Nghiên cứu xử lý quặng sắt nâu chất lượng thấp bằng phương pháp thiêu

- Do nhu cầu phát triển nóng của ngành luyện thép Trung Quốc, đồng thời với đặc điểm phần lớn nguồn tài nguyên quặng sắt tại Trung Quốc có hàm lượng thấp, các nguồn quặng sắt chất lượng

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS Dương Ngọc Bình, người hướng dẫn khoa học của luận văn đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn vật liệu kim loại màu và compozit và các thầy cô giáo Viện Khoa Học và kĩ thuật Vật liệu, Viện Sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã chỉ bảo và trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong thời gian qua

Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người thân

đã tận tình góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lâm Văn Đông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những điều được nêu ra trong luận văn thạc sĩ khoa

học "Nghiên cứu xử lý quặng sắt nâu chất lượng thấp bằng phương pháp thiêu"

là hoàn toàn đúng Tất cả kết quả thu được từ luận văn đều là từ quá trình nghiên cứu Mọi tài liệu và sự trợ giúp thực hiện luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Khi viết bản luận văn này, tác giả có tham khảo và kế thừa một số kết quả nghiên cứu của các tác giả đi trước và sử dụng những thông tin số liệu từ các tạp chí, sách, mạng internet … theo danh mục tham khảo

Tác giả cam đoan không có sự sao chép nguyên văn từ bất kỳ luận văn nào hay nhờ người khác viết Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về cam đoan của mình và chấp nhận mọi hình thức kỷ luật theo quy định của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Lâm Văn Đông

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG SẮT NÂU 3

TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 3

1.1 Tổng quan về quặng sắt 3

1.2 Công nghệ tuyển quặng sắt nâu trên thế giới 5

1.2.1 Tổng quan các phương pháp tuyển quặng sắt 5

1.2.2 Một số sơ đồ công nghệ tuyển quặng sắt nâu điển hình trên thế giới 6

1.3 Tài nguyên, khai thác và tuyển quặng sắt nâu của Việt Nam 10

1.3.1 Sơ lược về tài nguyên quặng sắt 10

1.3.2 Khái quát nguồn gốc quặng sắt Việt Nam 10

1.3.3 Tình hình khai thác và tuyển quặng sắt nâu tại Việt Nam 12

1.4 Kết luận 18

CHƯƠNG 2 19

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIÊU TỪ HÓA 19

2.1 Nguyên lý chung 19

2.2 Cơ chế của sự cháy cacbon rắn 19

2.3 Hoàn nguyên sắt bằng cacbon 20

CHƯƠNG 3 25

CHUẨN BỊ MẪU, XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VẬT CHẤT MẪU VÀ THÍ NGHIỆM TUYỂN TRỌNG LỰC QUẶNG SẮT LÀNG VINH – LÀNG CỌ 25 3.1 Sơ lược mỏ quặng sắt Làng Vinh – Làng Cọ 25

3.1.1 Ví trí địa lý 25

3.1.2 Nguồn gốc mỏ sắt Làng Vinh - Làng Cọ 26

3.2 Chuẩn bị mẫu và xác định thành phần vật chất 30

3.2.1 Lấy mẫu và gia công mẫu 30

3.2.2 Công tác chuẩn bị, thiết bị thí nghiệm 31

3.2.3 Kết quả xác định thành phần vật chất 32

3.3 Tuyển trọng lực mẫu quặng đầu 38

3.3.1 Tuyển rửa 38

3.3.2 Tuyển trọng lực cấp hạt -5mm trên thiết bị bàn đãi 40

CHƯƠNG 4 42

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIÊU TỪ HÓA MẪU 42

QUẶNG SẮT MỎ LÀNG VINH - LÀNG CỌ 42

4.1 Thiêu từ hoá quặng sắt nâu Làng Vinh – Làng Cọ 42

4.1.1 Xác định tỉ lệ trộn than 44

4.1.2 Xác định nhiệt độ thiêu từ hoá 46

4.1.3 Thí nghiệm xác định thời gian thiêu từ hóa 48

4.2 Thí nghiệm tuyển sơ đồ 53

4.2.1 Sơ đồ tuyển rửa, tuyển bàn đãi kết hợp với thiêu từ hoá- tuyển từ 53

4.2.2 Sơ đồ tuyển rửa kết hợp với thiêu từ hoá- tuyển từ 54

4.3 Đề xuất công nghệ tuyển quặng sắt Làng Vinh – Làng Cọ 56

4.3.1 Sơ đồ đề nghị và các chỉ tiêu dự kiến 57

4.4 Phương án công nghệ tuyển 59

4.4.1 Mô tả lưu trình công nghệ tuyển 59

4.4.2 Sơ đồ công nghệ và cân bằng sản phẩm 60

CHƯƠNG 5 63

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 66

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các khoáng vật chứa sắt chủ yếu 3

Bảng 1.2 Thành phần yêu cầu của quặng tinh sắt 5

Bảng 1.3 Các mỏ sắt chính tỉnh Lào Cai 13

Bảng 3.1 Kết quả phân tích hóa toàn phần mẫu quặng đầu 32

Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần độ hạt mẫu quặng 34

Bảng 3.3 Kết quả phân tích thành phần khoáng vật mẫu quặng đầu 35

Bảng 3.4 Kết quả xác định tính chất cơ lý của mẫu quặng đầu 38

Bảng 3.5 Kết quả tuyển rửa mẫu quặng đầu 39

Bảng 3.6 Kết quả tuyển trên bàn đãi cấp hạt -1; -0,5mm nghiền từ cấp 0,045÷5mm 41

Bảng 4.1 Thành phần khoáng vật cỡ hạt -5mm 43

Bảng 4.2 Thí nghiệm thiêu với các tỉ lệ trộn than khác nhau 45

Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm ở các điều kiện nhiệt độ thiêu từ hoá khác nhau 47

Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm chọn thời gian thiêu từ hoá 49

Bảng 4.5 Thành phần khoáng vật mẫu sau khi thiêu ở điều kiện tối ưu 50

Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm với các cỡ hạt khác nhau 51

Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm tuyển sơ đồ 1 54

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm tuyển sơ đồ 2 56

Bảng 4.9 Chỉ tiêu dự kiến tuyển quặng sắt mỏ Làng Vinh- Làng Cọ 59

Bảng 4.10 Bảng cân bằng sản phẩm xưởng tuyển 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ nhà máy tuyển quặng limonit Lisakovsky- Kazakhstan 7

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ nhà máy tuyển quặng sắt Trại Cau 15

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ xưởng đập mỏ sắt Quý Xa 16

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ xưởng tuyển rửa mỏ sắt Quý Xa 17

Hình 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng của phản ứng hoàn nguyên sắt oxit 21

Hình 2.2 Thành phần cân bằng của pha khí khi hoàn nguyên sắt bằng Cacbon 23

Hình 3.1 Sơ đồ gia công mẫu quặng mỏ sắt Làng Vinh- Làng Cọ 31

Hình 3.2 Sơ đồ gia công mẫu thành phần độ hạt quặng mỏ sắt Làng Vinh, Làng Cọ 33

Hình 3.3 Biểu đồ thành phần cỡ hạt 34

Hình 3.4 Ảnh 1 chụp lát mỏng phân tích trên kính hiển vi 36

Hình 3.5 Ảnh 2 chụp lát mỏng phân tích trên kính hiển vi 37

Hình 3.6 Ảnh 3 chụp lát mỏng phân tích trên kính hiển vi 37

Hình 3.7 Sơ đồ thí nghiệm tuyển rửa mẫu đầu 39

Hình 3.8 Sơ đồ nghiền tuyển trên thiết bị bàn đãi cấp hạt -1mm và -0,5mm 40

Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm thiêu từ hóa và tuyển từ 44

Hình 4.2 Biểu đồ thu hoạch, thực thu và hàm lượng quặng tinh theo tỉ lệ trộn than 46

Hình 4.3 Biểu đồ thu hoạch, thực thu và hàm lượng quặng tinh sắt 48

Hình 4.4 Biểu đồ thu hoạch,thực thu và hàm lượng quặng tinh 49

Hình 4.5 Biểu đồ tỉ lệ thực thu và hàm lượng các cỡ hạt 52

Hình 4.6 Sơ đồ thí nghiệm tuyển sơ đồ 1 53

Hình 4.7 Sơ đồ thí nghiệm tuyển sơ đồ 2 55

Hình 4.8 Sơ đồ công nghệ tuyển quặng sắt Làng Vinh – Làng Cọ 58

Hình 4.9 Sơ đồ dây chuyền tuyển quặng sắt Làng Vinh- Làng Cọ 61

Đối với quặng sắt nâu có từ tính yếu (gơtit, limonit, ) có hàm lượng sắt trung bình thấp (46÷52%), qua tuyển rửa có thể được quặng tinh đạt hàm lượng

