采用南非某钒钛磁铁矿直接提钒的工艺研究

李建兵

（中色（宁夏）东方集团有限公司，宁夏石嘴山 753000）

钒钛磁铁矿是一种分布最广泛的含钒矿物，是生产含钒材料的主要工业开采价值矿物原料［1］。根据统计资料显示，世界上钒钛磁铁矿主要分布于非洲、亚洲、北美洲等地，其中南非占47%，俄罗斯占26.4%，美国占13.1%，中国占9.8%。我国钒钛磁铁矿储量比较丰富，主要分布于四川攀枝花地区和河北承德地区，其中攀枝花地区保有储量为94亿t，承德地区的保有储量为45亿t［2］。近年来国内主要钒原料（V2O5）供应紧张，给一些含钒材料生产企业带来了困扰。所以本文采用南非某钒钛磁铁矿为原料，通过球磨、钠化焙烧、浸出、沉钒、焙烧等工序制备V2O5，本文主要研究焙烧温度、钠盐添加剂种类、浸出时间、浸出温度、液固比对钒浸出率的影响。

1 试验部分

1.1 试验样品

试验采用样品为南非某钒钛磁铁矿，化学分析结果见表1。该矿除含有主金属元素V、Ti、Fe外，杂质元素主要有 Al、Mg、Si、Cr、Mn等，这些杂质元素对主金属钒的浸出率都有一定的影响。

表1 矿石化学成分分析结果 %

1.2 试验原理及方法

钒钛磁铁矿直接提钒的原理为，将钒钛磁铁矿先进行钠化焙烧，使钒氧化物转化形成可溶性的钒酸盐，再采用水浸的方式使钒酸盐进入溶液与大部分不溶物分离［3］。

V2O3+O2→V2O5

V2O5+Na2CO3→2NaVO3+CO2↑

V2O5+2NaCl+H2O→2NaVO3+2HCl↑（有水蒸气存在）

V2O5+2NaCl+1／2O2→2NaVO3+Cl2↑（无水蒸气存在）

对于这种含钒较高的钒钛磁铁矿，现将矿物磨细后，再加入钠盐添加剂（NaCl、Na2CO3、Na2SO4等）制球或者造团，高温焙烧后用热水浸出，浸出的含钒溶液经过净化处理，通过沉钒得到偏钒酸铵沉淀，再焙烧得到五氧化二钒产品。

1.3 试验设备

钒钛磁铁矿矿样采用滚筒球磨机（QM-5）磨制至-0.074 mm，矿样的化学成分由X射线荧光光谱仪（XRF，Shimadza XRF-1800）分析所得，浸出液中的钒含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES，Shimadza ICPE-9000）分析检测，矿石的钠化焙烧和偏钒酸铵的脱氨采用马弗炉（SZXB-54-1700）焙烧。

2 结果与讨论

2.1 焙烧温度对浸出率的影响

将矿石研磨至-0.074 mm（200目）粒级不小于65%的粒度，配入一定量的钠盐添加剂，混合均匀后用圆盘造粒机制成直径3～5 mm的小粒，放入马弗炉中钠化焙烧，焙烧结束后采用热水浸出。试验过程中在其他条件不变的情况下，分别采用不同焙烧温度进行试验，焙烧温度对钒转化率的影响如图1所示。当温度较低时，钒转化率也较低，随着焙烧温度的升高，钒转化率也提高。当温度在1 100～1 300℃时，钒转化率最高，达到80%～83%。

图1 焙烧温度对钒浸出率的影响

目前对钒钛磁铁矿在焙烧过程生成可溶性钒酸盐的机理一般认为矿石中的低价钒V3+先氧化成V5+，从尖晶石相中析出，再和Na2O作用生成钒酸钠。由于钒钛磁铁矿中的尖晶石相的结构比钒渣中尖晶石相的结构稳定，导致钒钛磁铁矿中的氧原子和钠原子的迁移比钒渣中困难。所以要生成钒酸钠，首先要破坏尖晶石相结构，就要比钒渣相对更高的焙烧温度，才有利于钒转化率的提升［4］。如果焙烧温度过高，焙烧物料中就会产生液相组分，而这部分钒是无法收回的，造成钒的损失。

