Trên cơ sở kết quả phân tích thành phần vật chất của quặng tinh antimon vùng Hà Giang, Tuyên Quang, đã thử nghiệm khả năng luyện lắng trong lò điện hồ quang  12 kVA…

On the  liquation process of antimony concentrate of Ha Giang – Tuyen Quang provinces in electric arc  furnace

 Đỗ Hồng Nga1, Nguyễn Hồng Quân1, Trần Đức Q2, Phạm Đức ờng2
1, Viện Khoa học  và Công  nghệ Mỏ – Luyện kim

2,   Trường Đại học  Công  nghiệp Hà Nội

Ngày nhận bài: 14/4/2016, Ngày duyệt đăng: 6/7/2016

 TÓM TẮT

Trên cơ sở kết quả phân tích thành phần vật chất của quặng tinh antimon vùng Hà Giang, Tuyên Quang, đã thử nghiệm khả năng luyện lắng trong lò điện hồ quang  12 kVA. Từ kết quả khảo sát, đã xác định thành phần phối liệu phù hợp cho mẻ luyện như sau:  Quặng tinh antimon:  2 kg; phoi sắt: 0,626  kg; xô đa: 0,153  kg; than: 0,04  kg. Với thành phần phối liệu này, kim loại antimon nhận được có độ sạch ≈ 96 % Sb  và hiệu suất thu hồi antimon  kim loại đạt 67,59  %.
Từ khóa:  quặng tinh antimon, luyện lắng, lò điện hồ quang.

ABSTRACT

Based on the analysis of material  composition of the antimony concentrate from Ha Giang,  Tuyen Quang, the ability of liquation in electric  arc furnaces 12 kVA  was  examined. Experiment all results  of defined batching  com- positions for a stage are: 2 kg antimony concentrate; 0.626  kg iron crused;  0.153  soda;  0.04  coal.  The recovery efficiency is 67.59  % with ≈ 96 % Sb  pure.
Keywords: antimony concentrate, liquation process, electric arc furnace.

1. MỞ ĐẦU

Để luyện antimon  kim loại,  đã có nhiều phương pháp  được  áp  dụng  như:  luyện  lắng, luyện hoàn nguyên, v.v… Thiết bị được sử dụng  là lò phản  xạ hoặc lò điện hồ  quang. Theo  phương pháp  luyện lắng antimon   kim  loại   trong   lò  điện,   người   ta thường sử dụng phoi sắt làm chất hoàn nguyên và xô đa là chất trợ dung tạo xỉ cùng với  các tạp chất khác trong quặng tinh.

Quặng antimon vùng Hà Giang  – Tuyên Quang thuộc  loại quặng sunfua, nghèo (~ 5% Sb) nhưng chứa  vàng và một  số kim loại  quý.  Bằng  phương pháp  tuyển nổi, người  ta  có  thể  nâng cao  hàm lượng quặng tinh lên ≈ 40 % Sb có chứa  1,3 g/tấn Au. Để  thu hồi được  số kim loại  quý  này, cần có công  nghệ xử lý quặng phù hợp.

Thông  thường, có  hai hướng công  nghệ  để xử lý quặng  antimon  chứa  kim loại  quý,  thứ  nhất là hướng thiêu bay  hơi thu hồi antimon  trioxit và Sb thô chứa  vàng, thứ hai là luyện trực tiếp quặng tinh bằng  phương  pháp  luyện lắng, vàng sẽ được  thu hồi cùng antimon  thô.

Trong khuôn  khổ bài báo này, các tác giả trình bày kết quả thử nghiệm luyện lắng quặng tinh anti- mon – vàng vùng Hà Giang, Tuyên Quang trong lò điện hồ quang.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LUYỆN LẮNG ANTIMON

Không giống  với  một  số kim loại  khác  thường dùng than (cốc,  antraxit…)  làm chất hoàn nguyên. Chất  hoàn  nguyên  thường dùng trong  quá  trình luyện lắng quặng tinh antimon  sunfua là phoi sắt (hoặc  phoi  gang).  Quá  trình luyện xảy  ra  theo phản  ứng 1 [1, 2]:

Sb2S3 + 3Fe  = 2Sb  + 3FeS                          (1)

Thiết  bị  dùng để  luyện lắng cũng  như  luyện hoàn  nguyên  có  thể là lò điện  hoặc  lò  phản  xạ. Antimon kim loại (thô) nhận được đưa đi tinh luyện (hỏa  tinh luyện hoặc điện phân tinh luyện) sẽ nhận được kim loại  antimon  thương phẩm.

