用鹽酸浸出含鈦高爐渣富集鈦的試驗(yàn)研究

馬光強(qiáng)，鄒 敏

（攀枝花學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

攀鋼每年產(chǎn)出高爐渣約320萬t，已累積6 000多萬t，渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～23%，除少量用作混凝土填料外，其余大部分都露天堆放在渣場［1-2］。因此，研究含鈦高爐渣的綜合利用有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。用硫酸浸出攀鋼高爐渣，可以提取二氧化鈦及三氧化二鈧，但該法耗酸量大，生產(chǎn)成本高，對(duì)環(huán)境有一定污染［3］；在1 200～1 300℃下，用NaOH改變含鈦高爐渣的物相組成，然后可用水富集氧化鈦，但該工藝燒堿用量大，成本高，且因硅酸鈉的團(tuán)聚造成鈦的富集效果不理想［4］；攀鋼鋼鐵研究院將高爐渣高溫選擇性碳化，低溫氯化制備TiCl4，但碳粉損失大，電極易斷裂，氯化殘?jiān)y以處理［5］；隋智通等［6］研究了含鈦型高爐渣選擇性浸出有價(jià)組分，工藝清潔，成本低，處理能力大，但因鈣鈦礦晶粒大小不一，以及與尖晶石共生，單體解離效果差，選別困難，且鈣鈦礦富鈦料直接利用價(jià)值低，還需進(jìn)一步去除氧化鈣等雜質(zhì)。

試驗(yàn)采用鹽酸浸出法去除高爐渣中的酸溶性組分來富集鈦。初步研究結(jié)果表明，該方法可選擇性浸出鈣、鎂、鋁、鐵等組分，同時(shí)將絕大部分鈦留于濾渣中，經(jīng)固液分離后，濾渣中二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升到40%以上，有望為高爐渣中鈦資源的富集和綜合開發(fā)利用提供一種新途徑。

1 試驗(yàn)部分

1．1 試驗(yàn)原料、試劑與儀器

原料：高爐渣取自四川攀枝花鋼鐵集團(tuán)公司巴關(guān)河渣場，經(jīng)破碎、球磨、篩分，取粒度小于100目的爐渣備用，其化學(xué)成分見表1。

試劑：分析純鹽酸（科龍化學(xué)試劑公司）。

設(shè)備：JH-720可見光分光光度計(jì)（上海菁華公司），SX-1200℃箱式電爐（綿陽金冠公司），101-3BS型恒溫鼓風(fēng)干燥箱（常州科林公司）。

1．2 試驗(yàn)方法

根據(jù)計(jì)算的酸渣體積質(zhì)量比，將一定體積和濃度的鹽酸加入到反應(yīng)裝置中，加熱至設(shè)定溫度，再加入一定量高爐渣，攪拌反應(yīng)一定時(shí)間后取出漿料，固液分離后，用去離子水洗滌，濾渣分析各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并進(jìn)行XRD表征。

1．3 分析與表征

采用硫酸高鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法［7］測定高爐渣中的二氧化鈦，采用EDTA絡(luò)合滴定法測定鈣、鎂［8］，采用鄰二氮菲分光光度計(jì)法測定鐵［9］，采用二甲酚橙分光光度法測定鋁。

表1 高爐渣化學(xué)成分 %

采用D／max-2500／PC型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀進(jìn)行XRD表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

鹽酸與高爐渣中的各組分反應(yīng)如下：

2．1 反應(yīng)溫度對(duì)各組分浸出率的影響

鹽酸濃度6mol／L，酸渣體積質(zhì)量比1．2∶1，反應(yīng)時(shí)間5h，反應(yīng)溫度對(duì)高爐渣中各組分浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)各組分浸出率的影響

由圖1看出：隨反應(yīng)溫度升高，Mg、Al、Fe浸出率急劇升高，溫度升至90℃時(shí)趨于穩(wěn)定；Ca浸出率隨溫度升高變化不大，因?yàn)殁}鈦礦與酸的反應(yīng)活性較差；Ti浸出率隨溫度升高先增大后減小，因?yàn)殡S溫度升高，進(jìn)入溶液中的Ti4＋易水解生成沉淀，致使濾渣中TiO2含量逐漸增加，90℃時(shí)達(dá)到40%。綜合考慮，反應(yīng)溫度以控制在90℃較為適宜。

