Công nghệ khai thác và tuyển quặng Titan

CÔNG NGHỆ KHAI THÁC TUYỂN QUẶNG TITAN THẾ GIỚI VÀ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

KS. Lê Mạnh Cường

CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ MỎ VIỆT NAM.

Việt Nam là một trong những nước đứng đầu thế giới về trữ lượng và chất lượng khoáng sản titan.Tuy nhiên, sự "giàu có" ấy vẫn không giúp nền công nghiệp khai khoáng titan “cất cánh” vì công nghệ khai thác và chế biến khoáng sản titan ở nước ta vẫn ở quy mô nhỏ lẻ, đơn giản chưa được đầu tư đồng bộ dẫn đến hiệu quả thấp gây mất mát, lãng phí tài nguyên, ảnh hưởng tới môi trường. Trong bài báo này sẽ giới thiệu những ứng dụng, tình hình khai thác và chế biến quặng titan trên thế giới .Từ đó đưa ra khả năng ứng dụng công nghệ, thiết bị khai thác và tuyển đối với titan trong tầng cát đỏ nước ta.
1. Nhu cầu thị trường.

1.1. Nhu cầu thị trường trong nước (chiếm 20%)

-Ilmenit: Là nguyên liệu được sử dụng trực tiếp để sản xuất que hàn trước đây. Hiện tại nguyên liệu để sản xuất lớp vỏ bọc que hàn điện là ilmênit hoàn nguyên (TiO₂ = 56%; FeO = 7% còn lại là Fe kim loại). Nhu cầu về ilmênit hoàn nguyên ở Việt Nam hiện nay khoảng 12.000 tấn/năm.Từ năm 1990 khách hàng nước ngoài đó bắt đầu mua tinh quặng của Việt Nam và cũng từ đó nhu cầu sản xuất và tiêu thụ ngày càng cao. Hiện trong nước đã các dây chuyền sản xuất ilmenit hoàn nguyên quy mô vừa, đủ khả năng cung cấp cho nhu cầu nội địa và xuất khẩu.

Sản xuất titan bọt (titanium sponge): tetraclorua titan là nguyên liệu để sản xuất bọt titan bằng công nghệ nhiệt magnhê. Giá bọt titan 5200 - 6500 USD/tấn. Có rất ít cường quốc sản xuất bọt titan trên thế giới, cụ thể như sau: Nga 26.000 T/n, Nhật 25.000 T/n, Kazstan 22.000 T/n, Mỹ 21.500 T/n, TQ 7.000 T/n, Ucraina 6.000 T/n.

Vài năm gần đây, do nhu cầu của nước ngoài nờn việc sản xuất và tiờu thụ sản phẩm tinh quặng ilmenit tăng lên nhanh chóng,tiờu thụ ở nước ngoài với tổng giỏ trị xuất khẩu lờn tới 40 triệu USD. Việc tiếp tục đầu tư từng bước chế biến tinh hơn các sản phẩm như ilmenit, zircon, rutil và monzite có độ sạch cao hơn, chế biến sâu hơn các sản phẩm cú giỏ trị cao từ ilmenit, zircon... nhằm tiếp tục nõng cao giỏ trị của chỳng lờn gấp nhiều lần chớnh là mục tiờu sắp tới của ngành cụng nghiệp titan VN.

- Rutin: cũng được dùng để sản xuất que hàn cao cấp với nhu cầu là 400 T/năm.

- Oxit titan dạng bột: Dùng cho bột mầu, công nghiệp sơn, cao su, men siliccat cũng có nhu cầu từ 2.000-3.000 tấn/năm. Việc sản xuất oxit titan dạng bột trong nước chưa làm được hiện vẫn phải nhập ngoại.

- Zircon:Được sử dụng trong nước để làm men silicat với số lượng khoảng 1.000 tấn/năm. Phần lớn do nhu cầu về độ sạch và độ mịn của nguyên liệu vẫn phải nhập ngoại.

- Monazit:Được xuất khẩu 100%.

1.2. Thị trường thế giới (chiếm 80%)

*Ilmenit, zircon, rutin và monazit:

Các nguyên liệu trên trong lúc nhu cầu trong nước quá nhỏ thì nhu cầu xuất khẩu lại rất lớn:

Thị trường tiêu thụ ilmenit trong những năm gần đây đã tăng lên nhanh chóng.

           - Nhật Bản :                550.000 tấn/năm.

- Nam Triều Tiên :       100.000 tấn/năm.

            - Trung Quốc:             500.000 tấn/năm.