Phản ứng cơ bản  của  quá trình luyện lắng xảy ra  hoàn  toàn  ở  nhiệt độ  1000÷1100  oC.  Thông thường,  quặng antimon  bị  phong  hóa  một  phần, antimon  tồn  tại  dưới dạng oxit, người ta thêm vào phối  liệu  một  lượng  than  (antraxit  hoặc  cốc)  để hoàn  nguyên antimon   từ  oxit  của  nó  đồng  thời ngăn cản  sự oxy hóa  của  sunfit.

Chất trợ  dung  thường  sử dụng  trong  quá  trình luyện lắng  antimon  có  tính  kiềm, gồm:  Na2CO3, Na2SO4, CaO.  Sử  dụng  trợ dung  kiềm không  chỉ giúp cho liên kết giữa kiềm với các tạp chất phi kim trong quặng tinh mà còn tạo thành stên sắt – natri có  nhiệt  độ  nóng  chảy  và khối  lượng riêng thích hợp  giúp cho  việc lắng tách pha  kim loại  ra  khỏi pha  xỉ diễn ra dễ dàng.

Quá trình luyện antimon  bằng  lò điện  thường diễn  ra  trong  môi  trường hoàn  nguyên do  hiện tượng cháy điện cực (mặc dù phối liệu ít than)  nên Fe,  Sb và một số kim loại màu nặng khác bị hoàn nguyên, đi  vào antimon  thô làm giảm chất lượng sản phẩm. Do đó, CaO được chọn  là một trong các hợp chất chính của  hệ xỉ  lò điện thay cho FeO  và được bổ sung trong quá trình tính toán thành phần phối liệu. Thành phần của xỉ lò điện luyện antimon thường là: 0,3÷0,5% Sb;  13%  Fe;  15÷20%  (CaO và Na2O);  50÷60% SiO2.

So  với  luyện lắng antimon   trong  lò  phản  xạ, khối  lượng  stên tạo thành  tương đối nhiều và bụi sinh ra ít  hơn khi luyện lắng antimon  trong lò điện.

3. THỰC NGHIỆM

3.1. Mẫu nghiên cứu

Đối  tượng  nghiên cứu  là  quặng  tinh  antimon vùng Hà Giang – Tuyên Quang sau quá trình tuyển nổi từ quặng antimon  sunfua. Thành  phần quặng tinh antimon  được trình bày trong bảng  1.

Bảng 1. Thành  phần tinh quặng antimon  vùng Hà Giang – Tuyên Quang

Nguyên tố Sb As Pb Zn Fe2O3 SiO2 CaO
Hàm lượng, % 40,68 0,80 0,55 2,35 3,73 23,19 6,90

3.2. Phụ  gia

Phoi sắt dùng làm chất hoàn nguyên, có thành phần chính được trình bày trong bảng  2.

Bảng  2. Thành  phần phoi sắt

Nguyên tố Fe C Si Mn
Hàm lượng, % 98,45 0,25 0,34 0,51

Than  dùng  trong  nghiên cứu  là  than  cốc,  có thành phần được trình bày trong bảng  3.

Bảng  3. Thành phần than hoàn nguyên, %

 C  Tro Chất bốc  P  S Thành phần tro, %
Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaO MgO
86 6,73 7,30 0,07 0,49 28,65 36,86 22,00 2,59 0,38

Trợ dung: Sử dụng Na2CO3 công nghiệp với  độ sạch > 99,2 %.

3.3. Thiết bị nghiên cứu

Hình 1. Lò điện hồ quang  12 kVA

Hình 1. Lò điện hồ quang 12 kVA

Thiết bị dùng để nghiên cứu ở quy mô phòng  thí nghiệm là lò điện hồ quang 12 kVA (hình 1) với các thông  số kỹ thuật như sau:

- Điện áp: 6 nấc 40 – 60 V.

- Dòng điện Imax  300 A.

- Điện cực bằng graphit, đường kính điện cực 40 mm.

- Nồi lò  bằng  graphit  có  đường  kính trong  100 mm.

- Vật liệu xây lò là gạch manhezit.

- Điều khiển nâng hạ điện cực bằng tay hoặc tự động.

 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. Ảnh hưởng của  tỉ  lệ phoi  sắt đến hiệu suất thu hồi antimon

Đã tiến hành thí nghiệm luyện lắng quặng tinh antimon  trong lò điện hồ quang 12 kVA, tham khảo tài liệu [1, 3, 4] đã tính toán và lựa chọn  được thành phần phối liệu cho mỗi mẻ  luyện như sau:

- Quặng tinh antimon:  2 kg

- Xô đa: 0,1392 kg

- Than:  0,06 kg

- Tỉ lệ  phoi sắt được thí  nghiệm thay  đổi từ 95 đến 115 % so với lý thuyết, tương ứng với 0,541 kg; 0,569  kg; 0,597  kg; 0,626  kg và 0,654  kg.

