KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HOÁ HỌC ĐỒ SẮT Ở DI CHỈ LUNG LENG
NGUYỄN ĐÌNH HIỂN
LÊ CẢNH LAM
1.Giới thiệu:
Tổng số đồ sắt thu được ở di chỉ Lung Leng là 639 tiêu bản gồm có: 447 xỉ sắt, 182 quặng sắt (98 quặng sắt thu được trong mộ táng màu nâu đỏ, 84 quặng sắt thu được trong tầng di chỉ màu đen ánh kim), 10 hiện vật sắt (9 dao sắt nhỏ và 1 vòng đeo tay). Tính theo khối lượng thì lượng xỉ sắt thu được 340kg, trọng lượng trung bình 1 dao sắt 50gram.
Chúng tôi đã gửi 13 mẫu gồm có: 1 dao sắt, 4 xỉ sắt, 4 quặng sắt trong mộ, 4 quặng sắt trong tầng cư trú phân tích tại Viện nghiên cứu Địa chất và Khoáng Sản tại Hà Nội bằng phương pháp Vi điện tử dò (EPMA) và được chụp ảnh cấu trúc phóng đại từ 200 đến 500 lần (COMPO).
2. Kết quả:
Quặng sắt màu nâu đỏ: Các quặng này có cấu trúc không đồng nhất có những vùng hầu như chỉ chứa SiO2(99,8%) nhưng lại có vùng chứa hàm lượng sắt cao (93,8%). Kết quả trung bình hàm lượng FeO = 28,8%, SiO2 = 69,09%, Al2O3 = 0,69%, Cr2O3 = 0,83%, K2O = 0,1%, MgO =0,11%, TiO2 = 0,12%, Ag2O = 0,04%, SO3 = 0,04%, In2O3 = 0,05%. Hàm lượng sắt Fe = 22,4%.
Quặng sắt màu đen ánh kim: 92,32% FeO, 0,377% SiO2, 0,37% Al2O3, 0,88% Cr2O3, 0,09% Mg0, 0,02% Ca, 5,03% TiO2, 0,1% V2O3, 0,01% P2O5, 0,19% In2O. Hàm lượng Fe = 72%.
Xỉ sắt: phân ra 2 pha. 1 pha có cấu tạo khung xương có thành phần tương ứng với quặng sắt phát hiện trong di chỉ (94,54 % FeO, 2,29% SiO2, 0,35% Al2O3, 0,02% Na2O, 0,11% MgO, 0,12% CaO, 0,12% TiO2, 0,03% P2O5, 0,25% In2O3). Pha thứ 2 là vùng nền (vùng xỉ đã được hoàn nguyên 1 phần). Vùng nền này có hàm lượng Fe thấp hơn nhiều và hàm lượng SiO2 cao hơn nhiều (64,29 % FeO, 31,33% SiO2, 0,81% Al2O3, 1,07%Cr2O3, 0,18% K2O, 0,06% Na2O, 0,66 % MgO, 1,35% CaO, 0,04% P2O5, 0,17% In2O3). Trên ảnh chụp cấu trúc phóng đại cho thấy diện tích khung xương là rất ít so với vùng nền nên có thể tính gần đúng hàm lượng thành phần hoá học của xỉ sắt theo vùng nền.
Dao sắt: FeO = 99,08%, SiO2 = 0,18%, SO3 = 0,596%, In2O3 = 0,129%.
3. Một số nhận xét
- Chất lượng quặng sắt màu đen ánh kim: Theo chỉ tiêu đánh giá quặng sắt hiện nay:
Quặng giàu sắt:
Hàm lượng Fe > 50%, S < 0,1%.
Hàm lượng cho phép tối đa:
- Sunfua (S), Phốt pho (P) mỗi thứ không quá 0,15%.
- Đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn) mỗi thứ không quá 0,04%.
- SiO2 không quá 10%.
Quặng nghèo sắt:
Quặng nghèo sắt để khoanh ranh giới thân quặng với rìa quặng là Fe = 20%, S < 1%.
Nói chung quặng có hàm lượng Fe < 35% được cho là quặng nghèo sắt.
Đối chiếu các chỉ tiêu này ta thấy quặng sắt của Lung Leng (72 % Fe) không chỉ đạt chỉ tiêu là quặng giàu sắt mà còn là quặng rất giàu sắt.
Tìm hiểu về các chất có ích: măng gan (Mn), coban (Co), niken (Ni), ti tan (Ti), crôm (Cr). Các chất có hại: sun fua (S), phốt pho (P). Ta thấy trong quặng của Lung Leng chất có ích lớn, đặc biệt là hàm lượng Titan (5,03%). Titan làm cho thép có độ dẻo, không ròn. Hàm lượng các chất tăng độ cứng và chống mài mòn là crôm (Cr) lớn: 0,88%. Hàm lượng các chất có hại thấp dưới mức chỉ tiêu (không có sun phua (S), P2O5 chỉ có 0,01%. Độ muối trong quặng có ion clo (Cl-) rất thấp mà ta thấy ở thành phần K2O, Na2O không có trong quặng. Đây cũng là một ưu điểm quặng sắt ở Lung Leng.
- Tính bản địa của quặng sắt:
Trong xỉ sắt có nguyên tố Inrinium tồn tại dưới dạng oxide In2O3 trong pha hệ thống khung xương chiếm 0,25%, trong pha nền chiếm 0,17%. So sánh với quặng sắt phát hiện trong di chỉ chiếm 0,19%, quặng sắt trong mộ chiếm 0,05%, dao sắt chiếm 0,129% ta thấy xỉ sắt, quặng sắt trong di chỉ, quặng sắt trong mộ, dao sắt có cùng một nguồn gốc. Điều này chứng tỏ sắt được luyện tại chỗ. Nguyên tố Inrinium là một nguyên tố vết đặc trưng cho nguồn gốc quặng sắt của Lung Leng, cần được tiếp tục theo dõi nghiên cứu.
