Nghiên cứu công nghệ luyện fero titan từ quặng gốc ilmenit

Đề tài Nghiên cứu công nghệ luyện fero titan từ quặng gốc ilmenit thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ Nội dung Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng xác lập được sơ đồ công nghệ sản xuất fero - titan từ quặng gốc Cây Châm vùng Núi Chúa - Thái Nguyên. Sản phẩm thu được đảm bảo yêu cầu về chất lượng làm nguyên liệu cho công nghiệp luyện thép, với hàm lượng Ti 25-35%. Xác định được các chỉ tiêu công nghệ cơ bản: hàm lượng Ti trong fero; Thực thu TiO2; Chi phí điện năng, chi phí điện cực. Định hướng công nghệ áp dụng cho tương lai gần.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHCN

Đề tài nghiên cứu KHCN cấp Bộ

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

1 Quản Văn Dũng Kỹ sư Luyện kim màu

2 Ngô Ngọc Định Kỹ sư Luyện kim màu

3 Đỗ Hồng Nga Thạc sỹ Luyện kim màu

4 Nguyễn Hồng Quân Kỹ sư Luyện kim màu

5 Nguyễn Văn Tích Kỹ sư Chế tạo máy

Mục Lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN TITAN CỦA VIỆT NAM 6

1.2 SẢN XUẤT FERO TITAN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 7

1.2.1 Sản xuất fero titan trên thế giới 7

1.2.2 Tình hình nghiên cứu luyên fero titan ở Việt Nam 8

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH LUYỆN FERO TITAN 9

1.3.1 Hoàn nguyên ilmenite bằng cacbon: 9

1.3.2 Hoàn nguyên ilmenite bằng Si 9

1.3.3 Hoàn nguyên ilmenite bằng nhôm kim loại 10

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC CHUẨN BỊ 17

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

2.2 CÔNG NGHỆ ÁP DỤNG 17

Sơ đồ công nghệ dự kiến lựa chọn nghiên cứu luyện fero titan 18

2.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 19

2.4 NGUYÊN LIỆU DÙNG CHO NGHIÊN CỨU 19

2.4.1.Quặng ilmenit gốc 19

2.4.2 Các nguyên liệu và chất phụ gia khác 21

2.4.2.1 Nhôm hạt 21

2.4.2.2 Fero Silic 22

2.4.2.3 Quặng sắt 22

2.3.2.4.Trợ dung vôi 22

2.5 THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 23

2.5.1 Thiết bị nghiên cứu phòng thí nghiệm 23

Lò điện hồ quang 12 KVA 23

Tủ sấy (Trung Quốc): 23

Máy đập hàm (TrungQuốc): 23

Máy đập trục (Bungari): 23

2.5.2 Thiết bị nghiên cứu mở rộng 24

Lò điện hồ quang 100KVA 24

Hệ thống thiết bị đập nghiền như trên 24

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 25

3.1 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT LUYỆN KIM VÀ CÔNG TÁC CHUẨN BỊ 25

3.1.1 Tính toán phối liệu 25

3.1.1.1 Các thông số có liên quan khi tính toán 25

3.1.1.2.Tính toán phối liệu: 26

3.1.2.Chuẩn bị liệu 28

3.1.3.Trình tự thao tác 29

3.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 29

3.2.1 Quy mô phòng thí nghiệm đối với lò điện hồ quang 12KVA 29

3.2.1.1 Thiêu oxy hóa quặng ilmenite 29

3.2.1.2.Ảnh hưởng của tỷ lệ quặng nấu chảy trước đến quá trình luyện fero titan 30

3.2.1.3 Ảnh hưởng của lượng nhôm nhôm phối liệu đến hàm lượng các chất trong fero tian và hiệu suất thu hồi titan 32

3.2.1.4.Ảnh hưởng của trợ dung vôi tới hàm lượng Ti trong fero titan và hiệu suất thu hồi titan 36

3.2.2 Quy mô mở rộng 39

3.2.2.1 Đối với lò điện hồ quang 100KVA 39

3.3 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ CÔNG NGHỆ DỰ KIẾN 42

3.3.1 Sơ đồ công nghệ đề nghị 42

3.3.2 Đánh giá sơ bộ về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật 43

