CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系熔化性溫度研究

彭文烽，楊 娜，楊濛蔭，李 松

（六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004）

中國四川攀枝花地區的釩鈦磁鐵礦儲量巨大，礦產中鈦資源含量占到全國鈦資源儲量的95%左右。在高爐冶煉過程中，由于鈦的氧化物比鐵的氧化物更難被碳還原，導致鈦組分幾乎全部進入到高爐渣中，形成TiO2含量高達20%以上的含鈦高爐渣。

TiO2是制備高品質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，實現其資源化綜合利用具有重要的經濟價值和社會效益。近些年來，針對渣中鈦組分的富集和回收，學者們研究和開發出各種各樣的工藝技術，如酸浸工藝、碳化還原氯化法和選擇性結晶和析出等。其中選擇性結晶和析出方法被認為是最具有工業化應用前景的方法之一，其主要原理是通過調整成分和溫度，使渣中鈦組分在含鈦物相中富集，之后再通過相對應的選礦工藝將含鈦物相與其它相分離。

然而與CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系相關的熔化溫度熱力學性質的研究相對薄弱，使相關工藝的開發缺乏基本的熱力學數據，因此針對CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系熱力學性質的研究顯得極為必要[1-11]。本次研究將借助Factsage熱力學計算軟件，采用熱力學高溫試驗，重點研究CaOSiO2-Al2O3-TiO2體系熔化溫度熱力學性質的影響，建立熔化溫度和成分的變化規律，研究結果不僅可以豐富含鈦氧化物體系的熱力學數據庫，對Factsage熱力學軟件計算結果進行修正，同時對于CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系資源綜合利用具有重要的指導意義。

1 實驗方法

本實驗采用正交實驗方法，試驗共進行16次，CaOSiO2-Al2O3-TiO2體系中的熔化性溫度實驗因素和水平表1所示。

表1 正交實驗因素和水平表/%

試驗各組分取值范圍。

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

2 結果及分析

2.1 實驗安排及結果

見表2。

表2 實驗安排及其結果（直觀分析）

2.2 方差分析

根據試驗結果進行方差分析，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2對體系的熔化性溫度無決定性影響[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

通過直觀分析，試驗六的熔化性溫度最高，試驗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對體系熔化性溫度影響最大，為主導因素，其次是Al2O3，TiO2對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，說明他們的波動不大。

2.4 單因素分析

通過對各組分對熔化性溫度的影響進行分析，如圖1所示。

由圖1可知 ：橫坐標為CaO，SiO2，Al2O3，TiO2各組元含量的變化，縱坐標為CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系的熔化性溫度的變化，根據折線圖可以看出隨著SiO2含量有規律的增加該體系的熔化性溫呈降低趨勢；CaO含量有規律的增加該體系熔化性溫度逐漸升高；Al2O3和TiO2含量有規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對體系熔化性溫度影響最大，為主導因素，其次是Al2O3，TiO2對體系熔化性溫度最小。

圖1 組分變化對熔化性溫度的影響

3 結論

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

（2）Al2O3質量分數為7.00%～16.00%、TiO2質量分數為15.00%～30.00%、SiO2質量分數為22.00%～37.00%，其他成分不變的條件下，隨著CaO質量分數的不斷升高，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2體系熔化性溫度升高；隨著SiO2質量分數升高，爐渣熔化性溫度降低；隨著TiO2質量分數升高，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的質量分數25%，SiO2的質量分數37%，Al2O3的質量分數13%，TiO2的質量分數20%。