>53%, hiện nay Việt Nam chưa có công nghệ tuyển hoàn thiện để thu được quặng tinh đạt chất lượng

Ở nước ta, quặng sắt nâu tập trung chủ yếu ở huyện Văn Bàn – tỉnh Lào Cai với trữ lượng khoảng 130 triệu tấn Trong đó quặng sắt tồn tại ở dạng hematit, magnetit (Làng Lếch, Nậm Mười) và dạng quặng sắt nâu (Quý Xa, Làng Vinh, Làng Cọ)

Quặng khai thác từ mỏ sắt Quý Xa (năng suất khoảng 1,5 triệu tấn/năm) có hàm lượng sắt trung bình khoảng 48÷52% Quặng Quý Xa hiện đang được xử lý bằng đập, nghiền, tuyển rửa để thu hồi quặng tinh có hàm lượng sắt lớn hơn 53%

Mỏ sắt Làng Vinh-Làng Cọ có trữ lượng khoảng 20 triệu tấn, chiếm phần lớn lượng quặng sắt nâu còn lại của tỉnh Lào Cai, với quặng sắt chủ yếu ở dạng gơtit, hàm lượng sắt thấp từ 30÷45%, từ tính yếu Các mỏ sắt nâu còn lại có trữ lượng nhỏ, hàm lượng sắt thấp từ 25÷42% Hiện các mỏ chưa có xưởng tuyển chế biến triệt để mà chỉ tuyển loại cục quặng cỡ hạt to, hàm lượng sắt cao dẫn đến tình trạng đầu tư manh mún, lãng phí tài nguyên, ảnh hưởng xấu tới môi trường

Quặng sắt nâu thông thường là loại quặng khó tuyển, chỉ tiêu kĩ thuật không cao Các nghiên cứu trong nước về quặng khu vực Văn Bàn-Lào Cai chưa nhiều, chưa có mô hình nhà máy tuyển quặng chế biến triệt để loại quặng này do đó việc

2

nghiên cứu nhằm đưa ra phương án phù hợp để xử lý quặng, tận thu tài nguyên là hết sức cấp bách và có ý nghĩa thực tiễn

Để giải quyết vấn đề trên, tác giả đã lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu

xử lý quặng sắt nâu chất lượng thấp bằng phương pháp thiêu”

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG SẮT NÂU

TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1 Tổng quan về quặng sắt

Quặng sắt được tạo thành trong nhiều bối cảnh địa chất khác nhau với 7 kiểu nguồn gốc: magma, skarn, nhiệt dịch, trầm tích, trầm tích - phun trào bị biến chất, biến chất và phong hoá Trong đó các mỏ quặng sắt có nguốn gốc skarn, nhiệt dịch

và phong hoá có giá trị kinh tế và đang là đối tượng được khai thác chủ yếu

Nguyên tố sắt (Fe) có hàm lượng trung bình trong vỏ trái đất là 4,2% Có khoảng 300 khoáng vật chứa sắt, tuy nhiên chỉ có một số nhỏ các khoáng vật trong

đó có giá trị kinh tế (bảng 1.1)

Trữ lượng sắt trên toàn thế giới đã biết rõ là khoảng hơn 200 tỉ tấn Quặng sắt không có thành phần hoá học nhất định, tính chất hoá lý ở các phần của nó không giống nhau Trên thực tế, quặng sắt là một tập hợp có tính chất cơ học một số khoáng vật

Theo đặc điểm khoáng vật có thể phân loại quặng sắt thành các nhóm: Quặng sắt magnetit, quặng sắt nâu, quặng sắt hematit, quặng sắt cacbonat và quặng sắt hỗn hợp

Bảng 1.1 Các khoáng vật chứa sắt chủ yếu

Khoáng vật Công thức Fe (%) Độ cứng Mohr Khối lượng

Quặng sắt magnetit: Khoáng vật trong quặng chủ yếu là magnetit Các mỏ

quặng sắt magnetit giàu có thể đạt hàm lượng 58 ÷ 60% Fe Các khoáng vật khác trong quặng là silicat chứa sắt như granat, clorit, kontronit hay các loại trường thạch Các tạp chất có hại là apatit, pyrit, chalcopyrit, đôi khi là galenit, sphalerit

4

Quặng hematit: Trong quặng hematit hàm lượng Fe có thể đạt được 56 ÷

58% Do hàm lượng silíc cao nên cần phải qua tuyển lựa Tạp chất có hại có hàm lượng nhỏ Các khoáng vật khác trong quặng là thạch anh, canxedoan và opal Quặng hematit có cấu trúc khác nhau từ đặc xít đến xâm nhiễm hạt mịn

Quặng sắt nâu: Trong quặng sắt có limonit và các loại hyđroxyt sắt Hàm

lượng sắt thấp, chỉ 45 ÷ 50% Fe Các tạp chất có hại là lưu huỳnh, phôtpho và asen

Do điều kiện thành tạo mỏ có khi gặp quặng khá sạch Quặng sắt nâu thường gặp ở dạng bở rời, đôi khi dạng bột

Quặng sắt cacbonat: Là loại quặng sắt nghèo nhất, hàm lượng Fe chỉ từ

30÷35 % Khoáng vật chứa sắt là siđerit và ít tạp chất có hại

Quặng sắt hỗn hợp: Quặng hỗn hợp có chứa magnetit, hematit, sắt nâu và

đôi khi cả siđerit Tùy theo điều kiện thành tạo, quá trình biến đổi và phong hóa dẫn đến hàm lượng các khoáng vật sắt trong mỗi mỏ hoặc mỗi thân quặng có thể rất khác nhau

Tùy theo mục tiêu chế biến và sử dụng tiếp theo cũng như phương pháp và thiết bị nấu luyện cần phải giới hạn hàm lượng các tạp chất có hại trong quặng tinh như: lưu huỳnh, phôtpho, arsen, kẽm, chì, thiếc, đồng, titan, nicken, mangan, crôm

và vanađi

Kích thước hạt quặng tinh cấp liệu cũng phải đạt các yêu cầu nhất định: Cho lò cao tùy loại quặng có kích thước từ 25 ÷ 100mm, quặng cám (0÷3mm) phải < 15÷20% trọng lượng nguyên liệu

Quặng limonit, gơtit ngậm nước thông thường được phối trộn một lượng nhỏ

từ 3 ÷ 5% tổng khối lượng để đạt quặng tinh có hàm lượng sắt >58% trước khi vào luyện trong lò cao

5

Bảng 1.2 Thành phần yêu cầu của quặng tinh sắt

Hàm lượng (%) >58 <0,01 <0,03 4,5÷5,5 <1,5% 0,03÷0,07 <0,01

1.2 Công nghệ tuyển quặng sắt nâu trên thế giới

1.2.1 Tổng quan các phương pháp tuyển quặng sắt

Trên thế giới hiện nay các phương pháp tuyển quặng sắt được áp dụng từ thủ công đơn giản như nhặt tay đến cơ giới hoá hiện đại hoá như tuyển trong lực, tuyển

từ, tuyển nổi Căn cứ vào các tính chất của quặng sắt đầu vào như nguồn gốc hình thành, độ xâm nhiễm, tính chất từ, độ cứng, cỡ hạt, hàm lượng sắt trong quặng đầu

và yêu cầu hàm lượng sắt trong sản phẩm, đặc điểm hạ tầng cơ sở để lựa chọn sơ đồ công nghệ tuyển phù hợp

Có thể phân chia quặng sắt làm hai loại: Quặng có từ tính mạnh và có từ tính yếu (quặng không từ)

Quặng có từ tính mạnh (magnetit …) thường sử dụng phương pháp tuyển trọng lực kết hợp với phương pháp tuyển từ để thu hồi quặng tinh đạt hàm lượng yêu cầu cấp cho nhà máy luyện gang, thép

Quặng từ tính yếu (gơtit, limonit) thường sử dụng phương pháp tuyển trọng lực và thiêu từ hóa để tăng từ tính của quặng rồi kết hợp với tuyển từ Công nghệ này đã được áp dụng chủ yếu ở một số nước trên thế giới như: Nga, Trung Quốc, Kazakhstan, Bungari [15]

