Nghiên cứu công nghệ sản xuất ferro mangan từ quặng mangan vùng Hà Giang, Việt Nam

Ths. Đinh Văn Tâm

Viện Luyện kim đen

1. Mở đầu

    Ferro là hợp kim của một hay nhiều nguyên tố kim loại hoặc phi kim loại với sắt nên gọi là hợp kim sắt. Nó được dùng làm nguyên liệu để khử ôxy và hợp kim hoá  nhằm cải thiện cơ, lý tính và nâng cao chất lượng của vật liệu gang và thép. Từ sản xuất những loại thép thông thường đến những thép hợp kim, thép chuyên dùng, thép đặc biệt đều cần phải sử dụng đến ferro.

    Từ cuối thế kỷ 20 công nghệ sản xuất ferro đã phát triển và có nhiều tiến bộ, sản xuất ngày càng hiệu quả hơn. Quá trình sản xuất ferro đã theo lưu trình khép kín, ứng dụng lò thổi, lò điện một chiều, lò plasma, kỹ thuật chân không… và tinh luyện nâng cao chất lượng, tạo ra nhiều loại ferro và hợp kim mới, giảm giá thành sản xuất, giải quyết được vấn đề xử lý môi trường luyện kim.

    Ở nước ta sản xuất ferro bắt đầu từ năm 1977 khi ra đời xưởng hợp kim sắt – Công ty CP Gang Thép Thái Nguyên. Sản phẩm chủ yếu là FeMn, FeSi, FeCr với hàm lượng các bon cao. Tuy nhiên quy mô công suất nhỏ lò điện lớn nhất là 3500 kVA. Ngoài ra cũng có một số đơn vị khác như Nhà máy hợp kim sắt Nhà Bè, Công ty TNHH Vạn Lợi… cũng đã sản xuất nhưng sản lượng thấp, quy mô nhỏ.

   Sản xuất ferro mangan ở Việt Nam đến nay cũng chỉ sản xuất được ferro mangan các bon cao và chủ yếu từ quặng mangan Cao Bằng có hàm lượng mangan > 40 % và hàm lượng Fe < 7%. 

   Quặng mangan ở nước ta có ở nhiều nơi như Cao Bằng, Tuyên Quang, Hà Giang, Nghệ An, Quảng Bình. Nhưng khai thác đưa vào sản xuất ferro mangan thì đến nay chủ yếu là sử dụng quặng mangan Cao Bằng, còn quặng mangan ở các địa phương khác được sử dụng rất ít. Quặng mangan Hà Giang có đặc điểm nằm trải rộng các huyện Quản Bạ, Vị Xuyên, Bắc Quang và có hàm lượng mangan thấp từ 15 – 38%, hàm lượng sắt cao từ 7 – 15 % , tỷ lệ Mn/Fe thấp do đó hiện nay chưa có nơi nào sử dụng để sản xuất ferro mangan. Trừ một số điểm quặng có hàm lượng mangan cao nhưng rất ít. Việc nghiên cứu sử dụng quặng mangan Hà Giang để sản xuất ferro mangan có ý nghĩa rất lớn vì có thể tận dụng được một lượng lớn quặng mangan và sản xuất ferro mangan mang lại lợi ích lớn từ nguồn tài nguyên của đất nước góp phần thúc đẩy công nghiệp sản xuất ferro cũng như sản xuất thép của Việt Nam.

2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm

2.1 Báo cáo tổng quan các công nghệ sản xuất ferro mangan

   Ferro là hợp kim giữa sắt với các nguyên tố hợp kim như Si, Mn, Cr… để tạo thành ferrosilic (FeSi), ferro mangan (FeMn), ferrocrom (FeCr). Mỗi loại ferro lại có nhiều mác như FeMn có: FeMn các bon cao, FeMn các bon trung bình, FeMn các bon thấp.

