TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GỐM SỨ, MEN MÀU ĐỀ TÀI CÁT ZIRCON (ZrSiO4) Mã môn học 604041 Nhóm 01 09 Giảng.
Trang 1TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
TIỂU LUẬN MÔN HỌC:
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GỐM SỨ, MEN MÀU
ĐỀ TÀI: CÁT ZIRCON (ZrSiO4)
Mã môn học: 604041
Nhóm: 01 - 09
Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Trung Kiên
Sinh viên thực hiện - MSSV:
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022
Trang 3MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG 1
DANH MỤC HÌNH 1
1 TỔNG QUAN 2
1.1 Khái niệm 2
1.2 Nguồn gốc hình thành 3
1.3 Khai thác 4
1.4 Thành phần hóa học 6
1.5 Tính chất vật lý 7
1.6 Tính chất hóa học 8
2 PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT 9
3 ỨNG DỤNG 12
3.1 Ứng dụng tiên tiến 12
3.2 Trong ngành công nghiệp đúc, phủ 14
3.3 Trong vật liệu chịu lửa 14
3.4 Trong ngành gốm sứ 15
3.5 Trong thủy tinh 16
4 KẾT LUẬN 17
TÀI LIỆU THAM KHẢO 17
Trang 4DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất vật lý và ứng dụng nổi bật của cát zircon 7
Bảng 1.2 Một số thông số vật lý đặc trưng của cát zircon 8
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Zircon được chụp trong điều kiện ánh sáng bình thường (trái) và xuất hiện màu vàng huỳnh quang trong ánh sáng cực tím (phải) 2
Hình 1.2 Cát zircon 3
Hình 1.3 Bản đồ phân bố cát zircon trên thế giới 4
Hình 1.4 Khai thác cát zircon 5
Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể của zircon 6
Hình 2.1 Sơ đồ của một địa điểm khai thác khô điển hình 9
Hình 2.2 Ví dụ về quy trình khai thác khô đơn giản (trên) và khai thác tĩnh (dưới) 10
Hình 2.3 Quy trình cô đặc ướt dòng chảy 11
Hình 2.4 Quá trình tách khoáng cuối cùng và hoàn thiện zircon 12
Hình 3.1 Lượng zircon tiêu thụ toàn cầu 13
Trang 51 TỔNG QUAN
1.1 Khái niệm
Zircon, còn được gọi là zircon silicate (ZrSiO4), được tìm thấy trong các
mỏ sa khoáng cổ Ở dạng cát pha lê, zircon thường có màu nâu, nhưng cũng có thể thay đổi từ không màu đến vàng (yellow) - vàng (gold), hồng và đỏ đến xanh lam và xanh lục [1] Trong ánh sáng huỳnh quang, các zircon có màu vàng [2]
Hình 1.1 Zircon được chụp trong điều kiện ánh sáng bình thường (trái) và xuất hiện màu vàng huỳnh quang trong ánh sáng cực tím (phải)
Zircon là một trong hai dòng sản phẩm cốt lõi từ “cát khoáng”, dòng còn lại là khoáng chất titan (ilmenite, leucoxene và rutile)
Zircon có thể được xử lý để tạo ra zirconia bằng cách nấu chảy cát ở nhiệt độ rất cao để tạo thành zirconia nóng chảy, còn được gọi là zirconium oxide (ZrO2) Zircon đôi khi bị nhầm lẫn với zirconium kim loại, zirconium oxide được gọi là zirconia, và zirconia khối (cubic), một loại đá quý tổng hợp
có bề ngoài rất giống kim cương
Trang 6Zirconium, một dẫn xuất khác của zircon, là nguyên tố hóa học Zr trong Bảng tuần hoàn và có dạng kim loại màu xám bạc Đây là nguyên tố phổ biến thứ 18 trong vỏ trái đất, nó thường xuất hiện trong khoáng vật zircon ở dạng silicate và ít thường xuyên hơn, ở trong khoáng vật baddeleyite ở dạng oxide
Hình 1.2 Cát zircon
Cát zircon thu được bằng cách tách tĩnh điện với độ tinh khiết khoảng 99,5% Các loại cát đã qua xử lý có kích thước hạt từ 0,06 đến 0,3mm
1.2 Nguồn gốc hình thành
Các trầm tích cát khoáng được hình thành dọc theo các đường bờ biển
