CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SÂU QUẶNG TITAN TRÊN
THẾ GIỚI, CÔNG NGHỆ LUYỆN XỈ TITAN Ở VIỆT NAM HIỆN NAY VÀ HƯỚNG ĐI HOÀN THIỆN
CÔNG TY CỔ PHẦN VINANOMETAL
Nước ta có nguồn quặng titan không lớn,
nhưng rất đáng tiếc: trong những năm qua chúng ta khai thác với tốc độ quá cao,
hầu như chế biến sâu rất ít, chủ yếu
xuất khẩu quặng tinh titan, sản lượng quặng tinh xuất khẩu hàng năm hiện
nay đứng hàng thứ 6 thế giới trong khi trữ lượng khai thác chỉ đứng thứ 11 (số
liệu năm 2010). Các doanh nghiệp titan Việt Nam đã cố gắng áp dụng một số công
nghệ như: công nghệ hoàn nguyên ilmenit, công nghệ luyện xỉ titan, nhưng còn tồn tại nhiều vấn đề, chủ yếu chưa
hoàn thiện kỹ thuật nên kém hiệu quả kinh tế và ô nhiễm môi trường. Có thể nói
rằng công nghệ chế biến sâu quặng titan Việt Nam đang trong giai đoạn khởi đầu
rất khó khăn. Mới đây có thông tin tổng tài nguyên
dự báo quặng titan của Việt Nam
có thể lên trên 600 triệu tấn. Nếu quả như vậy thì tài nguyên titan dự báo của
Việt Nam
có thể xếp thứ hai thế giới, sau Trung Quốc. Tuy nhiên theo thông tin cho biết
trữ lượng quặng titan dự báo chủ yếu nằm trong vùng Bình Thuận – một vùng rất
khó khăn trong khai thác do thiếu nước và do hàm lượng titan quá thấp. Vì vậy
vấn đề nghiên cứu lựa chọn công nghệ chế biến sâu titan hiện nay là rất cần
thiết. Bài báo này sẽ góp phần làm sáng tỏ cho định hướng trong thời gian tớiCÔNG TY CỔ PHẦN VINANOMETAL
Kỹ sư Cao Văn Hồng
1.
Xu hướng công nghệ chế biến sâu quặng titan trên thế giới
Trên thế giới nguồn quặng titan chủ yếu có
hai loại: Quặng gốc và sa khoáng. Nói chung
hàm lượng khoảng 2–5% TiO2
và thường đi kèm với các khoáng vật và
nguyên tố hóa học khác. Sau khi chế biến thô bằng các phương pháp tuyển thông
dụng thu được quặng tinh titan có hàm lượng 45–52% TiO2. Quặng tinh
titan tiếp tục được chế biến sâu thành nhiều sản phẩm và được sử dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp. Công nghệ chế biến sâu quặng titan trên thế giới
có nhiều phương pháp theo 3 cấp, từ thấp đến cao, mỗi cấp có chất lượng và giá
trị sản phẩm được nâng cao hơn (Hình 1)
- Chế biến làm giàu thực chất là quá trình nâng cao chất lượng nguyên liệu đầu vào (ilmenit
các loại) lên mức độ cao hơn. Cấp chế biến này có công nghệ luyện xỉ titan và
sản xuất rutil nhân tạo. Sản phẩm sau chế biến có hàm lượng TiO2 cao
tới 70-95 %, được dùng cho sản xuất que hàn và làm nguyên liệu để
sản xuất pigment titan và titan kim loại.
-
Chế biến sâu là quá trình
công nghệ sản xuất pigment titan. Tuỳ theo đặc thù quá trình công nghệ, nguyên
liệu đầu vào là xỉ titan và rutil nhân tạo, cũng có thể là rutil tự nhiên hoặc quặng
tinh ilmenit
- Chế biến sâu cao cấp (Công nghệ cao) là quá trình công nghệ sản xuất kim loại titan và các sản phẩm của
kim loại titan. Để sản xuất kim loại titan đầu tiên sản xuất ra clorua titan
bằng phương pháp clorua hoá từ các chế phẩm từ titan (ilmenit chất lượng cao,
xỉ titan và rutil các loại). Sau đó luyện ra titan xốp. Từ titan xốp luyện ra
kim loại titan dạng thỏi hoặc thanh. Kim
loại và hợp kim titan được sử dụng
rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, hàng hải, thép hợp kim
chịu nhiệt và chịu mài mòn…
1.1.
