Nghiên cứu công nghệ luyện sten đồng từ quặng sunfua đồng

Nghiên cứu công nghệ luyện Sten đồng từ quặng sunfua đồng Nghiên cứu công nghệ luyện Sten đồng từ quặng sunfua đồng Nghiên cứu công nghệ luyện Sten đồng từ quặng sunfua đồng Nghiên cứu công nghệ luyện Sten đồng từ quặng sunfua đồng Nghiên cứu công nghệ luyện Sten đồng từ quặng sunfua đồng

MỤC LỤC

Lời cam đoan……….i

Tóm tắt luận văn……… ii

MỤC LỤC……….1

Danh mục hình……… …………2

Danh mục bảng……….3

PHẦN I LỜI MỞ ĐẦU………3

I.1 Đồng và các đặc tính lý, hóa học của đồng………4

I.2 Các ứng dụng của đồng……… … 4

I.3.Các dạng tồn tại của đồng trong tự nhiên……… 6

PHÂN II TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU QUẶNG ĐỒNG SUNFUA……… 8

II.1 Giới thiệu sơ lược về nguồn quặng đồng sunfua ở Việt Nam……….8

II.2.Tình hình khai thác quặng đồng trong và ngoài nước……….………8

II.2.1.Tình hình khai thác quặng đồng ngoài nước………8

II.2.1.2 Quặng đồng phong hóa……… 10

II.2.2.Tình hình khai thác và chế biến đồng tại Việt Nam……… 11

II.3 Tình hình nghiên cứu và chế biến quặng đồng sunfua……… 12

II.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước……… 12

II.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước……… 17

II.4 Mục tiêu nghiên cứu……….……… 30

II.5.Đối tượng nghiên cứu ………30

PHẦN III CƠ SỞ LÝ THUYẾT……… 32

III.1 Xỉ trong quá trình nấu luyện đồng……… 32

III.1.1 Xỉ là gì……… 32

III.1.2 Tính chất và yêu cầu của xỉ luyện đồng………32

II.1.3.Thành phần xỉ luyện đồng và ảnh hưởng của xỉ đến các tính chất khác……….36

III.1.4 Những nguyên nhân tổn thất đồng theo xỉ khi luyện Sten………38

III.2 Chọn thành phần xỉ cho quá trình luyện Sten Đồng……… 39

PHẦN IV NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………45

IV.1.Nguyên liệu và thiết bị nấu luyện Sten đồng……….…….45

IV.1.1 Nguyên liệu……… ………45

IV.1.2 Thiết bị……….51

IV.2 Phương pháp nguyên cứu……… 55

PHẦN V KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………57

V.1 Nấu luyện Sten đồng :……… ….57

V.2 Tính toán phối liệu……….58

V.3 Quá trình nấu luyện: 59

V.3.3 Kết quả nấu luyện 62

PHẦN VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

V.1 Kết Luận:……… ………67

V.2 Kiến nghị……… ………67

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….68

Danh mục hình

Hình 1: Biểu đồ phân bố tỉ lệ tiêu thụ đồng trên thế giới 3

Hình 2: Các khoáng vật của đồng 12

Hình 3: Sơ đồ công nghệ luyện đồng sunfua trên thế giới 13

Hình 4: Sơ đồ công nghệ luyện đồng của các nhà khoa học Mỹ (1975) 18

Hình 5: Mẫu quặng chứa chalcopyrit và lượng nhỏ azurit, malachit ở mỏ Sin Quyền 20

Hình 6:Sơ đồ công nghệ tuyển nổi quặng sunfua đồng có hàm lượng pyrit cao 21

Hình 7 Các thiết bị dây chuyền hỏa luyện của nhà máy Luyện đồng Tằng loỏng.25 Hình 8: Vị trí mỏ quặng kim loại khu vực tỉnh Sơn La 27

Hình 9- Mẫu quặng chancopirite (sunfua) và quặng đồng phong hóacủa mỏ đồng Sao Tua, Mộc Châu, Sơn La 28

Hình 10: Vị trí mỏ quặng đồng Sao Tua xã Tân Hợp, Mộc Châu, Sơn La 29

Hình 12: Sơ đồ công nghệ chế biến quặng đồng phong hóa tại nhà máy luyện kim đồng Sao Tua thuộc công ty cổ phần khoáng sản Tây Bắc 30

Hình 11: Nhà máy luyện kim đồng thuộc Công ty CPKS Tây Bắc tại mỏ Sao Tua 30

Hình 13 Giản đồ xỉ của F.M.Lôxcutôp 38

Hình 14 - Độ sệt của xỉ hệ CaO – Fe2O3 – SiO2 có  5% Al2O3 ở 1300oC ( poa ) .44

Hình 15 - Giản đồ trạng thái hệ sulfua Fe – S ở nhiệt độ >400oC 44

Hình 16- Giản đồ trạng thái hệ sulfua Cu–S 46

Hình 17- Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO-FeOx-SiO2 47

Hình 18: Nhiễu xạ XRAY mẫu quặng đồng sunfua Sao Tua-Sơn La Chalcopyrite 9,12%, Pyrite 1,78%; Quarts 25%; calcite 5,95% 50

Hình 19: Nhiễu xạ XRAY mẫu quặng đồng sunfua Sao Tua-Sơn La sau tuyển Chalcopyrite 39,58%; Quarts 12,5%; calcite 6,25% 50

Hình 20 Tình trạng xâm thực của gạch Manhêzit được sản xuất 52

Hình 21: Chế tạo lò điện hồ quang công suất 150 KVA phòng Công nghệ kim loại.57 Hình 22 : lò hồ quang nấu luyện 61

Hình 23: ra liệu trong quá trình nấu luyện Sten đồng 66

Hình 24: Sten đồng + xỉ đồng 68

Hình 24: Xỉ hệ CaF2-CaO-FeOx-SiO2 ở nhiệt độ 1400oC 69

Danh mục bảng

Bảng 1: Các khoáng vật quặng chứa đồng và đặc tính cơ-lý của chúng 7

Bảng 2 Yêu cầu chất lượng tinh quặng đồng theo tiêu chuẩn ngành của Liên Xô cũ ……… 10

Bảng 3 Phân tích EDX thành phần quặng sunfua nguyên khai Mỏ Sao Tua 50

Bảng 4 Kết quả phân tích EDX thành phần tinh quặng sunfua sau tuyển 50

Bảng 5 Kết quả phân tích EDX thành phần một trong số các mẫu quặng trước và sau tuyển sơ bộ quặng đồng sunfua Sao Tua-Sơn La 49

Bảng 6 Thành phần hóa học bột Graphite 53

Bảng7 Thành phần hóa học, cơ lý tính bột Manhêzit 54

Bảng 8 Thành phần hóa học vôi nung 54

Bảng 9.Thành phần hóa học Quăczit 56

Bảng 10.Thành phần hóa học huỳnh thạch 57

Bảng 11 Thành phần Sten sau nấu luyện trong lò hồ quang 150KVA sau khi bổ sung huỳnh thạch vào phối liệu nấu luyện 71

Bảng 12.Thành phần xỉ sau nấu luyện trong lò hồ quang 150KVA sau khi bổ sung huỳnh thạch vào phối liệu nấu luyện……… 71

12%

42%

PHẦN I LỜI MỞ ĐẦU

I.1 Đồng và các đặc tính lý, hóa học của đồng

Đồng (ký hiệu hóa học là Cu) là nguyên tố thuộc nhóm I B chu kỳ 4 ở vị trí số 29 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Đồng kim loại là chất ở thể rắn có màu vàng ánh đỏ, có độ dẫn điện (5,96x107

