酸浸富集钛渣烟尘中TiO2 工艺研究

陈 林，雷 霆，李 楠

(1. 昆明理工大学，云南 昆明 650093)

(2. 昆明冶金高等专科学校，云南 昆明 650033)

0 引 言

受航空航天业、医疗及海运等行业的推动，海绵钛及钛白的生产被世界各国所重视。高钛渣作为海绵钛和钛白生产的重要原料具有不可替代的地位。在电炉熔炼高钛渣过程中，会产生大量的烟气及烟尘。所产生的烟气经电炉人字烟管进入冷却系统和净化系统做冷却净化处理后，利用其较高的燃烧热值可主要用于钛铁矿、铁水包及渣包干燥预热以及钛渣成品干燥。所产生的烟尘则由收尘设备收集后堆积在尾矿库待处理。

据云南某公司统计，该厂高钛渣年产量为80 kt时，回收的钛渣烟尘可达4 ～5 kt。以此比例计算，世界年产高钛渣2 500 kt，所产生的钛渣烟尘则达到125 ～156 kt。这些烟尘若直接排入空气，不但会对周围环境造成巨大污染，而且烟尘中大量有价值的物质也会白白浪费掉［1］。

近年来，随着人们对不可再生资源保护意识的增强和国家环保法律法规的不断完善，治理电炉熔炼钛渣产生的烟尘势在必行［2］。昆明理工大学冶金与能源工程学院以云南某公司高钛渣熔炼所产生的钛渣烟尘为回收对象，探索了钛渣烟尘回收再利用方法。提出采用酸浸方法对烟尘中的TiO2进行富集，富集后再进行造粒处理，达到入炉熔炼的要求，同时采用负压蒸发等技术对酸浸过程产生的废酸和盐进行处理，达到循环再利用的目的。

本实验为其中的酸浸富集工艺研究部分。实验以云南某公司提供的加了絮凝剂结块的烟尘为原料，首先委托昆明冶金研究院做了化学成分分析，结果见表1。

表1 钛渣烟尘的主要化学成分(w/%)Table 1 Main chemical composition of titanium slag smoke dust

由表1 可知，钛渣烟尘中主要含有Fe、Ti、Si、Al、Mg、Mn 等元素，并多以氧化物的形式存在，其中TiO2的含量为38.29%，Fe 的含量为23.27%，有很高的回收利用价值。由于Fe、Ca、Mg 等氧化物均可溶于盐酸和稀硫酸中，并反应生成可溶性的盐，因此可通过酸浸钛渣烟尘的方法除去烟尘中大部分的Fe、Al、Ca、Mg 等，使TiO2得到富集，从而达到回收再利用的目的。

酸浸过程中主要会发生如下反应(以盐酸为例)［3-4］:

酸浸过程中还会有少量的钛溶解于盐酸中并发生水解反应，其主要反应式如下:

从上述反应可知，盐酸可以有效将烟尘中的其他物质浸出，但在一定条件下，钛也可能溶出，所以确定酸浸过程中的浸出条件具有重要意义。为此，对酸浸回收钛渣烟尘中酸的种类、浓度、酸浸时间、酸浸温度等进行了研究，旨在获得最佳工艺参数，实现由钛渣烟尘制取富钛料的目的。

1 实 验

分别称取100 g 块状烟尘，研磨至74 μm，按照10 ∶1的液固比量取一定浓度的酸溶液，并将钛渣烟尘加入到盛有酸溶液的密闭容器中，然后放入至带有搅拌的电热恒温油浴锅中，在一定温度下反应一定时间后，关闭开关取出容器。待溶液冷却后，将反应后的矿浆取出，经水洗、过滤、滤渣烘干、称量后，对滤渣的化学成分进行分析，并计算TiO2的回收率。具体实验流程如图1 所示。

图1 酸浸法回收钛渣烟尘的流程图Fig.1 Flow chart of recycling titanium slag smoke dust by acid leaching

影响酸浸效果的因素有很多，本研究主要考虑酸的种类、酸的浓度、酸浸时间以及酸浸温度(每组试验的具体条件参见“结果与讨论”部分)，并依据浸出烟尘中TiO2质量分数的高低对试验结果进行判断。

2 结果与讨论

2.1 酸的种类的影响

在酸浸时间为2 h，酸浓度为4 mol·L-1，酸浸温度为120 ℃、液固比为10 ∶1 的条件下，研究盐酸和硫酸对滤渣中TiO2品位及回收率的影响，试验结果如表2 所示。

表2 酸的种类对浸出结果的影响Table 2 The influence of acids variety on acid leaching results

从表2 可知，选用盐酸用于浸取钛渣烟尘的效果比硫酸好，经盐酸处理后的钛渣烟尘中TiO2的质量分数较硫酸处理后的高，其主要原因是硫酸与钙、镁等反应生成的硫酸钙、硫酸镁均为微溶物，不能通过固液分离的方法将其去除。而盐酸虽然具有挥发性，对设备抗腐蚀性的要求较硫酸高，但盐酸更易于循环使用且浸出效果好，因此选用具有挥发性的浓盐酸做为浸出酸。

