Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính chất của các ô-xít sắt Đối với tập hợp khoáng vật giàu sắt (Fe), hiện nay ở nƣớc ta quy ƣớc khi hàm lƣợng sắt chứa trong hợp phần chiếm từ 17% trở lên thì đƣợc gọi là quặng sắt, nếu hàm lƣợng này nhỏ hơn 17% thì gọi là nguyên liệu khoáng. Trong tự nhiên quặng sắt có nhiều loại khác nhau, thành phần chính gồm 1 số loại ô-xít sắt trong đó sắt ở dạng hóa trị 2 và 3 (Fe2+, Fe3+). Các loại ô-xít sắt xếp theo thứ tự mức độ ô-xy hóa giảm dần là: ê-ma-tít (Fe2O3), ma-nhê-tít (Fe3O4) và vu-tít (FeO) [1-4].
Ion O2-, Fe2+ và Fe3+ có đƣờng kính khác nhau (Hình 1. Trong mạng tinh thể của ô-xy, các ion Fe2+ và Fe3+ nằm ở vị trí lỗ trống tứ diện hoặc bát diện. Kích thước tương đối của anion ô-xy O2- là 0,136 nm, cation Fe2+ là 0,078 nm và cation Fe3+ là 0,065 nm. Ê-ma-tít Ê-ma-tít có cấu trúc khối hình thoi dựa trên chuỗi hình lục giác xếp chặt xếp chồng lên nhau của các ion ô-xy(ABAB…) trong đó có cation sắt có hóa trị 3 đƣợc đặt giữa các khối hình thoi trong ê-ma-tít hợp thức (Hình 1.
Dạng ê-ma-tít không hợp thức thƣờng tồn tại khi thiếu anion, khi cân bằng điện tích đƣợc bù trừ với các cation sắt hóa trị hai thay vì cation sắt hóa trị. Cấu trúc của ê-ma-tít hợp thức, trong đó hai lớp tuần tự (AB…) của anion ô-xy (quả cầu màu xanh), cation sắt (quả cầu màu đỏ) trong khối bát diện, minh họa từ Klein [5]. 4 luan an 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 phƣơng; chỉ hình thành dƣới điều kiện đặc biệt ở dƣới khoảng nhiệt độ 400÷500 °C.
Ma-nhê-tít Ma-nhê-tít là một khoáng vật sắt từ có công thức hóa học Fe3O4 thƣờng đƣợc xem là tập hợp của Vu-tít và ê-ma-tít. Ma-nhê-tít có cấu trúc tinh thể lập phƣơng tâm mặt gồm 3 lớp khác nhau của anion ô-xy (ABCABC…) trong đó các ion sắt hóa trị hai và hóa trị ba có bán kính ion nhỏ hơn phân bố trong mạng của ô-xy ở các vị trí tứ diện và bát diện (Hình 1. Ma-nhê-tít hợp thức có chứa 2/3 các ion sắt hóa trị 3 và 1/3 các ion sắt hóa trị hai. Dạng không hợp thức tồn tại khi thiếu các cation khi cân bằng điện tích đƣợc bù bằng các cation sắt hóa trị 3.
Các lớp nguyên tử của ma-nhê-tít sắp xếp trên mặt (111), trong đó quả cầu màu xanh là các anion ô-xy và các cation sắt Fe2+ và Fe3+ nằm trong khối tứ diện và bát diện, minh họa dựa theo Leinl [5, 6]. 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 phƣơng làm tăng thể tích, tăng độ xốp tăng và gây nứt. Trong thực tế, quá trình hoàn nguyên của ê-ma-tít sinh ra sản 5 luan an 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. Vu-tít Vu-tít có cấu trúc tinh thể theo kiểu NaCl.
