一种改性钛渣钛组分的分离方法

张 武，张 力，王 晨，冯乃祥

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

一种改性钛渣钛组分的分离方法

张 武，张 力，王 晨，冯乃祥

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

研究了碱浸出过程中的影响因素，考察了浸出温度，NaOH溶液的浓度，以及物料粒度和液固比等因素对于浸出效果和回收率的影响.得到了碱浸阶段适宜的工艺条件为:溶液中NaOH的质量分数为15%、浸出温度100℃、浸出时间6 h、液固比20 mL/g、钛渣粒度小于38 μm，搅拌速度500 r/min.采用三段浸出的方法获得了品位为91.42%，回收率为78.47%的人造金红石产品.

改性钛渣;碱浸酸洗;浸出;氢氧化钠;金红石

钛渣与人造金红石、天然金红石都是重要的钛工业原料，在世界富钛料生产中占主要地位［1］.我国钛资源丰富，除少量钛铁砂矿外，主要以钛铁岩矿为主，其缺点是品位低，杂质含量高，不能直接用于氯化法生产钛白，仅适合作硫酸法钛白的原料［2］.张力等［3～5］以钛渣为原料，采用改性处理的办法使钛渣中的钛组分富集到金红石相中，渣中的其他元素以非晶态的形式集中于基体相中，经过分离处理得到高品位的人造金红石产品，可以直接用于氯化法生产钛白.

本文采用碱浸酸洗的方法使改性渣中的钛组分得到富集.所谓碱浸酸洗，是指先用一定浓度的碱溶液浸出物料，再用一定浓度的酸将物料中的杂质溶出，热力学计算表明［6］，酸洗过程极易进行，因而本文着重探讨碱浸出过程的影响因素.

1 实验

1.1 实验原料、试剂和装置

实验物料是经过改性处理的钛渣，其化学成分见表1.实验用氢氧化钠和盐酸均为AR级.浸出的实验装置有水浴锅和搅拌器.反应容器为三口烧瓶.图1和图2是改性后渣样的X射线衍射物相分析结果及背散射显微形貌.图2中白色相a相为金红石相，颜色较深的b相为玻璃相.

表1 改性钛渣的主要化学组成(质量分数)Table 1 Chemcal composition of modified titanium slag(mass fraction) %

改性前渣样的X射线衍射物相分析结果以及背散射显微形貌可以在文献［3］中看到.比较改性前后渣样的物相分析结果和背散射显微形貌可以发现，改性后渣样的物相组成简单，只有玻璃相和金红石相，比原渣中的钛组分容易分离.

1.2 实验方法

称取一定质量的物料，放入三口烧瓶中，加入一定浓度的氢氧化钠溶液，在一定温度下浸出，过滤，取出滤饼，将其放入烧杯中，加入一定浓度的盐酸对滤饼进行洗涤，过滤，再次取出滤饼，烘干，分析其中的TiO2含量.

1.3 实验原理

改性钛渣的碱浸酸洗过程的实验原理可以用以下反应表示:

2 结果与讨论

2.1 温度的影响

图3和图4分别表示浸出温度对于改性渣TiO2品位(以渣中TiO2的质量分数表示)和回收率的影响.品位为38.08%的物料为磨碎后的改性钛渣，品位为50.89%的物料为一次摇床重选后的改性渣，二者的粒度均小于38 μm.

由以上两图可以看出，浸出温度越高，可溶性杂质的溶出越快并且越彻底，这是因为随着温度的升高，溶液中活化分子的数目增加，使反应速度加快.在温度低于60℃时，回收率的变化不大;当温度在60℃到80℃时，回收率明显下降，这是由于温度升高使物料中的TiO2在碱溶液中溶解的速度增加，会有下列反应发生，使回收率开始下降:

当浸出温度高于80℃时，回收率又开始增加，这是由于溶解在碱溶液中的 Na2Ti2O5和Na2Ti3O7重新水解而生成固相物质的缘故.考虑到反应速度的原因，实验温度取100℃为宜.

2.2 时间的影响

图5和图6表示浸出时间对于改性渣品位和回收率的影响.由两图可以看出，随着浸出时间的延长，渣样中TiO2的品位呈缓慢上升趋势.浸出时间越长，渣中TiO2的回收率就越小，但当时间超过6 h以后由于溶液中的 Na2Ti2O5和Na2Ti3O7重新水解而进入固相，使回收率增加.

2.3 NaOH浓度的影响

图7和图8表示NaOH溶液浓度对于改性渣品位和回收率的影响.由这两图可以看出，改性渣中TiO2的质量分数随碱浓度增大显著升高，这说明高浓度的碱能使杂质很好地溶出.以上两图说明碱浓度对于渣中的TiO2含量及回收率有较大影响，因此，在生产工艺中可以考虑适当增加碱液的浓度以提高渣中TiO2的品位，但碱液对环境有污染，且成本较高，实际生产时选择w(NaOH)15%较为合适.

2.4 液固比的影响

图9和图10分别表示液固比(液相体积与固相质量之比)对于改性渣品位和回收率的影响.在液固比为 10、20、25、30 mL/g 的情况下，随着碱液用量增加TiO2品位也增加.在相同时间下，碱液用量增加有利于TiO2品位的提高.原因是随着液固比的下降，相当于同量改性渣条件下氢氧化钠用量的减少，NaOH溶液与渣粒接触不好，影响了反应速度，亦即表现为同样的时间条件下TiO2的质量分数增长幅度减小.液固比为20 mL/g时效果较好，在实际生产中仍然偏大，可以采取循环浸出的方法来解决.

