Trên cơ sở kết quả phân tích thành phần vật chất của quặng tinh antimon vùng Hà Giang, Tuyên Quang, đã thử nghiệm khả năng luyện lắng trong lò điện hồ quang 12 kVA…
On the liquation process of antimony concentrate of Ha Giang – Tuyen Quang provinces in electric arc furnace
Đỗ Hồng Nga1, Nguyễn Hồng Quân1, Trần Đức Quý2, Phạm Đức Cường2
1, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ – Luyện kim
2, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Ngày nhận bài: 14/4/2016, Ngày duyệt đăng: 6/7/2016
TÓM TẮT
Trên cơ sở kết quả phân tích thành phần vật chất của quặng tinh antimon vùng Hà Giang, Tuyên Quang, đã thử nghiệm khả năng luyện lắng trong lò điện hồ quang 12 kVA. Từ kết quả khảo sát, đã xác định thành phần phối liệu phù hợp cho mẻ luyện như sau: Quặng tinh antimon: 2 kg; phoi sắt: 0,626 kg; xô đa: 0,153 kg; than: 0,04 kg. Với thành phần phối liệu này, kim loại antimon nhận được có độ sạch ≈ 96 % Sb và hiệu suất thu hồi antimon kim loại đạt 67,59 %.
Từ khóa: quặng tinh antimon, luyện lắng, lò điện hồ quang.
ABSTRACT
Based on the analysis of material composition of the antimony concentrate from Ha Giang, Tuyen Quang, the ability of liquation in electric arc furnaces 12 kVA was examined. Experiment all results of defined batching com- positions for a stage are: 2 kg antimony concentrate; 0.626 kg iron crused; 0.153 soda; 0.04 coal. The recovery efficiency is 67.59 % with ≈ 96 % Sb pure.
Keywords: antimony concentrate, liquation process, electric arc furnace.
1. MỞ ĐẦU
Để luyện antimon kim loại, đã có nhiều phương pháp được áp dụng như: luyện lắng, luyện hoàn nguyên, v.v… Thiết bị được sử dụng là lò phản xạ hoặc lò điện hồ quang. Theo phương pháp luyện lắng antimon kim loại trong lò điện, người ta thường sử dụng phoi sắt làm chất hoàn nguyên và xô đa là chất trợ dung tạo xỉ cùng với các tạp chất khác trong quặng tinh.
Quặng antimon vùng Hà Giang – Tuyên Quang thuộc loại quặng sunfua, nghèo (~ 5% Sb) nhưng chứa vàng và một số kim loại quý. Bằng phương pháp tuyển nổi, người ta có thể nâng cao hàm lượng quặng tinh lên ≈ 40 % Sb có chứa 1,3 g/tấn Au. Để thu hồi được số kim loại quý này, cần có công nghệ xử lý quặng phù hợp.
Thông thường, có hai hướng công nghệ để xử lý quặng antimon chứa kim loại quý, thứ nhất là hướng thiêu bay hơi thu hồi antimon trioxit và Sb thô chứa vàng, thứ hai là luyện trực tiếp quặng tinh bằng phương pháp luyện lắng, vàng sẽ được thu hồi cùng antimon thô.
Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả trình bày kết quả thử nghiệm luyện lắng quặng tinh anti- mon – vàng vùng Hà Giang, Tuyên Quang trong lò điện hồ quang.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LUYỆN LẮNG ANTIMON
Không giống với một số kim loại khác thường dùng than (cốc, antraxit…) làm chất hoàn nguyên. Chất hoàn nguyên thường dùng trong quá trình luyện lắng quặng tinh antimon sunfua là phoi sắt (hoặc phoi gang). Quá trình luyện xảy ra theo phản ứng 1 [1, 2]:
Sb2S3 + 3Fe = 2Sb + 3FeS (1)
Thiết bị dùng để luyện lắng cũng như luyện hoàn nguyên có thể là lò điện hoặc lò phản xạ. Antimon kim loại (thô) nhận được đưa đi tinh luyện (hỏa tinh luyện hoặc điện phân tinh luyện) sẽ nhận được kim loại antimon thương phẩm.
Phản ứng cơ bản của quá trình luyện lắng xảy ra hoàn toàn ở nhiệt độ 1000÷1100 oC. Thông thường, quặng antimon bị phong hóa một phần, antimon tồn tại dưới dạng oxit, người ta thêm vào phối liệu một lượng than (antraxit hoặc cốc) để hoàn nguyên antimon từ oxit của nó đồng thời ngăn cản sự oxy hóa của sunfit.
Chất trợ dung thường sử dụng trong quá trình luyện lắng antimon có tính kiềm, gồm: Na2CO3, Na2SO4, CaO. Sử dụng trợ dung kiềm không chỉ giúp cho liên kết giữa kiềm với các tạp chất phi kim trong quặng tinh mà còn tạo thành stên sắt – natri có nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng thích hợp giúp cho việc lắng tách pha kim loại ra khỏi pha xỉ diễn ra dễ dàng.
Quá trình luyện antimon bằng lò điện thường diễn ra trong môi trường hoàn nguyên do hiện tượng cháy điện cực (mặc dù phối liệu ít than) nên Fe, Sb và một số kim loại màu nặng khác bị hoàn nguyên, đi vào antimon thô làm giảm chất lượng sản phẩm. Do đó, CaO được chọn là một trong các hợp chất chính của hệ xỉ lò điện thay cho FeO và được bổ sung trong quá trình tính toán thành phần phối liệu. Thành phần của xỉ lò điện luyện antimon thường là: 0,3÷0,5% Sb; 13% Fe; 15÷20% (CaO và Na2O); 50÷60% SiO2.
So với luyện lắng antimon trong lò phản xạ, khối lượng stên tạo thành tương đối nhiều và bụi sinh ra ít hơn khi luyện lắng antimon trong lò điện.
3. THỰC NGHIỆM
3.1. Mẫu nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là quặng tinh antimon vùng Hà Giang – Tuyên Quang sau quá trình tuyển nổi từ quặng antimon sunfua. Thành phần quặng tinh antimon được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Thành phần tinh quặng antimon vùng Hà Giang – Tuyên Quang
| Nguyên tố | Sb | As | Pb | Zn | Fe2O3 | SiO2 | CaO |
| Hàm lượng, % | 40,68 | 0,80 | 0,55 | 2,35 | 3,73 | 23,19 | 6,90 |
3.2. Phụ gia
Phoi sắt dùng làm chất hoàn nguyên, có thành phần chính được trình bày trong bảng 2.
Bảng 2. Thành phần phoi sắt
| Nguyên tố | Fe | C | Si | Mn |
| Hàm lượng, % | 98,45 | 0,25 | 0,34 | 0,51 |
Than dùng trong nghiên cứu là than cốc, có thành phần được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3. Thành phần than hoàn nguyên, %
| C | Tro | Chất bốc | P | S | Thành phần tro, % | ||||
| Al2O3 | SiO2 | Fe2O3 | CaO | MgO | |||||
| 86 | 6,73 | 7,30 | 0,07 | 0,49 | 28,65 | 36,86 | 22,00 | 2,59 | 0,38 |
Trợ dung: Sử dụng Na2CO3 công nghiệp với độ sạch > 99,2 %.
3.3. Thiết bị nghiên cứu
Thiết bị dùng để nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm là lò điện hồ quang 12 kVA (hình 1) với các thông số kỹ thuật như sau:
– Điện áp: 6 nấc 40 – 60 V.
– Dòng điện Imax 300 A.
– Điện cực bằng graphit, đường kính điện cực 40 mm.
– Nồi lò bằng graphit có đường kính trong 100 mm.
– Vật liệu xây lò là gạch manhezit.
– Điều khiển nâng hạ điện cực bằng tay hoặc tự động.
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ phoi sắt đến hiệu suất thu hồi antimon
Đã tiến hành thí nghiệm luyện lắng quặng tinh antimon trong lò điện hồ quang 12 kVA, tham khảo tài liệu [1, 3, 4] đã tính toán và lựa chọn được thành phần phối liệu cho mỗi mẻ luyện như sau:
– Quặng tinh antimon: 2 kg
– Xô đa: 0,1392 kg
– Than: 0,06 kg
– Tỉ lệ phoi sắt được thí nghiệm thay đổi từ 95 đến 115 % so với lý thuyết, tương ứng với 0,541 kg; 0,569 kg; 0,597 kg; 0,626 kg và 0,654 kg.
Sau mỗi thí nghiệm sản phẩm được cân đo khối lượng và phân tích thành phần để tính hiệu suất thu hồi sản phẩm. Hiệu suất thu hồi antimon được tính bằng cách lấy khối lượng antimon có trong sản phẩm chia cho khối lượng antimon có trong tinh quặng.
Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của tỉ lệ phoi sắt được trình bày trong bảng 4 và thể hiện trên hình 2.
Bảng 4. ảnh hưởng của tỉ lệ phoi sắt đến hiệu suất thu hồi antimon
| STT | Tỉ lệ phoi sắt thực tế/ lý thuyết, % | Khối lượng sản phẩm, kg | Hàm lượng Sb, % | Hàm lượng Fe, % | Hiệu suất thu hồi Sb, % |
| 1 | 95 | 0,514 | 97,14 | 0,25 | 61,33 |
| 2 | 100 | 0,531 | 96,72 | 0,47 | 63,16 |
| 3 | 105 | 0,563 | 96,13 | 0,93 | 66,55 |
| 4 | 110 | 0,570 | 95,93 | 1,49 | 67,26 |
| 5 | 115 | 0,576 | 95,10 | 1,75 | 67,34 |
Kết quả cho thấy rằng:
Hiệu suất thu hồi antimon trong quá trình luyện quặng tinh antimon bằng lò điện hồ quang không cao, chỉ từ 61 đến 67 %. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do nhiệt độ của xỉ và kim loại khó khống chế (hạn chế của lò điện hồ quang) dẫn đến kim loại và nguyên liệu dễ bị bay hơi.
– Với tỉ lệ phoi sắt từ 95 đến 100 % so với lý thuyết, lượng phoi sắt không đủ để hoàn nguyên antimon trong quặng. Phoi sắt cho vào cũng phản ứng với các thành phần sunfua khác có trong quặng như asen, đồng, chì, v.v… dẫn đến hiệu suất thu hồi antimon đạt được thấp.
– Với tỉ lệ phoi sắt từ 105 đến 110 % so với lý thuyết, hiệu suất thu hồi antimon tăng lên đáng kể (67,26 %). Điều này cho thấy, phoi sắt đủ cho quá trình hoàn nguyên antimony từ quặng tinh.
– Khi tỉ lệ phoi sắt là 115 % so với lý thuyết, hiệu suất thu hồi antimon không tăng thêm nhiều (67,34 % so với 67,26 %). Do đó, chọn tỉ lệ phoi sắt là 110 % so với tính toán lý thuyết (tương đương với 31,3 kg trong phối liệu, tính cho 100 kg tinh quặng).
4.2. Ảnh hưởng của xô đa đến hiệu suất thu hồi antimon
Xô đa là trợ dung tạo xỉ, làm tăng độ chảy loãng của xỉ dẫn đến tăng hiệu suất thu hồi antimon.
Đã tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng của xô đa trong lò điện hồ quang 12 kVA. Điều kiện thí nghiệm như sau:
– Quặng antimon: 2 kg.
– Phoi sắt: 0,626 kg.
– Than: 0,06 kg.
– Tỉ lệ xô đa được nghiên cứu thay đổi là 90, 100, 110 và 120% tương ứng với lượng xô đa là: 0,125; 0,139; 0,153 và 0,167 kg. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xô đa được thể hiện trong bảng 5 và hình 3.
Bảng 5: ảnh hưởng của xô đa đến hiệu suất thu hồi antimon
| STT | Tỉ lệ xô đa thực tế/ lý thuyết, % | Khối lượng sản phẩm, kg | Hàm lượng Sb, % | Hiệu suất thu hồi Sb, % |
| 1 | 90 | 0,563 | 95,84 | 66,33 |
| 2 | 100 | 0,570 | 95,93 | 67,26 |
| 3 | 110 | 0,573 | 95,97 | 67,59 |
| 4 | 120 | 0,574 | 95,91 | 67,61 |
Kết quả cho thấy, trong điều kiện thí nghiệm, xô đa có ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất thu hồi antimon mà chỉ có tác dụng chảy loãng xỉ giúp xỉ và kim loại phân tách tốt.
– Khi xô đa cho vào là 90 % so với lý thuyết, hiệu suất thu hồi đạt 66,33 %, có một ít lượng kim loại antimon lẫn trong xỉ và chưa kịp lắng xuống dưới do đó làm giảm hiệu suất thu hồi antimon.
– Khi xô đa cho vào là 100 đến 110 % thì hiệu suất thu hồi tăng lên 67,59 %, lượng kim loại anti- mon trong xỉ hầu như không còn, xỉ phân tách tốt với kim loại.
– Khi lượng xô đa cho vào là 120 %, ta thấy hiệu suất thu hồi hầu như không tăng lên, điều đó cho thấy tỉ lệ xô đa 120 % là dư so với lượng cần thiết.
Vậy chọn lượng xô đa hợp lý cho quá trình luyện lắng quặng tinh antimon vùng Hà Giang – Tuyên Quang là 110 %,tức tương đương với 0,153 kg.
4.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ than đến hiệu suất thu hồi antimon
Điều kiện thí nghiệm như sau:
– Quặng tinh antimon: 2 kg.
– Phoi sắt: 0,626 kg.
– Xô đa: 0,153 kg.
– Tỉ lệ than được nghiên cứu là 1, 2, 3 và 4 % (so với quặng tinh antimon) tương ứng với khối lượng than là 0,02; 0,04; 0,06 và 0,08 kg. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong bảng 6.
Bảng 6. ảnh hưởng của than đến quá trình luyện lắng antimon
| STT | Tỉ lệ than hoàn nguyên, % | Khối lượng sản phẩm, kg | Hàm lượng Sb, % | Hiệu suất thu hồi Sb, % |
| 1 | 1 | 0,566 | 96,24 | 66,94 |
| 2 | 2 | 0,573 | 95,97 | 67,59 |
| 3 | 3 | 0,578 | 95,13 | 67,63 |
| 4 | 4 | 0,582 | 94,60 | 67,64 |
Từ bảng kết quả thực nghiệm cho thấy, than hoàn nguyên hầu như không ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi antimon từ quặng tinh. Với tỉ lệ than khác nhau, hiệu suất thu hồi antimon đạt được tương đương nhau ( 67 %). Tuy nhiên, tăng tỉ lệ than, hàm lượng antimon trong sản phẩm bị giảm xuống do một số tạp chất kim loại bị hoàn nguyên đi vào sản phẩm. Vì vậy, chọn tỷ lệ than hoàn nguyên là 2 % nhằm duy trì môi trường hoàn nguyên yếu trong quá trình luyện.
5. KẾT LUẬN
Đã tiến hành khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi antimon trong quá trình luyện lắng quặng tinh antimon – vàng vùng Hà Giang – Tuyên Quang trong lò điện hồ quang, các tác giả đưa ra một số kết luận như sau:
– Thành phần phối liệu mỗi mẻ luyện trong lò điện hồ quang 12 kVA:
+ Quặng tinh antimon: 2 kg.
+ Phoi sắt: 0,626 kg.
+ Xô đa: 0,153 kg.
+ Than: 0,04 kg.
– Với thành phần này, hiệu suất thu hồi antimon đạt 67,59 %. Hàm lượng vàng thu được trong anti- mon thô đạt 4,24 g/ tấn, hiệu suất thu hồi vàng đạt được là 89,63 %. Hiệu suất thu hồi vàng trong quặng tương đương so với thế giới.
Hiệu suất thu hồi antimon còn thấp so với thế giới (thế giới đạt hiệu suất 80-90 %). Hiệu suất thu hồi antimon trong thử nghiệm này thấp vì tiến hành nghiên cứu trong thiết bị lò hồ quang hở, nhiệt độ trong quá trình nấu luyện rất cao làm cho antimon bị bay hơi. Mặt khác hệ thống lò chưa có hệ thống thu khí và thu bụi do đó lượng antimon bị mất theo bay hơi làm giảm hiệu suất thu hồi. Để đạt được hiệu suất thu hồi cao hơn, cần nghiên cứu phương án thu hồi antimon bay hơi trong quá trình luyện.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Nguyễn Mạnh Khôi, Báo cáo đề tài: “Luyện lắng quặng antimonide Eamao – Đắc Lắc trong lò điện hồ quang”, Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim, 1997.
- TS. Bùi Văn Mưu (Chủ biên), PGS – PTS. Nguyễn Văn Hiển, PGS – PTS. Nguyễn Kế Bính, PGS – PTS. Trương Ngọc Thận, Lý thuyết các quá trình luyện kim, Hỏa luyện – tập 1, 2. Nhà xuất bản giáo dục – 1997.
- Corby G.Anderson: The metallurgy of antimony – Chemie der Erde, 72 (2012), S4, 3-8.
- Chung Yu Wang, MA, BSc, Antimony, (for student, manufacturers, and users of antimony) second editor – London, 1919.