cổ đại, nơi các khoáng chất nặng hơn được tập trung bởi tác động của sóng và gió Hầu hết các mỏ sa khoáng được tìm thấy trong các đường bờ biển hóa thạch chưa kết dính từ vài trăm mét đến hàng chục km - hoặc đôi khi hàng trăm
km - trong đất liền cách bờ biển hiện tại Các mỏ chủ yếu được tìm thấy ở Úc
và Nam Phi, nhưng cũng có ở Nam và Đông Nam Á, Trung Quốc, Đông và Tây Phi, Ukraine và ở Bắc Mỹ, Nam Mỹ [1]
Zircon có thể tồn tại trong các quá trình như xói mòn, phong hóa và lắng đọng, vì vậy chúng lưu giữ thông tin về các quá trình địa chất trong quá khứ
Trang 7Chúng là một trong những khoáng chất quan trọng được các nhà địa chất sử dụng để xác định tuổi của đá Zircon còn chứa một lượng nhỏ uranium (92U) và thorium (90Th) và chúng phân hủy phóng xạ theo thời gian Vì tốc độ phân rã phóng xạ đã được biết trước, các nhà khoa học có thể đo lượng nhỏ của các nguyên tố này trong một zircon để tìm ra độ tuổi của đá tìm được [2]
1.3 Khai thác
Phần lớn cát zircon được khai thác ở Úc và lục địa Châu Phi Sản lượng toàn cầu hàng năm hiện nay vượt quá một triệu tấn Gần một nửa lượng zircon được sản xuất trên toàn cầu được tiêu thụ bởi Trung Quốc, với các khu vực tiêu thụ đáng kể khác bao gồm Châu Âu, Bắc Mỹ, Châu Á - Thái Bình Dương và
Ấn Độ
Hình 1.3 Bản đồ phân bố cát zircon trên thế giới
Hàm lượng khoáng nặng của các mỏ cát này có thể từ 0,5% đến > 20% Tương tự như vậy, hàm lượng zircon thay đổi và dao động từ 1% đến nhiều nhất là 50%
Khai thác cát khoáng có thể bằng cả phương pháp khai thác khô và khai thác ướt (nạo vét) Ở một số quốc gia, các sản phẩm cát khoáng, chủ yếu là khoáng titan, cũng được thu hồi từ các phương pháp khai thác đá cứng
Trang 8Khai thác khô thích hợp ở những nơi có mỏ nông, chứa các dải đá cứng hoặc nằm trong một loạt các thân quặng không liên kết với nhau Hoạt động khai thác khô sử dụng xe tải, máy xúc, máy cào hoặc kỹ thuật đẩy máy ủi để thu hồi quặng đến nhà máy của đơn vị khai thác Sau đó, vận chuyển quặng đến nhà máy cô đặc ướt bằng đường ống dẫn bùn hoặc băng tải trên bộ
Khai thác nạo vét phù hợp nhất với trữ lượng quặng dưới mực nước ngầm Nạo vét mỏ trong các ao nhân tạo, bơm quặng ở dạng bùn đến thiết bị cô đặc nổi
Hình 1.4 Khai thác cát zircon
Các nhà máy cô đặc ướt được thiết kế để sản xuất một loại tinh khoáng nặng cao cấp (khoảng 98% hàm lượng khoáng nặng) Quặng được rửa qua một loạt các máy tách xoắn ốc để tách cát khoáng nặng ra khỏi thạch anh và tạp chất sét nhẹ hơn Tinh chất khoáng nặng có chứa hỗn hợp các khoáng chất nặng có giá trị trong các tập hợp khác nhau, cũng như đất sét còn sót lại và các thành phần và chất thải khoáng nặng không có giá trị khác Sau khi cô đặc ướt, tinh khoáng nặng được tách thành các khoáng chất thành phần của nó (ilmenite, rutile, leucoxene, zircon và monazite) trong một mạch xử lý khô, khai thác các
Trang 9đặc tính tĩnh điện, từ tính và mật độ khác nhau của khoáng vật nặng Zircon có
độ cảm từ và độ dẫn điện thấp trong khi ilmenite có độ cảm từ cao và rutile có
độ dẫn điện cao
Zircon cô đặc được làm khô và làm sạch bằng cách tiếp tục tách tĩnh điện và trọng lực (để giảm hàm lượng TiO2) đến 65% ZrO2 + HfO2, thành phần chính khác là SiO2 Các tạp chất quan trọng bao gồm Fe2O3, Al2O3 và TiO2
Zircon cũng được cung cấp dưới dạng chất cô đặc cấp thấp hơn, ví dụ:
từ Đông Nam Á (Indonesia và Việt Nam), với hàm lượng zircon dao động từ 65% đến 85% (trung bình 75%) Hầu hết tinh quặng zircon được cung cấp cho Trung Quốc để chế biến thêm [1]
1.4 Thành phần hóa học
Zircon có hàm lượng lý thuyết là 67% zirconia ZrO2 và 32% silica SiO2
và nó thường có thể chứa một tỷ lệ nhỏ hafnium (Hf) trong khoảng 0,2 đến 4%
Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể của zircon
Trang 101.5 Tính chất vật lý
Zircon (zirconium silicate) có một tập hợp các đặc tính vật lý độc đáo làm cho nó trở nên phù hợp để sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Đây cũng là loại cát chịu nhiệt tốt nhất trong số tất cả các loại cát đúc phổ biến và được sử dụng làm cát phủ cho gang và thép, làm vật liệu khuôn cơ bản cho đúc chính xác (Quy trình đúc cát Cosworth) và là một thành phần trong khuôn chịu lửa cao lớp phủ mặt do độ giãn nở nhiệt thấp hơn nhiều so với lớp phủ của cát thạch anh [3]
Bảng 1.1 Tính chất vật lý và ứng dụng nổi bật của cát zircon
Tính chất vật lý
Khả năng chịu tác động
Trong công nghệ vật liệu chịu lửa (mở rộng ngành công nghiệp đúc
kim loại)
Độ ổn định không gian và nhiệt
Công nghiệp đúc kim loại và vật
liệu chịu lửa
Hệ số giãn nở tuyến tính Thấp
Khả năng chống sốc nhiệt Tốt
Độ dẫn điện
Trung bình đến Cao Khả năng thấm ướt bởi kim loại
Trang 11Tính chất vật lý
Khả năng chịu tác động
Độ hòa tan trong silica hoặc
silicate nóng chảy Thấp Vật liệu chịu lửa thủy tinh Tính chất điện môi Tốt Gốm sứ kỹ thuật và tiên tiến
Bảng 1.2 Một số thông số vật lý đặc trưng của cát zircon
Trang 122 PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT
Khoảng 97% zircon trên thế giới thu được từ khai thác cát khoáng nặng [5] Quá trình này bao gồm ba giai đoạn chính: Khai thác, cô đặc ướt và tách khô Việc khai thác có thể được thực hiện bằng quy trình khai thác ướt (sử dụng chất nạo vét nổi, điển hình cho các mỏ chưa kết dính) hoặc bằng các phương pháp khai thác khô (sử dụng máy nạo, máy ủi và máy xúc, điển hình cho các mỏ xi măng) [6]
Hình 2.1 Sơ đồ của một địa điểm khai thác khô điển hình
Kỹ thuật khai thác khô thường được sử dụng cho các mỏ cứng và kết
dính với các thân quặng cao cấp Hình 2.1 cho thấy sơ đồ của một địa điểm khai thác khô điển hình, Hình 2.2 cho thấy hai quy trình có thể có cho kỹ thuật
khai thác này (mặc dù chúng có thể khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của từng địa điểm khai thác cụ thể) Bước đầu tiên là dọn sạch khu vực mỏ khỏi cây cối
và các loại thực vật hoặc đá khác, tiếp theo bỏ và tích trữ lớp đất mặt và lớp đất dưới riêng biệt với vật liệu vùi lấp bên dưới [7] Một hoạt động khai thác khô điển hình chủ yếu bao gồm việc lắng quặng vào một phễu với sự hỗ trợ của
máy ủi, máy nạo hoặc máy xúc, như được mô tả trong Hình 2.4., và chuyển nó
đến quá trình tách sơ bộ [7] Tại đây, vật liệu thải được sàng lọc ra khỏi hỗn hợp bằng tác động của thiết bị tách rung và quay, nơi các hạt lớn (trên 150 mm) được sàng lọc ra khỏi hỗn hợp và cát khoáng, hỗn hợp bùn và đất sét được rửa trôi khỏi đá [7] Sau đó, cát khoáng, phù sa và bùn sét được chuyển đến thiết bị
cô đặc ướt
Di chuyển quặng đến đơn vị khai thác mỏ
Loại bỏ lớp đất mặt và
đất phía dưới
Bó nhỏ hoặc ống thoát nước để hỗ trợ trong việc dẫn nước từ đuôi thu hồi