3.4 DỰ KIẾN HÌNH THỨC ÁP DỤNG VÀ ĐỊA CHỈ ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

Mở đầu

Nhưng năm gần đây kinh tế Việt Nam phát triển nhanh do vậy có nhu cầu lớn về thép hợp kim để đáp ứng nghành công nghiệp nặng nước nhà Để hợp kim hóa người ta sử dụng các nguyên tố khác nhau, trong đó có titan (sản phẩm là fero titan) Sự có mặt của titan làm tăng tính năng cơ học, chịu axit, cải thiện tính năng hàn và tính chống ăn mòn của thép… Ngoài ra fero titan được sử dụng trong luyện thép làm chất khử oxy, năng lực khử oxy của titan vượt qua cả silic có thể tương đương như nhôm, titan còn là chất khử nitơ (hình thành TiN) Thép dùng Ti khử oxy có tổ chức đúc đặc chắc, cải thiện tính năng cơ học của thép Ngoài ra còn có thể làm thép không rỉ chịu axit Hàng năm Việt Nam cần khoảng nghìn tấn fero titan ( trong đó Công

Ty Cơ Khí Đông Anh có nhu cầu 300T/năm) để sản xuất thép hợp kim, nhưng hoàn toàn phải nhập khẩu

Trong khi đó ở Việt Nam có nguồn quặng ilmenite khá lớn (trữ lượng

và tài nguyên dự báo 34 triệu tấn) Việc chế biến sâu quặng ilmenite ở Việt Nam đã được nghiên cứu nhiều với quặng sa khoáng ven biển, còn tinh quặng titan gốc chưa được nghiên cứu Mỏ titan Cây Châm là mỏ quặng gốc có trữ lượng khoảng 4 triệu tấn (tính theo TiO2) và đã bắt đầu được đưa vào khai thác Các nghiên cứu chế biến đối với quặng này mới dừng ở dạng sản xuất là

xỉ titan, Rutil nhân tao

Chính vì vậy việc nghiên cứu sử dụng tinh quặng titan gốc mỏ Cây Châm để đưa vào sản xuất fero titan để đáp ứng nhu cầu luyện thép trong nước và cũng có thể để xuất khẩu là rất quan trọng một phần do chất lượng quặng thấp, giá rẻ

Căn cứ Quyết định số 6363/QĐ-BCT ngày 02 tháng 12 năm 2008 của

Bộ trưởng Bộ Công Thương ký với Viện Khoa Học và Công Nghệ Mỏ -

" Nghiên cứu công nghệ luyện fero titan từ quặng gốc ilmenite “

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng xác lập được sơ đồ công nghệ sản xuất fero - titan từ quặng gốc Cây Châm vùng Núi Chúa - Thái Nguyên Sản phẩm thu được đảm bảo yêu cầu về chất lượng làm nguyên liệu cho công nghiệp luyện thép, với hàm lượng Ti 25-35% Xác định được các chỉ tiêu công nghệ cơ bản: hàm lượng Ti trong fero; Thực thu TiO2; Chi phí điện năng, chi phí điện cực Định hướng công nghệ áp dụng cho tương lai gần

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN TITAN CỦA VIỆT NAM

Quặng titan ở Việt Nam được chia làm 2 loại: quặng titan gốc và quặng titan sa khoáng

Quặng gốc mới chỉ biết duy nhất mỏ quặng Cây Châm vùng Núi Chúa, Thái Nguyên gồm các loại quặng đặc sít (Nà Hoe) và xâm tán (Hữu Sào)

Khoáng vật quặng chủ yếu là ilmenite ( 30 - 70 %) và một số khoáng vật

khác

Quặng sa khoáng có hai dạng: Dạng 1 là quặng gốc ilmenite bị phong hóa thường ở phần trên hoặc xung quanh các mỏ và điểm quặng gốc ở Núi

Chúa (Thái Nguyên) Dạng 2 là quặng sa khoáng titan ven biển đã được phát

hiện, điều tra, thăm dò và khai thác ở hầu hết dải ven biển miền Trung Việt

Nam

Bảng 1: Thống kê trữ lượng và tài nguyên dự báo quặng titan ở Việt Nam

TT Vùng mỏ Trữ lượng và tài nguyên dự báo (1000 Tấn-

( Tài liệu- Cơ sở tài nguyên quặng titan của Việt Nam - Cục Địa chất )

Tổng các cấp trữ lượng như sau:

B + C1 = 7.538,284 ngàn tấn

B + C1 + C2= 14.029,879 ngàn tấn

B + C1 + C2 + P1= 21.323,049 ngàn tấn Tổng cộng: 34.762,050 ngàn tấn Ghi chú: B,C là các cấp trữ lượng

Việc chế biến quặng titan của Việt Nam đã được tiến hành ở mức độ nhất định, nguyên liệu sử dụng chủ yếu là quặng ilmenite sa khoáng biển

