钛铁矿原矿预处理探索试验研究

第２０卷第３期　２０１１年９月　

矿　冶　

ＭＩＮＩＮＧ＆ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ　Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．３　

Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１　１　

文章编号：１００５—７８５４（２０１１）０３—００４７—０６　

钛铁矿原矿预处理探索试验研究　

尹飞　阮书峰　揭晓武　王成彦　（北京矿冶研究总院，北京１０００７０）　摘　要：针对钛铁矿原矿的特点，采用化学预处理的方式从钛铁矿的源头上破坏铁、钛致密共生体，实　现钒钛磁铁矿的矿物转型和钛、铁晶格层面上的解离，再通过磁选工艺得到高品质的铁精矿和含铁较低　的钛精矿。试验结果表明，钛铁矿原矿经氢氧化钾、氧气、氧化钙的共同作用得到的预处理渣，再通过磁　选可以得到ＴｉＯ２仅为５．６１％，含铁为５９．１８％的铁精矿，和含ＴｉＯ２为１７．９８％，含铁为１６．３５％的尾矿，　实现了钛、铁的分离。　关键词：钛铁矿；铁精矿；二氧化钛；预处理　中图分类号：ＴＦ８１５　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：ｌ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－７８５４．２０１１．０３．０１１　

ＥＸＰＬ０ＲＡＴ０ＲＹ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ　ＳＴＵＤＹ　０Ｎ　ＰＲＥＴＲＥＡＴＭＥＮＴ　ＯＦ　ＩＬＭＥＮＩＴＥ　ＯＲＥ　ＹｌＮ　Ｆｅｉ　ＹＵＡＮ　Ｓｈｕ　ｎｇ　ＪＩＥ　Ｘｉａｏ—ＷＵ　ＷＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ—ｙａｎ　（Ｂｅ　ｎｇ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００７０，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｉｌｍｅｎｉｔｅ　ｏｒｅ，ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｉｓ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　ｄｅｓｔｒｏｙ　ｔｈｅ　ｄｅｎｓｅ　ｓｙｍｂｉｏｎｔ　ｏｆ　ｉｒｏｎ　ｉｌｍｅｎｉｔｅ　ａｎｄ　ｔｉｔａｎｉｕｍ，ｗｈｉｃｈ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｌｍｅｎｉｔｅ　ｏｒｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｉｔａｎｉ－　ａｍ　ｆｒｏｍ　ｉｒｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｌｅｖｅ１．Ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｒｏｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ　ａｎｄ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｌｉｔｔｌｅ　ｉｒｏｎ　ａｒｅ　ａ—　ｃｈｉｅｖｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｌｍｅｎｉｔｅ　ｏｒｅ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ＫＯＨ，Ｏ２　ａｎｄ　ＣａＯ　ｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　５９．１　８％ｉｒｏｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ　ｗｉｔｈ　５．６１％ｏｆ　ＴｉＯ２　ａｎｄ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　１７．９８％ＴｉＯ２　ａｎｄ　１６．３５％ｉｒｏｎ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｉｔａ—　ｎｉｕｍ　ａｎｄ　ｉｒｏｎ　ｉＳ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｉｌｍｅｎｉｔｅ　ｏｒｅ；ｉｒｏｎ　ｏｒｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ；ｔｉｔａｎｉｕｍ　ｄｉｏｘｉｄｅ；ｐｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ　

钛铁矿是世界钛资源中主要的矿物¨　，钛铁矿　中约５７％的钛赋存在钛磁铁矿（ｎＦｅＴｉＯ　・ｍＦｅ　Ｏ　）　中，约４０％赋存在钛铁矿（ＦｅＴｉＯ　）中，矿物的赋存　特点决定了用物理方法无法从源头实现钛、铁的分　离。在现有的选铁工艺中，钛磁铁矿进入铁精矿，钛　铁矿进人钛精矿。铁精矿中的钛在炼铁过程进入高　炉渣（含ＴｉＯ：高达２２％以上），由于形成玻璃体，　ＴｉＯ：失去了活性而无法经济回收；钛铁矿选钛过　程，由于细粒级（一０．０１９　ｍｍ）钛铁矿回收困难，钛　回收率也只有１８％。另外，由于钛铁矿矿物中，钛　

