Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản titan tại Việt Nam đang có sự chuyển dịch mạnh mẽ theo chủ trương của Nhà nước nhằm hạn chế tối đa việc xuất khẩu tinh quặng thô, hướng tới mục tiêu chế biến sâu 100% sản lượng quặng để tạo ra các sản phẩm có giá trị gia tăng vượt trội như xỉ titan với hàm lượng TiO2 đạt trên 90%, rutin nhân tạo và titan kim loại. Trong dây chuyền công nghệ luyện xỉ titan quy mô công nghiệp với công suất thiết kế điển hình đạt 6.000 tấn/năm (tương đương năng suất vận hành 2,5 tấn/giờ trong 300 ngày làm việc mỗi năm), việc loại bỏ các pha nhiễm từ mạnh như magnetit và gang kim loại tự do sau quá trình hoàn nguyên đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao phẩm cấp sản phẩm và ngăn ngừa hiện tượng bám dính gây hư hỏng thiết bị tuyển từ cao trường.

Trước thực tế phụ thuộc vào máy móc nhập khẩu có chi phí đầu tư cao, đề tài nghiên cứu đã tiến hành thiết kế, tính toán và chế tạo thành công mẫu máy tuyển từ yếu 2 trục ký hiệu TT-2T nhằm giải quyết bài toán tuyển tách pha từ tính mạnh trong quặng ilmenit và xỉ titan. Mục tiêu cốt lõi của công trình là xác lập hệ thống thông số kỹ thuật tối ưu bao gồm việc tạo ra dải từ trường điều chỉnh linh hoạt từ 0 đến 700 Oersted trên bề mặt tang quay và đảm bảo năng suất làm việc đạt 2,5 đến 2,6 tấn/giờ.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong giai đoạn năm 2008 đến 2009 trên 3 đối tượng khoáng sản thực tế tại các mỏ sa khoáng lớn thuộc tỉnh Bình Thuận, Quảng Trị và Thừa Thiên Huế. Kết quả của công trình mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp các nhà máy luyện kim nội địa hóa hoàn toàn thiết bị chế biến, cắt giảm 30% đến 40% chi phí đầu tư ban đầu và đảm bảo tỷ lệ thu hồi sản phẩm xỉ titan chất lượng cao đạt trên 90%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở khoa học của công trình dựa trên lý thuyết tương tác từ trường trong tuyển khoáng, trong đó lực từ tác dụng lên hạt khoáng vật chuyển động được xác định theo phương trình F = M0 x chi x H x grad H (với M0 là hằng số từ trong chân không, chi là độ cảm từ riêng tính theo m3/kg, H là cường độ từ trường và grad H là gradient từ trường). Khi dòng quặng đi qua vùng từ trường không đồng tính, sự chênh lệch về độ cảm từ riêng sẽ quyết định quỹ đạo chuyển động và vị trí rơi riêng biệt của từng nhóm khoáng vật.

Lý thuyết phân loại khoáng sản theo từ tính xếp các vật liệu thành 3 nhóm cơ bản. Nhóm có từ tính mạnh gồm magnetit với độ cảm từ riêng từ 25 x 10^-6 đến 50 x 10^-6 m3/kg, ilmenit hoàn nguyên đạt từ 14 x 10^-6 đến 15 x 10^-6 m3/kg (thậm chí có thể đạt tới 2,9 x 10^-3 m3/kg sau khi thiêu kết) và gang kim loại. Nhóm có từ tính trung bình điển hình là ilmenit tự nhiên với độ cảm từ riêng dao động từ 0,3 x 10^-6 đến 1,2 x 10^-6 m3/kg. Nhóm không nhiễm từ hoặc từ tính rất yếu gồm rutin với độ cảm từ riêng chỉ từ 0,002 x 10^-6 đến 0,015 x 10^-6 m3/kg.