Công nghệ chế biến làm giàu
Ngày nay gần 95% titan được sử dụng ở dạng
pigment TiO2. Khối lượng nguyên liệu đầu vào sản xuất pigment rất
lớn, mỗi năm khoảng 5,5 triệu tấn. Công nghệ chế biến xỉ titan và rutil nhân
tạo chiếm vị trí rất quan trọng, cung cấp 50% nguyên liệu đầu vào cho sản xuất
pigment. Xỉ titan và rutil nhân tạo không những là nguyên liệu để sản xuất pigment
mà còn được dùng để sản xuất que hàn điện và chế biến thành titan kim loại.
Rutil còn dùng để sản xuất điện trở chịu ăn mòn và sử dụng trong ngành hóa học.
Trên thế giới thực tế hai quá trình chế biến làm giàu và chế biến sâu cùng song
song phát triển.
1.1.1. Công nghệ sản xuất xỉ titan
Công nghệ sản xuất xỉ titan được nghiên
cứu ở Nga vào năm 1903. Ngày nay đã được ứng dụng và phát triển rộng rãi trên
thế giới, tập trung vào các nước: Canađa, Nam Phi, Na Uy, Ucraina,
Nhật Bản...
Trước đây thường áp dụng công nghệ luyện
xỉ titan một giai đoạn. theo sơ đồ công nghệ nguyên tắc trình bày trên Hình 2.
Nguyên liệu ban đầu là ilmenit hoặc
titanô-manhetit, được trộn và ép bánh với chất hoàn nguyên và chất phụ gia. Sau
đó luyện trong lò điện hồ quang. Oxyt sắt được hoàn nguyên đến kim loại còn oxyt
titan hoàn nguyên đến oxyt hoá trị thấp (Ti3O5, Ti2O3,
TiO). Sản phẩm nhận được là gang hợp kim và xỉ titan. Gang hợp kim có thể chế
biến sử dụng cho luyện thép và sản xuất bột sắt. Xỉ titan tuỳ theo thành phần
hoá học được sử dụng sản xuất pigment, titan kim loại và que hàn điện. Công
nghệ luyện một giai đoạn có một số nhược điểm:
- Quá trình hoàn nguyên và nấu chảy cùng
diễn ra trong một thiết bị nên liệu sôi mạnh, các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
thấp.
- Trong giai đoạn luyện về cuối, xỉ titan
thay đổi độ dẫn điện khá mạnh dễ gây hiện tượng đoản mạch nên điều khiển lò rất
khó khăn.
Trong những năm gần đây người ta đã nghiên
cứu và áp dụng công nghệ luyện xỉ titan hai giai đoạn, khắc phục được những
thiếu sót của công nghệ luyện một giai đoạn. Sơ đồ nguyên lý luyện hai giai
đoạn trình bày trên Hình 3.Do quặng được thiêu hoàn nguyên trước nên sắt oxyt
đã được chuyển thành sắt kim loại. Khi luyện lò hồ quang chủ yếu thực hiện quá
trình nấu chảy để phân tách hai sản phẩm xỉ và gang, còn quá trình phản ứng
hoàn nguyên diễn ra không đáng kể. Lò hoạt động rất êm, các chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật được cải thiện nhiều, đặc biệt là chi phí điện năng giảm mạnh. Công nghệ
này áp dụng phổ biến trên thế giới (Bảng 1).Theo
sự phát triển của khoa học, công nghệ và thiết bị luyện xỉ titan ngày càng hoàn
thiện. Người ta đã áp dụng công nghệ luyện hai giai đoạn trên một hệ thống
thiết bị rất hoàn hảo. Đầu tiên quặng được thiêu hoàn nguyên trước trong thiết
bị lò thiêu lớp sôi hoặc lò quay. Sau khi thiêu hoàn nguyên liệu còn nóng, được
chuyển thẳng vào lò hồ quang, thực hiện quá trình luyện xỉ titan. Do liệu đã
được hoàn nguyên và được gia nhiệt trước nên chi phí điện năng giảm đi nhiều.
Ngoài ra nhiệt dư của khí lò được tận dụng cho lò thiêu nên chi phí điện năng
càng giảm. Toàn bộ thiết bị hoạt động trong môi trường kín, có hệ thống lọc bụi,
xử lý khí nên môi trường được đảm bảo.
Bảng 1. Một số hãng sản xuất lớn xỉ titan
Trong sản xuất xỉ titan cơ cấu giá thành quặng
tinh chiếm 66 %, năng lượng điện chiếm 12 %; hai chỉ tiêu này chiếm 78 % giá
thành, cho nên cần quan tâm đến chỉ tiêu chi phí điện năng. Trong bảng 2 dưới
đây sẽ cho thấy rõ hơn con đường hoàn thiện công nghệ và thiết bị để giảm chi
phí điện năng. Gần đây nhất Hãng Outotec lại có hoàn thiện thiết bị bằng thay
thiết bị tuyển từ nguội bằng thiết bị tuyển từ nóng ngay sau công đoạn thiêu
hoàn nguyên lò quay, nên đã giảm được tiêu hao điện năng xuống còn 930KWh/tấn
xỉ
Một số nhận xét
- Công nghệ luyện xỉ titan không đòi hỏi
khắt khe nguyên liệu đầu vào.
