способ окускования фосфатного сырья

Формула изобретения

1. Способ окускования фосфатного сырья, включающий подготовку шихты путем смешения фосфатного сырья с регулирующей плавкость шихты добавкой и обжиг полученной смеси во вращающейся печи при 1100 1300^oС, отличающийся тем, что фосфатное сырье смешивают с добавкой до получения в шихте отношения суммарного содержания соединений фтора, оксидов щелочных металлов, алюминия и железа к суммарному содержанию пентаоксида фосфора и кремнезема, равного 0,14 0,24, при этом отношение оксидов щелочных металлов к содержанию пентаоксида фосфора составляет 0,02 0,1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношения указанных компонентов дополнительно поддерживают путем добавления фосфорной кислоты к шихте до повышения в ней Р₂О₅ на 0,5 2,0 мас.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии окускования фосфатного сырья для получения из него фосфора электротермическим способом.

Известен способ термообработки и окомкования фосфоритной мелочи без предварительного размола во вращающихся обжиговых печах (Мирошников Н.А. и др. Пути совершенствования технологии подготовки фосфатного сырья. Химическая прмомышленность. 1988, N 11), где используют связанный фосфорит месторождения Каратау и прокаленную мелочь фракции 0-10 мм (реакции 1-0 мм 37,2%). В процессе получают окомкованный материал различной формы фракции 0-100 мм, из них 10-70 мм 74,1-80% кондиционной фракции 20-40 мм 21,0% механическая прочность от 100 до 200 кг/шт, степень декарбонизации сырья более 95%

Недостатком способа является повышенный удельный расход тепла, большой разброс по грансоставу (от неокомкованной шихты до кусков 100 мм) и низкий выход кондиционных фракций готового продукта 20-40 мм. Так как прочность агрегатов обратно пропорционально зависит от их размеров, для больших кусков прочность значительно выше 100 кг/шт, чем для кондиционных фракций (200 кг/шт), то в общей массе в зависимости от массовой доли фракции средняя прочность готового продукта будет составлять 120 кг/шт. Готовый продукт характеризуется низкой прочностью на удар и истирание.

Известен способ окускования фосфатного сырья (авт. св. N 1787933, Б.И. N 2, 1993), в котором с целью повышения прочности, выхода окускованного кондиционного продукта и снижения настылеобразования во вращающейся печи в легкоплавкую шихту крупностью 10-0 мм дополнительно вводят тугоплавкий апатитовый концентрат из расчета 0,5-0,7% на каждый процент тонкодисперсной фракции 0,5-0 мм в фосфатном материале и имеющий с ним аналогичный показатель угла естественного откоса. Добавка 0,1-0,2% углерода (твердого топлива) на каждый процент содержания в основном фосфатном сырье (фосфоритной мелочи) тонкодисперсной части фракции 0,5-0 мм способствует снижению температуры футеровки печи за счет снижения количества газообразного топлива, что приводит к снижению настылеобразования из-за контраста температур футеровки печи и сырья. Полученный продукт характеризуется прочностью на сжатие до 220 кг/шт, выход кондиционной фракции 20-40 мм составляет до 32% выход фракции более 10 мм до 95,5% снижается настылеобразование, так как высота образуемого порожка меньше критической величины и составляет около 5 мм, занимая по сечению суммарный периметр 9-15%

Недостатки описанного способа:

поскольку в основном применяется в качестве сырья фосфоритная руда крупностью 10-0 мм, то механическая прочность окускованного продукта на удар и истирание недостаточна, чтобы складировать и транспортировать готовый продукт до руднотермических печей (характерно для агломерации фосфоритных руд), поэтому способ применим только для получения окускованного продукта на площадке фосфорного завода;

низкий выход кондиционных фракций в готовом продукте;

повышенный удельный расход топлива из-за длительности процесса и одновременного окомкования и термообработки сырья и применения крупной фракции (10-0 мм) фосфорита, которая снижает реакционную способность шихты из-за неоднородности материала по содержанию легко- и тугоплавких соединений, в сравнении с тонкодисперсной фракцией (0,5-0 мм).

Целью изобретения является снижение удельного расхода тепла, повышение прочности продукта на удар и истирание и увеличение выхода кондиционных фракций готового продукта.

Цель достигается тем, что в известный способ опускания фосфатного сырья во вращающейся печи, включающий составление шихты, содержащей основной компонент и добавки, одновременное окомкование и обжиг ее в печи при температуре 1100-1300^oC, внесены некоторые изменения, а именно:

смешивание фосфатного материала с добавлением ведут до получения в окусковываемом продукте соотношения соединений фтора, окислов Al, Fe и щелочных металлов к оксидам фосфора и кремния 0,14-0,24, в том числе доля соотношения оксидов щелочных металлов 0,02-0,1, причем соотношение вышеупомянутых компонентов регулируют и/или за счет добавки в шихту фосфорной кислоты из расчета повышения на 0,5-2,0% в шихте P₂O₅.

