2 LUYEN VA TAI SINH DONG

NGUYÊN LIỆU LUYỆN ĐỒNG
STT Tên khoáng vật Ký hiệu Hàm
lượng Cu,
%
Tỷ trọng, g/cm
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cancopirit
Bocnit
Cancodin
Covêlin
Malakhit
Azurit
Cuprit
Tênorit (mêlaconit)
Khơrizocon
Đồng tự nhiên
CuFeS
2
Cu
5

FeS
4
/Cu
3
FeS
3
Cu
2
S
CuS
CuCO
3
.Cu(OH)
2
2CuCO
3
.Cu(OH)
2
Cu
2
O
CuO
CuSiO
3
.2H
2
O
Cu
34,6
55,5-69,7

79,9
68,5
57,4
55,1
88,8
79,9
36,2
99,9
4,2
4,9-5,4
5,5-5,8
4,6
3,9
3,7-3,8
5,8-6,1
5,8-6,3
2,0-2,2
~8,9
PHƯƠNG PHÁP HOẢ LUYỆN
SẢN XUẤT ĐỒNG THÔ
1. Cơ sở lý thuyết – lưu trình công nghệ tổng
quát

Sten đồng là hợp kim của các sunfua kim
loại, trong đó chủ yếu (chiếm 80-90%) là
Cu
2
S và FeS. Hàm lượng trung bình của
lưu huỳnh trong stên đồng là 24-26% S.
Nó nóng chảy ở 900-1050

o
C và có trọng
lượng riêng trung bình là 5. Hàm lượng
trung bình của đồng trong stên là 30-40%
Cu. Hàm lượng lớn nhất là 79,9% Cu (ứng
với 100% Cu
2
S trong sten đồng). Sten
đồng có một đặc tính rất qúy là có khả
năng hoà tan tốt các kim loại qúy và hiếm.

Nguyên lý hỏa luyện:

- Do ái lực hoá học của đồng với lưu huỳnh lớn hơn ái lực
hoá học của sắt với lưu huỳnh nên lưu huỳnh ưu tiên kết
hợp với đồng để tồn tại bền vững ở dạng Cu
2
S.

- Do ái lực hoá học của sắt với oxi lớn hơn của đồng với
oxi mà oxi ưu tiên kết hợp với sắt để tồn tại bền vững ở
dạng FeO.

- FeO kết hợp với SiO
2
tạo nên thành phần cơ bản của xỉ
lỏng ở dạng fai-alit 2FeO.SiO
2
.


- Cu
2
S và FeS có khả năng tạo hợp kim lỏng đồng nhất
(stên đồng).

- Tỷ trọng của stên đồng (~5) lớn hơn tỷ trọng cuả xỉ (~3)
và chúng không hoà tan vào nhau.

- Stên đồng có khả năng hoà tan tốt các kim loại qúy,
hiếm.

- Cu
2
S tác dụng với Cu
2
O cho ra đồng kim loại:

Cu
2
S + 2Cu
2
O = 6Cu + SO
2
(2.1)
2. Thiêu oxi hóa tinh quặng đồng

Mục đích của quá trình thiêu oxi hoá tinh quặng
đồng sunfua là:


- Khử bớt lưu huỳnh. Để đặc trưng cho khả năng
khử lưu, người ta dùng khái niệm “hiệu suất khử
lưu” – đó là tỷ số phần trăm giữa lượng lưu huỳnh bò
khử so với tổng lượng lưu huỳnh có trong tinh quặng
ban đầu. Phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu và
phương pháp thiêu khác nhau, hiệu suất khử lưu dao
động từ 15-20% đến 50-70%.

- Biến đổi phần lớn FeS thành FeO để chuẩn bò cho
sự tạo xỉ trong lò luyện ra stên đồng về sau.

- Khử bớt các tạp chất dễ bay hơi như Cd, As, Sb.

- Trộn đảo liệu, sấy khô, nung nóng, làm tăng tương
đối hàm lượng đồng và làm nhỏ hạt liệu.