Các phương pháp tuyển quặng sắt chính như: tuyển từ, thiêu từ hóa - tuyển

từ, tuyển trọng lực, tuyển nổi và các phương pháp tuyển kết hợp

Tuyển từ: Là một trong những phương pháp chính để tuyển quặng sắt Khi

tuyển cấp hạt lớn thường dùng tuyển từ khô, còn hạt mịn – dùng tuyển từ ướt Phương pháp tuyển từ chủ yếu sử dụng để xử lý các khoáng vật sắt từ tính mạnh (magnetit)

Thiêu từ hóa – tuyển từ: Là phương pháp kết hợp dùng để tuyển quặng sắt

từ tính yếu (hematit, quặng sắt nâu …) Trong quá trình thiêu, dưới tác dụng của nhiệt độ, sẽ xảy ra các phản ứng hóa học làm quặng bị biến đổi thành phần và đồng thời thay đổi tính chất từ, từ dạng có từ tính yếu thành dạng có

6

từ tính mạnh Qua quá trình nghiền và tuyển từ có thể thu được quặng tinh sắt đạt chất lượng yêu cầu

Tuyển trọng lực: Áp dụng tuyển trọng lực để tuyển quặng sắt thường là

tuyển rửa, máy lắng, bàn đãi, vít đứng và tuyển trong môi trường nặng…

 Tuyển rửa: Là phương pháp tuyển đơn giản và rẻ tiền nhất, thường

được sử dụng khi quặng có nhiều sét, nhưng các khoáng vật sắt phải

có kích thước và khối lượng khác biệt lớn để tránh bị tổn thất sắt trong

đuôi thải cùng với sét

 Máy lắng và bàn đãi: Được sử dụng để tuyển các quặng sắt có từ tính

yếu và kích thước quặng xâm nhiễm đủ lớn, sẽ có hiệu quả kinh tế hơn so với sử dụng phương pháp tuyển từ, thiêu từ hóa hay tuyển từ

có cường độ từ trường cao

 Vít đứng: Có thể sử dụng vít đứng thay thế bàn đãi khi tuyển cấp hạt

nhỏ Vít đứng có các chỉ tiêu tuyển tương tự như bàn đãi nhưng vốn đầu tư, chi phí sản xuất thấp và vận hành đơn giản hơn

 Tuyển trong môi trường nặng: Được sử dụng có hiệu quả khi tuyển

quặng sắt có độ xâm nhiễm thô và độ hạt lớn hơn 5mm Thông thường phương pháp tuyển này được sử dụng kết hợp với các phương pháp tuyển khác để xử lý cấp hạt nhỏ

Tuyển nổi: Phương pháp tuyển nổi sử dụng để tuyển quặng sắt nghèo có độ

hạt xâm nhiễm mịn sau khi đã được nghiền để giải phóng khoáng vật sắt khỏi các kết hạch Cũng được sử dụng để thu hồi hematit và khoáng vật sắt trong đuôi thải tuyển rửa hoặc tuyển trọng lực

Các phương pháp tuyển kết hợp: Thông thường quặng sắt là quặng hỗn hợp

do đó thường sử dụng các phương pháp tuyển kết hợp với nhau Thứ tự các phương pháp tuyển phụ thuộc vào thành phần vật chất và cấu tạo của quặng

1.2.2 Một số sơ đồ công nghệ tuyển quặng sắt nâu điển hình trên thế giới

1.2.2.1 Các nhà máy tuyển quặng sắt nâu điển hình

* Công nghệ tuyển quặng sắt Limonit Lisakovsky – Kazakhstan

7

Mỏ sắt Lisakovsky có trữ lượng 3 tỉ tấn, thuộc điều hành của công ty Orken LLP, một công ty con của Ispat Karmet và Tập đoàn LNM Nhà máy tuyển có năng suất 900.000 tấn quặng tinh/năm, quặng đầu vào thuộc dạng từ tính yếu chủ yếu là limonit, gơtit…, với hàm lượng Fe = 35 ÷ 38% Công nghệ được áp dụng là tuyển rửa, tuyển từ, thu được quặng tinh ban đầu có hàm lượng: Fe = 48÷50%; Si = 10÷12%; Al2O3 = 4÷5%; P = 0,6÷0,8%, hàm lượng phốt pho rất cao, cao hơn 10÷20 lần quặng tinh thông thường, do đó quặng tinh được tiếp tục thiêu từ hóa, để nâng cao hàm lượng quặng sắt và giảm hàm lượng phốt pho Kết quả thu được quặng tinh

có hàm lượng Fe = 57,3%, P = 0,09% Sơ đồ công nghệ tuyển quặng limonit được thể hiện trên hình 1.1 [4]

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ nhà máy tuyển quặng limonit Lisakovsky- Kazakhstan

* Công nghệ tuyển quặng sắt Limonit tỉnh Hà Nam Trung Quốc

Quặng đầu vào thuộc dạng từ tính yếu và không từ chủ yếu là limonit, siđerite, gơtit… xâm nhiễm mịn, với hàm lượng Fe = 35 ÷ 44% Công nghệ được áp

8

dụng là thiêu từ hóa tuyển từ kết hợp nghiền giải phóng kết hạch đem tuyển nổi thu hồi quặng tinh Quặng tinh sau tuyển hàm lƣợng đạt 66% Fe, thực thu đạt 80%, hàm lƣợng sắt trong quặng đuôi là 13% Fe Sơ đồ công nghệ tuyển quặng limonit nhà máy tuyển tại Hà Nam – Trung Quốc đƣợc thể hiện trên hình 1.2 [4]

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ nhà máy tuyển quặng limonit Hà Nam – Trung Quốc

1.2.2.2 Các nghiên cứu thiêu từ hóa điển hình trên thế giới

* Thiêu từ hóa quặng sắt nâu đƣợc áp dụng cho quặng gơtit có hàm lƣợng sắt cao đƣợc thực hiện tại FME department, ISM, Dhanbad, India Quặng đầu vào có

Tuyển từ (1360oe) Tuyển từ (1360oe)

Tuyển nổi chính

Fe Tuyển tinh

Tuyển vét 1 Tuyển vét 2

Tuyển vét 3

Quặng đầu vào <12mm

Nghiền

50%

0,074m

-m Nghiền

- Do nhu cầu phát triển nóng của ngành luyện thép Trung Quốc, đồng thời với đặc điểm phần lớn nguồn tài nguyên quặng sắt tại Trung Quốc có hàm lượng thấp, các nguồn quặng sắt chất lượng cao được tập trung khai thác dẫn đến trữ lượng ngày càng cạn kiệt nên áp lực đối với nguồn tài nguyên hàm lượng sắt thấp tăng cao, xu hướng nghiên cứu xử lý quặng sắt nâu đã trở thành xu hướng chính trong khoảng 20 năm gần đây và đã có nhiều tiến bộ Trong công nghệ thiêu từ hóa, tại nhà máy gang thép Côn Minh đã thực hiện sản xuất bán công nghiệp với lò thiêu ống quay 1mx13m, quặng ban đầu cấp vào có kích thước -20mm, hàm lượng sắt 35% thu được quặng tinh có hàm lượng đạt gần 50% với thu hồi khoảng 85% Trên

cơ sở đó đã có các nghiên cứu cải tiến công nghệ như thiêu tầng sôi, cải tiến công nghệ cấp liệu, kết cầu lò, hệ thống đốt,…[15]

- Công nghệ thiêu từ hóa - tuyển từ được áp dụng thành công đối với bãi thải quặng sắt tại Trung Quốc Quặng đầu vào có hàm lượng Fe2O3 đạt 24,82% Than trộn có hàm lượng cabon 77,7% Các điều kiện thiêu từ hóa như sau: tỉ lệ trộn than 1%, nhiệt độ thiêu 8000C, thời gian thiêu 30 phút và nghiền 15 sau khi thiêu Mẫu thu được đem tuyển từ thu được quặng tinh sắt đạt 61,3% với khả năng thu hồi đạt 88,2% [7]

- Công nghệ thiêu từ hóa - tuyển từ được áp dung nghiên cứu đối với mẫu quặng sắt limonit tại tỉnh Vân Nam - Trung Quốc Quặng ban đầu có hàm lượng sắt đạt 25,48% Thí nghiệm thiêu từ hóa được thực hiện ở nhiệt độ 7500

