钒钛铁精矿钛白废酸浸出提钒实验

吴恩辉，李军，侯静，徐众，黄平，刘黔蜀，吕松

（攀枝花学院，四川 攀枝花 617000）

钒钛铁精矿是钒钛磁铁矿的重要选矿产品之一，是我国提钒的重要原料[1]。目前，钒钛铁精矿主要采用高炉-转炉工艺得到钒渣，再采用钠化焙烧-水浸或钙化焙烧酸浸工艺得到钒产品，整个工艺过程流程长，钒的回收率约为50%[2]。为了提高钒钛铁精矿中钒的回收率，国内外研究人员直接以钒钛铁精矿为原料，采用钠化焙烧-水浸[3]、钙化焙烧-酸浸[4]和预还原-酸浸[5]等工艺提取其中的钒元素，取得了较好的实验结果。钛白废酸是硫酸钛白工艺过程中的废弃物，按照目前我国硫酸钛白产量估计，年产量约为2000万t[6]。在工业上，主要采用浓缩回收和石灰中和排放两种方法进行处理，但是浓缩回收成本较高，中和排放产生的钛石膏的回收利用也尚存难题[7]。近年来，为了更经济的利用钛白废酸，国内外研究人员尝试利用钛白废酸作为浸出剂，浸出硫酸渣[8]、含钒钢渣[9]、污泥[10]等冶金固废或低品位复合矿，综合回收两者中有价元素，取得了较好的研究结果。本研究以钒钛铁精矿为原料，钛白废酸为浸出剂，研究浸出工艺参数对钒浸出率的影响，为钛白废酸的综合利用和提高钒钛磁铁矿钒回收率提供技术参考。

1 实验原料及方法

1.1 实验原料

钒钛铁精矿为攀枝花某大型选矿厂所产，其化学成分和物相组成分别见表1和图1。由表1和图1可以看出，钒钛铁精矿中全铁约占50%，二氧化钛和五氧化二钒含量分别为13.96%和0.87%；钒钛铁精矿主要物相由磁铁矿（Fe3O4）和钛铁矿（FeTiO3）组成。实验所用钛白废酸为攀枝花某硫酸法钛白厂所产，硫酸的质量分数为20%。

图1 钒钛铁精矿的物相组成Fig.1 XRD patterns of vanadium titanomagnetite concentrates

表1 钒钛铁精矿的化学成分/%Table 1 Chemical composition of vanadium titanomagnetite concentrates

1.2 实验方法

采用正交实验法设计实验过程。首先，研究浸出温度、浸出时间、液固比和废酸浓度对钒浸出率的影响，确定较优浸出条件；然后，固定浸出条件，探索焙烧温度、焙烧时间、碳酸钠配比和碳酸钾配比对钒浸出率的影响，确定较优焙烧工艺参数。浸出过程实验步骤为：首先称取一定量的钒钛铁精矿加入DF-1L型玻璃反应釜，然后按照设定液固比加入钛白废酸溶液，同时开始升温和搅拌；当浸出温度达到设定值后开始计时，达到设定浸出时间后，立即取出浆液并使用SHZD(lll)循环水式多用真空泵进行抽滤，得到浸出渣和浸出液，浸出渣使用101-2EBS型电热鼓风干燥箱在120℃烘干2 h，烘干后的浸出渣使用FM-1型制样粉碎机进行制样并取样分析其中V2O5含量。焙烧过程实验步骤为：按照实验方案，首先将碳酸钠、碳酸钾与钒钛铁精矿混合均匀，然后将混合料加入刚玉坩埚；待SX2-9-14TP高温电炉达到设定焙烧温度时，加入盛有混合料的刚玉坩埚并计时，当达到设定焙烧时间后，迅速取出坩埚并冷却；冷却后的焙烧熟料使用制样粉碎机进行制样并取样分析其中V2O5含量。

原料的物相组成采用X射线衍射法（XRD）进行分析，原料的化学成分采用荧光光谱法（XRF）进行分析，原料、焙烧熟料和浸出渣中的V2O5采用化学滴定法进行分析。V2O5的浸出率按式（1）进行计算。

式中：η—V2O5浸出率，%；m1—原料质量，g；x1—原料中V2O5质量分数，%；m2—浸出渣质量，g；x2—浸出渣中V2O5质量分数，%。

2 结果与讨论

2.1 直接浸出实验

为了研究钛白废酸对钒钛铁精矿中V2O5浸出的影响，设定浸出温度、浸出时间、液固比和废酸浓度作为正交实验考查因素，以V2O5浸出率为评价标准，采用正交实验分析法分析各因素对钛白废酸直接浸出过程的影响，从而确定较优的浸出条件。正交实验因素水平见表2，正交实验结果与分析见表3。由表3可知，对钒浸出率影响较大的因素是液固比，其次是浸出时间和浸出温度，影响最小的是废酸浓度。对钛白废酸直接浸出钒钛铁精矿来说，较优工艺条件为浸出温度60℃，浸出时间90 min，液固比为5，废酸浓度为20%。此外，由表2还可看出，在浸出温度为90℃，浸出时间90 min，液固比为5和废酸浓度为20%时，钒钛铁精矿中V2O5的浸出率较高，其值为71.05%。

