Bài báo này trình bày phương pháp nấu luyện sten  từ bã sau hoà tách, hàm lượng đồng ban đầu (8÷10)%. 

Research smelting copper mattes from residue after later dissolved

 Ngô Huy Khoa, Phạm Đức Thắng,  Đỗ Nguyễn Huy Tuấn, Nguyễn Trung Kiên
Viện Khoa học  vật liệu

Email: khoanh@ims.vast.ac.vn

Ngày nhận bài: 28/10/2015, Ngày duyệt đăng: 12/1/2016

 TÓM TẮT

Trong kỹ thuật luyện kim loại màu, hầu hết phải xử lý nguyên liệu đầu vào có hàm lượng kim loại thấp. Nguyên liệu có chứa  đồng cũng  vậy, hàm lượng thường thấp và người ta thường nấu luyện sten  từ tinh quặng đồng sunfua sau  tuyển hàm lượng (20÷27)%;  sten thu được có hàm lượng cỡ (40÷45)%. Bài báo này trình bày phương pháp nấu luyện sten  từ bã sau hoà tách, hàm lượng đồng ban đầu (8÷10)%.  Kết quả thu được đồng trong sten  cỡ (35÷45)%. Hàm lượng đồng trong sten  thành phẩm đã đạt tiêu chuẩn tương đương như chất lượng sten sau  nấu luyện lần một tại  nhà máy đồng Sin Quyền.
Từ khóa: Sten đồng

Abstract

In nonferrous metallurgical  engineering, most  of input materials have  low metal  content. For copper, too, often low copper  content and  often  mattes smelting of copper  concentrate from (20÷27)%  copper  content;  mattes con- tent is (40÷45)%. We present the how to train mattes from the material with copper  content of (8÷10)%. Products of mattes have  copper  content is (35÷45)%. Copper content like the first smelting in Sin Quyen copper factory.
Keywords: Copper mattes

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Tinh  quặng sunfua đồng  thiêu sunfat   hoá  để chuyển hoá  đồng  thành  dạng sunfat dễ hoà  tan trong quặng. Tuy nhiên, do quá trình thiêu thường diễn  ra không  triệt  để nên  hiệu suất thường  thấp chỉ  được  cỡ (85÷90)  % đồng  bị  sunfat hoá.  Sau hoà  tách, hàm  lượng đồng  trong  cặn  thường  cỡ (8÷10)%,  dạng tồn tại  của  nó thường dạng oxit và sunfua. Nếu bỏ đi thì sẽ gây thất thoát, lãng phí tài nguyên. Vì  vậy, cần phải  nghiên  cứu  tận thu  nốt kim loại này. Trong bài báo này tác giả sẽ trình bày phương   pháp   làm  giàu  cặn   quặng   thải   bằng phương pháp nấu luyện sten  đồng. Sau  nấu luyện, hàm lượng đồng trong  sten có  thể lên tới (40÷45)%, có  thể  làm nguyên liệu  cho  các  quá trình làm giàu và tinh luyện tiếp theo.

2. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

2.1. Hóa chất thí nghiệm

Nguyên liệu nấu luyện sten là cặn thải sau hoà tách từ tinh quặng  đồng  thiêu  sunfat hoá. Thành phần của  nó được cho bởi hình 1. Hình 1 cho thấy  hàm lượng đồng trong bã 9,97%,  hàm lượng lưu huỳnh  ở mức thấp cỡ 5%, hàm lượng ôxi nhiều cỡ 19%. Vì vậy, dạng pha  trong bã này thường là ôxit và một ít  ở dạng sunfua. Sắt là nguyên tố có hàm lượng cao  nhất cỡ 52 %, tuy nhiên nó lại được coi là tạp chất cần được loại  bỏ.

Hình 1: Thành phần nguyên liệu ban đầu

Hình 1: Thành phần nguyên liệu ban đầu

Trong  quá trình  nấu luyện và đúc  có  sử  dụng các chất trợ  dung  như  dolomit,  quaczit. Các chất này đều có xuất xứ Việt Nam,  độ sạch 99,8%.

