一種改性鈦渣鈦組分的分離方法

張 武，張 力，王 晨，馮乃祥

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

一種改性鈦渣鈦組分的分離方法

張 武，張 力，王 晨，馮乃祥

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

研究了堿浸出過程中的影響因素，考察了浸出溫度，NaOH溶液的濃度，以及物料粒度和液固比等因素對于浸出效果和回收率的影響.得到了堿浸階段適宜的工藝條件為:溶液中NaOH的質(zhì)量分數(shù)為15%、浸出溫度100℃、浸出時間6 h、液固比20 mL/g、鈦渣粒度小于38 μm，攪拌速度500 r/min.采用三段浸出的方法獲得了品位為91.42%，回收率為78.47%的人造金紅石產(chǎn)品.

改性鈦渣;堿浸酸洗;浸出;氫氧化鈉;金紅石

鈦渣與人造金紅石、天然金紅石都是重要的鈦工業(yè)原料，在世界富鈦料生產(chǎn)中占主要地位［1］.我國鈦資源豐富，除少量鈦鐵砂礦外，主要以鈦鐵巖礦為主，其缺點是品位低，雜質(zhì)含量高，不能直接用于氯化法生產(chǎn)鈦白，僅適合作硫酸法鈦白的原料［2］.張力等［3～5］以鈦渣為原料，采用改性處理的辦法使鈦渣中的鈦組分富集到金紅石相中，渣中的其他元素以非晶態(tài)的形式集中于基體相中，經(jīng)過分離處理得到高品位的人造金紅石產(chǎn)品，可以直接用于氯化法生產(chǎn)鈦白.

本文采用堿浸酸洗的方法使改性渣中的鈦組分得到富集.所謂堿浸酸洗，是指先用一定濃度的堿溶液浸出物料，再用一定濃度的酸將物料中的雜質(zhì)溶出，熱力學(xué)計算表明［6］，酸洗過程極易進行，因而本文著重探討堿浸出過程的影響因素.

1 實驗

1.1 實驗原料、試劑和裝置

實驗物料是經(jīng)過改性處理的鈦渣，其化學(xué)成分見表1.實驗用氫氧化鈉和鹽酸均為AR級.浸出的實驗裝置有水浴鍋和攪拌器.反應(yīng)容器為三口燒瓶.圖1和圖2是改性后渣樣的X射線衍射物相分析結(jié)果及背散射顯微形貌.圖2中白色相a相為金紅石相，顏色較深的b相為玻璃相.

表1 改性鈦渣的主要化學(xué)組成(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemcal composition of modified titanium slag(mass fraction) %

改性前渣樣的X射線衍射物相分析結(jié)果以及背散射顯微形貌可以在文獻［3］中看到.比較改性前后渣樣的物相分析結(jié)果和背散射顯微形貌可以發(fā)現(xiàn)，改性后渣樣的物相組成簡單，只有玻璃相和金紅石相，比原渣中的鈦組分容易分離.

1.2 實驗方法

稱取一定質(zhì)量的物料，放入三口燒瓶中，加入一定濃度的氫氧化鈉溶液，在一定溫度下浸出，過濾，取出濾餅，將其放入燒杯中，加入一定濃度的鹽酸對濾餅進行洗滌，過濾，再次取出濾餅，烘干，分析其中的TiO2含量.

1.3 實驗原理

改性鈦渣的堿浸酸洗過程的實驗原理可以用以下反應(yīng)表示:

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度的影響

圖3和圖4分別表示浸出溫度對于改性渣TiO2品位(以渣中TiO2的質(zhì)量分數(shù)表示)和回收率的影響.品位為38.08%的物料為磨碎后的改性鈦渣，品位為50.89%的物料為一次搖床重選后的改性渣，二者的粒度均小于38 μm.