- Hiệu suất luyện quặng và tổng sản lượng sắt:
Hiệu suất luyện sắt được tính như sau:
Hàm lượng sắt trong quặng - hàm lượng sắt trong xỉ = 92,32% - 64,29% = 28,03% 28%.
Tổng sản lượng sắt tạo ra = hiệu suất x tổng lượng xỉ sắt = 28% x 340kg = 95,2kg.
Diện tích khai quật là 7500m2/11500m2 (phần không khai quật được do nhân dân đại phương đào vàng). Nếu có thể khai quật toàn bộ thì lượng sắt thu được có thể là 150kg. Với lượng sắt đó có thể tạo được 3000 con dao nhỏ như đã phát hiện được ở đây.
- Vai trò của quặng sắt màu nâu đỏ (hầu hết tìm thấy trong mộ):
Trong phương pháp hoả luyện kim thì có hai chỉ số rất được quan tâm vì rất có ảnh hưởng đến công nghệ luyện kim đó là chất tạo xỉ (SiO2), và chất trợ dung Al2O3, CaO, MgO (ôxít nhôm, ôxít canxi, ôxít ma nhê). Hai chỉ số này được dùng để đánh giá thuộc tính quặng dễ luyện hay khó luyện. Từ đó cần phối liệu thêm chất gì để quá trình luyện được tốt nhất.
Hiện nay trong kỹ thuật luyện sắt của nước ta vẫn dùng có thể 1 quặng giàu sắt nhưng lại thiếu chất tạo xỉ nên được phối liệu với 1 quặng nghèo sắt có hàm lượng silic cao và phối liệu với đá vôi (CaCO3) hoặc đôlômít (MgCO3.CaCO3).
Chỉ tiêu đánh giá chất trợ dung được gọi là B và chỉ tiêu đánh giá chất tạo xỉ được gọi là B đơn, cách tính như sau:
B = (CaO + MgO)/(SiO2 + Al2O).
B đơn = SiO2/Al2O.
Đối với quặng sắt của Lung Leng ta có:
B = (0,02 +0,09)/(0,377 +0,37) = 0,140.
B đơn = 0,377/ 0,37 = 1,018.
Nếu đối chiếu các chỉ tiêu này với quặng sắt loại giàu của mỏ Thạch Khê (Hà Tĩnh) và phương án phối liệu của loại quặng này như sau:
Quặng giàu B B đơn
- Nguyên sinh 0,501 3,793
- Ô xy hoá 0,055 2,353
Có nhiều phương án phối liệu nhưng mục tiêu phải nâng chỉ số B lên từ 0,91 đến 1,19 và nâng chỉ số B đơn lên từ 2,45 đến 4,07 sao cho đạt hiệu quả nhất về công nghệ và kinh tế. Để luyện ra 1 tấn sắt họ dùng 1,46 tấn quặng và thêm vào 166kg đá vôi, 65kg bụi xỉ silic (SiO2).
Như vậy quặng sắt của Lung Leng với các chỉ số B và B đơn còn thấp hơn quặng của mỏ Thạch Khê muốn luyện được sắt cần phối liệu thêm chất tạo xỉ và chất trợ dung lớn hơn.
Qua kết quả phân tích thành phân hoá học xỉ sắt chi thấy hàm lượng chất tạo xỉ SiO2 (31,33%), chất trợ dung CaO (1,35%), MgO (0,66%) cao hơn rất nhiều so với quặng sắt (SiO2 = 0,377%, CaO = 0,02%, MgO = 0,09%). Như vậy chứng tỏ người Lung Leng đã biết phối liệu thêm một thành phần trợ dung và tạo xỉ. Đó chính là một loại đá trầm tích silic nhiễm sắt mà chúng tôi gọi là quặng sắt màu nâu đỏ phát hiện trong mộ.
Tuy nhiên với trình độ thời sơ kỳ sắt sớm người ta vẫn chưa đưa ra được một đơn phối liệu hợp lý nên quặng sắt trong mộ này mới chỉ có hàm lượng Silic cao mà vẫn chưa đủ hàm lượng CaO. Kết quả là chỉ thu được hiệu suất 28%, lượng sắt chưa hoàn nguyên trong xỉ vẫn còn nhiều. Cũng có thể vì trong vùng Kon Tum hiếm tìm được đá vôi nên họ chưa có kinh nghiệm để thử thêm vào. Một điều đáng khâm phục người Lung Leng ở chỗ nguồn nguyên liệu quartz chứa SiO2 có rất nhiều ở Lung Leng nhưng họ không dùng để phối liệu mà dùng trầm tích silic chứa sắt (FeO = 28,8%) vừa có một lượng sắt thêm vào, vừa chứa các nguyên tố có ích cho luyện sắt.
- Về khả năng ứng dụng: phương pháp phân tích Vi dò điện tử (EPMA) trong nghiên cứu thành phần hoá học và kim tướng là rất tốt, đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu về kỹ thuật luyện kim và nguồn gốc quặng. Tuy nhên để có kết quả tính hiệu suất luyện quặng tốt hơn cần làm thêm phân tích tổng lượng sắt trong các di vật bằng phương pháp hoà tan để có kết quả thành phần trung bình của sắt chính xác hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hoàng Quang Trung, 1993. Quặng sắt Việt Nam - đặc tính kỹ thuật và khả năng sử dụng, tổng luận phân tích.
2. Nguyễn Minh Hiền, Đỗ Minh Đức, 1983. Lý thuyết các quá trình luyện kim, tập 1.