酸溶性钛渣改性条件与机制研究

徐本军，张 莹，唐道文，董 强

（贵州大学 材料科学与冶金工程学院，贵州 贵阳 550003）

随着钛工业的迅速发展，富钛料已供不应求。2010年，我国钛白产量约147万t，海绵钛产量超过5.7万t［1－2］，约需要263万t富钛料（以 TiO2质量分数90%计）。由于企业设备和技术的限制，我国符合要求的富钛料产量远不能满足需求［3］，相当一部分依靠进口，制约了钛工业的发展。发展氯化法不仅有利于环保，而且可生产出优质钛白产品。如何生产高质量的富钛料以供应氯化法钛白和海绵钛的生产，是钛工业发展中的一大问题。

通过添加适合的改性剂，对贵州省遵义钛业提供的酸溶性钛渣进行改性研究，以获得更易酸浸的高品位富钛料［4］。

1 试验部分

1.1 试验原料与设备

试验采用的酸溶性钛渣粒度为120～160目，其主要化学成分见表1。钛渣的主要杂质为Fe和Si，其他杂质总量占1.98%。主要物相为低价钛和不同价态的铁氧化物，大部分与Mn等杂质形成结构复杂的晶体结构（称为黑钛石固溶体），还有部分与 MgO形成塔基石固溶体［5－6］；此外还有少量游离TiO2。

焙烧改性使用220V－AC电子万用电炉，酸浸使用DF－101S电磁搅拌器，元素分析采用VIS－7220N可见分光光度计，物相分析采用X’Pert PRO X射线多晶衍射仪。

表1 酸溶性钛渣的主要成分 %

1.2 试验方法

前期探索试验已找到2种改性剂A和B，本试验对比这2种改性剂对酸溶性钛渣的影响程度，选出更合适的改性剂。

主要试验步骤：1）称取50g酸溶性钛渣于刚玉坩埚内，与一定量改性剂混匀，置于电炉上；2）在高温下焙烧一定时间，冷却至室温后取出；3）将烧渣破碎至160～200目，与盐酸、搅拌转子一同放入反应器皿中，采用油浴加热方式进行加热搅拌浸出。浸出条件：盐酸质量分数25%，浸出温度105℃，反应时间24h，液固体积质量比4∶1。

2 试验结果与讨论

2.1 2种改性剂的影响

称取2份酸溶性钛渣分别与改性剂A、B混合，改性剂添加量均为10%。在850℃下焙烧2 h，然后对烧渣进行酸浸。浸出渣中TiO2质量分数及杂质Fe、Si脱除率如图1所示。可以看出：添加剂A与添加剂B相比，虽然杂质Si的脱除率较低，但浸出渣中TiO2质量分数较高，且杂质Fe脱除率较高，总体效果更好。因此，以下试验均选用添加剂A。

图1 不同改性剂对烧渣酸浸渣中TiO2质量分数及杂质Fe、Si脱除率的影响

2.2 添加剂用量的影响

将酸溶性钛渣与不同用量改性剂混匀，在1 000℃下焙烧2h，烧渣酸浸渣中TiO2质量分数及杂质Fe、Si的脱除率如图2所示。可以看出：浸出渣中TiO2质量分数及杂质Fe、Si脱除率均随改性剂用量增加而增大；添加剂用量为15%时，TiO2质量分数最高，为83.46%，杂质Fe和Si脱除率最高。

图2 改性剂添加量的影响

2.3 焙烧温度的影响

将酸溶性钛渣与15%改性剂混匀后在不同温度下焙烧2h，烧渣酸浸渣中TiO2质量分数及杂质Fe、Si脱除率如图3所示。可以看出：浸出渣中TiO2质量分数及杂质Fe、Si脱除率均随焙烧温度升高而升高；焙烧温度为1 150℃时，TiO2质量分数最高，为86.27%，Fe脱除率为81.87%，Si脱除率为42.49%。

图3 焙烧温度的影响

2.4 焙烧时间的影响

将酸溶性钛渣与15%改性剂混匀后在1 150℃下焙烧，烧渣酸浸后的富集渣中TiO2质量分数及杂质Fe、Si脱除率如图4所示。可以看出：焙烧时间从1h增加到2h，TiO2质量分数增加明显，焙烧2h时，TiO2质量分数最高；继续延长焙烧时间，TiO2质量分数反而降低。杂质Fe和Si的脱除率与TiO2质量分数变化趋势基本一致。

图4 焙烧时间的影响

3 改性机制

添加改性剂A或B焙烧后的钛渣的X射线衍射谱图如图5所示。可以看出，加改性剂A焙烧后的钛渣的杂峰较加改性剂B焙烧的钛渣的杂峰有所减少，但出现少量其他物相峰，且含Ti主峰强度增强。这是因为改性剂A在高温下可破坏结构致密复杂的晶体结构，使固溶体中的杂质Mn、Mg、Fe等可以与钛分离，低价态的铁被氧化成易溶于盐酸的Fe2O3，钛被氧化成TiO2，并在化学位梯度驱动下形成金红石相。焙烧过程中发生的反应的热力学方程见表2。在1 423K温度下，反应的吉布斯自由能均小于0，有利于反应的进行。

图5 焙烧后的钛渣的X射线谱图

表2 改性过程中的反应及吉布斯自由能

4 结论

1）酸溶性钛渣组成复杂，主要由黑钛石固溶体组成，用传统酸浸法难以除去杂质Fe和Si。

2）加改性剂A焙烧后可改变酸溶性钛渣的物相组成，可使黑钛石固溶体中的钛铁分离，同时低价钛氧化成金红石相，铁氧化成Fe2O3，部分SiO2也可通过焙烧增强活性。

3）在改性剂A添加量15%、焙烧温度950℃、焙烧时间2h条件下，焙烧效果最好，可得到TiO2质量分数为86.27%的富钛渣，杂质Fe、Si脱除率分别为81.87%和42.49%。

［1］韩志彪，常福增.中国钛工业发展的原料问题及对策［J］.钛工业进展，2012，29（1）：5－8.

［2］王向东，逯福生，贾翔，等.2010年中国钛工业发展报告［J］.钛工业进展，201l，28（4）：l－6.

［3］余家华，刘洪贵.国内外钛矿和富钛料生产现状及发展趋势［J］.有色金属，2003（6）：4－8.

［4］董强，李军旗，徐本军，等.用废盐酸从钛铁精矿中浸出钛和铁的试验研究［J］.湿法冶金，2013，32（1）：38－40.

［5］雷霆，米家蓉，周林，等.电炉钛渣相组成和除杂机制研究［J］.稀有金属，2007，31（1）：93－97.

［6］徐福昌，廖亚龙，雷鹰，等.改性对高钛渣物相组成的影响研究［J］.钛工业进展，2011，28（1）：21－24.