           - Mỹ :                          500.000 tấn/năm.

* Ilmenit hoàn nguyên:

Trên thế giới (SNG, Trung Quốc, Úc...) rutin tự nhiên được sử dụng trực tiếp để chế tạo vật liệu bọc que hàn điện, còn ilmenit thì không dùng trực tiếp được vì hàm lượng TiO_2­ thấp và hàm lượng oxit sắt cao cho nên thường phải qua khâu làm giầu. 

2. Giới thiệu về titan và quặng titan

Titan là kim loại màu nhẹ màu trắng bạc, chiếm khoảng 0,63% khối lượng trong vỏ trái đất. Titan được dùng trong các hợp kim cứng và nhẹ (đặc biệt là với sắt và nhôm). Một trong những tính chất quan trọng nhất của titan là nó cứng như thép nhưng chỉ nặng bằng 60 % thép.
 Titan cứng, bề mặt bóng láng, chống ăn mòn tốt, kể cả với axít, kiềm, khí clo và với các dung dịch muối và nước biển. Ở trạng thái tinh khiết, nó có thể được kéo sợi dễ dàng, dễ gia công. Nhiệt độ nóng chảy của titan tương đối cao 1668^oC nên nó được dùng làm kim loại chịu nhiệt. Khoảng 95% lượng titan được dùng ở dạngtitan đioxit (TiO₂). Pigment titan được dùng trong bột màu, sơn cao cấp, gốm sứ, chất độn trong cao su chịu mài mòn, trong các loại giấy cao cấp… Các khoáng sản titan là nguyên liệu không thể thiếu trong các ngành công nghiệp như thuốc bọc que hàn cao cấp, nguyên liệu sản xuất rutil nhân tạo, xỉ titan, hàng không, quốc phòng, công nghiệp luyện kim, hoá chất, chất xúc tác, plastic, gốm sứ, mực in, v.v…
Trong tự nhiên các khoáng vật có giá trị công nghiệp chủ yếu là ilmenit (FeTiO₃), rutil (TiO₂), leucoxen (Ti,Nb,Fe)O₂, perovoskit (CaTiO₃) và sphen (CaTiSiO₅). Các khoáng vật chứa titan chủ yếu có giá trị công nghiệp được thể hiện ở bảng 1.

          Bảng 1. Đặc điểm của các khoáng vật titan có giá trị công nghiệp

 Tùy theo nguồn gốc thành tạo trong các tụ khoáng titan còn có các khoáng vật cộng sinh và nguyên tố quý hiếm phân tán, số liệu cho ở bảng 2.
Trong đó zircon là khoáng vật quan trọng. Tại các nước công nghiệp phát triển zircon được sử dụng làm vật liệu chịu lửa cao cấp (gạch Bakor, Cordezit), các loại gốm bền hóa học và bền nhiệt, siêu cứng, chịu mài mòn và cách điện. Zircon còn được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ, chế tạo vật liệu vỏ bọc các thanh nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân.
Monazit và xenotim được chế biến để thu hồi các sản phẩm đất hiếm, thori và uran riêng rẽ.
Khi luyện xỉ titan từ quặng ilmenit, ngoài xỉ titan và gang hợp kim còn thu được xỉ giàu vanadi, titan và niobi là nguồn nguyên liệu chính để chế biến và thu hồi các kim loại hiếm và phân tán này.

          Bảng 2. Các khoáng vật chính và nguyên tố phân tán trong quặng titan

3. Công nghệ thiết bị khai thác - tuyển sa khoáng titan-zircon trên thế giới
Nhìn chung, các dự án khai thác - tuyển quặng titan trên thế giới được thực hiện ở các mỏ có quy mô năng suất lớn (hàng triệu tấn quặng nguyên khai mỗi năm) nên được cơ giới hóa ở mức độ cao. Hàm lượng quặng đưa vào tuyển thường từ 0.5 ÷7 % KVN và trữ lượng mỗi mỏ từ hàng triệu đến nhiều chục triệu tấn khoáng vật nặng.

Các cơ sở khai thác trên thế giới thường áp dụng khai thác và tuyển titan theo một trong trong số các phương pháp sau.

3.1. Phương pháp khai thác sử dụng tầu hút cát kết hợp với tầu đặt thiết bị tuyển thô::

Phương pháp này thường ứng dụng tại các mỏ có hàm lượng KVN từ 0.5 – 1% và diện tích khai thác < 100 ha.