Nghiên cứu áp dụng mô hình mạch từ hở sử dụng hệ thống nam châm điện dạng rẻ quạt bố trí cố định bên trong tang quay bằng thép không gỉ 304 không nhiễm từ. Cơ chế phân ly là sự tổng hợp cân bằng giữa lực hút từ trường và lực ly tâm cơ học kết hợp với trọng lực tác động lên dòng vật liệu rời khi tang vận hành ở dải vận tốc dài từ 0,5 đến 0,6 m/s, đảm bảo các hạt nhiễm từ bị giữ lại trên bề mặt tang trong khi các hạt không nhiễm từ văng ra ngoài theo quỹ đạo định sẵn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình chạy thử nghiệm trực tiếp với 3 nguồn mẫu quặng đại diện trong nước có cỡ hạt phân bố dưới 1 mm: mẫu quặng ilmenit chứa nhiều magnetit tại vùng Bình Thuận (Công ty Ilmenit Việt Trung), mẫu ilmenit hoàn nguyên của Công ty Que hàn Vĩnh Phú (nguồn gốc từ quặng Quảng Trị) và mẫu xỉ titan do Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim sản xuất từ quặng Thừa Thiên Huế. Cỡ mẫu cho mỗi mẻ thử nghiệm dao động từ 35 kg đến 50 kg, được lựa chọn theo phương pháp lấy mẫu đại diện công nghiệp nhằm phản ánh chính xác tính chất cơ lý và hóa học của dòng cấp liệu.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp tính toán lý thuyết động lực học với thử nghiệm thực chứng trên hệ thống thiết bị đo đạc đồng bộ: máy biến tần 2,2 kW dùng để điều chỉnh tốc độ tang quay vô cấp từ 10 đến 80 vòng/phút, máy đo từ trường bề mặt ở các mức dòng điện kích từ từ 1 đến 6 A (nguồn điện áp một chiều 0 đến 90 VDC) và hệ thống hút bụi bảo vệ môi trường. Các mẫu sản phẩm đầu vào và đầu ra sau tuyển được phân tích hàm lượng 2 chỉ tiêu hóa học cơ bản là TiO2 và Fe bằng phương pháp quang phổ và hóa học tiêu chuẩn. Việc lựa chọn phương pháp phân tích cân bằng vật chất cho phép định lượng chính xác hiệu suất thu hồi và sai số phân ly của thiết bị. Toàn bộ chu trình nghiên cứu và thử nghiệm diễn ra trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện đầu tiên khẳng định tốc độ quay của tang ảnh hưởng mang tính quyết định đến hiệu suất thu hồi sản phẩm có từ. Khi vận hành tang ở tốc độ tối ưu 38 vòng/phút (tương đương tần số biến tần 23,5 Hz), khối lượng sản phẩm nhiễm từ thu hồi đạt mức cao nhất. Nếu tốc độ quay giảm xuống 26 vòng/phút, lực ly tâm quá nhỏ khiến các hạt không nhiễm từ bị dòng liệu cuốn vào khoang sản phẩm có từ; ngược lại, khi tốc độ tăng lên trên 50 vòng/phút, lực ly tâm lớn hơn lực từ trường làm các hạt nhiễm từ văng sang khoang không nhiễm từ, làm suy giảm hiệu suất phân ly hơn 15%.

Phát hiện thứ hai chỉ ra vị trí góc đặt của cực từ bên trong tang quay đạt hiệu quả tách quặng cao nhất tại góc 20 độ. Khi góc cực từ bố trí nhỏ hơn 20 độ, lực quán tính làm dòng vật liệu rời khỏi mặt tang trước khi vào vùng từ trường hiệu dụng; trong khi góc cực từ lớn hơn 20 độ làm sản phẩm nhiễm từ bị tách khỏi tang trước khi vượt qua dao cắt dòng, dẫn đến tình trạng suy giảm từ 8% đến 12% độ sạch của sản phẩm.

Phát hiện thứ ba làm rõ dải cường độ từ trường tối ưu cho từng loại khoáng vật. Đối với ilmenit hoàn nguyên và xỉ titan, cường độ từ trường bề mặt tang chỉ cần duy trì trong khoảng 300 đến 400 Oersted (tương ứng dòng điện kích từ 3 đến 4 A) là đủ để phân tách hoàn toàn pha sắt tự do và gang. Riêng với quặng ilmenit thô chứa nhiều magnetit, cường độ từ trường cần thiết lập ở mức 500 Oersted để tách triệt để 100% tạp chất từ tính mạnh.

Phát hiện thứ tư là thiết bị TT-2T hoạt động ổn định ở công suất 2,5 đến 2,6 tấn/giờ, giúp nâng hàm lượng TiO2 trong phần sản phẩm không nhiễm từ của xỉ titan đạt trên 80% đến 90%, đồng thời đưa hàm lượng sắt Fe tự do xuống dưới ngưỡng kỹ thuật 6%, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu nguyên liệu cho các công đoạn sản xuất que hàn và pigment.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp thiết bị đạt hiệu suất tuyển tách vượt trội là sự tương thích chính xác giữa sức từ động thiết kế (cuộn dây đạt 8.000 A-vòng) và đặc tính từ cảm biến thiên của quặng sa khoáng sau hoàn nguyên. Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn qua đồ thị tương quan giữa cường độ từ trường (từ 0,5 đến 3,0 kG) và dòng điện kích từ (từ 1 đến 7 A) cho thấy đáp ứng tuyến tính ổn định, cho phép người vận hành dễ dàng làm chủ quy trình phân ly.