收稿日期：２０１１—０７—０５　基金项目：国家自然科学基金项目（５０９０４００９）　作者简介：尹飞，高级工程师，主要从事重有色金属冶金方面的　研究、咨询、设计以及部分冶炼设备的开发工作。　

铁矿和镁钛矿（ＭｇＴｉＯ　）共晶，导致钛精矿品位较　低、而ＣａＯ＋ＭｇＯ高达６％～８％，不能直接作为沸　腾氯化法钛白的原料　。由于资源利用率低，攀西　地区每年产生的固体废弃物达４０００多万ｔ。　最新开发的转底炉煤基直接还原一电炉熔分新　流程，与传统高炉冶炼相比，具有流程短、能耗低、环　境污染小、能有效提高铁、钛、钒、铬回收和富集率等　优点，把钒钛磁铁矿资源综合利用程度提高到一个　新水平¨　。对含铁５６％一５８％的钒钛铁矿进行试　验，取得金属化率９０％以上的还原产物，钒回收率　为８０％，富钛渣ＴｉＯ，为５０％～５５％，铁精矿中钛富　集回收率大于８５％，初步解决了高炉冶炼钛不能富　集的难题。但由于转底炉固有的容积率低、炉内温　度分布不均匀、大型化困难等缺陷，加之经电炉熔分　矿　冶　产出的富钛渣组分和矿相复杂、钙镁铝硅含量很高，　难以利用传统的硫酸法和氯化法工艺经济有效地生　产钛白粉。　通过以上的分析可以看出，如果不从选铁作业　这一传统处理工艺的源头进行根本性的变动，要想　大幅提高钛铁矿原矿的经济利用水平几乎不可能。　只有从钒钛磁铁矿矿物的源头上破坏铁、钛致密共　生的特性和钒的类质同象赋存特性，实现钒钛磁铁　矿的矿物转型和钛、铁晶格层面上的解离，才有可能　大幅提高钒、钛资源的综合利用水平。本文采用预　处理工序，从钒钛磁铁矿矿物的源头上破坏铁、钛致　密共生的特性和钒的类质同象赋存特性，从而实现　钒钛磁铁矿的矿物转型，使钛、铁在晶格层面上解　离，然后再通过磨矿，磁选工艺得到高品质的铁精矿　和含铁较低的钛精矿，预处理所用的碱介质可循环　使用，工艺对环境的污染小，应用前景乐观。　１　在碱性体系下ＦｅＴｉＯ　一ＫＯＨ—Ｈ，Ｏ体　系的热力学分析　在碱性条件下预氧化处理矿石是使矿石中的钛　磁铁矿、钛铁矿与氢氧化钾在氧气的作用下进行的　液．固．气三相反应。使矿石中的铁转变为氧化铁的　形式，钛在碱的作用下，生成钛酸钾，再通过选矿的　方式使铁、钛分开。本文主要对ＦｅＴｉＯ　一ＫＯＨ—Ｈ　Ｏ　体系中可能发生的反应进行了较系统的热力学计算　和热力学趋势分析，确定出多元体系可能的物相组　成以指导工艺过程的研究。钛铁矿在碱性条件下的　预氧化处理的反应温度在３００℃以下，因此选择计　算温度范围为２５～３００℃，热力学数据主要来源见　文献　一　。　在碱性体系下的预氧化处理钒铁磁铁矿原矿的　热力学分析中，首先考虑钛磁铁矿、钛铁矿是否可能　通过热分解而被破坏，其可能存在的反应为：　Ｆｅ３Ｏ４・ＴｉＯ２＝Ｆｅ３Ｏ４＋ＴｉＯ２　（１）　ＦｅＯ・ＴｉＯ２＝ＦｅＯ＋ＴｉＯ２　（２）　目前，由于尚缺乏很多钛磁铁矿的热力学数据，　在此没有做分析，而钛铁矿的分解反应（２）的标准　吉布斯自由能变化值对反应温度作图１。由图１可　见，在３００～６００　Ｋ温度范围内，钛铁矿分解的标准　吉布斯自由能均大于零，即在计算温度范围内，钛铁　矿不可能通过加热分解而被破坏。同时钒钛矿的生　成的标准吉布斯自由能小于零，在计算的温度内，钛　铁矿有生成的趋势。　在钛磁铁矿、钛铁矿与氢氧化钾反应过程中，由　