2.2 酸的浓度的影响

在酸浸时间为2 h，液固比为10 ∶1，酸浸温度为120 ℃，并以盐酸作为浸出酸的条件下，分别研究了2、3、4、5、6 mol·L-15 种不同的酸浓度对滤渣中TiO2品位及回收率的影响，试验结果如表3 所示。

表3 酸的浓度对浸出结果的影响Table 3 The influence of acids concertration on acid leaching results

酸浓度对滤渣中TiO2及Fe 的质量分数的影响如图2 所示。由表3 及图2 可知，随着盐酸浓度增加，滤渣中Fe 的质量及质量分数均减小，TiO2质量及其回收率也逐渐降低。但当盐酸浓度大于4 mol·L-1时，滤渣中Fe 的质量减少不明显。这是由于随着盐酸浓度升高，Fe 与盐酸的反应更加充分，当盐酸浓度达到4 mol·L-1时，Fe 与盐酸基本完全反应;而随着盐酸浓度的增加，部分TiO2会溶解于盐酸中，故TiO2的回收率略有下降，而由于Fe 减少的更多的缘故，滤渣中TiO2质量分数反而增加。综合知，当盐酸浓度为4 mol·L-1时，Fe 的浸出率和TiO2的回收率均较高，所以选择盐酸的浓度为4 mol·L-1作为最佳的酸浸浓度。

图2 滤渣中TiO2 和Fe 质量分数随酸浓度的变化Fig.2 Mass fraction of TiO2 and Fe under different concentration of acids

2.3 酸浸时间的影响

在液固比为10 ∶1、酸浸温度为120 ℃、盐酸作为浸出酸且浓度为4 mol·L-1的条件下，分别研究了1、1.5、2、2.5、3、3.5 h 6 种不同酸浸时间对滤渣中TiO2品位及回收率的影响，结果如表4 所示。

表4 酸浸时间对浸出结果的影响Table 4 The influence of leaching time on acid leaching results

图3 为酸浸时间对滤渣中TiO2和Fe 质量分数的影响。由试验结果可知，酸浸时间越短，Fe 的浸出率越低，随着酸浸时间的增加，Fe 的浸出率提高，滤渣中TiO2的质量增加，而当酸浸时间增加到2.5 h 后，滤渣中TiO2的质量及质量分数均略有下降。这说明当酸浸时间较短时，盐酸与Fe 反应不充分，随着时间的增加，盐酸与Fe 反应更彻底，Fe的浸出率增高，当酸浸时间增加到2.5 h 以后，由于盐酸浓度降低，FeO·TiO2与浓盐酸发生反应生成的TiOCl2在低浓度的酸溶液中部分水解，导致滤渣中TiO2的质量与回收率略有下降。考虑到当时间增加到一定程度时，酸浸时间对Fe 的浸出率的影响减弱，以及试验效率、生产成本等因素，故选择浸出时间为2.5 h 为宜。

图3 滤渣中TiO2 和Fe 质量分数随酸浸时间的变化Fig.3 Mass fraction of TiO2 and Fe under different leaching time

2.4 酸浸温度的影响

在液固比为10 ∶1、酸浸时间为2.5 h、盐酸作为浸出酸且浓度为4 mol·L-1的条件下，分别研究了100、110、115、120、125、130 ℃6 种不同酸浸温度对滤渣中TiO2品位及回收率的影响，试验结果如表5 及图4 所示。

表5 酸浸温度对浸出结果的影响Table 5 The influence of leaching temperature on acid leaching results

图4 滤渣中TiO2 和Fe 质量分数随酸浸温度的变化Fig.4 Mass fration of TiO2 and Fe under different leaching temperature

由表5 及图4 所示的结果可知，随着酸浸温度的升高，滤渣中Fe 的质量及质量分数均降低，而TiO2质量及回收率基本无变化、质量分数逐渐提高。当温度达到120 ℃时，Fe 基本反应完全，滤渣中TiO2的质量分数可达到58.52%。当酸浸温度超过120 ℃时，滤渣中Fe 的质量无明显变化，但滤渣中Fe 的质量分数在逐渐下降。表明随着酸浸温度的升高，Fe 的浸出率在逐渐提高。故综合考虑钛的浸出率及生产成本，选择120 ℃为适宜的酸浸温度。

3 结 论

在酸浸温度为120 ℃、酸浸时间为2.5 h、液固比为10 ∶1、浸出酸为盐酸且浓度为4 mol·L-1的酸浸出条件下，能够较彻底地去除钛渣烟尘中大部分的Fe、Ca、Mg、Al 等的氧化物，使钛渣烟尘中TiO2质量分数提高至58.5%，实现由钛渣烟尘制取富钛料的目的，对钛资源的回收利用具有一定指导意义。

［1］唐振宁. 钛渣的生产概况及在钛白粉中的使用趋向［J］.中国涂料，2006，21(10):53 -56.

［2］李传薪. 钢铁厂设计原理［M］. 北京:冶金工业出版社，1995:289 -304.

［3］韩丰霞，雷霆，黄世弘，等. 大功率密闭直流电弧炉冶炼钛渣烟气净化工艺研究［J］. 轻金属，2011(1):48-53.

［4］王青，姜华. 高钛渣密闭电炉烟气的回收利用技术［J］.有色金属设计，2011，38(4):12 -16.