   Ferro sử dụng trong luyện thép chủ yếu để khử ô xy và hợp kim hoá. Quá trình ô xy hoá trong luyện thép phải cung cấp oxy để khử bỏ tạp chất có trong liệu kim loại. Khi nhiệm vụ khử tạp chất hoàn thành thì phải khử oxy dư thừa trong nước thép để có được thỏi thép đạt yêu cầu, đảm bảo chất lượng của vật liệu thép. Chất khử oxy thường dùng trong luyện thép là FeSi, FeMn, SiMn, Al…

2.2 Các phương pháp sản xuất ferro mangan

   Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp sản xuất ferro nói chung và ferro mangan nói riêng. Tuỳ thuộc vào đặc điểm nguyên nhiên vật liệu ở mỗi nơi và nhu cầu chủng loại ferro mà người ta có phương pháp sản xuất ferro phù hợp, nhưng nói chung căn cứ theo thiết bị mà có thể có các phương pháp sản xuất ferro mangan chủ yếu như sau: Phương pháp lò cao, lò điện, ngoài lò, lò thổi.

2.2.1 Phương pháp lò cao

   Lò cao cũng là một thiết bị quan trọng dùng để sản xuất ferro. Phương pháp sản xuất ferro trong lò cao giống như sản xuất gang trong lò cao. Hiện nay phương pháp lò cao chủ yếu sản xuất FeMn các bon (chỉ FeMn chứa các bon cao). Nguyên liệu sản xuất FeMn các bon trong lò cao là quặng mangan, than cốc và chất trợ dung, cùng với thổi không khí hoặc không khí giầu oxy để đốt nhiên liệu. Chất liệu từ đỉnh lò, thổi không khí nóng từ mắt gió phía dưới đốt cháy than cốc tạo ra khí hoàn nguyên nhiệt độ cao hoàn nguyên quặng. Kim loại và xỉ nóng tích tụ ở đáy, định kỳ tháo ra ferro và xỉ ra theo 2 lỗ riêng nhau. Sản xuất theo quá trình liên tục liệu chất phía trên, sản phẩm và xỉ ra phía dưới.

   Phương pháp lò cao cho sản lượng cao, giá thành hạ nhưng vì nhiệt độ lò không cao nên ô xit mangan khó hoàn nguyên không thể hoàn nguyên triệt để do đó sản xuất ferro mangan chất lượng cao, các bon trung bình và các bon thấp không thể sản xuất bằng lò cao.

2.2.2 Phương pháp lò điện

   Phương pháp sản xuất lò điện là phương pháp sản xuất ferro chủ yếu hiện nay, chiếm trên 70% sản lượng ferro. Lò điện bao gồm lò điện hoàn nguyên (lò hồ quang phủ kín dưới lớp liệu) và lò điện tinh luyện (lò điện hồ quang hở).

   Nghiên cứu sản xuất ferro mangan cac bon cao từ quặng mangan Hà Giang  bằng phương pháp lò điện

   Trong lò điện hoàn nguyên để luyện FeMn cac bon có 3 phương pháp: Có trợ dung, không trợ dung và ít trợ dung.

   Phương pháp có trợ dung: Dùng xỉ kiềm, ngoài sử dụng nguyên liệu là quặng Mn, than cốc ra còn có dùng thêm một lượng vôi (chất trợ dung) nhất định, ở đây lượng chất hoàn nguyên (than cốc) phải đủ để giảm hàm lượng Mn trong xỉ. Phương pháp này phù hợp với nguyên liệu cả quặng giầu và quặng nghèo.

   Phương pháp không trợ dung: Dùng xỉ a xít, trong liệu lò không cho vôi và chất hoàn nguyên. Phương pháp sản xuất này không chỉ thu được FeMnC mà còn cả xỉ giầu Mn thấp P để làm nguyên liệu cho sản xuất hợp kim SiMn và FeMn chứa các bon thấp và trung bình. Phương pháp này đòi hỏi phải có quặng Mn chất lượng cao.