图１　钛铁矿分解的标准自由能与温度的关系图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｒｅｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｌｍｅｎｉｔｅ　

于反应生成物（钛酸钾）的种类很多，目前缺乏很多　钛酸钾的热力学数据，因此在钛铁矿的预氧化处理　过程中，考虑到氧气的氧化作用，考虑以下两种钛酸　钾的产物，得到如下可能的反应：　Ｆｅ３ＴｉＯ６＋ＫＯＨ＋０．２５０２＝０．５Ｋ２Ｔｉ２Ｏ５＋　１．５Ｆｅ　Ｏ　＋０．５Ｈ：Ｏ　（３）　Ｆｅ３ＴｉＯ６＋２ＫＯＨ十０．２５０２＝Ｋ２ＴｉＯ３十１．５Ｆｅ２Ｏ３　＋Ｈ　Ｏ　（４）　ＦｅＴｉＯ３＋ＫＯＨ＋０．２５０２＝０．５Ｋ２Ｔｉ２Ｏ５＋　０．５Ｆｅ２Ｏ３＋０．５Ｈ２Ｏ　（５）　ＦｅＴｉＯ３＋２ＫＯＨ＋０．２５０２＝Ｋ２ＴｉＯ３＋０．５Ｆｅ２Ｏ３　＋Ｈ２Ｏ　（６）　（５）与（６）反应式的标准自由能与温度关系如　图２所示，两个反应的标准反应自由能均为负值，说　明钛磁铁矿、钛铁矿与氢氧化钾反应在热力学上是　可行的。　

图２（５）与（６）反应式钛酸钾生成的　标准自由能与温度的关系　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｒｅｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｔｉｔａｎａｔｅｓ　

钛酸钾的种类很多，钛铁矿与氢氧化钾反应到　底生成哪一种形式的钛酸钾仍需大量的试验来验　证。刘玉民以锐钛矿型二氧化钛为原料在氢氧化钾　浓度为５５％～８０％，反应温度为１００～２８０℃的条件　下进行的试验　，得到钛酸钾在不同浓度与不同温　尹　飞等：钛铁矿原矿预处理探索试验研究　・４９・　度下的相图，如图３所示，二氧化钛与氢氧化钾在试　验条件的范围内有三个稳定相生成，即三钛酸钾　３２０　２８０　２４０　２　）　赠　１６０　１２０　８０　５５　６Ｕ　６５　７Ｉｌ　７５　８０　ＫＯＨ浓度，％　●一Ｋ４Ｔｉ３０８；０一ＫＴｉ０２（ＯＨ）；一一Ｋ２Ｔｉ２Ｏ５・０．５Ｈ２Ｏ　曲线１：ＫＯＨ溶液的沸点线；曲线２：固体ＫＯＨ的溶解度线　图３　ＴｉＯ２・ＫＯＨ－Ｈ２０体系反应相图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｐｈａｓｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＴｉＯ２一ＫＯＨ—Ｈ２　Ｏ　（Ｋ　Ｔｉ　Ｏ　）、水合二钛酸钾（Ｋ　Ｔｉ　Ｏ　・０．５Ｈ：Ｏ）及　ＫＴｉＯ：（ＯＨ），三钛酸钾（Ｋ　Ｔｉ，Ｏ　）相的生成区域是　氢氧化钾的浓度为７０％～８０％，反应温度为１８０～　２８０　ｃＩ＝；ＫＴｉＯ　（ＯＨ）相的生成区域是氢氧化钾的浓　度为６５％～７５％，反应温度为１２０～１８０℃；氢氧化　钾的浓度为５５％～６０％，反应温度在１００～１８０℃，　是水合二钛酸钾（Ｋ：Ｔｉ　Ｏ　・０．５Ｈ　Ｏ）相的生成区　域。在低的碱浓度下生成的主要是水合二钛酸钾　（Ｋ　Ｔｉ。Ｏ　・０．５Ｈ。Ｏ），同时要想使二氧化钛被破坏，　必须要有一定的碱浓度。　

２　试验方法　２．１　原矿的化学分析和ｘ一光粉末衍射分析　试验所选矿石为攀枝花矿区的钒钛磁铁矿，经过　破碎磨矿至细度为一０．０７４ｍｍ占总矿物的９８．０９％，　化学分析见表１，Ｘ一光粉末衍射分析见图４。