Các cụm thiết bị dùng để tuyển thô quặng titan sa khoáng thường là vít xoắn. Các dây chuyền tuyển thường được thiết lập lắp ghép từ các modun (cụm) thiết bị đã được thiết kế chế tạo hàng loạt cho từng mục đích cụ thể

+ Cho tuyển quặng có hàm lượng thấp <0.5% KVN

+ Cho tuyển quặng có hàm lượng 0.5 – 1%

+ Cho tuyển quặng có hàm lượng >1 %

Các mỏ quặng trên thế giới có xu hướng xây dựng các xưởng tuyển thô có quy mô không quá lớn, có tính cơ động, có thể định kỳ di chuyển theo khai trường để giảm chi phí vận tải.
Hàng năm trên thế giới sản xuất khoảng 5,1 - 5,6 triệu tấn ilmenit; 491.000 - 608.000 tấn rutil. Quặng titan trên thế giới chủ yếu khai thác ở các nước: Australia, Nam Phi, Canada, Trung Quốc, Na Uy, Ấn Độ, Mỹ
Hình 1  là mô hình khai thác điển hình cho khai thác ướt quặng titan zircon sa khoáng, phù hợp với khai thác quy mô lớn, cho mỏ lớn như quặng titan trong cát đỏ.
Hình 2 là công nghệ khai thác bằng sức nước, dùng súng bắn nước phun thẳng vào thân quặng, đánh sập cát quặng bề mặt, sau đó dùng tàu cuốc múc cát cấp vào cụm tuyển phía sau cùng trong hồ khai thác. Công nghệ khai thác (RBM tại Rechart bay) phổ biến trên thế giới với quặng titan sa khoáng biển.

Bảng 3. Mô hình khai thác - tuyển và quy mô sản xuất của một số mỏ trên thế giới.

Hình 3. Khai thác khô với sự hỗ trợ của máy cạp gạt (phía trái) và bóc đất mặt bằng máy xúc và ôtô (phải) tại mỏ Douglas ở Victoria (nguồn: Iluka)
Moma là nhà máy ở Đông Nam Mozambic của tập đoàn Kenmare Resoures PLC, Iland, có công nghệ khai thác là tàu cuốc cùng với tuyển thô (WCP) và tuyển tinh khô (MSP), với sản lượng khai thác cát 800.000t/n, gắn với cơ sở hạ tầng là cảng. Khai thác gồm 2 tầu hút trên phao, mỗi tầu 2500t/h đồng bộ xưởng tuyển thô cũng đặt trên phao. Quặng qua sàng quay để loại bỏ cỡ hạt lớn, khử bùn bằng xyclon tại nhà máy tuyển ướt (thô), sau đó tuyển 2 lần bằng vít xoắn 3000t/h

Hình 4. Hai hình ảnh khác về khai thác ướt bằng tàu cuốc cùng với nhà máy tuyển ướt nổi theo sau (thường 2 tàu cuốc cho 1 nhà máy tuyển ướt).

Hình 5. Một số hình ảnh về khai thác chế biến quặng titan quy mô lớn và trung bình trên thế giới
Quặng tinh thô được khử nước và đánh đống chứa ở bãi cạnh nhà máy tuyển tinh khô. Từ xưởng tuyển thô đến tuyển tinh khô vận tải bằng 2000m đường ống. Sản phẩm của nhà máy là của : 615.000t ilmenit; 15.000t Rutil 60.000t Zircon mỗi năm.
Nhà máy tuyển tinh khô gồm có máy sấy lớp sôi 120t/h; trong chu trình ilmenit có máy tuyển từ tang trống và máy tuyển tĩnh điện dạng tấm; còn chu trình ướt cho sản phẩm không từ và chu trình rutil có máy lọc, máy sấy, máy tuyển từ; Chu trình tuyển ướt và khô cho zircon; chu trình khuấy trộn xử lý zircon bằng  axit nóng.
Một số sơ đồ công nghệ tuyển rất phù hợp với quặng titan trong tầng cát đỏ Việt Nam cho ở hình 6 và 7.

Hình 6 . Sơ đồ tuyển quặng titan với quặng chứa sét và hạt thô có sử dụng chà xát, thu 

Hình 7. Dây chuyền tuyển thô bằng vít tuyển kết hợp tuyển trọng lực bằng Floatex, có chà xát, và xyclon khử nước sản phẩm.

4. Công nghệ thiết bị khai thác - tuyển sa khoáng titan-zircon tại Việt Nam.

* Công nghệ khai thác titan trong tầng cát đỏ tại Hòa Thắng – Bình Thuận.

