Nghiên cứu công nghệ tuyển hợp lý và sản xuất rutin nhân tạo từ quặng sa khoáng và quặng gốc vùng núi chúa, thái nguyên

BCT
VIMLUKI
BCT
VIMLUKI

BCT
VIMLUKI
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ - LUYỆN KIM
30B ĐOÀN THỊ ĐIỂM, ĐỐNG ĐA, HÀ NỘI







BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI CẤP NHÀ NƯỚC
Mã số: KC 02-01/06-10

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TUYỂN HỢP LÝ VÀ SẢN
XUẤT RUTIN NHÂN TẠO TỪ QUẶNG SA KHOÁNG
VÀ QUẶNG GỐC VÙNG NÚI CHÚA, THÁI NGUYÊN

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Tiến sỹ Nguyễn Văn Chiến

7515
10/10/2009

Hà Nội, 9/2009


Bản quyền năm 2009 của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (VIMLUKI).
Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện trưởng Viện
Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu.
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ - LUYỆN KIM
30B ĐOÀN THỊ ĐIỂM, ĐỐNG ĐA, HÀ NỘI
BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TUYỂN HỢP LÝ VÀ SẢN
XUẤT RUTIN NHÂN TẠO TỪ QUẶNG SA KHOÁNG
VÀ QUẶNG GỐC VÙNG NÚI CHÚA, THÁI NGUYÊN





Tiến sỹ Nguyễn Văn Chiến

Hà Nội, 9/2009



Bản thảo viết xong 5/2009, được chỉnh sửa 9/2009.
Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện
đề tài cấp Nhà nước, mã số KC.02.01/06-10.
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
1
NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

1.
Nguyễn Văn Chiến Tiến sỹ Luyện kim
2. Vũ Tân Cơ Kỹ sư Tuyển khoáng
3.
Ngô Ngọc Định Kỹ sư Luyện kim màu
4. Đỗ Hồng Nga Thạc sỹ Luyện kim màu
5. Phạm Xuân Kính Kỹ sư Hóa
6.
Nguyễn Cảnh Nhã Kỹ sư Tuyển khoáng
7. Lê Gia Mô Tiến sỹ Luyện kim màu
8. Trần Thị Hiến Thạc sỹ Tuyển khoáng
9. Nguyễn Thị Ngọc Lâm Thạc sỹ Khai thác Mỏ
10. Nguyễn Xuân Anh Kỹ sư Máy mỏ


CƠ QUAN PHỐI HỢP THỰC HIỆN

1. Công ty Cổ phần khoáng sản Thái Nguyên.
2. Công ty Cổ phần Ban Tích - Thái Nguyên.
3. Liên đoàn Địa chất Đông Bắc.
4. Nhà máy que hàn, Công ty Cổ phần Sản xuất Thương mại Hữu Nghị
Phú Thọ.
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
2
TÓM TẮT BÁO CÁO
Đề tài cấp Nhà nước: "Nghiên cứu công nghệ tuyển hợp lý và sản xuất rutin
nhân tạo từ quặng sa khoáng và quặng gốc vùng Núi Chúa, Thái Nguyên", mã số
KC.02.01/06-10, thuộc Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp
Nhà nước giai đoạn 2006 - 2010: “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ
vật liệu”. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật của đề tài KC.02.01/06-10
được xây dựng thành 2 quyển:
Quyển 1: Báo cáo chính thức toàn vă
n “ Tổng kết khoa học và kỹ thuật ”
của đề tài được chia thành 4 phần chính và phần Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu
tham khảo, phần Phụ lục.
Phần thứ nhất: Tổng quan.
Phần này giới thiệu khái quát về tài nguyên khoáng sản titan, khai thác, chế
biến và sử dụng trên thế giới, tại Việt Nam nói chung và mỏ titan Cây Châm vùng
Núi Chúa, Thái Nguyên nói riêng. Phần này cũng trình bày một số vấn đề lý
thuyết làm cơ s
ở cho nghiên cứu, tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước.
Phần thứ hai: Phương pháp nghiên cứu - Công tác chuẩn bị.
Phần này nêu ra phương pháp nghiên cứu, mẫu nghiên cứu, các thiết bị dùng
trong quá trình nghiên cứu, công tác phân tích… của đề tài. Giới thiệu về

chuyến công tác tham quan, trao đổi kinh nghiệm tại Trung Quốc.
Phần thứ ba: Kết quả nghiên cứu.
Phần này trình bày đầy đủ các nội dung cụ thể đã thực hiện của đề tài, nêu
luận cứ cần thiết của các thí nghiệm tiến hành, nguyên lý hoạt động của đối
tượng đã nghiên cứu… các số liệu thí nghiệm thu được, nhận xét và đánh giá
những số liệu, kết quả thí nghiệm/ thử nghiệm thu được và rút ra kết luận của
từng phần nghiên cứu.
Phần thứ tư: Định hướng áp dụng kết quả nghiên cứu.
Phần này trình bày các tính toán dự kiến hiệ
u quả kinh tế khi áp dụng kết
quả nghiên cứu vào sản xuất, dự kiến hình thức áp dụng kết quả nghiên cứu của
đề tài và các sơ đồ công nghệ kiến nghị.
Phần Kết luận, Kiến nghị: Nêu những kết luận, kiến nghị cần thiết rút ra từ
các kết quả nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo: Nêu các tài liệu đã tham khảo khi thực hiện đề tài.
Phần Ph
ụ lục: Một số hình ảnh, kết quả phân tích và tài liệu liên quan.
Quyển 2: Báo cáo tóm tắt “Tổng kết khoa học và kỹ thuật” của đề tài.
Quyển này được trình bày cô đọng những nội dung của quyển 1 nhằm giúp cho
độc giả không có thời gian đọc toàn văn báo cáo.
Bộ tài liệu “ Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật ” này được chuẩn bị trên
cơ sở tổng hợp các số liệu từ các kế
t quả nghiên cứu thử nghiệm trong quá trình
thực hiện đề tài cấp Nhà nước mã số KC.02.01/06-10 của tập thể các thành viên
tham gia đề tài thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim.
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
3

MỤC LỤC
Trang
Tóm tắt báo cáo
2
Mở đầu
8
Phần I Tổng quan
10
Chương 1 Tài nguyên khoáng sản titan, khai thác và sử dụng
10
1.1 Tài nguyên khoáng sản titan trên thế giới, khai thác và chế biến 10
1.2 Tài nguyên khoáng sản titan Việt Nam 13
1.3 Sơ lược về mỏ titan Cây Châm vùng Núi Chúa, Thái Nguyên 14
Chương 2 Một số vấn đề lý thuyết làm cơ sở cho nghiên cứu
16
2.1 Những phương pháp tuyển quặng titan 16
2.2 Cơ sở lí thuyết quá trình hoàn nguyên 18
2.2.1 Quá trình hóa lý của sự hoàn nguyên ôxýt titan và ôxýt sắt 18
2.2.2 Hoàn nguyên tinh quặng trong pha rắn 20
2.2.3 Hoàn nguyên tinh quặng trong pha lỏng 25
2.3 Cơ sở lý thuyết quá trình hòa tách 29
2.4 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý tận thu Nb, Ta, V 30
2.4.1
Tận thu các nguyên tố hiếm trong xỉ gang, trong dung dịch hòa
tách rutin nhân tạo
30
2.4.2 Cơ sở lý thuyết quá trình tách các ôxýt nguyên tố hiếm 31
Chương 3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước
32

3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 32
3.1.1 Tình hình nghiên cứu tuyển quặng titan 32
3.1.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất xỉ titan trên thế giới 37
3.1.3 Tình hình nghiên cứu, sản xuất rutin nhân tạo trên thế giới 40
3.1.4
Tình hình nghiên cứu, thu hồi Nb, Ta, V trong quá trình sản xuất
rutin nhân tạo trên thế giới
46
3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 47
3.2.1 Tình hình nghiên cứu tuyển quặng titan 47
3.2.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất xỉ titan 47
3.2.3 Tình hình nghiên cứu, sản xuất rutin và bột màu TiO
2
48
3.2.4
Tình hình nghiên cứu, thu hồi Nb, Ta, V trong quá trình sản xuất
chế biến quặng tinh titan
49
Phần II Mẫu nghiên cứu và công tác chuẩn bị
50
Chương 4 Mẫu nghiên cứu
50
4.1 Mẫu nghiên cứu và nguyên vật liệu, hóa chất sử dụng trong nghiên cứu50
4.1.1 Mẫu nghiên cứu công nghệ tuyển 50
4.1.1.1 Yêu cầu kỹ thuật lấy mẫu 50
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
4