/Ω·m) và độ dẫn nhiệt cao (401 W/m·K) Đồng tinh khiết khá mềm và dễ uốn, độ cứng theo thang bảng Mohs từ 2,5 đến 3, tỷ trọng 8,93 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1084,650C và nhiệt độ sôi 25620C, có độ dẫn điện gấp 57 lần so với Thủy ngân (Hg) Do là kim loại có hoạt tính bề mặt thấp nên đồng có thể tồn tại trong tự nhiên dưới dạng kim loại nguyên chất với hai trạng thái hóa trị là 1 và 2 Đồng là một trong rất ít kim loại có khả năng tái sinh Đồng kim loại tái chế có các đặc tính cơ-hóa-lý tương tự như đồng kim loại mới được tinh luyện từ quặng Người ta ước tính hiện nay vẫn đang

sử dụng ít nhất 80% lượng đồng được khai thác và chế biến trên thế giới

điện, dẫn nhiệt tốt, độ bền khá cao, là vật liệu dễ dát mỏng, dễ uốn nên đồng và hợp kim đồng được sử dụng rộng rãi làm dây dẫn điện trong các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng Ngoài ra, đồng và hợp kim đồng còn được sử dụng nhiều trong ngành chế tạo máy, xây dựng, sản xuất điện cực, Các hợp chất đồng như đồng oxit, đồng sunfat, đồng oxyclorua cũng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nông nghiệp, đóng tàu, bảo quản gỗ, Cụ thể như sau:

a) Trong lĩnh vực sản xuất ống dẫn: Đồng được sử dụng rộng rãi để sản xuất

ống dẫn và các phụ kiện bao gồm cả ống dẫn nước và dẫn khí, trong các lĩnh vực như sản xuất tủ lạnh, điều hòa không khí, cấp khí cho các hệ thiết bị thí nghiệm, phân tích vì đồng dễ dàng chế tạo, thay đổi hình dáng, dễ hàn, tính dẫn điện cao

b) Trong lĩnh vực điện tử, điện máy, kiến trúc và các sản phẩm gia dụng: Do

có tính dẫn điện cao (chỉ sau bạc) nên 65% sản lượng đồng trên thế giới được sử dụng trong lĩnh vực điện tử, điện máy như: sản xuất dây dẫn điện và động cơ điện gồm máy phát điện; máy biến áp; rơ le điện, thiết bị chuyển mạch điện; bộ dẫn sóng cho các bức xạ vi sóng

c) Trong lĩnh vực xây dựng: Với 25% sản lượng đồng được sử dụng trong

công nghiệp xây dựng do đồng là vật liệu bền và có tính mỹ thuật cao

d) Trong ngành giao thông vận tải: Tàu hỏa, tàu điện, ôtô cũng như xe tải tất

cả đều sử dụng đồng với chức năng làm ống dẫn nhiên liệu, dẫn khí, dây dẫn điện,

bộ tản nhiệt Hợp kim đồng – niken được sử dụng trong tàu thủy làm vỏ tàu, giảm

ăn mòn, tiết kiệm nhiên liệu Lĩnh vực giao thông vận tải đã tiêu thụ khoảng 7% sản lượng đồng thế giới mỗi năm

e) Ứng dụng trong nông nghiệp, y sinh: Đồng sulfat (CuSO4) được sử dụng như một loại chất kiểm soát tảo trong các hồ nước, ao; đồng thời còn được sử dụng trong làm vườn dưới dạng bột và thuốc xịt để diệt nấm mốc

f) Ứng dụng trong công nghiệp hóa chất, phụ gia

Đồng được sử dụng làm chất phụ gia trong sản xuất men gốm sứ và chất tạo màu cho sản xuất thủy tinh

Trong bình chữa cháy đồng sử dụng ở dạng bột để dập tắt các đám cháy liti

hoặc các đám cháy kim loại

Đồng thường được sử dụng cả trong kỹ thuật mạ điện

I.3.Các dạng tồn tại của đồng trong tự nhiên

Trong vỏ trái đất hàm lượng trung bình của đồng là 0,003% Đồng có thể tồn tại ở dạng tự sinh hoặc trong các khoáng vật khác nhau ở dạng đồng hành với khoáng vật niken Những khoáng vật chính của đồng là: cancosin (Cu2S) chứa 79.8%Cu, cuprit (Cu2O) chứa 88.8%Cu, covelin (CuS) chứa 66.5%Cu, cancopirit (CuFeS2) chứa 34.57%Cu và malachit (CuCO3.Cu(OH)2)

Theo đặc điểm khoáng vật có thể phân loại các khoáng vật chứa đồng thành các nhóm như trong Bảng 1

Bảng 1: Các khoáng vật quặng chứa đồng và đặc tính cơ-lý của chúng

Khoáng vật Công thức Cu (%) Độ cứng

(Mohs)

Tỷ trọng riêng (g/cm3) Chalcopyrit CuFeS2 34,5 3,5 4,1− 4,3 Chalcocit Cu2S 79,8 2,5− 3 5,5− 5,8

Bornit Cu5FeS4 63,3 3− 3,25 4,9− 5,3 Tetrahedrit (Cu,Fe)12Sb4S13 32-45 3,5− 4 − Malachit Cu2CO3(OH)2 57,3 3,5− 4 3,6− 4 Tennantit Cu12As4S13 51,75 3− 4,5 4,65 Azurit Cu3(CO3) 2(OH)2 55,1 3,5− 4 3,77− 3,89

Chrysocolla (Cu,Al)2H2Si2O5(OH)4.nH2

Atacamite Cu2Cl(OH)3 58,45 3− 3,5 3,75-3,78

Ở nước ta quặng đồng nằm rải rác và phân bố nhiều khu vực phía bắc, nhất là khu vực Tây Bắc như mỏ Sin Quyền ở Lào Cai Ngoài ra còn một số mỏ nhỏ phân

bố ở hầu khắp các tỉnh như Hòa Bình, Sơn La, Bắc Giang, Lai Châu, Phần lớn các

mỏ đồng này là đồng sunfua, trong khi đó mỏ đồng sunfua tại Việt Nam trữ lượng lại không lớn

Để chế biến làm giàu quặng đồng có hiệu quả, việc nấu luyện sten Cu là cần thiết được thực hiện

PHÂN II TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU QUẶNG ĐỒNG

SUNFUA

II.1 Giới thiệu sơ lược về nguồn quặng đồng sunfua ở Việt Nam

Việt Nam có trữ lượng đồng vào loại khá: Các vùng mỏ quặng đồng chính ở Sin Quyền, Phan Si Pan, Sông Đà, Tri Năng, Tam Kỳ, Tây Ninh Mỏ đồng Sin Quyền được phát hiện từ cuối thập kỷ 50 thế kỷ XX và đến nay đã được thăm dò đánh giá trữ lượng đồng cùng kim loại đi kèm như vàng, bạc, đất hiếm Mỏ đồng Sin Quyền là mỏ đồng lớn nhất Đông Nam Á với trữ lượng tổng cộng trên 100 triệu tấn tinh quặng sunfua đồng (chứa khoảng 1 triệu tấn đồng trị giá gần 200 nghìn tỷ đồng hay 10 tỷ USD) Ngoài ra nước ta có rất nhiều điểm quặng sunfua đồng với trữ lượng nhỏ hơn nằm rải rác ở các tỉnh phía Bắc như Hòa Bình, Sơn La, Lai Châu, Điện biên, Thanh hóa, Thái nguyên … Các mỏ quặng nhỏ đều có thể khai thác tận thu vì hiệu quả kinh tế của việc chế biến quặng đồng thành đồng kim loại tương đối cao và công nghệ đơn giản

Một số đặc điểm chung của quặng đồng ở Việt Nam như sau:

* Quặng đồng chủ yếu phân bố theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Ngoài ra còn gặp hai dải đồng theo hướng kinh tuyến dọc đứt gẫy Điện Biên, Lai Châu, Hoà Bình, Thanh Hoá

* Quặng đồng xuất hiện nhiều trên đới Fansipan Sông Đà, Ninh Bình, nơi có lộ diện các đá biến chất của hệ tầng Sin Quyền, các rìa của một miền võng có kèm theo nhiều hoạt động mạnh mẽ của macma bazo và siêu bazo

* Quặng đồng gặp tại các không gian máng quặng như sau: Vùng quặng đồng Lào Cai, dải quặng đồng Pin Ngạn Chải - Khe Thiên, đới quặng đồng Sông Đà (trong đới quặng đồng này có vùng quặng đồng Tạ Khoa và vùng quặng đồng Sìn Hồ) Dải quặng đồng Lai Châu - Điện Biên, Hoà Bình

II.2.Tình hình khai thác quặng đồng trong và ngoài nước

II.2.1.Tình hình khai thác quặng đồng ngoài nước

II.2.1.1 Quặng sunfua đồng

Các quặng đồng có hàm lượng đồng trong khoáng chứa đồng ở dạng hợp chất oxit không vượt quá 10 - 15% so với tổng hàm lượng đồng trong quặng đầu được coi là quặng sunfua đồng