Thiêu oxi hóa tinh quặng đồng được thực hiện ở nhiệt độ
750÷900
o
C. Trong khoảng nhiệt độ này, sự oxi hóa sunfua
chủ yếu tạo thành các oxit.

Quá trình cháy sunfua được biểu thò bằng phương trình có
dạng tổng quát sau:

2 MeS + 3O
2
= 2MeO + 2SO
2
+ Q (2.2)


Trong đó, Q là hệ số tỏa nhiệt của phản ứng

Ở nhiệt độ thấp hơn 600÷650
o
C, sunfat được tạo thành:

MeS + 2O
2
= MeSO
4
(2.3)

Không nên để tạo thành sunfat trước khi luyện sten đồng, do
việc này làm giảm hiệu suất khử lưu.

Khi nhiêt độ cao hơn giới hạn trên (900
o
C), có thể các sunfua
riêng biệt và cùng tinh dễ nóng chảy nhất của chúng bắt đầu
nóng chảy, dẫn đến thiêu kết phần liệu nhỏ vụn. Trong khi
thiêu oxi hóa, không nên để xảy ra thiêu kết.

Quá trình thiêu gồm các giai đoạn chủ yếu sau: Nung nóng và sấy liệu, phân ly
nhiêt của các sunfua hóa trò cao, bốc cháy và cháy các sunfua.

Nung nóng liệu kèm theo thoát hơi ẩm và xảy ra nhờ truyền nhiệt từ khí
nóng cũng như nhờ nhiệt tỏa ra của các phản ứng oxi hóa. Sau khi nung
nóng liệu đến nhiệt độ gần 350÷400
o

C, hầu như bắt đầu xảy ra đồng thời
các quá trình phân ly nhiệt của các khoáng vật sunfua và sự bốc cháy của
chúng.

Phân ly nhiệt chỉ xảy ra đối với các sunfua hóa trò cao theo các phản ứng
sau:

FeS
2
→ FeS + ½ S
2
(2.4)

2CuFeS
2
→ Cu
2
S + 2FeS +½S
2
(2.5)

2CuS → Cu
2
S + ½S
2
(2.6)

Hơi lưu huỳnh thoát ra cháy trong môi trường oxi hóa theo phản ứng:

S + O

2
= SO
2
(2.7)

Khi pirit phân ly nhiệt, một nửa số lượng nguyên tử lưu huỳnh đi vào pha
khí, tức là hiệu suất khử lưu của pirit do phân ly nhiệt vào khoảng 50%.
Hiệu suất khử lưu do phân ly nhiệt của cancopirit và covelin tương ứng 25
và 50%.

Tất cả các phản ứng phân ly nhiệt đều thu nhiệt và đòi hỏi cung cấp nhiệt
để phản ứng xảy ra.

Trong quá trình thiêu oxi hóa cũng có thể phân ly một phần cacbonat, ví dụ:

CaCO
3
→ CaO + CO
2
(2.8)

Sự oxi hóa các sunfua bắt đầu từ sự bốc cháy của chúng. Nhiệt
độ bốc cháy của các sunfua kim loại là nhiệt độ mà khi đạt tới
đó, phản ứng oxi hoá các sunfua các kim loại xảy ra mãnh liệt
và nhiệt lượng phát ra đủ để làm cho quá trình oxi hoá tự
phát và lan rộng trong toàn bộ khối liệu.

Nhiệt độ bốc cháy của từng sunfua phụ thuộc vào tính chất
hóa lý của chúng và độ hạt. Các sunfua dễ bốc cháy nhất là
pirit, cancopirit và cancodin, với độ hạt gần 0,1 mm, chúng

bắt đầu cháy ở nhiệt độ tương ứng: 325, 360, 430
o
C.

Nhiều sunfua, ví dụ như pirit và cancopirit có thể bắt đầu oxi
hóa ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bắt đầu phân ly nhiệt. Môi
trường oxi hóa mạnh trong các lò thiêu và nhiệt độ đủ để các
sunfua bốc cháy tạo điều kiện để thực hiện việc oxi hóa này.

