雜質(zhì)成分在含鈦爐渣硫酸法制鈦白中的去向分析

王斌，李春，楊仰軍

（1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065；2.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司）

雜質(zhì)成分在含鈦爐渣硫酸法制鈦白中的去向分析

王斌1，李春1，楊仰軍2

（1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065；2.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司）

為了考察含鈦爐渣作為硫酸法鈦白生產(chǎn)原料的可行性，分析研究了含鈦爐渣的物相組成以及硫酸法鈦白生產(chǎn)過程中雜質(zhì)成分氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅、全鐵（TFe）、釩和鉻等的去向，并對制得的鈦白初品質(zhì)量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，含鈦爐渣中的雜質(zhì)元素二氧化硅、釩、鉻和氧化鈣主要進(jìn)入酸解殘?jiān)?，氧化鎂、三氧化二鋁、全鐵等主要進(jìn)入偏鈦酸過濾洗滌得到的廢液中，進(jìn)入最終鈦白產(chǎn)品的雜質(zhì)含量很低，不會影響產(chǎn)品質(zhì)量。

含鈦爐渣；物相；硫酸法；鈦白；雜質(zhì)成分

用于硫酸法鈦白生產(chǎn)的鈦原料有鈦精礦、酸溶性鈦渣和低品位鈦渣等，其中鈦精礦和酸溶性鈦渣是目前鈦白生產(chǎn)的主要原料，低品位鈦渣是TiO2品位較酸溶性鈦渣低的鈦原料，它主要來自于各類冶煉電爐，含鈦爐渣即是其中的一種。本研究使用的含鈦爐渣是由釩鈦磁鐵礦經(jīng)轉(zhuǎn)底爐直接還原得到，TiO2品位為40%～50%，與鈦精礦接近，比酸溶性鈦渣要低，但硅、鈣、鎂、鋁、鉻等雜質(zhì)含量明顯較高。雜質(zhì)對鈦白產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大，如文獻(xiàn)［1］中提到，鈦精礦中的雜質(zhì)元素含量為w（P2O5）＞0.02%、w（Nb2O5）＞0.2%、w（V2O5）＞0.2%、w（SiO2）＞0.2%、w（Al2O3）＞1%、w（Mn）＞1.5%時，不能用于生產(chǎn)顏料鈦白粉。為了考察以該鈦渣為原料在現(xiàn)有硫酸法工藝水平條件下制取顏料級鈦白粉的可行性，本文對部分常規(guī)的雜質(zhì)元素在鈦白生產(chǎn)流程中的去向進(jìn)行了分析。

1　實(shí)驗(yàn)條件及方法

主要原料：含鈦爐渣、濃硫酸等。含鈦爐渣主要成分及典型含量見表1。

表1　含鈦爐渣的主要成分及含量%

主要設(shè)備：酸解裝置、水解裝置及相關(guān)分析儀器和設(shè)備等。

實(shí)驗(yàn)方法：將含鈦爐渣與濃硫酸反應(yīng)得到鈦液和殘?jiān)?，鈦液?jīng)凈化和濃縮得到濃鈦液，濃鈦液再經(jīng)水解制得偏鈦酸（即水合二氧化鈦），將偏鈦酸過濾、洗滌、鹽處理和煅燒，即可得到鈦白初品。

含鈦爐渣和濃硫酸發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有：水解過程發(fā)生的主要反應(yīng)為：

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1含鈦爐渣物相分析

含鈦爐渣為黑色，較脆，有金屬光澤。含鈦爐渣的物相主要有黑鈦石、輝石、其他硅酸鹽、黃鐵礦（硫化鐵）和少量的金屬鐵，未發(fā)現(xiàn)有金紅石相。其中，黑鈦石體積分?jǐn)?shù)為35%～37%，輝石的體積分?jǐn)?shù)為19%～21%，其他硅酸鹽相體積分?jǐn)?shù)為39%～41%，黃鐵礦與金屬鐵體積分?jǐn)?shù)為3%～5%。與普通酸溶性鈦渣（黑鈦石體積分?jǐn)?shù)通常在75%～90%左右，硅酸鹽相體積分?jǐn)?shù)為1%～7%）相比，含鈦爐渣的黑鈦石物相含量明顯較少，而硅酸鹽相含量明顯過多。含鈦爐渣形貌見圖1。