При термообработке и окусковании фосфатной шихты по вращающейся печи комкующийся материал подвергается одновременно механическому и тепловому воздействиям. Успешному окускованию способствует определенное количество жидкой фазы, образуемой в результате распределения легкоплавкой части комкуемой шихты в интервале температур 1100-1350^oC. Пластическое формирование шихты, происходящее в термомеханическом процессе за счет жидкой фазы, зависит от ее количества и вязкости. Большое количество жидкой фазы способствует ее взаимодействию с огнеупорной футеровкой или гарнисажем печи, что приводит к образованию настылей. Кроме того, добавление плавней в фосфатную шихту, как правило, повышает в ней количество нежелательных соединений, отражающихся в производстве и на качестве фосфора. Меньшее количество жидкой фазы не обеспечивает послойного накатывания, роста и упрочнения окусковываемого материала.

При производстве фосфоритных окатышей необходимое для упрочнения структуры тел при термообработке в интервале температур 1000-1200^oC в неподвижном слое количество жидкой фазы составляет до 10-12% от общей массы, при окусковании во вращающейся печи в подвижном слое до 15-30% Пластическое формование и упрочнение тела во вращающейся печи происходит при одновременной вязкости шихты, зависящей от содержания образующих жидкую фазу в основном соединений алюминия, железа, фтора, оксидов щелочных металлов, т. е. легкоплавкой части и пентаоксида фосфора и кремнезема, т. е. тугоплавкой части. Во вращающейся печи при температуре термообработки до 1350^oC, начиная с 1100^oC, в образовании жидкой фазы участвуют соединения фтора, оксиды Fe, Al и щелочных металлов. Оксиды щелочных металлов жидкой фазы способствуют снижению вязкости и равномерности ее распределения в объеме, что улучшает пластику формования куска. Соединения железа и алюминия, входя в состав жидкой фазы, при охлаждении образуют более прочную кристаллоаморфную фазу, способствующую снижению хрупкости окусковываемого продукта и повышению его прочности на удар и истирание. Соединения фтора образуют расплав, в 2,5 раза превышающий его количество в шихте. С участием кремнезема и оксида фосфора происходит образование жидкоподвижного фосфато-силикатного расплава, но в механизме упрочнения куска, помимо решающей роли жидкой фазы, идет твердофазное спекание с участием кремнезема с образованием силикатов металлов (кальция, железа, алюминия и др.). Пентаоксид фосфора характеризует тугоплавкость системы, в основе которой лежит фосфат кальция. При обеспечении необходимого соотношения (N) легкоплавких и тугоплавких соединений необходимо, кроме того, поддерживать регламентируемые показатели по содержанию оксидов железа и щелочных металлов для проведения процесса электровозгонки (для исключения потерь фосфора и стабилизации процесса). Варьирование состава шихты по оптимальному соотношению содержанием компонентов для получения окускованного продукта во вращающейся печи позволит применять различные виды фосфорсодержащего сырья (фосфориты различных месторождений, апатитовые концентраты, сопутствующие им породы и т. д.), что значительно расширяет сырьевую базу.

Оптимальное соотношение (N) легкоплавких соединений к тугоплавким составляет 0,14-0,24, в том числе доля соединений оксидов щелочных металлов 0,02-0,1. Такое соотношение (N) предопределяет образование 15-30% жидкой фазы в комкуемой шихте при 1100-1350^oC. При меньших значениях N образуется недостаточное количество жидкой фазы для пластического формования, при больших значениях N повышается опасность настылеобразования и снижается качество сырья для электротермии по содержанию железа, щелочных металлов и фтора. В связи с этим при трудности регулирования соотношения N содержанием в шихте более легкоплавких добавок с повышенным содержанием соединений фтора, оксидов железа и алюминия или щелочных металлов возможно регулирование путем использования и/или фосфорной кислоты из расчета повышения в шихте P₂O₅ на 0,5-2,0% Меньшее и большее количество кислоты не обеспечивает эффекта по достижению соотношения N.

Для проведения исследований заявляемого способа использовали:

ковдорский апатитовый концентрат (КАК) фpакции 0,5-0 мм с содержанием P₂O₅ 36-38% F до 1% SiO₂ 2-5% Fe₂O₃ 0,4-0,6% Al₂O₃ 0,2-0,4% сумма оксидов щелочных металлов натрия и калия 0,2-0,3%

нефелиновый концентрат с содержанием SiO₂ 40-42% Fe₂O₃ 1,8% Al₂O₃ 27-30% сумма окислов щелочных металлов 19-22%

кингисеппскую фосмуку (КФ) с содержанием P₂O₅ 28-29% F до 2% SiO₂ 14-18% Al₂O₃ 0,2% Fe₂O₃ 1,5-1,9% R₂O 0,6-0,8%.

егорьевскую фосмуку (ЕФ) с содержанием P₂O₅ 19-21% F 2-3% SiO₂ 22-25% Al₂O₃ 3-3,5% Fe₂O₃ 8-11% R₂O 1-1,2%

глауконитовые пески (ГП) с содержанием SiO₂ 70-75% Al₂O₃ 3-4% Fe₂O₃ 3-4% R₂O 3-5%

каратаускую фосмуку (КАФ) с содержанием P₂O₅ 21-23% F 2-2,5% SiO₂ 23-25% Al₂O₃ 1,5-2,0% Fe₂O₃ 1,5-2,0% R₂O 0,9-1,2%.