Khi thiêu oxi hóa tinh quặng đồng, chủ yếu là các sunfua sắt
oxi hóa. Nguyên nhân la do ái lực của sắt với oxi lớn hơn so
với đồng và ái lực của sắt với lưu huỳnh nhỏ hơn so với đồng.

Các phản ứng chủ yếu của thiêu oxi hóa tinh quặng đồng là:

2FeS + 3,5O
2
= Fe
2
O
3
+ 2SO
2
+ 921000 kJ (2.9)

2FeS
2
+ 5,5O
2
= Fe

2
O
3
+ 4SO
2
+ 1655000 kJ (2.10)

2CuFeS
2
+ 6O
2
= Fe
2
O
3
+ Cu
2
O + 4SO
2
(2.11)

Khi thiêu cũng có thể oxi hóa sunfua đồng theo phản ứng:

Cu
2
S + 1½O
2
= 2Cu
2
O + SO

2
+ 38435 kJ (2.12)

Nhưng do ái lực của đồng với lưu huỳnh lớn, đồng được sunfua hóa trở
lại theo phản ứng trao đổi sau:

Cu
2
O + FeS = Cu
2
S + FeO + 168060 kJ (2.13)

Cu
2
O hầu như không có trong quặng đồng thiêu.

Tất cả phản ứng oxi hóa sunfua và nguyên tố lưu huỳnh là các phản
ứng tỏa nhiệt. Nhiệt tỏa ra trong điều kiện thiêu tinh quặng đồng
thường cao hơn so với nhiệt cần để tự xảy ra quá trình thiêu, đó là quá
trình tự sinh điển hình.

Sản phẩm thiêu oxi hóa tinh quặng đồng là quặng thiêu, các chất khí và
bụi.

Thành phần khoáng vật của quặng thiêu sẽ khác xa so với thành phần
tinh quặng ban đầu. Quặng thiêu thu được đặc trưng bởi sự có mặt của
các oxit cùng với các sunfua và hầu như không còn các sunfua hóa trò cao

Thiêu oxi hoá
trong lò lớp sôi


Hình 2.2. Sơ đồ lò
thiêu lớp sôi

1-Buồng lò, 2-
Đáy lò, 3- Hộp
đựng gió, 4-
Thiết bò nạp liệu,

5- Tháo sản
phẩm thiêu, 6-
cửa thoát khí, 7-
Buồng chất liệu
CÁC QUÁ TRÌNH LUYỆN RA STEN
ĐỒNG
1.Luyện sten đồng trong lò phản xạ

Mục đích của phương pháp lò phản xạ luyện ra đồng sten là biến đổi
và giữ đồng ở dạng đồng (I) sunfua (Cu
2
S) nhờ tương tác của đồng
oxit với sắt sunfua. nồi lò sẽ tạo ra 2 lớp lỏng: lớp dưới là sten, tập
trung Cu
2
S; còn lớp trên là xỉ; tập trung FeO và đất đá tạp.

Cơ chế luyện sten đồng trong lò phản xạ như sau.Quá trình nung
nóng liệu trên bề mặt của dốc liệu bởi nhiệt bức xạ từ ngọn lửa, kèm
theo sấy liệu và phân ly nhiệt của các các sunfua hóa trò cao và các
hợp chất không ổn đònh khác. Theo mức độ nung nóng lớp bề mặt

của dốc liệu, các thành phần liệu dễ chảy bắt đầu nóng chảy – đó là
các cùng tinh sunfua và oxit. Thể nóng chảy hình thành đầu tiên chảy
theo bề mặt dốc liệu, hòa tan các thành phần khó chảy nhất và chảy
lên bề mặt xỉ lỏng. Từ thời điểm này, bắt đầu việc phân tách các pha
xỉ và sten; các giọt lỏng của pha oxit hòa tan vào xỉ luôn có sẵn trong
lò, còn các giọt sten đi qua lớp xỉ tạo thành một lớp riêng ở phần bên
dưới của bể chứa.