C, thời gian thiêu 90 phút, tỉ lệ trộn than 7,5% Mẫu sau nung được nghiền đến 73% cỡ hạt -0,075mm sau đó tuyển từ thu được quặng tinh có hàm lượng sắt đạt 51,13% với thu hồi đạt trên 85% [12]

Tóm lại, công nghệ tuyển quặng sắt trên thế giới rất đa dạng Tuỳ thuộc vào tính chất nguồn quặng đầu vào, quặng nhiễm từ tính mạnh, từ tính yếu, độ xâm

10

nhiễm, nguồn gốc hình thành, hàm lượng sắt trong quặng… để lựa chọn sơ đồ công nghệ tuyển hợp lý

1.3 Tài nguyên, khai thác và tuyển quặng sắt nâu của Việt Nam

1.3.1 Sơ lược về tài nguyên quặng sắt

Kết quả của các dạng công tác đo vẽ lập bản đồ địa chất, tìm kiếm, đánh giá

và thăm dò quặng sắt Việt Nam cho đến nay đã ghi nhận được 216 mỏ và điểm quặng sắt Các mỏ và điểm quặng sắt có quy mô và chất lượng rất khác nhau, đồng thời mức độ điều tra thăm dò địa chất cho từng mỏ, điểm quặng cũng rất khác nhau

Về quy mô mỏ: Trong số 216 mỏ và điểm quặng, có 16 mỏ đạt trữ lượng trên

1 triệu tấn, trong đó 2 mỏ lớn là mỏ Thạch Khê trữ lượng 544 triệu tấn và mỏ Quý

Xa có trữ lượng 112,35 triệu tấn

Theo tài liệu hiện có, tổng trữ lượng dự báo của quặng sắt là 1,2 tỷ tấn

Trong đó, tổng trữ lượng và tài nguyên là 757 triệu tấn bao gồm: 563 triệu tấn cấp

trữ lượng và 194 triệu tấn cấp tài nguyên

Về chất lượng quặng: Thành phần quặng chủ yếu là magnetit với trữ lượng

589,40 triệu tấn Quặng limonit là 167,83 triệu tấn Hàm lượng sắt thay đổi từ 23%

÷ 67% Hàm lượng Mn khá cao và hàm lượng kẽm (Zn) của nhiều mỏ cao hơn so với quặng sắt trên thế giới

Về cơ sở hạ tầng và điều kiện khai thác: Cơ sở hạ tầng của hầu hết các

vùng mỏ đều yếu kém, điều kiện giao thông khó khăn

1.3.2 Khái quát nguồn gốc quặng sắt Việt Nam

Nguồn gốc của các mỏ và điểm quặng sắt ở Việt Nam được nghiên cứu với mức độ khác nhau Theo các tài liệu và báo cáo địa chất hiện nay, các loại quặng sắt

ở Việt Nam có thể phân theo nhóm có nguồn gốc như sau:

Quặng sắt có nguồn gốc magma mới chỉ gặp ở các điểm quặng Tam Kỳ, Xã

Hiếu (Kon Tum) và Đồi 95 (Tây Ninh) trong các khối mafic Quặng magnetit nguồn gốc magma có hàm lượng sắt thấp khoảng 25 ÷ 45% nên giá trị sử dụng thấp

Quặng sắt có nguồn gốc skarn tập trung ở mỏ quặng sắt Thạch Khê (tỉnh

Hà Tĩnh) và một số mỏ quặng sắt ở tỉnh Cao Bằng Quặng magnetit nguồn gốc skarn thường là quặng magnetit có cấu tạo đặc sít, hàm lượng sắt cao,

11

phân bố tại đới tiếp xúc của granit với đá vôi (như ở mỏ Thạch Khê) hoặc của gabro, diorit với đá vôi, đá phiến (ở các mỏ thuộc Cao Bằng) Các thân quặng thường có hình thái phức tạp Loại quặng nguồn gốc skarn ở Việt Nam thường có hàm lượng sắt cao và có giá trị

Quặng sắt có nguồn gốc nhiệt dịch, biến chất trao đổi có thành phần chủ

yếu magnetit và số ít là hematit phân bố chủ yếu dạng mạch, thấu kính quy

mô không lớn, hình thái phức tạp, thường gặp ở vùng Tùng Bá (tỉnh Hà Giang), mỏ Làng Mỵ huyện Hưng Khánh (tỉnh Yên Bái) và một số điểm quặng sắt vùng Lào Cai Số ít quặng siđerit trong tầng lục nguyên - carbonat

có ở mỏ Bản Phắng (tỉnh Bắc Kạn)

Quặng sắt có nguồn gốc trầm tích phân bố điểm quặng tỉnh Tuyên Quang,

huyện Thạch Thành (tỉnh Thanh Hoá), Khe Mỏ Hai (huyện Tân Lâm tỉnh Quảng Trị) Quặng phân bố trong hệ tầng Yên Duyệt và Cam Lộ tuổi Permi

muộn Loại quặng này thường chất lượng thấp, quy mô không đáng kể và

không có giá trị công nghiệp

Quặng sắt có nguồn gốc trầm tích biến chất có diện tích phân bố của các đá

biến chất tiền Cambri khá rộng rãi ở Việt Nam, nhưng ít gặp các mỏ quặng sắt có nguồn gốc trầm tích biến chất điển hình Có thể xếp điểm quặng sắt vùng Xóm Giường (Phú Thọ) vào nhóm mỏ có nguồn gốc trầm tích biến

chất này Quặng sắt nhóm này ở Việt Nam có hàm lượng không cao, tạo

thành các vỉa có quy mô không lớn Trong khi đó, trên thế giới, hầu hết trữ lượng quặng sắt có nguồn gốc này

Quặng sắt có nguồn gốc phong hoá là quặng limonit có nguồn gốc phong

hoá từ các mạch quặng giàu sulfur có ở một số nơi; loại phong hoá từ siđerit

có ở mỏ Bản Phắng và một số điểm quặng phân bố ở vùng Quảng Ninh, Hải Phòng Ngoài ra, trên lãnh thổ Việt Nam còn nhiều vùng phát triển laterit sắt

có quy mô khác nhau

Quặng sắt chưa rõ nguồn gốc: Bao gồm nhiều điểm quặng limonit quy mô

khác nhau như Mộ Đức (Quảng Ngãi) và đáng kể nhất là mỏ sắt Quý Xa (Lào Cai)

12

Dựa theo thành phần khoáng vật, quặng sắt của Việt Nam được phân chia thành hai loại chủ yếu sau đây:

Quặng magnetit phân bố chủ yếu trong các mỏ quặng sắt có nguồn gốc

skarn như mỏ Thạch Khê (tỉnh Hà Tĩnh) và nhóm mỏ của tỉnh Cao Bằng; có nguồn gốc nhiệt dịch như mỏ Tùng Bá (tỉnh Hà Giang), mỏ Làng Mỵ huyện Hưng Khánh (tỉnh Yên Bái), một số thân quặng thuộc mỏ Trại Cau (tỉnh Thái Nguyên) … Quặng magnetit thường có hàm lượng sắt cao

Quặng limonit (sắt nâu) gồm limonit, gơtit và hydrogơtit, phân bố chủ yếu

trong các mỏ và điểm quặng có nguồn gốc phong hoá hoặc chưa rõ nguồn gốc như mỏ Quý Xa, Tác Ái, Làng Lếch, Làng Vinh-Làng Cọ (Lào Cai), mỏ Tiến Bộ (Thái Nguyên), mỏ Bản Phắng (Bắc Kạn)

1.3.3 Tình hình khai thác và tuyển quặng sắt nâu tại Việt Nam

1.3.3.1 Tình hình khai thác quặng sắt nâu tại Việt Nam

Tổng trữ lượng quặng sắt ở Việt Nam khoảng 1,2 tỉ tấn phân bố rải rác khắp các vùng trong cả nước; tuy nhiên công nghệ chế biến quặng sắt vẫn còn thô sơ và chủ yếu chế biến quặng sắt ở những mỏ quặng có hàm lượng sắt cao dễ tuyển Việc tuyển quặng có hàm lượng sắt thấp đặc biệt với loại quặng sắt có hàm lượng nghèo,

từ tính yếu (quặng sắt nâu), khoáng vật chứa sắt dạng limonit, gơtit, các oxit sắt ngậm nước trong nước vẫn chưa có công nghệ xử lý và làm giàu một cách triệt để