MỤC LỤC
Trang
4.1.1.2 Chọn vị trí thi công công trình lấy mẫu 50
4.1.1.3 Thi công công trình lấy mẫu 51
4.1.1.4 Cách lấy, quy cách và thành phần hóa học của mẫu 51
4.1.2 Mẫu nghiên cứu công nghệ luyện xỉ titan và sản xuất rutin 53
4.1.2.1 Các loại tinh quặng chứa titan 53
4.1.2.2 Chất hoàn nguyên 53
4.1.2.3 Mẫu chuẩn, chất phụ gia, dung môi hòa tách 54
Chương 5 Công tác chuẩn bị
55
5.1 Các thiết bị dùng nghiên cứu 55
5.1.1 Thiết bị dùng nghiên cứu công nghệ tuyển 55
5.1.1.1 Thiết bị gia công 55
5.1.1.2 Thiết bị nghiên cứu tuyển 55
5.1.2 Thiết bị dùng nghiên cứu công nghệ luyện xỉ titan, rutin nhân tạo 55
5.1.2.1 Thiết bị nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm 55
5.1.2.2 Thiết bị nghiên cứu quy mô mở rộng 58
5.1.2.3 Thiết bị nghiên cứu công nghệ thu hồi V, Nb, Ta 61
5.2 Công tác phân tích 61
5.3 Công tác tham quan, trao đổi kinh nghiệm ở nước ngoài 62
Phần III Kết quả nghiên cứu
64
Chương 6 Kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển
64
6.1 Kết quả nghiên cứu thành phần vật chất mẫu 64
6.1.1 Gia công mẫu 64
6.1.1.1 Mẫu quặng titan gốc 64
6.1.1.2 Mẫu quặng titan sa khoáng 64

6.1.2 Nghiên cứu thành phần vật chất 67
6.1.2.1 Kết quả nghiên cứu thành phần vật chất mẫu quặng gốc 67
6.1.2.2 Kết quả nghiên cứu thành phần vật chất mẫu quặng sa khoáng 72
6.1.3 Nhận xét kết quả nghiên cứu thành phần vật chất mẫu 78
6.2 Kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng titan gốc 80
6.2.1 Công nghệ tuyển trọng lực 80
6.2.1.1 Kết quả nghiên cứu tuyển trên bàn đãi 80
6.2.1.2 Kết quả tuyển quặng titan gốc trên vít đứng 83
6.2.2 Công nghệ tuyển từ 84
6.2.2.1 Phân tích từ mẫu nghiên cứu và các sản phẩm tuyển 84
6.2.2.2 Phân tích từ trên máy tuyển từ đa hướng 88
6.2.3 Công nghệ tuyển nổi 89
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
5

MỤC LỤC
Trang
6.2.3.1 Nghiên cứu chế độ nghiền quặng 89
6.2.3.2 Nghiên cứu chế độ thuốc tuyển 92
6.2.4 Nghiên cứu sơ đồ tuyển 99
6.2.4.1 Kết quả nghiên cứu sơ đồ hở 99
6.2.4.2 Kết quả nghiên cứu sơ đồ vòng kín 101
6.2.4.3 Sơ đồ kết hợp giữa tuyển trọng lực - tuyển nổi 103
6.2.5 Nhận xét kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng titan gốc 105
6.3 Kết quả nghiên cứu mẫu titan sa khoáng 106
6.3.1 Công nghệ tuyển trọng lực 106
6.3.1.1 Chế độ tuyển rửa 106

6.3.1.2 Nghiên cứu khả năng nâng cao hàm lượng quặng tinh tuyển rửa 113
6.3.2 Công nghệ tuyển từ 115
6.3.2.1 Phân tích từ các quặng tinh bàn đãi 115
6.3.2.2 Kết quả tuyển từ quặng tinh đãi 117
6.3.3 Nghiên cứu sơ đồ tuyển 119
6.3.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng titan sa khoáng 121
Chương 7 Kết quả nghiên cứu công nghệ luyện xỉ
122
7.1 Kết quả nghiên cứu mẫu quặng tinh 122
7.1.1 Nghiên cứu thành phần hóa học, cấp hạt 122
7.1.2 Nghiên cứu thành phần khoáng vật 123
7.1.3 Đánh giá chất lượng quặng inmênit vùng Núi Chúa 125
7.2 Quy trình thí nghiệm luyện xỉ titan 126
7.2.1 Quy mô phòng thí nghiệm 126
7.2.2 Quy mô thí nghiệm mở rộng 126
7.3 Kết quả nghiên cứu luyện xỉ titan quy mô phòng thí nghiệm 127
7.3.1 Nghiên cứu thiêu hoàn nguyên 127
7.3.1.1 Nghiên cứu thiêu quặng manhêtit 128
7.3.1.2 Thiêu hoàn nguyên quặng inmênit sa khoáng 134
7.3.1.3 Thiêu hoàn nguyên tinh quặng inmênit gốc 139
7.3.1.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu thiêu hoàn nguyên 143
7.3.2 Nghiên cứu công nghệ luyện xỉ titan 144
7.3.2.1 Công tác chuẩn bị 144
7.3.2.2 Luyện xỉ titan trong lò điện hồ quang 12 KVA với quặng sa
khoáng đã thiêu trong lò đốt gas
146
7.3.2.3 Luyện xỉ titan trong lò 12 KVA với quặng sa khoáng đã thiêu trong
lò đốt gas và quặng manhêtit đã thiêu trong lò quay
149
7.3.2.4 Luyện xỉ titan trong lò 12 KVA với quặng gốc đã thiêu hoàn

nguyên trong lò đốt gas
152
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
6

MỤC LỤC
Trang
7.3.2.5
Luyện xỉ titan trong lò 12 KVA với quặng gốc đã thiêu trong lò đốt
gas và quặng manhêtit đã thiêu trong lò quay
154
7.3.2.6 Nhận xét kết quả nghiên cứu luyện xỉ titan quy mô phòng thí nghiệm 156
7.4 Kết quả nghiên cứu công nghệ luyện xỉ titan quy mô mở rộng 157
7.4.1 Nghiên cứu thiêu hoàn nguyên 157
7.4.1.1 Thử nghiệm lò ống quay 157
7.4.1.2 Nghiên cứu thiêu quặng manhêtit 157
7.4.1.3 Nghiên cứu thiêu hoàn nguyên quặng inmênit sa khoáng 160
7.4.1.4 Nghiên cứu thiêu hoàn nguyên quặng inmênit gốc 162
7.4.1.5 Nhận xét kết quả nghiên cứu thiêu hoàn nguyên quy mô mở rộng 165
7.4.2 Nghiên cứu luyện xỉ titan quy mô mở rộng 165
7.4.2.1 Quy trình thí nghiệm 165
7.4.2.2 Luyện xỉ titan quặng sa khoáng trong lò 100 KVA 165
7.4.2.3 Luyện xỉ titan quặng gốc trong lò 100KVA 169
7.4.2.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu luyện xỉ titan trong lò 100KVA 173
7.4.3 Nghiên cứu luyện xỉ titan liên tục 174
7.4.3.1 Quy mô thí nghiệm 174
7.4.3.2 Quy trình thí nghiệm 174

7.4.3.3 Nhận xét kết quả nghiên cứu luyện xỉ titan liên tục 175
7.5 Nghiên cứu tuyển từ xỉ titan 177
7.5.1 Nội dung nghiên cứu và quy trình thí nghiệm 177
7.5.2 Kết quả thí nghiệm 178
7.6 Tổng hợp kết quả nghiên cứu luyện xỉ titan 179
7.6.1 Chất lượng sản phẩm 179
7.6.2 Kết quả dùng thử sản phẩm 180
7.6.3 Đánh giá kết quả nghiên cứu luyện xỉ titan 180
Chương 8 Nghiên cứu công nghệ sản xuất rutin nhân tạo
181
8.1 Nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm 181
8.1.1 Đối tượng tinh quặng inmênit sa khoáng 181
8.1.1.1 Nghiên cứu thăm dò quá trình hòa tách trực tiếp 181
8.1.1.2 Nghiên cứu quá trình thiêu ôxy hóa 184
8.1.1.3 Nghiên cứu quá trình thiêu hoàn nguyên 185
8.1.1.4 Nghiên cứu quá trình hòa tách tinh quặng đã thiêu hoàn nguyên 189
8.1.1.5 Nghiên cứu quá trình lắng lọc rửa bã 194
8.1.1.6 Nghiên cứu khả năng tái sinh dung dịch 195
8.1.2 Đối tượng tinh quặng inmênit gốc 196
8.1.2.1 Nghiên cứu thăm dò quá trình hòa tách trực tiếp 196
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
7

MỤC LỤC
Trang
8.1.2.2 Nghiên cứu quá trình thiêu ôxy hóa 199
8.1.2.3 Nghiên cứu quá trình thiêu hoàn nguyên 200