2.5 搅拌速度的影响

图11和图12分别表示搅拌速度对改性高钛渣品位及回收率的影响.改性渣的浸出反应是液固反应，反应速度与液固两相的接触面积有关.搅拌有利于反应体系中的物质的扩散.在本实验条件下，搅拌只是保证反应过程进行的必要条件，浸出反应速率基本不受搅拌强度的影响.

2.6 物料粒度的影响

金红石相在不同粒度区域内的分布情况并不完全相同，不同粒级物料品位也不相同，其品位测定结果以及浸出后的结果列于表2.

图12 搅拌速度对改性钛渣浸出回收率的影响Fig.12 TiO2recovery with different stirring speed

随着改性高钛渣颗粒度的减小，反应速度加快，碱浸酸洗后渣中TiO2含量明显增加.这是因为碱浸改性渣属于固液反应，化学反应在固体颗粒的表面进行，粒度的减小增加了颗粒的比表面积，发生反应的界面面积也随之增加，加快了矿粒表面的反应速度.在湿法冶金中，晶体棱角上的活化能要低于平面上反应活化能的20%，粒度减小增加了颗粒的棱角界面，界面上的原子有剩余价键，降低反应活化能，因此反应速度加快，杂质浸出率提高，故改性渣的粒度越小越好.但粒度太小，对磨矿等预处理的要求就会很高，增加经济成本.

表2 不同粒度对于改性渣品位及回收率的影响Table 2 TiO2content and recovery with different size of slag

3 多段浸出工艺制备高品位人造金红石

通过以上实验对于碱浸酸洗过程影响因素的探索，可以采用比较适宜的工艺条件来制取高品位的人造金红石，通过三段浸出的方法，可以获得比较理想的产品，实验条件为浸出时间8 h，浸出温度 100℃，搅拌速度 500 r/min，液固比20 mL/g，第二段碱浸时间2 h，浸出温度100℃，搅拌速度500 r/min，液固比20 mL/g，第三段碱浸时间2 h，浸出温度100℃，搅拌速度500 r/min，液固比20 mL/g，酸洗阶段的实验条件均为温度:30℃，时间30 min，浸出过程的实验结果列于表3.

表3 多段浸出实验结果Table 3 Results of multi－stage leaching

4 结论

(1)通过对比改性前后渣样的物相分析结果表明，改性后渣样中的钛组分更加容易分离.

(2)通过单因素实验，得到了液固比、温度、氢氧化钠浓度、改性渣粒度和浸出时间对于浸出效果的影响，也得到了较合适的工艺条件.

(3)通过三段浸出的方法获得了品位为91.42%，回收率为78.47%的人造金红石产品.

［1］陈朝华.谈钛渣的生产及应用前景［J］.中国涂料，2004(5):14－16.

(Chen zhao－hua.Manufacture and application prospect of Titanium sludg［J］.China Coatings，2004(5):14 －16.)

［2］胡克俊，锡淦，姚娟，等.我国钛渣生产技术现状［J］.世界有色金属，2007(5):29－32.

(Hu Ke－jun，Xi Gan，Yao Juan，et al.Status quo of domestic titanium slag production technology［J］.World Nonferrous Metals，2007(5):29 －32).

［3］张力.含钛渣中钛的选择性富集和长大行为［D］.沈阳:东北大学，2003.

(Zhang Li，Selective enrichment and growth behavior of Ti component bearing titanium slag［P］.Shenyang:Northeastern University，2003).

［4］Zhang Li，Cao H Y，Lou T P.Selective enrichment of Ti components in Ti－bearing blast furnace slag and coarsening of perovskite phase during the dynamic oxidation［C］//Epd congress 2009，proceedings:2009(15－19):3863－866.

［5］Zhang Li，Zhang L N，Wang M Y.Precipitation selectivity of perovskite phase from Ti－bearing blast furnace slag under dynamic oxidation conditions［J］.Journal of non － crystalline solids，2007，353(22－23):2214－2220.

［6］张菊花.改性高钛渣中金红石相的选择性分离［D］.沈阳:东北大学，2009.

(Zhang Ju－hua.Selective separation of rutile phase in modified high titanium slag［D］.Shenyang:Northeastern University，2009.

Enrichment of titanium components from modified titanium slag

ZHANG Wu，ZHANG Li，WANG Chen，FENG Nai-xiang

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The effects of concentration，temperature，reaction time，particle size，liquid－solid ratio and stirring speed on the TiO2content and the recovery ratio were studied in the alkali leaching process.The authors obtained the appropriate conditions:the concentration of NaOH is 15%，the leaching temperature is 100℃，the leaching time is 6 h，the liquid－solid ratio is20，titanium particle is38 μm，stirring speed is500 r/min.The synthetic rutile products were obtained through the three－stage leaching method.The grade is 91.42%，the recovery ratio is 78.4%.

modified titanium slag;alkali leaching and acid washing;leaching;NaOH;rutile

TF 111.3

A

1671-6620(2011)03-0184-05

2011-06-30.

张武 (1983—)，男，内蒙古赤峰人，东北大学博士研究生;张 力 (1969—)，男，辽宁朝阳人，东北大学副教授，E－mail:zhangl@smm.neu.edu.cn;冯乃祥 (1944—)，男，河北丰润人，东北大学教授，博士生导师.