Nghiên cứu tính chất luyện kim và khả năng ứng dụng quặng sắt cao bằng tt

Vấn đề nghiên cứu về tính chất luyện kim của quặng sắt để đưa ra một quy trình công nghệ phù hợp cho việc lựa chọn nguyên liệu đầu vào cho các công nghệ sản xuất sắt xốp và gang lò cao h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- o0o -

NGUYỄN THANH HOÀN

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT LUYỆN KIM VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Sơn Lâm

2 PGS.TS Bùi Anh Hòa

Vào hồi…… giờ, ngày…… tháng…… năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viên Quốc gia Việt Nam

Nà Rụa Các mỏ này cũng đã bước đầu đươc khai thác để cung cấp nguyên liệu cho quá trình sản xuất sắt xốp

và luyện gang, nhằm phục vụ cho việc phát triển công nghiệp của tỉnh nhà

Tuy nhiên, trong quá trình khai thác và sử dụng nguyên liệu quặng sắt, ngoài thuận lợi mỏ lộ thiên và gần được giao thông, còn gặp khó khăn do phần lớn quặng sắt ở dạng vụn và chưa nắm được bản chất của nó, vì vậy gặp rất nhiều khó khăn trong vận hành sản xuất, dẫn đến cần phải có sự tìm hiểu kỹ về nguyên liệu

Cho đến nay, ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu về quặng sắt Cao Bằng, song chỉ là tập chung khảo sát và đánh giá trữ lượng các vùng mỏ mà thôi Vấn đề nghiên cứu về tính chất luyện kim của quặng sắt để đưa ra một quy trình công nghệ phù hợp cho việc lựa chọn nguyên liệu đầu vào cho các công nghệ sản xuất sắt

xốp và gang lò cao hiện còn bỏ ngỏ Chính vì vậy tác giả đã quyết định chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu tính chất luyện kim và khả năng ứng dụng quặng sắt Cao Bằng” cùng với việc chọn một đối tượng mỏ cụ thể có

tính tiêu biểu để nghiên cứu trong số các mỏ quặng sắt ở Cao Bằng

 Mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu tính chất luyện kim của quặng sắt Nà Rụa - Cao Bằng

- Xác định khả năng ứng dụng công nghệ hoàn nguyên quặng viên trong các nhà máy sử dụng quặng sắt

Nà Rụa - Cao Bằng làm nguyên liệu đầu vào sản xuất sắt xốp và luyện gang lò cao

 Nội dung nghiên cứu

1 Khảo sát đánh giá về quặng sắt Nà Rụa Cao Bằng Nghiên cứu các đặc tính của quặng sắt và quặng viên

2 Nghiên cứu quá trình hoàn nguyên quặng viên sử dụng khí hoàn nguyên CO và các-bon rắn Nghiên cứu động học phản ứng hoàn nguyên dựa trên các mô hình lý thuyết, xây dựng đồ thị thực nghiệm xác định hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa

3 Phân tích sự chuyển biến pha trong quá trình hoàn nguyên và xác định hàm lượng pha theo các bước phản ứng Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe Quan sát ảnh tổ chức vi mô và thành phần nguyên tố của các mẫu với các mức độ hoàn nguyên khác nhau

 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tƣợng nghiên cứu

Quặng sắt tại mỏ Nà Rụa Cao Bằng có hàm lượng sắt từ 55-70 % với trữ lượng hơn 18 triệu tấn chiếm khoảng 40% tổng trữ lượng quặng sắt toàn tỉnh Cao Bằng được chọn là đối tượng nghiên cứu cho luận án

 Sử dụng phương pháp nhiễu xạ rơnghen xác định sự thay đổi các pha và tỷ phần pha làm sáng tỏ quá trình hoàn nguyên của quặng viên

 Nghiên cứu các tính chất tổng thể của quặng viên làm cơ sở trong việc định hướng sử dụng nguyên liệu cho công nghệ hoàn nguyên trực tiếp hoặc luyện gang lò cao

b Ý nghĩa thực tiễn

Với trữ lượng quặng sắt được dự báo hơn 44 triệu tấn, đề tài nghiên cứu tính chất luyện kim của quặng sắt