Trang 13Hình 2.2 Ví dụ về quy trình khai thác khô đơn giản (trên) và khai thác tĩnh
(dưới)
Quá trình cô đặc ướt, được sử dụng để sản xuất tinh khoáng nặng cao cấp (85 - 95% HMC) [6], liên quan đến việc sử dụng mạch trọng lực để tách cát khoáng nặng khỏi cát khoáng nhẹ hơn và hạch tạo nên phần lớn bùn đầu
vào [7] Quá trình này được mô tả trong Hình 2.3., bùn đầu vào đầu tiên được
đưa qua một loạt các hydrocyclone để loại bỏ các hạt rất mịn (thường có kích thước nhỏ hơn 63 µm, chủ yếu là đất sét), được thêm một chất làm đặc mịn, trộn với thạch anh và sau đó được bơm đến một khoảng trống khai thác Một hướng khác có thể thay thế là đưa chất làm đặc dưới dòng chảy tới một ao và được bay hơi bằng ánh nắng mặt trời, nơi có thể thu hồi đất sét khô [6]
Dòng chảy bên dưới từ các hydrocyclone được chuyển đến một bể chứa mật độ không đổi (CD), sau đó bơm nó vào các bộ phân phối quá trình cô đặc ướt phía trên các đường xoắn ốc chính Tiếp theo, vật liệu được chuyển qua mạch phân tách trọng lực bao gồm một số bờ xoắn ốc (Từ bốn đến sáu giai đoạn: Giai đoạn xoắn ốc sơ cấp hoặc thô hơn, giai đoạn con non, giai đoạn
Oversize
Pri Screen
Concentrator Feed
65
7E
Autogenous Scrubber
Oversize Ore Bin and
Feeder
Tertiary Screen
Secondary Screen
Concentrator Feed
Trang 14xoắn ốc sạch hơn, giai đoạn làm sạch lại và xác định) [6] Trong quá trình này, khoáng chất nặng được tách một cách hiệu quả khỏi các khoáng chất hạch nhẹ hơn, chủ yếu là cát thạch anh Có thể thêm vào bước tách từ tính tại thời điểm này để tách ilmenite từ thông qua việc sử dụng nam châm cường độ cao ướt
Tinh quặng khoáng nặng cuối cùng được lưu trữ và làm ráo nước trước khi chuyển đến quá trình cô đặc thứ cấp hoặc nhà máy tách khoáng Cát dư được bơm vào hố khai thác Trong khi đó, việc xử lý nước từ máy xếp lốc xoáy
và đập bốc hơi mặt trời được tái chế thành đập chứa nước sạch, nơi nó có thể được sử dụng lại trong quá trình cô đặc ướt [6] [7]
Hình 2.3 Quy trình cô đặc ướt dòng chảy
Tinh khoáng nặng thu được từ quá trình cô đặc ướt có thể bị tiêu hao để tăng hiệu quả tách bằng cách làm sạch bề mặt khoáng trước khi tách tĩnh điện Ngoài ra, tinh khoáng có thể trải qua quá trình cô đặc thứ cấp, trong đó thạch anh mịn và các khoáng chất không có giá trị khác được loại bỏ để đạt được cấp khoáng nặng lên đến 98% [6] [7] Sau các bước này, cô đặc được đưa đến quá trình tách khoáng cuối cùng và hoàn thiện zircon, nơi zircon được tách ra khỏi ilmenite, rutile và leucoxene (HyTi), cũng như từ các khoáng chất không có giá
trị khác, như thể hiện trong Hình 2.4 Quá trình này sử dụng một loạt các mạch
Trang 15phân tách sàng lọc, từ tính, tĩnh điện và trọng lực để đạt được sự phân tách của zircon
Hình 2.4 Quá trình tách khoáng cuối cùng và hoàn thiện zircon
Ilmenite được tách ra thông qua phân tách từ tính, trong khi mạch không phân tách nơi các vật liệu không dẫn điện được tách ra khỏi khoáng vật dẫn điện Đầu tiên được gửi đến một mạch tách trọng lực nơi zircon được tách ra do trọng lượng riêng lớn của nó, sau đó được gửi đến một mạch tách tĩnh điện bổ sung để loại bỏ các chất dẫn dư [6] Giai đoạn tách cuối cùng của zircon liên quan đến việc sử dụng bàn không khí để loại bỏ thạch anh mịn và kyanite còn sót lại Cấu hình tùy chọn có thể liên quan đến quá trình rửa trôi zircon để loại
