III- QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
3.2.2- Nghiên cứu quá trình nung thiêu oxy hoá
Tinh quặng được tiến hành nung thiêu là tinh quặng nguyên khai với thành phần đã nêu ở bảng 3.1 với lượng lưu huỳnh khoảng 22%. Tinh quặng được nghiền
khô trong máy nghiền tang trống thành bột với kích cỡ nhỏ hơn 0.05mm ( 50m ).
Đây là kích cỡ rất thông thường mà các máy nghiền tang trống công nghiệp có thể đạt tới.
Bột tinh quặng sau tuyển được nghiên cứu nung thiêu trong lò buồng kiểu Tamman. Thực tế nung trong lò này cũng tương tự như kiểu nung trong lò bằng.
Theo kinh nghiệm của [4] , thời gian nung mỗi mẻ trong khoảng từ 3 – 6 h. Thực tế quá trình thiêu đuổi lưu huỳnh phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thổi gió ( không khí ) cho quá trình oxy hoá lưu huỳnh. Vì vậy thời gian thiêu hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện thổi gió. Dưới đây chúng tôi tiến hành khảo sát 2 trường hợp thiêu không thổi gió và trường hợp thiêu có thổi gió.
Tinh quặng được thiêu trong lò tamman ( hoặc trong lò bằng ) bằng cách gia
nhiệt nồi lò đến 700oC và duy trì nhiệt độ này trong suốt quá trình thiêu. Thực tế
trong quá trình duy trì nhiệt độ, thấy rằng khi không có thổi gió ( không khí tự xâm nhập vào lò bù vào dòng khí nóng bốc lên ), rơle chỉ đóng mở trung bình 1 lần mỗi giờ. Còn khi có cấp gió, rơle không hề đóng mở, điều này cho thấy lưu huỳnh cháy
mãnh liệt hơn làm nhiệt độ nồi lò có thể tăng lên trên 800oC (nếu điều chỉnh mức
nhảy của rơle ở nhiệt độ này, cũng không thấy xảy ra hiện tượng đóng mở của rơle). Các số liệu phân tích hàm lượng lưu huỳnh của tinh quặng thiêu theo 2 trường hợp không (1) và có (2) thổi gió ở bảng 3.3, được minh hoạ bằng đồ thị ở hình 3.6 cho thấy tinh quặng cháy mãnh liệt trong thời gian 2h đầu tiên sau đó giảm dần. Thực tế quá trình thiêu có thể kết thúc trong từ 3 – 6 h như tài liệu [4] đã nêu. Lúc này hàm lượng lưu huỳnh còn sót lại đạt tới một giá trị ổn định là khoảng 7 – 8 % cho trường hợp không cấp gió, và 3 – 4 % cho trường hợp có cấp gió.
Bảng 3.3 – Thiêu tinh quặng trong điều kiện tự cháy và có thổi gió Hàm lượng lưu
huỳnh trong TQ thiêu, %
Điều kiện cấp gió
Thời gian thiêu t, h
0 1.5 3 4.5 6
1 20.41 12.23 9.42 8.48 8.36 *
2 20.41 6.68 4.13 3.64 3.44 **
Ghi chú : 1- Thiêu không thổi gió ; 2- Thiêu có thổi gió bằng quạt gió với lưu lượng thiết kế 0.7- 1m3
/phút
* Kết quả phân tích SEM-EDX TQ sau thiêu ở Bảng 3.4 ** Kết quả phân tích SEM-EDX TQ sau thiêu ở Bảng 3.5
ZAF Method Standardless Quantitative Analysis. Fitting Coefficient : 0.2505
Element (keV) Mass% Error% Atom%
C K 0.277 3.85 0.10 10.93 O K 0.525 20.34 39.75 23.44 Mg K* 1.253 0.14 0.20 0.20 Al K* 1.486 0.30 0.18 0.38 Si K 1.739 0.77 0.17 0.93 S K 2.307 3.44 0.14 3.66 Ca K* 3.690 0.21 0.27 0.18 Fe K 6.398 64.57 0.78 39.44 Ni K 7.471 6.03 1.43 3.76 Cu K 8.040 3.75 2.05 2.02 Total 100.00 100.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 001 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Cou nts CKa OKa Mg Ka AlKa SiKa SKa SKb CaKa FeLa FeKa FeKb NiLa NiKa CuLa CuKa
Bảng 3.5- Kết quả phân tích SEM- EDX TQ2 sau thiêu có cấp gió
Hình 3.4- Kết quả phân tích X-Ray tinh quặng thiêu không cấp gió
ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.2070
Element (keV) Mass% Error% Atom%
C K* 0.277 2.96 0.09 8.93 O K 0.525 14.55 0.09 32.96 Al K 1.486 0.42 0.13 0.57 Si K 1.739 1.05 0.12 1.35 S K 2.307 8.36 0.10 9.45 Ca K* 3.690 0.17 0.20 0.15 Fe K 6.398 62.77 0.57 40.74 Ni K* 7.471 6.43 1.04 3.97 Cu K* 8.040 3.28 1.49 1.87 Total 100.00 100.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 001 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Cou nts CKa OKa AlKa SiKa SKa SKb CaKa FeLa FeKa FeKb NiLa NiKa NiKb CuKa
Bảng 3.4- Kết quả phân tích SEM- EDX TQ1 sau thiêu không thổi gió
Hình 3.4 và hình 3.5 trình bày kết quả phân tích pha của bột tinh quặng thiêu, cho thấy rõ ràng ở nhiệt độ trên 700oC các pha sulfua đa kim đã bị phân ly và sunfua đồng và niken đã bị oxy hoá. Như vậy thiêu tinh quặng ở nhiệt độ trong lò
duy trì trên 700o C là hoàn toàn có thể đuổi được hơn 80% lưu huỳnh ( trong trường
hợp có cấp gió ). Hình 3.6 cho thấy mối liện hệ giữa hàm lượng lưu huỳnh và thời gian thiêu.
Hình 3.6 - Mối liên hệ giữa hàm lượng S
của tinh quặng và thời gian thiêu
0 5 10 15 20 25 0 5 10
Thời gian thiêu t, h
Hàm lượng S tr o n g t inh qu ặng TQ1- Thiêu không cấp gió TQ2- Thiêu có cấp gió
III.3- Nghiên cứu các quá trình nấu luyện tinh quặng niken Bản Phúc sau thiêu.
3.3.1- Bản chất của quá trình nấu luyện tinh quặng ra Sten
Trong kỹ thuật luyện kim từ quặng, xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao là một trong những biện pháp công nghệ quan trọng nhất, cho phép tinh luyện quặng rất hiệu quả và nhanh gọn. Bản chất của phương pháp này được gói gọn như sau: pha trộn có chủ ý một số hợp chất với tinh quặng rồi nấu luyện hỗn hợp ở nhiệt độ cao; trong quá trình nấu chảy, một phần oxyt sắt từ tinh quặng kết hợp với các hợp chất pha trộn tạo thành xỉ; một phần sulfua sắt cùng với các sulfua kim loại cần thu hồi như Ni,Cu kết hợp thành một dạng sulfua đa kim nóng chảy ở nhiệt độ cao; hỗn hợp sulfua đa kim này được gọi là Sten ( hay stên ). Do một phần lượng sắt đi vào xỉ và phần lớn các chất tạo khí đào thoát ra ngoài nên sản phẩm nấu luyện là Sten có khối lượng giảm thiểu so với lượng tinh quặng ban đầu. Nhờ đó hàm lượng của niken và đồng được tăng vọt, tức là tỷ lệ thành phần của chúng được tăng lên. Như vậy tinh quặng được tinh luyện trở thành hợp chất dạng Sten là hệ sulfua đa kim có hàm lượng kim loại niken, đồng cao hơn tinh quặng trước nấu luyện nhiều lần.
Theo các tài liệu [4] , [11] các hợp chất dễ dàng tạo xỉ với oxyt sắt là các oxyt canxi và oxyt silic. Trong quá trình nấu luyện với sự tham gia của các oxyt trên, sẽ hình thành hệ xỉ CaO – SiO2 – Fe2O3. Trong đó theo [4] thành phần của xỉ
giao động trong các khoảng sau : CaO 10 – 12%, SiO2 30 – 33%, Fe2O3 35 – 50%,
các oxyt khác 7 – 10%. Tuy nhiên đề tài sẽ dựa vào giản đồ trạng thái của hệ xỉ này theo [11] vì chúng có thể làm cơ sở lập luận vững chắc cho mọi sự lựa chọn. Trước tiên ta cần tham khảo các giản đồ trạng thái của các hệ sunfua Fe – S, Cu – S và Ni – S được trình bày ở các hình 3.3, 3.8, 3.9 được cung cấp bởi tài liệu theo [5].
Trên hình 3.8 ta thấy rằng sulfua sắt có thể nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn
1000oC với thành phần lưu huỳnh 44% và ở nhiệt độ xấp xỉ 1100oC với thành phần
lưu huỳnh 65%. Khi hàm lượng lưu huỳnh giảm, nhiệt độ nóng chảy của sulfua sắt tăng cao. Do đó nếu thiêu bớt lưu huỳnh thì khả năng sulfua sắt bị nóng chảy để đi vào sten sẽ bị bị giảm thiểu. Nhờ đó lượng stên cũng sẽ được giảm đi.
Trên hình 3.9 , tác giả [5] chỉ ra rằng khi hàm lượng lưu huỳnh trong sulfua
đồng nằm trong khoảng < 25% thì ở nhiệt độ cao từ 1067 – 1105oC sẽ tồn tại
pha Digenit nóng chảy với công thức thành phần CunS – trong đó ( 2 ≥ S ≥ 1.73 ).
Như vậy nếu hàm lượng lưu huỳnh nằm trong khoảng < 25 % thì sulfua đồng sẽ nóng chảy tạo ra pha digenit và đi hoàn toàn vào sten .
Hình 3.8- Giản đồ trạng thái hệ sulfua Fe – S ở to>400oC
Hình 3.9- Giản đồ trạng thái hệ sulfua Cu – S
44%S
Trên hình 3.10 , cũng tác giả [5] chỉ ra rằng khi hàm lượng lưu huỳnh trong
sulfua niken nằm trong khoảng < 30% thì ở nhiệt độ cao đến 1040oC, sulfua niken
nóng chảy tạo thành pha có cấu tạo thù hình dạng Ni3±xS2 rồi đi vào sten.
Có một 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 cho đến nay chưa thấy có tài liệu nào nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này, nên trong điều kiện hiện tại, chúng tôi chỉ có thể tham khảo được một số hành vi chính của các sulfua kim loại này ở hệ hai nguyên. Từ đó rút ra được kết luận quan trọng là để giảm được lượng sắt đi vào sten mà vẫn bảo đảm toàn bộ lượng niken và đồng đi vào stên, có thể và cần giảm bớt hàm lượng lưu huỳnh của tinh quặng trước khi nấu luyện tinh quặng ra sten.