10%-ный водный раствор ортофосфорной кислоты.

Шихту готовят смешением компонентов при их определенном соотношении, соответствующем соотношению легко- и тугоплавких компонентов, в т.ч. и доле оксидов щелочных металлов. Одновременное окомкование и обжиг шихты производят во вращающейся трубчатой печи при температуре обжига в зоне высоких температур 1200-1300^oC. Для получения окускованного продукта определяют грансостав, показатели прочности на удар и истирание, удельный расход тепла. Корректировку состава шихты по необходимому соотношению N производят добавкой 10% водного раствора ортофосфорной кислоты до повышения P₂O₅ в шихте на 0,4-2,1%

Данные по примерам приведены в таблице.

Пример 1.

Смешивают 7 кг Ковдорского апатитового концентрата, 1 кг глауконитовых песков и 2 кг егорьевской фосмуки, полученное соотношение легкоплавких компонентов к тугоплавким N 0,14, в том числе доля оксидов щелочных металлов 0,02. Полученную шихту подвергают окускованию в трубчатой вращающейся печи при 1250^oC. Для окускованного продукта выход кондиционного класса 20-40 мм 33-35% прочность на удар 86-88% на истирание 11-13% Удельный расход тепла 1850 тыс. ккал/1 т продукта.

Примеры 2 5.

Аналогичны примеру 1, различие заключается в изменении соотношения легко- и тугоплавких соединений, соответственно: 0,19, 0,24, 0,13 и 0,25. Выход класса 20-40 мм 34-36, 34-37, 30-32 и 29-32% удельный расход тепла 1800, 1750 и по 2000 тыс. ккал/1т; прочность на удар 87-89, 87-90, 84-85, 83-85% на истирание 10-12% (N 2-3) и 12-14% (N 4-5).

Примеры 6 8.

Аналогичны примеру 1, различие заключается в изменении доли соотношения оксидов щелочных металлов, соответственно 0,01, 0,1 и 0,11. Выход фракции 20-40 мм 30-32, 34-37, 31-32% удельный расход тепла 2000, 1750 и 2000 тыс. ккал/1т; прочность на удар 84-85, 87-90 и 86-88% на истирание 12-14, 10-12 и 11-13%

Примеры 9 13.

Аналогичны примеру 1, различие заключается в изменении запредельных соотношений компонентов (N) путем дополнительного использования, например, 10% водного раствора ортофосфорной кислоты в количестве, повышающем P₂O₅ в шихте на 0,5, 1,2, 2,0, 0,4 и 2,1% Выход класса 20-40 мм 34-37, 35-38 (N 10-11) и 31-32% (N 12, 13); удельный расход тепла 1800, 1750 тыс. ккал./1 т (N 10-11) и 2000 тыс. ккал/1т (N 12-13); прочность на удар 87-89, 88-90% (N 10-11), 87-88 и 86-88% на истирание 10-12, 9-11 (N 10-11) и 11-13 (N 12-13).

Как видно из результатов, приведенных в таблице: в заявляемых пределах по соотношению легко- и тугоплавких соединений 0,14-0,24 (примеры N 1-3), по доле оксидов щелочных металлов (примеры 1, 7), по этим соотношениям, достигаемым за счет использования фосфорной кислоты в количестве, повышающем содержание P₂O₅ в шихте на заявляемый предел 0,5-2,0% (примеры 9-11), цель достигается: повышается в сравнении с прототипом выход кондиционной фракции 20-40 мм с 28-32 до 33-38% снижается удельный расход топлива с 2000 до 1750-1850 тыс. ккал/1 т, повышается прочность на удар (по выходу фракции более 5 мм) с 78-32 до 86-90% и истирание (по выходу фракции менее 0,5 мм) с 15-18 до 10-13%

При снижении заявляемых пределов по соотношению легко- и тугоплавких соединений менее 0,14, т. е. 0,13 (пример 4), доле оксидов щелочных металлов менее 0,02, т. е. 0,01 (пример 6), добавке кислоты менее 0,5% повышении P₂O₅ в шихте, т. е. 0,4 (пример N 12), цель не достигается, результаты ниже, чем в заявляемых пределах: выход фракции 20-40 мм 30-32% прочность на удар 83-87% прочность на истирание 11-14% удельный расход топлива 2000 тыс. ккал/1 т.

При превышении заявляемых пределов по соотношению легко- и тугоплавких компонентов до 0,25 (пример 5), доле оксидов щелочных металлов до 0,11 (пример 8), добавке фосфорной кислоты до повышения P₂O₅ в шихте на 2,1% (пример 13), цель не достигается, остается на уровне прототипа или ниже по сравнению с заявляемыми пределами: выход фракции 20-40 мм 29-32% удельный расход топлива 2000 тыс. ккал/1 т, прочность на удар 83-86% на истирание 11-14%

Способ намечен к опытно-промышленной проверке на Подмосковном ПО "Фосфаты" и Кингисеппском АО "Фосфорит" в 1993 г, переработка опытно-промышленной партии на АО "Фосфор".