Việc khai thác và tuyển quặng sunfua đồng được phát triển mạnh mẽ ở Liên

Xô, Hoa Kỳ, Canada, Pêru và Zambia Trong số các khoáng vật sunfua đồng có 3 khoáng vật: chalcopyrit, chalcocit và bornit là có ý nghĩa công nghiệp nhất

Phương pháp chính tuyển quặng sunfua đồng là tuyển nổi Khi tuyển nổi, các sunfua dễ dàng được tách khỏi đất đá thải Thường các sunfua đồng được làm nổi tốt trong môi trường có vôi (pH = 8 - 11), đồng thời vôi đè chìm pyrit Trong một số trường hợp để tăng thực thu vàng người ta sử dụng CuSO4 làm thuốc kích động chalcopyrit và pyrit hoặc tiến hành tuyển nổi ở pH thấp Các xantat (amin, etyl, izopropin, butyl) và aeroflot là thuốc tập hợp tốt đối với sunfua đồng Việc áp dụng các aeroflot ít có hoạt tính với pyrit, tạo điều kiện cho việc chọn riêng các khoáng vật đồng và pyrit Thuốc tạo bọt là dầu thông, BK201 Quặng có chứa nhiều các khoáng đồng thứ sinh thông thường được tuyển nổi với việc sử dụng phối hợp các thuốc tập hợp khác nhau ở mức chi phí khá cao, đồng thời sử dụng các thuốc tạo bọt mạnh

Sơ đồ công nghệ tuyển nổi quặng sunfua đồng có hàm lượng pyrit thấp là đơn giản nhất Khi có nhiều pyrit người ta tiến hành: hoặc là tuyển nổi chọn riêng tuần tự đồng, sau đó pyrit; hoặc tuyển nổi tập hợp đồng - pyrit với việc tuyển tách tiếp theo các khoáng vật đồng từ quặng tinh tập hợp đồng - pyrit

Việc tuyển nổi quặng sunfua đồng có thể thu được tối đa đồng và còn hạn

chế được các tạp chất có hại cho quá trình luyện đồng về sau Việc tuyển nổi quặng

có thể tham khảo tiêu chuẩn chất lượng tinh quặng tuyển của các tác giả Liên Xô (cũ) ở nêu trong bảng 2

Bảng 2 Yêu cầu chất lượng tinh quặng đồng theo tiêu chuẩn ngành của

Liên Xô cũ (OCT 48 - 77 - 74)

Mac

tinh

quặng

Hàm lượng

Cu, 

(%)

Hàm lượng tạp chất, ≤ (%)

Mac tinh quặng

Hàm lượng

Cu, (%)

Hàm lượng tạp chất, ≤ (%)

Ghi chú: 1 KM – Tinh quặng đồng

2 Hàm lượng Mo trong tinh quặng đồng cần ≤ 0,12%, độ ẩm ≤ 13% (không sấy)

3 ППМ-8 là sản phẩm trung gian

II.2.1.2 Quặng đồng phong hóa

Quặng đồng phong hóa phần lớn được thành tạo do quá trình oxy hóa lâu dài, tạo ra dạng quặng thứ sinh, xảy ra ở tầng trên của quặng sunfua đồng Đa số quặng phong hóa được khai thác ở các mỏ quặng sunfua lớn Các khoáng vật chứa đồng phong hóa phổ biến nhất là malachit, azurit, cuprit, tenorit, chrysocolla, atacamit, diopta, chalcantit và brochantit

Theo tính nổi, các khoáng vật đồng phong hóa được chia ra thành: nhóm các khoáng vật dễ nổi, khó nổi và không nổi được

Malachit và azurite nổi khá tốt sau khi sunfua hóa bằng Na2S, với việc sử dụng thuốc tập hợp sulfohydril Khi đi kèm với thạch anh, các khoáng vật này có thể tuyển nổi bằng axit cacboxylic hoặc xà phòng ở pH = 8,5 - 9

Quá trình thủy luyện phối hợp với tuyển nổi để chế biến quặng oxit đồng được áp dụng rộng rãi ở Liên Xô, Hoa Kỳ và các nước khác (Nhật, Nicaragoa ) quặng không nổi được cùng với các khoáng vật thông thường (malachite, azurite, cupit, chrysocolla ) chứa các silicat Al - Cu phức tạp và các hydroxit Fe - Cu, được

áp dụng phương pháp dựa trên cơ sở hoàn nguyên các khoáng vật đồng oxit thành đồng kim loại Nung hoàn nguyên quặng đã nghiền sau khi trộn chúng với than và muối ăn, tiếp tục hòa tách bằng axit sulfuric, xi măng hóa đồng hòa tan bằng sắt nghiền mịn - 0,5 mm và tuyển nổi đồng

Sáng chế của Tiệp Khắc trong tuyển nổi quặng đồng chứa tập hợp các oxit đồng bằng phương pháp tuyển nổi sau khi sunfua hóa sử dụng thuốc tập hợp etylxantat, thuốc tạo bọt, cho thêm các hợp chất của florua (ví dụ NH4F và Na2S) để nâng cao thực thu đồng Khâu tuyển tiếp theo bao gồm phối hợp hòa tách quặng đuôi tuyển nổi đồng bằng axit sunfuric 1%, xi măng hóa đồng bằng bột sắt và tuyển nổi đồng xi măng bằng etylxantat và thuốc tạo bọt ở pH = 3,9 - 4,1

Trên hình 2(trang 5) trình bày một số hình ảnh điển hình về các dạng tập hợp khoáng chalcopyrit và azurit - malachit đi kèm cùng các đá khác như thạch anh, đá vôi, flourit ở các mỏ quặng đồng trên thế giới

II.2.2.Tình hình khai thác và chế biến đồng tại Việt Nam

Quặng đồng được tìm thấy trong ba khu vực ở miền Bắc Việt Nam gồm: Phía Tây của bờ sông Hồng giữa biên giới Lào Cai Việt Nam và Trung Quốc; lưu vực sông Lục Ngạn ở phía đông bắc Sơn La và khu vực ở phía Tây Bắc đồng bằng Bắc Bộ Ngoài ra, các tụ khoáng đồng cũng đã được phát hiện tại Bắc và Trung - Trung Bộ như Thanh Hóa, Quảng Bình, Quảng Ngãi Tuy nhiên, vùng quặng có trữ lượng lớn tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc như vùng Sinh Quyền (Lào Cai), vùng Bản Phúc (Sơn La) Quặng đồng Bản Phúc được tìm thấy từ những năm 1960, được xếp vào loại giàu, hàm lượng đồng 0,5 - 2,5% Cu, hàm lượng vàng 2 g/t Au và một lượng khá lớn niken

Trữ lượng đồng Việt Nam được dự báo vào khoảng 2,21 triệu tấn, trong đó

đã thăm dò đánh giá được 1,24 triệu tấn Trong số các khu vực đã đánh giá trữ lượng, mỏ đồng Sinh Quyền (Bát Xát - Lào Cai) có trữ lượng lớn nhất (100 triệu tấn) và có nhiều loại khoáng sản có ích khác đi kèm như vàng (khoảng 40 tấn), đất hiếm, lưu huỳnh, sắt và sơ chế thành nguyên liệu thô để thương mại Chính vì thế trong luận văn chúng tôi tập trung vào giới thiệu tình hình khai thác và chế biến sâu

của hai mỏ Sin Quyền và Sao Tua

Hiện nay, tại Việt nam nhiều mỏ quặng đồng đã được tiến hành khai thác và chế biến Qua khảo sát thăm dò, chúng tôi mới thấy chỉ có 2 mỏ đồng được khai thác và chế biến sâu thành kim loại trên quy mô công nghiệp, đó là mỏ đồng Sin Quyền (Lào Cai) và mỏ đồng Sao Tua (Sơn La) Các mỏ khác chủ yếu chỉ đầu tư ở quy mô nhỏ cho khai thác và sơ chế thành nguyên liệu thô để thương mại Chính vì thế trong luận văn chúng tôi tập trung vào giới thiệu tình hình khai thác và chế biến sâu của hai mỏ Sin Quyền và Sao Tua

