Sử dụng XRF và XRD trong Phân tích quặng sắt

Máy phân tích huỳnh quang tia X (pXRF) và nhiễu xạ tia X (pXRD) cầm tay của Olympus đóng vai trò quan trọng trong việc thăm dò và khai thác quặng sắt trong các mỏ. Các ứng dụng như máy phân tích XRF cầm tay Vanta™ có thể đo chính xác toàn dải nồng độ sắt (Fe) trong các mẫu có nhiều tạp chất khác nhau trong khi máy phân tích XRD di động BTX™ III và TERRA™ II có thể xác định và định lượng các pha sắt khác nhau thấp nhất từ 1% tính theo trọng lượng.

Gần 2,5 tỷ tấn quặng sắt đã được khai thác vào năm 2020, khiến quặng sắt trở thành trung tâm của nền kinh tế thế giới. ¹ Trên thực tế, các đơn vị khái thác đã tuyên bố rằng quặng sắt “không thể thiếu đối với nền kinh tế toàn cầu nhiều hơn bất kỳ loại hàng hóa nào khác, có lẽ ngoại trừ dầu mỏ”. ² Máy phân tích Vanta pXRF có thể định lượng nồng độ sắt trong quặng và các mỏ tại hiện trường. Phân tích này có thể được thực hiện trong 30 giây hoặc ít hơn mà không cần thực hiện phân tích gián tiếp, như thông qua các nguyên tố dẫn đường hoặc chuẩn bị mẫu phức tạp. Tương tự, các thiết bị pXRD của Olympus có thể định lượng nhiều loại khoáng chất sắt khác nhau trong quặng với hàm lượng xuống tới 1% ngay tại hiện trường.

Mỏ quặng sắt là gì?

Quặng sắt thường nằm sâu dưới lòng đất, chúng bao gồm các loại đất đá chứa khoáng chất như kim loại hoặc đá quý, được khai thác trực tiếp từ các hầm mỏ khoáng sản. Từ những gì thu được, người ta có thể tách sắt ra khỏi đá và khoáng vật bằng phương pháp đặc thù. 

Có hai loại quặng sắt phổ biến nhất là quặng sắt Hematite, có công thức hoá học là Fe3O4 với hàm lượng sắt rất cao tới hơn 70%. Thứ 2 là quặng sắt quặng sắt Magnetite có công thức hoá học là Fe2O3 với hàm lượng sắt thấp hơn Hematite. Ngoài ra còn có các loại khác như Limonite, Goethite và Siderite. 

Các mỏ quặng sắt có thể được tìm thấy trên toàn cầu. Úc, Brazil, Trung Quốc và Ấn Độ là bốn nhà sản xuất quặng sắt lớn nhất thế giới, chịu trách nhiệm cho gần 80% sản lượng quặng sắt có thể sử dụng được trên toàn thế giới. ¹ Một số mỏ lớn nhất thế giới bao gồm Mỏ Carajás ở Brazil, Dự án Zanaga ở Cộng hòa Congo, Mỏ quặng sắt RTZ ở Lưu vực Hamersley ở Úc và Mỏ Sishen ở Nam Phi.

Các mỏ quặng sắt ở Việt Nam trải dài từ miền Bắc đến miền Trung với hơn 300 mỏ và điểm quặng sắt. Tập trung chủ yếu ở các tỉnh là: Thái Nguyên, Cao Bằng, Hà Tĩnh… Tuy nhiều nhưng đa số các mỏ quặng ở nước ta có quy mô nhỏ, nằm sâu dưới lòng đất. Các mỏ có quy mô lớn có thể kể đến Mỏ quặng sắt Thạch Khê thuộc tỉnh Hà Tĩnh có trữ lượng lên tới 550 triệu tấn, Mỏ quặng sắt Quý Sa thuộc tỉnh Lào Cai. Số lượng quặng sắt được khai thác và chế biến ở nước ta đạt từ 300.000 – 450.000 tấn hàng năm

Hiệu suất Vanta™ pXRF với Sắt và các nguyên tố liên quan

Hầu hết quặng sắt rất dễ xác định do sự phong phú tự nhiên của nó (nguyên tố dồi dào thứ tư trên Trái đất) và nồng độ sắt cao (lên đến 75% Fe tính theo trọng lượng). Tuy nhiên, nhiều mỏ chứa các vật liệu và nguyên tố quan trọng về kinh tế khác hỗ trợ hoặc cản trở các bước khai thác hoặc chế biến sản xuất sắt, như trong bảng dưới đây.

