Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành sản xuất sắt thép đóng vai trò then chốt trong quá trình công nghiệp hóa. Trong công nghệ luyện gang bằng lò cao hiện đại, hai loại nguyên liệu quặng chín chủ yếu được sử dụng là quặng thiêu kết và quặng sắt viên. Xu hướng phối liệu hiện nay cho thấy tỷ lệ sử dụng quặng sắt viên ngày càng tăng nhờ sở hữu các tính năng luyện kim ưu việt, độ bền cơ học cao và khả năng cải thiện hệ số lợi dụng của lò cao.

Để sản xuất quặng sắt viên đạt tiêu chuẩn, việc bổ sung chất kết dính là yêu cầu bắt buộc nhằm đảm bảo độ bền cho viên quặng ở cả trạng thái tươi (green pellets) và sau khi nung thiêu kết. Bentonite là chất kết dính vô cơ truyền thống được sử dụng phổ biến nhất với tỷ lệ phối trộn thông thường từ 0,5% đến 2,0% khối lượng. Tuy nhiên, bentonite tự nhiên chứa hàm lượng lớn các oxit tạp chất như $\text{SiO}_2$ và $\text{Al}_2\text{O}_3$, khi đưa vào lò cao sẽ làm tăng lượng xỉ thải và tiêu hao thêm năng lượng. Xuất phát từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp tập trung vào đề tài "Nghiên cứu biến tính bentonite bằng soda" do sinh viên Lưu Thế Nam và Nguyễn Sỹ Quân thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Trần Thị Thu Hiền tại Bộ môn Kỹ thuật Gang thép, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (năm 2021).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cơ chế vê viên quặng sắt và các hệ chất kết dính vô cơ, hữu cơ.
  2. Biến tính bentonite tự nhiên dạng Ca-bentonite thành Na-bentonite bằng phương pháp phối trộn hóa chất soda ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) ở các tỷ lệ 1%, 2% và 3% khối lượng.
  3. Chế tạo quặng sắt viên sử dụng bentonite biến tính và bentonite chưa biến tính trên thiết bị vê viên mâm tròn phòng thí nghiệm.
  4. Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng soda biến tính đến các chỉ tiêu chất lượng của quặng viên bao gồm: độ bền tươi, độ bền nén sau nung, độ xốp và cấu trúc pha khoáng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Tinh quặng sắt manhetit mỏ Minh Sơn, chất kết dính bentonite Ấn Độ, hóa chất biến tính soda ($\text{Na}_2\text{CO}_3$ độ tinh khiết 99%).
  • Phạm vi: Nghiên cứu thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Lý thuyết các quá trình luyện kim (C14B) và Phòng Thí nghiệm Luyện kim bột (nhà B), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết quá trình vê viên và hóa lý bề mặt hạt mịn:

  • Cơ chế liên kết mao dẫn và trạng thái nước: Dưới tác dụng của lực căng bề mặt và năng lượng bề mặt dư của hạt quặng mịn, nước tồn tại ở 3 dạng chính trong tầng liệu: nước mao dẫn dạng điểm tiếp xúc (tạo màng thấu kính lõm kép), nước mao dẫn dạng tổ ong (nước liên tục truyền áp lực mao dẫn) và nước mao dẫn bão hòa.
  • Quá trình hình thành và phát triển viên: Diễn ra qua 3 giai đoạn gồm tạo nhân (hình thành nhân cái nhờ cầu nối chất lỏng), nhân lớn dần (bồi đắp lớp hạt dưới chuyển động cơ học và phun ẩm) và kết chặt (loại bỏ nước thừa, sắp xếp lại hạt đạt mật độ cao).
  • Cấu trúc khoáng sét bentonite: Thành phần chính là montmorillonite có công thức $(\text{Al}_2,\text{Mg}_3)(\text{Si}4\text{O}{10})(\text{OH})_2$ với cấu trúc lớp bát diện $\text{Al}_2\text{O}_3$ kẹp giữa hai lớp tứ diện $\text{SiO}_2$. Sự thay thế đồng hình giữa các ion tạo điện tích âm trên bề mặt phiến sét, được bù trừ bởi các cation kiềm ($\text{Na}^+$, $\text{Ca}^{2+}$). Quá trình biến tính bằng soda thực chất là phản ứng trao đổi ion chuyển $\text{Ca-montmorillonite}$ (độ trương nở thấp) sang $\text{Na-montmorillonite}$ (khả năng hấp thụ nước gấp 8–15 lần và trương nở tới 30 lần thể tích khô).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và hệ thống thiết bị:

  • Chế tạo mẫu: Trộn ẩm bentonite với dung dịch soda (độ ẩm 35–40%), tạo hạt 3–4 mm, sấy khô, nghiền mịn $<0,2\text{ mm}$. Phối liệu tinh quặng sắt với 2% chất kết dính, độ ẩm vê viên duy trì 9–11%. Vê viên trên máy tạo viên mâm tròn đường kính tiêu chuẩn, góc nghiêng $45^\circ$, tốc độ quay 90 vòng/phút.
  • Khử ẩm và nung thiêu kết: Sấy khử ẩm ở $200^\circ\text{C}$ trong 2 giờ trong lò sấy; nung oxy hóa ở $1200^\circ\text{C}$ trong thời gian 30 phút bằng lò nung 6 điện cực, sau đó làm nguội cùng lò.
  • Phương pháp kiểm tra cơ lý tính:
    • Độ bền tươi: Thử nghiệm rơi tự do (drop test) từ độ cao 0,45 m (450 mm) xuống tấm thép dày 4 mm, ghi nhận số lần rơi cho đến khi viên bị vỡ.
    • Độ bền nén sau nung: Đo trên máy ép thủy lực tại Phòng thí nghiệm Luyện kim bột.
    • Độ xốp: Xác định bằng phương pháp hút chân không kết hợp cân phân tích.
    • Phân tích pha cấu trúc: Sử dụng máy nhiễu xạ Rơnghen (XRD) Bruker D8-Advance.

Nguồn dữ liệu ban đầu về thành phần hóa học của nguyên liệu được xác định trong đồ án như sau:

Loại nguyên liệu Thành phần hóa học chính
Tinh quặng sắt Minh Sơn Độ ẩm: 11,1%; TFe, $\text{SiO}_2$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{CaO}$, $\text{MgO}$, $\text{MnO}$, $\text{S}$, $\text{P}$, $\text{Pb}$, $\text{Zn}$, $\text{FeO}$
Bentonite Ấn Độ Khoáng chính: Ca-montmorillonite, Quartz; $\text{SiO}_2$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{CaO}$, $\text{MgO}$, $\text{Fe}_2\text{O}_3$, $\text{MnO}$, $\text{P}_2\text{O}_5$, Mất khi nung (MKNN)
Hóa chất Soda $\text{Na}_2\text{CO}_3$: 99%; Tạp chất khác: 1%

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển và cơ sở khoa học của công nghệ vê viên quặng sắt trên thế giới:

  • Lịch sử công nghệ: Bắt đầu từ các bằng sáng chế của A.G. Anderson (Thụy Điển, 1912) và C. Brackelsberg (Đức, 1913). Quá trình phát triển quy mô công nghiệp gắn liền với việc xử lý quặng nghèo Taconite tại vùng Mesabi (Hoa Kỳ) trong thập niên 1940–1950, dẫn tới sự ra đời của các nhà máy vê viên lớn như Reserve, Erie và công nghệ ghi xích – lò quay.
  • Phân loại quặng viên: Gồm quặng viên oxy hóa, quặng viên nguội, quặng viên kim loại hóa; quặng viên tính axit và quặng viên tính chảy (tự chảy). Hiện nay quặng viên tính axit chiếm ưu thế nhằm phối hợp hiệu quả với quặng thiêu kết có độ kiềm cao trong lò cao.
  • Lý thuyết tạo viên và các yếu tố ảnh hưởng:
    • Tính chất nguyên liệu: Quặng limonit có diện tích tiếp xúc và độ hút nước tốt nhất nên dễ tạo viên; quặng manhetit hạt trơn bóng khó tạo viên hơn. Yêu cầu cỡ hạt quặng manhetit phải $<0,2\text{ mm}$ (tỷ lệ hạt qua sàng 200 mesh $>80%$).
    • Độ ẩm tối ưu: Dao động từ 8–10% đối với quặng manhetit/hematit và 14–28% đối với quặng limonit.
    • Phụ gia: Vai trò của vôi tôi $\text{Ca(OH)}_2$, vôi bột, đá vôi và bentonite.
    • Thông số thiết bị mâm vê viên: Góc nghiêng đĩa ($45^\circ - 50^\circ$), tốc độ quay thích hợp, chiều cao thành đĩa (thường bằng 0,12 lần đường kính đĩa) và hệ số nạp đầy thể tích đạt từ 10% đến 20%.

CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI CHẤT KẾT DÍNH TRONG VÊ VIÊN QUẶNG SẮT

Chương 2 tổng hợp và phân tích chuyên sâu các nhóm chất kết dính dùng trong luyện viên:

  • Chất kết dính hữu cơ:

    • Dẫn xuất Cellulose: Natri carboxymethyl cellulose (Na-CMC), thương phẩm Peridur và Alcotac. Ưu điểm là không bổ sung silica, tạo độ nhớt cao; nhược điểm là chi phí đắt và tăng lượng bụi khi nung.
    • Tinh bột: Tinh bột ngô, khoai tây, chất kết dính tinh bột biến tính S-1 chứa nhóm carboxyl và hydroxyl. Tinh bột dễ bị cháy ở nhiệt độ $>300^\circ\text{C}$.
    • Copolymer tổng hợp: Polyacrylamide (Floform 1049V) chứa nhóm carboxyl liên kết tốt với oxit sắt, chỉ cần dùng liều lượng 0,2 kg/tấn quặng.
    • Humates: Chất kết dính Funa® chiết xuất từ than non bằng dung dịch kiềm, có cấu trúc vòng thơm chứa nhóm chức $-\text{COOH}$ và $-\text{OH}$, nâng cao độ ẩm và độ bền tươi.
    • Gum: Guar gum, Jaguar gum có chuỗi polyme dài, tạo độ nhớt cao nhưng giá thành phụ thuộc nguồn nguyên liệu nông nghiệp.
    • Bitumen, hắc ín và chất thải công nghiệp: Nhựa đường, bùn thải nhà máy giấy, rêu than bùn, chất thải đô thị. Nhược điểm chung là chất lượng không đồng đều, chứa lưu huỳnh hoặc photpho gây hại cho gang lỏng.

  • Chất kết dính vô cơ:

    • Bentonite: Khoáng sét montmorillonite có khả năng trương nở mạnh, tạo cầu nối xỉ silicat khi nung thiêu kết ở nhiệt độ cao. Khả năng hút nước tính theo công thức:

    $$V(E)% = \frac{V}{P} \times 100$$

    (trong đó $V$ là lượng nước hấp thụ tính bằng gam, $P$ là khối lượng bentonite tính bằng gam).

    • Vôi và vôi tôi: Bổ sung 1% $\text{Ca(OH)}_2$ giúp cải thiện độ bền tươi và hạn chế nứt nẻ trong quá trình sấy viên.