bỏ các lớp phủ oxide sắt tiềm ẩn nhằm cải thiện chất lượng tổng thể của sản phẩm Vật liệu dẫn theo một mạch tách tĩnh điện bổ sung, nơi thu được ilmenite thứ cấp, rutile và leucoxene [6]
3 ỨNG DỤNG
3.1 Ứng dụng tiên tiến
Trang 16Mức tiêu thụ zircon theo thị trường tiêu dùng cuối năm 2011 được thể
hiện trong Hình 3.1 Mặc dù mô hình tiêu thụ có thể thay đổi theo từng năm,
những thông tin này rất hữu ích để hiểu được các ứng dụng chính hiện tại của khoáng zircon và cấu trúc hạ nguồn tổng thể của ngành công nghiệp zircon Cho đến nay, gốm sứ là lĩnh vực sử dụng cuối cùng lớn nhất (55%), tiếp theo là các ứng dụng đúc, ứng dụng hóa học, vật liệu chịu lửa, thủy tinh và các ứng dụng nhỏ khác
Hình 3.1 Lượng zircon tiêu thụ toàn cầu
Zircon và các dẫn xuất của nó có rất nhiều ứng dụng Thị trường lớn nhất của zircon là ngành công nghiệp gốm sứ Khoảng 54% zircon được sản xuất được sử dụng ở dạng gần như nghiền trong ngành công nghiệp gốm sứ 14% được sử dụng trong ngành công nghiệp đúc và khoảng 11 - 14% được sử dụng trong các ứng dụng chịu lửa
Một phần ngày càng tăng của zircon được khai thác trên toàn thế giới được sử dụng để khai thác các kim loại zirconium và hafnium hoặc chế biến thêm chúng để sản xuất các hóa chất zirconium Có một số lượng đáng kể được
sử dụng hơn nữa và rõ ràng là từ các nghiên cứu và phát triển đang nổi lên rằng
Trang 17zircon sẽ tiếp tục đóng một vai trò lớn hơn nữa trong những tiến bộ công nghệ của kỷ nguyên hiện đại
3.2 Trong ngành công nghiệp đúc, phủ
Zircon được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đúc, chủ yếu ở dạng cát và bột (cát xay) để đúc và các ứng dụng chịu lửa
Các đặc tính về khả năng kết dính, nhiệt độ nóng chảy, khả năng dẫn nhiệt và độ bền hóa học ở nhiệt độ cao cùng với khả năng thấm ướt thấp bởi kim loại nóng chảy đã cho phép ứng dụng rộng rãi của zircon làm vật liệu nền đúc Ngoài ra, nó còn được làm lớp phủ khuôn trong đúc khuôn và trong sơn chịu lửa và chất rửa để giảm khả năng thấm ướt của các loại cát đúc khác Những ưu điểm của việc sử dụng cát zircon và bột zircon trong các quy trình đúc này có thể được tóm tắt như sau:
- Khả năng thấm ướt thấp của zircon, độ mịn hạt đồng nhất và khả năng tạo thành hạt mịn cho phép tạo ra các vật đúc có độ chính xác cao với bề mặt hoàn thiện tốt, ngăn khoáng chất dính vào kim loại đúc và tránh kim loại thâm nhập vào khuôn
- Độ dẫn nhiệt cao giúp quá trình nguội nhanh hơn so với các vật liệu khuôn khác, điều này cũng dẫn đến bề mặt hoàn thiện tốt hơn
- Độ chính xác kích thước cao hơn và độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn được thực hiện thông qua việc sử dụng zircon giúp giảm thiểu các hoạt động sau đúc như gia công và làm sạch chi tiết đúc
- Khả năng thấm ướt thấp của zircon do kim loại nóng chảy làm tăng khả năng thu hồi cát và từ đó tăng khả năng tái chế của vật liệu
- Tính ổn định hóa học của nó đảm bảo kết quả đồng nhất khi sử dụng cát tái chế
3.3 Trong vật liệu chịu lửa
Các đặc tính khiến zircon trở thành vật liệu có giá trị cho ngành đúc cũng khiến nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho ngành công nghiệp vật liệu chịu lửa, là một trong những ứng dụng cốt lõi của nó Tiêu thụ Zircon trong
ngành vật liệu chịu lửa chủ yếu được chia thành ba loại sản phẩm, như trong Hình 3.1