1.2 SẢN XUẤT FERO TITAN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.2.1 Sản xuất fero titan trên thế giới

Ở các nước như Liên Xô (cũ), Mỹ, Đức, Nhật Bản đã nghiên cứu và sản xuất nhiều hợp kim fero trong đó có fero titan

Đối với các mác Fe-Ti thông thường người ta dùng phương pháp nhiệt nhôm, nguyên liệu là quặng ilmenite Phương pháp này có thể thu được fero

có hàm lượng titan 20 - 35 %, nguyên liệu là quặng ilmenite Đối với fero

titan có hàm lượng Ti cao hơn (>60%), người ta dùng nguyên liệu là các phế

liệu titan hoặc các hợp kim titan và nấu trong lò cảm ứng…

Các mác fero titan trên thế giới:

Bảng 2: Tiêu chuẩn fero titan Trung Quốc

Ti Al

max

Si max

Mn max

C max

P max

S max

V max

1.2.2 Tình hình nghiên cứu luyên fero titan ở Việt Nam

Việc nghiên cứu luyện fero titan ở Việt Nam cũng đã được tiến hành từ

những năm 80 của thế kỷ trước và đã có một số kết quả bước đầu

Năm 1986, Viện Luyện Kim Màu đã nghiên cứu thăm dò luyện fero

titan từ tinh quặng sa khoáng ilmenite thu được khi tuyển quặng thiếc Cao

Bằng Kết quả ban đầu đã thu được fero titan, tuy nhiên chưa được triển khai

Trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC.02.15, các tác giả đã nghiên cứu luyện fero titan trong lò điện hồ quang từ nguyên liệu quặng ilmenite sa khoáng biển Hà Tĩnh Đây là loại quặng khá sạch và có hàm lượng titan cao khoảng 53% Kết quả đã thu được fero titan tương đương mác FeTi30, với hiệu suất thu hồi titan: 60-70%

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH LUYỆN FERO TITAN

Có nhiều phương pháp hoàn nguyên ilmenite đó là:

1.3.1 Hoàn nguyên ilmenite bằng cacbon:

Các phản ứng của quá trình xảy ra như sau:

FeO.TiO2 +C = TiO2+Fe+CO (1) TiO2+ 2C = [Ti]+ 2CO (2) TiO2 + 3C = TiC+2CO (3) Trong các phản ứng trên, phản ứng 1 có thể xảy ra ở nhiệt độ 9260K các cấu tử ở trạng thái rắn còn các phản ứng 2 và 3 tương ứng ở các nhiệt độ

17020K và 13190K Như vậy việc hoàn nguyên TiO2 theo phản ứng 3 dễ dàng hơn 2 Thực tế đã xác nhận khi luyện từ ilmenite thu được hợp kim có thành phần 15 -20%Ti; 5 – 8% C; 1-3% Si, còn lại Fe và các tạp chất khác Trong thực tế người ta không làm theo phương pháp này bởi vì quá trình này tạo ra cacbíttitan TiC có nhiệt độ nóng chảy cao, hàm lượng cacbon lớn không làm chất hợp kim hóa được

1.3.2 Hoàn nguyên ilmenite bằng Si

Có thể tạo được hợp kim FeTi có hàm lượng cacbon thấp Phản ứng hoàn nguyên titan bằng Silic:

TiO2 + Si = Ti + SiO2 (4) Trong thực tế người ta không dùng phương pháp này bởi vì hợp kim silicotitan ít được ứng dụng trong thực tế

1.3.3 Hoàn nguyên ilmenite bằng nhôm kim loại

Hiện nay, phương pháp chế tạo FeTi với hàm lượng Ti: 20-35% bằng nhiệt nhôm là phổ biến nhất Phương pháp này có thể thực hiện ngoài lò hoặc dùng lò điện để gia nhiệt trước và dùng hỗn hợp oxyt sắt – nhôm để thực hiện phản ứng

Các phản ứng của quá trình xảy ra như sau:

3FeO.TiO2 + 2Al = 3Fe + 3TiO2 + Al2O3 (5) 2TiO2 + 4/3Al = 2TiO + 2/3Al2O3 (6) 2TiO + 4/3Al = 2Ti + 2/3Al2O3 (7)

T (7) < 0 Æ đây là phản ứng tỏa nhiệt Do

đó rất thuận lợi cho quá trình luyện fero tian

Các hình 1,2,3,4,5,6,7,8 là các giản đồ trạng thái có liên quan đến quá trình luyện fero titan

