釩鈦鐵精礦鈦白廢酸浸出提釩實驗

吳恩輝，李軍，侯靜，徐眾，黃平，劉黔蜀，呂松

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

釩鈦鐵精礦是釩鈦磁鐵礦的重要選礦產品之一，是我國提釩的重要原料[1]。目前，釩鈦鐵精礦主要采用高爐-轉爐工藝得到釩渣，再采用鈉化焙燒-水浸或鈣化焙燒酸浸工藝得到釩產品，整個工藝過程流程長，釩的回收率約為50%[2]。為了提高釩鈦鐵精礦中釩的回收率，國內外研究人員直接以釩鈦鐵精礦為原料，采用鈉化焙燒-水浸[3]、鈣化焙燒-酸浸[4]和預還原-酸浸[5]等工藝提取其中的釩元素，取得了較好的實驗結果。鈦白廢酸是硫酸鈦白工藝過程中的廢棄物，按照目前我國硫酸鈦白產量估計，年產量約為2000萬t[6]。在工業上，主要采用濃縮回收和石灰中和排放兩種方法進行處理，但是濃縮回收成本較高，中和排放產生的鈦石膏的回收利用也尚存難題[7]。近年來，為了更經濟的利用鈦白廢酸，國內外研究人員嘗試利用鈦白廢酸作為浸出劑，浸出硫酸渣[8]、含釩鋼渣[9]、污泥[10]等冶金固廢或低品位復合礦，綜合回收兩者中有價元素，取得了較好的研究結果。本研究以釩鈦鐵精礦為原料，鈦白廢酸為浸出劑，研究浸出工藝參數對釩浸出率的影響，為鈦白廢酸的綜合利用和提高釩鈦磁鐵礦釩回收率提供技術參考。

1 實驗原料及方法

1.1 實驗原料

釩鈦鐵精礦為攀枝花某大型選礦廠所產，其化學成分和物相組成分別見表1和圖1。由表1和圖1可以看出，釩鈦鐵精礦中全鐵約占50%，二氧化鈦和五氧化二釩含量分別為13.96%和0.87%；釩鈦鐵精礦主要物相由磁鐵礦（Fe3O4）和鈦鐵礦（FeTiO3）組成。實驗所用鈦白廢酸為攀枝花某硫酸法鈦白廠所產，硫酸的質量分數為20%。

圖1 釩鈦鐵精礦的物相組成Fig.1 XRD patterns of vanadium titanomagnetite concentrates

表1 釩鈦鐵精礦的化學成分/%Table 1 Chemical composition of vanadium titanomagnetite concentrates

1.2 實驗方法

采用正交實驗法設計實驗過程。首先，研究浸出溫度、浸出時間、液固比和廢酸濃度對釩浸出率的影響，確定較優浸出條件；然后，固定浸出條件，探索焙燒溫度、焙燒時間、碳酸鈉配比和碳酸鉀配比對釩浸出率的影響，確定較優焙燒工藝參數。浸出過程實驗步驟為：首先稱取一定量的釩鈦鐵精礦加入DF-1L型玻璃反應釜，然后按照設定液固比加入鈦白廢酸溶液，同時開始升溫和攪拌；當浸出溫度達到設定值后開始計時，達到設定浸出時間后，立即取出漿液并使用SHZD(lll)循環水式多用真空泵進行抽濾，得到浸出渣和浸出液，浸出渣使用101-2EBS型電熱鼓風干燥箱在120℃烘干2 h，烘干后的浸出渣使用FM-1型制樣粉碎機進行制樣并取樣分析其中V2O5含量。焙燒過程實驗步驟為：按照實驗方案，首先將碳酸鈉、碳酸鉀與釩鈦鐵精礦混合均勻，然后將混合料加入剛玉坩堝；待SX2-9-14TP高溫電爐達到設定焙燒溫度時，加入盛有混合料的剛玉坩堝并計時，當達到設定焙燒時間后，迅速取出坩堝并冷卻；冷卻后的焙燒熟料使用制樣粉碎機進行制樣并取樣分析其中V2O5含量。

原料的物相組成采用X射線衍射法（XRD）進行分析，原料的化學成分采用熒光光譜法（XRF）進行分析，原料、焙燒熟料和浸出渣中的V2O5采用化學滴定法進行分析。V2O5的浸出率按式（1）進行計算。

式中：η—V2O5浸出率，%；m1—原料質量，g；x1—原料中V2O5質量分數，%；m2—浸出渣質量，g；x2—浸出渣中V2O5質量分數，%。

2 結果與討論

2.1 直接浸出實驗

為了研究鈦白廢酸對釩鈦鐵精礦中V2O5浸出的影響，設定浸出溫度、浸出時間、液固比和廢酸濃度作為正交實驗考查因素，以V2O5浸出率為評價標準，采用正交實驗分析法分析各因素對鈦白廢酸直接浸出過程的影響，從而確定較優的浸出條件。正交實驗因素水平見表2，正交實驗結果與分析見表3。由表3可知，對釩浸出率影響較大的因素是液固比，其次是浸出時間和浸出溫度，影響最小的是廢酸濃度。對鈦白廢酸直接浸出釩鈦鐵精礦來說，較優工藝條件為浸出溫度60℃，浸出時間90 min，液固比為5，廢酸濃度為20%。此外，由表2還可看出，在浸出溫度為90℃，浸出時間90 min，液固比為5和廢酸濃度為20%時，釩鈦鐵精礦中V2O5的浸出率較高，其值為71.05%。