   Phương pháp xỉ a xít ít trợ dung: Là phương pháp kết hợp giữa hai phương pháp trên. Trong liệu lò phối liệu thêm một lượng vôi hoặc đôlomít thích hợp, khống chế độ kiềm khoảng 0,6 – 0,8 để có thể nâng cao suất thu hồi Mn ở mức thoả đáng nào đó, đồng thời thu được xỉ có hàm lượng Mn 25 – 30% và CaO thích hợp. Xỉ này làm nguyên liệu để sản xuất hợp kim SiMn có thể tiết kiệm được vôi, cải thiện được tính thấu khí của liệu lò.   

2.2.3 Phương pháp lò thổi ô xy

   Phương pháp sản xuất ferro bằng lò thổi ô xy có nhiều ưu điểm: Vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, sản lượng cao, tiêu hao ít điện. Phương pháp này được sử dụng để sản xuất ferro mangan các bon trung bình. Dựa vào phương thức thổi ô xy có thổi sườn, thổi đỉnh, thổi đáy và thổi phức hợp. Xu hướng dùng thổi phức hợp (thổi đỉnh, đáy) đang được nhiều nước chú ý phát triển.

   Nguyên liệu là ferro mangan, oxy, chất làm nguội, chất tạo xỉ. Nạp ferro lỏng vào trong lò, dùng vòi phun khí ô xy ở áp lực cao tiến hành thổi luyện. Dựa vào nhiệt hoá học của phản ứng khử các bon. Quá trình luyện giống như luyện thép lò thổi và sản xuất từng mẻ một.

2.3 Quặng Mangan ở Việt Nam

   Quặng mangan ở nước ta được phát hiện và khai thác từ những năm trước cách mạng. Các vùng quặng mangan đã biết ở Việt Nam gồm Hà Giang, Cao Bằng, Tuyên Quang, Bắc Cạn, Thanh Hoá, Nghệ An, Quảng Bình.

   Theo thành phần nguyên tố chính Mn và Fe trong quặng phân biệt 2 loại quặng: Quặng mangan và sắt mangan. Quặng mangan có hàm lượng Mn không thấp hơn 8 – 10% (chưa tuyển) và 30 – 35 % sau tuyển, tỷ lệ Mn/Fe không nhỏ hơn 6 – 2 (quặng chưa tuyển) và 6 – 7 (không cần tuyển) thường được sử dụng để sản xuất ferro mangan và thép mangan. Ở Việt Nam quặng mangan có ở Cao Bằng, Hà Giang, Tuyên Quang.

   Tuyển quặng Mn ở các điểm mỏ nói chung đều được tuyển theo quy trình sau: Quặng Mangan được máy gầu xúc khai thác ở mỏ có kích thước đến 200 mm sau đó được đập đến 50 mm và đưa vào máy nghiền hàm nghiền đến nhỏ hơn 20 mm. Sau đó quặng được đưa vào máy nghiền búa nghiền đến nhỏ hơn 8 mm sau đó được rửa, tuyển trọng lực được tinh quặng có kích thước từ 1 – 8 mm, có hàm lượng Mn ≥ 30 %. Sau khi tuyển quặng mangan Hà Giang có thành phần như sau: Hàm lượng Fe: 10 – 14%; Mn: 33 – 39%; FeO: 0,9 – 1%; SiO₂: 12 – 14%; CaO: 0,8 – 0,9%; MgO: 1,9 – 2,0%; P ≤ 0,0014 %; S: 0.28 – 0,38%.

3. Kết quả đạt được

3.1 Nguyên liệu

   Nguyên liệu sản xuất FeMnC theo phương pháp có trợ dung là quặng Mn, chất hoàn nguyên (than cốc) và trợ dung (vôi). Sử dụng quặng giầu hàm lượng Mn cao, Al₂O₃ và SiO₂ thấp để giảm lượng xỉ, tiêu hao điện và nâng cao năng suất cũng như suất thu hồi Mn.

