拜尔法氧化铝钙硅比与钠硅比的量化分析及成本优化初探
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摘 要：在拜尔法氧化铝生产过程中，往往加入一定量的石灰，其主要目的就是在高压溶出过程中消除铝土矿中氧化钛等杂质的危害提高氧化铝溶出速度，同时也可以降低碱的消耗。本文主要通过对山西北部地区铝土矿在加入不同配比石灰下的溶出结果进行统计分析，得出不同钙硅比与钠硅比的关系，进而为进一步优化配灰提供科学指导。
关键词：拜尔法 钙硅比 钠硅比 线性回归
前言
在氧化铝市场竞争日益白热化的今天，各大生产厂商纷纷研究如何进一步降低生产成本来提高企业竞争力。在降低生产成本的同时对精益生产管理提出了新要求，本文主要从我厂近年实际生产出发，对工业生产过程数据进行整理统计，并借助统计学分析方法，得出溶出稀释矿浆钙硅比与钠硅比的量化关系，为氧化铝生产过程中合理配灰提供了理论依据，为企业进一步降本增效的精益生产管理提供了科学指导。
一、配灰的作用
山西省北部地区铝土矿多为一水硬铝石铝土矿，其特点是高硅、高铝、低铁，其结构致密、溶出困难，在工业生产中需要加入一定量的石灰后在高温高压的条件下下才能较好地将氧化铝溶出。石灰在氧化铝溶出过程中的主要作用通常表现在以下几个方面。
1.消除氧化钛的危害
在一水硬铝石型铝土矿溶出时通常加入一定量的石灰，这主要因为铝土矿中的氧化钛会与氢氧化钠发生反应生成不溶性的钛酸钠。此时，不但增加了碱的损失，而且由于钛酸钠非常致密，会形成一层保护膜把矿石颗粒包裹起来从而阻碍氧化铝的溶出，使整个溶出过程非常困难，添加石灰后，石灰会与氧化钛反应生成不溶性的钛酸钙，消除钛酸钠在溶出过程的危害，可以提高氧化铝的溶出率和溶出速度。
添加石灰在一水硬铝石型铝土矿溶出过程中可以消除铝土矿中氧化钛的危害，配入石灰的最小数量应满足矿石中的氧化钛全部转变为2CaO・TiO2・2H2O。
2.减少碱的消耗
同时，在高压溶出反应过程中加入过量的石灰后，其还会与含有氧化硅的钠硅渣发生反应，生成水化石榴石从而降低碱的损失。有文献指出溶出稀释矿浆残渣中Na2O/SiO2的质量比只与CaO/SiO2有关，而与矿石含硅量没有任何关系[1]。
3.其它作用
另外，据前苏联和我国的一些学者在研究中还发现在氧化铝溶出过程中添加石灰还有促进针铁矿转变为赤铁矿，使铝酸钠溶液中的一些杂质转变为钙盐分离，加快赤泥沉降速度等作用[2]。
二、现状分析
1.现有石灰配比方式
在氧化铝生产过程中，大多数企业的石灰的添加量仍主要根据经验，按照高压溶出后稀释矿浆固相的化验结果中的钠硅比这一指标来指导调整配灰，当钠硅比偏高时适当提高石灰的配比，当铝硅比偏高时适当降低石灰的配比。一般石灰添加量根据工业生产实践经验按铝土矿质量的8%-12%之间进行调整[3]。
2.现有石灰配比的不足
通过对现有石灰配比的描述，我们可以看出在配灰量的控制上大家习惯性依靠经验数据，在一水硬铝石型铝土矿的溶出过程中添加石灰可以提高氧化铝溶出率，加快氧化铝溶出速度和降低碱耗的观点已经被广大学者接受并已经在工业生产中得到了普遍应用。但通过加入过量石灰，会相应减少Na2O的损失，但同时却增加了Al2O3的损失。
所以生产中石灰配入量多少才是最合适、最经济的，这才是需要我们深入研究的一个焦点。后续我们将用科学的方法来分析研究各项技术指标与经济指标之间的关系，用于指导生产，达到精益生产管理需求，实现最优生产组织。
三、石灰配比对钠硅比影响的量化分析
1.数据统计
下面结合我厂工业生产实际，以2010年高压溶出Ⅰ系列化验分析数据为依据，整理得出表3-1高压溶出反应工艺条件和表3-2不同配灰钙硅比下的钠硅比数据对比。
其中，表3-2中的数据采取如下方法整理得出。以我厂溶出Ⅰ系列化验分析数据为基础，剔除异常数据，再从中随机抽取了150组数据，并按照钙硅比以0.5为等份进行分组，然后分别对每组数据求平均值，得到最终对比数据。
2.线性回归分析
