杂质成分在含钛炉渣硫酸法制钛白中的去向分析

王斌，李春，杨仰军

（1.四川大学化学工程学院，四川成都610065；2.攀钢集团研究院有限公司）

杂质成分在含钛炉渣硫酸法制钛白中的去向分析

王斌1，李春1，杨仰军2

（1.四川大学化学工程学院，四川成都610065；2.攀钢集团研究院有限公司）

为了考察含钛炉渣作为硫酸法钛白生产原料的可行性，分析研究了含钛炉渣的物相组成以及硫酸法钛白生产过程中杂质成分氧化钙、氧化镁、三氧化二铝、二氧化硅、全铁（TFe）、钒和铬等的去向，并对制得的钛白初品质量进行了分析。结果表明，含钛炉渣中的杂质元素二氧化硅、钒、铬和氧化钙主要进入酸解残渣，氧化镁、三氧化二铝、全铁等主要进入偏钛酸过滤洗涤得到的废液中，进入最终钛白产品的杂质含量很低，不会影响产品质量。

含钛炉渣；物相；硫酸法；钛白；杂质成分

用于硫酸法钛白生产的钛原料有钛精矿、酸溶性钛渣和低品位钛渣等，其中钛精矿和酸溶性钛渣是目前钛白生产的主要原料，低品位钛渣是TiO2品位较酸溶性钛渣低的钛原料，它主要来自于各类冶炼电炉，含钛炉渣即是其中的一种。本研究使用的含钛炉渣是由钒钛磁铁矿经转底炉直接还原得到，TiO2品位为40%～50%，与钛精矿接近，比酸溶性钛渣要低，但硅、钙、镁、铝、铬等杂质含量明显较高。杂质对钛白产品的质量影响很大，如文献［1］中提到，钛精矿中的杂质元素含量为w（P2O5）＞0.02%、w（Nb2O5）＞0.2%、w（V2O5）＞0.2%、w（SiO2）＞0.2%、w（Al2O3）＞1%、w（Mn）＞1.5%时，不能用于生产颜料钛白粉。为了考察以该钛渣为原料在现有硫酸法工艺水平条件下制取颜料级钛白粉的可行性，本文对部分常规的杂质元素在钛白生产流程中的去向进行了分析。

1　实验条件及方法

主要原料：含钛炉渣、浓硫酸等。含钛炉渣主要成分及典型含量见表1。

表1　含钛炉渣的主要成分及含量%

主要设备：酸解装置、水解装置及相关分析仪器和设备等。

实验方法：将含钛炉渣与浓硫酸反应得到钛液和残渣，钛液经净化和浓缩得到浓钛液，浓钛液再经水解制得偏钛酸（即水合二氧化钛），将偏钛酸过滤、洗涤、盐处理和煅烧，即可得到钛白初品。

含钛炉渣和浓硫酸发生的化学反应主要有：水解过程发生的主要反应为：

2　实验结果与分析

2.1含钛炉渣物相分析

含钛炉渣为黑色，较脆，有金属光泽。含钛炉渣的物相主要有黑钛石、辉石、其他硅酸盐、黄铁矿（硫化铁）和少量的金属铁，未发现有金红石相。其中，黑钛石体积分数为35%～37%，辉石的体积分数为19%～21%，其他硅酸盐相体积分数为39%～41%，黄铁矿与金属铁体积分数为3%～5%。与普通酸溶性钛渣（黑钛石体积分数通常在75%～90%左右，硅酸盐相体积分数为1%～7%）相比，含钛炉渣的黑钛石物相含量明显较少，而硅酸盐相含量明显过多。含钛炉渣形貌见图1。

图1　含钛炉渣形貌

从图1可知，含钛炉渣的物相主体为硅酸盐和辉石，黑钛石呈小块连续或不连续区域分布其间；金属铁呈小球状嵌入物相；黄铁矿呈细砂状随机散布在硅酸盐相和辉石相中。对各物相的能谱分析表明，黑钛石的物相组成主要为Mg、Al、Ti和V的氧化物，硅酸盐和辉石物相中包含了各类元素。Ti主要分布于黑钛石物相，在硅酸盐、辉石和硫化铁中有少量分布；V主要分布于黑钛石物相；Cr主要分布于硅酸盐物相。通常情况下，黑钛石为易酸解物相，硅酸盐或辉石等其他物相为难溶物相，物相溶解性能好坏，将会影响各类元素入液率。

2.2在酸解工序的去向

含钛炉渣酸解得到的钛液和残渣，在钛液TiO2质量浓度为120 g/L左右时，CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TFe、V和Cr杂质的含量见表2。从表2可知，酸解得到的钛液中MgO和Al2O3的质量浓度较高，分别为16.70、7.59 g/L，其次为TFe约2.18 g/L，CaO、SiO2、V、Cr的质量浓度较低，分别为0.578、0.038、0.031、0.090 g/L；酸解残渣中，SiO2和Al2O3的质量分数最高，分别为40.97%、18.96%，CaO和MgO质量分数相当，分别为8.00%和7.29%，V和Cr质量分数均约为0.3%。经计算可知，含钛炉渣酸解过程中，TFe和MgO的入液率最高，分别为98.24%、96.14%，其次是Al2O3为81.32%，CaO的入液率为43.99%，Cr和V分别为22.51%、8.52%，SiO2的入液率最低为1.00%，余量均进入酸解残渣中。Fe、Mg和Al的硫酸盐为易溶物，它们进入钛液的比例较高；CaSO4为微溶物，Si为难溶成分，在钛液中的部分主要以胶体形式存在。与钛精矿或酸溶性钛白制钛白相比［2-3］，含钛炉渣酸解时Cr和V的入液率明显较低，这是由于Cr主要分布于难溶的硅酸盐物相，酸解后大部分Cr仍留存于残渣中；V的溶出率较低，可能是含钛炉渣在强还原气氛下生成了某种难酸解的钒尖晶石物相［4］。