2．2 酸渣體積質(zhì)量比對(duì)各組分浸出率的影響

酸渣體積質(zhì)量比高，耗酸量大，且反應(yīng)后產(chǎn)生的廢酸多，處理成本高；酸渣比低，酸解不充分，因此選擇合適的酸渣體積質(zhì)量比非常重要。反應(yīng)溫度90℃，鹽酸濃度6mol／L，反應(yīng)時(shí)間5h，酸渣體積質(zhì)量比對(duì)高爐渣中各組分浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 酸渣體積質(zhì)量比對(duì)各組分浸出率的影響

從圖2看出，在酸足量前提下，酸渣體積質(zhì)量比對(duì)各組分浸出率的影響較小，各組分浸出率均維持在較高水平，濾渣中TiO2含量也變化不大?？紤]到成本及后續(xù)處理的便利，確定酸渣體積質(zhì)量比以1．1∶1為宜。

2．3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)各組分浸出率的影響

反應(yīng)溫度90℃，酸渣體積質(zhì)量比1．1∶1，鹽酸濃度6mol／L，反應(yīng)時(shí)間對(duì)各元素浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)各組分浸出率的影響

從圖3看出，隨反應(yīng)時(shí)間延長，Ca、Mg、Al、Fe浸出率增大；5h左右反應(yīng)趨于平穩(wěn)，各元素浸出率達(dá)到最高。Ti浸出率隨浸出的進(jìn)行而降低，這是由于隨反應(yīng)時(shí)間延長，液相中鹽酸濃度逐步降低，溶液中TiCl4逐步水解，在反應(yīng)5h后，Ti的浸出與水解趨于平衡，濾渣中TiO2含量達(dá)到最高。綜合考慮，確定反應(yīng)時(shí)間以5h為宜。

2．4 鹽酸濃度對(duì)各組分浸出率的影響

反應(yīng)溫度90℃，酸渣體積質(zhì)量比1．1∶1，反應(yīng)時(shí)間5h，鹽酸濃度對(duì)高爐渣中各組分浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 鹽酸濃度對(duì)各組分浸出率的影響

從圖4看出，鹽酸濃度對(duì)各組分浸出率的影響比較明顯：隨酸濃度增大，Ca、Mg、Al、Fe浸出率顯著增大，鹽酸濃度＞6mol／L后趨于平穩(wěn)；而Ti浸出率總體上處于較低水平，僅略有增大，這是由于較高的鹽酸濃度會(huì)逐步抑制溶液中TiCl4的水解，使得TiO2浸出率稍有提高。綜合考慮，鹽酸濃度以控制在5～6mol／L為宜。

2．5 綜合試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在優(yōu)化條件（溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間5h，鹽酸濃度6mol／L，酸渣體積質(zhì)量比1．1∶1）下進(jìn)行綜合試驗(yàn)，結(jié)果Ca、Mg、Al、Fe浸出率分別為30%、71%、68%、65%。Ti浸出率小于6%，濾渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為40%，鈦得到初步富集。此外，酸浸得到含Ca、Mg、Al、Fe廢液，可采用分步沉淀法及萃取法分離。

2．6 XRD分析

圖5為含鈦高爐渣浸出前后的XRD衍射圖。可以看出：爐渣中的鈦元素主要以鈣鈦礦（CaTiO3）和少量鈦鐵礦（FeTiO3）形式存在，其余主要物相為鎂鋁尖晶石（MgAlO2）和透輝石（CaMg（SiO3）2）；鹽酸浸出后，鎂鋁尖晶石和鈦鐵礦物相峰強(qiáng)明顯減弱，而鈣鈦礦和透輝石的峰強(qiáng)無明顯變化，說明酸浸過程中，Mg、Al已大部分轉(zhuǎn)入到溶液中，而轉(zhuǎn)入溶液中的Ti是以鈦鐵礦物相存在的那部分；此外出現(xiàn)偏鈦酸（H2TiO3）物相的特征峰，說明鈦在浸出過程中也同時(shí)水解生成偏鈦酸。

圖5 高爐渣浸出前后的XRD圖譜

3 結(jié)論

用鹽酸浸出含鈦高爐渣，可將TiO2富集到超過40%。適宜的酸浸條件為：反應(yīng)溫度90℃，酸渣體積質(zhì)量比1．1∶1，反應(yīng)時(shí)間5h，鹽酸濃度5～6mol／L。在此條件下，Mg、Al、Fe浸出率在65%以上，Ti浸出率低于6%。酸浸過程中，鎂鋁尖晶石和鈦鐵礦大部分進(jìn)入溶液，鈣鈦礦和透輝石浸出的較少。

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