Hiện nay, để xử lý quặng sắt ở Việt Nam với quy mô tương đối lớn mới chỉ

có xưởng tuyển sắt Trại Cau ở Thái Nguyên, Quý Xa ở Lào Cai; Thạch Khê ở Hà Tĩnh, còn ở các địa phương khác như Cao Bằng, Bắc Cạn, Hà Giang và Tuyên Quang… chủ yếu là các xưởng quy mô nhỏ, sơ đồ công nghệ đơn giản không tận thu triệt để tài nguyên

Tại Thái Nguyên: Mỏ sắt Trại Cau được đưa vào khai thác từ năm 1964

Hiện có 3 công trường chính là Hàm Chim, Thác Lạc III và Núi D Công suất khoảng 180.000 tấn quặng tinh/năm

Quặng nguyên khai được đập thô, đập nhỏ bằng đập hàm và đưa qua sàng quay, sàng rung và phân cấp xoắn để rửa và phân cấp Sản phẩm quặng tinh gồm hai loại: hàm lượng quặng tinh limonit sau tuyển đạt khoảng 54% Fe, hàm lượng quặng tinh magnetit sau tuyển đạt trên 60% Fe

13

Thời gian gần đây mỏ Trại Cau cũng tổ chức khai thác thủ công để thu hồi thêm quặng sắt trong khu vực với sản lượng hàng năm khoảng 40.000 tấn Toàn bộ khối lượng quặng tinh của mỏ Trại Cau đều cung cấp cho các lò cao luyện thép của Công ty Gang thép Thái Nguyên

Mỏ sắt Tiến Bộ với trữ lượng quặng gốc khoảng 19 triệu tấn, khoáng vật chủ yếu là limonit, gơtit,…hàm lượng sắt từ 48÷50%, được đưa vào khai thác từ năm

2014 với công suất 300.000 tấn quặng tinh/năm Công nghệ áp dụng là công nghệ tuyển rửa Quặng tinh thu được có hàm lượng sắt 53÷54%, cung cấp cho nhà máy gang thép Thái Nguyên

Ngoài ra tại Thái Nguyên còn hàng chục điểm khai thác nhỏ được cấp phép hoặc khai thác tự do đều được thu gom quặng tinh để xuất khẩu tiểu ngạch

Tại Lào Cai: Trên địa bàn Lào Cai đã phát hiện được 5 mỏ và 10 điểm

quặng sắt với tổng trữ lượng khoảng 146,3 triệu tấn, trong đó sắt nâu khoảng trên

130 triệu tấn (bao gồm các mỏ Quý Xa, Làng Vinh, Làng Cọ, ) và trên 15 triệu tấn quặng magnetit và hỗn hợp magnetit – hematit (Làng Lếch, Kíp Tước, .) Thống

kê các mỏ sắt chính trên địa bàn tỉnh Lào Cai được thể hiện trong bảng 1.3

Trong các mỏ trên, mỏ Quý Xa với đặc điểm là loại quặng sắt nâu, chủ yếu

là limonit, có hàm lượng Fe trung bình từ 46÷52%, tạp chất có hại thấp, từ tính yếu, trữ lượng lớn nên đã được đầu tư khai thác quy mô công nghiệp 1,5 triệu tấn/năm

Công ty Khoáng sản Lào Cai, Công ty Khoáng sản III và một số doanh nghiệp tư nhân đang khai thác tận thu quặng limonit hàm lượng cao của mỏ Làng Vinh và Làng Cọ với công suất 10.000 tấn/năm

Bảng 1.3 Các mỏ sắt chính tỉnh Lào Cai

1 Quý Xa Xã sơn thủy, Huyện Văn Bàn sắt nâu (limonit)

2 Làng Lếch Xã Sơn thủy huyện Văn Bàn hematit-magnetit

4 Làng Vinh-Làng Cọ Huyện Văn Bàn limonit

5 Kíp Tước Cam Đường, TP.Lào Cai hematit-magnetit

6 Thẩm Dương Xã Dân Thàng, huyện Văn Bàn limonit

14

8 Làng Én Xã Khánh Yên, huyện Văn Bàn limonit

9 Nậm Mười Xã Dân Thàng, huyện Văn Bàn magnetit

Tại các tỉnh còn lại: Tuyên Quang, Yên Bái, Hà Giang, Thanh hóa, Bắc

Cạn… cũng đẩy mạnh việc khai thác các điểm mỏ quặng quy mô nhỏ, chủ yếu thuộc loại quặng manhetit mặc dù công tác thăm dò, đánh giá chưa đủ mức tin cậy

Như vậy, mỏ quặng sắt nâu tồn tại chủ yếu ở hai tỉnh Lào Cai và Thái Nguyên, trong đó các mỏ có hàm lượng sắt trung bình từ 46 ÷ 50% đã được đầu tư xây dựng xưởng tuyển, còn các mỏ có hàm lượng sắt thấp 30 ÷ 45% chưa có xưởng tuyển chế biến triệt để mà chỉ tuyển tận thu quặng sắt có hàm lượng sắt cao

Về tiêu thụ sản phẩm quặng tinh: Qua tham khảo một số nhà máy luyện gang

lò cao trong nước, quặng tinh limonite, gơtit có hàm lượng sắt >50% được các nhà máy thu mua làm nguyên liệu phối trộn với các loại quặng sắt hàm lượng cao cấp cho lò cao

1.3.3.2 Công nghệ tuyển quặng sắt nâu tại Việt Nam

Công nghệ tuyển một số mỏ quặng sắt nâu tại Việt Nam:

Quặng sắt có từ tính yếu - Nhà máy tuyển quặng sắt Trại Cau: Mỏ sắt Trại Cau được khởi công xây dựng từ cuối năm 1959, khánh thành và đi vào hoạt động sản xuất từ năm 1964 Năng suất hiện tại: 180.000 tấn quặng tinh/năm Quặng có thành phần khoáng vật chính limonit và magnetit, được lấy từ nhiều mỏ nhỏ xung quanh Hàm lượng (%): Fe = 43,43% ÷60,43; S = 0,04; Zn = 0,14; P = 0,07 Hai loại quặng được tuyển riêng biệt, hàm lượng sắt của quặng tinh limonit sau tuyển đạt khoảng 54%, hàm lượng quặng tinh magnetit sau tuyển đạt trên 60% Sơ đồ công nghệ nhà máy tuyển quặng sắt Trại Cau thể hiện trên hình 1.2

15

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ nhà máy tuyển quặng sắt Trại Cau

Quặng sắt có từ tính yếu - Xưởng tuyển sắt Quý Xa: Mỏ sắt Quý Xa do Công

ty TNHH Khoáng Sản và Luyện Kim Việt Trung quản lý Nhà máy tuyển bắt đầu đi vào hoạt động từ năm 2013 với công suất khoảng 1,5 triệu tấn/năm Thân quặng chính mỏ sắt Quý Xa là thân quặng số 1và 7, trong đó thân quặng 1 là quặng gốc, thành phần khoáng vật chủ yếu trong quặng là limonit, một ít hemantit và psilomelan Hàm lượng (%): Fe = 52,90; S = 0,033; Zn = 0,018; P = 0,072 Thân

Đập hàm trung

Sàng quay nhỏ

Đập hàm thô Sàng quay to

Máy RCV 2

Đập trục răng

TQ 8mm

-16

quặng 7 là quặng đêluvi, thành phần khoáng vật chủ yếu trong quặng là limonit, một ít hemantit Hàm lượng (%): Fe = 46,06; S = 0,071; Zn = 0,015; P = 0,088 Tính chất quặng gốc và quặng đêluvi bất đồng, nên công nghệ xử lý 2 loại quặng cũng khác nhau Nhà máy tuyển được chia thành xưởng đập nghiền và xưởng tuyển rửa, xưởng tuyển rửa xử lý quặng đêluvi và xưởng đập nghiền xử lý quặng gốc Quy trình công nghệ đập nghiền: xưởng xử lý quặng gốc, công suất 2.750.000 tấn quặng nguyên khai/năm Cỡ hạt quặng gốc lớn nhất là 1.000mm, thiết kế dùng quy trình đập nghiền 2 giai đoạn Sau khi qua sàng phân loại quặng tinh cục 10÷50 mm

và quặng tinh cám 10÷0mm, 2 loại sản phẩm này đổ ra bãi thành từng đống riêng Quy trình công nghệ rửa quặng: xưởng tuyển rửa xử lý quặng đêluvi, Công suất 250.000 tấn quặng nguyên khai/năm, quặng cỡ hạt lớn nhất là 210mm, dùng lưu trình rửa quặng phun nước áp lực, sàng rung rửa quặng, qua máy phân cấp thu được quặng tinh cục có hàm lượng sắt >53%, quặng đuôi hàm lượng sắt 41% thải bỏ Sơ