Khả năng xác định nồng độ sắt và các nguyên tố quan trọng khác là rất quan trọng để phân tích pXRF hiệu quả. Chỉ trong vài giây, máy phân tích Vanta pXRF có thể cung cấp nồng độ chính xác của các nguyên tố này và các nguyên tố khác với công tác chuẩn bị mẫu tại hiện trường đơn giản. Những kết quả nhanh, chính xác này rất hữu ích để đưa ra quyết định nhanh, giúp loại bỏ thời gian ngừng hoạt động tốn kém—đôi khi lên đến nhiều ngày—liên quan đến việc thăm dò hoặc gửi mẫu đến phòng thí nghiệm ở xa.

Dữ liệu dưới đây minh họa hiệu suất tiêu chuẩn của máy phân tích Vanta pXRF trên nhiều loại vật liệu tham chiếu (CRM) được chứng nhận trong các bộ dụng cụ khác nhau từ OREASOREAS (Ore Research and Exploration Assay Standards) Độ chính xác vượt trội giữa dữ liệu CRM và nồng độ được tính toán từ máy phân tích Vanta pXRF thể hiện khả năng cung cấp dữ liệu tuyệt vời, chất lượng cao về chất lượng quặng sắt. ³

Máy phân tích Vanta™ pXRF đã thể hiện hiệu suất cao đối với các mẫu quặng khác nhau, bao gồm breccia hematitic, các vỉa tạo sắt dạng dải hematitic (BIF hoặc taconite), đất chứa sắt, đất đá ong và skarn từ tính—tất cả các chất nền thường chứa quặng sắt. Các biểu đồ cho thấy máy phân tích Vanta cung cấp kết quả chính xác trên tất cả các chất nền ở nhiều mức nồng độ, như được biểu thị bằng độ dốc và R2 gần bằng 1.

Khoáng hóa quặng sắt

Hầu hết quặng sắt được khai thác ngày nay đến từ các quặng sắt phân bố theo dải (BIF), quặng từ tính, quặng hematit và các mỏ từ tính magma. Những quặng và mỏ này có thể chứa tới 70% sắt tính theo trọng lượng và được tìm thấy trên khắp thế giới. Hầu hết các vật liệu còn lại là silicat và các oxit khác. Phổ biến nhất trong số các oxit sắt này là wüstit (FeO), hematit (Fe₂O₃) và magnetit (Fe₃O₄).

Trong khi tính toán nồng độ nguyên tố, máy phân tích Vanta pXRF cũng có thể tính toán nồng độ khoáng chất và hợp chất theo thời gian thực. Với giao diện dễ sử dụng, người dùng có thể đặt báo cáo nồng độ được tính toán dưới dạng các hợp chất, như được minh họa trong Hình 3 cho tiêu chuẩn tham chiếu BIF. Phần mềm Vanta thực hiện phép tính này chỉ mất vài giây để chuyển đổi giữa báo cáo nguyên tố và hợp chất.

Hình 3. Quét mẫu quặng sắt khi tắt (trái) và bật (phải) chức năng phân tích hợp chất trên máy Vanta

Thăm dò cấp độ sắt và kiểm soát quy trình với Olympus pXRD

Máy phân tích XRD TERRA™ II là sản phẩm kế thừa của thiết bị XRD di động, chạy bằng pin thương mại đầu tiên trên thế giới. Giống như máy phân tích BTX™ III để bàn nhỏ gọn, thiết bị pXRD này có thể xác định và định lượng các pha sắt khác nhau trong một mẫu duy nhất. Các kỹ thuật viên và nhà khoa học có thể sử dụng công cụ này để xác định cấp độ, độ tinh khiết và số lượng của các loại quặng sắt và khoáng chất chứa sắt cụ thể trong thời gian thực tại mỏ hoặc cơ sở chế biến. Máy phân tích pXRD của Olympus có thể xác định tất cả các pha khoáng chất tại hiện trường theo thời gian thực, bất kể thành phần hóa học và góc pha.