Nà Rụa Cao Bằng là cấp bách và mang tính thực tiễn cao

Lần đầu tiên ở Việt Nam đây là công trình nghiên cứu chi tiết về tính chất luyện kim của quặng sắt Nà Rụa Cao Bằng với mục đích tìm ra các thông số công nghệ trong quá trình nung ô-xy hóa quặng sắt và hoàn nguyên quặng viên

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng cho các cơ sở sản xuất sử dụng quặng sắt Nà Rụa Cao Bằng làm nguyên liệu đầu cho nhà máy sản xuất sắt xốp và nhà máy luyện gang lò cao

 Các đóng góp mới của luận án

1 Đây là công trình nghiên cứu cơ bản đầu tiên về tính chất luyện kim của quặng sắt Cao Bằng ở Việt Nam

2 Đã xác định sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến cấu trúc và chất lượng quặng cầu viên

3 Sử dụng phương pháp nhiễu xạ rơnghen xác định sự thay đổi các pha và tỷ phần pha trong quá trình hoàn nguyên quặng viên khẳng định cơ chế hoàn nguyên là ê-ma-tít  ma-nhê-tít  vu-tít  sắt nguyên chất

4 Nghiên cứu động học hoàn nguyên, xác định hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa của mẫu quặng viên P1200 và P500 sử dụng khí hoàn nguyên khí CO và các-bon rắn Đề suất việc sử dụng quặng viên làm nguyên liệu đầu vào cho lò cao và sản xuất sắt xốp

 Kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, luận án được trình bày trong 4 chương, cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Nghiên cứu đặc tính quặng sắt và quặng viên

Chương 4 Nghiên cứu hoàn nguyên quặng viên

Kết luận chung của luận án và kiến nghị

Danh mục các công trình đã công bố của luận án

Tài liệu tham khảo

1.2 Ê-ma-tít

Trong thực tế ê-ma-tít tồn tại ở 2 dạng:

(a) α – Fe2O3: cấu trúc mạng tinh thể lục giác

(b) γ – Fe2O3: cấu trúc mạng tinh thể lập phương; chỉ hình thành dưới điều kiện đặc biệt ở dưới khoảng nhiệt độ 400÷5000C

1.3 Ma-nhê-tit

Ma-nhê-tít là hỗn hợp ô xít FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt và thuộc về nhóm khoáng vật có cấu trúc spinel Trong quá trình chuyển biến từ ê-ma-tít thành ma-nhê-tít, cấu trúc biến đổi từ mạng tinh thể lục giác thành mạng tinh thể lập phương làm tăng thể tích, làm độ xốp tăng và gây nứt Trong thực tế, quá trình hoàn nguyên của ê-ma-tít sinh ra sản phẩm xốp và diện tích bề mặt lớn hơn do đó làm cho mức độ hoàn nguyên của ê-ma-tít cao hơn ma-nhê-tít

1.4 Vu-tit

Vu-tít có cấu trúc tinh thể kiểu NaCl Mỗi ion Fe2+ được phối trí bởi 6 ion O2- và mỗi ion O2- được phối trí bởi 6 ion Fe2+

1.5 Các chỉ tiêu đánh giá về chất lượng quặng sắt cho ngành luyện kim

1.6 Thành phần hoá học và tính ổn định

+ Về thành phần hoá học và tính ổn định:

Thành phần hoá học của quặng được quan tâm đầu tiên là hàm lượng sắt Hiện nay người ta lấy chỉ tiêu

về hàm lượng sắt chứa trong quặng nguyên khai để đánh giá mức độ giàu, nghèo của quặng Đối với quặng giàu khi hàm lượng sắt trong quặng đạt trên 60%, quặng trung bình từ 50 - 60%, dưới 50% là quặng nghèo sắt

+ Tính hoàn nguyên của quặng sắt:

Trong luyện gang lò cao tính hoàn nguyên của quặng quyết định hiệu suất tiêu hao nhiên liệu và năng suất của lò, tính hoàn nguyên của quặng càng cao thì hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của lò càng lớn Tuy nhiên tính hoàn nguyên của quặng phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc của khoáng chất, độ xốp của quặng do vậy cần phải nghiên cứu đánh giá tỷ mỉ

+ Nhiệt độ biến mềm và khoảng biến mềm:

Tính biến mềm của quặng quyết định trắc đồ lò cao, nhiệt độ bắt đầu biến mềm và khoảng biến mềm của quặng ảnh hưởng đến độ thông khí của cột vật liệu trong lò, ảnh hưởng đến quá trình tạo xỉ và mức độ hoàn nguyên gián tiếp của các vật liệu phụ

1.7 Đặc điểm nguồn nguyên liệu quặng sắt Cao Bằng

Kết quả điều tra, tìm kiếm, đánh giá và thăm dò đã xác định được 5 mỏ khoáng, 17 biểu hiện khoáng sản Các thành tạo magma thuộc phức hệ Cao Bằng có thành phần là gabro, congadiabas, granophyr Các thân quặng nằm trong đới tiếp xúc giữa đá vôi với đá xâm nhập, đi xa ranh giới tiếp xúc thân quặng Thân quặng chủ yếu dạng ổ, thấu kính dài

từ 100÷500m, rộng 20÷70m độ sâu thành tạo các thân quặng từ 100÷200m, lớn nhất là trên 300m (mỏ Nà Rụa), bề dày thân quặng từ 1÷25m, ổ lớn nhất có bề dày 30÷50m Mỗi mỏ có từ 1 đến 3 thân quặng Quặng có cấu tạo dạng khối, đặc

sít với thành phần chính là ma-nhê-tít với hàm lượng sắt đạt từ 55% đến 70%

1.8 Đặc điểm nguồn quặng sắt được chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận án

Mỏ sắt Nà Rụa, nằm phía tây và tây nam thành phố Cao Bằng thuộc Công ty cổ phần Gang thép Cao Bằng

có Giấy phép khai thác khoáng sản số 1271/GP-BTNMT ngày 30 tháng 6 năm 2011 Công suất khai thác 350.000 tấn/năm Mỏ gồm 3 thấu kính quặng, với quy mô và trữ lượng tài nguyên dự báo cấp 121, cấp 122 và cấp 333, với tổng trữ lượng là hơn 18 triệu tấn Mỏ sắt Nà Rụa được dùng làm nguồn nguyên liệu chính cho lò cao 179 m3 của công ty cổ phần Gang thép Cao Bằng Các đánh giá thăm dò đều cho thấy quặng sắt Nà Rụa có nhiều điểm tương đồng với các mỏ khoáng sản và biểu hiện khoáng sản trên địa bàn tỉnh Quặng sắt Nà Rụa Cao Bằng được chọn làm đối tượng nghiên cứu trong luận án

1.9 Các nghiên cứu về hoàn nguyên quặng sắt

Nghiên cứu tính chất luyện kim quặng sắt là nghiên cứu quá trình xử lý quặng sắt hay các ô-xít sắt ở các dạng khác nhau trong tự nhiên để thu được sắt Các phương pháp sản xuất trong ngành luyện kim gồm sản xuất truyền thống và phi truyền thống Trong đó phương pháp truyền thống là sử dụng lò cao để luyện thành gang sau đó luyện thành thép Phương pháp phi truyền thống là quặng sắt được hoàn nguyên trực tiếp bằng cacbon rắn hoặc hoàn nguyên gián tiếp bằng hỗn hợp H2+ CO và hỗn hợp khí của CO + H2 để nhận được sắt xốp Ưu điểm của phương pháp này là giảm thiểu ô nhiễm môi trường do không sử dụng cốc, sản phẩm sắt xốp là nguyên liệu đầu vào cho quá trình luyện thép chất lượng cao Các nghiên cứu về quặng sắt như tính hoàn nguyên, ảnh hưởng các yếu tố như cỡ hạt, độ xốp, độ kiềm cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sự tương thích của các mặt mạng tinh thể ô-xít sắt

Khi một ô-xít sắt hoàn nguyên tạo thành một ô-xít sắt khác, một pha mới hình thành pha mới trên bề mặt của ô-xít sắt cũ và có cấu trúc mạng đặc trưng của nó Sự hình thành ưu tiên trên một bề mặt nhất định của pha chủ và định hướng trong sự cân xứng theo pha chủ Khả năng tương thích của hai pha này phụ thuộc vào cấu trúc mạng và kích thước tinh thể của pha chủ và ô-xít mới được hình thành