đồ công nghệ xưởng đập nghiền được thể hiện trên hình 1.3 và sơ đồ công nghệ xưởng tuyển rửa thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ xưởng đập mỏ sắt Quý Xa

Quặng tinh 0÷10mm Sàng phân cấp 2

Cấp liệu rung

Quặng tinh 10÷50mm

Máy đập trục răng Quặng nguyên khai

Máy đập trục răng Sàng phân cấp 1

17

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ xưởng tuyển rửa mỏ sắt Quý Xa

1.3.3.3 Các nghiên cứu công nghệ thiêu từ hóa quặng sắt limonit tại Việt Nam

- Kết quả nghiên cứu thiêu từ hóa mẫu quặng sắt laterit Tây Nguyên chất lượng thấp, được thực hiện bởi nhóm các tác giả đến từ Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim; TCty Thép Việt Nam; Tổng Cục Địa Chất & Khoáng Sản Mẫu có hàm lượng

Fe trung bình trong quặng nguyên khai là 29,91%, các tạp chất đi kèm khá cao như

Al2O3 19,86% cà SiO2 20,71% Khoáng chất chứa sắt chủ yếu là gơtit, hydrôgơtit chiếm 38÷40%; ilmenit 2÷4% và các khoáng phi quặng khác Quặng sau tuyển rửa thu được quặng tinh với hàm lượng sắt 37,08%, thực thu 88,64%, thu hoạch 71,86% Quặng tinh sau tuyển rửa đã tiến hành nghiên cứu bằng các phương pháp tuyển khác nhau như tuyển trọng lực trên bàn đãi; tuyển từ khô; tuyển từ ướt; tuyển nổi; hòa tách quặng tinh tuyển rửa… tuy nhiên chất lượng quặng tinh đều không đạt yêu cầu Nhóm nghiên cứu đã đề xuất phương pháp tuyển phù hợp là sử dụng phương pháp thiêu từ hóa, sau đó nghiền và tuyển từ Chế độ tối ưu như sau: Nhiệt độ: 8500

C; thời gian nung 90 phút; than antraxit 8%; độ hạt nghiền tuyển từ 75% cấp hạt -0,074mm Kết quả thu được quặng tinh sau tuyển từ có hàm lượng sắt 47,85%, ứng với thực thu 76,35% [3]

Máy đập Sàng rung

Quặng nguyên khai

Sàng song

Máy rửa cánh vuông

Máy phân cấp ruột xoắn

Đối với quặng nâu có hàm lượng sắt thấp (từ tính yếu) hiện chưa có nhà máy tuyển triệt để, các điểm mỏ mới chỉ đầu tư xây dựng các xưởng dùng công nghệ tuyển rửa tận thu các loại quặng có cỡ hạt lớn, hàm lượng cao

1.4 Kết luận

Công nghệ tuyển quặng sắt của Việt Nam cũng tương tự công nghệ tuyển quặng sắt trên thế giới, đều nghiền giải phóng kết hạt, kết hợp phương pháp tuyển trọng lực và tuyển từ, tuy nhiên do phần lớn mỏ sắt của Việt Nam có trữ lượng thấp, hàm lượng thấp nên việc đầu tư xưởng rất manh mún, chủ yếu tuyển tận thu dẫn đến thất thoát tài nguyên lớn

Đối với quặng sắt nâu, tập trung chủ yếu ở khu vực Văn Bàn – Lào Cai với trữ lượng khoảng 140 triệu tấn (tổng trữ lượng cả nước khoảng 167 triệu tấn) tuy nhiên trong nước chưa có công nghệ tuyển hoàn thiện Hiện tại công nghệ tuyển áp dụng tại các nhà máy rất đơn giản, phần lớn chỉ mới giải quyết khâu tuyển rửa và phân cấp cỡ hạt Các xưởng cũng chỉ đầu tư khai thác các vỉa có hàm lượng sắt từ 46÷52% trở lên, chưa tận thu triệt để lượng sắt trong đuôi thải dẫn đến thất thoát lớn tài nguyên

Mỏ sắt Làng Vinh – Làng Cọ cũng thuộc khu vực Văn Bàn, có trữ lượng sắt nâu khoảng 20 triệu tấn, hàm lượng sắt thấp 30÷45% Trong nước chưa có công nghệ tuyển loại quặng này Vì vậy mục tiêu của đề tài là nghiên cứu công nghệ chế biến nguồn quặng sắt nâu chất lượng thấp để thu được quặng tinh có hàm lượng trên 50% sắt cung cấp cho các nhà máy luyện kim, làm nguyên liệu phối trộn cho lò cao; kết quả của đề tài có thể áp dụng cho nhiều mỏ khác để sử dụng hiệu quả tối đa nguồn khoáng sản sắt của đất nước, tận thu tài nguyên

19

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIÊU TỪ HÓA

Bản chất của quá trình thiêu từ hóa quặng sắt nâu là quá trình hoàn nguyên không triệt để oxit sắt trong quặng Quặng sắt nâu với thành phần chủ yếu là

Fe2O3 không từ, ngậm nước được hoàn nguyên thành dạng Fe3O4 từ tính để có thể

xử lý bằng phương pháp tuyển từ

2.1 Nguyên lý chung

Điều kiện cho quá trình hoàn nguyên oxit kim loại xảy ra là ái lực hóa học của chất hoàn nguyên với oxi phải lớn hơn ái lực hóa học của kim loại cần hoàn nguyên với oxi [2]

Có nhiều phương pháp hoàn nguyên oxit kim loại Trong sản xuất, việc lựa chọn phương pháp nào cho một kim loại nào đó dựa trên nguyên tắc xem xét tính chất của loại quặng (chủ yếu xem kim loại tồn tại ở dạng hợp chất nào), tính chất của kim loại và chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật Trong thực tế có những phương có những phương pháp hoàn nguyên kim loại sau:

Hoàn nguyên gián tiếp: sử dụng chất khí làm chất hoàn nguyên như CO, H2; Hoàn nguyên trực tiếp : dùng cacbon làm chất hoàn nguyên;

Hoàn nguyên nhiệt kim: dùng kim loại này để hoàn nguyên kim loại khác

Ở điều kiện phòng thí nghiệm và tính đến tính khả thi khi áp dụng vào thực

tế sản xuất thì dùng cacbon làm chất hoàn nguyên thì giá thành rẻ, dễ tiến hành và thiết bị đơn giản do đó trong luận văn này sẽ nghiên cứu quá trình hoàn nguyên quặng sắt bằng cacbon

2.2 Cơ chế của sự cháy cacbon rắn

Giữa cacbon và oxy có thề xảy ra những phản ứng sau đây:

Phản ứng cháy hoàn toàn

( 1) C + O2 = CO2 Ho248(1) = -394142J Phản ứng cháy không hoàn toàn

2

1

O2 = CO Ho248(2) = -223431J Phản ứng cháy tiếp

(4) C + CO2 = 2CO Ho248(4) = 170711J Qua kết quả nghiên cứu nhiệt động học hệ thống C-O thấy rằng:

Trong điều kiện thừa cacbon (thiếu O2) ở nhiệt độ cao hơn 1300o

CO (hoặc không cháy mà nằm trong sản phẩm cuối cùng) Ở nhiệt cao pha khí chứa rất nhiều CO mặc dù thừa oxy

2.3 Hoàn nguyên sắt bằng cacbon

Quá trình hoàn nguyên sắt bằng cacbon cũng giống nhƣ hoàn nguyên các oxit kim loại khác, Có nghĩa là phản ứng hoàn nguyên trực tiếp bao gồm:

Phản ứng hoàn nguyên gián tiếp bằng khí CO theo chiều tạo thành sắt kim loại Phản ứng khí hóa cacbon bằng CO2

Sắt có khả năng kết hợp với oxy tạo thành các oxit : Fe2O3, Fe3O4, FeO Dựa trên nguyên tắc phân hóa từng bậc của Baicop, phản ứng hoàn nguyên oxit sắt bằng

21

Quá trình hoàn nguyên sắt xảy ra theo các phản ứng sau:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 ΔH0

298 = - 52176 J (4) Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2 ΔH0

298 = - 1033 J

T = -1033 + 29,7T Trạng thái cân bằng của phản ứng hoàn nguyên trên được xác định trên cơ sở xác định tỷ phần CO2 và CO:

ΔG0

T=-RTlnKp = -RTln

Từ đó xác định được : lgKp(1) =

+2.144 lgKp(2) =

+ 2,10 lgKp(3) =

- 0,90 lgKp(4) =

- 0,155

Như vậy trạng thái cân bằng của phản ứng hoàn nguyên phụ thuộc vào tỷ phần CO

và CO2 Trên hình 2.1 biểu diễn thành phần pha khí ở trạng thái cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ

1

C a

c

a' c'

20 40 60 80

Hình 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng của phản ứng hoàn nguyên sắt oxit Các đường (1), (2), (3), (4) chia đồ thị ra làm bốn khu vực, mỗi khu vực tồn tại bền vững của một oxit

Fe2O3 Fe3O4 Fe

22

- Khu vực a, nhiệt độ lớn hơn 843oK, là khu vực bền vững của Fe3O4

ở khu vực này Fe2O3 hoàn nguyên thành Fe3O4, bởi %CO(1)<%CO(a)

Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2

Fe và FeO bị oxi hóa bởi vì % CO(a) < % CO(2)< % CO(3)

Fe + CO2 = FeO + CO FeO + CO2 = Fe3O4+ CO

- Khu vực b, nhiệt độ lớn hơn 843oK, là khu vực bền vững của FeO

Ở khu vực này sảy ra quá trình hoàn nguyên Fe2O3 vàFe3O4 bởi vì % CO(b) >

- Khu vực a’, nhiệt độ nhỏ hơn 843 o K

Fe2O3 đƣợc hoàn nguyên do CO(a’) > % CO(1)

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2Sắt bị oxy hóa do CO(a’) < % CO(4)

Fe + CO2 = Fe3O4 + CO

- Khu vực c’, nhiệt độ nhỏ hơn 843oK : CO(c’) > % CO(4)> % CO(1)

Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = Fe + CO2Trong quá trình hoàn nguyên bằng các bon, thành phần của pha khí do cân bằng của phản ứng hóa khí than quyết định

5 3

Hình 2.2 Thành phần cân bằng của pha khí khi hoàn nguyên sắt bằng Cacbon

Trên đồ thị cho thấy, đường cân bằng của phản ứng hóa khí (đường 5) cắt các đường cân bằng của phản ứng hoàn nguyên Fe3O4 (đường 2) và FeO (đường 3) tại các điểm B và A tương ứng với nhiệt độ TA = 973oK (700 oC) và TB = 923oK (650o

C)

Ở nhiệt độ lớn hơn TA đường (5) nằm trên các đường (1), (2) và (3), là các đường cân bằng của phản ứng hoàn nguyên Fe2O3, Fe3O4 và FeO, do đó phản ứng hóa khí sẽ tạo ra nồng độ CO cao (%CO> % CO(2)> % CO(3) > % CO(1)) tạo điều

A

B

24

kiện cho các phản ứng hoàn xảy ra theo chiều thuận Vậy tất cả các oxit Fe2O3,

Fe3O4 và FeO đều được hoàn nguyên đến Fe

Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = FeO + CO2FeO + CO = Fe + CO2

Ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ TB, đường cân bằng của phản ứng hóa khí nằm dưới các đường (1) , (2) và (3), là các đường cân bằng của phản ứng hoàn nguyên

Fe2O3, Fe3O4 và FeO, do đó phản ứng hóa khí sẽ tạo ra nồng độ CO nhỏ hơn nồng

độ CO cân bằng trong phản ứng hoàn nguyên (%CO< % CO(2), % CO(3) , % CO(4)),

do đó các oxit sắt không được hoàn nguyên về sắt, ngược lại, Fe và FeO bị oxy hóa thành Fe3O4

Fe + CO2 = FeO + CO FeO + CO2 = Fe3O4 + C

Ở nhiệt độ trong khoảng TA+ - TB, cũng lý luận như trên cho ta thấy những oxit sắt sẽ được hoàn nguyên đến FeO Đây là khu vực bền vững của FeO

Như vậy có thể kết luận rằng, vùng nhiệt độ hoàn nguyên oxit sắt là nhỏ hơn nhiệt độ TB (923oK trong trường hợp áp suất tổng là 1atm)

Do điều kiện thí nghiệm, khó kiểm soát được tỉ phần khí CO/CO2, để đảm bảo cơ chế cháy cacbon rắn phù hợp đồng thời khử nước triệt để trong quặng limonit nên các thí nghiệm thiêu từ hóa được tiến hành trong khoảng nhiệt độ từ

6000C đến 9500C

25

CHƯƠNG 3 CHUẨN BỊ MẪU, XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VẬT CHẤT MẪU VÀ THÍ NGHIỆM TUYỂN TRỌNG LỰC QUẶNG SẮT LÀNG VINH – LÀNG CỌ

Theo các kết quả thăm dò thì trữ lượng quặng sắt của tỉnh Lào Cai tập trung chủ yếu tại huyện Văn Bàn bao gồm các mỏ: Quý Xa, Làng Lếch – Ba Hòn, Làng

Cọ, Làng Vinh và các điểm mỏ: Tác Ái, Minh Lương, Tam Đỉnh, Ngòi Cọ, Khe Bá Trong đó chỉ có mỏ sắt Làng Lếch - Ba Hòn, Nậm Mười là quặng manhetit, các mỏ quặng sắt còn lại đều là loại quặng sắt nghèo từ tính yếu (sắt nâu), khoáng vật chứa sắt chủ yếu dạng oxit ngậm nước như limonit, gơtit… có hàm lượng sắt dao động khoảng 30 ÷ 45%

Với đặc thù của quặng sắt nâu: hàm lượng sắt nghèo, từ tính yếu, xâm nhiễm mịn không đồng đều, hàm lượng sét cao, các chỉ tiêu không cao do đó công nghệ tuyển sẽ phức tạp, đòi hỏi phải kết hợp nhiều phương pháp tuyển khác nhau để xử

lý tối ưu loại quặng này Trong các mỏ quặng sắt limonit, gơtit ở vùng Văn Bàn hiện tại chỉ có mỏ Quý Xa có trữ lượng lớn khoảng 112,35 triệu tấn, hàm lượng sắt trung bình đã được khai thác và tuyển rửa tuy nhiên đuôi thải hàm lượng sắt còn cao (41%), còn các mỏ và điểm mỏ khác chưa có công nghệ tuyển hoặc đang tuyển bằng phương pháp tuyển thô sơ hầu như chỉ rửa thu hồi cấp hạt thô có hàm lượng sắt cao, thải bỏ cấp hạt mịn rất lãng phí tài nguyên

Mỏ quặng sắt nâu Làng Vinh – Làng Cọ với trữ lượng khoảng 20 triệu tấn, chiếm phần lớn trữ lượng quặng sắt nâu còn lại của tỉnh Lào Cai, hiện chưa có mô hình công nghệ tuyển hợp lý, chưa có nhiều nghiên cứu chế biến đối với quặng này

Do vậy luận văn đã chọn mẫu quặng ở mỏ sắt Làng Vinh – Làng Cọ làm mẫu nghiên cứu

đại diện cho vùng Văn Bàn – Lào Cai để phục vụ đề tài “Nghiên cứu xử lý quặng sắt nâu chất lượng thấp bằng phương pháp thiêu “

3.1 Sơ lược mỏ quặng sắt Làng Vinh – Làng Cọ

3.1.1 Ví trí địa lý

Mỏ sắt Làng Vinh và mỏ sắt Làng Cọ nằm ở 2 xã Võ Lao và xã Văn Sơn, huyện Văn Bàn, tỉnh Lào Cai, có diện tích thăm dò là 3,42 km2

26

3.1.2 Nguồn gốc mỏ sắt Làng Vinh - Làng Cọ

Khoáng sàng sắt Làng Vinh - Làng Cọ thuộc kiểu lắng đọng trầm tích từ sản phẩm phong hóa theo phương thức cơ - hóa học Phương thức tạo quặng là lắng đọng trầm tích từ dung dịch keo sắt và thẩm thấu của chất sắt vào vật chất phong hóa dạng sét, hoàng thổ… trong điều kiện địa hình và môi trường thuận lợi, vừa có tính chất một hố trũng ngập nước, vừa có tính chất một hố trũng giữa núi [2]