Hình 2.3. Sơ đồ luyện sten đồng trong lò phản xạ với sự tạo
thành dốc liệu

1- Liệu; 2- Ngọn lửa tạo thành khi đốt cháy nhiên liệu; 3-
Dốc liệu; 4- Vùng nóng chảy; 5- Xỉ lỏng; 6- Sten

Các mũi tên chỉ hướng bức xạ nhiệt, các đường đứt quãng
chỉ chuyển động của các pha nóng chảy

Cơ chế hóa học của quá trình luyện sten đồng từ tinh quặng sấy và thiêu cũng
khác nhau.

Khi nấu luyện tinh quặng sống, các quá trình hóa học chủ yếu là phân ly các
sunfua hóa trò cao và tương tác giữa sắt sunfua và macnetit (Fe3O4) được đưa
vào lò từ xỉ lò chuyển quay vòng, theo phản ứng:

FeS + 3Fe
3
O
4
+ 5SiO
2

= 5(2FeO.SiO
2
) + SO
2
(2.14)

Trong trường hợp này, hiệu suất khử lưu vào khoảng 45-55%.

Cơ chế hóa học của luyện sten từ quặng thiêu, do sự phân ly của các sunfua hóa
trò cao hầu như kết thúc khi thiêu, nên tương tác hóa học giữa oxit và sunfua
là chủ yếu. Trong quá trình luyện này, xảy ra các phản ứng chủ yếu sau:

Cu
2
O + FeS = Cu
2
S + FeO (2.15)

10Fe
2
O
3
+ FeS = 7Fe
3
O
4
+ SO
2
(2.16)


và cả tương tác giữa FeS và Fe
3
O
4
khi có mặt silic oxit.

Hiệu suất khử lưu khi nấu luyện tinh quặng thiêu của đồng không vượt quá
20÷25%.

Các kim loại qúy (Au, Ag) hoà tan tốt vào stên đồng và hoà tan rất ít vào xỉ.

Trợ dung cho lò phản xạ thường là khoáng có chứa vàng, bạc như quặng vàng
nghèo, tinh quặng vàng hoặc những nguyên liệu chứa vàng khó xử lý riêng.

Stên đồng của lò phản xạ chứa 80-90% Cu
2
S và FeS; còn lại là các sunfua kim
loại tạp, macnetit. Người ta không muốn tạo ra stên giàu, vì khi đó mất mát
đồng vào xỉ do các nguyên nhân cơ học và vật lý sẽ tăng lên. Trong thực tế,
phẩm vò trung bình của stên đồng là 20-35% Cu.

Xỉ lò phản xạ được đặc trưng bởi hàm lượng của 3 cấu tử chính là SiO
2
, FeO
và CaO. Chúng chiếm khoảng 80-85% khối lượng xỉ. Trong xỉ thường còn
chứa Al
2
O
3
(5-15%) và các oxit khác như MgO, BaO, ZnO …

LOỉ PHAN XAẽ LUYEN STEN ẹONG

2. Luyện stên đồng trong lò điện

Lò điện ở đây làm việc theo nguyên tắc hồ quang trực tiếp. Thực chất của
nó là các lò có cực điện cắm sâu vào lớp xỉ dày, có điện trở lớn, để biến
dòng điện thành nhiệt năng theo hiệu ứng Joule.

Về cơ bản, phương pháp lò điện cũng giống lò phản xạ luyện stên đồng. Do
dùng điện năng thay nhiên liệu phương pháp lò điện có nhiều ưu điểm về năng
suất, chất lượng sản phẩm, khả năng xử lý vật liệu khó chảy và nhiều chỉ tiêu
kỹ thuật khác.