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM

Chương 3 mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị nguyên liệu, thông số thiết bị và các bước tiến hành thực nghiệm:

  • Chuẩn bị nguyên liệu: Tinh quặng sắt Minh Sơn, bentonite Ấn Độ và phụ gia soda đều được nghiền đến cỡ hạt $<0,2\text{ mm}$.
  • Quy trình biến tính bentonite: Phối trộn bentonite với soda theo tỷ lệ 1%, 2% và 3% khối lượng ở độ ẩm 35–40%, tạo hạt kích thước 3–4 mm, sấy khô và nghiền lại $<0,2\text{ mm}$.
  • Quy trình 6 bước chế tạo quặng viên:
    • Bước 1: Cân phối liệu tinh quặng sắt và 2% bentonite (chưa biến tính hoặc đã biến tính), trộn đều từ 5–10 phút.
    • Bước 2: Vê viên trên máy mâm tròn (góc nghiêng $45^\circ$, tốc độ 90 vòng/phút), cung cấp nước dạng sương và nhỏ giọt theo tỷ lệ độ ẩm 9–11%.
    • Bước 3: Khi viên đạt kích thước 12–14 mm, cho quay lưu trong mâm thêm 10–15 phút để làm nhẵn bề mặt và tăng độ nén chặt.
    • Bước 4: Kiểm tra độ bền tươi bằng thử nghiệm rơi ở độ cao 450 mm trên đĩa thép dày 4 mm.
    • Bước 5: Khử ẩm quặng viên bằng phơi tự nhiên 1–2 ngày, sau đó nạp vào cốc gốm có nắp sấy tại lò ở $200^\circ\text{C}$ trong 2 giờ.
    • Bước 6: Nung oxy hóa quặng viên ở nhiệt độ $1200^\circ\text{C}$ trong thời gian 30 phút bằng lò nung 6 điện cực, sau đó làm nguội cùng lò.

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 4 trình bày và biện luận các kết quả thực nghiệm thu được:

  • Phân tích cấu trúc pha bentonite trước và sau biến tính: Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của bentonite tự nhiên cho thấy hai pha khoáng chủ yếu là Ca-montmorillonite và Quartz ($\text{SiO}_2$). Khi biến tính với soda ở các tỷ lệ 1%, 2% và 3%, các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của Ca-montmorillonite có sự dịch chuyển và biến đổi cường độ, chứng minh ion $\text{Na}^+$ trong soda đã trao đổi thành công với ion $\text{Ca}^{2+}$ trong mạng tinh thể sét để hình thành Na-montmorillonite có hoạt tính bề mặt cao hơn.
  • Đánh giá cơ lý tính của quặng sắt viên:
    • Độ bền tươi: Sử dụng bentonite biến tính bằng soda làm tăng đáng kể số lần rơi không vỡ của viên quặng sống so với mẫu đối chứng dùng bentonite chưa biến tính.
    • Độ bền nén sau nung: Mẫu quặng viên sử dụng bentonite biến tính nung ở $1200^\circ\text{C}$ trong 30 phút đạt độ bền nén cao hơn, tạo liên kết pha xỉ gốm đồng đều và bền vững.
    • Độ xốp: Đo đạc bằng phương pháp chân không cho thấy độ xốp của quặng viên sau nung biến thiên phù hợp theo hàm lượng soda, đảm bảo khả năng thấm khí và tính hoàn nguyên trong lò cao.
    • Cấu trúc pha quặng viên sau nung: Phổ XRD khẳng định quá trình oxy hóa manhetit ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) thành hematit ($\text{Fe}_2\text{O}_3$) và sự tương tác tạo pha liên kết giữa bentonite biến tính với tinh quặng sắt.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các nội dung thực nghiệm và thu được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