Mỗi ion Fe2+ đƣợc phối trí bởi 6 ion O2- và mỗi ion O2- đƣợc phối trí bởi 6 ion Fe2+. Các ion Fe 2+ nằm lỗ trống bát diện tạo nên bởi các ion O2- trong khi các lỗ trống tứ diện không có ion Fe2+ (Hình 1. Thành phần không hợp thức (FeO1,05 hoặc Fe0.95O) tồn tại khi thiếu cation dẫn đến một cặp cation Fe2+/Fe3+ ở vị trí lỗ trống. Các cation Fe3+ đƣợc định vị nằm giữa khối tứ diện.
Cấu trúc mạng tinh thể vu-tít hợp thức. Minh họa theo Waychunas [1] 1. Các chỉ tiêu đánh giá về chất lượng quặng sắt cho ngành luyện kim 1. Thành phần hoá học và tính ổn định Thành phần hoá học của quặng đƣợc quan tâm đầu tiên là hàm lƣợng sắt, quặng sắt có hàm lƣợng cao thì hiệu quả luyện gang càng cao.
Khi hàm lƣợng sắt trong quặng đạt trên 60%, là quặng giàu sắt, quặng trung bình từ 50 ÷ 60%, dƣới 50% là quặng nghèo sắt. Quặng sắt đƣa vào lò cao đòi hỏi thành phần hoá học phải ổn định để đảm bảo cho việc vận hành lò thuận lợi và chất lƣợng của gang cũng nhƣ năng suất của lò. Trong thực tế thành phần hoá học của quặng sắt rất không ổn định, do vậy công tác chuẩn bị liệu là hết sức cần thiết. Biện pháp chung hoà quặng và tính toán phối liệu lò cao phải đảm bảo cho tỷ lệ Mn/Fe; P/Fe thích hợp và hàm lƣợng Fe; SiO2; Al2O3.
có độ dao động không đƣợc quá 0,5%. 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 cao. Tính hoàn nguyên của quặng càng cao thì hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của lò càng lớn. 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 chi tiết.
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 hƣởng đến độ thông khí của cột vật liệu trong lò, ảnh hƣởng đến quá trình tạo xỉ và mức độ hoàn nguyên gián tiếp của các vật liệu phụ. Tính biến mềm của quặng luôn phù hợp với khí động học trong lò nên tiết kiệm đƣợc nhiên liệu và nâng cao năng suất của lò cao và ngƣợc lại. Tính biến mềm phụ thuộc vào cấu trúc và thành phần khoáng vật của quặng. Ngoài các chỉ tiêu trên các chỉ tiêu về độ xốp, độ bền, tỷ trọng và hàm lƣợng nƣớc hyđrat trong quặng đều có ảnh hƣởng đến quá trình luyện gang và hiệu quả kinh tế khi luyện gang lò cao.
Đặc điểm nguồn nguyên liệu quặng sắt Cao Bằng Kết quả điều tra, tìm kiếm, đánh giá và thăm dò đã xác định đƣợc 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 lƣợng sắt đạt từ 55% đến 70%. Với tài nguyên khoáng sản hiện có Cao Bằng (Bảng 1.1) đang đẩy mạnh các điều kiện để ngành công nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản trở thành một trong những ngành mũi nhọn trong phát triển nền kinh tế của tỉnh nhà. Việc chế biến quặng sắt tại Cao Bằng đã đƣợc tiến hành từ khá lâu tuy nhiên mức độ còn hạn 7 luan an chế.
Công nghiệp gang thép Cao Bằng cho thấy có lợi thế là nguyên liệu quặng sắt, trợ dung đá vôi và dolomi. Tuy nhiên còn phụ thuộc vào bên ngoài là thiết bị, than cốc, công nghệ. Hiện tại trên địa bàn tỉnh Cao Bằng đã có 06 cơ sở luyện gang và sản xuất sắt xốp. Các lò cao luyện gang phần lớn là các lò cao nhỏ (Bảng 1.
