四川某沉積型鈦礦化學(xué)選礦工藝探討

蔣朋，張?jiān)?shū)

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，四川 成都 610041)

鈦在金屬中具有最高的強(qiáng)度-重量比，同時(shí)具有抗腐蝕性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、信息技術(shù)、高端裝備制造等領(lǐng)域，被美譽(yù)為“海洋金屬”、“太空金屬”和“全能金屬”[1-3]。鈦是一種推動(dòng)尖端科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要新型金屬原材料[4]。

全球鈦資源分布廣泛，按成因可分為巖漿型礦床、火山沉積型礦床、變質(zhì)礦床、殘積（風(fēng)化殼）礦床、砂礦床，主要工業(yè)類(lèi)型礦床為砂礦床、巖漿礦床和變質(zhì)礦床[5-8]。其中，殘積（風(fēng)化殼）礦床和沉積礦床在鈦資源中具有獨(dú)特的性質(zhì)，長(zhǎng)期以來(lái)相應(yīng)的選礦技術(shù)發(fā)展較為緩慢，甚至沉積型銳鈦礦被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是“呆滯”礦石。

自然界中，鈦鐵礦和金紅石是工業(yè)提取鈦資源的主要來(lái)源，我國(guó)含鈦資源90%以上為鈦鐵礦，主要采用重磁浮聯(lián)合工藝進(jìn)行處理，但是制備高品質(zhì)的鈦產(chǎn)品主要依賴(lài)金紅石類(lèi)礦物，導(dǎo)致我國(guó)高品質(zhì)鈦精礦對(duì)外依存度已經(jīng)超過(guò)50%[9-11]。因此，對(duì)沉積型銳鈦礦開(kāi)展綠色環(huán)?；瘜W(xué)選礦新工藝技術(shù)研發(fā)勢(shì)在必行。

本文對(duì)四川某含鐵高嶺土型沉積型銳鈦礦，在光譜分析、化學(xué)多元素分析、物相分析、XRD衍射分析、光學(xué)顯微鏡等礦石性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同硫酸浸出工藝的化學(xué)選礦探索性實(shí)驗(yàn)研究，為完善不同鈦礦床類(lèi)型分選提供參考，同時(shí)對(duì)我國(guó)鈦業(yè)安全健康發(fā)展具有重要意義。

1 原礦性質(zhì)

1.1 原礦化學(xué)組成

化學(xué)多元素分析結(jié)果見(jiàn)表1，鈦化學(xué)物相分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 原礦化學(xué)多元素分析結(jié)果/%Table 1 Chemical multi element analysis results of raw ore

表2 原礦鈦化學(xué)物相分析結(jié)果Table 2 Chemical phase analysis results of titanium in raw ore

由表2表明，鈦主要賦存于金紅石、銳鈦礦相中，次為榍石及硅酸鹽相，在鈦磁鐵礦及鈦鐵礦相中極少。

1.2 礦物組成

對(duì)實(shí)驗(yàn)原礦樣進(jìn)行了XRD衍射定性分析見(jiàn)圖1。

圖1 試樣主要礦物XRD定性分析Fig.1 Qualitative analysis of main minerals by XRD in samples

從圖1可知，該礦主要礦物為赤（褐）鐵礦、石英、銳鈦礦、高嶺石和累托石。經(jīng)測(cè)定，各主要礦含量分別為27.63%、5.12%、17.74%、18.63%和15.12%。

赤（褐）鐵礦，化學(xué)成分為Fe2O3-nH2O（n=0時(shí)，為赤鐵礦），呈粉塵狀、細(xì)粒狀，其大小約0.002mm，局部呈不規(guī)則團(tuán)塊狀集合體。因呈細(xì)分散狀分布，致使礦石呈紫紅色。

銳鈦礦，化學(xué)成分為T(mén)iO2，呈自形菱面體及半自形粒狀，大小約0.004 ～ 0.02 mm。

石英，分子式SiO2，細(xì)微晶，呈細(xì)粒狀單體或不規(guī)則狀集合體，單體大小約0.002 ～ 0.008 mm。

高嶺石，化學(xué)式2Al2O3·4SiO2·4H2O；累托石，化 學(xué) 式(K, Na)x{Al2[AlxSi4-xO10](OH)2}·4H2O。高嶺石和累托石的顆粒細(xì)小，呈細(xì)分散狀及隱晶質(zhì)集合體分布。

