuyere established under the layer level. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2015;(2):58—68. (In Russ.).Гофман Г.О. Металлургия меди. Свердловск: ГНТИ, 1934. 475 с.Гофман Г.О. Металлургия меди. Свердловск: ГНТИ, 1934. 475 с.Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Шлаки и штейны цветной металлургии. М.: Металлургия, 1969. 408 с.Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Шлаки и штейны цветной металлургии. М.: Металлургия, 1969. 408 с.Vaisburd S., Berner A., Brandon D.G., Kozhakhmetov S., Kenzhaliyev E., Zhalelev R. Slags & mattes in Vanyukov’s process for the extraction of copper. Metallurgical and Materials Transactions. 2002;(33):551—559. https://doi.org/10.1007/s11663-002-0034-1Vaisburd S., Berner A., Brandon D.G., Kozhakhmetov S., Kenzhaliyev E., Zhalelev R. Slags & mattes in Vanyukov’s process for the extraction of copper. Metallurgical and Materials Transactions. 2002;(33):551—559. https://doi.org/10.1007/s11663-002-0034-1Zhang H.L., Zhou C.Q., Bing W.U, Chen Y.M. Numerical simulation of multiphase flow in a Vanyukov furnace. Journal of Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2015;(115):457—463.Zhang H.L., Zhou C.Q., Bing W.U, Chen Y.M. Numerical simulation of multiphase flow in a Vanyukov furnace. Journal of Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2015;(115):457—463.Ануфриев В.П., Лисиенко В.Г., Чесноков Ю.Н., Лаптева А.В. Возможности реализации углеродной политики в российских регионах. В сб: Материалы XII Международной конференции «Российские регионы в фокусе перемен» (16—18 ноября 2017 г.). Екатеринбург: УМЦ УПИ, 2018. Ч. 2. С. 536—550.Ануфриев В.П., Лисиенко В.Г., Чесноков Ю.Н., Лаптева А.В. Возможности реализации углеродной политики в российских регионах. В сб: Материалы XII Международной конференции «Российские регионы в фокусе перемен» (16—18 ноября 2017 г.). Екатеринбург: УМЦ УПИ, 2018. Ч. 2. С. 536—550.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт О.К., Филипповский Н.Ф. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт О.К., Филипповский Н.Ф. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. 710 с.Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. 710 с.Colagrossi A., Marrone S., Colagrossi P., Le Touze D. Da Vinci’s observation of turbulence: A French-Italian study aiming at numerically reproducing the physics behind one of his drawings, 500 years later. Physics of Fluids. 2021;(33):1—16. https://doi.org/10.1063/5.0070984Colagrossi A., Marrone S., Colagrossi P., Le Touze D. Da Vinci’s observation of turbulence: A French-Italian study aiming at numerically reproducing the physics behind one of his drawings, 500 years later. Physics of Fluids. 2021;(33):1—16. https://doi.org/10.1063/5.0070984Проданов С.А., Воронов Г.В. Особенности движения газовой среды в надфурменной зоне печи Ванюкова. В сб. докл.: Материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (12—13 мая 2016 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2016. С. 91—98.Проданов С.А., Воронов Г.В. Особенности движения газовой среды в надфурменной зоне печи Ванюкова. В сб. докл.: Материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (12—13 мая 2016 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2016. С. 91—98.Oliver T. Schmidt, Aaron Towne, Georgios Rigas, Tim Colonius, Guillaume A. Bres. Spectral analysis of jet turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 2017;(855):953—982. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.675Oliver T. Schmidt, Aaron Towne, Georgios Rigas, Tim Colonius, Guillaume A. Bres. Spectral analysis of jet turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 2017;(855):953—982. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.675Khansa Mahjoub Mohammed Merghani. Experimental study of a human-like exhaled airflow configuration and droplets dynamics in indoor environment. Paris: Universite Paris-EstCreteilVal-de-Marne, 2021. 183 p. https://theses.hal.science/tel-04022879Khansa Mahjoub Mohammed Merghani. Experimental study of a human-like exhaled airflow configuration and droplets dynamics in indoor environment. Paris: Universite Paris-EstCreteilVal-de-Marne, 2021. 183 p. https://theses.hal.science/tel-04022879Barois T., Viggiano B., Basset T., Cal R.B., Volk R. Compensation of seeding bias for particle tracking velocimetry in turbulent flows. Physical Review Fluids. 2023;(8):1—16. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.8.074603Barois T., Viggiano B., Basset T., Cal R.B., Volk R. Compensation of seeding bias for particle tracking velocimetry in turbulent flows. Physical Review Fluids. 2023;(8):1—16. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.8.074603Viggiano B., Basset T., Bourgoin M., Cal R.B., Chevillard L., Meneveau Ch., Volk R. Lagrangian modeling of a nonhomogeneous turbulent shear flow: Molding homogeneous and isotropic trajectories into a jet. Physical Review Fluids. 