So sánh với các dòng máy tuyển từ nam châm vĩnh cửu dạng băng tải nhập khẩu từ nước ngoài, thiết kế tang quay 2 trục bằng thép không gỉ kết hợp chổi gạt cơ học đã khắc phục hoàn toàn nhược điểm kẹt liệu và khó vệ sinh do các hạt sắt giàu từ tính bám dính chặt vào bề mặt. Kết quả cân bằng khối lượng trình bày qua các bảng số liệu 3 dòng sản phẩm (quặng có từ, trung gian và không nhiễm từ) khẳng định tổn thất TiO2 vào đuôi quặng luôn duy trì dưới mức 4%, chứng minh tính ưu việt của hệ thống phân dòng và máng cấp liệu không nhiễm từ bằng nhôm đúc.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, hoàn thiện và chuẩn hóa bộ hồ sơ thiết kế chế tạo cơ khí hàng loạt (từ bản vẽ tổng thể số hiệu N61-001 đến các chi tiết bộ tang từ N61-003) nhằm giảm thiểu 15% đến 20% giá thành chế tạo máy TT-2T trong vòng 6 tháng tới. Đơn vị chủ trì thực hiện là Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim phối hợp cùng các xưởng cơ khí chuyên ngành.

Thứ hai, tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa thông minh ứng dụng PLC kết nối với biến tần 2,2 kW và cảm biến tải trọng cấp liệu, nhằm tự động ổn định tốc độ tang ở 38 vòng/phút và duy trì cường độ từ trường 300 đến 400 Oersted khi lưu lượng cấp liệu biến thiên từ 2,0 đến 3,0 tấn/giờ. Kế hoạch này cần hoàn tất trong thời gian 3 đến 6 tháng do đội ngũ kỹ sư tự động hóa đảm nhiệm.

Thứ ba, xúc tiến chuyển giao công nghệ và lắp đặt thiết bị TT-2T cho các nhà máy luyện xỉ titan quy mô 6.000 đến 12.000 tấn/năm trên toàn quốc, trọng tâm là dự án nhà máy xỉ titan của Công ty BIMICO Bình Định và các cơ sở luyện kim tại Thái Nguyên, với thời gian triển khai lắp đặt hoàn thiện trong vòng 9 tháng bởi các doanh nghiệp chế biến sâu khoáng sản.

Thứ tư, mở rộng phạm vi nghiên cứu ứng dụng máy tuyển từ yếu TT-2T sang lĩnh vực tiền xử lý sa khoáng ven biển miền Trung nhằm loại bỏ trên 95% khoáng vật magnetit trước khi đưa vào các cụm tuyển từ cường độ cao 3.000 đến 8.000 Oersted, thực hiện trong lộ trình 12 tháng dưới sự bảo trợ kỹ thuật của Bộ Công Thương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư cơ khí chế tạo máy và thiết bị mỏ có thể sử dụng toàn bộ thông số tính toán cuộn dây kích từ (dây êmay đường kính 2,0 mm, tiết diện 3,14 mm2, dòng định mức 6 A) và kết cấu tang quay inox dày 3 mm, đường kính 250 mm để làm chuẩn thiết kế cho các thiết bị phân loại khoáng sản có tính năng tương tự.

Nhóm cán bộ kỹ thuật và chuyên viên vận hành tại các nhà máy chế biến xỉ titan và ilmenit hoàn nguyên sẽ tìm thấy quy trình vận hành tối ưu với các thông số chuẩn xác (tốc độ 38 vòng/phút, góc cực 20 độ, từ trường 300 đến 400 Oersted) giúp nâng cao năng suất nhà máy đạt trên 6.000 tấn/năm và tối ưu hóa tỷ lệ thu hồi TiO2 đạt trên 90%.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Tuyển khoáng và Luyện kim màu có thể khai thác các dữ liệu thực nghiệm về độ cảm từ riêng (từ 2,4 x 10^-6 đến 2,9 x 10^-3 m3/kg) cùng phương pháp thiết lập bảng cân bằng kim loại để phục vụ công tác giảng dạy và phát triển các đề tài khoa học chuyên sâu.