II.3 Tình hình nghiên cứu và chế biến quặng đồng sunfua

II.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Việc nghiên cứu và sản xuất đồng đã có từ rất lâu trên thế giới Cách đây cỡ

6500 năm trước công nguyên đã từng có một xưởng luyện đồng từ quặng trên cao nguyên Anatonia của Thổ Nhĩ Kỳ và năm 1958 Melat (người Anh) trong một lần khai quật đã tìm được những cục xỉ đồng này

Trước khi công nghệ điện phân xuất hiện, ngoài phương pháp luyện kim truyền thống, người ta đã biết dùng phương pháp kết tủa (xi măng hóa) để thu đồng kim loại từ dung dịch đồng sunfat Vào thời vua Lui An (những năm 177- 122 trước Công nguyên) người Trung Hoa đã áp dụng phương pháp này Vào năm 1070, một nhà máy "xi măng hóa" ở vùng Choang san đã có sản lượng hàng năm là 190 tấn đồng Vào thời Trung cổ, nhà giả kim thuật Paracelsus ở châu Âu (1493- 1541) đã miêu tả phương pháp xi măng hóa trong cuốn sách của mình Vào những năm 1750

ở Tây Ban Nha, lần đầu tiên người ta đã tiến hành phương pháp ngâm chiết đống lớn để sản xuất đồng sunfat ở quy mô công nghiệp Thoạt đầu, quặng đồng được nghiền nhỏ rồi rải trên các bản gỗ dầy Các lớp quặng đồng và đệm gỗ được xếp lần lượt chồng lên nhau tạo ra một khối có kết cấu vững chắc Phía dưới cùng là phần đáy hơi nghiêng và không thấm nước Tiếp đó, người ta châm lửa đốt gỗ để gỗ cháy

từ dưới lên trên và khi việc này hoàn thành thì tưới nước dần dần từ phía trên xuống Nước thấm qua đống quặng đã thiêu kết và hòa tan cả đồng, sắt ở dạng sunfat Dung dịch muối sunfat được tách sắt để lấy đồng sunfat tương đối sạch dùng

cho các quá trình xử lý tiếp theo

Hình 2: Các khoáng vật của đồng

Chalcopyrit (Zacatecas, Mexico) Chalcocit (Cornwall, England)

Azurit (Mai Sơn, Sơn La, Việt Nam) Malachit (Yudnamutana Australia)

Atacamite (Atacama Chi Lê)

Hình 2: Ảnh đặc trưng của một số tập hợp khoáng chứa đồng đặc xít trên

thế giới (Nguồn: www.mindat.org)

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, công nghệ luyện đồng từ nguồn quặng sunfua có nhiều phương pháp khác nhau:

14

 Công nghệ hỏa luyện và điện phân thường dùng phổ biến trên thế giới mô tả ngắn gọn theo sơ đồ hình 3 dưới đây:

Hình 3: Sơ đồ công nghệ luyện đồng sunfua trên thế giới

Ưu điểm của phương pháp này là quá trình luyện nhanh gọn, có tỷ lệ thu hồi

đồng từ tinh quặng tương đối cao đạt trên 95% Nhược điểm cơ bản đã tạo ra chất

thải công nghiệp là xỉ nấu luyện (xỉ đồng) chứa tới 1% Cu và các kim loại nặng

khác nhau Chi phí xử lý tiêu hủy bắt buộc các chất thải này rất lớn, có thể dẫn đến

phá sản nhà máy nên các nhà đầu tư không chú trọng như trước đây

* Phương pháp thủy luyện hòa tách quặng đồng chalcopyrit đã được các nhà khoa

học Mỹ xây dựng và phát triển từ những năm 1900

Quy trình thủy luyện trên là quá trình chuyển hóa chalcopyrit thành dạng dễ

hòa tan hơn Cu5FeS4, Cu3FeS4 và hỗn hợp của chúng để quá trình thủy luyện sau được diễn ra thuận tiện

Tuy nhiên quá trình chuyển hóa chalcopyrit này lại phức tạp do người ta dùng

thêm khí sunfua để phản ứng với chalcopyrit ở nhiệt độ 4600

C – 5000C, áp suất 200

- 750mmHg Quá trình phản ứng thủy luyện tiếp theo bao gồm các bước:

Luyện chảy Stên thô

Cu>40%

Tinh quặng đồng Cu>20%

Đồng thô Cu>95%

Nấu luyện

Cu>99,95%

Đồng thô Cu>99,5

Tinh luyện

Hình 4: Sơ đồ công nghệ luyện đồng của các nhà khoa học Mỹ (1975)

Hòa tách sunfua với CuCl2 để hòa tan tinh quặng, do đó tạo thành một hỗn hợp có chứa CuCl;

 Kết tinh CuCl từ dung dịch và tách các tinh thể CuCl ra khỏi dung dịch đó;

 Phản ứng các tinh thể CuCl với acid sulfuric và oxy để tạo ra các tinh thể đồng sunfat;

 Tách tinh thể từ dung dịch đồng sunfat;

 Hòa tan các tinh thể đồng sulfat tách ra trong dung môi acid sulfuric

 Điện phân dung dịch đồng sulfat tạo đồng kim loại ở catot

Quy trình công nghệ này có nhược điểm lớn là phải đưa thêm lưu huỳnh ở dạng khí hydrosunfua độc vào để thiêu chuyển hóa chancopirite thành các hợp chất

Cu5FeS4, Cu3FeS4 Ngoài ra quy trình công nghệ này còn phải sử dụng nhiều khâu hòa tách, lọc, tiêu tốn khá nhiều dung môi tách chiết

Tuy nhiên, đây cũng là một quy trình độc đáo vì có kết hợp giữa hỏa luyện (thiêu ở nhiệt độ tương đối thấp 400-5000C), với thủy luyện gồm tách chiết, điện

phân ở điều kiện thông thường với mức đầu tư cơ bản không cao, dây chuyền máy móc đơn giản

Gần đây trên thế giới đã xuất hiện một số quy trình thủy luyện mới như:

* Quy trình công nghệ thủy luyện đồng mới từ quặng sunfua theo các phương pháp Albion (Liên bang Nga đang chào bán dây chuyền thiết bị Albion cho Tổng công ty khoáng sản Việt Nam) Phương pháp này cho phép sunfat hóa hòa tan đồng vào dung dịch theo phản ứng tổng quát đối với tinh quặng chalcopyrit như sau:

CuFeS2 + 2Fe2(SO4)3  CuSO4 + 2S° + 5FeSO4 Đây là quy trình công nghệ đơn giản nhưng dây chuyền thiết bị lại đắt tiền, nhược điểm chính là phải nghiền mịn quặng với kích thước hạt khoảng 80% đạt cỡ

8 - 12 m tốn kém nhiều năng lượng và vật liệu nghiền theo công nghệ Xstrata IsaMill

* Quy trình thủy luyện bằng phương pháp vi sinh vật được thực hiện nhờ các phương thức trao đổi trực tiếp hoặc gián tiếp của vi sinh vật:

Cơ chế trực tiếp: MeS + O2 MeSO4

Cơ chế gián tiếp: Bước 1 - MeS  Me2+ + S

Vi khuẩn

Vi khuẩn

Hiện nay, các bí quyết của quy trình công nghệ thủy luyện đồng nêu trên được bảo vệ nghiêm ngặt và được chào bán với giá rất cao Ví dụ dây chuyền theo công nghệ Albion được chào bán với giá khoảng 300 triệu USD – quá cao so với khả năng của nhiều nước, trong đó có nước ta Do đó để phát triển được công nghệ thủy luyện theo ý đồ mới với chi phí thấp nhất, chỉ còn cách đầu tư nghiên cứu dựa vào chính các nguồn nội lực (nhân lực, vật lực) của các nước này