由以上兩圖可以看出，浸出溫度越高，可溶性雜質(zhì)的溶出越快并且越徹底，這是因為隨著溫度的升高，溶液中活化分子的數(shù)目增加，使反應(yīng)速度加快.在溫度低于60℃時，回收率的變化不大;當(dāng)溫度在60℃到80℃時，回收率明顯下降，這是由于溫度升高使物料中的TiO2在堿溶液中溶解的速度增加，會有下列反應(yīng)發(fā)生，使回收率開始下降:

當(dāng)浸出溫度高于80℃時，回收率又開始增加，這是由于溶解在堿溶液中的 Na2Ti2O5和Na2Ti3O7重新水解而生成固相物質(zhì)的緣故.考慮到反應(yīng)速度的原因，實驗溫度取100℃為宜.

2.2 時間的影響

圖5和圖6表示浸出時間對于改性渣品位和回收率的影響.由兩圖可以看出，隨著浸出時間的延長，渣樣中TiO2的品位呈緩慢上升趨勢.浸出時間越長，渣中TiO2的回收率就越小，但當(dāng)時間超過6 h以后由于溶液中的 Na2Ti2O5和Na2Ti3O7重新水解而進入固相，使回收率增加.

2.3 NaOH濃度的影響

圖7和圖8表示NaOH溶液濃度對于改性渣品位和回收率的影響.由這兩圖可以看出，改性渣中TiO2的質(zhì)量分數(shù)隨堿濃度增大顯著升高，這說明高濃度的堿能使雜質(zhì)很好地溶出.以上兩圖說明堿濃度對于渣中的TiO2含量及回收率有較大影響，因此，在生產(chǎn)工藝中可以考慮適當(dāng)增加堿液的濃度以提高渣中TiO2的品位，但堿液對環(huán)境有污染，且成本較高，實際生產(chǎn)時選擇w(NaOH)15%較為合適.

2.4 液固比的影響

圖9和圖10分別表示液固比(液相體積與固相質(zhì)量之比)對于改性渣品位和回收率的影響.在液固比為 10、20、25、30 mL/g 的情況下，隨著堿液用量增加TiO2品位也增加.在相同時間下，堿液用量增加有利于TiO2品位的提高.原因是隨著液固比的下降，相當(dāng)于同量改性渣條件下氫氧化鈉用量的減少，NaOH溶液與渣粒接觸不好，影響了反應(yīng)速度，亦即表現(xiàn)為同樣的時間條件下TiO2的質(zhì)量分數(shù)增長幅度減小.液固比為20 mL/g時效果較好，在實際生產(chǎn)中仍然偏大，可以采取循環(huán)浸出的方法來解決.

2.5 攪拌速度的影響

圖11和圖12分別表示攪拌速度對改性高鈦渣品位及回收率的影響.改性渣的浸出反應(yīng)是液固反應(yīng)，反應(yīng)速度與液固兩相的接觸面積有關(guān).攪拌有利于反應(yīng)體系中的物質(zhì)的擴散.在本實驗條件下，攪拌只是保證反應(yīng)過程進行的必要條件，浸出反應(yīng)速率基本不受攪拌強度的影響.

2.6 物料粒度的影響

金紅石相在不同粒度區(qū)域內(nèi)的分布情況并不完全相同，不同粒級物料品位也不相同，其品位測定結(jié)果以及浸出后的結(jié)果列于表2.

圖12 攪拌速度對改性鈦渣浸出回收率的影響Fig.12 TiO2recovery with different stirring speed

隨著改性高鈦渣顆粒度的減小，反應(yīng)速度加快，堿浸酸洗后渣中TiO2含量明顯增加.這是因為堿浸改性渣屬于固液反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)在固體顆粒的表面進行，粒度的減小增加了顆粒的比表面積，發(fā)生反應(yīng)的界面面積也隨之增加，加快了礦粒表面的反應(yīng)速度.在濕法冶金中，晶體棱角上的活化能要低于平面上反應(yīng)活化能的20%，粒度減小增加了顆粒的棱角界面，界面上的原子有剩余價鍵，降低反應(yīng)活化能，因此反應(yīng)速度加快，雜質(zhì)浸出率提高，故改性渣的粒度越小越好.但粒度太小，對磨礦等預(yù)處理的要求就會很高，增加經(jīng)濟成本.

