酸浸富集鈦渣煙塵中TiO2 工藝研究

陳 林，雷 霆，李 楠

(1. 昆明理工大學，云南 昆明 650093)

(2. 昆明冶金高等專科學校，云南 昆明 650033)

0 引 言

受航空航天業、醫療及海運等行業的推動，海綿鈦及鈦白的生產被世界各國所重視。高鈦渣作為海綿鈦和鈦白生產的重要原料具有不可替代的地位。在電爐熔煉高鈦渣過程中，會產生大量的煙氣及煙塵。所產生的煙氣經電爐人字煙管進入冷卻系統和凈化系統做冷卻凈化處理后，利用其較高的燃燒熱值可主要用于鈦鐵礦、鐵水包及渣包干燥預熱以及鈦渣成品干燥。所產生的煙塵則由收塵設備收集后堆積在尾礦庫待處理。

據云南某公司統計，該廠高鈦渣年產量為80 kt時，回收的鈦渣煙塵可達4 ～5 kt。以此比例計算，世界年產高鈦渣2 500 kt，所產生的鈦渣煙塵則達到125 ～156 kt。這些煙塵若直接排入空氣，不但會對周圍環境造成巨大污染，而且煙塵中大量有價值的物質也會白白浪費掉［1］。

近年來，隨著人們對不可再生資源保護意識的增強和國家環保法律法規的不斷完善，治理電爐熔煉鈦渣產生的煙塵勢在必行［2］。昆明理工大學冶金與能源工程學院以云南某公司高鈦渣熔煉所產生的鈦渣煙塵為回收對象，探索了鈦渣煙塵回收再利用方法。提出采用酸浸方法對煙塵中的TiO2進行富集，富集后再進行造粒處理，達到入爐熔煉的要求，同時采用負壓蒸發等技術對酸浸過程產生的廢酸和鹽進行處理，達到循環再利用的目的。

本實驗為其中的酸浸富集工藝研究部分。實驗以云南某公司提供的加了絮凝劑結塊的煙塵為原料，首先委托昆明冶金研究院做了化學成分分析，結果見表1。

表1 鈦渣煙塵的主要化學成分(w/%)Table 1 Main chemical composition of titanium slag smoke dust

由表1 可知，鈦渣煙塵中主要含有Fe、Ti、Si、Al、Mg、Mn 等元素，并多以氧化物的形式存在，其中TiO2的含量為38.29%，Fe 的含量為23.27%，有很高的回收利用價值。由于Fe、Ca、Mg 等氧化物均可溶于鹽酸和稀硫酸中，并反應生成可溶性的鹽，因此可通過酸浸鈦渣煙塵的方法除去煙塵中大部分的Fe、Al、Ca、Mg 等，使TiO2得到富集，從而達到回收再利用的目的。

酸浸過程中主要會發生如下反應(以鹽酸為例)［3-4］:

酸浸過程中還會有少量的鈦溶解于鹽酸中并發生水解反應，其主要反應式如下:

從上述反應可知，鹽酸可以有效將煙塵中的其他物質浸出，但在一定條件下，鈦也可能溶出，所以確定酸浸過程中的浸出條件具有重要意義。為此，對酸浸回收鈦渣煙塵中酸的種類、濃度、酸浸時間、酸浸溫度等進行了研究，旨在獲得最佳工藝參數，實現由鈦渣煙塵制取富鈦料的目的。

1 實 驗

分別稱取100 g 塊狀煙塵，研磨至74 μm，按照10 ∶1的液固比量取一定濃度的酸溶液，并將鈦渣煙塵加入到盛有酸溶液的密閉容器中，然后放入至帶有攪拌的電熱恒溫油浴鍋中，在一定溫度下反應一定時間后，關閉開關取出容器。待溶液冷卻后，將反應后的礦漿取出，經水洗、過濾、濾渣烘干、稱量后，對濾渣的化學成分進行分析，并計算TiO2的回收率。具體實驗流程如圖1 所示。

圖1 酸浸法回收鈦渣煙塵的流程圖Fig.1 Flow chart of recycling titanium slag smoke dust by acid leaching

影響酸浸效果的因素有很多，本研究主要考慮酸的種類、酸的濃度、酸浸時間以及酸浸溫度(每組試驗的具體條件參見“結果與討論”部分)，并依據浸出煙塵中TiO2質量分數的高低對試驗結果進行判斷。

2 結果與討論

2.1 酸的種類的影響

在酸浸時間為2 h，酸濃度為4 mol·L-1，酸浸溫度為120 ℃、液固比為10 ∶1 的條件下，研究鹽酸和硫酸對濾渣中TiO2品位及回收率的影響，試驗結果如表2 所示。

表2 酸的種類對浸出結果的影響Table 2 The influence of acids variety on acid leaching results

從表2 可知，選用鹽酸用于浸取鈦渣煙塵的效果比硫酸好，經鹽酸處理后的鈦渣煙塵中TiO2的質量分數較硫酸處理后的高，其主要原因是硫酸與鈣、鎂等反應生成的硫酸鈣、硫酸鎂均為微溶物，不能通過固液分離的方法將其去除。而鹽酸雖然具有揮發性，對設備抗腐蝕性的要求較硫酸高，但鹽酸更易于循環使用且浸出效果好，因此選用具有揮發性的濃鹽酸做為浸出酸。