Những đặc điểm về biến đổi hoá lý của lò điện so với lò phản xạ:

- Trong lò phản xạ, xỉ chỉ tác dụng tương hỗ với liệu ở lòng lò sau khi đã
nóng chảy từ dốc liệu. Còn trong lò điện, vai trò của xỉ vừa làm nóng chảy
liệu vừa phản ứng với liệu ngay trong lớp liệu nằm sát điện cực.

-Vì không cần thổi gió đốt cháy nhiên liệu nên lượng khí lò rất ít, nhiệt độ
khí thấp (600-800
o
C). Trên bề mặt xỉ lại có lớp vỏ bảo vệ nên tác dụng của
khí lò trực tiếp với liệu không đáng kể. Biến đổi hoá học xảy ra chủ yếu
giữa pha rắn và lỏng, giữa xỉ và liệu. Đặc biệt do tốc độ vận động của xỉ lớn
nên phản ứng xảy ra nhanh, sản phẩm được hình thành trong khoảnh khắc
ngắn.

- Do khả năng về nhiệt lớn và do có sự vận động đối lưu mạnh của xỉ dưới

tác dụng của điện trường, lò điện có khả năng xử lý liệu lò khó chảy hơn,
chứa nhiều MgO, Al
2
O
3
, Fe
3
O
4
.

- Do tầng xỉ dày, lớp xỉ dưới nằm im và tháo xỉ từ giữa lớp xỉ nên sự phân
tách stên và xỉ xảy ra hoàn toàn hơn.

- Dốc liệu dễ bò sụp lở xuống lòng lò. Khi ấy, nếu trong liệu có nhiều nước
ẩm sẽ gây nổ ngay. Vì vậy yêu cầu đối với liệu lò điện là phải có độ ẩm nhỏ,
không vượt quá 1-2% và dốc liệu không được chất vào quá cao.

Hỡnh. Sụ ủo loứ ủieọn naỏu luyeọn steõn ủong

3. Luyện sten đồng trong lò đứng.

Về nguyên tắc hoạt động, nó tương tự như lò đứng
luyện gang (lò cao), lò đứng luyện chì, kẽm. Đó là
một không gian thẳng đứng với chiều cao nhất
đònh chứa đầy tinh quặng dạng cục, trợ dung và
than cốc. Ở phần dưới của lò, không khí được thổi
vào qua các mắt gió. Sản phẩm gồm sten và xỉ
lỏng được tháo ra liên tục từ nồi lò vào một bể
lắng (lò tiền).


Người ta phân biệt hai dạng lò đứng chủ yếu:

luyện hoàn nguyên để xử lý quặng oxit và nguyên
liệu thứ sinh

luyện oxi hóa đối với quặng và tinh quặng sunfua.
Luyện oxi hóa lại được phân ra: luyện pirit, bán
pirit và đồng-lưu huỳnh

Hình. Sơ đồ lò đứng (quạt gió) nấu luyện stên đồng

4. Thổi luyện stên đồng thành đồng thô

Cơ sở lý thuyết

Mục đích chính của quá trình thổi luyện là thu được
đồng thô nhờ sự oxi hóa sắt, lưu huỳnh và vài thành
phần cộng sinh. Các kim loại qúy hầu như nằm lại
trong đồng thô hoàn toàn, còn selen và telu nằm lại
một phần trong đồng thô. Do sự tỏa nhiệt của phần
lớn các phản ứng, quá trình thổi luyện không đòi hỏi
cung cấp thêm nhiên liệu, đó cũng là quá trình tự
sinh điển hình.

Cơ sở lý thuyết của quá trình này là sự oxi hoá
sunfua kim loại mà thực chất là tương quan về ái lực
hoá học giữa các kim loại với lưu huỳnh và với oxi.

Giai đoạn 1 – tuyển chọn khối lượng sunfua. Trong giai đoạn này, chủ yếu xảy ra

quá trình oxi hóa sắt sunfua và đưa các oxit sắt được tạo thành vào xỉ. Trong giai
đoạn 1, sự oxi hóa các sắt sunfua chiếm ưu thế là do ái lực của sắt với oxi cao hơn
so với đồng.