表2 正交实验因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交实验结果与分析Table 3 L9(34) orthogonal experimental results and statistical analysis

浸出过程各因素对V2O5浸出率的影响见图2。由图2可知，随着浸出温度的升高，V2O5的浸出率先升后降，浸出温度为60℃较优；随着浸出时间的延长，V2O5的浸出率逐渐提高；随着液固比的提高，V2O5的浸出率先升高后略有下降；随着废酸浓度的升高，V2O5的浸出率逐渐提高。由此可见，对钒钛铁精矿钛白废酸浸出过程来说，可以适当提高废酸浓度或延长浸出时间，以促进V2O5浸出率的提高，但是废酸浓度已经是较高浓度，所以可以调整的仅剩浸出时间一个因素。

图2 V2O5浸出率随浸出各因素的变化曲线Fig.2 Variation curve change of V2O5 leaching rate with leaching different factors

2.2 焙烧-浸出实验

为了进一步研究焙烧工艺参数对钛白废酸浸出钒钛铁精矿中V2O5的影响规律，固定浸出条件为：浸出温度60℃，浸出时间180 min，液固比为5，废酸浓度为20%。设定焙烧温度、焙烧时间、碳酸钠配比和碳酸钾配比作为正交实验考查因素，以V2O5浸出率为评价标准，采用正交实验分析法分析焙烧工艺参数对V2O5浸出率的影响，从而确定较优的焙烧工艺参数。正交实验因素水平见表4，正交实验结果与分析见表5。由表4可知，对钒浸出率影响程度由大到小分别是焙烧温度、碳酸钾配比、碳酸钠配比和焙烧时间。对焙烧过程来说，较优工艺参数为焙烧温度1000℃，焙烧时间2 h，碳酸钠配比为10%，碳酸钾配比为10%。此外，由表5还可看出，在焙烧温度为1000℃，焙烧时间1 h，碳酸钠配比为5%和碳酸钾配比为10%时，钒钛铁精矿中V2O5的浸出率较高，其值为84.48%。

表4 正交实验因素水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test

表5 正交实验结果与分析Table 5 Orthogonal experimental results and statistical analysis

焙烧过程各因素对V2O5浸出率的影响见图3。由图3可知，随着焙烧温度的升高和焙烧时间的延长，V2O5的浸出率先升后降，较为适宜的焙烧温度和焙烧时间分别为1000℃和2 h；随着碳酸钠配比和碳酸钾配比的增加，V2O5的浸出率均逐渐提高。由此可见，焙烧工艺参数对钒钛铁精矿钛白废酸浸出过程来说，可以适当提高碳酸钠或碳酸钾的配比，以促进V2O5浸出率的提高，但是过量的钠盐或钾盐的添加，一方面成本增加，另一方面也生产较多的低熔点产物，不利于焙烧过程的进行。

图3 V2O5浸出率随焙烧各因素的变化曲线Fig.3 Variation curve change of V2O5 leaching rate with different roasting factors

3 结 论

（1）钒钛铁精矿钛白废酸直接浸出正交实验结果表明，随着浸出温度和液固比的升高，V2O5的浸出率先升后降，适宜的浸出温度和液固比分别为60℃和5；随着浸出时间的延长和钛白废酸浓度的提高，V2O5的浸出率逐渐提高。在浸出温度为90℃，浸出时间90 min，液固比为5和废酸浓度为20%时，V2O5的浸出率为71.05%。

（2）钒钛铁精矿焙烧-酸浸正交实验结果表明，随着焙烧温度的升高和焙烧时间的延长，V2O5的浸出率先升后降，较为适宜的焙烧温度和焙烧时间分别为1000℃和2 h；随着碳酸钠配比和碳酸钾配比的增加，V2O5的浸出率均逐渐提高。在焙烧温度为1000℃，焙烧时间1 h，碳酸钠配比为5%和碳酸钾配比为10%时，V2O5的浸出率可达84.48%。

（3）焙烧过程虽然可以促进钒钛铁精矿中V2O5的浸出，但是也会大幅度增加成本和浸出渣中铁和钛的综合利用难度，因此两种工艺相比较，采用钛白废酸直接浸出更为经济。