表2　杂质在钛液和残渣中的含量及分布

2.3在水解及过滤洗涤中的去向

钛液水解得到偏钛酸浆料，经过滤洗涤，得到偏钛酸和废液（包括滤液和洗水）。各杂质在偏钛酸（经150℃干燥）和废液中含量见表3。

表3　杂质在偏钛酸和废液中的含量

从表3可知，经水解后，进入后工序的偏钛酸中的CaO、MgO、Al2O3质量分数均＜0.5%，w（SiO2）＜0.02%，w（TFe）＜0.003%，这是由于CaO、MgO、Al2O3的硫酸盐可溶于水，SiO2的胶体物质也在水洗过程中被除去；V和Cr的质量分数均＜0.000 5%，说明水解生成的偏钛酸对Cr和V的吸附作用较小。若忽略偏钛酸中CaO、MgO、Al2O3、SiO2等的残存量，可以认为浓钛液中CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TFe、V和Cr等杂质元素全部进入到废液中。

2.4含钛炉渣制钛白

与钛精矿制钛白相比，含钛炉渣酸解得到的浓钛液中MgO和Al2O3的浓度明显较高，其质量浓度约为37.58、17.08 g/L，远高于钛精矿浓钛液的水平（MgO和Al2O3的质量浓度分别约为14.50、5.45 g/L）。按照硫酸法钛白自生晶种水解工序水解，最终制得的钛白初品质量见表4。

表4　钛白初品颜料性能

从表4可知，以含钛炉渣为原料制得的钛白初品消色力（TCS）为1713，蓝相（SCX）为2.30，亮度（Jasn）为94.52，白度L为96.61，与以钛精矿为原料制得的钛白处于同一水平。因此，可以认为硫酸法制钛白时，含钛炉渣中的杂质元素不会影响产品质量。

3　结论

1）含钛炉渣的物相主要是硅酸盐相和辉石相，其次为黑钛石。Ti主要分布于黑钛石物相，V主要分布于黑钛石物相，Cr主要分布于硅酸盐物相。2）对硫酸法制钛白全流程分析表明，含钛炉渣中的杂质元素SiO2、V、Cr和CaO主要进入酸解的残渣，MgO、Al2O3、TFe等主要进入偏钛酸过滤洗涤得到的废液中，钛白初品中MgO和Al2O3质量分数均＜0.5%，w（SiO2）＜0.02%，w（TFe）＜0.003%，V和Cr的质量分数均＜0.000 5%。3）钛白制备实验结果表明，在相同工艺条件下，以含钛炉渣为原料制得的钛白质量与钛精矿的处于同一水平，含钛炉渣中的CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TFe、V和Cr等不会影响钛白产品质量。

［1］陈朝华.清除杂质提高钛白粉白度［J］.中国涂料，2007（2）：50.

［2］陈钢，兰石，田犀，等.硫酸法金红石型钛白粉生产中Cr的去向分析［J］.科协论坛，2007（10）：56.

［3］蒲灵，田犀，陈钢.硫酸法金红石型钛白粉生产中重金属分布研究［J］.无机盐工业，2011，43（9）：52-54.

［4］史志新，苑天宇，刘锦燕，等.钙化焙烧钒渣过程中钒尖晶石的矿物学特征［J］.矿冶，2014，23（5）：95-98.

联系方式：kingjin555@163.com

Distribution of impurities from low grade titanium slag as raw material in titanium dioxidemanu facturing by sulfate process

Wang Bin1，LiChun1，Yang Yangjun2

（1.College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Pangang Group Research Institute Co.，Ltd.）

The feasibility of low grade titanium slagas rawmaterial for the production of sulfuric acid process titanium dioxide was studied.The phase composition and the distribution of impurities，such as CaO，MgO，Al2O3，SiO2，TFe，V，and Cr，from the low grade titanium slag during the manufacturing process of titanium dioxide by sulfuric acid processwere analyzed.The quality of initial product of titanium dioxide was further studied.Results showed that the impurities，such as SiO2，V，Cr，and CaO，weremainly distributed in the acid composition residue，while theothers，such asMgO，Al2O3，and TFe，weremainly distributed in thewastewater coming from the filtrating and washing process of hydroly sate.Theminor amounts of impurities remaining from the rawmaterials were notenough to affect the quality of the finalproduct of titanium dioxide.

low grade titanium slag；phase structure；sulfuric acid process；titanium dioxide；impurity composition

TQ134.11

A

1006-4990（2016）01-0035-03

2015-07-27

王斌（1979—），男，在职工程硕士，高级工程师，主要从事硫酸法钛白、纳米钛白和钛资源综合利用的工艺技术研究，已发表论文11篇。