采用南非某釩鈦磁鐵礦直接提釩的工藝研究

李建兵

（中色（寧夏）東方集團(tuán)有限公司，寧夏石嘴山 753000）

釩鈦磁鐵礦是一種分布最廣泛的含釩礦物，是生產(chǎn)含釩材料的主要工業(yè)開(kāi)采價(jià)值礦物原料［1］。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，世界上釩鈦磁鐵礦主要分布于非洲、亞洲、北美洲等地，其中南非占47%，俄羅斯占26.4%，美國(guó)占13.1%，中國(guó)占9.8%。我國(guó)釩鈦磁鐵礦儲(chǔ)量比較豐富，主要分布于四川攀枝花地區(qū)和河北承德地區(qū)，其中攀枝花地區(qū)保有儲(chǔ)量為94億t，承德地區(qū)的保有儲(chǔ)量為45億t［2］。近年來(lái)國(guó)內(nèi)主要釩原料（V2O5）供應(yīng)緊張，給一些含釩材料生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了困擾。所以本文采用南非某釩鈦磁鐵礦為原料，通過(guò)球磨、鈉化焙燒、浸出、沉釩、焙燒等工序制備V2O5，本文主要研究焙燒溫度、鈉鹽添加劑種類(lèi)、浸出時(shí)間、浸出溫度、液固比對(duì)釩浸出率的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用樣品為南非某釩鈦磁鐵礦，化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表1。該礦除含有主金屬元素V、Ti、Fe外，雜質(zhì)元素主要有 Al、Mg、Si、Cr、Mn等，這些雜質(zhì)元素對(duì)主金屬釩的浸出率都有一定的影響。

表1 礦石化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.2 試驗(yàn)原理及方法

釩鈦磁鐵礦直接提釩的原理為，將釩鈦磁鐵礦先進(jìn)行鈉化焙燒，使釩氧化物轉(zhuǎn)化形成可溶性的釩酸鹽，再采用水浸的方式使釩酸鹽進(jìn)入溶液與大部分不溶物分離［3］。

V2O3+O2→V2O5

V2O5+Na2CO3→2NaVO3+CO2↑

V2O5+2NaCl+H2O→2NaVO3+2HCl↑（有水蒸氣存在）

V2O5+2NaCl+1／2O2→2NaVO3+Cl2↑（無(wú)水蒸氣存在）

對(duì)于這種含釩較高的釩鈦磁鐵礦，現(xiàn)將礦物磨細(xì)后，再加入鈉鹽添加劑（NaCl、Na2CO3、Na2SO4等）制球或者造團(tuán)，高溫焙燒后用熱水浸出，浸出的含釩溶液經(jīng)過(guò)凈化處理，通過(guò)沉釩得到偏釩酸銨沉淀，再焙燒得到五氧化二釩產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

釩鈦磁鐵礦礦樣采用滾筒球磨機(jī)（QM-5）磨制至-0.074 mm，礦樣的化學(xué)成分由X射線(xiàn)熒光光譜儀（XRF，Shimadza XRF-1800）分析所得，浸出液中的釩含量采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES，Shimadza ICPE-9000）分析檢測(cè)，礦石的鈉化焙燒和偏釩酸銨的脫氨采用馬弗爐（SZXB-54-1700）焙燒。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒溫度對(duì)浸出率的影響

將礦石研磨至-0.074 mm（200目）粒級(jí)不小于65%的粒度，配入一定量的鈉鹽添加劑，混合均勻后用圓盤(pán)造粒機(jī)制成直徑3～5 mm的小粒，放入馬弗爐中鈉化焙燒，焙燒結(jié)束后采用熱水浸出。試驗(yàn)過(guò)程中在其他條件不變的情況下，分別采用不同焙燒溫度進(jìn)行試驗(yàn)，焙燒溫度對(duì)釩轉(zhuǎn)化率的影響如圖1所示。當(dāng)溫度較低時(shí)，釩轉(zhuǎn)化率也較低，隨著焙燒溫度的升高，釩轉(zhuǎn)化率也提高。當(dāng)溫度在1 100～1 300℃時(shí)，釩轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)到80%～83%。

圖1 焙燒溫度對(duì)釩浸出率的影響

目前對(duì)釩鈦磁鐵礦在焙燒過(guò)程生成可溶性釩酸鹽的機(jī)理一般認(rèn)為礦石中的低價(jià)釩V3+先氧化成V5+，從尖晶石相中析出，再和Na2O作用生成釩酸鈉。由于釩鈦磁鐵礦中的尖晶石相的結(jié)構(gòu)比釩渣中尖晶石相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)致釩鈦磁鐵礦中的氧原子和鈉原子的遷移比釩渣中困難。所以要生成釩酸鈉，首先要破壞尖晶石相結(jié)構(gòu)，就要比釩渣相對(duì)更高的焙燒溫度，才有利于釩轉(zhuǎn)化率的提升［4］。如果焙燒溫度過(guò)高，焙燒物料中就會(huì)產(chǎn)生液相組分，而這部分釩是無(wú)法收回的，造成釩的損失。