Theo số liệu thống kê thì phương pháp hoả luyện đã chế biến tới 70 – 80% sản lượng đồng của thế giới, trong đó 90% lượng đồng sau hoả luyện tiếp tục tinh luyện bằng phương pháp điện phân Phương pháp thủy luyện chế biến tới 20 - 30% lượng đồng của thế giới Phương pháp thủy luyện ngày càng được ứng dụng sản xuất do

có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với hỏa luyện, đó là: Các quá trình dễ thực hiện, máy móc thiết bị đơn giản, chủ yếu là các bể hòa tan, chi phí đầu tư thấp, có thể đầu

tư thành từng cụm với thiết bị công suất nhất định

II.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta, hầu như không có các nghiên cứu khoa học công nghệ về luyện kim đồng được áp dụng vào thực tiễn sản xuất Tuy nhiên, trong vòng 5 năm trở lại đây, tại Lào cai đã xuất hiện tổ hợp luyện quặng sunfua đồng quy mô công nghiệp vừa (trung bình) nhập dây chuyền công nghệ từ Trung quốc Quy trình sản xuất của dây chuyền này chủ yếu theo sơ đồ phổ cập ở hình 1 Tuy nhiên có áp dụng thử nghiệm ý đồ mới là sử dụng nhiệt của phản ứng đốt cháy lưu huỳnh để nấu luyện ra sten Mặc dù lượng sten thu được chỉ khoảng 60%, còn lại 40% sten vẫn còn nằm trong xỉ Để thu hồi sten trong xỉ, nhà máy phải tiến hành nghiền lại xỉ và tuyển nổi sten Đây là biện pháp khắc phục tốn kém vì xỉ rất rắn và dai, gây tiêu hao rất nhiều năng lượng và chi phí vật tư chịu mài mòn cho quá trình nghiền Hiện nay nhà máy đầu tư tiếp dây chuyền giai đoạn 2 là lò hồ quang công suất lớn nhằm bổ sung cho khâu luyện xỉ sau nấu luyện ban đầu để thu hồi nốt sten, thay cho công đoạn nghiền tuyển Tuy nhiên trong cả hai trường hợp nghiền tuyển hoặc nấu luyện bổ sung, xỉ thải cuối cùng vẫn còn chứa khoảng 0,8 - 1% Cu và các kim loại nặng khác nhau

Do đó xỉ thải bị coi là chất thải công nghiệp nguy hại (tương tự như hạt nix ở Khánh

Hòa) và được chất đống trong phạm vi nhà máy với số lượng ước tính trong 5 năm qua khoảng 300 ngàn tấn Mỗi tấn xỉ thải đồng cần phải chi phí trung bình 10 triệu đồng để xử lý tiêu hủy Do đó để xử lý môi trường 300 ngàn tấn xỉ thải này thì cần chi phí khoảng 3000 tỷ đồng Nếu phải chấp hành bỏ ra 3000 tỷ đồng để xử lý tiêu hủy 300 ngàn tấn xỉ thải thì chắc chắn nhà máy sẽ bị phá sản Đây là tình trạng chung của các nhà máy luyện đồng theo sơ đồ công nghệ ở hình 1 phổ biến trên thế giới và đó chính là động lực để các nhà đầu tư luyện kim thế giới nghiêng dần về phương hướng áp dụng các quy trình thủy luyện trong sản xuất đồng

Đối với hệ quặng đồng đã phong hóa (dạng oxit, cacbonat như malachit

Cu2{(OH)2/CO3)}, azurit 2CuCO3.Cu(OH)3, cuprit Cu2O, chrysocol CuSiO3.2H2O ), hiện nay đã xuất hiện nhà máy luyện kim đồng tại Sơn La, Bắc Giang chế biến theo phương pháp thủy luyện có công suất xử lý 20 - 30 tấn quặng đồng hệ này (thu được 1 - 2 tấn đồng kim loại/ngày đêm) Dây chuyền của nhà máy này cũng được nhập từ Trung quốc, hoạt động trên nguyên tắc hòa tách trực tiếp đồng từ quặng bằng axit sunfuric Tại đây có cả nguồn quặng sunfua đồng nhưng chưa có kỹ thuật

xử lý chế biến

Nhìn chung ở Việt Nam các nhà máy chế biến quặng đồng đều mua dây chuyền công nghệ của Trung quốc: dây chuyền hỏa luyện chủ đạo kèm theo điện phân cho xử lý quặng sunfua đồng, dây chuyền thủy luyện (bao gồm cả điện phân) cho xử lý quặng đồng phong hóa Chưa có công nghệ và dây chuyền chế biến quặng đồng sunfua bằng phương pháp thủy luyện chủ đạo, trong khi loại quặng gốc hệ sunfua đồng lại rất sẵn có, cần phải được đầu tư chế biến theo công nghệ mới nhằm tránh được nhược điểm cố hữu về phát sinh chất thải công nghiệp (xỉ đồng) chứa hàm lượng kim loại nặng cao của phương pháp nấu luyện nêu trên

Trong thời gian qua Viện Khoa học vật liệu đã rất quan tâm nghiên cứu phát triển công nghệ luyện kim đồng trên cơ sở kết hợp các phương pháp thủy và hỏa luyện (thiêu, nấu luyện), với chủ đạo là phương pháp thủy luyện (bao gồm cả điện phân) Mục đích chủ yếu của phương pháp mới dự kiến sẽ giải quyết được những vấn đề cơ bản như sau:

Vốn đầu tư cơ bản thấp, trang thiết bị đơn giản, có thể tự chế trong nước Khai thác được các điểm mạnh của cả 2 phương pháp:

* Thủy luyện cho phép điều chế ra kim loại đồng trực tiếp từ nguyên liệu tinh quặng sunfua sau thiêu

* Hỏa luyện phục vụ cho việc chế biến các loại tinh quặng thành nguyên liệu trực tiếp cho thủy luyện Nguyên liệu trực tiếp này chính là các thiêu phẩm từ tinh quặng ban đầu hoặc tinh quặng tái chế Tinh quặng tái chế được nấu luyện từ cặn thải tinh quặng sau thủy luyện (gọi là cặn thủy luyện)

* Bảo đảm thu hồi được kim loại quý như các phương pháp khác thấp hơn 0.2%, hàm lượng tổng các nguyên tố kim loại nặng độc hại như As, Sb thấp hơn 0.2% Xỉ thải đủ tiêu chuẩn về an toàn môi trường để làm vật liệu xây dựng đơn giản

Hiện nay, tại Việt nam nhiều mỏ quặng đông đã được tiến hành khai thác và chế biến Qua khảo sát thăm dò chúng tôi thấy có 2 mỏ đồng được khai thác và chế biến bảo đảm tỷ lệ thu hồi kim loại đồng trên 95%, cao hơn so với phương pháp hỏa luyện đơn thuần (90 - 95%) Chất thải rắn là xỉ của quá trình nấu luyện tái chế cặn thủy luyện Xỉ này có hàm lượng đồng biến sâu thành kim loại trên quy mô công

nghiệp Hai mỏ đồng đó là mỏ đồng Sin Quyền (Lào Cai) và mỏ đồng Sao Tua (Sơn La) Các mỏ khác chủ yếu chỉ đầu tư ở quy mô nhỏ cho khai thác và sơ chế

thành nguyên liệu thô để thương mại Chính vì vậy, trong thuyết minh luận văn này chúng tôi tập trung vào giới thiệu tình hình hoạt động khai thác và chế biến sâu của hai mỏ Sinh Quyền và Sao Tua

 Hoạt động của nhà máy khai thác và chế biến quặng đồng Sin Quyền : Khai thác và tuyển nổi đồng: Từ năm 1994 đến 2001, mỏ đồng Sin Quyền

(Bát Xát, Lào Cai) đã được Công ty Kim loại mầu Thái Nguyên liên doanh với Công ty Khoáng sản Lào Cai khai thác chế biến ở quy mô nhỏ quặng sunfua đồng

có hàm lượng xấp xỉ 1,5% Cu được tuyển thu hồi quặng tinh 20% Cu, sản lượng quặng tinh đồng hàng năm đạt xấp xỉ 3.500 tấn và phục vụ chủ yếu cho xuất khẩu