2.2 Nhiệt động học của phản ứng hoàn nguyên

Các phản ứng hoàn nguyên được mô tả bằng các phương trình:

n O + n (C, H2, CO) ➝ n (C, H2, CO)O (2.2) Phương trình hoàn nguyên sắt (1) có thể được chia thành các bước sau:

6 Fe2O3 ➝ 4 Fe3O4 + O2 (2.3)

4 Fe3O4 ➝ 12 Fe +8 O2 (2.4)

4 Fe3O4 ➝ 12 FeO + 2 O2 (2.5)

12 FeO ➝ 12 Fe + 6 O2 (2.6) Quá trình hoàn nguyên sắt (theo phương trình 3-4) nhiệt độ thấp hơn 570°C:

6 Fe2O3  4 Fe3O4  12 Fe Quá trình hoàn nguyên sắt (theo phương trình 1-5-6) nhiệt độ lớn hơn 570°C:

6 Fe2O3  4 Fe3O4  12 FeO  12 Fe Ô-xy hóa chất hoàn nguyên (phương trình 2) xảy ra theo các phản ứng sau:

2 CO + O2 ➝ 2 CO2 (2.7)

2 C + O2 ➝ 2 CO (2.8)

2 H2 + O2 ➝ 2 H2O (2.9) Phương trình (3-6) là các phản ứng phân ly của các ô xít Giả sử các hoạt độ của các pha rắn đều như nhau, hằng số cân bằng của chúng được biểu diễn:

2

O

p là áp suất riêng phần của ô-xy

Về mặt nhiệt động học, việc hoàn nguyên ô-xít sắt bằng CO thành sắt kim loại không thể diễn ra dưới

700 °C (xem Hình 2.1) do khí CO không ổn định bị phân ly thành C và CO2 (năng lượng tự do của phản ứng này cao hơn so với phản ứng hoàn nguyên FeO + CO → Fe + CO2) Tuy nhiên, quá trình tạo mầm các-bon rắn hạn chế phản ứng phân ly Khi đó phản ứng hoàn nguyên được ưu tiên và xảy ra ngay cả khả năng nhiệt động học thấp hơn Phía trên đường cong Boudouard phản ứng của các-bon với CO2 tạo ra CO trong quá trình hoàn nguyên Trong vùng này các-bon là chất hoàn nguyên sau cùng Khí CO sinh ra làm tăng gấp đôi số mol trong pha khí

Hình 2.1 Giản đồ Baur – Glaessner theo đường cong Boudoard

2.3 Hoàn nguyên bằng hỗn hợp khí

Trong quá trình lò cao, sự cân bằng giữa C, CO và CO2 theo nhiệt độ tuân theo sự cân bằng Baur – Glaessner Hình 2.2 Ở giản đồ này, các ô-xít Fe2O3 và Fe3O4 được viết gộp thành Fe3O4 Đây là giản đồ cân bằng

của CO/CO2 và Fe2O3/Fe3O4/ FeO/Fe theo nhiệt độ Thành phần khí lò cao, đặc biệt trong vùng nhiệt độ làm việc chủ yếu là CO Khi nhiệt độ khí lò ≥ 1100÷1200 °C ta có 100% CO

Hình 2.2 Giản đồ Baur – Glaessner cho hỗn hợp khí

Ở nhiệt độ dưới 573 °C ma-nhê-tít được hoàn nguyên trực tiếp thành sắt kim loại và hàm lượng khí đrô trong hỗn hợp khí cao hơn hàm lượng khí CO Trên 573 °C ma-nhê-tít bị khử thành vu-tít Nồng độ các chất hoàn nguyên trong hỗn hợp khí cần thiết cho chuyển đổi vu-tít - sắt theo hàm của nhiệt độ Hàm lượng H2 của khí hoàn nguyên giảm khi nhiệt độ tăng và hàm lượng khí CO tăng Từ quan điểm kỹ thuật, xem xét đường Baur-Glaessner cho hỗn hợp khí gồm 4 thành phần CO, H2, CO2 và H2O và sử dụng hàm lượng (CO + H2) hoặc (CO2 + H2O) cho trục hoành Đường cong Baur-Glaessner cho trường hợp này có thể được tính với đường cong cân bằng Fe/FeO

hy-2.4 Động học phản ứng hoàn nguyên

Theo lý thuyết, quá trình hoàn nguyên ô-xít sắt ở nhiệt độ trên 570 °C sẽ xảy ra các bước hoàn nguyên như sau: hoàn nguyên của ê-ma-tít thành ma-nhê-tít sau đó ma-nhê-tít được hoàn nguyên tiếp về vu-tít và cuối cùng được hoàn nguyên tiếp thành sắt Đối với quặng đặc chắc, mô hình hoàn nguyên được biểu thi như Hình 2.3

