Способ управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья с получением глинозема и содопродуктов
METHOD OF CONTROLLING CHARGE PREPARATION DURING PROCESSING OF NEPHELINE RAW MATERIAL WITH PRODUCTION OF ALUMINA AND SODA PRODUCTS

Изобретение относится к процессам цветной металлургии и может быть использовано для переработки по способу спекания нефелинового сырья.
щ
изв
Известен способ управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья, основанный на регулировании дозировки компонентов шихты, исходя из молярных отношений оксидов натрия и алюминия (М) и оксидов кальция и кремния (М), включающий изменение расхода нефелина, известняка и оборотного карбонатного раствора в зависимости от изменения химического состава компонентов для получения шихты с учетом содержания соединений серы и хлора [Комплексная переработка щелочного алюминийсодержащего сырья. (Комплексная переработка щелочного алюминийсодержащего сырья. / Б.И. Арлюк, Ю.А. Лайнер, А.И. Пивнев М. Металлургия, 1994. - 384 с.)
Недостатком данного способа является то, что аналитическое определение содержания оксидов натрия, кальция и кремния в шихте осуществляется с запаздыванием на сутки и приводит к неточности расчетов модульных характеристик шихты аналитипри использовании угольного топлива в процессе спекания не учитывается влияние присадки к спеку золы топлива и отклонения за счет этого модулей спека от расчетных значений по шихте.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья с получением глинозема и содопродуктов, включающий изменение расхода нефелиновой руды, известняка и оборотного карбонатного раствора для получения шихты в зависимости от изменения химического состава компонентов для получения шихты со следующими молярными отношениями:
[Производство глинозема. Лайнер А.И., Еремин Н.И., Лайнер Ю.А., Певзнер И.З., изд. Металлургия 1978, с. 184-186].
Недостатком этого способа является невозможность оперативного управления процессом приготовления шихты из-за значительных колебаний оксида алюминия в нефелиновой руде и оксида кальция в известняке, что приводит в свою очередь к расшихтовке спека по модулям и снижению товарного выхода глинозема.
Задачей изобретения является повышение качества спека и увеличение товарного выхода глинозема при переработке нефелиновых руд.
Поставленная задача достигается способом управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья с получением глинозема и содопродуктов, включающем изменение расхода нефелиновой руды, известняка и оборотного карбонатного раствора для получения шихты. Известняковый и щелочной модули шихты определяют, исходя из заданных значений известнякового и щелочного модулей спека и поправок, учитывающих изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, рассчитывающихся на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания по следующим выражениям:
и шр
где: М  - модуль известняковый шихты расчетный, ед.
и сз
М  - модуль известняковый спека заданный, ед.
щ шр
М  - модуль щелочной шихты расчетный, ед.
щ сз
М  - модуль щелочной спека заданный, ед.
величину известнякового и щелочного модулей шихты определяют суммированием расчетного модуля с поправками, учитывающими изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, которые рассчитывают по выражению:
ми
где: П  - поправка известнякового модуля, ед.
и см
М  - модуль известняковый спека, рассчитанный на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания
мщ
где: П  - поправка щелочного модуля, ед.
щ см
М  - модуль щелочной спека, рассчитанный на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания, ед.
Предлагаемый способ в отличие от известных и от способа, принятого за прототип, обладает наличием новых отличительных признаков.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является управление модулями шихты в зависимости от изменения содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, рассчитывающихся на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания по заявляемым выражениям. Необходимость регулирования модульными характеристиками шихты обусловлена колебаниями содержания оксида алюминия в нефелиновой руде, которые составляют от 24,5 до 26,0%, ввиду необходимости вовлечения в переработку забалансовых руд, При добыче известняка также наблюдаются в нем колебания содержания оксида кальция, обусловленные изменением данного оксида в разных пластах известнякового рудника. Неточности определения модулей шихты приводит к снижению товарного выхода оксида алюминия на 0,2-0,3% и ухудшению технико-экономических показателей производства глинозема. Изменение содержания оксида алюминия в нефелиновой руде требует изменения расхода известняка и может привести к расшихтовке спека по модулям. Управление известняковым и щелочным модулями шихты согласно заявляемого способа осуществляется с учетом изменения содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, рассчитывающихся на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания по предлагаемым выше выражениям, что ранее в других способах управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья не применялось и является отличительным признаком данного изобретения. Оперативное регулирование модулями шихты, учитывая изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, позволяет стабилизировать физико-химические свойства спека и увеличить химический и товарный выход глинозема. На основании заданных известнякового и щелочного модулей спека и с учетом поправочных коэффициентов, учитывающих изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, по предлагаемым формулам, рассчитываются модульные характеристики шихты.