表2 不同粒度對于改性渣品位及回收率的影響Table 2 TiO2content and recovery with different size of slag

3 多段浸出工藝制備高品位人造金紅石

通過以上實驗對于堿浸酸洗過程影響因素的探索，可以采用比較適宜的工藝條件來制取高品位的人造金紅石，通過三段浸出的方法，可以獲得比較理想的產(chǎn)品，實驗條件為浸出時間8 h，浸出溫度 100℃，攪拌速度 500 r/min，液固比20 mL/g，第二段堿浸時間2 h，浸出溫度100℃，攪拌速度500 r/min，液固比20 mL/g，第三段堿浸時間2 h，浸出溫度100℃，攪拌速度500 r/min，液固比20 mL/g，酸洗階段的實驗條件均為溫度:30℃，時間30 min，浸出過程的實驗結(jié)果列于表3.

表3 多段浸出實驗結(jié)果Table 3 Results of multi－stage leaching

4 結(jié)論

(1)通過對比改性前后渣樣的物相分析結(jié)果表明，改性后渣樣中的鈦組分更加容易分離.

(2)通過單因素實驗，得到了液固比、溫度、氫氧化鈉濃度、改性渣粒度和浸出時間對于浸出效果的影響，也得到了較合適的工藝條件.

(3)通過三段浸出的方法獲得了品位為91.42%，回收率為78.47%的人造金紅石產(chǎn)品.

［1］陳朝華.談鈦渣的生產(chǎn)及應(yīng)用前景［J］.中國涂料，2004(5):14－16.

(Chen zhao－h(huán)ua.Manufacture and application prospect of Titanium sludg［J］.China Coatings，2004(5):14 －16.)

［2］胡克俊，錫淦，姚娟，等.我國鈦渣生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀［J］.世界有色金屬，2007(5):29－32.

(Hu Ke－jun，Xi Gan，Yao Juan，et al.Status quo of domestic titanium slag production technology［J］.World Nonferrous Metals，2007(5):29 －32).

［3］張力.含鈦渣中鈦的選擇性富集和長大行為［D］.沈陽:東北大學(xué)，2003.

(Zhang Li，Selective enrichment and growth behavior of Ti component bearing titanium slag［P］.Shenyang:Northeastern University，2003).

［4］Zhang Li，Cao H Y，Lou T P.Selective enrichment of Ti components in Ti－bearing blast furnace slag and coarsening of perovskite phase during the dynamic oxidation［C］//Epd congress 2009，proceedings:2009(15－19):3863－866.

［5］Zhang Li，Zhang L N，Wang M Y.Precipitation selectivity of perovskite phase from Ti－bearing blast furnace slag under dynamic oxidation conditions［J］.Journal of non － crystalline solids，2007，353(22－23):2214－2220.

［6］張菊花.改性高鈦渣中金紅石相的選擇性分離［D］.沈陽:東北大學(xué)，2009.

(Zhang Ju－h(huán)ua.Selective separation of rutile phase in modified high titanium slag［D］.Shenyang:Northeastern University，2009.

Enrichment of titanium components from modified titanium slag

ZHANG Wu，ZHANG Li，WANG Chen，F(xiàn)ENG Nai-xiang

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The effects of concentration，temperature，reaction time，particle size，liquid－solid ratio and stirring speed on the TiO2content and the recovery ratio were studied in the alkali leaching process.The authors obtained the appropriate conditions:the concentration of NaOH is 15%，the leaching temperature is 100℃，the leaching time is 6 h，the liquid－solid ratio is20，titanium particle is38 μm，stirring speed is500 r/min.The synthetic rutile products were obtained through the three－stage leaching method.The grade is 91.42%，the recovery ratio is 78.4%.

modified titanium slag;alkali leaching and acid washing;leaching;NaOH;rutile

TF 111.3

A

1671-6620(2011)03-0184-05

2011-06-30.

張武 (1983—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，東北大學(xué)博士研究生;張 力 (1969—)，男，遼寧朝陽人，東北大學(xué)副教授，E－mail:zhangl@smm.neu.edu.cn;馮乃祥 (1944—)，男，河北豐潤人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.