Không khí được thổi qua mắt gió, khuấy trộn mạnh stên lỏng. Trên bề mặt các bọt
khí xảy ra các phản ứng oxi hoá các sunfua:

2FeS + 3O
2
= 2FeO + 2SO
2
+ 937340 kJ (2.18)

2Cu
2
S + 3O
2
= 2Cu
2
O + 2SO
2
+ 776651 kJ (2.19)

Nhưng ngay sau đó, Cu
2
O lại tác dụng với FeS để trở lại Cu
2
S. Sản phẩm oxi hoá sẽ
tạo xỉ với thạch anh (trợ dung của lò thổi):
2FeO + SiO

2
= 2FeO.SiO
2
+ 92950 kJ (2.20)

và phản ứng tổng quát của giai đoạn 1 sẽ là;

2FeS + 3O
2
+ SiO
2
= 2FeO.SiO
2
+ 2SO
2
+ 1030290kJ (2.21)

Nếu thiếu thạch anh thì FeO bò oxi hoá thành Fe
3
O
4
. Mặt khác, trong sten đồng
luôn có chứa một lượng Fe
3
O
4
. Macnetit này đi vào xỉ, làm tăng độ sệt của xỉ lò thổi
và tăng mất mát đồng vào đó. Để hoàn nguyên tốt macnetit này, cần cung cấp đủ
và đều đặn thạch anh và giữ nhiệt độ cao để tiến hành phản ứng:


3Fe
3
O
4
+ FeS + 5SiO
2
= 5(2FeO.SiO
2
) + SO
2
(2.22)

Nhiệt độ của lò thổi ở giai đoạn 1 là 1200
o
C. Stên đồng được đưa vào lò ở dạng lỏng
với nhiệt độ 1100-1200
o
C. Do các phản ứng oxi hoá phát nhiệt nên ở giai đoạn này
có nguy cơ quá nóng, nhất là khi xử lý stên nghèo chứa nhiều FeS. Để chống quá
nóng, người ta có thể ngừng thổi một thời gian, hoặc cho thêm liệu nguội (stên rắn,
đồng vụn, đôi khi dùng cả tinh quặng đồng).

Sản phẩm của giai đoạn 1 là khối sunfua giàu đồng (~78%) được gọi là “sten
trắng”, xỉ thổi luyện và các khí chứa lưu huỳnh.

Giai đoạn 2 – Thu được đồng thô nhờ oxi hóa đồng sunfua
theo phản ứng tổng quát: Cu
2
S + O
2

= 2Cu + SO
2
+ 215000kJ–
được thực hiện liên tục trong 2-3 giờ mà không nạp thêm
liệu rắn hay liệu quay vòng nào, chỉ thổi không khí.

Giai đoạn này bắt đầu khi trong lò thổi toàn bộ FeS đã bò oxi
hoá.

Những phản ứng cơ bản của giai đoạn 2 là phản ứng oxi hoá
Cu
2
S bởi O
2
của không khí
2Cu
2
S + 3O
2
= 2Cu
2
O + 2SO
2
+ 776651 kJ

và phản ứng tương hỗ hoàn nguyên giữa Cu
2
O và Cu
2
S

2FeS + 3O
2
+ SiO
2
= 2FeO.SiO
2
+ 2SO
2
+ 1030290kJ

Phản ứng tổng quát của giai đoạn 2 như trên

Nhiệt độ yêu cầu của lò giai đoạn 2 là ~1250
o
C. Giai đoạn
này có nguy cơ quá nguội do hiệu ứng phát nhiệt yếu hơn
giai đoạn 1. Để chống quá nguội phải cho thêm stên đồng
lỏng, tăng cường gió thổi vào lò và giảm lượng trợ dung
nguội.

Hình 2.7. Lò chuyển dạng hình trụ nằm ngang

1- Động cơ điện; 2- Hộp số; 3- Vành bánh răng; 4- Vành đai
tựa; 5- ng góp gió; 6- Van bi; 7- ng thổi gió; 8- Cửa lò.