綜上所述，原礦主要礦物嵌布粒度細(xì)小，最大粒度不到0.02 mm，多呈分散狀、細(xì)分散狀等，致使該礦采用常規(guī)物理選礦方法難以有效分離回收銳鈦礦，為復(fù)雜極難選礦石。若要有效利用該類(lèi)鈦礦，需考察化學(xué)選礦方法。

2 選礦實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)原料試劑與儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用四川某沉積型含鐵高嶺土型銳鈦礦，原礦碎磨至細(xì)度為-0.075 mm 80%；主要試劑：98% 濃硫酸，分析純；主要儀器與設(shè)備：HJ-3馬弗爐、機(jī)械攪拌浸出器、FL-1電爐、DZ-5C真空過(guò)濾機(jī)、HG101-3電熱鼓風(fēng)干燥箱以及其他實(shí)驗(yàn)耗材等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案及原理

實(shí)驗(yàn)采用硫酸浸出手段對(duì)該礦進(jìn)行化學(xué)選礦，目前主要的化學(xué)選礦工藝有通過(guò)高溫焙燒使礦物物相轉(zhuǎn)變，促進(jìn)第二階段目的元素與硫酸反應(yīng)的焙燒-硫酸浸出工藝；直接將濃硫酸與礦石高溫焙燒，促進(jìn)目的元素與硫酸反應(yīng)的硫酸化焙燒-水浸工藝；還有不僅特殊處理的硫酸直接浸出工藝。本文擬通過(guò)對(duì)以上三種工藝開(kāi)展探索性實(shí)驗(yàn)，以確定該礦硫酸浸出工藝。

實(shí)驗(yàn)采用硫酸對(duì)原礦進(jìn)行溶浸，礦石中的含鈦、鐵、鋁等礦物與硫酸發(fā)生反應(yīng)。主要礦物與硫酸反應(yīng)方程式如下：

石英 ：SiO2一般不與硫酸反應(yīng)。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 焙燒-硫酸浸出探索實(shí)驗(yàn)

焙燒-硫酸浸出實(shí)驗(yàn)原則流程見(jiàn)圖2。將原礦在800℃條件下焙燒1 h，焙燒渣在硫酸環(huán)境下加熱浸出，硫酸初始酸度70%，液固比4，升溫至150℃左右，保溫0.5 h后，冷卻過(guò)濾并干燥。焙燒-硫酸浸出探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 焙燒-硫酸浸出實(shí)驗(yàn)原則流程Fig.2 Flow chart of roasting-sulfuric acid leaching test principle

表3 焙燒-硫酸浸出探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Exploratory test results of roasting-sulfuric acid leaching

由表3可知，原礦在800℃條件下焙燒后硫酸浸出，鈦、鋁、鐵的浸出率分別為75.43%、88.53%、81.18%，浸出效果均較好。但是焙燒溫度對(duì)鈦、鋁元素浸出率影響較大，需要進(jìn)一步對(duì)原礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，綜合其產(chǎn)品指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)合理的確定其焙燒溫度等其他條件實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 硫酸化焙燒-水浸探索實(shí)驗(yàn)

硫酸化焙燒-水浸實(shí)驗(yàn)原則流程見(jiàn)圖3。將原礦與濃硫酸按液固比為1充分混勻，在300℃溫度下進(jìn)行硫酸化焙燒1 h，焙燒渣冷卻后充分研磨混勻，在室溫（25℃）條件下水浸1 h，液固比3，再進(jìn)行過(guò)濾、干燥。硫酸化焙燒-水浸探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 硫酸化焙燒-水浸實(shí)驗(yàn)原則流程Fig.3 Flow chart of sulfuric acid roasting-water leaching test principle

表4 硫酸化焙燒-水浸探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Exploratory test results of sulfuric acid roasting-water leaching

由表4可知，原礦硫酸化焙燒后水浸，鈦、鋁、鐵的浸出率分別為68.66%、90.82%、91.59%，浸出效果均較好。但是硫酸焙燒溫度對(duì)鈦元素與硫酸反應(yīng)程度影響較大，需要進(jìn)一步對(duì)原礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，綜合其產(chǎn)品指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)合理的確定其焙燒溫度等其他條件實(shí)驗(yàn)。

