Thiêu hoàn nguyên quặng tinh ilmenit trong tầng cát đỏ tỉnh Bình Thuận

ThS. Nguyễn Hồng Quân, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
1. MỞ ĐẦU
Hiện nay, Việt Nam mới chỉ tập trung vào công nghệ chế biến xỉ titan từ quặng tinh ilmenit sa khoáng trong tầng cát xám, thuộc các vùng ven biển từ Thanh Hóa đến Bình Định. Nguồn khoáng sản titan từ sa khoáng ven biển đang dần cạn kiệt.
Theo quy hoạch titan, tổng trữ lượng và tài nguyên khoáng vật nặng có ích trong tầng cát đỏ của Ninh Thuận và Bình Thuận là 616.230 nghìn tấn, chiếm 93,8% tổng trữ lượng và tài nguyên khoáng vật nặng trong tầng cát đỏ của cả nước, chiếm 92% tổng trữ lượng và tài nguyên quặng titan Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ chế biến sâu quặng titan trong vùng cát đỏ ở Bình Thuận, Ninh Thuận là vấn đề lớn cần được nghiên cứu triển khai.
Ngày nay, hầu hết các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới đã sử dụng phương pháp luyện xỉ titan hai giai đoạn vì phương pháp này có những ưu điểm hơn so với luyện một giai đoạn như: Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật được cải thiện, nhất là chỉ tiêu tiêu thụ điện năng; Có thể luyện được xỉ titan với hàm lượng sắt thấp; Thời gian luyện được rút ngắn, tăng năng suất lò; Dễ dàng áp dụng điều khiển tự động cho vận hành lò hồ quang.
Công nghệ luyện xỉ titan hai giai đoạn gồm có:
- Giai đoạn I: Thiêu hoàn nguyên quặng tinh ilmenit bằng cacbon rắn.
- Giai đoạn II: Luyện xỉ titan trong lò điện hồ quang.
Bài báo trình bày quá trình nghiên cứu thiêu hoàn nguyên tinh quặng ilmenit trong tầng cát đỏ tỉnh Bình Thuận nhằm xác định mức độ kim loại hóa sắt. Mức độ kim loại hóa sắt cao sẽ giúp cho quá trình luyện xỉ titan trong lò hồ quang dễ dàng hơn.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Mẫu nghiên cứu
Mẫu nghiên cứu là quặng tinh ilmenit do Công ty TNHH MTV Hưng Thịnh, tỉnh Bình Thuận cung cấp. Khối lượng quặng tinh đem thí nghiệm thiêu hoàn nguyên là 200 kg.
Mẫu nghiên cứu được trộn đều bằng phương pháp hình nón chia tư, phân tích thành phần cấp hạt bằng bộ rây tiêu chuẩn. Phân tích thành phần hóa học tại Trung tâm Phân tích hóa lý thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (Tiêu chuẩn Vilas 143), phân tích thành phần khoáng vật bằng phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen trên thiết bị Siemens D5005 (Đức) tại Khoa Địa chất, Trường Đại học Tổng hợp – Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.2. Kết quả và thảo luận
2.2.1. Thành phần hóa học và thành phần khoáng vật
Do được tạo thành ở những điều kiện khác nhau, quặng tinh ilmenit thường có thành phần vật chất (bao gồm thành phần hóa học và thành phần khoáng vật) cũng như những tính chất vật lý khác nhau. Thành phần vật chất của ilmenit lại tác động đến công nghệ xử lý nó để nhận được sản phẩm có độ sạch cao. Việc nghiên cứu chi tiết thành phần vật chất của quặng tinh ilmenit khi muốn đưa vào chế biến là điều không thể thiếu vì biết thành phần vật chất sẽ cho phép định hướng trong nghiên cứu công nghệ, giải thích các hiện tượng và có thể rút ngắn quá trình nghiên cứu này.
Bằng phương pháp phân tích thành phần cấp hạt trên bộ rây tiêu chuẩn, phân tích hóa học bằng phương pháp chuẩn nồng độ, phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen. Các kết quả được trình bày trong các Bảng 1, 2, 3 và Hình 1.
Bảng 1. Thành phần cấp hạt quặng tinh ilmenit trong tầng cát đỏ Bình Thuận.
Cấp hạt, mm Phân bố, %
+ 0,176 1,23
- 0,176 + 0,125 34,21
- 0,125 + 0,105 36,86
- 0,105 + 0,075 24,45
- 0,075 3,25
Tổng 100,00
    
Kết quả phân tích thành phần cấp hạt quặng tinh ilmenit trong tầng cát đỏ Bình Thuận cho thấy, quặng tinh ilmenit vùng này thuộc dạng tương đối mịn, gần 100% cấp hạt – 0,176 mm. Như vậy, để quá trình luyện xỉ titan diễn ra thuận lợi, tăng độ thông khí, tránh tắc lò, bay bụi, v.v... thì quặng tinh ilmenit đã thiêu hoàn nguyên cần được vê viên hoặc đóng bánh trước khi đưa vào luyện trong lò điện hồ quang.