Chỉ tiêu nghiên cứu Thông số / Kết quả xác định từ thực nghiệm
Cấu trúc bentonite ban đầu Ca-montmorillonite chiếm chủ đạo cùng tạp chất Quartz ($\text{SiO}_2$)
Tỷ lệ biến tính soda Đã khảo sát ở 3 mức: 1%, 2% và 3% khối lượng soda
Chế độ sấy khử ẩm $200^\circ\text{C}$ trong thời gian 2 giờ trong cốc gốm có nắp
Chế độ nung oxy hóa $1200^\circ\text{C}$ trong thời gian 30 phút trong môi trường không khí
Kích thước quặng viên thành phẩm Đường kính hạt đạt chuẩn trong khoảng 12 – 14 mm
Độ bền cơ học quặng viên Độ bền tươi (số lần rơi ở độ cao 450 mm) và độ bền nén sau nung của quặng viên dùng bentonite biến tính soda cao hơn rõ rệt so với bentonite nguyên bản

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

  • Khẳng định tính khả thi của phương pháp biến tính bentonite trong nước bằng soda quy mô phòng thí nghiệm, chuyển hóa bentonite gốc canxi chất lượng thấp thành bentonite gốc natri có lực dính kết cao.
  • Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm cho việc giảm hàm lượng bentonite phối trộn trong sản xuất quặng sắt viên, từ đó hạn chế tạp chất $\text{SiO}_2$ và $\text{Al}_2\text{O}_3$ đưa vào lò cao, góp phần hạ thấp tiêu hao nhiên liệu và tăng năng suất luyện gang.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Tỷ lệ chất kết dính bentonite phối trộn vào quặng viên trong toàn bộ các mẻ thí nghiệm đang cố định ở mức 2% khối lượng, chưa khảo sát sâu dải tỷ lệ thấp hơn (như 0,5% – 1,5%) để tìm ngưỡng tối thiểu nhằm tối ưu hóa lượng tạp chất đưa vào lò.
  • Thao tác cấp ẩm và vê viên trên mâm tròn phòng thí nghiệm còn thực hiện thủ công, có thể dẫn đến sự dao động nhỏ về độ ẩm cục bộ giữa các mẻ tạo viên.
  • Chế độ nung mới chỉ khảo sát ở một mốc nhiệt độ $1200^\circ\text{C}$ và thời gian 30 phút.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng khảo sát biến tính bentonite với các hàm lượng phối trộn chất kết dính giảm dần ($<2%$) nhằm xác định hàm lượng tối ưu nhất cho từng loại tinh quặng.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các dải nhiệt độ nung thiêu kết khác nhau ($1150^\circ\text{C} - 1300^\circ\text{C}$) và các tốc độ nâng nhiệt đến cấu trúc tế vi cũng như tính hoàn nguyên của viên quặng.
  • Thử nghiệm trên thiết bị vê viên liên tục bán công nghiệp để đánh giá độ ổn định của bentonite biến tính trong điều kiện sản xuất thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Gang thép, Luyện kim và Khoa học Vật liệu cần tài liệu thực nghiệm về công nghệ chuẩn bị liệu lò cao và kỹ thuật vê viên quặng sắt.
  • Kỹ sư công nghệ tại các nhà máy sản xuất thép và quặng thiêu kết/vê viên tham khảo quy trình biến tính khoáng sét bentonite để nâng cao cơ tính viên quặng và tối ưu hóa chi phí chất kết dính.
  • Các nhà nghiên cứu khoáng sản phi kim loại và vật liệu kết dính quan tâm đến phương pháp phân tích pha cấu trúc bằng XRD và kỹ thuật đo độ xốp chân không.

Phần đáng tham khảo nhất trong đồ án là Chương 2 với hệ thống phân loại toàn diện các chất kết dính hữu cơ/vô cơ, cùng quy trình thực nghiệm chi tiết từng bước ở Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phải biến tính bentonite bằng soda trong công nghệ sản xuất quặng sắt viên?

