Vấn đề kẽm trong quặng sắt mỏ Thạch Khê

Vấn đề đặt ra cho các nhà luyện kim phải giải quyết là: với hàm lượng kẽm như trên có làm nguyên liệu luyện trực tiếp trong lò cao được không? Dùng công nghệ kỹ thuật nào để khử kẽm trước khi luyện lò cao hay các lò khác?

I. Dạng tồn tại kẽm trong quặng và tính quặng sắt Thạch Khê

Thành phần hóa học của quặng Thạch Khê qua phân tích các mẫu quặng thăm dò địa chất như sau:

Nếu đem nghiền, rửa có thể nâng cao hàm lượng sắt trong tinh quặng lên 64-65% Fe, nếu kết hợp cả tuyển từ có thể nâng cao hàm lượng sắt lên 68% Fe nhưng hàm lượng kẽm trong tinh quặng vẫn không giảm, các tạp chất có hại khác rất thấp, hàm lượng kẽm trong các mẫu Việt Nam phân tích thấp hơn của Nga và Pháp phân tích có thể do phương tiện và phương pháp công nghệ phân tích gây nên.

Dạng tồn tại của khoáng vật quặng và kẽm trong quặng. Bằng các phép phân tích hiện đại như: phân tích khoáng tướng, phân tích Rơnghen, phân tích nhiệt vi phân của Việt Nam và đặc biệt là của Arcelor (Pháp) và Viện các vấn đề quản lý Nga mang tên Trapeznikov do tiến sĩ Xentenova và cộng sự tiến hành xác định thành phần khoáng vật của hai quặng chính manhetit và manhetit phong hóa như bảng 3.

Kẽm tồn tại trong quặng ở dạng đồng hình trong các ô mạng khoáng vật hay dạng spinen phân bố đều trong các khoáng vật manhetit hay hematit không tồn tại ở dạng khoáng riêng biệt.

Theo các nhà nghiên cứu dự án và các nhà luyện kim thì với hàm lượng kẽm như trên dùng trực tiếp cho công nghệ lò cao hay công nghệ Corex sẽ có nhiều khó khăn. Lí do là trong quá trình luyện, kẽm sẽ bốc hơi bay lên theo khói lò, sau đó sẽ ngưng tụ lại trên cổ lò tạo thành u bướu làm ách tắc quá trình luyện và phá hủy thể xây của lò.

II- Các biện pháp giải quyết vấn đề kẽm trong quặng sắt Thạch Khê

1. Khử kẽm trước khi luyện lò cao bằng phương pháp vật lí.

Các nhà khoa học Nga thuộc Viện các vấn đề quản lý mang tên Trapeznikov đã đề xuất và tiến hành nghiên cứu theo hai hướng – tuyển khoáng và thiêu kết ở nhiệt độ cao.

-Về tuyển khoáng: đã tiến hành tuyển từ ướt và tuyển từ khô trong từ trường yếu, tuyển từ ướt từ trường mạnh. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể nâng được hàm lượng sắt nhưng không hạ được tỷ lệ kẽm trong tinh quặng. Điều này là đương nhiên vì kẽm không tồn tại ở dạng hạt khoáng riêng biệt. Thực ra vấn đề tuyển đã được tiến hành ở khâu thăm dò địa chất ở phần II phía trên đã nêu.

-Về thiêu kết: Viện luyện kim đen Trung ương Mascơva tiến hành nghiên cứu khử kẽm trong quặng Thạch Khê bằng thiêu kết ở nhiệt độ cao.Để tăng nhiệt độ nóng chảy của quặng Thạch Khê họ đã trộn thêm bột manhetit vào quặng và thiêu kết ở nhiệt độ 1600-1700 ⁰C. Họ đã tiến hành nghiền quặng rồi vê viên với 0,6% phụ giabentonit và 2-3% CaCl ₂rồi nung ở nhiệt độ 1600-700 ⁰C. Kết quả đã khử được tối đa 30% kẽm, còn tinh quặng vê viên bằng Floform hay chất dính Florm và 0,2 bentonit rồi nung ởnhiệt độ 270-1300 ⁰C chỉ khử được rất ít kẽm. Phương pháp thiêu kết hay nung không có chất hoàn nguyên không thể khử được kẽm là tất nhiên vì kẽm tồn tại ở dạng liên kết với mạng ô xít sắtvô cùng khó bốc hơi dù có nâng nhiệt độ cao hơn nữa. Mặt khác cho phụ gia manhetit nhằm tăng tính khó nóng chảy dù có khử được kẽm cũng không thể ứng dụng vào thực tế sản xuất.