8.1.2.4 Nghiên cứu quá trình hòa tách tinh quặng gốc đã thiêu hoàn nguyên 205
8.1.2.5 Nghiên cứu quá trình lắng lọc rửa bã 209
8.2 Nghiên cứu sản xuất rutin nhân tạo quy mô mở rộng 210
8.2.1 Đối tượng tinh quặng inmênit sa khoáng 210
8.2.1.1 Thí nghiệm thiêu hoàn nguyên 210
8.2.1.2 Thí nghiệm hòa tách 212
8.2.2 Đối tượng tinh quặng inmênit gốc 214
8.2.2.1 Thí nghiệm thiêu hoàn nguyên 214
8.2.2.2 Thí nghiệm hòa tách 215
8.3 Định hướng giải quyết vấn đề môi trường 217
8.3.1 Các chất gây ô nhiễm môi trường dạng khí, bụi và định hướng giải quyết 217
8.3.2 Các chất thải gây ô nhiễm môi trường dạng rắn và định hướng giải quyết 217
8.3.3 Các chất thải gây ô nhiễm môi trường dạng lỏng và định hướng giải quyết 217
8.4 Tổng hợp kết quả nghiên cứu công nghệ sản xuất rutin nhân tạo 218
8.4.1 Chất lượng sản phẩm 218
8.4.2 Kết quả dùng thử sản phẩm 218
8.4.3 Đánh giá kết quả nghiên cứu công nghệ sản xuất rutin nhân tạo 219
Chương 9 Nghiên cứu định hướng công nghệ thu hồi V, Nb, Ta
220
9.1 Xác định hàm lượng V, Nb, Ta trong quặng và sản phẩm, phụ phẩm
khi chế biến quặng titan vùng Núi Chúa
221
9.2
Nghiên cứu định hướng xử lý thu hồi ôxýt vanadi
221
9.3 Nghiên cứu định hướng xử lý phân chia ôxýt niobi, tantan từ sản
phẩm hỗn hợp ôxýt niobi, tantan
223
Phần IV Định hướng áp dụng kết quả nghiên cứu
224

I Dự kiến hiệu quả kinh tế khi áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất224
1.1 Đối với công nghệ luyện xỉ titan 224
1.2 Đối với công nghệ sản xuất rutin nhân tạo 226
II Dự kiến hình thức áp dụng kết quả 227
2.1 Tự sản xuất theo công nghệ đã chọn 227
2.2 Chuyển giao công nghệ 227
2.3 Dự kiến các địa chỉ áp dụng kết quả nghiên cứu 227

Kết luận và kiến nghị
229

Lời cảm ơn
233

Tài liệu tham khảo
234

Phụ lục
236
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
8
MỞ ĐẦU
Đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu công nghệ tuyển hợp lý và sản xuất rutin
nhân tạo từ quặng sa khoáng và quặng gốc vùng Núi Chúa, Thái Nguyên”
thuộc Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn
2006 - 2010: “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ vật liệu”, mã số
KC.02.01/06-10 do Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Bộ Công

Thương chủ trì thực hiện.
Thời gian thực hiệ
n Đề tài là 24 tháng, từ tháng 05/2007 đến tháng 4/2009.
Tổng kinh phí thực hiện Đề tài là 5.325 triệu đồng trong đó hỗ trợ từ nguồn
Ngân sách sự nghiệp khoa học: 2.350 triệu đồng, nguồn tự có: 2.975 triệu đồng.
Mục tiêu của Đề tài:
− Nghiên cứu xác lập được quy trình công nghệ tuyển hợp lý cho quặng titan
sa khoáng và quặng titan gốc vùng Núi Chúa, Thái Nguyên nhằm thu hồi sản
phẩm là quặng tinh inmênit đạt chất lượng tiêu chuẩn:
+ Quặng tinh sa khoáng có hàm l
ượng TiO
2
: 48 ÷ 52%.
+ Quặng tinh gốc có hàm lượng TiO
2
: 47 ÷ 50%.
Và sản phẩm phụ đi kèm: Quặng tinh sắt chứa kim loại quý hiếm, quặng tinh
rutin, quặng tinh zircon, sản phẩm sunphua.
− Nghiên cứu xác lập được quy trình công nghệ luyện xỉ titan tiên tiến để chế
biến sâu quặng titan vùng Núi Chúa, Thái Nguyên một cách hợp lý, an toàn môi
trường, tiết kiệm tài nguyên. Nguyên liệu đầu vào là: Quặng tinh sa khoáng và
quặng tinh gốc, quặng tinh sắt chứa titan và kim loại quý hiếm.
Sản phẩm của công nghệ luyện xỉ
titan là:
+ Xỉ titan luyện từ quặng tinh inmênit sa khoáng đạt sản phẩm TiO
2
: 85 ÷ 90%.
+ Xỉ titan luyện từ quặng tinh inmênit gốc đạt hàm lượng TiO
2
: 80 ÷ 85%.

+ Gang hợp kim chứa các nguyên tố quý hiếm: vanađi, tantan, niobi.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng để lập dự án xây dựng nhà
máy sản xuất xỉ titan tại Thái Nguyên, cung cấp cho thị trường trong nước cũng
như xuất khẩu và mang lại hiệu quả cao.
− Nghiên cứu ứng dụng xác lập được sơ đồ công nghệ sản xuất rutin nhân tạo
tiên tiến hợp lý,
đảm bảo an toàn môi trường tận thu tài nguyên để xử lý quặng
tinh titan sa khoáng và quặng tinh titan gốc vùng Núi Chúa, Thái Nguyên. Sản
phẩm thu được là rutin nhân tạo có hàm lượng TiO
2
: 90%.
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
9
− Nghiên cứu xác định được hướng công nghệ khả thi thu hồi khoáng vật cộng
sinh trong quá trình chế biến quặng sa khoáng và quặng gốc vùng Núi Chúa,
Thái Nguyên, nhằm thu hồi được các nguyên tố quý hiếm nếu có trong quặng
đầu như: niobi, tatan, vanađi.
Các kết quả Đề tài đạt được:
Dạng kết quả loại 1:
Sản phẩm
− Quặng tinh inmênit có chứa Ta, Nb tới mức tối đa: quặng tinh gốc (TiO
2
:
47 ÷ 50%): 2,5 tấn, quặng tinh sa khoáng (TiO
2
: 48 ÷ 52%): 2,5 tấn.
− Xỉ titan (TiO

2
: 80 ÷ 90%): 150 kg.
− Gang hợp kim: 50 kg.
− Rutin nhân tạo (TiO
2
: 90 ÷ 95%): 200 kg.
Dạng kết quả loại 2:
1. Quy trình công nghệ hợp lý tuyển quặng titan gốc và sa khoáng vùng Núi
Chúa, Thái Nguyên.
2. Quy trình công nghệ luyện xỉ titan 2 giai đoạn hợp lý đối với 2 loại tinh quặng
(quặng gốc, quặng sa khoáng).
3. Quy trình công nghệ sản xuất rutin nhân tạo hợp lý đối với 2 loại tinh quặng
(quặng gốc, quặng sa khoáng).
4. Quy trình công nghệ đề nghị cho việc xử lý thu hồi khoáng có ích đi kèm
trong quá trình sản xuất rutin nhân tạo từ quặng titan gốc và sa khoáng vùng
Núi Chúa, Thái Nguyên.
Dạng kết quả loại 3, 4:
+ Số liệu: Đề tài thực hiện và có số liệu báo cáo 56 chuyên đề.
+ Bài báo: Đề tài có 04 bài báo đăng trên các tạp chí Công nghệ Mỏ, Kim loại…
+ Sản phẩm đăng ký sở hữu trí tuệ: Đề tài có 02 phương pháp công nghệ.
Các kết quả khác:
Công tác đào tạo: Bên cạnh việc thực hiện chuyên môn, đề tài chú trọng
công tác đào tạ
o. Trong hai năm, đề tài đã bồi dưỡng kiến thức cho 01 kỹ sư
tuyển khoáng, 02 kỹ sư luyện kim mới ra trường, chuẩn bị kiến thức cho 01 thạc
sỹ luyện kim thi đào tạo tiến sỹ… cập nhật và phổ biến kiến thức cho các cán bộ
tham gia thực hiện đề tài.
Hợp tác quốc tế: Tham quan, trao đổi kinh nghiệm thực tế nghiên cứu, sản
xuất chế
biến titan gốc tại Trung Quốc.

Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
10
PHẦN I. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1. TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN TITAN,
KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG
1.1. TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN TITAN TRÊN THẾ GIỚI, KHAI
THÁC VÀ CHẾ BIẾN
Quặng titan trên thế giới được phân bố trên nhiều quốc gia. Bảng 1 nêu tổng
quát về trữ lượng titan của một số nước.
Bảng 1. Trữ lượng quặng titan trên thế giới (quy ra TiO
2
- Nghìn tấn).
Nước Mỹ Úc Trung Quốc Ấn Độ Nam Phi Khác Tổng
Trữ lượng 250 250 350 210 220 211 1300
Tỷ lệ % 17 17 23 14 15 14 100
Việc khai thác và sử dụng quặng titan được tiến hành ở các quốc gia có tài
nguyên này. Các nước khai thác nhiều quặng titan (bao gồm inmênit, rutin,
leucoxen) là Úc, Trung Quốc, Nam Phi, Canada Sản lượng khai thác quặng
titan của các nước trên toàn thế giới năm 2003 được thể hiện trên bảng 2.
Bảng 2. Sản lượng quặng titan khai thác trên thế giới (Nghìn tấn).
Nước 1999 2000 2001 2002 2003
Australia:
Inmênit 1.976 2.146 2.017 1.917 2.010
Leucoxen 32 27 30 39 57
Brazil 96 123 111 174 180
Trung Quốc 180 250 300 750 800
Ả Rập 130 125 125 125 125

Ấn Độ 378 380 430 460 500
Malaysia 128 125 130 106 95
Nauy 600 750 750 750 800
Ucraina 537 577 650 670 670
Mỹ
⎯
400 500 400 500
Việt Nam 91 174 189 258 352
Tổng 4.150 5.080 5.229 5.648 6.082
(Tài liệu Quy hoạch titan).
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
11
Được biết có tới trên 70 khoáng vật titan, trong số đó 8 khoáng vật có giá trị
công nghiệp được nêu trong bảng 3. Các khoáng vật titan chủ yếu nhất là inmênit
– FeTiO
3
, rutin – TiO
2
, inmênorutin – (Ti, Nb, Fe)O
2
, perovskit – CaTiO
3
, sphen-
CaO.TiO
2
.SiO
2

.
Quặng gốc titanomanhêtit và titanohêmatit là nguồn nguyên liệu quan trọng
nhất để sản xuất titan. Quặng này thuộc loại tổ hợp thường chứa sắt (manhêtit và
hêmatit), ngoài ra còn pyrit, apatit, nephelin, coban, vanadi. Vì vậy trong sơ đồ
công nghệ tuyển hiện nay yêu cầu thu hồi tất cả các cấu tử có ích, để đạt được
mục đích trên cần sử dụng các sơ đồ công nghệ tiến bộ nhất, phối hợp các quá
trình tuyển nh
ư tuyển nổi, tuyển trọng lực, tuyển từ. Quặng gốc titanomanhêtit
và titanohêmatit có thể chia ra quặng inmênito–manhêtit, inmênito–hêmatit và
titanomanhêtit.
Trong quặng inmênito–manhêtit, inmênito–hêmatit, inmênit tồn tại ở dạng
liên kết độc lập trong manhêtit, hêmatit hoặc các khoáng phi quặng. Khi làm giàu
loại quặng này có thể nhận được quặng tinh titan và sắt đạt chất lượng tiêu chuẩn.
Bảng 3. Đặc tính của các khoáng vật titan có giá trị công nghiệp.
Khoáng vật Công thức
H.lg TiO
2

(lý thuyết)
Tỉ trọn
g
,
g/cm
3

Độ cứng
Inmênit FeTiO
3
52,6
4,6 ÷ 5,2 5 ÷ 6

Rutin TiO
2
100 4,3 6
Inmênorutin (Ti,Nb,Fe)O
2
53
4,6 ÷ 5,1
6
Perovskit CaTiO
3
58,9 4
5,5 ÷ 6
Sphen CaO.TiO
2
.SiO
2
40,8
3,3 ÷ 3,6 5 ÷ 6
Loparit (Na,Ce,Sr,Ca)(Nb,Ti)O
2
39,2
4,7 ÷ 5 5,5 ÷ 6
Leicoxen TiO
2
.TiO
2
.SiO
2

50 ÷ 95 3,3 ÷ 4,3 5 ÷ 6

Titanomanhêtit Fe
3
O
4
.FeTiO
3

2 ÷ 30 4,5 ÷ 5 5,5 ÷ 6
Trong quặng titanomanhêtit, inmênit tồn tại ở dạng hạt tự do, nhưng một
phần tồn tại ở dạng titanomanhêtit, loại này không thể nhận quặng tinh titan và
sắt riêng rẽ bằng quá trình tuyển trọng lực. Phần này thường được tách cùng quá
trình tách sắt (có từ) và chuyển vào xỉ titan khi nấu chảy.
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
12
Quặng titanomanhêtit với sự phân tán mịn của inmênit hoặc dioxyt titan
dưới dạng dung dịch rắn trong manhêtit (Fe
3
O
4
.TiO
2
) chúng cũng không thể
tách được thành quặng tinh titan và quặng tinh sắt riêng rẽ bằng các phương
pháp tuyển cơ học thông thường.
Từ loại quặng này, người ta thường chỉ thu quặng tinh tổng hợp titan – sắt
bằng sơ đồ trọng lực, tuyển từ – quặng tinh này qua luyện kim để tách gang và xỉ
titan (70 ÷ 85% TiO

2
) rồi xử lý tiếp để nhận được sản phẩm titan thương phẩm.
Để làm giầu quặng titanomanhêtit cũng như các khoáng vật có ích xâm
nhiễm không đồng đều, người ta sử dụng sơ đồ công nghệ tiến bộ hơn, bao gồm
tuyển trọng lực, tuyển từ và tuyển nổi.
Quặng titan được sử dụng cho các lĩnh vực chế biến các sản phẩm titan,
trong đó kho
ảng 95% được dùng cho mục đích chế biến picmen TiO
2
, nó được
dùng trong bột mầu, sơn cao cấp, gốm sứ, chất độn trong cao su chịu mài mòn,
trong các loại giấy cao cấp…, phần còn lại được dùng cho việc sản xuất titan
kim loại và hợp kim, que hàn điện Nguyên liệu đầu vào cho sản xuất picmen
titan có thể là quặng inmênit, xỉ titan hoặc rutin (tự nhiên và nhân tạo). Cơ cấu
sử dụng nguyên liệu cho sản xuất picmen titan như hình sau:

(Tài liệu – Outokumpu)
Hình 1. Cơ cấu nguyên liệu sử dụng cho sản xuất picmen TiO
2
.

Titan kim loại và các hợp chất của nó có vai trò to lớn trong lĩnh vực hàng
không và vũ trụ do tính chịu nhiệt cao, độ bền nhiệt cao và đặc biệt là tỉ trọng
thấp. Tại Mỹ, khoảng 75% titan kim loại được dùng trong công nghiệp chế tạo
máy bay, 15% dùng trong lĩnh vực chế tạo tên lửa và vệ tinh, còn lại khoảng
10% được dùng cho các lĩnh vực khác như điện, ô tô, đóng tầu và năng lượng
nguyên tử.
Xỉ titan
40%
Rutin nhân tạo

18%
Inmênit
37%
Rutin
5%
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
13
1.2. TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN TITAN VIỆT NAM
Quặng titan ở Việt Nam được chia làm 2 loại: quặng titan gốc và quặng titan
sa khoáng.
Quặng gốc mới chỉ biết duy nhất vùng quặng Núi Chúa, Thái Nguyên gồm
các loại quặng đặc sít (Vùng Nà Hoe) và xâm tán (Vùng Hữu Sào). Khoáng vật
trong quặng chủ yếu là inmênit (30 ÷ 70%) và một số khoáng vật khác.
Quặng sa khoáng có hai dạng: Dạng 1 là quặng gốc inmênit bị phong hóa
thường ở phần trên hoặc xung quanh các mỏ và điểm quặng gốc ở Núi Chúa,
Thái Nguyên. D
ạng 2 là quặng sa khoáng titan ven biển. Sa khoáng ven biển đã
được phát hiện, điều tra, thăm dò và khai thác ở hầu hết dải ven biển miền Trung
Việt Nam.
Bảng 4. Thống kê trữ lượng và tài nguyên dự báo quặng titan ở Việt Nam.
TT
Vùng mỏ
Trữ lượng và tài nguyên dự báo
(1000 Tấn - khoáng vật nặng)
Tổng

B C1 C2 P1 P2

1
Vùng mỏ Thái Nguyên 3214,4 1616,9 3000,0 7831,3

Mỏ Vùng Núi Chúa
Quặng gốc
Sa khoáng

2818,6
395,8

1616,9


4435,5
395,8
2
Vùng Quảng Ninh
38,31 22,89 26,03 0,0 0,0 87,23
3
Vùng Thanh Hóa - Hà
Tĩnh
767,56 1782,01 2128,4 59,7 2179,0 6916,67
4
Vùng Quảng Trị -
Thừa Thiên
0,0 783,67 1522,21 6001,5 0,0 8307,38
5
Vùng Bình Định - Phú
Yên