   Căn cứ vào luyện loại mác ferro mà yêu cầu hàm lượng Mn, Fe, P khác nhau như sau: Mn ≥ 34% ; Mn/Fe ≥ 6,3; P/Mn ≤ 0,002.

3.2 Công nghệ luyện

   Luyện FeMnC có thể trong các lò điện hoàn nguyên lớn, nhỏ, trung bình theo phương pháp liên tục, lớp áo lò xây bằng gạch các bon. Liệu lò được cân đong tự động theo đúng phối liệu: Than, quặng, vôi rồi từng mẻ một nạp vào lò qua phễu và ống nạp. Lò kín thì ống liệu phải luôn đầy ắp liệu.

   Trong quá trình luyện khống chế độ kiềm của xỉ CaO/SiO₂ = 1,2 ~ 1,5 thì suất thu hồi Mn cao, thao tác thuận lợi. Vì vậy trong quá trình sản xuất cần định kỳ phân tích độ kiềm, ngoài ra thường xuyên theo dõi dự đoán độ kiềm để bổ sung điều chỉnh phối liệu.

   Căn cứ vào hàm lượng Si trong ferro mà quyết định lượng nạp chất hoàn nguyên và độ kiềm của xỉ. Si cao, độ kiềm thấp nên cho thêm vôi và đồng thời điều chỉnh phối liệu vôi. Nếu chất hoàn nguyên quá nhiều nên giảm than cốc ngay trong lần nạp liệu tới. Nói chung hàm lượng Si trong ferro càng cao hàm lượng Mn trong xỉ càng thấp. Trong điều kiện đảm bảo Si phù hợp yêu cầu sản phẩm, để tăng thu hồi Mn thường khống chế hàm lượng Si trong ferro 1,5 – 2,5%.

   Căn cứ vào dung lượng lò lớn nhỏ mà quyết định số lần ra ferro mỗi ca ra 2 – 4 lần. tháo ferro thường xỉ và ferro cùng chẩy ra. Sau đó phần lớn xỉ tràn qua miệng chẩy vào thùng chứa xỉ.

   Luyện bằng phương pháp có trợ dung, luyện 1 tấn FeMnC (76% Mn) tiêu hao điện  3000 – 3500 kWh/t thu hồi 68 – 75 % Mn. Chi phí cho giá thành sản xuất thì nguyên liệu là một hạng mục chủ yếu chiếm tới 65 – 70% cho nên luôn chú ý giảm tổn thất Mn là điều quan trọng để giảm giá thành.

3.3 Sản xuất thử nghiệm ferro mangan các bon cao từ quặng Mn Hà Giang

   Do quặng Mn Hà Giang ở điểm mỏ Đồng Tâm sau khi tuyển có hàm lượng Mn thấp 30 – 35%, hàm lượng Fe và P cao do đó trong quá trình luyện cần tính toán độ kiềm và chế độ của xỉ thích hợp để tỷ lệ thu hồi được mangan cao và đảm bảo thành phần P trong sản phẩm theo yêu cầu. Nguyên liệu sử dụng để luyện Ferro mangan các bon cao gồm quặng mangan Hà Giang, than cốc, vôi.

   Trong phạm vi nghiên cứu này cũng nghiên cứu sản xuất thử ferro mangan các bon cao bằng phương pháp có trợ dung trong lò điện hoàn nguyên công suất 75 KVA, điện cực grafit đường kính 100 mm.

Bảng 1: Kết quả ferro mangan của các mẻ thí nghiệm.