- Các sản phẩm của luyện xỉ titan là xỉ
titan và gang đều được sử dụng. Công nghệ này không có phế thải, thân thiện với
môi trường. Xỉ titan là nguyên liệu tốt cho sản xuất pigment theo cả hai quá
trình sulphat và clorua.
- Luyện xỉ titan thích hợp với luyện quặng
titan gốc vì các khả năng thu hồi được các nguyên tố hiếm cộng sinh như: V, Ta,
Nb.
- Dây chuyền công nghệ ngắn, chiếm ít diện tích,
dễ đầu tư nhà máy có công suất lớn.
- Nhược
điểm: chỉ thích hợp với
nơi có nguồn điện giá rẻ, đặc biệt là luyện xỉ một giai đoạn. Nhưng đến nay
công nghệ luyện xỉ titan hiện đại đã khắc phục được nhược điểm này (chi phí điện năng chỉ còn 930 KWh/tấn xỉ, trong khi
sản xuất pigment là 1000 KWh/ tấn pigment).
Bảng 2. So sánh
chỉ tiêu chi phí điện năng luyện trong lò hồ quang kiểu kín
1.1.2. Công nghệ sản xuất rutil nhân tạo
Công nghệ sản xuất
rutil nhân tạo là quá trình tách sắt và các chất cộng sinh để làm giàu quặng ilmenit
và thường áp dụng công nghệ thuỷ luyện kết hợp hỏa luyện. Công nghệ được áp
dụng từ năm 1951 và ngày càng được hoàn
thiện để cung cấp nguyên liệu cho sản xuất pigment có chất lượng tốt hơn. Hiện
nay có một số quá trình chủ yếu sau: Quá trình Becher; quá trình Benelite; quá
trình ERMS.
¨ Quá trình Becher SR
Đầu tiên quặng
tinh ilmenit được thiêu oxy hoá ở nhiệt độ khoảng 1000oC
2FeTiO3
+ 1/2 O2 = Fe2TiO5 +TiO2 (1)
Sau đó dùng than
làm chất hoàn nguyên và thiêu hoàn nguyên ở nhiệt độ cao hơn khoảng 1200oC
để chuyển hầu hết sắt oxyt thành sắt kim loại.
Fe2TiO5 +TiO2
+3C = 2Fe + 3CO + 2TiO2 (2)
Sử dụng phương pháp tuyển từ để tách than dư trong thiêu phẩm và nhận được ilmenit
hoàn nguyên sạch cacbon. Hoà tách tiếp theo bằng dung dịch nước có cho thêm NH4Cl
làm xúc tác và sục không khí tạo môi trường hoà tách oxy hoá:
3Fe + 3TiO2+ 2O2 = Fe3O4
+ 3TiO2 (3)
Phân tách huyền phù Fe3O4 khỏi
TiO2 thể rắn bằng xyclon thuỷ lực. Nung chất rắn nhận được sản phẩm
rutil nhân tạo.
+
Quá
trình này có một số đặc điểm sau:
-
Thiêu
hoàn nguyên trong môi trường hoàn nguyên mạnh để chuyển sắt oxyt thành sắt kim loại.
- Hoà tách chỉ dùng
nước và không khí trong sự có mặt của xúc tác NH4Cl.
-
Nhận
được rutil nhân tạo có chất lượng tương
đối cao 92-94% TiO2.
- Lượng phế thải chủ
yếu là Fe3O4 chiếm tỉ lệ nhỏ hơn công nghệ pigment
sulphat (0,7 tấn phế thải/1 tấn SP).
- Lượng oxyt sắt chiếm khoảng 40% lượng nguyên
liệu có thể đưa đi luyện thép. Năm 1997 ở Úc người ta đã ép bánh phế thải Fe3O4
đưa luyện ra thép thỏi.
- Nhược điểm: yêu cầu quặng đầu vào lớn hơn 57% TiO2
(loại ilmenit biến đổi).
Quá trình Becher
đã được áp dụng rộng rãi ở Úc: Hãng Tiwestjon Venture sản xuất từ năm 1990 công
suất 190.000 tấn rutil/năm (loại 94% TiO2); Năm 1995, Úc sản xuất rutil nhân tạo bằng quá trình Becher: 450.000 tấn
tại TiCor ( TOR) và Iluka Resources (ILU).
¨ Quá
trình Benelite SR (Benelite Cyclic Process)
Quá trình này được phát triển bởi Công ty Benelite Corporation của Mỹ.