2024;(9):1—13. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.9.044604Viggiano B., Basset T., Bourgoin M., Cal R.B., Chevillard L., Meneveau Ch., Volk R. Lagrangian modeling of a nonhomogeneous turbulent shear flow: Molding homogeneous and isotropic trajectories into a jet. Physical Review Fluids. 2024;(9):1—13. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.9.044604Xinchen Zhang, Zhen Zhang, Alfonso Chinnici, Zhiwei Sun, Javen Qinfeng Shi, Graham J. Nathan, Rey C. Chin. Physics-informed data-driven unsteady Reynolds-averaged Navier—Stokes turbulence modeling for particle-laden jet flows. Physical Review Fluids. 2024;(36):1—23. https://doi.org/10.1063/5.0206090Xinchen Zhang, Zhen Zhang, Alfonso Chinnici, Zhiwei Sun, Javen Qinfeng Shi, Graham J. Nathan, Rey C. Chin. Physics-informed data-driven unsteady Reynolds averaged Navier—Stokes turbulence modeling for particle-laden jet flows. Physical Review Fluids. 2024;(36):1—23. https://doi.org/10.1063/5.0206090Timothy C.W. Lau, Graham J. Nathan. Influence of Stokes number on the velocity and concentration distributions in particle-laden jets. Journal of Fluid Mechanics. 2014;(757):432—457. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.496Timothy C.W. Lau, Graham J. Nathan. Influence of Stokes number on the velocity and concentration distributions in particle-laden jets. Journal of Fluid Mechanics. 2014;(757):432—457. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.496Aitor Amatriain, Corrado Gargiulo, Gonzalo Rubio. Generalized wall-modeled large eddy simulation model for industrial applications. Physics of Fluids. 2024;(36): 1—21. https://doi.org/10.1063/5.0180690Aitor Amatriain, Corrado Gargiulo, Gonzalo Rubio. Generalized wall-modeled large eddy simulation model for industrial applications. Physics of Fluids. 2024;(36): 1—21. https://doi.org/10.1063/5.0180690Jonathan B. Freund. Nozzles, turbulence, and jet noise prediction. Journal of Fluid Mechanics. 2019;(860):1—4. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.823Jonathan B. Freund. Nozzles, turbulence, and jet noise prediction. Journal of Fluid Mechanics. 2019;(860):1—4. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.823Muppidi S., Mahesh K., Direct numerical simulation of round turbulent jets in crossflow. Journal of Fluid Mechanics. 2007;(574):59—84. https://doi.org/10.1017/S0022112006004034Muppidi S., Mahesh K., Direct numerical simulation of round turbulent jets in crossflow. Journal of Fluid Mechanics. 2007;(574):59—84. https://doi.org/10.1017/S0022112006004034Yu Zhou, Dewei Fan, Bingfu Zhang, Ruiying Li, Bernd R. Noack Artificial intelligence control of a turbulent jet. Journal of Fluid Mechanics. 2020;(897): 1—46. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.392Yu Zhou, Dewei Fan, Bingfu Zhang, Ruiying Li, Bernd R. Noack Artificial intelligence control of a turbulent jet. Journal of Fluid Mechanics. 2020;(897): 1—46. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.392Худяков П.Ю. Газодинамика и теплообмен при соударении прямоточных газовых струй: Автореф. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург: УрФУ, 2013.Худяков П.Ю. Газодинамика и теплообмен при соударении прямоточных газовых струй: Автореф. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург: УрФУ, 2013.Phoebe Kuhn. Linear modeling of coherent structures in the self-similar region of a round turbulent jet: Diss. … Dr. Eng. Berlin: Technischen Universität Berlin, 2023. https://doi.org/10.14279/depositonce-18798Phoebe Kuhn. Linear modeling of coherent structures in the self-similar region of a round turbulent jet: Diss. … Dr. Eng. Berlin: Technischen Universität Berlin, 2023. https://doi.org/10.14279/depositonce-18798Велькин В.И., Школьный А.В., Кириллов М.П., Ачкеев М.В., Гурин А.А. Завихритель: Патент 2321779 (РФ). 2006.Велькин В.И., Школьный А.В., Кириллов М.П., Ачкеев М.В., Гурин А.А. Завихритель: Патент 2321779 (РФ). 2006.Francis B.J., Joubert H., Bakker M.L., Nikolic S., Gwynn-Jones S. Lance for use in a top submerged lance furnace. WO 2017/195105. 2017.Francis B.J., Joubert H., Bakker M.L., Nikolic S., Gwynn-Jones S. Lance for use in a top submerged lance furnace. WO 2017/195105. 2017.Шатохин И.М., Кузьмин А.Л. Способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла, система и устройства для его осуществления: Патент 2213147 (РФ). 2003.Шатохин И.М., Кузьмин А.Л. Способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла, система и устройства для его осуществления: Патент 2213147 (РФ). 2003.Земцов Г.А., Пучков А.Е., Фролов Л.И. Фурма: Патент 2355779 (РФ). 2009.Земцов Г.А., Пучков А.Е., Фролов Л.И. Фурма: Патент 2355779 (РФ). 2009.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.