圖1　含鈦爐渣形貌

從圖1可知，含鈦爐渣的物相主體為硅酸鹽和輝石，黑鈦石呈小塊連續(xù)或不連續(xù)區(qū)域分布其間；金屬鐵呈小球狀嵌入物相；黃鐵礦呈細(xì)砂狀隨機(jī)散布在硅酸鹽相和輝石相中。對各物相的能譜分析表明，黑鈦石的物相組成主要為Mg、Al、Ti和V的氧化物，硅酸鹽和輝石物相中包含了各類元素。Ti主要分布于黑鈦石物相，在硅酸鹽、輝石和硫化鐵中有少量分布；V主要分布于黑鈦石物相；Cr主要分布于硅酸鹽物相。通常情況下，黑鈦石為易酸解物相，硅酸鹽或輝石等其他物相為難溶物相，物相溶解性能好壞，將會影響各類元素入液率。

2.2在酸解工序的去向

含鈦爐渣酸解得到的鈦液和殘?jiān)阝佉篢iO2質(zhì)量濃度為120 g/L左右時，CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TFe、V和Cr雜質(zhì)的含量見表2。從表2可知，酸解得到的鈦液中MgO和Al2O3的質(zhì)量濃度較高，分別為16.70、7.59 g/L，其次為TFe約2.18 g/L，CaO、SiO2、V、Cr的質(zhì)量濃度較低，分別為0.578、0.038、0.031、0.090 g/L；酸解殘?jiān)?，SiO2和Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為40.97%、18.96%，CaO和MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)，分別為8.00%和7.29%，V和Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)均約為0.3%。經(jīng)計算可知，含鈦爐渣酸解過程中，TFe和MgO的入液率最高，分別為98.24%、96.14%，其次是Al2O3為81.32%，CaO的入液率為43.99%，Cr和V分別為22.51%、8.52%，SiO2的入液率最低為1.00%，余量均進(jìn)入酸解殘?jiān)小e、Mg和Al的硫酸鹽為易溶物，它們進(jìn)入鈦液的比例較高；CaSO4為微溶物，Si為難溶成分，在鈦液中的部分主要以膠體形式存在。與鈦精礦或酸溶性鈦白制鈦白相比［2-3］，含鈦爐渣酸解時Cr和V的入液率明顯較低，這是由于Cr主要分布于難溶的硅酸鹽物相，酸解后大部分Cr仍留存于殘?jiān)?；V的溶出率較低，可能是含鈦爐渣在強(qiáng)還原氣氛下生成了某種難酸解的釩尖晶石物相［4］。

表2　雜質(zhì)在鈦液和殘?jiān)械暮考胺植?/p>

2.3在水解及過濾洗滌中的去向

鈦液水解得到偏鈦酸漿料，經(jīng)過濾洗滌，得到偏鈦酸和廢液（包括濾液和洗水）。各雜質(zhì)在偏鈦酸（經(jīng)150℃干燥）和廢液中含量見表3。

表3　雜質(zhì)在偏鈦酸和廢液中的含量

從表3可知，經(jīng)水解后，進(jìn)入后工序的偏鈦酸中的CaO、MgO、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均＜0.5%，w（SiO2）＜0.02%，w（TFe）＜0.003%，這是由于CaO、MgO、Al2O3的硫酸鹽可溶于水，SiO2的膠體物質(zhì)也在水洗過程中被除去；V和Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均＜0.000 5%，說明水解生成的偏鈦酸對Cr和V的吸附作用較小。若忽略偏鈦酸中CaO、MgO、Al2O3、SiO2等的殘存量，可以認(rèn)為濃鈦液中CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TFe、V和Cr等雜質(zhì)元素全部進(jìn)入到廢液中。