Từ 2006 Công ty Mỏ tuyển đồng Sin Quyền thuộc Tổng Công ty Khoáng sản - Vinacomin trú trên hai xã Bản Vược và Cốc Mỳ huyện Bát Xát, tỉnh Lào Cai đi vào

sản xuất Với hệ thống máy móc thiết bị công nghệ tiên tiến được đầu tư đồng bộ, tại đây là một tổ hợp dây chuyền công nghệ khai thác và tuyển quặng đồng hiện đại nhất Việt Nam hiện nay nên Công ty đã khai thác trên 1,2 triệu tấn quặng đồng và thu được 45 - 50 ngàn tấn tinh quặng đồng mỗi năm cung cấp cho Nhà máy luyện đồng tại Tằng Loỏng và phục vụ xuất khẩu Nhờ công nghệ sản xuất tiên tiến hiện đại Công ty có thể tuyển được quặng đồng có hàm lượng thấp từ 0,8% trở lên với tỷ

lệ thu hồi trên 92%

Đặc điểm quặng đồng ở các vùng mỏ khu vực Tây Bắc Việt Nam là có thành phần khoáng chứa đồng chủ yếu là các khoáng sunfua như chalcopyrit, chalcocit, ngoài ra trong quặng còn chứa một lượng nhỏ các khoáng đồng cacbonat như azurit

và malachit Trên hình 5 trình bày một số hình ảnh điển hình về các dạng tập hợp khoáng chalcopyrit đi kèm với pirit và cùng các đá khác như thạch anh, đá vôi, fluorit

Hình 5:Mẫu quặng chứa chalcopyrit và lượng nhỏ azurit, malachit ở mỏ Sin Quyền

Thành phần khoáng chứa đồng chính trong quặng đồng vùng Sin Quyền hiện đang khai thác và chế biến là các khoáng đồng sunfua như chalcopyrit, chalcocit nên giống như công nghệ tuyển quặng đồng sunfua trên thế giới, quy trình tuyển đồng ở Sin Quyền áp dụng phương pháp tuyển nổi

Theo ảnh chụp cấu trúc bề mặt của quặng đồng Sin Quyền cho thấy các khoáng chứa đồng và tạp chất liên kết với nhau rất chặt chẽ, xâm nhiễm rất mịn, do

đó phải nghiền quặng đến độ hạt rất nhỏ mới có thể giải phóng được các khoáng có

ích cần thu hồi ra khỏi đất đá

Hình 6:Sơ đồ công nghệ tuyển nổi quặng sunfua đồng có hàm lượng pyrit cao

Tuyển nổi đồng Sin Quyền là tuyển tách các khoáng sunfua ra khỏi đất đá tạp Thực tế cho thấy, các sunfua đồng nổi tốt trong môi trường kiềm có pH = 8 – 9 nên thường sử dụng vôi để tạo môi trường và vôi đè chìm pyrit Trong một số trường hợp

Tuyển vét

Cu Tuyển thô S

Tuyển vét S Tuyển tinh S1

Tuyển tinh S2

Tuyển tinh nhanh Tuyển tập hợp

Tuyển thô Fe Tuyển tinh

Fe1

Q.tinh Cu 1

T.vét tập hợp

1 T.vét tập hợp

2 Tuyển tinh

Cu1 Tuyển tinh

Cu2

Q.tinh Cu 2

Tuyển tinh Fe2

Q.tinh Fe Q.tinh S

để tăng thực thu vàng người ta sử dụng CuSO4 làm thuốc kích động chalcopyrit và

pyrit hoặc tiến hành tuyển nổi ở pH thấp Các xantat (amin, etyl, izopropin, butyl) và

aeroflot là thuốc tập hợp tốt đối với đồng sunfua Việc áp dụng các aeroflot ít có

hoạt tính với pyrit, tạo điều kiện cho việc chọn riêng các khoáng vật đồng và pyrit

Thuốc tạo bọt là dầu thông, BK201 Để thu hồi các khoáng chứa đồng thứ sinh,

thông thường người ta tuyển nổi sử dụng phối hợp các thuốc tập hợp khác nhau ở

mức chi phí thuốc cao, đồng thời sử dụng các thuốc tạo bọt mạnh Sơ đồ công nghệ

tuyển nổi quặng sunfua đồng có hàm lượng pyrit cao như quặng đồng Sin Quyền

hiện nay như trình bày trong hình dưới

Phân xưởng hỏa luyện

Lò SKS nấu luyện trực tiếp TQ ra Sten Lò phản xạ tinh luyện

Sản xuất đồng từ tinh quặng đồng Sin Quyền :

Tinh quặng đồng Sin Quyền được đưa sang nhà máy luyện đồng Tằng Loỏng để tiếp tục chế biến ra đồng kim loại Dây chuyền công nghệ của nhà máy nhập từ Trung Quốc, hoạt động theo sơ đồ công nghệ hỏa luyện như trên hình 6 Dây chuyền luyện đồng này tương đối đồng bộ, có công suất chế biến 50 - 60 ngàn tấn tinh quặng mỗi năm và hiện là duy nhất ở Việt nam Dây chuyền gồm các bộ phận chủ yếu : Lò nấu luyện tinh quặng ra sten (Lò SKS); Lò phản xạ tinh luyện sten và hoàn nguyên ra đồng thô; Thiết bị đúc phôi đồng catot; Thiết bị điện phân đồng thô (96 - 98%Cu) thành đồng tinh (> 99,5%) Một số hình ảnh các thiết bị này được

giới thiệu ở trên

 Quá trình luyện đồng tại nhà máy được thực hiện theo trình tự như sau :

Tinh quặng đồng được nấu luyện trực tiếp cùng các chất phụ gia trong lò SKS (Tiếng Trung: Khẩu Hỏa Sơn) thành xỉ và sten Nhiệt lượng được cấp nhờ phản ứng oxy hóa đốt cháy lưu huỳnh Quá trình nấu luyện này có lợi về nhiệt nhưng bất lợi cho các phản ứng hóa lý luyện kim Cụ thể là phối liệu (gồm tinh quặng và các chất phụ gia) đưa vào liên tục khiến môi trường luyện luôn bị xáo trộn, xỉ và sten được hình thành không có đủ nhiệt độ và thời gian để lắng đọng và phân lớp, do đó khi tháo ra chỉ thu được khoảng 60% lượng sten, 40% lượng sten còn lại vẫn nằm trong

xỉ Trung bình mối năm lò nấu luyện của nhà máy tạo ra khoảng 60 ngàn tấn xỉ còn chứa đến 40% lượng sten Để thu hồi lượng sten này, trước đây nhà máy phải bổ sung thêm hệ thống nghiền mịn xỉ và tuyển nổi (xem hình 8g) Do lượng xỉ quá nhiều, xỉ rất rắn và dai nên phải chi phí tốn kém về năng lượng, vật liệu nghiền và không xử lý kịp phải chất đống chờ xử lý lần lượt (xem hình 8h)

Đặc biệt, xỉ thải cuối cùng sau nghiền tuyển vẫn còn chứa nhiều kim loại nặng (hàm lượng đồng khoảng 0.8 - 1%) thuộc loại chất thải công nghiệp nguy hại cần xử lý tiêu hủy Theo ước tính, nếu phải xử lý tiêu hủy xỉ thải triệt để thì cần chi phí khoảng 10 triệu đồng/tấn Để xử lý toàn bộ lượng xỉ 60 ngàn tấn thải ra thì nhà máy phải cần khoảng (60 ngàn T)x(10 triệu đ/T) = 600 tỷ đồng Đây là số tiền rất lớn không thể đáp ứng được Vì thế phần xỉ thải đánh đống trong khuôn viên nhà

máy rất lớn, trong 5 năm qua lên tới hàng trăm ngàn tấn Gần đây (năm 2011) nhà máy đã phải đầu tư thêm hệ thống lò hồ quang công suất khoảng 4500KVA để nấu luyện lại xỉ ra lò để thu hồi sten thay cho hệ thống nghiền tuyển xỉ kém hiệu quả Nhưng lò luyện này cũng chỉ là giải pháp tình thế vì không đủ công suất để sử lý hết

số xỉ do lò SKS tạo ra hàng ngày Xỉ thải cuối cùng vẫn còn chứa nhiều kim loại nặng (hàm lượng đồng còn khoảng 0.6 - 0.8%) và bị coi là chất thải nguy hại cần sử

lý triệt để

7e- Thiết bị đúc phôi anot từ đồng thô 7f- Dây chuyền điện phân

7g- Thiết bị nghiền tuyển xỉ đồng để thu

hồi sten

7h- Một góc bãi thải xỉ đồng

Hình 7- Các thiết bị dây chuyền hỏa luyện của nhà máy Luyện đồng Tằng loỏng

Toàn bộ sten thu hồi được chuyển sang lò phản xạ tinh luyện và hoàn nguyên đồng để chế tạo ra đồng thô hàm lượng khoảng 96 - 98%Cu

