Nghiên cứu công nghệ luyện xỉ titan từ quặng gốc ilmenite mỏ titan Cây Châm Thái Nguyên

MỞ ĐẦU
 
Mỏ titan Cây Châm (Thái nguyên) có các loại quặng ilmenite sa khoáng và quặng ilmenite gốc hiện đang được khai thác để xuất khẩu. Các dự án chế biến sâu loại quặng này đang được tìm kiếm để triển khai đưa vào sản xuất qui mô công nghiệp.
 
Đây là mỏ quặng gốc, có đặc thù riêng nên việc chế biến sâu theo công nghệ như đối với sa khoáng biển sẽ gặp nhiều khó khăn. Hiện tại quặng gốc được tuyển tại một số cơ sở khai thác mỏ Cây Châm có hàm      lượng TiO2 trong tinh quặng gốc 33 – 36%. Thành phần phổ biến của tinh quặng gốc ilmenite Cây Châm được tuyển tại mỏ như sau:
 

Đối với quặng có thành phần như trên không thể áp dụng một quy trình công nghệ đã có để nâng cao chất lượng đáp ứng yêu cầu xuất khẩu
 
Giải quyết vấn đề này trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu công nghệ tuyển hợp lý và sản xuất rutile nhân tạo từ quặng sa khoáng và quặng gốc vùng Núi Chúa Thái Nguyên” do Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim thực hiện đã bước đầu cho kết quả khả quan khi áp dụng tổng hợp các công nghệ tuyển khoáng và luyện kim để xử lý nâng cao được chất lượng đạt tiêu chuẩn.

Nhóm cán bộ tham gia đề tài đã đưa ra quy trình công nghệ tuyển mới để nâng cao hàm lượng TiO2  và nhận được quặng tinh có thành phần sau:
 

 

Từ tinh quặng nhận được đã tiến hành nghiên cứu luyện xỉ titan theo công nghệ 2 giai đoạn để nhận xỉ titan đạt tiêu chuẩn cho sản xuất pigment.
 
1. Cơ sở lý thuyết công nghệ luyện xỉ titan
 
Luyện xỉ titan chủ yếu bao gồm hai quá trình, hoàn nguyên trong trạng thái rắn và hoàn nguyên trong trạng thái lỏng. Khi hoàn nguyên trong trạng thái rắn (tiến hành trong vùng nhiệt độ không cao), chủ yếu oxit sắt được hoàn nguyên đến kim loại còn oxit titan chỉ được hoàn nguyên đến oxit hoá trị thấp. Có thể biểu diễn bằng các phản ứng chủ yếu dưới đây :
 
FeOTiO2 C = Fe TiO2 CO                 (1)
 
3/4 FeOTiO2 C = 3/4Fe 1/4Ti3O5 CO            (2)
 
2/3 FeOTiO2 C = 2/3Fe 1/3Ti2O3 CO            (3)
 
Kết quả nhận được thiêu phẩm chứa sắt kim loại dưới dạng các hạt nhỏ nằm xen kẽ các oxit titan hoá trị bốn và thấp hơn trong hạt ilmenite. Hoàn nguyên trong trạng thái rắn có thể tiến hành trong các thiết bị chuyên dùng như : lò quay, lò thiêu lớp sôi, lò hộp v.v..
 
Khi hoàn nguyên trạng thái lỏng, do tiến hành ở nhiệt độ cao hơn nên oxit sắt được hoàn nguyên triệt để hơn thường hàm lượng FeO trong xỉ giảm xuống tới 1-5%, đồng thời có một số các oxit khó hoàn nguyên cũng được hoàn nguyên một phần như : Cr2O3, MnO, SiO2, V2O5 ... và đi vào kim loại ; oxit titan cũng hoàn nguyên đến kim loại một phần nhỏ, chủ yếu là hoàn nguyên đến các oxyt hóa trị thấp Ti3O5, Ti2O3 đi vào xỉ. Xỉ titan là dung dịch rắn trên nền oxit titan. Luyện xỉ titan thực hiện chủ yếu trong lò điện hồ quang.
 
Khi luyện trực tiếp quặng ilmenite trên lò điện hồ quang, quá trình hoàn nguyên ở trạng thái rắn thực hiện được rất ít mà chủ yếu là hoàn nguyên ở trạng thái lỏng, điều đó dẫn đến hàm lượng TiO2 trong xỉ khó nâng cao được và tiêu tốn nhiều điện năng.
 
Để cải thiện, hiện nay các quá trình luyện xỉ titan tiên tiến đều thực hiện theo 2 giai đoạn:
 
- Giai đoạn I: Thiêu hoàn nguyên tinh quặng ilmenite ở trạng thái rắn trong các thiết bị: Lò lớp sôi, lò quay, lò tuynel...
 
- Giai đoạn II: Quặng ilmenite đã được thiêu hoàn nguyên như trên được đưa vào luyện trong lò hồ quang.
 
Quá trình luyện xỉ titan 2 giai đoạn có các ưu điểm chính như sau:
 
Hàm lượng oxyt titan trong xỉ được nâng cao rõ rệt
 
Tiết kiệm điện năng
 
Năng suất lò điện hồ quang tăng gần gấp 2 lần.
 
Vận hành lò thuận tiện.
 
2. Thực nghiệm
 
2.1. Thiêu hoàn nguyên tinh quặng ilmenite
 
Tinh quặng gốc ilmenite được trộn than hoàn nguyên và đưa đi thiêu hoàn nguyên trong lò điện, kết quả khảo sát trên lò điện được áp dụng thiêu mở rộng trong lò hộp và lò ống quay.
 
Đã khảo sát chế độ thiêu: nhiệt độ thiêu, thời gian thiêu và tỷ lệ than hoàn nguyên.
 
Nhận xét: Từ các nghiên cứu cho thấy, đối với quặng ilmenite gốc quá trình hoàn nguyên thành sắt kim loại bắt đầu ở nhiệt độ cao hơn so với hoàn nguyên ilmenite quặng sa khoáng ven biển. Tỷ lệ than hoàn nguyên cũng cao hơn. Điều này có thể được giải thích do cấu trúc của quặng , hàm lượng Fe2O3 trong quặng là khá cao.
 
2.2. Luyện xỉ titan từ quặng gốc đã thiêu hoàn nguyên.

Thí nghiệm được thực hiện như sau:
 
Tinh quặng ilmenite gốc đã thiêu hoàn nguyên được trộn với than hoàn nguyên, trợ dung vôi, chất kết dính bitum. Nguyên liệu đã chuẩn bị với cấp hạt -10 mm được luyện trong lò hồ quang có hệ thống điều khiển nâng hạ điện cực tự động. Đã nghiên cứu tỷ lệ than hoàn nguyên, tỷ lệ trợ dung vôi, thời gian hoàn nguyên sâu.
 
Xỉ titan nhân được có thành phần :
 
Bảng 7: Thành phần xỉ titan
 

Kết luận:
 
Có thể áp dụng công nghệ luyện hai giai đoạn đối với quặng ilmenite gốc Cây Châm Thái nguyên để nhận xỉ titan đạt chất lượng thương phẩm.
 
Chất lượng của xỉ hoàn toàn đáp ứng làm nguyên liệu cho sản xuất que hàn điện, pigment titan.