Các mẫu thí nghiệm được phân tích thành phần pha,  thành  phần nguyên tố  bằng  máy  phân tích SEM,  EDX của  Trung  tâm  COMFA – Viện Khoa học  Vật liệu.

2.2. Thiết bị thí nghiệm

Các mẻ nấu sten  được thực hiện trên lò điện hồ quang một  cực  tại  phòng  Công  nghệ  Kim loại  – Viện Khoa  học  Vật liệu, công  suất  máy  biến áp 150 KVA.

Hình 2: Lò hồ quang  nấu thí nghiệm

Hình 2: Lò hồ quang  nấu thí nghiệm

Hình 3 [4] thể hiện giản đồ trạng thái  của  hệ sun- fua sắt.

Hình 3: Giản đồ trạng thái  hệ sunfua sắt ở nhiệt độ > 400 oC

Hình 3: Giản đồ trạng thái  hệ sunfua sắt ở nhiệt độ > 400 oC

Trên hình 3 ta thấy rằng sulfua sắt có thể nóng chảy  ở nhiệt độ thấp hơn 1000  oC với thành  phần lưu  huỳnh  44%  và ở  nhiệt độ  xấp xỉ  1100  oC  với thành  phần  lưu  huỳnh  65%.  Nếu hàm  lượng  lưu huỳnh tăng thì nhiệt độ nóng  chảy của sulfua sắt lại tăng. Do đó, nếu nguyên liệu ban đầu có hàm lượng lưu huỳnh  thấp thì khả  năng  tạo thành  sunfua sắt càng dễ dàng và khối lượng sten thu được giảm đi.

Hình 4: Giản đồ trạng thái hệ sulfua  Cu-S

Hình 4: Giản đồ trạng thái hệ sulfua  Cu-S

Trên  hình 4 [4] chỉ  ra  rằng  khi hàm  lượng  lưu huỳnh trong sulfua đồng nằm trong khoảng < 25% thì  ở nhiệt độ  cao  từ (1067  ÷ 1105)  oC sẽ tồn  tại pha  Digenit nóng  chảy  với công  thức  thành phần CunS  – trong đó (2 ≥ S ≥ 1,73).  Như vậy nếu hàm lượng lưu huỳnh  nằm trong khoảng < 25 % thì sulfua  đồng  sẽ nóng  chảy  tạo ra  pha  digenit  và đi hoàn toàn vào sten.

Trên hình 5 tác giả [4] đã chỉ ra rằng sten  đồng là dạng sten có nhiệt độ nóng  chảy cao,  ở 1000 oC chỉ có một vùng rất nhỏ  thỏa  mãn S khoảng (20 ÷ 40)%  thì sten  mới có trạng thái  lỏng, điều này nói lên rằng trong quá trình nấu sten  ta phải khống  chế nhiệt độ toàn bộ nồi lò, nhất là nhiệt độ vùng dung  dịch dưới đáy lò khá cao  trên 1000 oC. Mặt khác,  nguyên liệu  đầu  vào  cũng   yêu  cầu  hàm lượng lưu  huỳnh  trong  khoảng nhất định để trong quá trình nấu luyện ngoài việc lưu huỳnh đi ra dưới dạng khí và vào xỉ  thì lượng lưu huỳnh  còn lại vào sten  chiếm khoảng (20 ÷ 40)%  khối lượng sten.

Hình 5: Giản đồ trạng thái Cu-Fe-S ở 1000  oC L: Lỏng bnss:  dung dịch rắn bornite Cu5FeS4;

Hình 5: Giản đồ trạng thái Cu-Fe-S ở 1000  oC L: Lỏng bnss:  dung dịch rắn bornite Cu5FeS4;

Theo  các tài liệu [1] các hợp chất dễ dàng tạo xỉ là oxit sắt, oxit canxi  và oxit silic, sự tham  gia của các thành phần này tạo thành hệ xỉ 3 nguyên CaO- FeOx-SiO2, tổng hàm lượng của  chúng  trong xỉ lên đến (80 ÷ 95)%. Khi chọn  thành  phần xỉ phải  chú ý chọn  sao cho xỉ có tỷ trọng nhỏ,  loãng, độ dẫn điện tốt, khử được lưu huỳnh và các tạp chất khác. Thành phần của  xỉ nên dao  động trong khoảng sau: CaO Sau  nấu luyện, sten  đồng được đúc thành thỏi bằng  các khuôn  đúc.