TT	Mẻ	Thành phần hoá học (%)
		TMn	Si	C	P	S
1	FeMn 1	40,45	0,18	4,96	0,50
2	FeMn 2	61,44	0,25	5,69	0,34	0,029
3	FeMn 3	66,00	0,26	6,94	0,31	0,026

   Từ kết quả luyện ferro mangan trong bảng 1 trên ta thấy quặng mangan Hà Giang với hàm lượng Mangan thấp, Fe và P cao nhưng ta có thể luyện được ferro mangan các bon cao đạt tiêu chuẩn cho phép ở mẻ luyện thứ 3.

   Phân tích về thành phần của fero mangan và xỉ luyện của 3 mẻ luyện ta thấy về thời gian hoàn nguyên mẻ luyện từ 2h30’ đến 3 giờ. Tuy nhiên mức độ hoàn nguyên ô xít Mn của quặng phụ thuộc rất nhiều vào chế độ xỉ và đặc biệt là thành phần của CaO và SiO₂ trong xỉ hay độ kiềm của xỉ. Trong mẻ luyện thứ 3 độ kiềm của xỉ là 1,3 thì Mn trong xỉ còn lại là thấp nhất và Mn trong sản phẩm ferro đạt cao nhất 66% Mn. Trong mẻ luyện thông thường luyện FeMnC có trợ dung nên khống chế độ kiềm của xỉ (CaO/SiO₂) trong khoảng 1,2 – 1,5 là tốt nhất và xỉ thường có thành phần như sau: SiO₂ = 25 – 32%, Al₂O₃ = 8 – 13%, CaO = 35 – 43 %, MgO = 3 – 5%. 

   Hàm lượng P trong ferro phụ thuộc vào hàm lượng P trong quặng đưa vào và phù thuộc vào thời gian luyện trong lò. Như kết qủa phân tích ở bảng 1 ta thấy khi thời gian luyện tăng lên thì hàm lượng P trong ferro cũng giảm đi. Tuy nhiên cần phải xác định thời gian tối ưu của mẻ luyện để tránh tiêu hao nhiều năng lượng điện.

4. Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy, có thể luyện được ferromangan các bon cao đạt tiêu chuẩn từ quặng mangan Hà Giang thuộc loại nghèo, có hàm lượng mangan thấp, hàm lượng Fe và P cao.

5. Tài liệu tham khảo

[1]. B.п.Eлютин, Ю.A.Пaвлов, Б.E.Лeвив, E.M.Aлексеев, Proизвoдcтвo фeррocплaвов – 1963;

[2]. Báo cáo tài nguyên khoáng sản quặng mangan Hà Giang, Sử Công Thương Hà Giang, 2008;

[3]. PGS, TS. Ngô Trí Phúc, PGS. TS. Nguyễn Sơn Lâm: Công nghệ sản xuất Ferro (Hợp kim sắt), Trường đại học Bách khoa Hà Nội 50 năm xây dựng và phát triển, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – 2006;

[4]. TS. Nguyễn Văn Chiến, KS. Tạ Quang Hồng, KS. Đinh Bá Nấu, KS. Đặng Lại Hà: Báo cáo cơ sở tài nguyên khoáng sản đất và các nguyên liệu phục vụ ngành gang thép Việt Nam, 3/2009, Hội thảo tư vấn phát triển công nghiệp gang thép Việt Nam;

[5]. P.D. Decley, K.J.A Kundig et al. Ferroalloys and Alloying aditives Handbook, seil alloy corporation, New Jersey 1981;

[6]. Tiêu chuẩn quốc tế về ferro, Viện nghiên cứu tiêu chuẩn, Bộ Công nghiệp Luyện kim Trung Quốc, 1998;

[7]. Châu Tiến Hoa: Kỹ thuật sản xuất ferro, Nhà xuất bản Trung Quốc, 1991;

[8]. Nause W. The production of manganese alloy by sintering process;

[9]. ГACИK Mиxaил Ивaнвич МАРГАНЕЦ, Москва “Mеталлургия”, 1992;

[10]. Một số tạp chí chuyên ngành nước ngoài./.