Предлагаемый способ опробован в промышленном масштабе в АО "Ачинский глиноземный комбинат" при переработке нефелиновых руд Кия-Шалтырского месторождения. Использование данного способа управления модульными характеристиками шихты обеспечивает максимальный товарный выход глинозема. Применение известного способа управления приготовлением шихты без учета изменения содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде ведет к расшихтовке спека по модулям и снижению химического и товарного выхода глинозема.
Примеры конкретного выполнения способа управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья с получением глинозема и содопродуктов осуществляют путем расчета щелочного и известнякового модулей шихты исходя из заданных значений известнякового и щелочного модулей спека и поправок, учитывающих изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, рассчитывающихся на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов.
Расчет необходимых поправок производится на основании результатов термодинамического анализа (ТДА), который позволяет путем модельно-компьютерного прогнозирования природных и производственных процессов иметь важную оперативную информацию о характере и степени физико-химических превращений, и таким образом, существенно повысить эффективность управления металлургическим переделом, не дожидаясь получения опытных данных и результатов анализа технологических проб.
Методика ТДА заключается в расчете минимума свободной энергии, что соответствует равновесному состоянию при промежуточном или полном завершении технологического процесса, или его этапа в исследуемой физико-химической системе. По мере приближения к равновесному состоянию потенциалы отдельных химических элементов приобретают одинаковое фиксированное значение во всех фазах. В точке равновесного состояния остаются лишь те компоненты и фазы, автоматически выбранные из баз термодинамических данных, которые в строго рассчитанных количествах отвечают минимуму свободной энергии. Основу алгоритма ТДА составляет расчет компонентного и фазового состава системы с использованием уравнения, записываемого в векторной, изменяемой форме:
j
j
i
i
g x = b u
j
j
i
i
где: g - изобарно-изотермический потенциал расчетной фазы (j-компонента) спека, x - мольное количество расчетной фазы (j-компонента) спека, b - мольное количество исходных химических элементов (i-компонентов) шихты, u - химические потенциалы системы (по i-компонентам).
Средством разработанной методики служит компьютерная модель спекания шихты глиноземного производства, в которой все технологические превращения исходных компонентов имитируются на основании моделирования физико-химических процессов, протекающих в системе с участием ряда химических элементов и их соединений, сортируемых данным алгоритмом. Контроль технологических параметров и превращений в зонах металлургического аппарата воспроизводится с помощью системного взаимодействия термодинамических резервуаров.
Термодинамические расчеты производятся с помощью компьютерной программы «Селектор», ресурсы которой позволяют контролировать все поэтапные фазовые изменения в шихте по мере сгорания топлива и разогрева компонентов (по зонам печи), и приводящие к образованию минерального состава спека, утилизации технологических добавок и зольных примесей, а также охлаждению полученного спека и улавливанию отходящих газов.
Пример 1. Расчет поправки щелочного модуля при приготовлении сырьевой шихты.
2
2
3
2
3
2
3
щ сз
2
2
4
2
2
7
2
3
2
3
2
3
Необходимость поправки щелочного модуля вызвана недостаточной степенью синтеза в спеке алюмината натрия NaAlO вследствие образования побочных фаз, которые являются нерастворимой частью спека при последующем выщелачивании. Установлено, что на приготовление 100 г сухой шихты необходимо взять 41,4 г нефелиновой руды и 58,6 г известняка. При исходном содержании в руде 25% масс. AlO количество глинозема, поступившего в процесс шихтоподготовки, составляет 10,35 г (мольная доля глинозема - 0,101 моль AlO). При спекании данной порции шихты получено 74,3 г спека, в котором содержание глинозема составляет 13,9% масс. AlO. Согласно химическому анализу щелочной модуль спека ниже заданного М  = 1,0 ед. и требует уточнения. По результатам ТДА спек содержит следующие фазы: 23,4 г (31,5% масс.) NaAlO, 49,3 г (66,4% масс.) CaSiO и 1,6 г (2,1% масс.) и побочной фазы - геленита CaAlSiO. Связывание с геленитом 0,6 г AlO означает более низкое извлечение глинозема, прогнозируемое на уровне (10,35-0,6)/102=0,096 моль AlO от исходного содержания в руде. Для повышения извлечения глинозема требуется поправка на увеличение щелочного модуля, которая соответствует потере с геленитом мольной доли глинозема: 0,6/102=0,0059 моль AlO.
