Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Nghiên cứu luyện sten từ tinh quặng niken sulfua
Tin Mới Nhất
Nghiên cứu luyện sten từ tinh quặng niken sulfua
06/12/2017
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu luyện tinh sten từ quặng sul fua niken, đồng ra sten ở quy mô phòng thí nghiệm trong lò điện Tamman công suất 20kW.
A study on molten process of nikel sulphide concentrates into sulphide stone
Phạm Đức Thắng Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam
Tóm tắt Trong kỹ thuật luyện niken và đồng từ quặng, luyện ở nhiệt độ cao là một trong những biện pháp công nghệ quan trọng. Bản chất của phương pháp này là trộn trợ dung với tinh quặng rồi luyện ở nhiệt độ cao. Trong quá trình luyện, ôxyt sắt từ tinh quặng kết hợp với trợ dung tạo thành xỉ; sulfua sắt cùng với các sulfua kim loại cần thu hồi như Ni,Cu tạo thành sulfua đa kim, được gọi là sten. Sten có khối lượng nhỏ so với tinh quặng ban đầu. Nhờ đó hàm lượng của niken và đồng được tăng vọt. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu luyện tinh sten từ quặng sul fua niken, đồng ra sten ở quy mô phòng thí nghiệm trong lò điện Tamman công suất 20kW. Abstract Molten process is important method for metallurgy of nickel and cuprous sulphide. Accordingly the nickel con centrates are mixed with flux compounds. In the molten process, ferrous oxide from concentrates combines with the flux to create slag and sulphide stones me formed from ferrous, nickel and cuprous sulphide at the same time. The quantity of sulphide stones is less against early concentrates. Thus content of nickel and copper in the stone is intensively increased. This article presents the results of molten process of nickel sulphide concentrates in the electric fumace Tamman. 1. Mở đầu Trước tiên xét các giản đồ trạng thái của các hệ sunfua Fe - S, Cu - S và Ni - S được trình bày ở các hình l, 2, 3 [1]. Trên hình 1 thấy rằng sulfua sắt nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn 1000°C với thành phần lưu huỳnh 44% và ở nhiệt độ xấp xỉ 1100°C với thành phần lưu huỳnh 65%. Khi hàm lượng lưu huỳnh giảm, nhiệt độ nóng chảy của sulfua sắt, tăng cao. Cụ thể khi hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn 10% nhiệt độ nóng chảy của sulfua sắt cao hơn 1400°C. Trong khi đó sulfua đồng và sulfua niken đều nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn 1100°C (xem hình 2 và 3). Do đó, nếu thiêu bớt lưu huỳnh thì khi nấu chảy tinhh quặng ở nhiệt độ từ (1150 -1450)°C sulfua đồng và niken cùng sulfua sắt đi vào sten. Đồng thời ôxít sắt tạo thành sau thiêu sẽ dễ dàng kết hợp với các trợ dung để tạo thành xỉ nóng chảy và tách ra khỏi sten mới được hình thành. Thực tế là sắt, đồng, niken và lưu huỳnh tồn tại dưới dạng sulfua đa kim nên tất yếu cần xét hành vi của chúng trong hệ 4 nguyên. Nhưng chưa có tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này, nên chỉ có thể tham khảo được một số hành vi chính của các sulfua kim loại này ở hệ hai nguyên và ba nguyên. Để giảm được lượng sắt đi vào sten, bảo đảm toàn bộ lượng niken và đồng đi vào sten, cần giảm bớt hàm lượng lưu huỳnh của tinh quặng trước khi luyện. Theo các tài liệu [2, 3] các chất dễ dàng tạo xỉ với ôxyt sắt là các ôxyt canxi và ôxyt silic Trong quá trình luyện với sự tham gia của các ôxyt trên, sẽ hình thế hệ xỉ Cao - SiO2 - Fe2O3. Trong đó theo [2] thành phần của xỉ dao trong các khoảng sau: (10-12)% CaO, (30-33)% SiO2, (35-50)% Fe2O3(7-10)% ôxyt khác. Tuy nhiên để có thể xây dựng chắc cho sự lựa chọn của hệ xỉ, cần phải dựa vào các giản đồ trạng thái của hệ xỉ tổng quát Cao - FeOx- SiO2 nêu trong [3, 4].| Nguyên liệu | Thành phần các nguyên tố chính, % | |||
| S | Fe | Ni | Cu | |
| TQ nguyên khai | 22,41 | 47,19 | 5,37 | 1,84 |
| TQ1 | 13,31 | 51,04 | 5,22 | 1,88 |
| TQ2 | 8,36 | 52,77 | 5,10 | 1,92 |
| TQ3 | 3,44 | 54,57 | 5,03 | 1,81 |
Bảng 1. Thành phần tinh quặng sử dụng để nấu luyện sten
Hình 1 và 2
Hình 3 và 4
Theo các giản đồ trạng thái của hệ sulfua kim loại (Fe, Cu, Ni) - S được trình bày trên các hình 1, 2, 3 thì chúng có thể nóng chảy ở nhiệt độ cao và hoà tan với nhau tạo ra sten. Do đó cần phải hạn chế sulfua sắt đi vào sten. Để tìm chế độ nấu luyện hợp lý cần phải tiến hành các thực nghiệm theo các yêu cầu sau: - Sử dụng tinh quặng đã khử bớt lưu huỳnh làm nguyên liệu nấu luyện. - Chọn chất trợ dung để tạo hệ xỉ Fe2O3-CaOSiO2 với lượng thay đổi để tìm ra chế độ xỉ thích hợp. - Tiến hành luyện trong các loại lò khác nhau. Trong bài này, tác giả trình bày quá trình luyện thử nghiệm trong lò Tamman. - Phân tích, đánh giá chất lượng sten được nấu ra. Một trong những giải pháp quan trọng là thiêu đốt bót lưu huỳnh trong tinh quặng nguyên khai. Do đó đã tiến hành thiêu tinh quặng đã được nghiền thành bột mịn với kích cỡ xấp xỉ 100μm [5]. Từ tinh quặng nguyên khai thiêu ôxy hóa thu được 3 mẫu tinh quặng thiêu có thành phần nêu trên bảng 1 . Khi nấu luyện tinh quặng với các chất trợ dung CaO và SiO2có thể hình thành các hệ xỉ 3 nguyên Fe2O3- CaO - SiO2 hoặc 4 nguyên Fe2O3- Cao -SiO2 - Al2O3. Tuy nhiên, trong thực tế, do trong thành phần các nguyên liệu và các chất trợ dung đều có các một lượng nhỏ các tạp chất khác (Al2O3), nên có thể xem hệ xỉ chính là hệ 3 nguyên.
Hình 5 và 6
Trên giản đồ xỉ hệ 3 nguyên ở hình 4, 5, có thể thấy được mối liên quan giữa thành phần và nhiệt độ chảy lỏng của xỉ. Đấy là nền tảng của việc chọn lượng chất trợ dung sao cho nhiệt độ chảy lỏng của xỉ đạt thấp, đồng thời có độ sệt nhỏ. Nếu hệ xỉ có độ sệt nhỏ (độ chảy loãng cao) ở nhiệt độ nấu luyện ổn định thì các hạt sten được hình thành trong quá trình nấu luyện sẽ dễ đàng gắn kết lại thành một mảng chung, chìm xuống đáy lò theo nguyên tắc trọng lực, tạo điều kiện thu hồi được toàn bộ lượng sten và tránh thất thoát sten lẫn vào xỉ. Độ sệt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của nó. Khi tăng nhiệt độ, độ sệt của xỉ giảm xuống. Quan hệ đó được biểu thị theo phương trình [3]:η = A.exp (E/RT)