Đặc điểm các thân quặng sắt

- Mỏ sắt Làng Vinh-Làng Cọ có 5 thân quặng limonit gốc Tính trữ lượng 11 khối quặng limonit gốc và 9 khối quặng limonit deluvi Ngoài ra còn những ổ thấu kính quặng nhỏ nằm sâu hoặc phân tán tản mạn Quặng limonit gốc chiếm tới 88,26% trữ lượng quặng sắt

- Các thân quặng limonit gốc thường có dạng ổ, giả lớp hoặc thấu kính dẹt, phần kéo dài trùng với phương cấu tạo của đất đá là phương đông nam-tây bắc Phần nóc các thân quặng bị trùm phủ bởi lớp quặng limonit deluvi hoặc sét-laterit

Đệ tứ, phần đáy thân quặng được lót bởi một lớp sét, lớp mỏng đá phiến bị phá huỷ hoặc nằm trực tiếp trên bề mặt đá hoa dolomit hệ tầng Cam Đường Tuỳ thuộc vào tính chất thẩm thấu của quặng mà tại ranh giới tiếp xúc giữa quặng và đá vây quanh hàm lượng thường dao động và giảm dần trong khoảng 10÷20% Chiều dày quặng trong nội bộ thân quặng cũng biến đổi đột ngột, đôi khi có kẹp những lớp sét hoặc

đá phiến hoặc đá bị phá huỷ mỏng [2]

3.1.2.1 Khu làng Vinh

Kết quả công tác thăm dò đã xác định khu Làng Vinh có 3 thân quặng mềm (TQ.1); (TQ.2); (TQ.3) và 3 thân quặng eluvi - deluvi (TQ.6; TQ.7; TQ.8) Kết quả thăm dò cho thấy: thân quặng mềm và thân quặng eluvi - deluvi có mối liên quan chặt chẽ với nhau và có thể nói rằng bản chất 2 thân quặng là một: thân quặng eluvi

- deluvi được thành tạo do quặng mềm bị mất nước, khô cứng và phá hủy ngay trên

bề mặt hoặc lăn xuống vùng trũng Do vậy các thân quặng eluvi - deluvi thường nằm ngay trên bề mặt thân quặng limonit mềm Đặc điểm các thân quặng như sau:

Thân quặng 7 (TQ.7)

Được tạo thành do sự phá hủy và tái phân bố lại phần trên mặt thân quặng limonit mềm (TQ.2) Thân quặng kéo dài 547m Chiều dày trung bình 3,41m, kích thước cục quặng 0,2 ÷ 0,5m dạng góc cạnh Hàm lượng sắt từ 32,21% đến 51,64%, trung bình 35,63% Hàm suất trung bình 1,61 tấn/m3 Hàm lượng trung bình các nguyên tố đi kèm: Mn: 1,82%; S: 0,03%; P: 0,29% Trữ lượng cấp 122 là: 70.493 tấn quặng sắt [2]

Thân quặng 8 (TQ.8)

Được thành tạo do sự phá hủy một phần và tái phân bố phần trên mặt thân quặng 3 (TQ.3) Thân quặng kéo dài 855m theo phương tây bắc - đông nam Chiều rộng từ 40m 334m Mật độ quặng phân bố dày, kích thước từ vài cm đến 50cm, thậm chí có hòn tảng >2m Hàm lượng sắt từ 32,33% đến 49,71%, trung bình 38,71% Hàm suất trung bình 1,44 tấn/m3 Hàm lượng trung bình các nguyên tố đi kèm: Mn: 2,51%; S: 0,04%; P: 0,38%

29

quặng là một: thân quặng 9 được thành tạo do phá hủy và tái phân bố phần trên mặt của thân quặng 4 Thành phần vật chất hai thân quặng khá giống nhau (thân quặng 9 giàu hơn thân quặng 4) Đặc điểm các thân quặng như sau:

a) Quặng limonit mềm

Thân quặng 4 (TQ.4)

Đây là thân quặng có trữ lượng lớn của mỏ sắt Làng Vinh - Làng Cọ, kéo dài 1.833m, kéo dài theo phương nam - bắc Chiều rộng thân quặng không ổn định trung bình là 391m

Chiều dày thân quặng có sự biến đổi không ổn định trung bình là 8,34m Hàm lượng Fe trung bình 36,26% Thành phần khoáng vật chủ yếu: limolit, hematit, magnetit và hydrohematit Khoáng vật thứ yếu: psilomelan, pyrotin Hàm lượng các nguyên tố đi kèm: Mn: 2,25%; S: 0,04%; P: 0,37%

Tài nguyên cấp 333 là: 697.457 tấn quặng sắt [2]

b) Quặng eluvi - deluvi

Thân quặng 9 (TQ.9)

Thành tạo do sự phá hủy và tái phân bố một phần trên thân quặng limonit mềm phía dưới Thân quặng 4 kéo dài 411m theo phương đông bắc - tây nam Chiều rộng từ 30m 193m Thân quặng co thắt phát triển không đều và có dạng thấu kính

Mật độ quặng eluvi - deluvi phân bố dày và tập trung nhất ở phần phía bắc, kích thước đa dạng: từ vài cm đến 60cm, nhiều chỗ có những hòn, tảng >1,3m

30

Thành phần của quặng chủ yếu gồm: hydroxit sắt, limonit, gơtit, hydrohematit đôi khi có ít magnetit Hàm lượng sắt từ 31,16% đến 48,12%, trung bình 40,17% Hàm suất trung bình 0,86 tấn/m3

Tài nguyên cấp 333 là: 98.390 tấn quặng sắt

Trữ lượng mỏ

Kết quả tính trữ lượng toàn mỏ:

- Tổng trữ lượng cấp 121 +122 là 19.971,7 nghìn tấn

Quặng deluvi cấp 121+122: 357,2 nghìn tấn Quặng mềm cấp 121+122: 19.614,5 nghìn tấn

- Tổng trữ lượng cấp 121 là 7.546,4 nghìn tấn

- Tổng trữ lượng + tài nguyên toàn mỏ là 23.023,20 nghìn tấn

Từ đặc điểm các thân quặng sắt và trữ lượng quặng eluvi- deluvi và quặng mềm thấy rằng quặng eluvi-deluvi và quặng mềm có thành phần khoáng vật chính tương đương nhau Trữ lượng quặng deluvi cấp 121+122: 357,2 nghìn tấn; Quặng mềm cấp 121+122: 19.614,5 nghìn tấn [2]

3.2 Chuẩn bị mẫu và xác định thành phần vật chất

Do quặng eluvi-deluvi và quặng mềm có thành phần khoáng vật chính tương đương nhau và trữ lượng quặng mềm cấp 121 là 7.546,4 nghìn tấn và quặng eluvi-deluvi trữ lượng cấp 121 là 57.733 tấn do đó đề tài chọn mẫu quặng mềm ở cấp trữ lượng 121 làm mẫu nghiên cứu

Vị trí lấy mẫu được lấy trong các khối quặng mềm trữ lượng cấp 121 trên các thân quặng 1, thân quặng 2, thân quặng 3 tại khu Làng Vinh và thân quặng 4 thuộc khu Làng Cọ để nghiên cứu

3.2.1 Lấy mẫu và gia công mẫu

Căn cứ vào hiện trạng của mỏ quặng sắt Làng Vinh – Làng Cọ, tiến hành lấy các mẫu đơn theo chiều dày của vỉa quặng Gộp các mẫu đơn với nhau được 01 mẫu cơ

sở Mẫu cơ sở được gia công, trộn đều sau đó được đóng thành các bao tải ghi eteket và được chở đến phòng thí nghiệm Tuyển khoáng - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin

31

Hình 3.1 Sơ đồ gia công mẫu quặng mỏ sắt Làng Vinh- Làng Cọ

Gia công mẫu: Mẫu cơ sở lấy trên các vỉa quặng mềm sau khi chở về phòng thí nghiệm tuyển khoáng của Viện Khoa học Công nghệ Mỏ được trộn đều; sau khi chọn một số cục quặng để phân tích thạch học khoáng tướng Mẫu nghiên cứu được gia công theo sơ đồ hình 3.1 Từ mẫu nghiên cứu qua các quá trình trộn đều, giản lược thu được các mẫu đại diện để phân tích độ hạt, phân tích hoá học toàn phần, các mẫu phân tích khác và mẫu thí nghiệm, các mẫu lưu

3.2.2 Công tác chuẩn bị, thiết bị thí nghiệm

Thiết bị chính dùng cho nghiên cứu

Mẫu thí

nghiệm

Mẫu phân tích thành phần khoáng vật

Mẫu phân tích thành phần

độ hạt