Sau  mỗi thí nghiệm sản phẩm được cân đo khối lượng  và phân tích  thành  phần  để tính  hiệu suất thu hồi sản phẩm. Hiệu suất thu hồi antimon  được tính bằng cách lấy khối lượng antimon  có trong sản phẩm  chia  cho  khối  lượng antimon  có  trong  tinh quặng.

Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của  tỉ  lệ phoi sắt được trình bày trong  bảng  4 và thể hiện trên hình 2.

Hình 2. ảnh hưởng của phoi sắt đến hiệu suất thu hồi antimon

Hình 2. ảnh hưởng của phoi sắt đến hiệu suất thu hồi antimon

Bảng 4. ảnh hưởng của tỉ lệ phoi sắt đến hiệu suất thu hồi antimon

 STT Tỉ lệ  phoi sắt thực tế/ lý thuyết,  % Khối lượng sản phẩm, kg Hàm lượng Sb, % Hàm lượng  Fe, % Hiệu suất thu hồi Sb, %
1 95 0,514 97,14 0,25 61,33
2 100 0,531 96,72 0,47 63,16
3 105 0,563 96,13 0,93 66,55
4 110 0,570 95,93 1,49 67,26
5 115 0,576 95,10 1,75 67,34

Kết quả  cho thấy rằng:

Hiệu suất thu hồi antimon  trong quá trình luyện quặng tinh antimon  bằng  lò điện hồ quang không cao,  chỉ  từ 61  đến  67  %. Nguyên nhân  dẫn đến hiện tượng này là do nhiệt độ của xỉ và kim loại khó khống  chế (hạn chế của lò điện hồ quang) dẫn đến kim loại và nguyên liệu dễ bị bay hơi.

- Với  tỉ   lệ  phoi sắt từ 95  đến  100  % so  với  lý thuyết, lượng  phoi  sắt không  đủ  để  hoàn  nguyên antimon  trong quặng. Phoi sắt cho vào cũng  phản ứng  với  các thành  phần  sunfua khác  có  trong quặng như asen, đồng, chì, v.v… dẫn đến hiệu suất thu hồi antimon  đạt được thấp.

- Với  tỉ  lệ phoi sắt từ 105  đến  110  % so  với  lý thuyết, hiệu suất thu hồi antimon  tăng lên đáng kể (67,26  %). Điều này cho thấy, phoi sắt đủ cho quá trình hoàn nguyên antimony  từ quặng tinh.

- Khi tỉ  lệ phoi sắt là 115 % so với lý thuyết, hiệu suất   thu   hồi   antimon   không   tăng  thêm  nhiều (67,34  % so  với 67,26  %). Do đó,  chọn  tỉ  lệ phoi sắt là 110 % so với tính toán lý thuyết (tương đương với 31,3 kg trong phối liệu, tính cho 100 kg tinh quặng).

4.2. Ảnh hưởng của xô đa đến hiệu suất thu hồi antimon

Xô đa là trợ dung tạo xỉ, làm tăng độ chảy loãng của  xỉ  dẫn đến tăng hiệu suất thu hồi antimon.

Đã tiến hành  thí nghiệm ảnh  hưởng của  xô đa trong  lò  điện  hồ   quang  12  kVA. Điều  kiện thí nghiệm như sau:

- Quặng antimon:  2 kg.

- Phoi sắt: 0,626  kg.

- Than:  0,06  kg.

- Tỉ lệ  xô đa  được  nghiên cứu  thay  đổi  là 90, 100,  110  và 120%  tương ứng  với  lượng xô đa là: 0,125;  0,139;  0,153  và 0,167  kg. Kết quả  nghiên cứu ảnh hưởng của xô đa được thể hiện trong bảng 5 và hình 3.

Bảng  5: ảnh hưởng của xô đa đến hiệu suất thu hồi antimon

 STT Tỉ lệ  xô đa thực tế/ lý thuyết,  % Khối lượng sản phẩm, kg  Hàm lượng  Sb, % Hiệu suất  thu hồi Sb, %
1 90 0,563 95,84 66,33
2 100 0,570 95,93 67,26
3 110 0,573 95,97 67,59
4 120 0,574 95,91 67,61
Hình 3. ảnh hưởng của xô đa đến hiệu suất thu hồi antimon

Hình 3. ảnh hưởng của xô đa đến hiệu suất thu hồi antimon

Kết quả cho thấy, trong điều kiện thí nghiệm, xô đa có ảnh hưởng không  đáng kể đến hiệu suất thu hồi antimon  mà chỉ có tác dụng chảy  loãng xỉ giúp xỉ và kim loại phân tách tốt.

- Khi xô đa  cho  vào là 90  % so  với  lý thuyết, hiệu suất thu hồi đạt 66,33  %, có một ít lượng kim loại  antimon  lẫn trong  xỉ  và chưa  kịp  lắng xuống dưới do đó làm giảm hiệu suất thu hồi antimon.