trong đó : A - hằng số đặc trưng của từng dịch thể, E - hoạt năng của dòng chảy. Độ sệt thay đổi theo thành phần và nhiệt độ của xỉ. Độ sệt của xỉ axit (gồm các tác nhân như SiO2, P2O5, Cr2O3...) cao hơn độ sệt của xỉ kiểm (gồm các tác nhân như CaO, Na2O, K2O,...). Tuy nhiên nếu xỉ axit được bổ sung thêm ôxit kiềm thì độ sệt sẽ giảm mạnh. Còn khi xỉ kiềm được bổ sung thêm ôxit kiềm (CaO, MgO) thì độ sệt lại tăng vọt. Lý do là do trong xỉ xuất hiện các hạt huyền phù có kích thước nhỏ khoảng (10-3 - 10-2)mm, chính chúng làm tăng độ sệt ảo của xỉ. Nhưng độ sệt của xỉ kiềm cũng giảm xuống khi tăng thêm hàm lượng các ôxit axit hoặc các ôxit trung tính như Fe2O3, Al2O3, CaF2 vì các cấu tử này thúc đẩy sự hoà tan CaO, MgO trong xỉ. Như vậy có thể nhận ra rằng nếu hệ xỉ dược đưa về hệ trung tính thì độ sệt sẽ giảm mạnh và quá trình luyện kim được diễn ra theo chiều hướng thuận lợi. Xem xét các giản đồ ở hình 6 [3] thấy xỉ thuộc khu vực hình bầu dục có chu vi đứt đoạn chứa đường cong số 1 hoặc 2 poa (poa là đơn vị đo độ sệt của xỉ) có thành phần thích hợp nằm trong khoảng: Cao từ (25-40)%, Fe2O3 từ (20-45)% và SiO2 từ (10-35)%. Như vậy, nếu chọn chế độ xỉ với thành phần CaO, Fe2O3 và SiO2 nằm trong khoảng này thì độ sệt của xỉ được duy trì ở mức thấp hơn 2 poa. Để chọn hệ xỉ với thành phần bảo đảm nhiệt độ nóng chảy thấp thì cần xem xét giản đồ hệ 3 nguyên trên các hình 4, 5. Thấy rõ trên đó tồn tại 2 vùng ứng với nhiệt độ nóng chảy của xỉ thấp là các vùng 1 (nằm trong vòng tròn có chu vi là đường tròn đứt đoạn) và 2 (nằm trong vòng tròn có chu vi là đường tròn liền). Xỉ nằm trong khu vực 1 (vòng tròn 1) có thành phần trong khoảng CaO từ (33 - 54)%, Fe2O3 từ (30-40)% và SiO2 từ (26-47)%. Xỉ nằm trong khu vực 2 (vòng tròn 2) có thành phần trong khoảng CaO từ (20-40)%. Fe2O3 từ (60-80)%, SiO2 từ (5-12)% và các ôxit khác (chủ yếu là Al2O3) khoảng (5-10)%. Như vậy để thỏa mãn cả 2 điều kiện này thì cần chọn chế độ xỉ với các thành phần trong khoảng như sau: CaO từ (33-40)%, Fe2O3 từ (30-40)%, SiO2 từ (26-35)% và các ôxit khác (chủ yếu là Al2O3 và MgO) khoảng (5-10)%. 2. Thực nghiệm Trên cơ sở các lập luận đã chọn lựa chất trợ dung và thành phần xỉ tiến hành nấu luyện tinh quặng ra sten với các số liệu đầu vào như trong bảng 2.| Chế độ xỉ | Tỷ lệ trợ dung so với lượng tinh quặng, 0% | Ghi chú | |
| CaO | SiO2 | ||
| 1 | 40 | 35 | Chọn lựa theo chế độ xỉ ở vùng 1 trên giản đồ hình 4-5 và vùng độ sệt thấp trên giản đồ hình 6 |
| 2 | 20 | 10 | Chọn lựa theo chế độ xỉ ở vùng 1 trên giản đồ hình 4-5 |
Bảng 2. Tỷ lệ các chất trợ dung sử dụng cho nấu luyện tinh quặng