2.2 不同钠盐添加剂对浸出率的影响

试验采用 NaCl、Na2CO3、NaCl+Na2CO3三种钠盐添加剂，混合均匀后造粒，放入马弗炉中在1 200℃条件下钠化焙烧，焙烧结束后采用热水浸出。试验过程中其他条件不变，试验结果见表2和图2。

表2 不同钠盐添加剂对浸出率的影响

图2 不同钠盐添加剂对浸出率的影响

从图2可以看出，单一采用NaCl和Na2CO3作为钠盐添加剂，焙烧过程中钒转化效果都不太理想。采用NaCl+Na2CO3复合添加剂，焙烧过程中钒转化率达到82.39%。主要原因为采用复合添加剂后，在焙烧过程中可以形成低共熔点盐对，可以有效降低焙烧温度，提高有价金属钒的转化率［5］。如果采用单一的NaCl为添加剂，焙烧过程中如果钠盐量不足或缺少水蒸汽，则会生成不溶性的“钒青铜”NaV6O15，造成钒的损失，同时还会释放出有毒有害的气体Cl2，污染环境。

2.3 浸出温度对浸出率的影响

试验采用NaCl+Na2CO3复合钠盐添加剂，在1 200℃条件下钠化焙烧，冷却后分别采用温度为25℃、60℃、90℃的水浸出，研究不同浸出条件对钒浸出率的影响，如图3所示。从图3可以看出，浸出温度越高，越有利于钒的浸出，采用90℃热水浸出，钒的浸出率可达81.3%。主要是钒酸钠的溶解度随温度的升高而增大，为了提高钒的浸出率，加快钒的浸出速度，钒的浸出过程必须在较高的温度条件下进行，一般的浸出温度为80～90℃。在同一浸出温度下，随着浸出时间的增加，钒浸出率提高。当浸出时间超过2 h后，浸出反应基本处于平衡状态，钒浸出率波动不大［6］。

图3 不同浸出温度和浸出时间对钒浸出率的影响

2.4 浸出液固比对浸出率的影响

试验采用NaCl+Na2CO3复合钠盐添加剂，焙烧温度1 200℃，浸出温度90℃，浸出时间2 h，在搅拌条件下考察液固比对钒浸出率的影响，如图4所示。

图4 不同液固比对钒浸出率的影响

从图4可以看出，随着液固比逐步增大，钒浸出率呈提升趋势，但提升的幅度不大。主要是随着液固比的增大，固液两相接触面积增大，钒酸钠分子从固相中扩散至液相中的距离缩短，扩散速度加快，从而有利于浸出反应的进行［7］。如果液固比过大，会使浸出液中钒的浓度降低，也会降低后续净化、除杂、沉降等工序的产能，同时也会增加大量的工业废水，给环保带来很大的压力。权衡各方面因素，液固比控制在3∶1比较合适。

3 结 论

采用南非某钒钛磁铁矿为原料直接提钒时，按以下工艺条件控制时钒浸出率可达80%以上。

1.焙烧温度控制在1100～1300℃时，焙烧时矿石中的钒最易转化为可溶性的钒酸盐，钒转化率最高。

2.采用NaCl和Na2CO3作为钠盐添加剂，可以有效降低焙烧温度，提高有价金属钒的浸出率。

3.浸出时温度控制在80～90℃时，可得到较高的浸出率，但浸出时间超过2 h后，浸出反应基本处于平衡状态，浸出率基本没有波动。

4.浸出时采用3∶1的液固比比较合适，既可以得到较高的浸出率，又不会为后续工序带来太大的环保压力。