Hình 2.3 a) Mô hình hoàn nguyên quặng ê-ma-tít và (b)mô hình lõi co

của phản ứng hoàn nguyên vu-tít thành sắt [62]

Quá trình khử ô-xy tại bề mặt phân pha vu-tít và Fe của hạt đặc chắc sẽ xảy ra theo các bước như sau:

 Vận chuyển khí hoàn nguyên (CO, H2 hoặc CO + H2) từ môi trường đến bề mặt sắt, bước này gọi là trở kháng màng khí

 Khuếch tán của khí hoàn nguyên qua lớp sắt xốp tới bề mặt chưa phản ứng của lõi, trong trường hợp này là bề mặt phân pha sắt và vu-tít, bước này gọi là trở kháng lớp vỏ

Fe

Vu-tít (FexO) Ma-nhê-tít (Fe3O4) Ê-ma-tít (Fe2O3)

 Phản ứng hóa học của pha khí với ô-xít rắn (ở đây là FeO) để tạo thành sản phẩm khí (CO2, H2O), bước này gọi là trở kháng biên pha

 Khuếch tán ra ngoài của sản phẩm khí qua lớp sắt, bước này gọi là trở kháng lớp vỏ

 Và vận chuyển các sản phẩm của phản ứng ra phía ngoài bề mặt lớp sắt đến môi trường bên ngoài (trở kháng màng khí)

Hình 2.4 Hoàn nguyên ê-ma-tít thành ma-nhê-tít

+ Biểu diễn mô hình

Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn cơ chế hoàn nguyên trong quặng xốp [22, 26]

a) Khuếch tán hy-đrô qua lớp vùng biên; b) Khuếch tán hy-đrô qua các lỗ xốp thô đại của quặng; c) Khuếch tán hy-đrô qua các lỗ xốp tế vi của quặng; d) Phản ứng giữa các vùng; e) Khuếch tán hơi nước thông qua lỗ xốp tế vi; f) Khuếch tán hơi nước qua lỗ xốp thô đại; g) Khuếch tán hơi nước qua lớp vùng biên; h) Di chuyển Fe 2+ và 2e − đến vị trí tạo mầm sắt

Mối quan hệ giữa mức độ hoàn nguyên R và thời gian phản ứng t:

2

0 3 0

11

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH QUẶNG SẮT VÀ QUẶNG VIÊN NÀ RỤA CAO BẰNG

3.1 Nguyên liệu đầu vào và quy trình thí nghiệm

3.1.1 Nguyên liệu đầu vào

Quặng sắt lấy từ mỏ Nà Rụa – Cao Bằng có kích thước hạt ≤ 0,25 mm Phân tích hàm lượng pha của

mẫu quặng sắt bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen trên thiết bị D8 – Advance liệt kê trong Bảng 3.1

Bảng 3.1 Thành phần khoáng vật trong mẫu quặng sắt ban đầu (%)

Thành phần khoáng vật Hàm lượng (~%)

Ma-nhê-tít - Fe3O4 Ê-ma-tít - Fe2O3 Gơ-tít - Fe2O3.H2O Thạch anh - SiO2 Talc Amphibole Can-xít – CaCO3 Thạch cao – CaSO4.2H2O

Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần khoáng vật trong mẫu quặng sắt nung ở nhiệt độ 1200 °C trong 2h

Thành phần khoáng vật Khoảng hàm lượng (~%)

Ê-ma-tít – Fe2O3 Ma-nhê-tít -  Fe2O3 Illit – KAl2[AlSi3O10](OH)2 Tryđymit + Cristobali – SiO2

