用鹽酸浸出含鈦高爐渣富集鈦的試驗研究

馬光強，鄒 敏

（攀枝花學院 生物與化學工程學院，四川 攀枝花 617000）

攀鋼每年產出高爐渣約320萬t，已累積6 000多萬t，渣中TiO2質量分數為20%～23%，除少量用作混凝土填料外，其余大部分都露天堆放在渣場［1-2］。因此，研究含鈦高爐渣的綜合利用有重要的經濟效益和社會效益。用硫酸浸出攀鋼高爐渣，可以提取二氧化鈦及三氧化二鈧，但該法耗酸量大，生產成本高，對環境有一定污染［3］；在1 200～1 300℃下，用NaOH改變含鈦高爐渣的物相組成，然后可用水富集氧化鈦，但該工藝燒堿用量大，成本高，且因硅酸鈉的團聚造成鈦的富集效果不理想［4］；攀鋼鋼鐵研究院將高爐渣高溫選擇性碳化，低溫氯化制備TiCl4，但碳粉損失大，電極易斷裂，氯化殘渣難以處理［5］；隋智通等［6］研究了含鈦型高爐渣選擇性浸出有價組分，工藝清潔，成本低，處理能力大，但因鈣鈦礦晶粒大小不一，以及與尖晶石共生，單體解離效果差，選別困難，且鈣鈦礦富鈦料直接利用價值低，還需進一步去除氧化鈣等雜質。

試驗采用鹽酸浸出法去除高爐渣中的酸溶性組分來富集鈦。初步研究結果表明，該方法可選擇性浸出鈣、鎂、鋁、鐵等組分，同時將絕大部分鈦留于濾渣中，經固液分離后，濾渣中二氧化鈦質量分數提升到40%以上，有望為高爐渣中鈦資源的富集和綜合開發利用提供一種新途徑。

1 試驗部分

1．1 試驗原料、試劑與儀器

原料：高爐渣取自四川攀枝花鋼鐵集團公司巴關河渣場，經破碎、球磨、篩分，取粒度小于100目的爐渣備用，其化學成分見表1。

試劑：分析純鹽酸（科龍化學試劑公司）。

設備：JH-720可見光分光光度計（上海菁華公司），SX-1200℃箱式電爐（綿陽金冠公司），101-3BS型恒溫鼓風干燥箱（常州科林公司）。

1．2 試驗方法

根據計算的酸渣體積質量比，將一定體積和濃度的鹽酸加入到反應裝置中，加熱至設定溫度，再加入一定量高爐渣，攪拌反應一定時間后取出漿料，固液分離后，用去離子水洗滌，濾渣分析各元素質量分數，并進行XRD表征。

1．3 分析與表征

采用硫酸高鐵銨標準溶液滴定法［7］測定高爐渣中的二氧化鈦，采用EDTA絡合滴定法測定鈣、鎂［8］，采用鄰二氮菲分光光度計法測定鐵［9］，采用二甲酚橙分光光度法測定鋁。

表1 高爐渣化學成分 %

采用D／max-2500／PC型轉靶X射線衍射儀進行XRD表征。

2 試驗結果與討論

鹽酸與高爐渣中的各組分反應如下：

2．1 反應溫度對各組分浸出率的影響

鹽酸濃度6mol／L，酸渣體積質量比1．2∶1，反應時間5h，反應溫度對高爐渣中各組分浸出率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 反應溫度對各組分浸出率的影響

由圖1看出：隨反應溫度升高，Mg、Al、Fe浸出率急劇升高，溫度升至90℃時趨于穩定；Ca浸出率隨溫度升高變化不大，因為鈣鈦礦與酸的反應活性較差；Ti浸出率隨溫度升高先增大后減小，因為隨溫度升高，進入溶液中的Ti4＋易水解生成沉淀，致使濾渣中TiO2含量逐漸增加，90℃時達到40%。綜合考慮，反應溫度以控制在90℃較為適宜。

2．2 酸渣體積質量比對各組分浸出率的影響

酸渣體積質量比高，耗酸量大，且反應后產生的廢酸多，處理成本高；酸渣比低，酸解不充分，因此選擇合適的酸渣體積質量比非常重要。反應溫度90℃，鹽酸濃度6mol／L，反應時間5h，酸渣體積質量比對高爐渣中各組分浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 酸渣體積質量比對各組分浸出率的影響