Đầu tiên ilmenit
được thiêu hoàn nguyên trong lò quay ở nhiệt độ thấp (870oC) để
chuyển Fe2O3 về FeO.
TiO2.FeO.Fe2O3
+ C = TiO2.FeO.2FeO
+ CO (4)
Dầu là nhiên liệu đốt lò đồng thời là chất hoàn
nguyên. Sau đó hoà tách thiêu phẩm trong dung dịch axit clohydric ở điều kiện:
Nồng độ HCl 18 – 20% ; nhiệt độ 140 oC và áp suất 0,29 MPa.
TiO2.FeO.2FeO + 6 HCl = TiO2
+ 3FeCl2 + 3H2O
(5)
Sau lọc rửa nhận được chất rắn không tan, đem đi nung
nhận được rutil nhân tạo. Dung dịch muối sắt FeCl2 còn lại được tái
sinh trong lò kiểu phun tia đồng thời thu được Fe2O3 và
HCl.
2 FeCl2 + H2O + 1/2
O2 = Fe2O3 +4HCl (6)
+
Quá trình
này có một số đặc điểm sau
-
Có thể xử lý được
quặng ilmenit có hàm lượng thay đổi trong phạm vi rộng.
-
Có thể tách được các tạp chất Mg, Ca, U,
Th nhận được sản phẩm rutil nhân tạo có
chất lượng cao hơn quá trình Becher ( 94% TiO2).
-
Nhược
điểm: thiết bị hoà tách đòi hỏi chịu nhiệt, chịu axit nên tốn kém hơn. Cũng
thải ra lượng Fe2O3 như quá trình Becher, có thể đưa
luyện gang thép.
Chỉ tiêu cho 1tấn rutil nhân tạo: 1,83 tấn quặng tinh 53–54% TiO2;
0,15 tấn HCl; 0,54 tấn nhiên liệu và chất hoàn nguyên; 1,25 tấn hơi nước.
Hãng Kerr. McGee đã áp dụng quá trình này để sản xuất rutil
nhân tạo công suất 91.000 tấn/năm (tính theo kim loại). Xưởng đã chế biến hầu
hết chất thải và thực hiện không có chất thải lỏng. Hãng Titan Malayxia ở Ipoh
và Iluka cũng áp dụng quá trình này để sản xuất rutil nhân tạo.
¨ Quá trình ERMS và EARS
Quá trình ERMS và
EARS là quá trình được phát triển dựa trên sáng chế của Austpac (APG). Tháng 8 năm 2001, Austpac và Công
ty Ticor thông báo nghiên cứu sản xuất rutil nhân tạo phù hợp cho chế biến nâng
cao chất lượng ilmenit vùng mỏ Murray
Basin.
Công việc nghiên
cứu được Austpac – Ticor Join Venture thực hiện trong năm 2000. Sơ đồ công nghệ
bao gồm hai quá trình ERMS và EARS.
Quá trình ERMS là quá trình thiêu hoàn nguyên kết hợp tuyển từ. Ilmenit được
thiêu hoàn nguyên có mức độ để chuyển ôxýt sắt thành dạng có thể hoà tan còn rutil
chuyển thành dạng không có khả năng hoà tan. Sản phẩm thiêu được hoà tách nhanh
trong HCl dưới áp suất khí quyển để tách sắt và để lại tinh thể rutil nằm trong
các hạt ilmenit. Đem rửa lọc và nung được sản phẩm rutil nhân tạo thương mại
(hàm lượng 96-98% TiO2).
Quá trình EARS là quá trình xử lý FeCl2 thành sản phẩm phụ Fe2O3
(dùng được cho luyện thép và sản xuất xi măng) đồng thời tái sinh axit
clohydric để dùng lại cho quá trình hoà tách.
Ưu
điểm của phương pháp này là:
- Quá trình đa năng, đã thử nghiệm xử lý
được trên 80 loại quặng ilmenit, đặc biệt là loại cao crôm.
- Có thể sử dụng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc
khí.
- Nhận được hai loại sản phẩm là rutil nhân
tạo chất lượng rất cao >97% TiO2 và sản phẩm trung gian Fe3O4
ở dạng viên, là thương phẩm, không phải là chất thải.
- Quá trình vận hành liên tục.
- Thân thiện với môi trường: Thu hồi HCl
cao; không sản sinh khí độc hại Cl2, Dioxin và Furan; có thể cân
bằng nước, không thải chất lỏng.
- Hệ số sử dụng năng lượng cao, không yêu
cầu bổ sung nhiên liệu.
Phương pháp này mới
chỉ được thử nghiệm ở qui mô bán công nghiệp và đang xây dựng nhà máy sản xuất
qui mô công nghiệp.