2.2 不同鈉鹽添加劑對(duì)浸出率的影響

試驗(yàn)采用 NaCl、Na2CO3、NaCl+Na2CO3三種鈉鹽添加劑，混合均勻后造粒，放入馬弗爐中在1 200℃條件下鈉化焙燒，焙燒結(jié)束后采用熱水浸出。試驗(yàn)過(guò)程中其他條件不變，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖2。

表2 不同鈉鹽添加劑對(duì)浸出率的影響

圖2 不同鈉鹽添加劑對(duì)浸出率的影響

從圖2可以看出，單一采用NaCl和Na2CO3作為鈉鹽添加劑，焙燒過(guò)程中釩轉(zhuǎn)化效果都不太理想。采用NaCl+Na2CO3復(fù)合添加劑，焙燒過(guò)程中釩轉(zhuǎn)化率達(dá)到82.39%。主要原因?yàn)椴捎脧?fù)合添加劑后，在焙燒過(guò)程中可以形成低共熔點(diǎn)鹽對(duì)，可以有效降低焙燒溫度，提高有價(jià)金屬釩的轉(zhuǎn)化率［5］。如果采用單一的NaCl為添加劑，焙燒過(guò)程中如果鈉鹽量不足或缺少水蒸汽，則會(huì)生成不溶性的“釩青銅”NaV6O15，造成釩的損失，同時(shí)還會(huì)釋放出有毒有害的氣體Cl2，污染環(huán)境。

2.3 浸出溫度對(duì)浸出率的影響

試驗(yàn)采用NaCl+Na2CO3復(fù)合鈉鹽添加劑，在1 200℃條件下鈉化焙燒，冷卻后分別采用溫度為25℃、60℃、90℃的水浸出，研究不同浸出條件對(duì)釩浸出率的影響，如圖3所示。從圖3可以看出，浸出溫度越高，越有利于釩的浸出，采用90℃熱水浸出，釩的浸出率可達(dá)81.3%。主要是釩酸鈉的溶解度隨溫度的升高而增大，為了提高釩的浸出率，加快釩的浸出速度，釩的浸出過(guò)程必須在較高的溫度條件下進(jìn)行，一般的浸出溫度為80～90℃。在同一浸出溫度下，隨著浸出時(shí)間的增加，釩浸出率提高。當(dāng)浸出時(shí)間超過(guò)2 h后，浸出反應(yīng)基本處于平衡狀態(tài)，釩浸出率波動(dòng)不大［6］。

圖3 不同浸出溫度和浸出時(shí)間對(duì)釩浸出率的影響

2.4 浸出液固比對(duì)浸出率的影響

試驗(yàn)采用NaCl+Na2CO3復(fù)合鈉鹽添加劑，焙燒溫度1 200℃，浸出溫度90℃，浸出時(shí)間2 h，在攪拌條件下考察液固比對(duì)釩浸出率的影響，如圖4所示。

圖4 不同液固比對(duì)釩浸出率的影響

從圖4可以看出，隨著液固比逐步增大，釩浸出率呈提升趨勢(shì)，但提升的幅度不大。主要是隨著液固比的增大，固液兩相接觸面積增大，釩酸鈉分子從固相中擴(kuò)散至液相中的距離縮短，擴(kuò)散速度加快，從而有利于浸出反應(yīng)的進(jìn)行［7］。如果液固比過(guò)大，會(huì)使浸出液中釩的濃度降低，也會(huì)降低后續(xù)凈化、除雜、沉降等工序的產(chǎn)能，同時(shí)也會(huì)增加大量的工業(yè)廢水，給環(huán)保帶來(lái)很大的壓力。權(quán)衡各方面因素，液固比控制在3∶1比較合適。

3 結(jié) 論

采用南非某釩鈦磁鐵礦為原料直接提釩時(shí)，按以下工藝條件控制時(shí)釩浸出率可達(dá)80%以上。

1.焙燒溫度控制在1100～1300℃時(shí)，焙燒時(shí)礦石中的釩最易轉(zhuǎn)化為可溶性的釩酸鹽，釩轉(zhuǎn)化率最高。

2.采用NaCl和Na2CO3作為鈉鹽添加劑，可以有效降低焙燒溫度，提高有價(jià)金屬釩的浸出率。

3.浸出時(shí)溫度控制在80～90℃時(shí)，可得到較高的浸出率，但浸出時(shí)間超過(guò)2 h后，浸出反應(yīng)基本處于平衡狀態(tài)，浸出率基本沒(méi)有波動(dòng)。

4.浸出時(shí)采用3∶1的液固比比較合適，既可以得到較高的浸出率，又不會(huì)為后續(xù)工序帶來(lái)太大的環(huán)保壓力。