Do tính chất khu vực từng cát đỏ hàm lượng sét khá cao, trước nay Việt Nam toàn sử dụng công nghệ khai thác và sử dụng Vít Xoắn của Trung Quốc để khai thác tại khu vực này, nhưng hiệu quả không cao, sử dụng khá nhiều nước và thất thoát KVN.

Hiện nay tại khu vực này, các công ty mỏ đã đưa công nghệ và thiết bị Vít Xoắn Mặt Gân (thiết bị do Công ty TNHH Thiết Bị Mỏ Việt Nam sản xuất) vào khai thác, hiệu quả của vít mặt gân vượt trội hơn rất nhiều so với vít mặt trơn (tang khả năng thu hồi KVN, giảm lượng nước tiêu hao trong quá trình tuyển

Công nghệ khai thác Titan trong tầng cát mịn tại Quảng Bình.

Tại khu vực có tầng cát mịn thì sơ đồ công nghệ tuyển tách và khai thác titan ở đây dung 2 loại vít có tốc độ khác nhau để tuyển tách titan.

+ Cụm tuyển thô: Sử dụng Vít Xoắn VNS-04, Vít Xoắn dạng mặt trơn có tốc độ hơi nhanh. Nhằm mục đích nâng cao năng suất khai thác,

+ Cụm tuyển lại: Sử dụng VÍt Xoắn VNS-05, Vít Xoắn dạng mặt gân có tốc độ trung bình.

+ Cụm tuyển tinh: Sử dụng Vít Xoắn VNS-06, Vít xoắn dạng mặt gân cong có tốc độ chậm

Thường ở khu vực này các đơn vị thường sử dụng sơ đồ tuyển 10 VÍt Xoắn VNS-04 và 5 Vít Xoắn VNS-05 hoặc đi theo sơ đồ 12 Vít Xoắn VNS-04 tuyển thô, 6 Vít Xoắn VNS-05 tuyển lại, 2 Vít Xoắn VNS-06 tuyển tinh.

  * Công nghệ khai thác Vàng tại Quảng Nam.

Tại khu vực các mỏ Vàng, Vít Xoắn được sử dụng để tuyển vét lại sái Vàng. Do sái Vàng trước khi cấp lên Vít Xoắn đã được qua nghiền đến cở hạt 0.3 – 0.75 mm nên sử dụng loại vít thông thường rất khó tuyển.

Ở đây Công ty TNHH Thiết Bị Mỏ Việt Nam đã ứng dụng công nghệ tuyển Titan vào tuyển Vàng. Vít Xoắn dung tại các mỏ Vàng được thiết kế với thông số phù hợp

5. Công nghệ tuyển tách Zircon, Rutin ở nhà máy Việt Nam.

 + Sơ đồ công nghệ tuyển ướt

+ Sơ đồ công nghệ tuyển khô:

TÀI LIỆU THAM KHẢO:
 
1.   Bộ Tài nguyên và Môi trường. Văn bản số 2009/BTNMT-ĐCKS V/v điều tra, thăm dò, quản lý hoạt động khai thác quặng titan. 04/6/2008.
2.      Quy hoạch thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng quặng titan giai đoạn 2007 - 2015, định hướng đến năm 2025 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 104/2007/QĐ-TTg, ngày 13 tháng 7 năm 2007.
3.        Hiệp hội titan Việt Nam. Tuyển tập các báo cáo, tham luận. Hội nghị thường niên Hiệp hội titan Việt Nam năm 2012, 2013, 2014.
4.        Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim. Báo cáo xây dựng mô hình ngăn ngừa, giảm thiêu ô nhiễm và hoàn thổ phục hồi môi trường trong khai thác - chế biến sa khoáng biển. 2009.
5.        Đào Công Vũ (Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim). Báo cáo Tổng kết đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình khai thác - tuyển thô di động titan sa khoáng ven biển”. 2009.
6.        Đào Công Vũ (Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim). Đánh giá hiện trạng và đề xuất mô hình khai thác - tuyển thô quặng titan sa khoáng ở Việt Nam. Tuyển tập Hội thảo Quốc tế về Địa chất và Tài nguyên Khoáng sản ASEAN lần thứ nhất (GeoASEAN 1). 5/2013.
7.        Đinh Bá Nấu (Viện KH&CN Mỏ Luyện kim). Định hướng qui hoạch phát triển công nghiệp titan Việt Nam đến năm 2020, xét đến 2030. Tuyển tập Hội thảo khoa học “Tư vấn phát triển ngành công nghiệp titan”. 3/2011.