щ см
щ сз
мщ
мщ
Определяем М = М  + П  = 1,0 + П
мщ
Поправка П  рассчитывается, исходя из изменения содержания оксида алюминия на основе результатов ТДА превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания:
мщ
щ см
щ сз
щ сз
П  = (М  - М ) / М  = 0,059.
Тогда модуль щелочной с учетом поправки рассчитывается:
щ шр
М  = 1,0+0,059=1,059.
Известняковый модуль остается на прежнем уровне, количество оксида кальция в шихте 32,8 г СаО. Одновременно были проведены контрольные опыты с использованием данной партии нефелиновой руды и известняка.
мщ
С учетом рассчитанной поправки изменения щелочного модуля П=0,059 ед. извлечение глинозема увеличено на 2,9 отн. %.
Пример 2. Расчет поправки известнякового модуля при приготовлении сырьевой шихты.
2
4
2
3
2
3
2
3
2
6
ми
2
6
2
Поправка известнякового модуля вводится, если при спекании шихты кремнезем не полностью связывается в двухкальциевый силикат CaSiO. что при использовании нефелина наиболее часто приводит к образованию нерастворимых алюмосиликатов натрия. Так, при исходном содержании 26% масс. AlO на приготовление 100 г сухой шихты было взято 41,7 г нефелиновой руды и 58,3 г известняка. Количество глинозема, поступившего в процесс шихтоподготовки, составляет 10,82 г (мольная доля - 0,106 моль AlO). Количество введенного оксида кальция - 32,65 г (0,583 моль) СаО. После спекания шихты получено 74,1 г спека, содержащего 14,6% масс. AlO. Несмотря на расчетный щелочной модуль, выщелачивание приводит к пониженному извлечению глинозема. Согласно термодинамического анализа в состав спека в количестве 2,3 г (3,1% масс.) входит минерал жадеит NaAlSiO, для разложения которого требуется поправка известнякового модуля - П . Расчет поправки производится, исходя из того, что добавка известняка в количестве 4,57 г (0,046 моль СаО) позволяет вывести кремнезем из NaAlSiO. (1,37 г SiO) и высвободить глинозем для образования алюмината.
и см
и сз
ми
ми
Определяем М  = М  + П  = 2,0 + П
ми
Поправка учитывающая изменение известнякового модуля П , повышающая содержание оксида кальция, рассчитана на основе результатов термодинамического анализа превращения компонентов в продукты спекания с помощью минимизации энергии Гиббса:
ми
и см
и сз
и сз
П  = (М - М )/М = 0,078.
и см
Модуль известняковый с учетом поправки М =2+0,078=2,078.
ми
Общее количество оксида кальция в шихте составило 35,2 г СаО. Контрольные опыты с учетом рассчитанной поправки П =0,078 ед. позволили увеличить извлечение глинозема на 3,2 отн. %.
Проведенные опыты с шихтой АО «РУСАЛ Ачинск» подтвердили увеличение извлечения оксида алюминия при приготовлении сырьевой шихты с щелочным и известняковым модулями с учетом поправок, рассчитанных на основе результатов термодинамического анализа превращения компонентов в продукты спекания. Результаты опытов приведены в табл. 1.
Таким образом, как видно из табл. 1 заявляемый способ управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья с получением глинозема и содопродуктов позволяет спрогнозировать и рассчитать с помощью термодинамического анализа изменение щелочного модуля при неустойчивом содержании оксида алюминия в нефелиновой руде, что приводит к увеличению извлечения оксида алюминия при выщелачивании спека с 81% (по прототипу) до 83,9% (по заявляемому способу). При изменении известнякового модуля и с учетом поправки на изменение содержание оксида кальция в сырьевой шихте, рассчитанной с помощью термодинамического анализа обеспечивается увеличение извлечение оксида алюминия с 81%) (по прототипу) до 84,2%) (по заявляемому способу). Положительный эффект по выходу товарного продукта - глинозема при уточнении модульных характеристик шихты с использованием заявляемого способа управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья подтверждают результаты проведенных лабораторных опытов. Известняковый и щелочной модули шихты определяют исходя из заданных значений известнякового и щелочного модулей спека и с учетом изменения содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, рассчитывающихся на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов по определенным выражениям и поправок на величину модулей шихты, учитывающих изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, рассчитывающихся на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов. Величину известнякового и щелочного модулей шихты получают суммированием расчетного модуля с поправкой, учитывающей изменение значений известнякового и щелочного модулей спека и поправок, учитывающих изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде. Изобретение позволяет повысить качество спека, увеличить извлечение и товарный выход глинозема за счет оперативного управления модульными характеристиками шихты.