酸溶性鈦渣改性條件與機制研究

徐本軍，張 瑩，唐道文，董 強

（貴州大學 材料科學與冶金工程學院，貴州 貴陽 550003）

隨著鈦工業的迅速發展，富鈦料已供不應求。2010年，我國鈦白產量約147萬t，海綿鈦產量超過5.7萬t［1－2］，約需要263萬t富鈦料（以 TiO2質量分數90%計）。由于企業設備和技術的限制，我國符合要求的富鈦料產量遠不能滿足需求［3］，相當一部分依靠進口，制約了鈦工業的發展。發展氯化法不僅有利于環保，而且可生產出優質鈦白產品。如何生產高質量的富鈦料以供應氯化法鈦白和海綿鈦的生產，是鈦工業發展中的一大問題。

通過添加適合的改性劑，對貴州省遵義鈦業提供的酸溶性鈦渣進行改性研究，以獲得更易酸浸的高品位富鈦料［4］。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與設備

試驗采用的酸溶性鈦渣粒度為120～160目，其主要化學成分見表1。鈦渣的主要雜質為Fe和Si，其他雜質總量占1.98%。主要物相為低價鈦和不同價態的鐵氧化物，大部分與Mn等雜質形成結構復雜的晶體結構（稱為黑鈦石固溶體），還有部分與 MgO形成塔基石固溶體［5－6］；此外還有少量游離TiO2。

焙燒改性使用220V－AC電子萬用電爐，酸浸使用DF－101S電磁攪拌器，元素分析采用VIS－7220N可見分光光度計，物相分析采用X’Pert PRO X射線多晶衍射儀。

表1 酸溶性鈦渣的主要成分 %

1.2 試驗方法

前期探索試驗已找到2種改性劑A和B，本試驗對比這2種改性劑對酸溶性鈦渣的影響程度，選出更合適的改性劑。

主要試驗步驟：1）稱取50g酸溶性鈦渣于剛玉坩堝內，與一定量改性劑混勻，置于電爐上；2）在高溫下焙燒一定時間，冷卻至室溫后取出；3）將燒渣破碎至160～200目，與鹽酸、攪拌轉子一同放入反應器皿中，采用油浴加熱方式進行加熱攪拌浸出。浸出條件：鹽酸質量分數25%，浸出溫度105℃，反應時間24h，液固體積質量比4∶1。

2 試驗結果與討論

2.1 2種改性劑的影響

稱取2份酸溶性鈦渣分別與改性劑A、B混合，改性劑添加量均為10%。在850℃下焙燒2 h，然后對燒渣進行酸浸。浸出渣中TiO2質量分數及雜質Fe、Si脫除率如圖1所示。可以看出：添加劑A與添加劑B相比，雖然雜質Si的脫除率較低，但浸出渣中TiO2質量分數較高，且雜質Fe脫除率較高，總體效果更好。因此，以下試驗均選用添加劑A。

圖1 不同改性劑對燒渣酸浸渣中TiO2質量分數及雜質Fe、Si脫除率的影響

2.2 添加劑用量的影響

將酸溶性鈦渣與不同用量改性劑混勻，在1 000℃下焙燒2h，燒渣酸浸渣中TiO2質量分數及雜質Fe、Si的脫除率如圖2所示。可以看出：浸出渣中TiO2質量分數及雜質Fe、Si脫除率均隨改性劑用量增加而增大；添加劑用量為15%時，TiO2質量分數最高，為83.46%，雜質Fe和Si脫除率最高。

圖2 改性劑添加量的影響

2.3 焙燒溫度的影響

將酸溶性鈦渣與15%改性劑混勻后在不同溫度下焙燒2h，燒渣酸浸渣中TiO2質量分數及雜質Fe、Si脫除率如圖3所示。可以看出：浸出渣中TiO2質量分數及雜質Fe、Si脫除率均隨焙燒溫度升高而升高；焙燒溫度為1 150℃時，TiO2質量分數最高，為86.27%，Fe脫除率為81.87%，Si脫除率為42.49%。

圖3 焙燒溫度的影響

2.4 焙燒時間的影響

將酸溶性鈦渣與15%改性劑混勻后在1 150℃下焙燒，燒渣酸浸后的富集渣中TiO2質量分數及雜質Fe、Si脫除率如圖4所示。可以看出：焙燒時間從1h增加到2h，TiO2質量分數增加明顯，焙燒2h時，TiO2質量分數最高；繼續延長焙燒時間，TiO2質量分數反而降低。雜質Fe和Si的脫除率與TiO2質量分數變化趨勢基本一致。

圖4 焙燒時間的影響

3 改性機制

添加改性劑A或B焙燒后的鈦渣的X射線衍射譜圖如圖5所示。可以看出，加改性劑A焙燒后的鈦渣的雜峰較加改性劑B焙燒的鈦渣的雜峰有所減少，但出現少量其他物相峰，且含Ti主峰強度增強。這是因為改性劑A在高溫下可破壞結構致密復雜的晶體結構，使固溶體中的雜質Mn、Mg、Fe等可以與鈦分離，低價態的鐵被氧化成易溶于鹽酸的Fe2O3，鈦被氧化成TiO2，并在化學位梯度驅動下形成金紅石相。焙燒過程中發生的反應的熱力學方程見表2。在1 423K溫度下，反應的吉布斯自由能均小于0，有利于反應的進行。

圖5 焙燒后的鈦渣的X射線譜圖

表2 改性過程中的反應及吉布斯自由能

4 結論

1）酸溶性鈦渣組成復雜，主要由黑鈦石固溶體組成，用傳統酸浸法難以除去雜質Fe和Si。

2）加改性劑A焙燒后可改變酸溶性鈦渣的物相組成，可使黑鈦石固溶體中的鈦鐵分離，同時低價鈦氧化成金紅石相，鐵氧化成Fe2O3，部分SiO2也可通過焙燒增強活性。

3）在改性劑A添加量15%、焙燒溫度950℃、焙燒時間2h條件下，焙燒效果最好，可得到TiO2質量分數為86.27%的富鈦渣，雜質Fe、Si脫除率分別為81.87%和42.49%。

［1］韓志彪，常福增.中國鈦工業發展的原料問題及對策［J］.鈦工業進展，2012，29（1）：5－8.

［2］王向東，逯福生，賈翔，等.2010年中國鈦工業發展報告［J］.鈦工業進展，201l，28（4）：l－6.

［3］余家華，劉洪貴.國內外鈦礦和富鈦料生產現狀及發展趨勢［J］.有色金屬，2003（6）：4－8.

［4］董強，李軍旗，徐本軍，等.用廢鹽酸從鈦鐵精礦中浸出鈦和鐵的試驗研究［J］.濕法冶金，2013，32（1）：38－40.

［5］雷霆，米家蓉，周林，等.電爐鈦渣相組成和除雜機制研究［J］.稀有金屬，2007，31（1）：93－97.

［6］徐福昌，廖亞龍，雷鷹，等.改性對高鈦渣物相組成的影響研究［J］.鈦工業進展，2011，28（1）：21－24.