Bentonite tự nhiên chủ yếu ở dạng Ca-bentonite có khả năng hấp thụ ẩm và trương nở kém hơn Na-bentonite. Việc biến tính bằng soda ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) giúp trao đổi ion $\text{Na}^+$ vào vị trí $\text{Ca}^{2+}$ trong mạng montmorillonite, làm tăng độ giãn nở, tăng diện tích bề mặt riêng và tăng lực liên kết mao dẫn. Nhờ đó, viên quặng đạt độ bền tươi và độ bền nén cao hơn, đồng thời cho phép giảm tỷ lệ bentonite sử dụng để hạn chế đưa các oxit axit ($\text{SiO}_2$, $\text{Al}_2\text{O}_3$) vào lò cao.

2. Quy trình biến tính bentonite bằng hóa chất soda trong nghiên cứu được tiến hành như thế nào?

Bentonite ban đầu được phun nước điều chỉnh độ ẩm khoảng 35–40%, sau đó phối trộn đều với soda theo tỷ lệ 1%, 2% hoặc 3% tính theo khối lượng bentonite. Hỗn hợp được tạo hạt có kích thước 3–4 mm rồi đem sấy khô (hoặc để ở nhiệt độ phòng). Sau khi khô hoàn toàn, các mẫu bentonite biến tính được đem nghiền mịn đạt cỡ hạt nhỏ hơn $0,2\text{ mm}$ trước khi phối trộn với quặng sắt.

3. Phương pháp kiểm tra độ bền tươi của quặng viên được thực hiện theo tiêu chuẩn nào trong đồ án?

Độ bền tươi được xác định bằng phương pháp thử rơi tự do (drop test). Viên quặng tươi sau khi vê đạt đường kính 12–14 mm được thả rơi tự do từ độ cao cố định 0,45 m (450 mm) xuống bề mặt một tấm thép dày 4 mm. Độ bền tươi được tính bằng số lần rơi lặp lại cho đến khi viên quặng xuất hiện vết nứt vỡ hoặc vỡ vụn.

4. Chế độ sấy khử ẩm và nung thiêu kết oxy hóa quặng viên được thiết lập với các thông số nào?

Sau khi tạo hình, quặng viên tươi được phơi khô tự nhiên 1–2 ngày, đặt trong cốc gốm có nắp và đưa vào lò sấy ở nhiệt độ $200^\circ\text{C}$ trong 2 giờ để khử toàn bộ ẩm tự do. Tiếp theo, viên khô được đưa vào lò nung 6 điện cực để nung oxy hóa trong môi trường không khí ở nhiệt độ $1200^\circ\text{C}$ trong thời gian 30 phút, sau đó để nguội tự nhiên cùng lò.

5. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) đã chứng minh điều gì về cấu trúc của bentonite sau khi biến tính?

Kết quả XRD cho thấy mẫu bentonite ban đầu gồm hai pha chính là Ca-montmorillonite và thạch anh (Quartz). Khi xử lý với soda ở các tỷ lệ 1%, 2% và 3%, các đỉnh phổ nhiễu xạ đặc trưng của montmorillonite có sự biến đổi và dịch chuyển vị trí góc phản xạ, minh chứng cho sự chuyển đổi thành công từ cấu trúc Ca-montmorillonite sang Na-montmorillonite nhờ phản ứng trao đổi cation với ion natri.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu biến tính bentonite bằng soda" của nhóm tác giả Lưu Thế Nam và Nguyễn Sỹ Quân đã giải quyết thành công bài toán cải thiện chất lượng chất kết dính cho công nghệ vê viên quặng sắt manhetit Minh Sơn. Thông qua việc biến tính bentonite với 1% – 3% soda kết hợp quy trình vê viên mâm tròn và nung ở $1200^\circ\text{C}$, nghiên cứu đã nâng cao rõ rệt độ bền tươi và độ bền nén sau nung của quặng viên thành phẩm. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm giá trị, mở ra khả năng giảm tỷ lệ chất kết dính bentonite nhằm nâng cao hiệu quả kỹ thuật - kinh tế trong công nghệ luyện gang lò cao.