- Khi xô đa cho  vào là 100 đến 110 % thì hiệu suất thu hồi tăng lên 67,59  %, lượng kim loại anti- mon trong xỉ  hầu như không  còn,  xỉ  phân tách tốt với kim loại.

- Khi lượng xô đa cho vào là 120 %, ta thấy hiệu suất thu hồi hầu như không  tăng lên, điều đó cho thấy tỉ  lệ xô đa 120 % là dư so với  lượng cần thiết.

Vậy chọn   lượng  xô  đa hợp lý  cho  quá trình luyện lắng quặng tinh antimon vùng Hà Giang – Tuyên  Quang  là  110   %,tức   tương  đương   với 0,153  kg.

4.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ  than đến hiệu suất thu hồi antimon

Điều kiện thí nghiệm như sau:

- Quặng tinh antimon:  2 kg.

- Phoi sắt: 0,626  kg.

- Xô đa: 0,153  kg.

- Tỉ lệ than  được nghiên cứu  là 1, 2, 3 và 4 % (so  với  quặng  tinh  antimon)   tương ứng  với  khối lượng than  là 0,02;  0,04;  0,06 và 0,08  kg. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong bảng  6.

Bảng  6. ảnh hưởng của than đến quá trình luyện lắng antimon

 STT Tỉ lệ  than hoàn nguyên, % Khối lượng sản phẩm, kg  Hàm lượng  Sb, % Hiệu suất  thu hồi Sb, %
1 1 0,566 96,24 66,94
2 2 0,573 95,97 67,59
3 3 0,578 95,13 67,63
4 4 0,582 94,60 67,64

Từ  bảng  kết quả  thực  nghiệm cho  thấy, than hoàn  nguyên hầu như  không  ảnh  hưởng  tới  hiệu suất thu hồi antimon  từ quặng tinh.  Với  tỉ   lệ than khác  nhau, hiệu  suất  thu  hồi  antimon   đạt  được tương đương nhau  (   67 %). Tuy nhiên, tăng tỉ  lệ than,  hàm lượng antimon  trong sản phẩm bị giảm xuống  do một số tạp chất kim loại bị hoàn nguyên đi  vào  sản  phẩm.  Vì  vậy, chọn   tỷ  lệ  than  hoàn nguyên là 2  %  nhằm   duy  trì  môi  trường  hoàn nguyên yếu trong quá trình luyện. 

5. KẾT LUẬN

Đã tiến hành khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi antimon  trong quá trình luyện lắng quặng  tinh antimon  – vàng vùng Hà Giang  – Tuyên Quang trong lò điện hồ  quang, các tác giả đưa ra một số kết luận như sau:

- Thành  phần phối  liệu mỗi  mẻ  luyện trong  lò điện hồ quang 12 kVA:

+ Quặng tinh antimon:  2 kg.

+ Phoi sắt: 0,626  kg.

+ Xô đa: 0,153  kg.

+ Than:  0,04 kg.

- Với thành phần này, hiệu suất thu hồi antimon đạt 67,59  %. Hàm lượng vàng thu được trong anti- mon thô đạt 4,24 g/ tấn, hiệu suất thu hồi vàng đạt được  là 89,63  %.  Hiệu  suất  thu  hồi  vàng  trong quặng tương đương so với  thế giới.

Hiệu suất thu hồi antimon  còn  thấp so với  thế giới  (thế giới đạt hiệu suất 80-90 %). Hiệu suất thu hồi antimon trong thử nghiệm này thấp vì tiến hành nghiên cứu trong thiết bị lò hồ quang hở,  nhiệt độ trong quá trình nấu luyện rất cao  làm cho antimon bị bay hơi. Mặt khác hệ thống  lò chưa có hệ thống thu khí và thu bụi do đó lượng antimon  bị mất theo bay  hơi  làm giảm hiệu suất thu hồi.  Để  đạt được hiệu suất thu hồi cao  hơn, cần nghiên cứu phương án thu hồi antimon  bay hơi trong quá trình luyện.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Nguyễn Mạnh Khôi, Báo cáo đề tài: “Luyện lắng quặng antimonide Eamao – Đắc Lắc trong lò điện hồ quang”, Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim, 1997.
  2. TS. Bùi Văn Mưu (Chủ  biên), PGS  – PTS. Nguyễn  Văn Hiển, PGS  – PTS. Nguyễn  Kế Bính,  PGS – PTS. Trương  Ngọc  Thận, Lý thuyết các quá trình luyện kim, Hỏa luyện – tập 1, 2. Nhà xuất bản giáo  dục – 1997.
  3. Corby G.Anderson: The metallurgy of antimony – Chemie der Erde, 72 (2012),  S4, 3-8.
  4. Chung Yu Wang, MA, BSc, Antimony, (for student, manufacturers, and  users of antimony) second editor – London, 1919.

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>