Hình 1. Kết quả nhiễu xạ Rơnghen của quặng tinh ilmenit trong tầng cát đỏ Bình Thuận.

Bảng 2. Thành phần hóa học mẫu quặng tinh ilmenit trong tầng cát đỏ Bình Thuận.
Thành phần TiO2 Fe2O3 FeO SiO2 MnO
Hàm lượng, % 52,4 19,15 19,69 2,41 3,65

Kết quả phân tích thành phần vật chất mẫu quặng tinh ilmenit trong tầng cát đỏ tỉnh Bình Thuận thấy rằng, hàm lượng TiO2 đạt 52,40 %, thuộc loại giàu thành phần có ích. TiO2 tồn tại trong 3 khoáng vật là ilmenit, rutil và pseudo – rutil nhưng chủ yếu ở dạng ilmenit (chiếm 64%).
Mẫu quặng tinh cho nghiên cứu có thành phần sắt tổng (Fe2O3 + FeO) chiếm 38,84 % khối lượng quặng tinh và có hệ số α ≈ 6 nên là mẫu quặng tốt cho quá trình luyện xỉ titan.
Thành phần MnO là 3,65% khá cao so với quặng tinh ilmenit sa khoáng ven biển Việt Nam (quặng tinh ilmeni trong tầng cát xám là thường < 1 %). Khoáng vật chứa Mn bao gồm Pyrolusit và Hausmannit, là hai khoáng vật chứa mangan dạng oxyt. Theo một số tài liệu nghiên cứu về thành phần vật chất quặng ilmenit, cho thấy mangan tồn tại trong quặng tinh ilmenit không chỉ ở dạng đơn chất mà còn ở dạng thay thế đồng hình với sắt (Mn,Mg,Fe)TiO3 trong khoáng vật ilmenit.
Khoáng vật chứa mangan và khoáng vật ilmenit, đều bị nhiễm từ nhưng có thể tuyển tách ở các dải cường độ từ trường khác nhau. Bằng phương pháp tuyển từ, mangan oxyt tồn tại độc lập có thể được loại bỏ phần lớn ở cường độ từ trường thấp hơn so với khoáng ilmenit. Tuy nhiên, khi Mn thay thế đồng hình với Fe trong khoáng vật ilmenit thì không thể tách được bằng phương pháp tuyển. Do đó, quặng tinh ilmenit sẽ chứa nhiều mangan. Khi hàm lượng Mn trong quặng tinh ilmenit cao sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm xỉ titan – nguyên liệu chủ yếu để sản xuất pigment titan.
2.2.2. Thực nghiệm quá trình thiêu hoàn nguyên quặng tinh ilmenit
2.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ kim loại hóa sắt
Điều kiện thí nghiệm như sau:
- Nhiệt độ thiêu lựa chọn từ 1000 ÷ 1250oC.
- Thời gian thiêu: 120 phút.
- Tỷ lệ than antraxit: 10,8 % so với khối lượng quặng tinh ilmenit.
Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Hình 2.

Hình 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ kim loại hóa sắt
Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi nhiệt độ thiêu hoàn nguyên tăng lên từ 1000 – 1200oC, mức độ kim loại hóa sắt liên tục tăng theo. Ở 1200oC, mức độ kim loại hóa sắt đạt 92,44 %. Khi tăng nhiệt độ thiêu lên 1250oC, mức độ kim loại hóa sắt đạt 93,73 %, cao hơn so với 1200oC.Tuy nhiên ở nhiệt độ này, sản phẩm tạo dung dịch rắn thành phần n[(Fe,Ti)O x 2TiO2]pTiO2 tương ứng với công thức và cấu trúc của anosovit [2] nên quặng tinh ilmenit bị biến mềm, rất khó xử lý cho các khâu tiếp theo.
Do đó, lựa chọn nhiệt độ thiêu hoàn nguyên quặng tinh ilmenit là 1200oC cho các thí nghiệm tiếp theo.
2.2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến mức độ kim loại hóa sắt
Điều kiện thí nghiệm như sau:
- Tỷ lệ than antraxit: 10,8% so với khối lượng quặng tinh ilmenit.
- Nhiệt độ thiêu: 1200oC.
- Thời gian thiêu thay đổi từ 60÷180 phút.
Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Hình 3.
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thiêu hoàn nguyên cho thấy, khi tăng thời gian thiêu hoàn nguyên từ 60 – 120 phút thì mức độ kim loại hóa sắt từ sắt oxyt thành sắt kim loại tăng từ 65,39 % tới 92,44 %.
Khi kéo dài thời gian thiêu từ 120 phút tới 180 phút, mức độ kim loại hóa sắt tăng theo không đáng kể, đạt 93,01 % với thời gian thiêu là 180 phút. Việc kéo dài thời gian thiêu nhưng mức độ kim loại hóa sắt tăng lên không đáng kể là do lúc này trong thiêu phẩm gần như sắt oxit đã chuyển hết về dạng sắt kim loại. Kéo dài thời gian thiêu lúc này chỉ tốn thêm nhiên liệu cấp cho quá trình. Vì vậy, chọn thời gian thiêu hoàn nguyên sắt trong quặng tinh ilmenit là 120 phút để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.