根据表3-2，利用EXCEL工具画出（钙硅比：钠硅比）的散点图，见图3-1，横坐标为钙硅比，纵坐标为钠硅比。
图3-1 反映钙硅比与钠硅比相关关系的散点图
从图3-1中我们可以看出样本数据（C/S：N/S）连接后基本成一条直线，这说明变量C/S与N/S之间存在明显的线性相关关系。另外，从所绘制的散点图可以看出随着混合矿中C/S的增加，溶出稀释矿浆N/S就会减少，这也就意味着随着配灰量的增加，溶出稀释矿浆中的含碱量就会减少，生产1t氧化铝的化损碱耗就会减少。
根据表3-1，利用Excel数据分析选项中的回归对C/S与N/S在置信度为95%时进行回归分析[4]，输出结果如图3-2所示。
图3-2稀释钠硅比对钙硅比的回归直线
在Excel输出的回归结果中，方差分析表部分给出了线性关系显著性检验的全部结果。我们可以看出“Significance F”的值F=2.21072E远远小于给定的显著性水平α的值0.05，这说明了溶出稀释矿浆N/S与C/S之间存在着显著的线性关系。从输出表得出关系式为y=-0.174x+0.584，且判定系数R2=0.9701，表明了回归直线对观测数据有很好的拟合优度[5]。
3.今年以来生产数据对比
为了进一步说明线性回归分析所得出的相关关系式y=-0.174x+0.584在工业生产中的适用性，我们随机抽取了10组今年4、5月份我厂的工业生产实际化验数据，将其与用相关关系公式求得的预测数据进行了对比，整理得出如表3-3。
从表3-3可以看出稀释矿浆N/S的实际化验结果与我们所用公式推导出的预测数据十分接近，误差值在工业生产计算允许的范围之内，误差率平均值仅为1.10%，完全可以满足预测需要，由此我们完全可以将此公式推广应用到实际工业生产中来指导配灰的调整。
另外在研究的过程中通过数据的比对我们还发现：入磨矿石A/S对稀释矿浆N/S并无明显影响；稀释矿浆A/S虽然会随着配灰量的增加有升高的趋势，但其又受到溶出温度和母液添加量的影响非常大，其与C/S的相关关系必须在更为严格苛刻的实验条件下才能用此方法计算得出。
上节提到稀释矿浆A/S的变化受影响的因素较多，那么我们假定在配灰不断升高的情况下稀释矿浆A/S保持不变，来分析对比不同C/S下的原材料成本。
我们假定入磨铝土矿、配入的石灰和碱的情况如表4-1所示。
下面我们继续核算在不同钙硅比时，不考虑后序水解的影响下，以溶出稀释矿浆为准进行核算生产1t氧化铝所需要的铝土矿、石灰和碱的成本。计算过程假定稀释矿浆A/S为1.20，N/S按照上文所得出的公式y=-0.174x+0.584进行推导。得到如表4-2的结果
从上表可以看出，在不考虑石灰添加量对稀释A/S的前提下，石灰的配入量只要能满足将矿石中氧化钛等杂质的影响消除，确保溶出可以顺利进行，则在目前原材料价格的市场条件下，配灰量越小，则消耗的原材料成本越低，而不是一味追求N/S指标的降低。
五、结论及展望
1.影响稀释矿浆N/S的最主要因素是配灰量的多少，而与铝土矿铝硅比并无明显关系。且稀释矿浆N/S与C/S存在很好的线性相关关系。
2.尽管通过提升石灰配比能够降低碱耗，但却增加了石灰和铝土矿的消耗，从最优成本考虑，必须根据当前市场原材料和氧化铝的价格来组织生产。
3.氧化铝生产流程长、化学反应复杂且各指标存在相互影响，企业在生产过程中应不断加大科技创新，建立适应自己企业的动态成本控制系统，才能进一步优化成本控制。
参考文献：
[1] 毕诗文.氧化铝生产工艺[M].第1版.化学工业出版社，2013.1：61
[2] 毕诗文.氧化铝生产工艺[M].第1版.化学工业出版社，2013.1：91-92
[3] 袁华俊，项阳，袁艺.拜尔法中石灰用量与氧化铝溶出率和碱耗的关系，[J].贵州工业大学学报，1998，27（5）：67-71
[4] 贾俊平，何晓群，金勇进.统计学[M].第3版.中国人民大学出版社，2006：311-334
[5] 马志博. JBLY拜尔法氧化铝生产原材料成本优化问题研究[D].2013：40-42