Fe Ti

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90600

1289 1317 49,8

1085 71

γ 1

β α+β

Ti 3 Al α 2 +β

β+γ TiAl

Ti Si

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 800

2120

1540 1330

1470 1667

FeO TiO 2

1200 1400 1600 1800

Al 2O 3 TiO 2

t, C

0 20 40 60 80 100

2000 1900 1800

1700 1600

0 0

Dựa vào giản đồ trạng thái hệ xỉ CaO-TiO2-SiO2: thấy rằng mặc dù sự

có mặt của CaO có thể làm giảm độ xệt của xỉ, nhưng các hợp chất của CaO với TiO2 khá bền vững lại có tác dụng giữ một phần TiO2 lại trong xỉ Phần

(TiO2) = 10-20% và cao hơn Tức có thể đáp ứng được hiệu suất thu hồi titan khoảng 70%

Hiện có 2 phương pháp chính luyện fero-titan là phương pháp nhiệt nhôm trong lò và ngoài lò

Theo phương pháp ngoài lò: quặng ilmenite sau khi thiêu, sấy được trộn với bột nhôm, trợ dung và chất mồi sau đó nạp vào nồi phản ứng theo 2 cách sao cho phản ứng từ đáy nồi đi lên và phản ứng từ mặt nồi xuống

Theo phương pháp nhiệt nhôm trong lò: Đây là phương pháp được áp dụng nhiều nhất hiện nay Một phần quặng ilmenite và trợ dung được nạp vào

lò và dùng hồ quang để nấu chảy Lượng quặng ilmenite còn lại cùng với phoi nhôm và trợ dung được trộn đều, nạp dần vào lò sao cho phản ứng của quá trình hoàn nguyên diễn ra ổn định Tiếp tục quá trình tinh luyện, bổ xung quặng sắt, phoi nhôm và trợ dung để cho các hạt sắt cùng các hạt fero hấp thụ nhau và lắng xuống

Ảnh hưởng của các thành phần trong phối liệu:

• Ảnh hưởng của nhôm: Tăng hàm lượng Al trong fero sẽ tăng hiệu suất thu hồi titan, nhưng lại làm tăng hàm lượng nhôm trong fero và Al2O3

trong xỉ tăng lên Nhôm chứa silic cao sẽ tốt cho quá trình luyện fero titan, vì tạo ra SiTi, không làm tăng hàm lượng nhôm trong fero Độ hạt của nhôm khoảng 0,5-2,0 mm là tốt nhất cho phản ứng nhiệt nhôm Nếu độ hạt quá nhỏ sẽ tăng tổn thất do cháy hao, nếu độ hạt quá to thì phản ứng kém (do bề mặt tiếp xúc giữa Al và oxit của liệu giảm)

• Ảnh hưởng của tinh quặng ilmenite: Hàm lượng TiO2 trong tinh quặng càng cao thì hàm lượng Ti trong fero cũng cao Thích hợp nhất để luyện fero titan hàm lượng TiO2 khoảng 48-52%

• Ảnh hưởng của quặng sắt: Để đảm bảo hiệu ứng nhiệt và tốc độ phản ứng, đồng thời cấp một lượng sắt đủ để hòa tan vào fero Dùng quặng sắt chỉ đủ, không nên dùng quá nhiều vì TiO2 tạo thành TiO làm giảm hàm lượng Ti trong fero Quặng sắt thiếu thì, nhiệt sẽ không đủ, tính

lỏng kém, khó tách xỉ và fero Quặng sắt còn có vai trò quan trong là cấp thêm nhiệt để cho phản ứng nhiệt nhôm, nhiệt lượng tỏa ra khi phản ứng nhiệt nhôm của quặng sắt là 966kj/kg Mặt khác sắt sau khi được hoàn nguyên sẽ hòa tan titan kim loại được hoàn nguyên cùng lắng xuống đáy lò, do đó tăng được hiệu suất thu hồi titan

• Ảnh hưởng của vôi: Vôi làm giảm nhiệt độ chảy của xỉ, tăng tính lưu động, nâng cao khả năng phản ứng đồng thời làm cho kim loại huyền phù trong xỉ lắng đọng xuống dưới Lượng vôi dùng khoảng 18-20% lượng nhôm đem phối liệu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC

CHUẨN BỊ 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu luyện fero titan từ tinh quặng gốc ilmenite vùng Cây Châm, Núi Chúa, Thái Nguyên là đề tài nghiên cứu ứng dụng Phương pháp nghiên cứu là dựa trên tài liệu kỹ thuật của nước ngoài và các nghiên cứu trong nước về việc chế biến titan Dựa vào những đặc tính công nghệ của nguyên liệu, từ đó chọn sơ đồ công nghệ hợp lý Sử dụng các thiết bị phòng thí nghiệm tạo mô hình thiết bị công nghệ phù hợp, từ các kết quả nghiên cứu phòng thí nghiệm tiến hành thực hiện trên các thiết bị bán công nghiệp được