Đồng thô được chuyển sang thiết bị đúc thành phôi anot (hình 8e)

Phôi anot đồng thô được tinh luyện tại xưởng điện phân (hình 8f) thành sản phẩm kim loại đồng tinh với độ sạch > 99.5%

Tỷ lệ thu hồi đồng từ tinh quặng bằng phương pháp luyện kim nêu trên đạt khoảng 90 - 95%

 Tóm lại Tổ hợp khai thác, tuyển và chế biến quặng đồng Sin Quyền là tổ

hợp khai khoáng và luyện kim tương đối đồng bộ, có năng suất khá lớn và dây chuyền khép kín, cho phép thu hồi 85 - 90% đồng từ quặng tính chung cho cả hai công đoạn tuyển và luyện kim Tuy nhiên điểm hạn chế cơ bản của khâu nấu luyện theo công nghệ hỏa luyện (nhập theo dây chuyền) là không tạo ra được môi trường nấu luyện hợp lý nên việc nấu luyện phải trải qua 2 lần lò (lò SKS và lò hồ quang) khiến cho không lợi dụng nhiệt ở lò SKS Đồng thời xỉ thải còn chứa một lượng kim loại nặng đáng kể (Hàm lượng đồng Cu từ 0.6 - 1%) là chất thải công nghiệp nguy hại, đang chất đống trong nhà máy, nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng Để khắc phục vấn đề này, nhà máy cần đầu tư nghiên cứu xây dựng và áp dụng quy trình công nghệ nấu luyện mới trong lò hồ quang (bỏ lò SKS không hiệu quả) với chế độ phối liệu thích hợp mới có thể tạo ra xỉ kiềm có độ sạch cao (hàm lượng đồng Cu < 0.2%), không gây ô nhiễm môi trường

 Hoạt động của nhà máy khai thác và chế biến quặng đồng Sao Tua :

Tỉnh Sơn La (vùng Tây Bắc) có tới 175 điểm mỏ quặng kim loại (hình 9) trong đó riêng mỏ quặng đồng lên tới 30 điểm như điểm mỏ Nà Hem, Cò Muông, Vạn Sài, Đá Đỏ, Bản Mèo, Bản Lét, Suối Sập, , trong đó mỏ có trữ lượng lớn nhất

là mỏ hợp kim niken đồng cỡ 2 - 3 triệu tấn quặng đặc xít và cỡ vài chục triệu tấn quặng xâm tán tại Bản Phúc Đặc điểm quan trọng của các mỏ quặng đồng vùng Sơn La là trữ lượng trung bình và thấp, cỡ vài trăm nghìn tấn Về nguồn gốc thường

là nhiệt dịch dạng sunfua phía dưới và phong hóa dạng oxit, cacbonat, hydroxit, atacamite phía trên Do sự đa dạng về hợp chất có chứa đồng trong quặng, trong khi trữ lượng mỗi điểm mỏ vào loại trung bình và nhỏ gây nên sự khó khăn nhất định trong việc lựa chọn công nghệ chế biến sâu thành kim loại

Mỏ quặng đồng Sao Tua tại Bản Sao Tua, xã Tân Hợp, huyện Mộc Châu, tỉnh Sơn La là một trong những mỏ có trữ lượng trung bình, là mỏ mới được phát hiện

Vị trí mỏ cũng tương đối thuận lợi về mặt giao thông, gần Quốc lộ 6 nối Hà Nội với Thành phố Sơn La, Điện Biên, ngoài ra mỏ cũng được bao bọc bởi Quốc lộ 37 và

47 Mặt khác mỏ nằm gần đầu nguồn dẫn vào hồ thủy điện Hòa Bình, nên nguồn điện và nguồn nước phục vụ cho khai thác, chế biến quặng rất thuận lợi nhất là đối với phương pháp thủy luyện Về mặt khoáng chất mỏ Sao Tua bao gồm cả quặng phong hóa phía trên và quặng sunfua dưới tầng sâu (xem hình 11)

Hiện tại mỏ đồng Sao Tua đã được tỉnh Sơn La giao cho Công ty cổ phần khoáng sản Tây Bắc khai thác và chế biến sâu quặng thành kim loại đồng

Hình 8: Vị trí mỏ quặng kim loại khu vực tỉnh Sơn La

Hình 9- Mẫu quặng chancopirite (sunfua) và quặng đồng phong hóa

của mỏ đồng Sao Tua, Mộc Châu, Sơn La

Công ty cổ phần Khoáng sản Tây Bắc có kế hoạch đầu tư xây dựng nhà máy theo 2 giai đoạn :

* Giai đoạn 1: từ dây chuyền khai thác quặng đồng phong hóa và dây chuyền chế biến sâu Giai đoạn này đã đầu tư xong, nhà máy đã khai thác, chế biến quặng phong hóa thành đồng kim loại thương phẩm bắt đầu từ năm 2011

* Giai đoạn 2: tiếp tục đầu tư dây chuyền chế biến sâu quặng đồng sunfua khi điều kiện công nghệ cho phép (lựa chọn được công nghệ thích hợp)

Hiện nay nhà máy đang khai thác và chế biến quặng đồng phong hóa theo công nghệ thủy luyện với trình tự như sau :

 Quặng phong hóa có hàm lượng đồng trung bình khoảng 2% được khai thác với sản lượng 70 - 80 tấn mỗi ngày Quặng được nghiền mịn đến kích cỡ <

50m rồi đưa sang bể hòa tách thu được dung dịch sunfat đồng sơ cấp nồng độ

chuyển sang hệ thống chiết để tiếp tục tuần hoàn cùng với dung dịch sơ cấp ban đầu

Hình 10: Vị trí mỏ quặng đồng Sao Tua xã Tân Hợp, Mộc Châu, Sơn La

Sao Tua

y Tua

Hình 11: Nhà máy luyện kim đồng thuộc Công ty CPKS Tây Bắc tại mỏ Sao Tua

Hình 12: Sơ đồ công nghệ chế biến quặng đồng phong hóa tại nhà máy

luyện kim đồng Sao Tua thuộc công ty cổ phần khoáng sản Tây Bắc

Quặng

Nghiền ướt Tuyển

Tinh quặng oxit, hydroxit

Tinh quặng sunfua

Hòa tách

Điện phân dung dịch

Đồng

Chiết và giải chiết

Như vậy dây chuyền chiết và điện phân là dây chuyền tuần hoàn, hoạt động khép kín và tương đối hiệu quả Đây chính là điểm nổi bật của dây chuyền thủy luyện của nhà máy so với sơ đồ công nghệ cổ điển trên hình 3 Vận hành theo quy trình công nghệ thủy luyện nêu trên, hiện tại dây chuyền của nhà máy có hể xử lý chế biến khoảng 70-80 tấn quặng đồng phong hóa, sản xuất ra 1,5-2 tấn kim loại đồng thương phẩm Nhà máy đang có kế hoạch nâng công suất lên gấp đôi trong thời gian tới Sơ đồ công nghệ của nhà máy được giới thiệu ở hình 11

Trong thời gian gần đây, Phòng Công nghệ kim loại thuộc Viện Khoa học Vật liệu đã được đầu tư nghiên cứu công nghệ thủy luyện tinh quặng sunfua đồng thành dung dịch sunfat đồng Rồi từ đó tinh chế ra các sản phẩm chứa đồng sạch như oxit, sunfat và kim loại đồng điện phân Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tinh quặng đồng càng có hàm lượng đồng cao thì hiệu quả của thủy luyện càng cao,

có thể thu hồi đạt trên 95% lượng đồng trong tinh quặng Bởi vậy nếu nâng hàm lượng tinh quặng lên gấp đôi từ 20% lên trên 40% thì quá trình thủy luyện càng đạt hiệu quả thu hồi cao và chất thải sau thủy luyện còn lại rất ít, có thể dễ dàng xử lý môi trường hoặc chế biến trở lại thành tinh quặng tái chế Bởi vậy việc nâng cao hàm lượng tinh quặng lên gấp đôi bằng phương pháp nấu luyện ra sten là một trong những hướng nghiên cứu phát triển của Viện Khoa học Vật liệu nhằm nghiên cứu hoàn thiện các quy trình công nghệ thủy luyện tinh quặng đồng sunfua, tiến tới áp dụng có hiệu quả vào thực tiễn sản xuất cho các mỏ đồng có quy mô vừa và nhỏ thuộc các vùng Sơn La và Tây Bắc Việt Nam

Do đó Học viên được giao thực hiện đề tài cao học về “Nghiên cứu công nghệ luyện Sten – Cu từ quặng sulfua đồng”

II.4 Mục tiêu nghiên cứu

Nấu luyện phối liệu tinh quặng đã thiêu sơ bộ khử lưu huỳnh với các chất trợ dung cần thiết để thu được sten đồng với hàm lượng đồng tăng gấp đôi so với tinh quặng ban đầu

II.5.Đối tượng nghiên cứu.