2.2 酸的濃度的影響

在酸浸時間為2 h，液固比為10 ∶1，酸浸溫度為120 ℃，并以鹽酸作為浸出酸的條件下，分別研究了2、3、4、5、6 mol·L-15 種不同的酸濃度對濾渣中TiO2品位及回收率的影響，試驗結果如表3 所示。

表3 酸的濃度對浸出結果的影響Table 3 The influence of acids concertration on acid leaching results

酸濃度對濾渣中TiO2及Fe 的質量分數的影響如圖2 所示。由表3 及圖2 可知，隨著鹽酸濃度增加，濾渣中Fe 的質量及質量分數均減小，TiO2質量及其回收率也逐漸降低。但當鹽酸濃度大于4 mol·L-1時，濾渣中Fe 的質量減少不明顯。這是由于隨著鹽酸濃度升高，Fe 與鹽酸的反應更加充分，當鹽酸濃度達到4 mol·L-1時，Fe 與鹽酸基本完全反應;而隨著鹽酸濃度的增加，部分TiO2會溶解于鹽酸中，故TiO2的回收率略有下降，而由于Fe 減少的更多的緣故，濾渣中TiO2質量分數反而增加。綜合知，當鹽酸濃度為4 mol·L-1時，Fe 的浸出率和TiO2的回收率均較高，所以選擇鹽酸的濃度為4 mol·L-1作為最佳的酸浸濃度。

圖2 濾渣中TiO2 和Fe 質量分數隨酸濃度的變化Fig.2 Mass fraction of TiO2 and Fe under different concentration of acids

2.3 酸浸時間的影響

在液固比為10 ∶1、酸浸溫度為120 ℃、鹽酸作為浸出酸且濃度為4 mol·L-1的條件下，分別研究了1、1.5、2、2.5、3、3.5 h 6 種不同酸浸時間對濾渣中TiO2品位及回收率的影響，結果如表4 所示。

表4 酸浸時間對浸出結果的影響Table 4 The influence of leaching time on acid leaching results

圖3 為酸浸時間對濾渣中TiO2和Fe 質量分數的影響。由試驗結果可知，酸浸時間越短，Fe 的浸出率越低，隨著酸浸時間的增加，Fe 的浸出率提高，濾渣中TiO2的質量增加，而當酸浸時間增加到2.5 h 后，濾渣中TiO2的質量及質量分數均略有下降。這說明當酸浸時間較短時，鹽酸與Fe 反應不充分，隨著時間的增加，鹽酸與Fe 反應更徹底，Fe的浸出率增高，當酸浸時間增加到2.5 h 以后，由于鹽酸濃度降低，FeO·TiO2與濃鹽酸發生反應生成的TiOCl2在低濃度的酸溶液中部分水解，導致濾渣中TiO2的質量與回收率略有下降。考慮到當時間增加到一定程度時，酸浸時間對Fe 的浸出率的影響減弱，以及試驗效率、生產成本等因素，故選擇浸出時間為2.5 h 為宜。

圖3 濾渣中TiO2 和Fe 質量分數隨酸浸時間的變化Fig.3 Mass fraction of TiO2 and Fe under different leaching time

2.4 酸浸溫度的影響

在液固比為10 ∶1、酸浸時間為2.5 h、鹽酸作為浸出酸且濃度為4 mol·L-1的條件下，分別研究了100、110、115、120、125、130 ℃6 種不同酸浸溫度對濾渣中TiO2品位及回收率的影響，試驗結果如表5 及圖4 所示。

表5 酸浸溫度對浸出結果的影響Table 5 The influence of leaching temperature on acid leaching results

圖4 濾渣中TiO2 和Fe 質量分數隨酸浸溫度的變化Fig.4 Mass fration of TiO2 and Fe under different leaching temperature

由表5 及圖4 所示的結果可知，隨著酸浸溫度的升高，濾渣中Fe 的質量及質量分數均降低，而TiO2質量及回收率基本無變化、質量分數逐漸提高。當溫度達到120 ℃時，Fe 基本反應完全，濾渣中TiO2的質量分數可達到58.52%。當酸浸溫度超過120 ℃時，濾渣中Fe 的質量無明顯變化，但濾渣中Fe 的質量分數在逐漸下降。表明隨著酸浸溫度的升高，Fe 的浸出率在逐漸提高。故綜合考慮鈦的浸出率及生產成本，選擇120 ℃為適宜的酸浸溫度。

3 結 論

在酸浸溫度為120 ℃、酸浸時間為2.5 h、液固比為10 ∶1、浸出酸為鹽酸且濃度為4 mol·L-1的酸浸出條件下，能夠較徹底地去除鈦渣煙塵中大部分的Fe、Ca、Mg、Al 等的氧化物，使鈦渣煙塵中TiO2質量分數提高至58.5%，實現由鈦渣煙塵制取富鈦料的目的，對鈦資源的回收利用具有一定指導意義。

［1］唐振寧. 鈦渣的生產概況及在鈦白粉中的使用趨向［J］.中國涂料，2006，21(10):53 -56.

［2］李傳薪. 鋼鐵廠設計原理［M］. 北京:冶金工業出版社，1995:289 -304.

［3］韓豐霞，雷霆，黃世弘，等. 大功率密閉直流電弧爐冶煉鈦渣煙氣凈化工藝研究［J］. 輕金屬，2011(1):48-53.

［4］王青，姜華. 高鈦渣密閉電爐煙氣的回收利用技術［J］.有色金屬設計，2011，38(4):12 -16.