3. CƠ SỞ SỰ TẠO THÀNH STEN ĐỒNG VÀ XỈ

Sự  tạo  thành  sten đồng:  Trước  tiên  cần tham khảo giản đồ trạng thái của hệ sunfua sắt và đồng.

Về sự tạo xỉ:

Hình 6: Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO - Fe2O3 - SiO2

Hình 6: Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO – Fe2O3 – SiO2

(2÷25)%,  SiO2  (27÷50)%, FeOx  (30÷55)%  các oxyt khác dưới 5% (vùng khoanh tròn)

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1.  Nghiên cứu  lựa chọn chế độ xỉ luyện sten niken

Trên cơ sở lựa chọn  hệ xỉ ở mục 3.1, tác giả đã lựa chọn  trợ dung để tạo xỉ với thành phần cho bởi bảng  1 dưới đây.

Bảng 1: Thành  phần trợ dung  để nấu sten

 Chế độ trợ dung Tỷ lệ trợ dung so với lượng tinh quặng (%)
CaO SiO2
1 20 30
2 25 40

Kết quả  nghiên cứu được thể hiện trên bảng  2 và bảng  3 dưới đây.

Bảng  2: Thành  phần sten  phụ thuộc  vào trợ dung

Thành phần O Al Si S Ca Fe Cu
Chế độ trợ dung 1 6,99 0,89 1,67 24,84 1,01 32,49 32,11
Chế độ trợ dung 2 2,72 0,57 0,84 20,83 0,60 34,96 39,48

Bảng  3: Thành phần xỉ sau  nấu luyện phụ thuộc  vào trợ  dung

  O Mg Al Si S K Ca Cu Fe
Chế độ trợ dung 1 48,4 1,84 2,05 25,00 0,42 0,71 13,62 0,16 7,8
Chế độ trợ dung 2 50,1 1,92 2,26 24,14 0,34 0,63 13,28 0,18 7,15

Bảng  4: Thành  phần sten phụ thuộc  vào hàm lượng lưu  huỳnh  trong nguyên liệu ban đầu

Thành phần O Al Si S Ca Fe Cu
Chế độ 1: S 5,07% 4,52 0,57 1,86 18,83 0,78 30,96 42,48
Chế độ 2: S 7,03% 4,99 1,31 1,65 22,84 0,61 33,49 35,11
Chế độ 3: S 9,62% 3,92 1,64 1,42 24,67 0,75 35,49 32,11

Kết quả  cho  thấy chế độ xỉ  2 hàm lượng đồng trong  sten  cao  hơn  hẳn,  điều  này có  thể lý giải được rằng hàm lượng quăczit trong xỉ tăng thì nhiệt độ nóng  chảy  của  xỉ  tăng, khoảng biến mềm tăng và độ nhớt của  xỉ  tăng. Tuy nhiên, do SiO2  có  tỷ trọng nhỏ nhất nên tỉ  trọng của  xỉ cũng giảm và nó làm giảm  độ hoà  tan  của  sunfua đồng trong  xỉ. Nhờ đó mà hàm lượng đồng trong sten  thu được ở chế độ xỉ  2 cao  hơn.

Mặt khác do nguyên liệu ban đầu thuộc  loại quặng nghèo nên để giảm tổn thất đồng theo xỉ thì chế độ xỉ  tốt nhất nên có là hàm lượng SiO2  trong xỉ phải lớn và phải tăng nhiệt độ lò lên để đảm bảo độ  chảy  loãng của  xỉ,  tuy nhiên  chi  phí  nhiệt  lớn hơn,  năng  suất lò  kém hơn nhưng  bù  lại sẽ đảm bảo  chắc chắn rằng tỷ lệ thu hồi đồng cao  hơn.