Quặng đồng sử dụng để nguyên cứu nấu luyện là quặng đồng sunfua lấy ở

nhà máy luyện đồng Sao Tua Mộc Châu (Sơn La) Do phòng Công nghệ kim loại đang hợp tác nghiên cứu với nhà máy luyện đồng Sao Tua nên có nguồn nguyên liệu phục vụ cho quá trình nghiên cứu rất ổn định Vì thế đề tài nghiên cứu của

chúng tôi cần thực hiện là “Nghiên cứu công nghệ nấu luyện Sten đồng từ quặng đồng sunfua ”

II.6 Nội dung nghiên cứu

* Nghiên cứu và chọn lựa được những nguyên vật liệu phù hợp cho quá trình nấu luyện Sten đồng từ tinh quặng

* Nghiên cứu, tìm hiểu cách sử dụng và vận hành lò điện hồ quang công suất 150KVA để nấu luyện Sten đồng từ tinh quặng sunfua

* Nghiên cứu chọn lựa chế độ xỉ ba nguyên CaO- Fe2O3 - SiO2 phù hợp với chế độ phối liệu quá trình nấu luyện

* Nghiên cứu quá trình nấu luyện Sten từ quặng sunfua trong lò hồ quang

PHẦN III CƠ SỞ LÝ THUYẾT

III.1 Xỉ trong quá trình nấu luyện đồng

III.1.1 Xỉ là gì

Trong quá trình luyện đồng, có 3 giai đoạn người nấu luyện cần phải tạo xỉ, đó

là giai đoạn luyện Sten, giai đoạn luyện đồng thô và giai đoạn hoả tinh luyện Khi luyện Sten từ quặng hay tinh quặng đồng đã thiêu, các hợp chất sunfua bị chảy lỏng và các loại hợp chất oxit cũng bị cháy lỏng Do trọng lượng riêng của chúng khác nhau mà các hợp chất sunfua có tỉ trọng lớn hơn sẽ lắng xuống phía dưới và được coi là Sten, còn các hợp chất oxit do có tỉ trọng nhỏ hơn tạo nên lớp phía trên và được gọi là xỉ

Khi luyện đồng thô các hợp chất sunfua của các kim loại khác đồng bị oxit hoá trở thành các oxit Cần phải tách các oxit này ra khỏi lớp đồng kim loại Khi đó người ta cũng phải tạo xỉ để thu hút các loại oxit này

Khi hoả tinh luyện đồng tự động thô, các kim loại lẫn ở trong đồng bị oxit hoá

và tạo ra oxit Cũng cần phải tạo xỉ để tách các hợp chất oxit này ra khỏi kim loại

Từ đó thấy rằng xỉ là một tổ hợp chủ yếu là gồm các chất oxit do đã có sẵn trong nguyên liệu trước khi luyện hay do cho thêm vào trong quá trình luyện nhằm mục đích chính làm tách các oxit tạp ra khỏi những chất cần luyện Trong xỉ luyện đồng, các oxit chủ yếu tạo thành xỉ là FeO, SiO2, CaO

III.1.2 Tính chất và yêu cầu của xỉ luyện đồng

III.1.2.1 Tính chất của xỉ luyện đồng

Việc đánh giá xỉ, người ta căn cứ vào các tính chất chủ yếu sau

* Thành phần hoá học của xỉ: xem xét hàm lượng của các nguyên có trong xỉ làm cơ sở để phán đoán các tính chất khác nhau của xỉ và đánh giá xỉ Trong xỉ luyện đồng thường có các cấu tử:

Ôxit axit: SiO2, Fe2O2, P2O5, As2O5

Ôxit bazơ: FeO, CaO, MgO, BaO, Cu2O, ZnO, Al2O3

Sunfua: FeS, Cu2S

Và những hợp chất do sự kết hợp lẫn nhau giữa các cấu tử đơn giản đó Tác

dụng của từng cấu tử đến các tính chất của xỉ thay đổi như thế nào sẽ phân tích ở những mục sau

* Độ kiềm và độ silicat của xỉ:

Tuỳ thuộc vào tỉ lệ tương quan giữa các oxit axit và oxit bazơ có trong xỉ mà

ta gọi là xỉ kiềm hay xỉ axit Có 2 cách để đánh giá xỉ theo tính chất này:

Cách thứ nhất: đưa vào tỉ lệ giữa hàm lượng của hai oxit kiềm và oxit axit mạnh nhất có trong xỉ là CaO và SiO2

B được gọi là độ kiềm của xỉ, khi B > 1 thì gọi là xỉ kiềm,

còn khi B < 1 thì gọi là xỉ axit

Cách thứ hai: dành riêng cho xỉ axit Khi SiO2 trong xỉ quá nhiều thì các hợp chất oxit khác kết hợp với SiO2 theo những tỉ lệ phần tử khác nhau, lúc đó dùng độ Silicat của xỉ để đánh giá tính axit của nó

OSiO2 (Số nguyên tử O của SiO2)

Thường xỉ luyện đồng có độ silicat K = 1,3 – 2,0

* Tỉ trọng của xỉ

Đây là chỉ một tiêu quan trọng của xỉ luyện đồng Xỉ nhẹ có tỉ trọng bé thì càng dễ nổi và do đó càng dễ phân tách ra khỏi các pha cần luyện Tỉ trọng của xỉ lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào tỉ trọng và hàm lượng của các cấu tử có mặt trong xỉ Sau đây là tỉ trọng của một số cấu tử chính của xỉ luyện đồng

% CaO

B =

% SiO2

Cấu tử SiO2 FeO Fe2O3 Fe3O4 CaO MgO Al2O3

Tỷ trọng, g/cm3

2,2 5,5 5,3 5,1 3,4 3,7 4,0 Nếu để ý rằng xỉ luyện đồng chủ yếu gồm FeO, SiO2, CaO thì ta có thể nói rằng: xỉ càng nhiều sắt thì tỉ trọng của nó càng lớn, ngược lại càng nhiều SiO2 và CaO thì xỉ càng nhẹ

Khi nung nóng xỉ đến một nhiệt độ nào đó (t1) thì xỉ bắt đầu thêm vào ta gọi

đó là nhiệt độ mềm của xỉ Tiếp tục nung nữa thì xỉ bắt đầu chảy, trong quá trình đó, nhiệt độ của cục xỉ vẫn tiếp tục tăng, chảy đến nhiệt độ t2 thì xỉ chảy lỏng hoàn toàn Nhiệt độ t2 gọi là nhiệt độ chảy lỏng của xỉ và khoảng nhiệt độ từ t1 đến t2 gọi là khoảng biến mềm của xỉ

Như vậy là: xỉ không có một nhiệt độ nóng chảy duy nhất mà nó chỉ có một khoảng biến mềm Người ta dùng nhiệt độ nóng chảy để đánh giá xỉ dễ cháy hay khó chảy và dùng độ lớn của liệu số t2 – t1 để đánh giá xỉ rắn hay xỉ cứng Trong luyện kim người ta mong được xỉ dễ chảy (t2 nhỏ) và xỉ cứng (t2 – t1 nhỏ)

* Độ nhớt của xỉ

Đây là một chỉ tiêu quan trọng bậc nhất của xỉ, xỉ có độ nhớt lớn sẽ khó tách khỏi sản phẩm cần luyện, gây tổn thất đồng lớn và không thể hoàn thành những nhiệm vụ của nó trong quá trình luyện đồng Cũng như nhiệt độ chảy lỏng, độ nhớ của xỉ phụ thuộc vào thành phẩm hoá học của nó Coi chúng là những xỉ axit khi cho thêm các oxit bazơ vào thì sẽ giảm độ nhớt còn đối với xỉ kiềm thì khi cho các