Về vấn đề chọn nhiệt độ nấu luyện tinh quặng, thấy ràng việc chọn hệ xỉ theo chế độ 1 với các thành phần thích hợp thì xỉ hoàn toàn được hình thành và nóng chảy ở nhiệt độ (1200- 1300)°C, còn sten căn cứ vào các giản dồ pha cũng được hình thành và nóng chảy ở khoảng nhiệt độ này. Tuy nhiên, để bảo đảm độ chảy loãng của xỉ, tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình di chuyển, co cụm của các hạt sten thành một khối thống nhất và tránh sự thất thoát theo đường lẫn vào xỉ, cần thiết phải chọn nhiệt độ nấu luyện tinh quặng cao hơn vùng nhiệt độ nóng chảy nói trên. Cụ thể cần chọn nhiệt độ nấu luyện tinh quặng ở trong khoảng (1400 - 1450)°C. Nhiệt độ nấu luyện được xác định bằng hoả quang kế Minolta [5]. Đây là giá trị nhiệt độ mà lò điện dễ đạt tới vì nó thấp hơn nhiệt độ nấu thép thông thường ở 1700°C. Tiến hành nấu luyện tinh quặng theo chế độ xỉ 1 và 2 (bảng 2) với 3 mẫu tinh quặng có ký hiệu như trên bảng 1 là TQ1, TQ2, TQ3. Để có thể đánh giá hiệu quả của nấu luyện, các mẫu nấu luyện cân có tổng khối lượng niken tương đương nhau. Như vậy tỷ lệ khối lượng của các mẫu tinh quặng cho nấu luyện tuân theo thành phần niken sẽ là:G(TQNK): G(TQ1): G(TQ2): G(TQT) = 1 : 1 029 : 1.053 : 1.068.
Sau khi nấu luyện các mẫu với các chế độ xỉ và chế độ nhiệt như đã chọn ở trên trong lò Tamman với khối lượng tinh quặng tối đa có thể đạt tới là 150g tinh quặng, kết quả thu được sten và xỉ đi kèm. Tiến hành phân tích sten và xỉ bằng phương pháp SEM - EDX tại trung tâm COMFA thuộc Viện Khoa học vật liệu. Đồng thời xác định lượng sten thu được trong các trường hợp để tính toán lượng thu hồi ni ken có trong sten. 3. Kết quả và thảo luận
Hình 7. Quan hệ giữa thành phần của Ni và Cu trong sten nấu theo chế độ xỉ 1 và 2 và thành phần lưu huỳnh trong tinh quặng sau thiêu
Các số liệu phân tích thành phần Ni, Cu trong các sten sau nấu luyện được biểu diễn trên các đồ thị ở hình 7, cho thấy rõ ràng thành phần niken và đồng trong sten đều phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh ban đầu theo quy luật gần tuyến tính (tỷ lệ nghịch với thành phần của lưu huỳnh). Điều đó khẳng định việc khử bớt hàm lượng lưu huỳnh trong tinh quặng sẽ góp phần làm giảm lượng sten (do lượng hêmatit chủ yếu đi vào xỉ), đồng thời nâng cao được hàm lượng của niken và đồng. Đặc biệt khi hàm lượng lưu huỳnh ban đầu thấp, xấp xỉ 3% thì hiệu quả tinh luyện thông qua nấu luyện sten đạt rất cao khi thành phần của niken được tăng lên khoảng gần 5 lần (cụ thể từ 5.37% lên trên 24%). Trên hình 7, các đường cong Ni1 tương đối trùng khớp với Ni2. Các đường cong Cu 1, Cu2 cũng trùng khớp với nhau. Điều này chứng tỏ hàm lượng của niken và đồng trong sten chỉ phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh mà hầu như không phụ thuộc vào chế độ xỉ. Tuy nhiên khi xác định tỷ lệ thu hồi niken và đồng thông qua lượng sten thu được thì thấy được sự khác biệt lớn về hiệu suất thu hồi giữa hai chế độ xỉ đã nêu.| Chế độ xỉ | TQ1 | TQ2 | TQ3 | |||