2. Khử kẽm trước bằng phương pháp luyện kim

a. Phương pháp thủy luyện: Công ty Cổ phần Mekhanobr Engineering thuộc Viện các vấn đề quản lý Nga tiến hành nghiền quặng rồi hòa tan trong axit sunfuric và các dung dịch khác đã không khử được kẽm. Khi nung nước quặng lên 1000 ⁰C cũng không hòa tan được kẽm vào dung dịch. Viện luyện kim đen Trung ương Nga cũng đã hòa tan viên quặng có 2-3% CaCl ₂nung và nghiền vào dung dịch axit sunfuric nồng độ 50g/l và hòa tan quặng viên không nghiền trong dung dịch 5% axit sunfuric cũng không khử được kẽm (khoảng 7%). Kết quả này là tất nhiên vì lượng kẽm lại tồn tại đồng hình trong tinh thể khoáng vật sắt.

b. Phương pháp hỏa luyện: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu vê viên tinh quặng sắt cùng bột than antraxit rồi thiêu kim loại hóa ở nhiệt độ 1100-1300 ⁰C biến oxit sắt thành sắt kim loại và oxit kẽm thành kẽm kim loại bốc hơi, khử triệt để kẽm khỏi liệu và biến quặng sắt thành quặng kim loại hóa không kẽm- nguyên liệu tốt cho lò cao và các lò khác.

Cơ sở của công nghệ này là kẽm ở dạng oxit tinh thể độc lập hay ở dạng hợp chất ferit, silicat, aluminat (Fe ₃O ₄.ZnO, Fe ₂O ₃.ZnO, FeO.ZnO, ZnO. SiO ₂, ZnO.Al ₂O ₃) trong môi trường hoàn nguyên mạnh (C, H ₂, CO) ở nhiệt độ cao trên 1000 ⁰C kẽm sẽ bị hoàn nguyên thành kẽm kim loại tại nhiệt độ và môi trường trên, kẽm cũng bị sắt kim loại hoàn nguyên.

Nhiệt độ càng cao sắt hoàn nguyên kẽm càng mạnh, trên 1150 ^oC kẽm là pha bền còn sắt oxit cũng là pha bền, lúc đó tồn tại kẽm kim loại và oxit sắt. Do kẽm sôi ở 907 ⁰C nên kẽm bị hoàn nguyên ra đều ở dạng bay hơi thoát khỏi liệu. Hơi kẽm chỉ ngưng tụ thành kẽm lỏng ở nhiệt độ thấp hơn 900 ⁰C và ngưng tụ thành kẽm rắn ở nhiệt độ thấp hơn 419 ⁰C (hình H.1 và hình H.2).

Các tác giả đã vê viên tinh quặng sắt với than antraxit nghiền nhỏ theo những tỷ lệ khác nhau với chất dính là nước vôi, bentonit hay nước bã giấy với kích thước viên quặng được tính toántrước phù hợp sau đó đem sấy khô và thiêu kết trong lò đốt trực tiếp với các chế độ nhiệt độ, thời gian và môi trường khí đốt khác nhau được viên quặng kim loại hóa khá tốt. Với các chế độ thiêu tốiưu (tỷ lệ than, cỡ hạt quặng và than, nhiệt độ thiêu, thời gian thiêu, môi trường làm nguội viên quặng sau khi thiêu…) đã thu được viên quặng kim loại hóa sắt 97-98%, suất khử kẽm 97%, độ xốp viênquặng 40-50%, đọ bền viên quặng trên 200kg/viên. Đây là nguyên liệu khá lý tưởng cho lò cao, lò Corex, lò điện hay các lò khác.

Nói chung vê viên tinh quặng cùng than antraxit rồi thiêu kim loại hóa để khử kẽm là phương pháp công nghệ rất có hiệu quả và có tính khả thi cao trong thực tiễn so với các phương pháp khửkẽm khác ở trên.

3. Luyện trực tiếp quặng Thạch Khê trong lò cao không cần khử kẽm trước

Thực ra hàm lượng kẽm trong quặng Thạch Khê do Việt Nam và các nước khác phân tích không thật giống nhau, tuy vậy cứ cho là hàm lượng kẽm gấp 2,3 lần mức bình thường. Một số nước có giải pháp nâng cao nhiệt độ khí thoát ra khỏi lò cao ở 450-500 ⁰C bằng cách cấu tạo lại hệ thống đỉnh lò và hệ thống cấp liệu để hơi kẽm thoát ra khỏi lò không ngưng tụ ở đỉnh lò gây u bướu làm ách tắc khi chạy lò. Tuy vậy đầu tư xây dựng lò khá tốn kém mà chi phí chạy lò cao sẽ khá tốn than cốc và năng suất lò giảm đi…

Theo tác giả có thể cấu tạo lại phần đỉnh lò cao cho phù hợp, tiến hành luyện theo công nghệ bình thường, định kỳ hàng năm hay vài năm (tùy tình hình cụ thể) khi kẽm tích tụ ở phần trên cổ lò quá lớn có thể ảnh hưởng đến vận hành lò, sẽ chạy cột liệu thấp một thời gian, nâng nhiệt độ lò lên 450 ⁰C-400 ⁰C để khử kẽm tích tụ ở phần này.