0,0 792,25 898,77 713,69 400,0 2804,72
6
Vùng Bình Thuận -
Bà Rịa Vũng Tàu
0,0 137,2 299,28 518,28 7860,0 8814,76
Tổng cộng
805,87 6732,42 6491,60 7293,17 13439.05 34762,05
( Tài liệu: Cơ sở tài nguyên quặng titan của Việt Nam - Cục Địa chất).
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
14
Tổng các cấp trữ lượng như sau:
B + C1 = 7.538,284 ngàn tấn.
B + C1 + C2= 14.029,879 ngàn tấn.
B + C1 + C2 + P1= 21.323,049 ngàn tấn.
Tổng cộng: 34.762,050 ngàn tấn.
Hiện nay việc chế biến quặng titan của Việt Nam đã được tiến hành ở mức
độ nhất định. Các chế biến này nhằm mục đích cho sản xuất que hàn (inmênit
hoàn nguyên) hoặc cho sản xuất picmen titan (sản xuất xỉ titan). Nguyên liệu sử
dụng là quặng inmênit sa khoáng ven biển.
1.3. S
Ơ LƯỢC VỀ MỎ TITAN CÂY CHÂM VÙNG NÚI CHÚA, THÁI NGUYÊN
Mỏ titan Cây Châm phân bố ở phía Tây Bắc khối Núi Chúa, nằm sát rìa tiếp
xúc của đá xâm nhập gabro phức hệ Núi Chúa với trầm tích hệ tầng Phú Ngữ.
Gabro phức hệ Núi Chúa có thành phần thạch học chủ yếu là: Đá gabronorit,
gabro diorit, gabropegmatit, gabrolivin, pyroxenit, gabrodiabas, diabas. Trong
đó gabrolivin chiếm phần trung tâm khối, phần rìa là gabropegmatit. Các đá
thường có mầu xám xanh, xanh lục, xanh thẫm, cấu tạo khối, kiến trúc hạt từ

nhỏ đế
n lớn. Thành phần khoáng vật chủ yếu của đá gabro là plagiocla 50 ÷
70%, pyroxen 25 ÷ 30%, amfibol 3 ÷ 5%, olivin 1 ÷ 3%.
Mỏ titan Cây Châm có trữ lượng ở cấp B + C
1
+ C
2
là 4.832.400 tấn inmênit,
trong đó quặng gốc là 4.441.600 tấn và quặng sa khoáng là 390.800 tấn inmênit.
Các thân quặng gốc là các đới quặng hóa có độ tập trung cao inmênit dạng
xâm tán nằm trong gabro hạt lớn đạt đến hàm lượng công nghiệp. Quặng gốc có
thành phần khoáng vật chính là: inmênit mầu xám đen, ánh nâu nhẹ, phong hóa
có mầu đỏ chiếm 10 ÷ 70%, pyrotin 1 ÷ 3%, chalcopyrit, rutin với tỷ lệ nhỏ.
Hàm lượng inmênit trong quặng giàu thay đổi từ 30 ÷ 70%, trong quặng nghèo
từ 10 ÷ 20%, ngoài ra còn có các nguyên tố đ
i kèm như: FeO, Fe
2
O
3
, V
2
O
5
,
Ta
2
O
5
, Nb
2

O
5
. Thể trọng từ 3,2 ÷ 3,39 tấn/m
3
và phụ thuộc vào hàm lượng
inmênit. Quặng gốc gồm hai thân quặng phía Đông và phía Tây:
- Thân quặng phía Tây: Nằm ở phía Tây khu mỏ, là thân quặng có qui mô
lớn hơn thân quặng phía Đông và cũng được nghiên cứu tỷ mỷ hơn. Thân quặng
có dạng thấu kính vỉa, dưới sâu bị phân ra làm 2 thấu kính phức tạp. Đá vây
quanh thân quặng chủ yếu là gabropegmatit, pyroxen hạt lớn đến rất lớn, xẫm
màu. Thân quặng chạy theo phương 70
÷ 75
o
, cắm về Nam - Đông Nam với góc
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
15
dốc 20 ÷ 45
o
. Chiều dài theo đường phương là 700m, theo độ dốc 450m. Chiều
dày thân quặng thay đổi từ 5 ÷ 85m, trung bình 35 ÷ 40m, rộng nhất ở phần
trung tâm là 85m. Hàm lượng inmênit trong quặng giàu thay đổi từ 30 ÷ 70%,
trong quặng nghèo từ 10 ÷ 20%, trung bình ~ 19%.
- Thân quặng phía Đông: Nằm ở phía Đông khu mỏ, thân quặng dạng thấu
kính vỉa gồm 2 thấu kính, thấu kính trên và thấu kính dưới cách nhau khoảng
18m, chạy theo phương 160 ÷ 180
o
, cắm về Tây với góc dốc 30 ÷ 50

o
. Chiều dài
theo đường phương là 650m, theo độ dốc 100 ÷ 200m. Chiều dày thay đổi từ 5 ÷
30m, trung bình 15m. Phần phía Tây thân quặng bị vát nhọn, phần phía Đông bị
phá hủy thành quặng sa khoáng. Hàm lượng inmênit trong quặng giàu thay đổi
từ 30 ÷ 70%, trong quặng nghèo từ 10 ÷ 20%, trung bình 15 ÷ 16%. Ngoài ra
còn gặp pyrotin 1 ÷ 3%, chalcopyrit, rutin với tỷ lệ nhỏ.
Quặng sa khoáng phân bố chủ yếu trong lớp sét và lớp vỏ phong hóa của
gabro. Quặng sa khoáng có thành phần khoáng vật chính là inmênit màu xám
đen chiế
m 83%, ngoài ra còn có leucoxen 3%, rutin 2 ÷ 3%, pyrit 0,5%, pyrotin
1%, limonit 10÷15%. Hàm lượng inmênit trong quặng giàu thay đổi từ 60 ÷
95%, trong quặng nghèo từ 10 ÷ 20%, ngoài ra còn có các nguyên tố đi kèm
như: FeO, Fe
2
O
3
, V
2
O
5
, Ta
2
O
5
, Nb
2
O
5
. Quặng sa khoáng cũng gồm hai thân

quặng phía Đông và phía Tây:
- Thân quặng phía Đông: Nằm ngay trên mặt địa hình của thân quặng gốc
phía Đông, phần phía Bắc của thân quặng nằm trùng trên dải đồi có độ cao 88 ÷
100m, phần phía Nam lõm sâu vào thung lũng có chiều dài 1500m, rộng 1100m.
Chiều dày trung bình 25 ÷ 30m. Hàm lượng inmênit trong quặng giàu thay đổi
từ 400÷500 kg/m
3
, trong quặng nghèo từ 30 ÷ 150 kg/m
3
, trung bình 101,7
kg/m
3
, ngoài ra còn gặp pyrotin, chalcopyrit, rutin với tỷ lệ nhỏ.
- Thân quặng phía Tây: Nằm ngay trên mặt địa hình của thân quặng gốc phía
Tây, có chiều dài 1000m theo phương 70 ÷ 75
o
, rộng 150m. Chiều dày thân
quặng từ 1 ÷ 25m. Hàm lượng inmênit trong quặng giàu thay đổi từ 100 ÷ 300
kg/m
3
, trong quặng nghèo từ 24 ÷ 100 kg/m
3
, trung bình 138,8 kg/m
3
, ngoài ra
còn gặp pyrotin, chalcopyrit, rutin với tỷ lệ nhỏ.


Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
16
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT LÀM CƠ SỞ CHO NGHIÊN CỨU
2.1. NHỮNG PHƯƠNG PHÁP TUYỂN QUẶNG TITAN
Dựa vào sự khác nhau của các tính chất vật lý như tỷ trọng, độ dẫn điện, độ từ
cảm riêng… của các khoáng vật có trong quặng titan mà có thể lựa chọn các
phương pháp tuyển, các chế độ làm việc và các chủng loại thiết bị thích hợp để
thu hồi hiệu qu
ả các khoáng vật có ích. Thực tế tuyển quặng titan là việc sử dụng
kết hợp các phương pháp tuyển như: Tuyển trọng lực, tuyển từ, tuyển điện và
tuyển nổi để thu hồi được các quặng tinh riêng rẽ đạt chất lượng thương phẩm.
Quặng khai thác lên được gia công đến cỡ hạt cần thiết và được chuyển vào
phân xưởng tuyển thô để thu hồi sản phẩ
m là hỗn hợp các khoáng vật nặng, sau
đó được đưa vào phân xưởng tuyển tinh để phân chia thành các quặng tinh riêng
rẽ như quặng tinh inmênit, quặng tinh rutin, quặng tinh mônazit, quặng tinh
silimanit, quặng tinh zircon…
Trong thực tế các tính chất vật lý như độ từ cảm, độ dẫn điện, tính nổi… của
các khoáng vật đều có thể bị thay đổi do các yếu tố như nhiệt độ, độ phong hóa,
trạng thái bề mặt, sự thay thế
đồng hình trong các ô mạng… đã ảnh hưởng rất
lớn đến kết quả tuyển, làm giảm chất lượng của các sản phẩm, do độ lẫn lộn cao
quá trình phân chia các quặng tinh riêng rẽ có thể không thực hiện được bởi một
vài phương pháp tuyển.
Ở công đoạn tuyển tinh các khoáng vật được tách riêng rẽ bằng các sơ đồ
công nghệ phù hợp. Có thể phân loại một số sơ đồ công ngh
ệ chính đang được
áp dụng như sau:
- Dùng tuyển từ để tách manhêtit, inmênit, sau đó dùng tuyển điện để tuyển

phần không từ, tách rutin (phần dẫn điện) và zircon, mônazit (phần không dẫn
điện), tiếp theo dùng tuyển từ để phân chia zircon và mônazit.
- Dùng tuyển tĩnh điện để tách inmênit, rutin (phần dẫn điện) khỏi zircon,
mônazit (phần không dẫn điện), sau đó dùng tuyển từ để tách riêng từng cặ
p
khoáng vật ra khỏi nhau.
- Dùng tuyển từ để tách inmênit, sau đó nung hoàn nguyên sản phẩm rutin -
zircon ở 500
o
C (môi trường khử là H
2
hoặc CO) rồi tuyển từ ở cường độ từ
trường 800 Oe để tách rutin khỏi zircon. Trong trường hợp phải tách crômit và
tạp chất khác khỏi inmênit: Nung quặng tinh đến 1000
o
C và tuyển từ ở cường độ
từ trường 600 ÷ 800 Oe. Dùng nung từ hóa để làm sạch inmênit khỏi các tạp
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
17
chất như lưu huỳnh, phôt pho, crôm. Nung hoàn nguyên quặng tinh inmênit ở
1000
o
C trong vòng 4 giờ (chất khử là H
2
hoặc CO), sau đó tuyển từ ở cường độ
từ trường 600 ÷ 800 Oe để tách inmênit khỏi các tạp chất đi cùng.
- Dùng tuyển nổi để tách các sunfua, zircon vào phần nổi và đè chìm

inmênit, rutin bằng thủy tinh lỏng trong môi trường kiềm, sau đó phân chia
inmênit, rutin bằng tuyển từ.
Các khoáng titan và zircon thường được tuyển bằng các thuốc tập hợp là axit
béo no và không no hoặc bằng hỗn hợp của chúng, các xà phòng gốc axit béo,
pêtrôlatum ôxy hóa, các thuốc tập hợp cation và có thể
còn được bổ sung thêm
thuốc tập hợp không cực. Giá trị pH tối ưu để tuyển các khoáng vật này nằm
trong khoảng gần với trung tính [13], [14].
Các thuốc đè chìm mạnh đối với khoáng titan là thủy tinh lỏng và hồ tinh bột
trong môi trường kiềm. Rutin bị đè chìm bằng các thuốc này có thể kích hoạt
bằng cách bổ sung axit sunfuaric đến môi trường trung tính, còn đối với
perovskit cần bổ sung thêm crômat hoặc bicrômat natri. Tác dụng đè chìm đối
với tuyể
n nổi rutin và inmênit có thể bằng cách thổi khí nitơ vào bùn quặng. Để
đè chìm đất đá không quặng, người ta sử dụng NaF, một lượng nhỏ thủy tinh
lỏng hoặc lượng lớn xôđa với thủy tinh lỏng. Lượng dư thừa sẽ được đẩy khỏi
bùn quặng bằng quá trình khử slam sơ bộ.
Để tuyển tách tập hợp rutin - zircon - inmênit có thể áp dụng các phương
pháp sau [14]:
- Đè chìm rutin và inmênit trong môi trường kiềm b
ằng thủy tinh lỏng (đến
0,5 kg/t) hoặc bằng hồ tinh bột (đến 0,1 kg/t) và tuyển nổi zircon bằng axít béo
(đến 5 kg/t), sau đó trung hòa kiềm bằng H
2
SO
4
(đến pH = 7) rồi tuyển nổi rutin
và inmênit.
- Gia công quặng tinh tập hợp bằng khí nitơ có tác dụng đè chìm sâu inmênit
và rutin sau đó tuyển nổi zircon bằng axit béo hoặc bằng xà phòng naftenic ở

pH = 8 ÷ 9.
- Gia công quặng tinh tập hợp bằng hỗn hợp thủy tinh lỏng và đồng sunfat ở
20
o
C để giải hấp phụ thuốc tập hợp (xà phòng naftenic hoặc petrolatum ôxy
hóa), tuyển nổi zircon bằng xà phòng naftenic hoặc không cần bổ sung thêm.
- Tuyển nổi rutin và inmênit ở pH = 5,5 ÷ 6 bằng alkylsunfat (0,5 ÷ 1 kg/t)
hoặc ở pH = 2 với thuốc tập hợp cation sau khi đè chìm zircon bằng Na
2
SiF
6

(2÷3 kg/t) tiếp theo để phân chia rutin và inmênit có thể đè chìm inmênit bằng
axit ocxalic (0,2 kg/t) và tuyển nổi rutin ở pH = 3,5 ÷ 4.
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
18
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HOÀN NGUYÊN
Xỉ titan nhận được từ quá trình hoàn nguyên quặng sắt - titan trong lò điện
hồ quang. Mục tiêu cơ bản là hoàn nguyên ôxýt sắt đến kim loại, nóng chảy và
tách nó ra khỏi xỉ titan. Quá trình hoàn nguyên ôxýt sắt rất phức tạp bởi vì trong
tinh quặng sắt titan thường không chứa sắt ôxýt ở dạng tự do mà ôxýt sắt liên
kết với ôxýt titan ở dạng hợp chất hóa học, ví dụ như inmênit (FeO.TiO
2
). Ngoài
ra, trong quá trình luyện còn xảy ra các phản ứng hoàn nguyên ôxýt titan (TiO
2
)

đến các ôxýt hóa trị thấp, tạo thành thể nóng chảy xỉ và hợp chất hóa học mới
của ôxýt sắt với các ôxýt titan, làm thay đổi đồng hình. Sự có mặt các ôxýt khác
nhau trong dung dịch xỉ nóng chảy làm ảnh hưởng mạnh đến hoạt độ là các ôxýt
titan và sắt kim loại. Trong quá trình luyện không chỉ có sắt được hoàn nguyên
vào pha kim loại mà còn có một phần các ôxýt kim loại như Mn, Si, Cr được
hoàn nguyên chuyển hóa thành kim loại. Kết quả là sắt kim loại được hợp kim
hóa v
ới các kim loại đó. Từ các hiện tượng thực tế cho thấy rằng: luyện quặng sắt
titan là quá trình phức tạp được phân chia thành các quá trình xảy ra trong pha rắn
và quá trình xảy ra trong pha lỏng.
Luyện xỉ titan có thể tiến hành liên tục hoặc gián đoạn. Trong quá trình gián
đoạn, liệu được nạp đầy lò và tiến hành luyện xỉ, sau đó tháo sản phẩm (kim loại
và xỉ). Chu trình lại được lặp lại. Quá trình luyện liên tụ
c là thường xuyên nạp
liệu vào lò và định kỳ tháo sản phẩm. Hiện nay, luyện xỉ titan chủ yếu là quá trình
luyện liên tục.
Luyện tinh quặng có thể tiến hành bổ sung trợ dung hoặc không có trợ dung
với phối liệu dạng bột hoặc dạng cục. Ngoài ra, tinh quặng trước khi luyện có
thể được hoàn nguyên trước ở pha rắn.
2.2.1. Quá trình hóa lý của sự hoàn nguyên ôxýt titan và ôxýt sắt
Công nghệ hoàn nguyên ôxýt titan và ôxýt sắt đã đượ
c nghiên cứu và ứng
dụng từ thế kỷ hai mươi, đó là công đoạn đầu tiên của công nghệ sản xuất rutin
nhân tạo và luyện xỉ titan.
Quá trình hoàn nguyên ôxýt sắt và titan trong thành phần tinh quặng là quá
trình hoàn nguyên kim loại bằng cacbon rắn được mô tả bởi các phản ứng tổng
quát sau:
MeO +CO ↔ MeO[CO]
+
(1)

Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
19
MeO[CO]
+
↔ Me[CO
2
]
+
(2)
Me[CO
2
]
+
+ C ↔ Me + C[CO
2
]
+
(3)
C[CO
2
]
+
↔ 2[CO]
+
(4)
2[CO]
+

↔ 2CO (5)
Trong đó: Me là ký hiệu kim loại; [CO]
+
và [CO
2
]
+
là các nhóm kêtôn ở trên
mặt các bon rắn và ôxýt kim loại. Tốc độ các phản ứng hoàn nguyên được giới
hạn bởi sự phân rã của nhóm kêtôn C[CO
2
]
+
↔ 2[CO]
+
.
Khi hoàn nguyên inmênit bằng các bon rắn, do kết quả xảy ra phản ứng Benbuđoa:
CO
2
+ C = 2CO ↑ (6)
Nên hàm lượng CO trong vùng phản ứng vượt quá 92 ÷ 95%. Điều đó thúc
đẩy sự hoàn nguyên FeO.TiO
2
.
Khi hoàn nguyên inmênit bằng cácbon rắn thì sắt và titan được hoàn
nguyên. Do tương quan về ái lực hóa học, sắt được hoàn nguyên trước theo các
phản ứng (7) ÷ (13) [15].
FeO.TiO
2
+ C = 2/3Fe + 1/3[Ti

2
O
3
]FeO.TiO
2
+ CO↑ (7)
∆G
0
T
= 17,4.10
4
- 157,2T
2FeO.TiO
2
+ C = FeO.2TiO
2
+Fe + CO↑ (8)
∆G
0
T
= 17,7.10
4
- 157,87T
5/6FeO.TiO
2
+ C = 5/6Fe + 1/10Ti
5
O
9
+ CO ↑ (9)

∆G
0
T
= 15,6.10
4
- 142,1T
FeO.TiO
2
+ C = Fe + TiO
2
+ CO↑ (10)
∆G
0
T
= 16,1.10
4
- 144,6T
3/4FeO.TiO
2
+ C = 3/4Fe + 1/4Ti
3
O
5
+ CO ↑ (11)
∆G
0
T
= 18,5.10
4
- 157,2T

5/6FeO.TiO
2
+ C = 5/6Fe + 1/10Ti
5
O
9
+ CO ↑ (12)
∆G
0
T
= 19,6.10
4
- 154,6T
5/6FeO.TiO
2
+ C = 5/6Fe + 1/10Ti
5
O
9
+ CO ↑ (13)
∆G
o
T
= 23,6.10
4
- 165,1T
Tác giả Baicopva A.A đã chỉ ra quá trình hoàn nguyên inmênit bằng cacbon
rắn xảy ra theo trình tự như sau:
FeO.TiO
2

Æ FeO.2TiO
2
Æ TiO
2
Æ Ti
2
O
9
Æ Ti
3
O
5
ÆTi
2
O
3
Æ TiO
Động học hoàn nguyên titanat sắt: Khi nghiên cứu sự hoàn nguyên của
inmênit ở trạng thái rắn. Theo tác giả V.A.Garmata [15] quá trình tiến hành qua
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
20
ba khu vực: Khu vực động học, khu vực chuyển tiếp và khu vực khuếch tán, có
thể biểu diễn bằng phương trình:
B
2
= a + b τ
Trong đó: B - mức độ hoàn nguyên.

τ - thời gian.
a,b - là các hệ số.
Hệ số a tỉ lệ với lượng ôxy liên kết với chất hoàn nguyên trong khu vực
động học. Hệ số b tỉ lệ với tốc độ khuếch tán.
2.2.2. Hoàn nguyên tinh quặng trong pha rắn
Có một số khoáng vật chứa titan được sử dụng để luyện xỉ, chúng có thể là
inmênit hoặc titanomanhetit Do các khoáng vật titan chủ yế
u dưới dạng
inmênit nên quá trình hoàn nguyên inmênit được nghiên cứu kỹ.
Như đã biết, sắt được hoàn nguyên từ ôxýt tự do dễ hơn từ các dạng hợp chất
hóa học dạng silicat, titanat… Các tác giả Trufarova và Tatievski đã xác định
rằng: sự hoàn nguyên của sắt từ inmênit bắt đầu ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so
với sự hoàn nguyên của ôxýt sắt tự do. Bởi vì khi hoàn nguyên tinh quặng sắt
titan theo mức độ nâng nhiệ
t độ, đầu tiên hêmatit và manhêtit được hoàn nguyên
sau đó bắt đầu hoàn nguyên ôxýt sắt (FeO) từ inmênit. Các tác giả khi nghiên
cứu quá trình hoàn nguyên tinh quặng inmênit có chứa hêmatit đã xác định có
hai giai đoạn chính. Giai đoạn 1 hoàn nguyên hêmatit (Fe
2
O
3
Æ Fe
3
O
4
Æ FeO
Æ Fe); giai đoạn 2 hoàn nguyên inmênit.
Trong hệ FeO-TiO
2
tồn tại 3 pha: 2FeO.TiO

2
; FeO.TiO
2
; FeO. 2TiO
2
. Vì
vậy trong điều kiện bền vững nhiệt động học của đititanat, quá trình hoàn
nguyên inmênit phải tạo hợp chất trung gian là sắt đititanat. Tính bền vững nhiệt
động học của sắt đititanat ở nhiệt độ trên 1000 ÷ 1100
o
C; nó cũng có thể được
tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn như một hợp chất giả bền. Giai đoạn đầu hoàn
nguyên inmênit sẽ làm thay đổi thành phần của nó trong giới hạn đồng thể
FeO.TiO
2
Æ xFe + (1-x) FeO.TiO
2
.xTiO
2
. Các nghiên cứu đã xác định inmênit
ở 1200
o
C hòa tan đến 7% TiO
2
. Khi làm nguội chậm dung dịch sẽ tách ra phần
dư TiO
2
. Giới hạn hòa tan 7% TiO
2
trong inmênit được tạo thành bởi dung dịch

có thành phần (FeO. TiO
2
)
0,886
(TiO
2
)
0,114
.
Hoàn nguyên inmênit tiếp theo đồng thời tạo ra sắt đititanat:
(FeO. TiO
2
)x(TiO
2
) → FeO.2 TiO
2
+ Fe (14)
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
21
Đititanat sắt cũng có khả năng hòa tan TiO
2
. Dung dịch rắn bão hòa TiO
2

trong đititanat có thành phần (FeO.2 TiO
2
)

0,37
(TiO
2
)
0,63
. Khi có mặt MgO thì độ
hòa tan của TiO
2
trong đititanat tăng lên. Giới hạn hòa tan TiO
2
trong trường
hợp này tương ứng công thức (Fe,Mg)
0,12
TiO
2
.
Hoàn nguyên inmênit ở nhiệt độ thấp trong điều kiện không bền vững,
nhiệt động học của đititanat được thay đổi trong giới hạn đồng nhất bởi sự tạo
thành sắt kim loại và rutin. Kết quả hoàn nguyên đititanat sắt và dung dịch rắn
tạo thành sắt kim loại và rutin. Cần phải thấy rằng: ở nhiệt độ tương đối cao
TiO
2
và sắt kim loại không thể tồn tại. Đã tiến hành thí nghiệm: Khi nung đỏ
hỗn hợp TiO
2
và bột sắt trong chân không ở nhiệt độ 1200
o
C thấy rằng: khi thêm
lượng Fe không lớn thì Fe đi vào mạng lưới tinh thể của rutin và tạo thành Ti
3+

.
Khi thêm lượng lớn Fe thì tạo thành pha mới có mạng lưới tinh thể tương ứng
của đititanat hay là anôxôvit. Hàm lượng TiO
3+
khi đó tăng lên rõ rệt. Như vậy
kết quả tương tác của Fe với TiO
2
tạo thành hợp chất n[(Ti,Fe)O.2
TiO
2
]m(Ti
2
O
3
. TiO
2
)p TiO
2
, một đititanat sắt đồng hình. Hoạt động giữa sắt với
TiO
2
còn mạnh hơn trong phối liệu thể nóng chảy. Với tỷ lệ mol Fe: TiO
2
= 1:5
thì phản ứng kết thúc hoàn toàn sau 1 ÷ 2 phút, lúc đó tạo thành hợp chất thành
phần n[(Ti,Fe)O.2 TiO
2
]m(Ti
2
O