Trình độ công nghệ không đồng đều của các cơ sở sản xuất làm chất lƣợng sản phẩm chƣa cao và ít chủng loại. Với những tiềm năng khoáng sản hiện có và tình hình ngành công nghiệp chế biến khoáng sản hiện nay đang còn gặp nhiều khó khăn đặc biệt về công nghệ và nghiên cứu tính chất luyện kim quặng sắt Cao Bằng. Thống kê trữ lượng và tài nguyên khoáng sản quặng sắt của tỉnh Cao Bằng (Nguồn: Báo cáo tổng kết đánh giá trình độ công nghệ chế biến khoáng sản kim loại của tỉnh Cao Bằng của Viện khoa học và công nghệ mỏ-luyện kim) Tài nguyên dự báo Mỏ khoáng, Trữ lƣợng (tấn) Tổng TL và TT (tấn) BHKS TNDB (tấn) 121 (A+B) 122 (C1) 333 C2 334a (P1) 1 Nà Rụa 2.354 2 Quốc Khánh 20.000 4 Ngƣờm Cháng 769.000 8 Tà Phình 600.000 16 Nà Mè -Hào Lịch 1.190 Cho đến nay chƣa có một công trình nghiên cứu đối với nguồn quặng sắt của tỉnh Cao Bằng. Vấn đề nghiên cứu các đặc trƣng về khoáng vật, quy trình làm giàu và tính chất hoàn nguyên của quặng sắt cần đƣợc thực hiện và mang một ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Đặc biệt nhà máy sản xuất sắt xốp MIREX đã đƣợc đầu tƣ 8 luan an xây dựng dựa trên quy trình công nghệ sử dụng than làm chất hoàn nguyên. Công nghệ này tuy đơn giản nhƣng có nhiều vấn đề nảy sinh về mức độ ổn định khi vận hành và chất lƣợng của sắt xốp. Chất lƣợng sắt xốp cần đƣợc nghiên cứu đánh giá kỹ lƣỡng để có thể cung cấp cho các khâu luyện gang hoặc luyện thép. Nghiên cứu tính chất luyện kim của quặng sắt giúp cho các các cơ sở chế biến quặng sắt sử dụng công nghệ luyện gang lò cao đƣa ra đƣợc quy trình công nghệ sản xuất tối ƣu nhằm giảm các chi phí nguyên liệu đầu vào.
Thống kê tình hình chế biến quặng sắt của các cơ sở sản xuất trên địa bàn tỉnh Cao Bằng (Nguồn: Báo cáo tổng kết ngành Công Thương năm 2019) Sản phẩm STT Tên dự án Hiện trạng dự án tấn/năm - Lò cao luyện gang xã Chu Sản xuất không liên tục, Trinh; nguyên liệu đã cân đối cơ 1 40000 - Cty Khoáng sản Xây dựng bản đảm bảo cho sản xuất 30-4 trên 16 năm. - Lò cao luyện gang Bản Gủn; Sản xuất không liên tục, - Công ty Cổ phần chế biến đang ngừng sản xuất. 2 khoáng sản Cao Sơn Hà 54000 Nguyên liệu đã cân đối cơ bản đảm bảo cho sản xuất trên 16 năm. Dự án chế biến gang cầu; Khu Đã xây dựng xong nhà 3 kinh tế cửa khẩu Tà Lùng; 45000 xƣởng và nhập đƣợc 13 hạng - Công ty TNHH Thiên Phú mục thiết bị - Nhà máy sản xuất sắt xốp Nhà máy đã đi vào chạy thử 200000 sắt xốp MIREX; dây chuyền sắt xốp từ 4 & phôi thép hợp - Công ty Cổ phần Khoáng sản 5/2010, hiện đang hoàn thiện kim và Luyện kim Việt Nam; về Công nghệ.
- Khu liên hợp gang thép Cao Đang hoạt động. Sản phẩm Bằng, lò cao 179m3; - Sản lƣợng chính hiện nay là phôi thép 5 - Công ty cổ phần gang thép 221.600 Cao Bằng - Lò sản xuất sắt Đang hoạt động; sản phẩm - Doanh nghiệp tƣ nhân đúc Toàn xốp sắt xốp và các chi tiết đúc 6 Hƣng; Km 10; xã Chu Trinh, - Lò luyện thép huyện Hoà An trung tần 1,5 tấn 9 luan an 1.