Chất lượng sản phẩm rutil
nhân tạo và sắt viên được trình bày trên Bảng 3.
1.1.3. Nhận xét công nghệ chế biến làm giàu quặng titan trên thế giới
- Các quá trình đều có chi phí đầu tư, chi phí vận hành thấp hơn nhiều quá trình sản xuất pigment và chỉ số lợi nhuận khá cao.
- Trong các quá trình sản xuất rutil nhân
tạo thì quá trình ERMS là quá trình có hiệu quả nhất, chất lượng sản phẩm cao
nhưng đầu tư và chi phí vận hành thấp nhất.
1.2. Công
nghệ chế biến sâu sản xuất pigment titan
Ngày
nay công nghệ sản xuất pigment TiO2
đã được phát triển rất nhanh, đầu tiên là quá trình sulphat, được thực hiện vào
năm 1916. Nguyên liệu đầu vào lúc đó là ilmenit. Đầu năm 1958, người ta đã phát
minh ra phương pháp clorua. Hãng Dupont là cơ sở đầu tiên sản xuất pigment bằng
phương pháp clorua. Nguyên liệu đầu vào là rutil tự nhiên, rutil nhân tạo và xỉ
titan. Gần đây người ta phát minh ra công nghệ Altair có nhiều ưu điểm nổi bật,
song mới nghiên cứu ở qui mô bán công nghiệp,
chưa được ứng dụng vào sản xuất công nghiệp.
¨ Quá trình sulphat
- Ưu
điểm của quá trình này là: Nguyên
liệu ban đầu có thể sử dụng trực tiếp ilmenit, xỉ titan sulphat, clorua loại
mịn của quá trình clorua; có thể sản xuất ra hai loại pigment: dạng rutil và
anataz; đến nay sản phẩm của quá trình này chiếm khoảng 40% và được sử dụng
rộng rãi trong các ngành công nghiệp.
- Nhược
điểm của quá trình là: Thiết
bị đòi hỏi chịu được môi trường axit sulphuric đậm đặc nhiệt độ cao; quặng đầu
vào phải khống chế hàm lượng crôm khắt khe; số lượng lớn sắt vụn cung cấp cho
công đoạn hoàn nguyên, chi phí 2-2,5 tấn
sắt/ tấn sản phẩm; có số lượng phế thải lớn nhất, tác động xấu đến môi trường
sống: 3 tấn FeSO4/ 1tấn TiO2 và dung dịch H2SO4
loãng (20 - 22%) chứa các tạp chất; phải trang bị thêm hệ thống thiết bị xử lý
phế thải để chuyển chúng thành các sản phẩm phụ nên dây chuyền công nghệ kéo
dài và phức tạp hơn; chi phí đầu tư lớn và phải có thị trường tiêu thụ các sản
phẩm phụ như: sulphat sắt, thạch cao...
và phải đầu tư dây chuyền sản xuất axit sulphuríc.
¨ Quá trình clorua
- Ưu
điểm: Là phương pháp tiên
tiến, được áp dụng từ năm 1958; do nguyên liệu đầu vào yêu cầu chất lượng cao, (>
85 TiO2) nên ít chất thải hơn, thường 0,2 tấn chất thải (Fe2O3)/tấn
TiO2 ; thiết bị được trang bị hiện đại có năng suất cao, nên thường
gọn nhẹ hơn quá trình sulphat; kiểm tra sản phẩm chặt chẽ hơn; so với quá trình
sulphat chi phí vận hành thấp hơn, lao động đỡ nặng nhọc, đòi hỏi ít nhân công
hơn. Và có hiệu quả kinh tế cao hơn. Hiện nay quá trình clorua chiếm 60% sản
lượng pigment, trong tương lai có thể lên tới 70%.
-
Nhược điểm: Nguyên liệu đầu vào yêu cầu khắt khe
hơn: tối thiểu 85% TiO2, chứa ít
oxyt kim loại kiềm thổ, các kim loại nặng như Cr, V, có hàm lượng nhỏ; chỉ nhận được một loại sản phẩm pigment dạng rutil,
có giới hạn kích thước hẹp; chỉ thích hợp với qui mô sản xuất lớn
(40.000 -50.000tấn/năm).
Nhược điểm cơ bản là quá trình độc quyền, không chuyển
giao công nghệ và chi phí đầu tư lớn: 3500 - 4500 USD/ tấn TiO2.
¨ Quá trình Altair
Quá
trình Altair là một phát minh hoàn toàn mới trong lĩnh vực sản xuất pigment
titan thẳng từ ilmenit, khởi nguồn từ phát minh quá trình clorua hoá của hãng
Dupont. Bản chất của phương pháp là hoà tách nguyên liệu chứa titan bằng dung
dịch axit clohydric nồng độ cao và dư axit (nồng độ trên 410 g/l HCl). Khi đó
hầu hết các nguyên tố hoà tan chuyển thẳng vào dung dịch.