Kết quả phân tích xỉ cũng cho thấy được rằng ở chế độ xỉ 2 đồng không  đi vào xỉ  nhiều, nhờ  đó tỷ lệ thực thu đồng trong xỉ của chế độ xỉ 2 sẽ tốt hơn.

4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh trong nguyên liệu ban đầu đến chất lượng sten

Tác  giả  đã  nghiên  cứu  nấu  luyện  hai  mẻ  có hàm lượng lưu huỳnh  khác nhau. Mẻ 1 hàm lượng lưu   huỳnh   5,07%;   mẻ  2  hàm  lượng  lưu   huỳnh  7,03%.  Chế độ xỉ  được  chọn  là chế độ  xỉ  2. Kết quả  nghiên cứu thể hiện trong bảng  4 dưới đây.

Từ bảng  4 có thể thấy ngay rằng hàm lượng lưu huỳnh  trong  nguyên liệu  ban  đầu  càng  ít  thì chất lượng sten  càng tốt. Điều này có thể giải thích như sau:

Khi hàm lượng lưu huỳnh trong nguyên liệu ban đầu ít  thì hàm lượng sunfua kim loại cũng  ít, do đó các sunfua sắt cũng  ít đi. Trong khi đó nguyên liệu ban  đầu có hàm lượng oxy khá  lớn cỡ 19,5%;  điều đó có thể thấy rằng oxit đồng cũng  khá nhiều. Do đó phản  ứng sau dễ dàng xảy ra:

FeS  + Cu2O  = Cu2S  + FeO
FeS  + CuO = CuS  + FeO

FeO  dễ dàng  tạo thành  sẽ dễ dàng  đi  vào xỉ. Các sunfua đồng tạo thành có thể đi vào sten.

Khi Cu2O  nhiều nó  sẽ dễ dàng  phản  ứng  với Cu2S  tạo thành đồng kim loại đi vào sten

2Cu2O  + Cu2S  = 6Cu +  SO2

Nếu lượng oxit trong nguyên liệu nấu luyện ban đầu  nhiều,  nhất là oxit Cu2O  nhiều thì nó  sẽ khử triệt   để FeS  đi  vào  xỉ   và sản phẩm  sten   sẽ có nhiều kim loại  đồng,  chất  lượng  sten  sẽ tốt  hơn nhiều.

Vì  vậy có  thể  thấy  rằng  nếu  hàm  lượng lưu huỳnh càng thấp, oxy càng nhiều thì càng dễ dàng nấu luyện sten  đồng chất lượng cao.

4. KẾT LUẬN

Để thu được sten  chất lượng tốt từ nguyên liệu tinh quặng sau xử lý có hàm lượng đồng từ 8-10%, lưu  huỳnh  5,07%,  oxy 19,5%  bằng  phương pháp nấu luyện cần phối  hợp  thành  phần  xỉ  theo  tỷ lệ 25%  CaO,  40%  SiO2   sẽ thu  được  sten  với  hàm lượng đồng lên tới 42,48% đạt tiêu chuẩn để có thể chế biến sâu đồng tiếp theo.

Hàm  lượng  sunfua và oxy  trong  nguyên liệu ban  đầu  có  ảnh  hưởng lớn  đến  chất lượng sten. Nghiên cứu chỉ ra rằng  nếu hàm lượng lưu  huỳnh càng lớn thì chất lượng sten  càng thấp.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Bùi Văn Mưu, Nguyễn Văn Hiển, Nguyễn Kế Bính, Trương Ngọc Thận – Lý thuyết các quá trình luyện kim – Hoả Luyện.T1. NXB GD- 1997.
  2. Ngô Huy Khoa – Nghiên cứu công nghệ luyện đồng từ quặng sunfua đồng bằng  phương pháp thủy luyện – Báo cáo đề tài cơ sở chọn  lọc – Viện Khoa học vật liệu, 2012.
  3. M.Allibert, H.Gaye, et all – Slag Atlas – Verein Deutscher Eisenhuttenleute (VDEh) -1995.
  4. Д.ВОГАН, ДЖ.КРЕЙГ – Химия сульфидных минерлов - Издтельство “МИР”. МОСКВА. 1981.

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>