đề tài xây dựng như lò điện hồ quang 12KVA, lò điện hồ quang 100KVA Sử dụng các phương pháp phân tích hóa, phân tích khoáng vật, phân tích hóa lý hiện đại để đánh giá thành phần nguyên liệu cũng như sản phẩm thu được sản phẩm luyện ra được sử dụng để sản xuất thử thép hợp kim và đánh giá chất lượng sản phẩm tạo ra

Sơ đồ công nghệ dự kiến lựa chọn nghiên cứu luyện fero titan

Hình 9: Sơ đồ công nghệ dự kiến lựa chọn nghiên cứu luyện fero titan

Nấu chảy

Sấy Hoàn nguyên

Lắng tách trong lò Quặng sắt

Fero silic

Lò điện hồ

quang

2.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xác định công nghệ luyện fero titan

do Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim thực hiện từ nguyên liệu là quặng gốc ilmenite Vùng Cây Châm, Núi Chúa, Thái Nguyên để thu được fero titan đạt tiêu chuẩn thương mại với hàm lượng như sau: (20-35)%Ti, (8-10)%Al, (4-6)%Si, <0,2%C

2.4 NGUYÊN LIỆU DÙNG CHO NGHIÊN CỨU

Bảng 4: Thành phần tinh quặng ilmenite, %

Các kết quả phân tích cho thấy quặng tinh ilmenite gốc chủ yếu là ilmenite, có một ít limonit và leucoxen

Hình 10: Nhiễu xạ rơnghen quặng gốc

Hình 11: Quặng ilmenite gốc ban đầu 2.4.2 Các nguyên liệu và chất phụ gia khác

2.4.2.1 Nhôm hạt

Nhôm hạt đóng vai trò là chất hoàn nguyên, do đó độ sạch của nhôm cũng như độ hạt ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm Tham khảo các tài liệu thì độ hạt của nhôm là 0,1-2mm Nhưng trong điều kiện thí nghiệm hiện

có thì đề tài mới chỉ khảo sát được ảnh hưởng về độ hạt của nhôm với quy mô phòng thí nghiệm riêng đối với quy mô mở rộng đề tài sử dụng nhôm phế liệu với độ hạt lớn hơn, do đó hàm lượng nhôm trong sản phẩm sẽ phải cao hơn

Ban đầu thí nghiệm với nhôm có độ hạt là 0,2mm hàm lượng 99% Sau

đó sử dụng nhôm thứ liệu 98% độ hạt 2mm – 4mm thấy kết quả có thể chấp nhận được, do đó đề tài đã chọn nhôm thứ liệu 98% với thành phần độ hạt như sau:

Bảng 6 Thành phần hạt của nhôm

Cấp hạt % -2mm 30 2-4mm 60 +4mm 10

2.4.2.2 Fero Silic

Fero silic có vai trò làm giảm hàm lượng nhôm trong sản phẩm, bởi vì liên kết TiSi bền hơn liên kết TiAl Đồng thời fero silic còn có vai trò hòa tan Ti còn lằm lơ lửng trong xỉ, cùng lắng tách xuống đáy lò tức là làm tăng hiệu suất thu hồi titan

Bảng 7: Thành phần hóa học của fero Silic75, %

Fe Si 30,45 67,85

Bảng 8: Thành phần độ hạt của fero Silic

Cấp hạt % -0,1mm 40 0,1-0,2mm 45 +0,2mm 15

2.4.2.3 Quặng sắt

Quặng sắt có vai trò hết sức quan trọng đó là:

- Tăng hiệu suất thu hồi titan bởi vì khi sắt được hoàn nguyên trên đường lắng xuống đáy lò sẽ hòa tan Ti kéo Ti cùng lắng tách xuống đáy lò

- Đồng thời cung cấp thêm nhiệt cho phản ứng nhiệt nhôm (lượng nhiệt tỏa ra khi xảy ra phản ứng nhiệt nhôm đối với quặng sắt 966kj/kg)

Bảng 9: Thành phần hóa học của quặng sắt, %

Fe2O3 SiO2

87,67 3,8

Bảng 10: thành phần cấp hạt của quặng sắt Cấp hạt %

- 0,1 + 0,074 mm

- 0,074 mm

15,5 84,5