CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系熔化性溫度研究

彭文烽，楊 娜，楊濛蔭，李 松

（六盤(pán)水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤(pán)水 553004）

中國(guó)四川攀枝花地區(qū)的釩鈦磁鐵礦儲(chǔ)量巨大，礦產(chǎn)中鈦資源含量占到全國(guó)鈦資源儲(chǔ)量的95%左右。在高爐冶煉過(guò)程中，由于鈦的氧化物比鐵的氧化物更難被碳還原，導(dǎo)致鈦組分幾乎全部進(jìn)入到高爐渣中，形成TiO2含量高達(dá)20%以上的含鈦高爐渣。

TiO2是制備高品質(zhì)金紅石焊條和鈦白顏料的重要原料，因此如何高效回收含鈦高爐渣中的鈦資源，實(shí)現(xiàn)其資源化綜合利用具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。近些年來(lái)，針對(duì)渣中鈦組分的富集和回收，學(xué)者們研究和開(kāi)發(fā)出各種各樣的工藝技術(shù)，如酸浸工藝、碳化還原氯化法和選擇性結(jié)晶和析出等。其中選擇性結(jié)晶和析出方法被認(rèn)為是最具有工業(yè)化應(yīng)用前景的方法之一，其主要原理是通過(guò)調(diào)整成分和溫度，使渣中鈦組分在含鈦物相中富集，之后再通過(guò)相對(duì)應(yīng)的選礦工藝將含鈦物相與其它相分離。

然而與CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系相關(guān)的熔化溫度熱力學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)薄弱，使相關(guān)工藝的開(kāi)發(fā)缺乏基本的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，因此針對(duì)CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系熱力學(xué)性質(zhì)的研究顯得極為必要[1-11]。本次研究將借助Factsage熱力學(xué)計(jì)算軟件，采用熱力學(xué)高溫試驗(yàn)，重點(diǎn)研究CaOSiO2-Al2O3-TiO2體系熔化溫度熱力學(xué)性質(zhì)的影響，建立熔化溫度和成分的變化規(guī)律，研究結(jié)果不僅可以豐富含鈦氧化物體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)Factsage熱力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，同時(shí)對(duì)于CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系資源綜合利用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)方法，試驗(yàn)共進(jìn)行16次，CaOSiO2-Al2O3-TiO2體系中的熔化性溫度實(shí)驗(yàn)因素和水平表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素和水平表/%

試驗(yàn)各組分取值范圍。

根據(jù)文獻(xiàn)[1，2，3]分析，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系溫度四個(gè)組分的取值范圍為：CaO：25.00%～28.00%，SiO2：22.00-37.00%，Al2O3：37.00%～16.00%，TiO2：15.00%～30.00%。根據(jù)此范圍按照正交試驗(yàn)的方法利用Factsage軟件計(jì)算各個(gè)組分的熔化性溫度。

2 結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果

見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)安排及其結(jié)果（直觀分析）

2.2 方差分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2對(duì)體系的熔化性溫度無(wú)決定性影響[4,5]。方差分析表如2.2所示。

表3 方差分析表

2.3 直觀分析

通過(guò)直觀分析，試驗(yàn)六的熔化性溫度最高，試驗(yàn)十三的熔化性溫度最低；因素二的極差最大（147.93），其次是因素一（118，97），因素三（40.3）的極差最小，表明組分CaO和SiO2對(duì)體系熔化性溫度影響最大，為主導(dǎo)因素，其次是Al2O3，TiO2對(duì)體系熔化性溫度的影響較小。從直觀分析可以看出16組的熔化性溫度不是很大，而且他們的極差也不是很大，說(shuō)明他們的波動(dòng)不大。

2.4 單因素分析

通過(guò)對(duì)各組分對(duì)熔化性溫度的影響進(jìn)行分析，如圖1所示。

由圖1可知 ：橫坐標(biāo)為CaO，SiO2，Al2O3，TiO2各組元含量的變化，縱坐標(biāo)為CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系的熔化性溫度的變化，根據(jù)折線(xiàn)圖可以看出隨著SiO2含量有規(guī)律的增加該體系的熔化性溫呈降低趨勢(shì)；CaO含量有規(guī)律的增加該體系熔化性溫度逐漸升高；Al2O3和TiO2含量有規(guī)律的增加該體系熔化性溫度先降低后升高；后者的變化不明顯。綜合可知CaO和SiO2對(duì)體系熔化性溫度影響最大，為主導(dǎo)因素，其次是Al2O3，TiO2對(duì)體系熔化性溫度最小。

圖1 組分變化對(duì)熔化性溫度的影響

3 結(jié)論

（1）CaO和SiO2對(duì)體系熔化性溫度影響相對(duì)較大，TiO2和Al2O3對(duì)體系熔化性溫度影響相對(duì)小。隨著CaO/SiO2的增大，體系的熔化溫度逐漸升高，且CaO/SiO2對(duì)體系熔化溫度的影響較大。

（2）Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.00%～16.00%、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.00%～30.00%、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.00%～37.00%，其他成分不變的條件下，隨著CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷升高，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系熔化性溫度升高；隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，爐渣熔化性溫度降低；隨著TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，爐渣熔化性溫度先降低后升高。

（3）得出較低熔化性溫度的各組元含量：CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%，TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%。