Способ управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья с получением глинозема и содопродуктов Российский патент 2020 года по МПК C01F7/38 

Изобретение относится к процессам цветной металлургии и может быть использовано для переработки по способу спекания нефелинового сырья.

Известен способ управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья, основанный на регулировании дозировки компонентов шихты, исходя из молярных отношений оксидов натрия и алюминия (М_щ) и оксидов кальция и кремния (М_изв), 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:

где: М _{и шр} - модуль известняковый шихты расчетный, ед.

М _{и сз} - модуль известняковый спека заданный, ед.

М _{щ шр} - модуль щелочной шихты расчетный, ед.

М _{щ сз} - 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:

где: П _ми - поправка известнякового модуля, ед.

М _{и см} - модуль известняковый спека, рассчитанный на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания

где: П _мщ - поправка щелочного модуля, ед.

М _{щ см} - 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:

g_j x_j = b_i u_i

где: g_j - изобарно-изотермический потенциал расчетной фазы (j-компонента) спека, x_j - мольное количество расчетной фазы (j-компонента) спека, b_i - мольное количество исходных химических элементов (i-компонентов) шихты, u_i - 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.

Необходимость поправки щелочного модуля вызвана недостаточной степенью синтеза в спеке алюмината натрия NaAlO₂ 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. Al₂O₃ количество глинозема, поступившего в процесс шихтоподготовки, составляет 10,35 г (мольная доля глинозема - 0,101 моль Al₂O₃). При спекании данной порции шихты получено 74,3 г спека, в котором содержание глинозема составляет 13,9% масс. Al₂O₃. Согласно химическому анализу щелочной модуль спека ниже заданного М _{щ сз} = 1,0 ед. и требует уточнения. По результатам ТДА спек содержит следующие фазы: 23,4 г (31,5% масс.) NaAlO₂, 49,3 г (66,4% масс.) Ca₂SiO₄ и 1,6 г (2,1% масс.) и побочной фазы - геленита Ca₂Al₂SiO₇. Связывание с геленитом 0,6 г Al₂O₃ означает более низкое извлечение глинозема, прогнозируемое на уровне (10,35-0,6)/102=0,096 моль Al₂O₃ 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 Al₂O₃.

Определяем М _{щ см} = М _{щ сз} + П _мщ = 1,0 + П _мщ

Поправка П _мщ рассчитывается, исходя из изменения содержания оксида алюминия на основе результатов ТДА превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания:

П _мщ = (М _{щ см} - М _{щ сз}) / М _{щ сз} = 0,059.

Тогда модуль щелочной с учетом поправки рассчитывается:

М _{щ шр} = 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.

С учетом рассчитанной поправки изменения щелочного модуля П_мщ=0,059 ед. извлечение глинозема увеличено на 2,9 отн. %.

Пример 2. Расчет поправки известнякового модуля при приготовлении сырьевой шихты.

Поправка известнякового модуля вводится, если при спекании шихты кремнезем не полностью связывается в двухкальциевый силикат Ca₂SiO₄. что при использовании нефелина наиболее часто приводит к образованию нерастворимых алюмосиликатов натрия. Так, при исходном содержании 26% масс. Al₂O₃ 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 Al₂O₃). Количество введенного оксида кальция - 32,65 г (0,583 моль) СаО. После спекания шихты получено 74,1 г спека, содержащего 14,6% масс. Al₂O₃. 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 NaAlSi₂O₆, для разложения которого требуется поправка известнякового модуля - П _ми. Расчет поправки производится, исходя из того, что добавка известняка в количестве 4,57 г (0,046 моль СаО) позволяет вывести кремнезем из NaAlSi₂O₆. (1,37 г SiO₂) и высвободить глинозем для образования алюмината.

Определяем М _{и см} = М _{и сз} + П _ми = 2,0 + П _ми

Поправка учитывающая изменение известнякового модуля П _ми, повышающая содержание оксида кальция, рассчитана на основе результатов термодинамического анализа превращения компонентов в продукты спекания с помощью минимизации энергии Гиббса:

П _ми = (М _{и см} - М _{и сз})/М _{и сз} = 0,078.

Модуль известняковый с учетом поправки М _{и см}=2+0,078=2,078.

Общее количество оксида кальция в шихте составило 35,2 г СаО. Контрольные опыты с учетом рассчитанной поправки П _ми=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.

Изобретение относится к процессам цветной металлургии и может быть использовано при переработке щелочного алюмосиликатного сырья, в частности нефелиновых руд. Способ управления приготовлением шихты при переработке нефелинового сырья с получением глинозема и содопродуктов включает 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 с учетом изменения 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 и товарный выход глинозема за счет оперативного управления модульными характеристиками шихты. 1 табл., 2 пр.

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, отличающийся тем, что расход нефелиновой руды, известняка и оборотного карбонатного раствора для получения шихты определяют по молярным отношениям щелочного и известнякового модуля шихты, которые рассчитывают, исходя из заданных значений известнякового и щелочного спека и поправок, учитывающих изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, основанных на результатах термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания по следующим выражениям:

М _{и шр}= М _{и сз} + П _ми, (1)

М _{щ шр} = М _{щ сз} + П _мщ, (2)

где: М _{и шр} - модуль известняковый шихты расчетный, ед.,

М _{и сз} - модуль известняковый спека заданный, ед.,

М _{щ шр} - модуль щелочной шихты расчетный, ед.,

М _{щ сз} - модуль щелочной спека заданный, ед.,

при этом величину известнякового и щелочного модулей шихты получают суммированием расчетного модуля с поправками, учитывающими изменение содержания оксида кальция в известняке и оксида алюминия в нефелиновой руде, которые рассчитывают по выражению:

П _ми = (М _{и сз} – М _{и см})/М _{и сз}, (3)

где: П _ми - поправка известнякового модуля, ед.,

М _{и см} - модуль известняковый спека, рассчитанный на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания

П _мщ = (М _{щ сз} - М _{щ см})/М _{щ сз}, (4)

где: П _мщ - поправка щелочного модуля, ед.,

М _{щ см} - модуль щелочной спека, рассчитанный на основе результатов термодинамического анализа превращения сырьевых компонентов в конечные продукты спекания, ед.