Dùng bột sắt hoàn nguyên ion Fe3+ trở về Fe2+,
sau đó làm nguội dung dịch và bổ sung axit HCl để kết tinh và tách ra muối FeCl2.
Dung dịch sau tách sắt được làm sạch các tạp chất còn lại bằng phương pháp
chiết tách dung môi hai lần. Dung dịch titan nhận được đem thuỷ phân tạo thành
hydrat bằng phương pháp thuỷ phân kiểu phun, sau đó đem xử lý bề mặt nhận được
sản phẩm pigment có đặc tính theo yêu cầu, hoặc rutil, có thể là anataz trong dải
kích thước hẹp và có thể tạo kích thước hạt nano.
Tinh thể FeCl2 và nước rửa
chứa Fe2+, Fe3+ và các tạp chất khác đem xử lý qua công
đoạn nhiệt - thuỷ phân để thu khí HCl và nhận sản phẩm phụ Fe2O3.
Khí HCl đem tái sinh axit HCl quay vòng cho chu trình hoà tách ban đầu.
- Ưu điểm: Có thể xử lý trực tiếp quặng ilmenit, thích hợp với loại
quặng có chứa crôm và các nguyên tố phóng xạ; chỉ cần dùng axit HCl không dùng khí Clo (Cl2); toàn
bộ quá trình sản xuất là một chu trình khép kín không có phế thải và ít tác
động đến môi trường; nhận được sản phẩm pigment; được sản phẩm trung
gian là Fe2O3 cung cấp cho ngành luyện kim; Axit HCl được
quay vòng tái sử dụng lại.
- Quá
trình thuỷ phân áp dụng thiết bị kiểu phun kết hợp nung, nghiền ướt có ưu điểm
hơn hẳn quá trình sulphat và quá trình clorua ở chỗ tạo ra được sản phẩm có
kích thước nhỏ mong muốn tới kích thước nano và nhận được sản phẩm ở cả hai
dạng rutil và anataz.
- Kết
quả nghiên cứu cho thấy có hiệu quả kinh tế hơn nhiều so với các quá trình đang
vận hành hiện nay tại các cơ sở sản xuất, có chỉ số đầu tư thấp, chi phí vận
hành thấp và qui mô công suất không nhất thiết phải lớn như quá trình clorua
hoá.
- Nhược điểm: quá trình này mới được nghiên cứu đầu tiên ở
qui mô pilot, hiện nay chưa được ứng dụng vào sản xuất; chưa có sản phẩm thương
mại trên thị trường.
1.3. Công nghệ chế biến titan kim loại (Công
nghệ cao)
Titan
kim loại được tìm ra năm 1790. Kim loại titan được sản xuất thành thương phẩm
vào năm 1948 do hãng Dupont theo quá trình Kroll. Khoảng 5% quặng titan dùng để
sản xuất titan kim loại.
¨ Công nghệ sản xuất titan kim loại
Sản
xuất titan kim loại thực hiện chủ yếu bằng phương pháp hoàn nguyên nhiệt kim
loại clorua titan (TiCl4). Chất hoàn nguyên thường dùng là Mg, Na. Ngoài ra còn một số phương pháp khác sản xuất
titan kim loại như: hoàn nguyên oxyt titan bằng can xi, bằng Mg, bằng nhôm.
Sản xuất titan xốp theo quá trình Kroll là phổ biến nhất; là quá trình hoàn
nguyên nhiệt clorua titan bằng Mg. Vì vậy quá trình luyện titan thường gắn với
quá trình sản xuất pigment TiO2 theo phương pháp clorua trên dây
chuyền công nghệ khép kín.
Nguyên liệu đầu vào là: rutil thiên nhiên,
rutil nhân tạo và xỉ titan được clorua hoá tạo TiCl4 của quá trình
sản xuất pigment clorua. Tiếp theo hoàn nguyên TiCl4 để nhận được
titan xốp:
TiCl4 +
2Mg = Ti + 2 Mg Cl2.
(7)
Điện phân MgCl2 tại xưởng sản xuất
manhe để nhận được Mg kim loại, cung cấp cho hoàn nguyên titan và khí clo quay
trở lại quá trình clorua hoá titan.
Sản phẩm titan xốp được đem luyện tinh trong
lò chân không để được titan xốp sạch. Đem titan xốp đi nấu chảy trong lò hồ
quang chân không hay lò điện xỉ, lò tia điện tử, lò plasma để nhận được titan
thỏi.