2.4含鈦爐渣制鈦白

與鈦精礦制鈦白相比，含鈦爐渣酸解得到的濃鈦液中MgO和Al2O3的濃度明顯較高，其質(zhì)量濃度約為37.58、17.08 g/L，遠(yuǎn)高于鈦精礦濃鈦液的水平（MgO和Al2O3的質(zhì)量濃度分別約為14.50、5.45 g/L）。按照硫酸法鈦白自生晶種水解工序水解，最終制得的鈦白初品質(zhì)量見表4。

表4　鈦白初品顏料性能

從表4可知，以含鈦爐渣為原料制得的鈦白初品消色力（TCS）為1713，藍(lán)相（SCX）為2.30，亮度（Jasn）為94.52，白度L為96.61，與以鈦精礦為原料制得的鈦白處于同一水平。因此，可以認(rèn)為硫酸法制鈦白時，含鈦爐渣中的雜質(zhì)元素不會影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3　結(jié)論

1）含鈦爐渣的物相主要是硅酸鹽相和輝石相，其次為黑鈦石。Ti主要分布于黑鈦石物相，V主要分布于黑鈦石物相，Cr主要分布于硅酸鹽物相。2）對硫酸法制鈦白全流程分析表明，含鈦爐渣中的雜質(zhì)元素SiO2、V、Cr和CaO主要進(jìn)入酸解的殘?jiān)?，MgO、Al2O3、TFe等主要進(jìn)入偏鈦酸過濾洗滌得到的廢液中，鈦白初品中MgO和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均＜0.5%，w（SiO2）＜0.02%，w（TFe）＜0.003%，V和Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均＜0.000 5%。3）鈦白制備實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同工藝條件下，以含鈦爐渣為原料制得的鈦白質(zhì)量與鈦精礦的處于同一水平，含鈦爐渣中的CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TFe、V和Cr等不會影響鈦白產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］陳朝華.清除雜質(zhì)提高鈦白粉白度［J］.中國涂料，2007（2）：50.

［2］陳鋼，蘭石，田犀，等.硫酸法金紅石型鈦白粉生產(chǎn)中Cr的去向分析［J］.科協(xié)論壇，2007（10）：56.

［3］蒲靈，田犀，陳鋼.硫酸法金紅石型鈦白粉生產(chǎn)中重金屬分布研究［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2011，43（9）：52-54.

［4］史志新，苑天宇，劉錦燕，等.鈣化焙燒釩渣過程中釩尖晶石的礦物學(xué)特征［J］.礦冶，2014，23（5）：95-98.

聯(lián)系方式：kingjin555@163.com

Distribution of impurities from low grade titanium slag as raw material in titanium dioxidemanu facturing by sulfate process

Wang Bin1，LiChun1，Yang Yangjun2

（1.College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Pangang Group Research Institute Co.，Ltd.）

The feasibility of low grade titanium slagas rawmaterial for the production of sulfuric acid process titanium dioxide was studied.The phase composition and the distribution of impurities，such as CaO，MgO，Al2O3，SiO2，TFe，V，and Cr，from the low grade titanium slag during the manufacturing process of titanium dioxide by sulfuric acid processwere analyzed.The quality of initial product of titanium dioxide was further studied.Results showed that the impurities，such as SiO2，V，Cr，and CaO，weremainly distributed in the acid composition residue，while theothers，such asMgO，Al2O3，and TFe，weremainly distributed in thewastewater coming from the filtrating and washing process of hydroly sate.Theminor amounts of impurities remaining from the rawmaterials were notenough to affect the quality of the finalproduct of titanium dioxide.

low grade titanium slag；phase structure；sulfuric acid process；titanium dioxide；impurity composition

TQ134.11

A

1006-4990（2016）01-0035-03

2015-07-27

王斌（1979—），男，在職工程碩士，高級工程師，主要從事硫酸法鈦白、納米鈦白和鈦資源綜合利用的工藝技術(shù)研究，已發(fā)表論文11篇。