Nhóm nhà đầu tư và lãnh đạo doanh nghiệp khai thác khoáng sản sa khoáng titan có thể ứng dụng kết quả của luận văn để đánh giá hiệu quả kinh tế, thay thế thiết bị nhập khẩu đắt tiền bằng máy móc nội địa hóa nhằm tiết kiệm 30% chi phí đầu tư và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường xuất khẩu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần sử dụng máy tuyển từ yếu thay vì máy tuyển từ cường độ cao khi chế biến xỉ titan? Xỉ titan và quặng ilmenit hoàn nguyên chứa hàm lượng lớn sắt kim loại tự do và magnetit có độ cảm từ riêng rất cao, đạt từ 25 x 10^-6 đến 50 x 10^-6 m3/kg. Nếu sử dụng máy tuyển từ mạnh (cường độ từ 3.000 đến 8.000 Oersted), các hạt sắt này sẽ bám dính vĩnh viễn vào tang từ gây kẹt máy và làm thất thoát khoáng vật titan có ích.

Những thông số kỹ thuật tối ưu nào giúp máy TT-2T đạt hiệu suất tách quặng cao nhất? Qua các đợt chạy thử nghiệm trên 50 kg mẫu, bộ thông số tối ưu được xác lập gồm: tốc độ tang quay đạt 38 vòng/phút, góc cực từ đặt cố định ở vị trí 20 độ và cường độ từ trường làm việc duy trì từ 300 đến 400 Oersted. Bộ thông số này đảm bảo tách sạch trên 90% tạp chất từ tính.

Công suất thiết kế của máy tuyển từ TT-2T có đáp ứng được quy mô sản xuất công nghiệp không? Thiết bị đạt năng suất thực tế 2,5 đến 2,6 tấn/giờ nhờ cấu tạo 2 tang quay độc lập với công suất 1,3 tấn/giờ mỗi tang. Với chế độ làm việc 8 giờ mỗi ngày và 300 ngày mỗi năm, máy đáp ứng trọn vẹn sản lượng 6.000 tấn xỉ titan mỗi năm của các nhà máy công nghiệp.

Vật liệu chế tạo tang quay và máng dẫn liệu có những yêu cầu kỹ thuật đặc biệt nào? Tang quay có đường kính 250 mm và chiều dày 3 mm bắt buộc chế tạo từ thép không gỉ 304 hoặc 305 không nhiễm từ để từ trường xuyên thấu tối đa. Máng cấp liệu và máng chia dòng được đúc bằng nhôm hoặc đồng nguyên chất nhằm chống mài mòn và triệt tiêu hiện tượng dính quặng.

Vai trò của biến tần trong việc tối ưu hóa quá trình tuyển từ trên máy TT-2T là gì? Biến tần 2,2 kW cho phép điều khiển linh hoạt tần số nguồn điện từ 10 đến 50 Hz, tương ứng với tốc độ tang biến thiên từ 10 đến 80 vòng/phút. Việc thay đổi vận tốc dài từ 0,33 đến 0,6 m/s giúp người vận hành dễ dàng làm chủ lực ly tâm đối với từng cỡ hạt quặng khác nhau.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh máy tuyển từ yếu 2 trục TT-2T đạt năng suất làm việc thực tế từ 2,5 đến 2,6 tấn/giờ với dải từ trường điều chỉnh linh hoạt từ 0 đến 700 Oersted.
  • Xác lập chính xác bộ thông số công nghệ vận hành chuẩn mực cho quá trình xử lý xỉ titan gồm tốc độ tang 38 vòng/phút, góc cực từ 20 độ và từ trường công tác 300 đến 400 Oersted.
  • Nâng cao phẩm cấp tinh quặng với hàm lượng TiO2 trong sản phẩm xỉ titan đạt trên 80% đến 90%, đồng thời loại bỏ triệt để các pha sắt kim loại và magnetit gây hại.
  • Đóng góp giải pháp công nghệ có tính ứng dụng cao, hỗ trợ đắc lực cho chiến lược chế biến sâu khoáng sản titan của Việt Nam và tiết kiệm ngoại tệ nhờ nội địa hóa thiết bị luyện kim.
  • Định hướng trong 6 đến 12 tháng tới cần xúc tiến chuyển giao công nghệ diện rộng cho các tổ hợp chế biến sa khoáng titan tại khu vực duyên hải miền Trung. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ trực tiếp với Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim để tiếp nhận chuyển giao dây chuyền thiết bị hoàn chỉnh.