+ Tạo cầu viên quặng

Quặng sắt có kích thước ≤ 0,25 mm được trộn thêm 2% bột Bentonite mục đích giúp khả năng tăng bền cho quặng cầu viên Sử dụng máy vê viên kiểu đĩa để tạo viên quặng dạng cầu có kích thước đường kính 12÷14 mm

+ Nung ô-xy hóa

Các mẫu viên quặng sau khi vê viên đạt kích thước được đưa vào lò nung điện cực với tốc độ nâng nhiệt

là 10 °C/phút theo các chế độ nung khác nhau nêu trong Bảng 3.3

Bảng 3.3 Các chế độ nhiệt độ và thời gian thực hiện nung mẫu viên quặng

Nhiệt độ nung ( o C) Thời gian giữ nhiệt (Phút)

3.2 Đặc tính quặng sắt và quặng viên Nà Rụa Cao Bằng

3.2.1 Nhiệt độ chuyển pha của quặng sắt

Hình 3.1 là đường cong phân tích nhiệt mẫu quặng sắt Nà Rụa nguyên gốc (S1) Giản đồ DTA mẫu S1 Hình 3.1.(a) cho thấy có 2 hiệu ứng thu nhiệt Một píc thu nhiệt xuất hiện ở khoảng nhiệt độ (303÷707) °C

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

303°C

974°C

HeatFlow TG

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

(a)

HeatFlow TG

Hình 3.1 Giản đồ nhiệt lý mẫu S1 (a) đường nung nóng và (b) đường làm nguội

của mẫu quặng sắt Nà Rụa được kiểm tra ở nhiệt độ 1300 °C

Đường cong phân tích nhiệt DTA-TGA (Hình 3.2.a) của mẫu quặng S2 với 20% cacbon rắn có vai trò

là chất hoàn nguyên Tương tự như mẫu S1 giản đồ DTA cho thấy có 2 píc thu nhiệt Píc thu nhiệt thứ nhất trong khoảng nhiệt độ 162 ÷ 1031 °C, đây là nhiệt độ xảy ra các quá trình phân rã ẩm, ẩm kết tinh trong quặng, kim loại kiềm bay hơi … nhưng diễn tiến quá trình là chậm Píc thu nhiệt thứ 2 nhiệt độ bắt đầu chuyển biến

1031 °C cao hơn so với mẫu S1 (bắt đầu chuyển biến ở 974 °C) Nhiệt độ tương ứng với quá trình hoàn nguyên

và bắt đầu chảy lỏng của quặng Trên khoảng nhiệt độ thu nhiệt này mẫu giảm khối lượng mạnh đường cong TGA khá dốc Nguyên nhân giảm khối lượng là do quá trình thoát khí của sản phẩm hoàn nguyên và quá trình hoàn nguyên bằng các-bon rắn có tác dụng mạnh

0 200 400 600 800 1000 1200 -120

-100 -80 -60 -40 -20 0 20

162°C

1081°C

HeatFlow TG

-100 -80 -60 -40 -20 0 20

(b)

HeatFlow TG

Khi phối trộn 20% các-bon rắn được kiểm tra ở nhiệt độ 1300 °C

3.2.2 Đặc tính biến mềm quặng của quặng sắt

Trong đánh giá này, đã tiến hành phân tích cho các mẫu như sau:

Mẫu M2 – mẫu quặng trộn 7% các-bon rắn Mẫu M5 – mẫu quặng trộn 20% các-bon rắn Mẫu M3 – mẫu quặng trộn 10% các-bon rắn

Kết quả kiểm tra các mẫu quặng sắt bằng phương pháp Hiển vi nhiệt độ cao cho tóm tắt các kết quả tại Bảng 3.4 Tổng kết ảnh hưởng của hàm lượng các-bon rắn đến nhiệt độ biến mềm quặng, có thể nhận thấy rằng, tăng hàm lượng các-bon rắn làm giảm nhiệt độ biến mềm Nhiệt độ biến mềm trung bình của quặng giảm từ

1161 °C từ 0% xuống 1149 °C khi phối trộn 20% các-bon rắn

Tổng hợp ảnh hưởng của hàm lượng các-bon rắn đến nhiệt độ biến mềm quặng, có thể nhận thấy rằng, tăng hàm lượng các-bon rắn làm giảm nhiệt độ biến mềm Nhiệt độ biến mềm trung bình của quặng giảm từ