| Ni | Cu | Ni | Cu | Ni | Cu | |
| 1 | 95,23 | 97,43 | 94,16 | 96,22 | 93,77 | 96,14 |
| 2 | 83,45 | 89,37 | 82,18 | 88,73 | 80,26 | 87,21 |
Bảng 3. Hiệu suất thu hồi theo tỷ lệ các chất trợ dung sử dụng cho nấu luyện tinh quặng ra sten
Bảng 4
Bảng 5
Trên bảng 3 thấy rõ hiệu suất thu hồi niken và đồng của sten nấu theo chế độ 1 cao hơn hẳn so với trường hợp 2. Như vậy ở đây vai trò của xỉ rõ ràng liên quan đến lượng sten thu hồi. Trên giản đồ hình 6, xỉ nấu theo chế độ 2 chắc chắn có độ sệt cao hơn so với xỉ ở chế độ 1. Do đó một phần sten đồng và niken vẫn bị lưu giữ trong xỉ sệt. Kết quả phân tích các mẫu xỉ trên bảng 4 khẳng định hầu như không có sten bị lưu giữ trong xỉ theo chế độ 1 (hoặc số lượng sten ít nên phương pháp phân tích SEM - EDX không phát hiện ra). Còn trong trường hợp 2, bảng 5 cho thấy có một lượng niken và đồng đáng kể trong xỉ. Đây là dâu hiệu cho thấy một phần không nhỏ sten còn lưu giữ trong xỉ. Căn cứ vào kết quả phân tích xỉ ở bảng 4, tính toán được thành phần của xỉ này như sau: ≈ 38%FeO3, 27% CaO, 25% SiO2, 8%Al2O3, 2% MgO. Như vậy thành phần xỉ này hoàn toàn phù hợp với sự lựa chọn chế độ xỉ 1 như ban đầu đã đặt ra. Kết quả phân tích mẫu xỉ đi kèm sten trong trường hợp thứ 2 cũng cho thấy thành phần xỉ gồm 64,65% Fe2O3; 19,55% CaO; 9,15% SiO2; 5,06% Al2O3; 1,64% MgO; đồng thời còn một lượng niken và đồng lẫn vào trong xỉ. Rõ ràng thành phần xỉ này hoàn toàn phù hợp với chế độ xỉ 2 (nằm trong vùng 2 trên giản đồ ở hình 4, 5) có nhiệt độ chảy lỏng thấp nhưng độ sệt rất cao, làm cho một lượng niken và đồng ở dạng hạt sten không thể co cụm dược và bị thất thoát lẫn vào xỉ Tuy nhiên có một thực tế là chưa rõ khi hàm lượng lưu huỳnh rất thấp nằm trong khoảng 0% < S,% < 3) thì hiệu quả của việc tinh luyện thông qua sten có tuân theo quy luật như vậy hay không. Vấn đề này sẽ được tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới trong các công trình tiếp theo. 4. Kết luận - Căn cứ vào các giản đồ trạng thái của xỉ trên các hình 4, 5, 6 có thể chọn ra được chế độ xỉ thích hợp cho việc nấu luyện tinh quặng ra sten. - Thành phần xỉ thích hợp cho việc nấu luyện có thể chọn theo chế độ xỉ 1, như Sau: CAO từ 33-40%. Fe2O3 từ 30-40%, SiO2 từ 26-35% và các ôxit khác (chủ yếu là Al2O3 và MgO) khoảng (5-10)%. Chế độ xỉ này cho phép xỉ chảy loãng, độ sệt thấp nhờ đó thúc đẩy các quá trình trao đổi chất và tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt sten dễ dàng di chuyển và cụm vào một khối theo quy luật trọng lực. - Hàm lượng lưu huỳnh có ảnh hương quan trọng đến hiệu quả tinh luyện thông qua lượng sten được hình thành. Kết quả nấu luyện thí nghiệm cho thấy hàm lượng niken và đồng trong sten tỷ lệ nghịch với lượng lưu huỳnh có trong tinh quặng trước khi nấu luyện.Tài liệu trích dẫn
|