表2 正交實驗因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交實驗結果與分析Table 3 L9(34) orthogonal experimental results and statistical analysis

浸出過程各因素對V2O5浸出率的影響見圖2。由圖2可知，隨著浸出溫度的升高，V2O5的浸出率先升后降，浸出溫度為60℃較優；隨著浸出時間的延長，V2O5的浸出率逐漸提高；隨著液固比的提高，V2O5的浸出率先升高后略有下降；隨著廢酸濃度的升高，V2O5的浸出率逐漸提高。由此可見，對釩鈦鐵精礦鈦白廢酸浸出過程來說，可以適當提高廢酸濃度或延長浸出時間，以促進V2O5浸出率的提高，但是廢酸濃度已經是較高濃度，所以可以調整的僅剩浸出時間一個因素。

圖2 V2O5浸出率隨浸出各因素的變化曲線Fig.2 Variation curve change of V2O5 leaching rate with leaching different factors

2.2 焙燒-浸出實驗

為了進一步研究焙燒工藝參數對鈦白廢酸浸出釩鈦鐵精礦中V2O5的影響規律，固定浸出條件為：浸出溫度60℃，浸出時間180 min，液固比為5，廢酸濃度為20%。設定焙燒溫度、焙燒時間、碳酸鈉配比和碳酸鉀配比作為正交實驗考查因素，以V2O5浸出率為評價標準，采用正交實驗分析法分析焙燒工藝參數對V2O5浸出率的影響，從而確定較優的焙燒工藝參數。正交實驗因素水平見表4，正交實驗結果與分析見表5。由表4可知，對釩浸出率影響程度由大到小分別是焙燒溫度、碳酸鉀配比、碳酸鈉配比和焙燒時間。對焙燒過程來說，較優工藝參數為焙燒溫度1000℃，焙燒時間2 h，碳酸鈉配比為10%，碳酸鉀配比為10%。此外，由表5還可看出，在焙燒溫度為1000℃，焙燒時間1 h，碳酸鈉配比為5%和碳酸鉀配比為10%時，釩鈦鐵精礦中V2O5的浸出率較高，其值為84.48%。

表4 正交實驗因素水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test

表5 正交實驗結果與分析Table 5 Orthogonal experimental results and statistical analysis

焙燒過程各因素對V2O5浸出率的影響見圖3。由圖3可知，隨著焙燒溫度的升高和焙燒時間的延長，V2O5的浸出率先升后降，較為適宜的焙燒溫度和焙燒時間分別為1000℃和2 h；隨著碳酸鈉配比和碳酸鉀配比的增加，V2O5的浸出率均逐漸提高。由此可見，焙燒工藝參數對釩鈦鐵精礦鈦白廢酸浸出過程來說，可以適當提高碳酸鈉或碳酸鉀的配比，以促進V2O5浸出率的提高，但是過量的鈉鹽或鉀鹽的添加，一方面成本增加，另一方面也生產較多的低熔點產物，不利于焙燒過程的進行。

圖3 V2O5浸出率隨焙燒各因素的變化曲線Fig.3 Variation curve change of V2O5 leaching rate with different roasting factors

3 結 論

（1）釩鈦鐵精礦鈦白廢酸直接浸出正交實驗結果表明，隨著浸出溫度和液固比的升高，V2O5的浸出率先升后降，適宜的浸出溫度和液固比分別為60℃和5；隨著浸出時間的延長和鈦白廢酸濃度的提高，V2O5的浸出率逐漸提高。在浸出溫度為90℃，浸出時間90 min，液固比為5和廢酸濃度為20%時，V2O5的浸出率為71.05%。

（2）釩鈦鐵精礦焙燒-酸浸正交實驗結果表明，隨著焙燒溫度的升高和焙燒時間的延長，V2O5的浸出率先升后降，較為適宜的焙燒溫度和焙燒時間分別為1000℃和2 h；隨著碳酸鈉配比和碳酸鉀配比的增加，V2O5的浸出率均逐漸提高。在焙燒溫度為1000℃，焙燒時間1 h，碳酸鈉配比為5%和碳酸鉀配比為10%時，V2O5的浸出率可達84.48%。

（3）焙燒過程雖然可以促進釩鈦鐵精礦中V2O5的浸出，但是也會大幅度增加成本和浸出渣中鐵和鈦的綜合利用難度，因此兩種工藝相比較，采用鈦白廢酸直接浸出更為經濟。