Như thể hiện trong biểu đồ nhiễu xạ bên dưới, máy phân tích XRD TERRA II và BTX III có thể nhanh chóng xác định các pha khác nhau trong mẫu quặng sắt. Mẫu tổng hợp này được chuẩn bị để chứng minh khả năng phân biệt và định lượng của thiết bị giữa các pha khác nhau của sắt kim loại và oxit sắt một cách chính xác. Mỗi thành phần của mẫu có thể được xác định và định lượng trong thời gian thực bằng phần mềm định lượng và ID pha tự động SwiftMin® tích hợp hoặc với các gói phần mềm độc lập như XPowder (đi kèm). Các tùy chọn này giúp cho việc định lượng thông tin về pha và khoáng vật học trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn.

Quặng sắt được sử dụng để chứng minh khả năng của máy phân tích pXRD của Olympus trong việc phân biệt các pha chứa sắt khác nhau và các tạp chất trong mẫu. Trong khi pXRF chỉ có thể định lượng tổng nồng độ sắt trong mẫu, pXRD có thể phân biệt giữa các loại khác nhau. Trong ví dụ này, mẫu có sắt kim loại (Fe), cùng với hai dạng oxit sắt, wüstit (FeO) và magnetit (Fe₃O₄). Các vật liệu này cũng có một số tạp chất vôi còn sót lại sau quá trình xử lý, cùng với periclase, oxit magie thường xuất hiện trong tự nhiên với wüstit để tạo thành vật liệu ferropericlase.

Cách xử lý và tinh chế quặng sắt thông dụng có chi phí thấp là thông qua khử trực tiếp (DRI), còn được gọi là sắt xốp. Quá trình khử trực tiếp là một phương pháp xử lý ở trạng thái rắn để khử các oxit sắt khác nhau thành sắt kim loại ở nhiệt độ thấp hơn (dưới 1.200 °F). Do nhiệt độ thấp, thép được sản xuất bằng kỹ thuật này tiết kiệm năng lượng hơn so với các kỹ thuật sản xuất khác.⁴ Việc xác định nồng độ của các pha khác nhau trong quá trình xử lý DRI có thể nâng cao hiệu quả và cắt giảm chi phí sản xuất sắt. Nhiều cơ sở luyện kim sử dụng kỹ thuật hóa ướt, không chính xác trong việc xác định nồng độ pha hoặc sử dụng phòng thí nghiệm bên ngoài, tốn kém và mất thời gian. Máy phân tích BTX™ III và TERRA™ II yêu cầu chuẩn bị mẫu đơn giản và thời gian phân tích nhanh cho thử nghiệm năng suất cao, cho phép ra quyết định theo thời gian thực và kiểm soát chất lượng.

Công nghệ pXRD của Olympus có nhiều ưu điểm, bao gồm:

• Kết quả nhanh chóng: từ chuẩn bị mẫu đến phân tích trong vài phút
• Hầu như không cần bảo trì: hoạt động mà không cần khí nén, nước làm mát, máy làm lạnh thứ cấp hoặc máy biến áp bên ngoài giúp giảm thời gian ngừng hoạt động và chi phí bảo trì.
• Chuẩn bị mẫu dễ dàng: quy trình nghiền đơn giản sử dụng cối và chày có thể được thực hiện bởi người vận hành thuộc mọi cấp độ kinh nghiệm một cách nhanh chóng và không cần thiết bị phức tạp.
• Ngăn chứa mẫu nhỏ: chỉ cần 15mg vật liệu so với kỹ thuật phân tích XRD thông thường.

Tài liệu tham khảo

1. US Geological Survey Orienteering S (Ed.). (2020). Mineral Commodity Summaries, 2020. Government Printing Office.
2. Blas, J. Iron ore pricing emerges from stone age. Financial Times. October 2009.
3. Urbano, E. E. M. C., Costa, J. F. C. L., Graça, L. M., Scholz, R. A. C. (2020). Ore-waste and ore type classification using portable XRF: a case study of an iron mine from the Quadrilátero Ferrífero, Brazil. Geologia USP. Série Científica, 20(2), 3-15.
4. Fruehan, R. J., Fortini, O., Paxton, H. W., Brindle, R. (2000). Theoretical minimum energies to produce steel for selected conditions. Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA (US); Energetics, Inc., Columbia, MD (US).