3
. TiO
2
)p TiO
2
.
Trong quá trình đông đặc, lượng TiO
2
dư bị tách ra đồng thời tạo thành cấu
tạo đặc trưng sự phân hủy dung dịch rắn.
Các tác giả Moroz và Sidorenco đã hoàn nguyên quặng arizônhit
(Fe
2
O
3
.3TiO
2
) bằng hyđrô ở 950
o
C tới khi sắt được hoàn nguyên 85%, không
phát hiện thấy ôxýt titan hóa trị thấp. Tinh quặng đã hoàn nguyên cho vào nung
trong bình chân không ở nhiệt độ 1200 ÷ 1500
o
C . Khi tăng nhiệt độ và thời gian
nung thì hàm lượng sắt kim loại giảm và xuất hiện ôxýt titan hóa trị thấp. Kết
quả nung tinh quặng hình thành pha cấu tạo anôxôvit.
Trên cơ sở nghiên cứu trên cho rằng: trong giai đoạn hoàn nguyên đititanat
sắt đã tạo thành dung dịch rắn n[(Ti,Fe)O.2TiO
2
]m(Ti

2
O
3
.TiO
2
)pTiO
2
tương ứng
công thức và cấu trúc của anôxôvit. Hàm lượng của Ti
3+
và Ti
2+
trong dung dịch
này tăng lên khi tăng nhiệt độ hoàn nguyên và thời gian hoàn nguyên. Do tạo
thành dung dịch rắn mà mức độ hoàn nguyên FeO giảm đột ngột, nhất là khi
nhiệt độ lớn hơn 1200
o
C. Quá trình hoàn nguyên sắt trong inmênit được biểu thị
theo các phản ứng sau:
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
22
FeO.TiO
2
→ (1-x)(FeO.TiO
2
)xTiO
2

+ xFe (15)
(FeO.TiO
2
).xTiO
2
→ FeO.2TiO
2
+ Fe (16)
FeO.2TiO
2
→ FeO
1-x
.2TiO
2
+ xFe (17)
(FeO.2TiO
2
).xTiO
2
→ TiO
2
+ Fe (18)
(FeO.2TiO
2
).xTiO
2
→ xFe +n[(Ti,Fe)O.2TiO
2
]m(Ti
2

O
3
.TiO
2
)pTiO
2
(19)
Trong tinh quặng inmênit tự nhiên, các tạp chất MgO, MnO tạo thành hợp
chất (Fe,Mg,Mn)O.TiO
2
. Do mức độ hoàn nguyên MnO thấp hơn FeO, còn
MgO hầu như không bị hoàn nguyên nên trong quá trình hoàn nguyên inmênit,
MnO và MgO giàu lên còn sắt hoàn nguyên như sau:
(Fe,Mg,Mn) TiO
2
→ xFe + (Fe
1-x
, Mg,Mn)O.TiO
2
(20)
Khi tạo thành đititanat tất cả 3 ôxýt trên đi vào trong thành phần của nó,
công thức có dạng (Fe, Mg, Mn)O.2TiO
2
. Hoàn nguyên đititanat sẽ làm giàu
MgO, MnO do tách ra Fe. Khi tạo thành Ti
3+
, ôxýt MgO và MnO đi vào trong
thành phần của anôxôvit. Các ôxýt đồng hình khác cũng đi vào thành phần của
anôxôvit có dạng:
n[(Fe,Mn,Mg,TiO).2 TiO

2
]m[(Ti,Al,Cr)
2
O
3
. TiO
2
].p TiO
2
.
Theo số liệu của Pavlova[11], khi thêm vôi sẽ tạo thành perovskit và quá
trình hoàn nguyên inmênit bằng các bon tiến hành theo phản ứng sau:
FeO. TiO
2
+ CaO = FeO + CaO. TiO
2
(21)
FeO + C = Fe + CO (22)
FeO.TiO
2
+ CaO + C = Fe + CaO. TiO
2
+ CO (23)
Các tác giả Reznirenko và Solovưev [11] cho rằng: khi luyện hoàn nguyên
inmênit bổ sung thêm vôi sẽ tạo thành octotitanat sắt 2FeO.TiO
2
. Phản ứng xảy
ra như sau: 2(FeO.TiO
2
) +CaO = 2FeO.TiO

2
+ CaO.TiO
2
(24)
Tuy nhiên, một số nghiên cứu chưa khẳng định sự hình thành octotitanat. Sự
hình thành này trong quá trình hoàn nguyên là xác suất nhỏ. Khả năng thay thế
sắt canxi bằng octotitanat trong inmênit không có ý nghĩa.
Ở nhiệt độ chưa cao sắt kim loại và rutin được hoàn nguyên. Rutin này có
thành phần không hợp thức (TiO
2
-x) có nghĩa là hoàn nguyên trong khu vực giới
hạn đồng thể của nó. Nhiệt độ bắt đầu hoàn nguyên rutin bằng các bon gần
900
o
C. Khi hoàn nguyên bằng hyđrô thì bắt đầu ở nhiệt độ thấp đáng kể. Khi
tăng nhiệt độ thì hoàn nguyên inmênit cũng tăng và mức độ hoàn nguyên rutin
được tạo thành tăng lên.
Báo cáo tổng kết đề tài KC.02.01/06-10


Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2009.
23
Tăng nhiệt độ cao hơn dẫn đến tạo thành Ti
3
O
5
, đôi khi nhận thấy có Ti
6
O
11

.
Đặc trưngcủa rutin (TiO
2
) sạch được hoàn nguyên đến Ti
3
O
5
thường chậm hơn
so với TiO
2
trong thành phần của inmênit. Tác giả Trufarop giải thích rằng: khi
hoàn nguyên TiO
2
từ inmênit ngay lúc đầu đã tạo ra được sắt kim loại và nó
tham gia tích cực đóng góp phản ứng tái tạo ôxýt các bon:
CO
2
+ C = 2CO ↑ (25)
Như đã thấy, khó khống chế độ hoạt động của sắt trong hoàn nguyên
inmênit. Quá trình hoàn nguyên inmênit tạo thành đititanat sắt, nó có thể hòa tan
Ti
3
O
5
, sự hòa tan Ti
3
O
5
trong đititanat làm tăng tốc độ hoàn nguyên rutin. Ngoài
ra sự có mặt của Fe hay FeO trong mạng tinh thể rutin cũng nâng cao tốc độ

hoàn nguyên của nó.
Các tác giả Vert và Kamensev đã nghiên cứu cơ chế động học hoàn nguyên
TiO
2
bằng các bon rắn có thêm vào 1,0 ÷ 1,7% (mol) Fe, Al
2
O
3
, CaO, SiO
2
thấy
rằng: TiO
2
bắt đầu hoàn nguyên bằng các bon ở 950
o
C, chuyển hóa thành Ti
3
O
5

kết thúc ở 1300
o
C. Thêm sắt làm cho TiO
2
hoàn nguyên dễ hơn rất nhiều. Thêm
Al
2
O
3
cũng làm tăng tốc độ hoàn nguyên TiO

2
nhưng yếu hơn so với sắt. Thêm
CaO, SiO
2
không ảnh hưởng đến sự hoàn nguyên TiO
2
.
Ở nhiệt độ thấp dưới 1000
o
C, quá trình hoàn nguyên tạo thành dung dịch
TiO
2
trong FeO.TiO
2
và chỉ sau khi phá vỡ mạng lưới tinh thể inmênit và
chuyển hóa cơ bản khối lượng sắt thành kim loại, TiO
2
bắt đầu hoàn nguyên đến
Ti
3
O
5
, sau đó đến Ti
2
O
3
. Các tác giả nhận định: cấu tạo của anoxovit bền vững
chỉ khi có mặt của các ôxýt đồng hình.
Phân tích cơ chế và đặc tính chuyển pha khi hoàn nguyên sắt titanat chứng
minh rằng: quá trình hoàn nguyên không giới hạn, chỉ tạo thành các dạng phân

tán. Quá trình xảy ra liên tục biến đổi thành phần các ôxýt trong giới hạn các
vùng đồng nhất của nó. Thành phần các ôxýt trong quá trình hoàn nguyên biến
đổi liên tục và phân tán. Sự thay đổi thành phần các ôxýt tương ứng với sự biến
đổi
đại lượng áp suất cục bộ của ôxy trong pha khí, sự biến đổi này cũng liên tục
và phân tán.
Như vậy, cơ chế hoàn nguyên titanat sắt chứng minh: sự tạo thành ôxýt titan
hóa trị thấp trong quá trình hoàn nguyên hay quá trình khác dẫn đến tạo thành
liên kết của ôxýt sắt trong hợp chất hóa học bền vững, làm cho hoàn nguyên sắt
khó khăn. Do đó, tốc độ hoàn nguyên sắt trong inmênit giảm theo mức độ tăng
hoàn nguyên TiO
2
. Khi nhiệt độ tăng, dẫn đến tạo thành ôxýt titan hóa trị thấp