Thực ra khi hơi kẽm đi qua phần nhiệt độ thấp của lò (thấp hơn 400 ⁰C) sẽ bị ngưng tụ thành kẽm bụi rắn. Do nồng độ hơi kẽm quá loãng các hạt bụi này sẽ rất nhỏ (tính bằng micron) khí lò lại vận chuyển với tốc độ rất lớn (khoảng 16-20m/s) nên sẽ bị khí lò mang ra khỏi lò cao, hơi và bụi kẽm sẽ không bị oxi hóa mạnh để tồn tại ở dạng oxit kẽm cũng khó tác dụng với oxit alumin (thể xây của lò) để tạo thành zincat nhôm gây ra u bướu phá hoại thể xây của lò như phụ lục 4 của bản báo cáo tiền khả thi nhận định.

4. Luyện quặng Thạch Khê theo phương pháp Midrex

Viện luyện kim đen trung ương Nga cũng như hãng Arcelor Pháp đã thí nghiệm luyện viên quặng sắt Thạch Khê ở lò Midrex - phương pháp hoàn nguyên trực tiếp đạt kết quả tốt song phương pháp này là công nghệ luyện kim phi lò cao. Ở vùng Hà Tĩnh không có khí đốt chưa thể ứng dụng phương pháp này nên không bàn ở đây.

III. Kết luận

Qua nghiên cứa lý thuyết và thực nghiệm tác giả cho rằng giải pháp luyện trực tiếp trong lò cao định kỳ hạ thấp cột liệu, nâng nhiệt độ đỉnh lò lên và giải pháp vê viên với than antraxit rồi thiêu kim loại hóa là hai giải pháp có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Tác giả đặc biệt quan tâm tới phương án vê viên vì nó có những ưu điểm nổi bật sau đây:

a. Là phương pháp khử kẽm triệt để có hiệu quả, có thể tận dụng thu kẽm là kim loại có giá trị gấp nhiều lần gang thép.

b. Sản phẩm viên kim loại hóa là nguyên liệu lý tưởng của lò cao (hay lò khác) năng suất lò cao sẽ tăng lên 35-50%, tiết kiệm trên 50% than cốc là nhiên liệu Việt Nam không có phải nhập khẩu của nước ngoài.

c. Sử dụng hợp lý và có hiệu quả than antraxit của Việt Nam , đỡ tốn ngoại tệ nhập khẩu vừa tốn kém vừa phụ thuộc thị trường thế giới.

d. Có thể tận dụng triệt để quặng tinh dạng hạt nhỏ, sản phẩm tự nhiên do quá trình khai thác, tuyển và vận chuyển bằng đường ống từ mỏ về nhà máy luyện kim.

đ. Sản phẩm viên quặng kim loại hóa không những cung cấp cho lò cao mà còn cho các loại lò luyện khác phù hợp (lò điện, Corex…)

e. Thiết bị và công nghệ vê viên kim loại hóa là thiết bị và công nghệ xử lý thông dụng như máy thiêu kết, lò ống quay hay các lò ống đứng, lò quay đáy bằng…

Những kết quả nghiên cứu trên đây mới là sơ bộ, bước đầu. Cần phải đầu tư để nghiên cứu bài bản, mở rộng và bán công nghiệp để có kết luận chính xác và có luận cứ áp dụng vào sản xuất.

___________

Tài liệu tham khảo

Nghiên cứu khả thi dự án “Nhà máy thép liên hợp xây dựng tại Việt Nam ” của Tổng Công ty Thép và hãng Arcelor Pháp.

Bùi Văn Mưu. Nghiên cứu tính chất luyện kim của quặng sắt Thạch Khê. Tạp chí “Khoa học công nghệ kim loại” số 1/2005. Hội KHCN Đúc Luyện kim Việt Nam .

Phùng Viết Ngư. Hội KHKT Đức Luyện kim Việt Nam . Những ý kiến phản biện “Nghiên cứu tiền khả thi dự án Nhà máy thép liên hợp xây dựng tại Việt Nam ” của Tổng công ty Thép và hãng Arcelor Pháp năm 2005.

Phùng Viết Ngư, Nguyễn Kim Thiết “Thiêu kim loại hóa viên quặng sắt trộn với than antraxit” Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1990.

Phạm Ngọc Diệu Quỳnh. Luận án Thạc Sĩ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2004.

TS Karmazin BH (Nga). Thiêu kim laoi hóa quặng sắt. 1968.

A.H. Spectơ (Nga). Những thông số kỹ thuật của quá trình thu nhận quặng sắt kim loại hóa. 1999.

Nguồn: Công nghiệp mỏ, số 5-2006, tr.26.