Bài báo này trình bày phương pháp nấu luyện sten từ bã sau hoà tách, hàm lượng đồng ban đầu (8÷10)%.
Research smelting copper mattes from residue after later dissolved
Ngô Huy Khoa, Phạm Đức Thắng, Đỗ Nguyễn Huy Tuấn, Nguyễn Trung Kiên
Viện Khoa học vật liệu
Email: khoanh@ims.vast.ac.vn
Ngày nhận bài: 28/10/2015, Ngày duyệt đăng: 12/1/2016
TÓM TẮT
Trong kỹ thuật luyện kim loại màu, hầu hết phải xử lý nguyên liệu đầu vào có hàm lượng kim loại thấp. Nguyên liệu có chứa đồng cũng vậy, hàm lượng thường thấp và người ta thường nấu luyện sten từ tinh quặng đồng sunfua sau tuyển hàm lượng (20÷27)%; sten thu được có hàm lượng cỡ (40÷45)%. Bài báo này trình bày phương pháp nấu luyện sten từ bã sau hoà tách, hàm lượng đồng ban đầu (8÷10)%. Kết quả thu được đồng trong sten cỡ (35÷45)%. Hàm lượng đồng trong sten thành phẩm đã đạt tiêu chuẩn tương đương như chất lượng sten sau nấu luyện lần một tại nhà máy đồng Sin Quyền.
Từ khóa: Sten đồng
Abstract
In nonferrous metallurgical engineering, most of input materials have low metal content. For copper, too, often low copper content and often mattes smelting of copper concentrate from (20÷27)% copper content; mattes con- tent is (40÷45)%. We present the how to train mattes from the material with copper content of (8÷10)%. Products of mattes have copper content is (35÷45)%. Copper content like the first smelting in Sin Quyen copper factory.
Keywords: Copper mattes
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tinh quặng sunfua đồng thiêu sunfat hoá để chuyển hoá đồng thành dạng sunfat dễ hoà tan trong quặng. Tuy nhiên, do quá trình thiêu thường diễn ra không triệt để nên hiệu suất thường thấp chỉ được cỡ (85÷90) % đồng bị sunfat hoá. Sau hoà tách, hàm lượng đồng trong cặn thường cỡ (8÷10)%, dạng tồn tại của nó thường dạng oxit và sunfua. Nếu bỏ đi thì sẽ gây thất thoát, lãng phí tài nguyên. Vì vậy, cần phải nghiên cứu tận thu nốt kim loại này. Trong bài báo này tác giả sẽ trình bày phương pháp làm giàu cặn quặng thải bằng phương pháp nấu luyện sten đồng. Sau nấu luyện, hàm lượng đồng trong sten có thể lên tới (40÷45)%, có thể làm nguyên liệu cho các quá trình làm giàu và tinh luyện tiếp theo.
2. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
2.1. Hóa chất thí nghiệm
Nguyên liệu nấu luyện sten là cặn thải sau hoà tách từ tinh quặng đồng thiêu sunfat hoá. Thành phần của nó được cho bởi hình 1. Hình 1 cho thấy hàm lượng đồng trong bã 9,97%, hàm lượng lưu huỳnh ở mức thấp cỡ 5%, hàm lượng ôxi nhiều cỡ 19%. Vì vậy, dạng pha trong bã này thường là ôxit và một ít ở dạng sunfua. Sắt là nguyên tố có hàm lượng cao nhất cỡ 52 %, tuy nhiên nó lại được coi là tạp chất cần được loại bỏ.
Trong quá trình nấu luyện và đúc có sử dụng các chất trợ dung như dolomit, quaczit. Các chất này đều có xuất xứ Việt Nam, độ sạch 99,8%.
Các mẫu thí nghiệm được phân tích thành phần pha, thành phần nguyên tố bằng máy phân tích SEM, EDX của Trung tâm COMFA – Viện Khoa học Vật liệu.
2.2. Thiết bị thí nghiệm
Các mẻ nấu sten được thực hiện trên lò điện hồ quang một cực tại phòng Công nghệ Kim loại – Viện Khoa học Vật liệu, công suất máy biến áp 150 KVA.
Hình 3 [4] thể hiện giản đồ trạng thái của hệ sun- fua sắt.
Trên hình 3 ta thấy rằng sulfua sắt có thể nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn 1000 oC với thành phần lưu huỳnh 44% và ở nhiệt độ xấp xỉ 1100 oC với thành phần lưu huỳnh 65%. Nếu hàm lượng lưu huỳnh tăng thì nhiệt độ nóng chảy của sulfua sắt lại tăng. Do đó, nếu nguyên liệu ban đầu có hàm lượng lưu huỳnh thấp thì khả năng tạo thành sunfua sắt càng dễ dàng và khối lượng sten thu được giảm đi.
Trên hình 4 [4] chỉ ra rằng khi hàm lượng lưu huỳnh trong sulfua đồng nằm trong khoảng < 25% thì ở nhiệt độ cao từ (1067 ÷ 1105) oC 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.
Trên hình 5 tác giả [4] đã chỉ ra rằng sten đồng là dạng sten có nhiệt độ nóng chảy cao, ở 1000 oC chỉ có một vùng rất nhỏ thỏa mãn S khoảng (20 ÷ 40)% thì sten mới có trạng thái lỏng, điều này nói lên rằng trong quá trình nấu sten ta phải khống chế nhiệt độ toàn bộ nồi lò, nhất là nhiệt độ vùng dung dịch dưới đáy lò khá cao trên 1000 oC. Mặt khác, nguyên liệu đầu vào cũng yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh trong khoảng nhất định để trong quá trình nấu luyện ngoài việc lưu huỳnh đi ra dưới dạng khí và vào xỉ thì lượng lưu huỳnh còn lại vào sten chiếm khoảng (20 ÷ 40)% khối lượng sten.
Theo các tài liệu [1] các hợp chất dễ dàng tạo xỉ là oxit sắt, oxit canxi và oxit silic, sự tham gia của các thành phần này tạo thành hệ xỉ 3 nguyên CaO- FeOx-SiO2, tổng hàm lượng của chúng trong xỉ lên đến (80 ÷ 95)%. Khi chọn thành phần xỉ phải chú ý chọn sao cho xỉ có tỷ trọng nhỏ, loãng, độ dẫn điện tốt, khử được lưu huỳnh và các tạp chất khác. Thành phần của xỉ nên dao động trong khoảng sau: CaO Sau nấu luyện, sten đồng được đúc thành thỏi bằng các khuôn đúc.
3. CƠ SỞ SỰ TẠO THÀNH STEN ĐỒNG VÀ XỈ
Sự tạo thành sten đồng: Trước tiên cần tham khảo giản đồ trạng thái của hệ sunfua sắt và đồng.
Về sự tạo xỉ:
(2÷25)%, SiO2 (27÷50)%, FeOx (30÷55)% các oxyt khác dưới 5% (vùng khoanh tròn)
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Nghiên cứu lựa chọn chế độ xỉ luyện sten niken
Trên cơ sở lựa chọn hệ xỉ ở mục 3.1, tác giả đã lựa chọn trợ dung để tạo xỉ với thành phần cho bởi bảng 1 dưới đây.
Bảng 1: Thành phần trợ dung để nấu sten
| Chế độ trợ dung | Tỷ lệ trợ dung so với lượng tinh quặng (%) | |
| CaO | SiO2 | |
| 1 | 20 | 30 |
| 2 | 25 | 40 |
Kết quả nghiên cứu được thể hiện trên bảng 2 và bảng 3 dưới đây.
Bảng 2: Thành phần sten phụ thuộc vào trợ dung
| Thành phần | O | Al | Si | S | Ca | Fe | Cu |
| Chế độ trợ dung 1 | 6,99 | 0,89 | 1,67 | 24,84 | 1,01 | 32,49 | 32,11 |
| Chế độ trợ dung 2 | 2,72 | 0,57 | 0,84 | 20,83 | 0,60 | 34,96 | 39,48 |
Bảng 3: Thành phần xỉ sau nấu luyện phụ thuộc vào trợ dung
| O | Mg | Al | Si | S | K | Ca | Cu | Fe | |
| Chế độ trợ dung 1 | 48,4 | 1,84 | 2,05 | 25,00 | 0,42 | 0,71 | 13,62 | 0,16 | 7,8 |
| Chế độ trợ dung 2 | 50,1 | 1,92 | 2,26 | 24,14 | 0,34 | 0,63 | 13,28 | 0,18 | 7,15 |
Bảng 4: Thành phần sten phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh trong nguyên liệu ban đầu
| Thành phần | O | Al | Si | S | Ca | Fe | Cu |
| Chế độ 1: S 5,07% | 4,52 | 0,57 | 1,86 | 18,83 | 0,78 | 30,96 | 42,48 |
| Chế độ 2: S 7,03% | 4,99 | 1,31 | 1,65 | 22,84 | 0,61 | 33,49 | 35,11 |
| Chế độ 3: S 9,62% | 3,92 | 1,64 | 1,42 | 24,67 | 0,75 | 35,49 | 32,11 |
Kết quả cho thấy chế độ xỉ 2 hàm lượng đồng trong sten cao hơn hẳn, điều này có thể lý giải được rằng hàm lượng quăczit trong xỉ tăng thì nhiệt độ nóng chảy của xỉ tăng, khoảng biến mềm tăng và độ nhớt của xỉ tăng. Tuy nhiên, do SiO2 có tỷ trọng nhỏ nhất nên tỉ trọng của xỉ cũng giảm và nó làm giảm độ hoà tan của sunfua đồng trong xỉ. Nhờ đó mà hàm lượng đồng trong sten thu được ở chế độ xỉ 2 cao hơn.
Mặt khác do nguyên liệu ban đầu thuộc loại quặng nghèo nên để giảm tổn thất đồng theo xỉ thì chế độ xỉ tốt nhất nên có là hàm lượng SiO2 trong xỉ phải lớn và phải tăng nhiệt độ lò lên để đảm bảo độ chảy loãng của xỉ, tuy nhiên chi phí nhiệt lớn hơn, năng suất lò kém hơn nhưng bù lại sẽ đảm bảo chắc chắn rằng tỷ lệ thu hồi đồng cao hơn.
Kết quả phân tích xỉ cũng cho thấy được rằng ở chế độ xỉ 2 đồng không đi vào xỉ nhiều, nhờ đó tỷ lệ thực thu đồng trong xỉ của chế độ xỉ 2 sẽ tốt hơn.
4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh trong nguyên liệu ban đầu đến chất lượng sten
Tác giả đã nghiên cứu nấu luyện hai mẻ có hàm lượng lưu huỳnh khác nhau. Mẻ 1 hàm lượng lưu huỳnh 5,07%; mẻ 2 hàm lượng lưu huỳnh 7,03%. Chế độ xỉ được chọn là chế độ xỉ 2. Kết quả nghiên cứu thể hiện trong bảng 4 dưới đây.
Từ bảng 4 có thể thấy ngay rằng hàm lượng lưu huỳnh trong nguyên liệu ban đầu càng ít thì chất lượng sten càng tốt. Điều này có thể giải thích như sau:
Khi hàm lượng lưu huỳnh trong nguyên liệu ban đầu ít thì hàm lượng sunfua kim loại cũng ít, do đó các sunfua sắt cũng ít đi. Trong khi đó nguyên liệu ban đầu có hàm lượng oxy khá lớn cỡ 19,5%; điều đó có thể thấy rằng oxit đồng cũng khá nhiều. Do đó phản ứng sau dễ dàng xảy ra:
FeS + Cu2O = Cu2S + FeO
FeS + CuO = CuS + FeO
FeO dễ dàng tạo thành sẽ dễ dàng đi vào xỉ. Các sunfua đồng tạo thành có thể đi vào sten.
Khi Cu2O nhiều nó sẽ dễ dàng phản ứng với Cu2S tạo thành đồng kim loại đi vào sten
2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2
Nếu lượng oxit trong nguyên liệu nấu luyện ban đầu nhiều, nhất là oxit Cu2O nhiều thì nó sẽ khử triệt để FeS đi vào xỉ và sản phẩm sten sẽ có nhiều kim loại đồng, chất lượng sten sẽ tốt hơn nhiều.
Vì vậy có thể thấy rằng nếu hàm lượng lưu huỳnh càng thấp, oxy càng nhiều thì càng dễ dàng nấu luyện sten đồng chất lượng cao.
4. KẾT LUẬN
Để thu được sten chất lượng tốt từ nguyên liệu tinh quặng sau xử lý có hàm lượng đồng từ 8-10%, lưu huỳnh 5,07%, oxy 19,5% bằng phương pháp nấu luyện cần phối hợp thành phần xỉ theo tỷ lệ 25% CaO, 40% SiO2 sẽ thu được sten với hàm lượng đồng lên tới 42,48% đạt tiêu chuẩn để có thể chế biến sâu đồng tiếp theo.
Hàm lượng sunfua và oxy trong nguyên liệu ban đầu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sten. Nghiên cứu chỉ ra rằng nếu hàm lượng lưu huỳnh càng lớn thì chất lượng sten càng thấp.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Bùi Văn Mưu, Nguyễn Văn Hiển, Nguyễn Kế Bính, Trương Ngọc Thận – Lý thuyết các quá trình luyện kim – Hoả Luyện.T1. NXB GD- 1997.
- Ngô Huy Khoa – Nghiên cứu công nghệ luyện đồng từ quặng sunfua đồng bằng phương pháp thủy luyện – Báo cáo đề tài cơ sở chọn lọc – Viện Khoa học vật liệu, 2012.
- M.Allibert, H.Gaye, et all – Slag Atlas – Verein Deutscher Eisenhuttenleute (VDEh) -1995.
- Д.ВОГАН, ДЖ.КРЕЙГ – Химия сульфидных минерлов – Издтельство “МИР”. МОСКВА. 1981.