Hình 3. Ảnh hưởng của thời gian đến mức độ kim loại hóa sắt
2.2.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ than đến mức độ kim loại hóa sắt
Điều kiện thí nghiệm như sau:
- Nhiệt độ: 1200oC
- Thời gian: 120 phút
- Tỷ lệ than hoàn nguyên (%): 9; 10,8; 12,6; 14,4; 16,2% so với khối lượng quặng tinh ilmenit.
Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Hình 4.

Hình 4. Ảnh hưởng của tỷ lệ than đến mức độ kim loại hóa sắt
Với tỷ lệ than 9% (tính theo lý thuyết), lượng than hoàn nguyên không đủ cho phản ứng hoàn nguyên sắt diễn ra, do đó mức độ kim loại hóa sắt thấp (chỉ đạt 65,39 %). Lượng than sử dụng cho quá trình thiêu hoàn nguyên đã chưa tính cho hoàn nguyên các oxyt khác và một phần bị cháy hao trong quá trình thiêu.
Khi tăng lượng than hoàn nguyên lên 10,8%, mức độ kim loại hóa sắt đạt 92,44 %. Tiếp tục tăng tỉ lệ than hoàn nguyên lên 12,6; 14,4 hay 16,2 % thì hiệu suất hoàn nguyên tăng lên rất ít (từ 92,44 lên 93,31 %). Nguyên nhân là do hàm lượng sắt oxyt trong quặng tinh ilmenit đã được hoàn nguyên gần hết về dạng sắt kim loại. Việc tăng tỉ lệ than lên đến 12,6 % không những không hiệu quả mà còn tăng lượng than dư trong sản phẩm thiêu, sẽ dẫn đến tăng thời gian tuyển tách than. Do đó, lựa chọn tỉ lệ than hoàn nguyên là 10,8%.
Từ các thông số công nghệ đã lựa chọn như: Nhiệt độ thiêu hoàn nguyên 1200oC; Thời gian: 120 phút; Tỷ lệ than hoàn nguyên: 10,8% so với khối lượng quặng tinh ilmenit, đã tiến hành thiêu 5 mẻ liên tiếp, mỗi mẻ 1kg quặng tinh đã phối trộn than trong thiết bị lò than hạt. Kết quả được trình bày trên Bảng 4.
Bảng 4. Thành phần hóa học các mẻ thiêu hoàn nguyên quặng tinh ilmenit trong tầng cát đỏ
Thí nghiệm Hàm lượng các nguyên tố (%)
TiO2 FeKL MnO MgO Al2O3 C
1 61,78 27,46 3,46 0,15 0,27 0,28
2 61,57 27,36 3,50 0,18 0,31 0,35
3 61,69 27,58 3,55 0,13 0,28 0,33
4 61,73 27,43 3,42 0,17 0,26 0,29
5 61,80 27,25 3,51 0,14 0,29 0,32
 
Nhận xét: Kết quả thử nghiệm cho thấy, mức độ kim loại hóa sắt đạt khá cao khoảng 92 %, hàm lượng tạp chất có trong thiêu phẩm thay đổi không đáng kể so với trong quặng tinh ilmenit ban đầu. Hàm lượng MnO trong xỉ vẫn khá cao, vì vậy cần nghiên cứu để lựa chọn thông số công nghệ cho các quá trình tiếp theo (luyện xỉ, hòa tách xỉ, v.v…) nhằm nâng cao chất lượng xỉ.

Đối tác
MO MIEN NAM
Vimluki
cie
Bộ Công thương
Doi tac 5