1161 °C từ 0% xuống 1149 °C khi phối trộn 20% các-bon rắn

Bảng 3.4 Sự thay đổi hình dạng và chiều cao mẫu từ phép đo sử dụng thiết bị hiển vi nhiệt độ cao,

3.2.3 Tính chất quặng viên Nà Rụa Cao Bằng

Trong công trình này, quặng ma-nhê-tít Nà Rụa Cao Bằng có kích thước hạt ≤ 0,25 mm được phối trộn với 2% bentonit làm chất kết dính và phun sương tạo ẩm 10 % Sử dụng máy vê viên kiểu đĩa để tạo viên quặng dạng cầu đường kính 12 ÷ 14 mm Các mẫu viên quặng sau khi vê viên đạt kích thước được sấy ở 200 °C trong

2 giờ và nung ở các chế độ khác nhau, đã nêu như Bảng 3.5

Bảng 3.5 Các chế độ nung mẫu viên quặng

Nhiệt độ nung ( C) Thời gian giữ nhiệt (phút)

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến độ bền của quặng viên

Hình 3.4 Ảnh SEM mặt vỡ mẫu quặng viên nung thiêu

ở (a) 500 °C, (b) 900 °C (c) 1000 °C, (d) 1100 °C và (e) 1200 °C trong 2h

Có thể nhận thấy sự liên kết yếu giữa các hạt quặng ở mẫu nung thiêu ở khoảng nhiệt độ 500÷900 °C trong 2h, hình thái hạt quặng sắc cạnh như hạt quặng ban đầu Độ bền liên kết của các hạt quặng biểu hiện qua

độ bền nén của quặng viên đạt được 60,1 kg/viên Khi nung đến 1000 °C trong 2h, hình thái sắc cạnh của hạt quặng trên mặt vỡ không còn rõ rệt như các mẫu thiêu ở khoảng nhiệt độ 500÷900 °C trong 2h, độ bền nén đạt được của quặng viên là 75.1 kg/viên Sự phá hủy của quặng viên nhận được khi nung ở 500÷1000 °C trong 2h xảy ra chủ yếu là sự phá vỡ liên kết trên biên hạt Quặng viên nung thiêu ở 1100 °C trong 2h, Hình 3.4 cho thấy

rõ sự thay đổi hình thái hạt quặng trên mặt vỡ, không còn thấy hình thái sắc cạnh và các hạt quặng có đầu mút

có biên dạng tròn nhẵn minh chứng cho sự khuếch tán của vật chất đã xảy ra, sự phá hủy vẫn xảy ra tại biên hạt

là chủ yếu Độ bền nén nhận được lên đến 180 kg/viên Mẫu quặng viên nung thiêu ở 1200 °C trong 2h, đã nhận thấy hiện tượng vỡ hạt và sự liên kết giữa các hạt quặng rõ hơn Chính nhờ có sự liên kết chặt chẽ mà độ bền nén của quặng viên đã đạt đến 317,9 kg/viên

Quặng sắt Nà Rụa sau khi sấy và nung ô-xy hóa ở nhiệt độ từ 500 đến 1200 °C với thời gian giữ nhiệt trong

1 h và 2 h, ở nhiệt độ trên 900 °C đã chuyển hóa hoàn toàn thành ê-ma-tít (Fe2O3) được liệt kê trong bảng 3.6

Bảng 3.6 Thành phần khoáng vật của mẫu quặng viên sau khi nung ở nhiệt độ khác nhau

Chế độ nung rắn

mẫu

Thành phần khoáng vật và khoảng hàm lƣợng (%) Ê-ma-tít -

Fe 2 O 3

Ma-nhê-tít – Fe 3 O 4

Vu-tít - FeO Thạch anh hoáng vật

lỗ xốp và bán kính lỗ xốp được nêu trong Bảng 3.7

Bảng 3.7 Kết quả đo mẫu viên quặng bằng phương pháp đo hấp phụ

Nhiệt độ (°C)

Thời gian (phút)

Diện tích bề mặt BET (m 2 /g)

Thể tích lỗ xốp (cm 3 /g)

Bán kính lỗ xốp (Ǻ)