從圖2看出，在酸足量前提下，酸渣體積質量比對各組分浸出率的影響較小，各組分浸出率均維持在較高水平，濾渣中TiO2含量也變化不大。考慮到成本及后續處理的便利，確定酸渣體積質量比以1．1∶1為宜。

2．3 反應時間對各組分浸出率的影響

反應溫度90℃，酸渣體積質量比1．1∶1，鹽酸濃度6mol／L，反應時間對各元素浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 反應時間對各組分浸出率的影響

從圖3看出，隨反應時間延長，Ca、Mg、Al、Fe浸出率增大；5h左右反應趨于平穩，各元素浸出率達到最高。Ti浸出率隨浸出的進行而降低，這是由于隨反應時間延長，液相中鹽酸濃度逐步降低，溶液中TiCl4逐步水解，在反應5h后，Ti的浸出與水解趨于平衡，濾渣中TiO2含量達到最高。綜合考慮，確定反應時間以5h為宜。

2．4 鹽酸濃度對各組分浸出率的影響

反應溫度90℃，酸渣體積質量比1．1∶1，反應時間5h，鹽酸濃度對高爐渣中各組分浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 鹽酸濃度對各組分浸出率的影響

從圖4看出，鹽酸濃度對各組分浸出率的影響比較明顯：隨酸濃度增大，Ca、Mg、Al、Fe浸出率顯著增大，鹽酸濃度＞6mol／L后趨于平穩；而Ti浸出率總體上處于較低水平，僅略有增大，這是由于較高的鹽酸濃度會逐步抑制溶液中TiCl4的水解，使得TiO2浸出率稍有提高。綜合考慮，鹽酸濃度以控制在5～6mol／L為宜。

2．5 綜合試驗

根據上述試驗結果，在優化條件（溫度90℃，反應時間5h，鹽酸濃度6mol／L，酸渣體積質量比1．1∶1）下進行綜合試驗，結果Ca、Mg、Al、Fe浸出率分別為30%、71%、68%、65%。Ti浸出率小于6%，濾渣中TiO2質量分數最大為40%，鈦得到初步富集。此外，酸浸得到含Ca、Mg、Al、Fe廢液，可采用分步沉淀法及萃取法分離。

2．6 XRD分析

圖5為含鈦高爐渣浸出前后的XRD衍射圖。可以看出：爐渣中的鈦元素主要以鈣鈦礦（CaTiO3）和少量鈦鐵礦（FeTiO3）形式存在，其余主要物相為鎂鋁尖晶石（MgAlO2）和透輝石（CaMg（SiO3）2）；鹽酸浸出后，鎂鋁尖晶石和鈦鐵礦物相峰強明顯減弱，而鈣鈦礦和透輝石的峰強無明顯變化，說明酸浸過程中，Mg、Al已大部分轉入到溶液中，而轉入溶液中的Ti是以鈦鐵礦物相存在的那部分；此外出現偏鈦酸（H2TiO3）物相的特征峰，說明鈦在浸出過程中也同時水解生成偏鈦酸。

圖5 高爐渣浸出前后的XRD圖譜

3 結論

用鹽酸浸出含鈦高爐渣，可將TiO2富集到超過40%。適宜的酸浸條件為：反應溫度90℃，酸渣體積質量比1．1∶1，反應時間5h，鹽酸濃度5～6mol／L。在此條件下，Mg、Al、Fe浸出率在65%以上，Ti浸出率低于6%。酸浸過程中，鎂鋁尖晶石和鈦鐵礦大部分進入溶液，鈣鈦礦和透輝石浸出的較少。

［1］孟炳辰，張朝暉，巨建濤．高爐渣資源化循環利用現狀及新途徑［J］．濕法冶金，2011，30（1）：6-10．

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［4］周志明，張丙懷，朱子宗．高鈦型高爐渣的渣鈦分離試驗［J］．鋼鐵釩鈦，1999，20（4）：36-38．

［5］黃家旭，楊仰軍，陸平，等．攀鋼碳化高爐渣低溫氯化試驗研究［J］．鋼鐵釩鈦，2011，32（1）：12-15

［6］隋智通，郭振中，張 力，等．含鈦高爐渣中鈦組分的綠色分離技術［J］．材料與冶金學報，2006，5（2）：93-97．

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