Một
số nhận xét:
- Công nghệ sản xuất
titan kim loại là một công nghệ đòi hỏi thiết bị hiện đại công nghệ cao.
- Sản phẩm titan kim loại chủ yếu sử dụng
cho những nước phát triển công nghệ hàng không và vũ trụ.
- Số lượng tiêu thụ còn chưa nhiều.
- Chi phí điện năng rất lớn: 2,5 Megaw h/tấn
titan.
- Chỉ thích hợp với các nước phát triển cao.
- Sản xuất titan kim loại thực tế phải là Liên
hợp sản xuất Ti–Mg.
1. Xu
hướng công nghệ chế biến sâu quặng titan
ở Việt Nam
Công tác nghiên cứu chế biến quặng titan ở
Việt Nam
được bắt đầu từ những năm bảy mươi của thế kỷ trước. Công tác thăm dò địa chất
đã phát hiện Việt Nam
có trữ lượng nguồn tài nguyên khoáng sản titan đáng kể, cả sa khoáng và quặng
gốc. Các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu chế biến sa khoáng titan theo một
số công nghệ chủ yếu: Công nghệ sản xuất pigment dioxyt titan; luyện xỉ titan; sản
xuất rutil nhân tạo; luyện ferro titan và công nghệ thiêu hoàn nguyên ilmenit.
Cho tới nay Việt Nam
mới sản xuất được ilmenit hoàn nguyên và xỉ titan.
Một số doanh nghiệp Việt Nam
đang sản xuất xỉ titan sử dụng công nghệ và thiết bị của Trung Quốc.
2.
Một số nhận xét về công nghệ luyện xỉ titan tại Việt Nam hiện nay
1) Áp
dụng công nghệ luyện xỉ titan để chế biến sâu bước đầu quặng titan là phù hợp
với hoàn cảnh Việt Nam
và xu thế chung của thế giới vì:
- Vốn đầu tư ban đầu không lớn. Sản phẩm có
giá trị gia tăng lớn so với quặng đầu và có khả năng xuất khẩu, độ rủi ro không
cao; thiết bị không phức tạp như công nghệ chế biến sâu; dây chuyền thiết bị
ngắn gọn hơn công nghệ sản xuất rutil nhân tạo.
- Tất cả sản phẩm luyện đều là thương phẩm,
hầu như không có phế thải. Sản phẩm gang được luyên thành thép, dễ tiêu thụ ở
thị trường trong nước. Sản phẩm xỉ titan xuất khẩu và cung cấp cho thị trường
sản xuất que hàn trong nước.
- Công nghệ luyện xỉ titan không quá phức
tạp, có thể tự nghiên cứu R–D hoặc nhập thiết bị và nhận chuyển giao công nghệ.
Trong khi đó công nghệ sản xuất rutil nhân tạo còn khó thực hiện ở Việt Nam do
nhiều lý do, trong đó có vấn đề bảo vệ môi trường và bản quyền công nghệ…
- Công nghệ luyện xỉ titan thích hợp cho xử
lý quặng titan gốc Cây Châm vì thu được cả các nguyên tố quý cộng sinh Ta, Nb,
V.
- Hiện nay nhu cầu nhập nguyên liệu đầu vào
cho sản xuất pigment bắt đầu tăng, xỉ titan nói chung là tăng, đặc biệt xỉ
titan clorua tăng mạnh so với các nguyên liệu khác như rutil, rutil nhân tạo,
có thể tăng đến 35% trong năm 2012. Cho nên sản phẩm xỉ titan có nhiều thuận
lợi tiêu thụ trên thị trường thế giới.
2) Những
tồn tại trong sản xuất xỉ titan ở Việt Nam hiện nay
Công
nghệ và thiết bị luyện xỉ titan đều nhập từ Trung Quốc thuộc thế hệ thứ nhất,
tuy có cải tiến nhưng đó là thế hệ sơ khai nên bộc lộ nhiều nhược điểm:
- Thiết
bị lạc hậu: Luyện trong
lò hồ quang hở, điện cực tự thiêu, không điều khiển tự động, hệ thống thu bụi
và xử lý khí thải kém. Do chỉ áp dụng công nghệ luyện một giai đoạn, không tận
thu được nhiệt dư khí thải của lò, vì vậy chi phí điện năng còn cao
(2800-2900KWh/tấn xỉ).
- Tính
chủ động trong sản xuất bị hạn chế vì chất hoàn nguyên là than cốc và chất kết dính là nhựa đường
đều phải nhập từ Trung Quốc.
- Dùng
chất hoàn nguyên là than cốc có hàm lượng tro và lưu huỳnh cao, nên hiện nay hàm lượng lưu huỳnh trong
xỉ còn rất cao (0,06-0,07%S), không thể dùng làm que hàn cao cấp(yêu cầu nhỏ hơn
hoặc bằng 0,04%S).