2.3.3 硫酸直接浸出探索實(shí)驗(yàn)

硫酸直接浸出實(shí)驗(yàn)原則流程見(jiàn)圖4。將原礦在硫酸初始酸度80%，液固比5條件下加熱浸出，升溫至180℃左右，保溫1 h后，冷卻過(guò)濾并干燥。硫酸直接浸出探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖4 硫酸直接浸出實(shí)驗(yàn)原則流程Fig.4 Flow chart of sulfuric acid direct leaching test principle

表5 硫酸直接浸出探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Exploratory test results of direct leaching of sulfuric acid

由表5可知，原礦硫酸直接浸出，鈦、鋁、鐵的浸出率分別為52.72%、98.05%、99.03%，鋁、鐵浸出效果均較好，鈦浸出效果較差。但是直接硫酸浸出初試酸度對(duì)鈦、鐵、鋁等元素與硫酸反應(yīng)程度影響較大，需要進(jìn)一步對(duì)原礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，綜合其產(chǎn)品指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)合理的確定其焙燒溫度等其他條件實(shí)驗(yàn)。

2.4 硫酸浸出流程探索實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）焙燒-硫酸浸出工藝，鈦的浸出率為75.43%，鋁的浸出率為88.53%，鐵的浸出率為81.18%；

（2）硫酸化焙燒-水浸工藝，鋁鐵浸出率達(dá)90%以上，鈦浸出率為68.66%；

（3）硫酸直接浸出工藝，鈦浸出率為52.78%，鋁鐵浸出率均達(dá)到98%。

探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焙燒-硫酸浸出工藝，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)雖然可觀，但是焙燒溫度較高，工業(yè)生產(chǎn)成本也較大。硫酸化焙燒-水浸工藝和硫酸直接浸出工藝均能獲得較好的鐵、鋁、鈦浸出指標(biāo)，其中鋁鐵浸出率極高，如優(yōu)化工藝條件，浸出指標(biāo)將更好。

3 結(jié) 論

（1）四川某沉積型含鐵高嶺土型銳鈦礦含TiO26.19%、TFe 18.88%、Al2O321.39%、SiO231.90%；礦石主要礦物為銳鈦礦、赤鐵礦、石英、高嶺石、累托石；礦石中鈦主要賦存于銳鈦礦中；礦物組成復(fù)雜，嵌布粒度細(xì)小，最大粒度不到0.02 mm，多呈分散狀、細(xì)分散狀，具有貧、細(xì)、雜的特點(diǎn)，常規(guī)物理選礦方法難以有效分離回收銳鈦礦，有效的選礦方法為化學(xué)選礦（化學(xué)浸出）法。

（2）不同硫酸浸出工藝化學(xué)選礦探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：焙燒-硫酸浸出工藝，鈦的浸出率為75.43%，鋁的浸出率為88.53%，鐵的浸出率為81.18%；硫酸化焙燒-水浸工藝，鋁鐵浸出率達(dá)90%，鈦浸出率為68.66%；硫酸直接浸工藝，鈦浸出率為52.78%，鋁鐵浸出率均達(dá)到98%。其中硫酸化焙燒-水浸工藝和硫酸直接浸出工藝均能獲得較好的浸出指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為該類(lèi)沉積型鈦礦的利用指明了方向。

（3）硫酸直接浸出工藝中，鋁、鐵浸出率均達(dá)到98%，鈦浸出率僅52.78%，但是浸出渣中TiO2品位由6.19%上升至8.92%，可以考慮浸出渣采用硫酸化焙燒-浸出工藝或焙燒-硫酸浸出工藝進(jìn)行二段浸出鈦元素。

（4）硫酸浸出流程以及工藝條件需進(jìn)一步優(yōu)化。以確定具體流程，例如確定浸出階段采用幾段逆流等，并選擇最優(yōu)磨礦細(xì)度、浸出條件或焙燒條件等。

（5）若對(duì)該礦采用硫酸浸出工藝，可采用“硫酸浸出-浸出液鐵鋁鈦分離-浸渣活性二氧化硅制備-廢酸循環(huán)利用”的主導(dǎo)工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)該類(lèi)礦石有價(jià)元素的高效綜合利用，但還需開(kāi)展大量詳盡地研究工作。