- Như
vậy nếu dùng xỉ titan để sản xuất
pigment và titan xốp (theo nhu cầu thị trường hiện nay) thì hàm lượng
CaO và MgO còn cao và để sản xuất que hàn thì hàm lượng lưu huỳnh và
phôt pho cũng còn cao, chưa đạt yêu cầu. Đối với thị trường nước ngoài thì yêu cầu chất lượng càng khắt
khe hơn. Hiện nay trên thế giới các công ty sản xuất pigment có xu hướng nhập
nguyên liệu đầu vào là xỉ titan nâng cao và xỉ titan clorua. Yêu cầu sản phẩm này phải có hàm lượng
TiO2 phải ≥ 95% (đối với xỉ
nâng cao), ≥85%(đối với xỉ clorua)
và hàm lượng các tạp chất như: S, CaO, SiO2, Al2O3…
phải rất nhỏ. (Bảng 7).
3.Công nghệ luyện xỉ titan ở Việt Nam nên hoàn thiện theo hướng hiện đạị
3.1. Hiện tại đã có một số doanh
nghiệp đầu tư công nghệ và thiết bị luyện xỉ titan thế hệ thứ nhất của Trung
Quốc, nêncải tạo để áp dụng công nghệ luyện và
thiết bị luyện hiện đại hơn, hiệu quả kinh tế hơn, đặc biệt phải an toàn môi
trường:
- Cải tạo từ lò điện hồ quang kiểu hở thành lò luyện bán kín hoặc lò kín
- Cải tạo hệ thống thu bụi để an toàn
môi trường và tận thu được nhiệt khí lò, góp phần giảm chi phí điện năng
- Dùng chất hoàn nguyên của Việt Nam có
hàm lượng tro và lưu huỳnh thấp hơn than cốc của Trung Quốc để cải thiện chất
lượng xỉ và giảm giá thành
- Nghiên
cứu công nghệ mới tiến tới loại bỏ chất kết dính nhựa đường-
một tác nhân gây ô nhiễm môi trường
- Đầu tư thêm hệ thống thiết bị điều
khiển lò hồ quang tự động để giảm giá thành và cải thiện điều kiện làm
việc của công nhân
Tài
liệu tham khảo
[1]. Reznhitrenko V.A; Luyện titan, NXB Luyện kim Moskva- 1963.
[2]. Garmata V.A và nnk, Luyện
titan, NXB Luyện kim Moskva- 1968.
[3]. Reznhitrenko V.A, Điện luyện quặng titan, NXB Khoa học
Moskva-1969.
[4]Denhixop S.U, Điện luyện xỉ titan, NXB Luyện kim Moskva-1970.
[5].Vasutinski. N.A, Xi titan, NXB Luyện kim Moskva-1972.
[6]. Garmata V.A và nnk, Titan, NXB Luyện kim Moskva- 1983.
[7]. Mike Turbott, ERMS Synthetic ERMS Synthetic
Rutile, Ultra High Grade Feedstock for the TiO for the TiO2 Industry
Industry, Sydney
mining Club 6 june 2002
[8]. E.A. Walpole and J.D Winter, The Austpac ERMS and EARS
processes for the Manufacture of High-Grade Synthetic Rutile by the
hydrochloric acid Leaching of Ilmenite.
[9]. New developments in the Altair hydrochloride
TiO2 pigment process. www.pyrometallurgy.co.za/Pyro2006/Papers/189_Nama kwa.pdf.
[10]. M. Gous, An overview of the Namakwa Sands Ilmenite,
Smelting Operations, Namakwa Sands, Vredenburg,
South Africa,
www.pyrometallurgy .co .za/Pyro2006/Papers/189_Namakwa.pdf.
[11]. H. Kotzé,
D. Bessinger §, and J. Beukes, Ilmenite
Smelting at Ticor SA, Ticor SA, Empangeni, South Africa, Kumba Resources
R&D, Pretoria, South Africa, www.pyrometallurgy.co.za/Pyro2006/Papers/203_Ticor.pdf - .
[12]. P.C. Pistorius*, Ilmenite
smelting: the basics
[13]. P.C. Pistorius, Fundamentals of freeze
lining behaviour in ilmenite smelting, www.saimm.co.za/Journal/v103n08p509.pdf.
[14]. N. RUGHUBIR* and D. BESSINGER*, Furnace dust
from Exxaro Sands KZN, Research
and Development, Exxaro.
[16]. CVGK Murty, R. Upadhyay
and s. Asokan, Electro smelting of ilmenite for production of TiO2
slag–Potential of India
as a global player, Tata
Steel, www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXI/078.pdf
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét