吳恩輝，李軍，侯靜，徐眾，黃平，劉黔蜀，呂松

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

釩鈦鐵精礦是釩鈦磁鐵礦的重要選礦產(chǎn)品之一，是我國提釩的重要原料[1]。目前，釩鈦鐵精礦主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐工藝得到釩渣，再采用鈉化焙燒-水浸或鈣化焙燒酸浸工藝得到釩產(chǎn)品，整個(gè)工藝過程流程長，釩的回收率約為50%[2]。為了提高釩鈦鐵精礦中釩的回收率，國內(nèi)外研究人員直接以釩鈦鐵精礦為原料，采用鈉化焙燒-水浸[3]、鈣化焙燒-酸浸[4]和預(yù)還原-酸浸[5]等工藝提取其中的釩元素，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。鈦白廢酸是硫酸鈦白工藝過程中的廢棄物，按照目前我國硫酸鈦白產(chǎn)量估計(jì)，年產(chǎn)量約為2000萬t[6]。在工業(yè)上，主要采用濃縮回收和石灰中和排放兩種方法進(jìn)行處理，但是濃縮回收成本較高，中和排放產(chǎn)生的鈦石膏的回收利用也尚存難題[7]。近年來，為了更經(jīng)濟(jì)的利用鈦白廢酸，國內(nèi)外研究人員嘗試?yán)免伆讖U酸作為浸出劑，浸出硫酸渣[8]、含釩鋼渣[9]、污泥[10]等冶金固廢或低品位復(fù)合礦，綜合回收兩者中有價(jià)元素，取得了較好的研究結(jié)果。本研究以釩鈦鐵精礦為原料，鈦白廢酸為浸出劑，研究浸出工藝參數(shù)對釩浸出率的影響，為鈦白廢酸的綜合利用和提高釩鈦磁鐵礦釩回收率提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

釩鈦鐵精礦為攀枝花某大型選礦廠所產(chǎn)，其化學(xué)成分和物相組成分別見表1和圖1。由表1和圖1可以看出，釩鈦鐵精礦中全鐵約占50%，二氧化鈦和五氧化二釩含量分別為13.96%和0.87%；釩鈦鐵精礦主要物相由磁鐵礦（Fe3O4）和鈦鐵礦（FeTiO3）組成。實(shí)驗(yàn)所用鈦白廢酸為攀枝花某硫酸法鈦白廠所產(chǎn)，硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

圖1 釩鈦鐵精礦的物相組成Fig.1 XRD patterns of vanadium titanomagnetite concentrates

表1 釩鈦鐵精礦的化學(xué)成分/%Table 1 Chemical composition of vanadium titanomagnetite concentrates

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。首先，研究浸出溫度、浸出時(shí)間、液固比和廢酸濃度對釩浸出率的影響，確定較優(yōu)浸出條件；然后，固定浸出條件，探索焙燒溫度、焙燒時(shí)間、碳酸鈉配比和碳酸鉀配比對釩浸出率的影響，確定較優(yōu)焙燒工藝參數(shù)。浸出過程實(shí)驗(yàn)步驟為：首先稱取一定量的釩鈦鐵精礦加入DF-1L型玻璃反應(yīng)釜，然后按照設(shè)定液固比加入鈦白廢酸溶液，同時(shí)開始升溫和攪拌；當(dāng)浸出溫度達(dá)到設(shè)定值后開始計(jì)時(shí)，達(dá)到設(shè)定浸出時(shí)間后，立即取出漿液并使用SHZD(lll)循環(huán)水式多用真空泵進(jìn)行抽濾，得到浸出渣和浸出液，浸出渣使用101-2EBS型電熱鼓風(fēng)干燥箱在120℃烘干2 h，烘干后的浸出渣使用FM-1型制樣粉碎機(jī)進(jìn)行制樣并取樣分析其中V2O5含量。焙燒過程實(shí)驗(yàn)步驟為：按照實(shí)驗(yàn)方案，首先將碳酸鈉、碳酸鉀與釩鈦鐵精礦混合均勻，然后將混合料加入剛玉坩堝；待SX2-9-14TP高溫電爐達(dá)到設(shè)定焙燒溫度時(shí)，加入盛有混合料的剛玉坩堝并計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定焙燒時(shí)間后，迅速取出坩堝并冷卻；冷卻后的焙燒熟料使用制樣粉碎機(jī)進(jìn)行制樣并取樣分析其中V2O5含量。

原料的物相組成采用X射線衍射法（XRD）進(jìn)行分析，原料的化學(xué)成分采用熒光光譜法（XRF）進(jìn)行分析，原料、焙燒熟料和浸出渣中的V2O5采用化學(xué)滴定法進(jìn)行分析。V2O5的浸出率按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：η—V2O5浸出率，%；m1—原料質(zhì)量，g；x1—原料中V2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m2—浸出渣質(zhì)量，g；x2—浸出渣中V2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 直接浸出實(shí)驗(yàn)

為了研究鈦白廢酸對釩鈦鐵精礦中V2O5浸出的影響，設(shè)定浸出溫度、浸出時(shí)間、液固比和廢酸濃度作為正交實(shí)驗(yàn)考查因素，以V2O5浸出率為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用正交實(shí)驗(yàn)分析法分析各因素對鈦白廢酸直接浸出過程的影響，從而確定較優(yōu)的浸出條件。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表2，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見表3。由表3可知，對釩浸出率影響較大的因素是液固比，其次是浸出時(shí)間和浸出溫度，影響最小的是廢酸濃度。對鈦白廢酸直接浸出釩鈦鐵精礦來說，較優(yōu)工藝條件為浸出溫度60℃，浸出時(shí)間90 min，液固比為5，廢酸濃度為20%。此外，由表2還可看出，在浸出溫度為90℃，浸出時(shí)間90 min，液固比為5和廢酸濃度為20%時(shí)，釩鈦鐵精礦中V2O5的浸出率較高，其值為71.05%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Table 3 L9(34) orthogonal experimental results and statistical analysis

浸出過程各因素對V2O5浸出率的影響見圖2。由圖2可知，隨著浸出溫度的升高，V2O5的浸出率先升后降，浸出溫度為60℃較優(yōu)；隨著浸出時(shí)間的延長，V2O5的浸出率逐漸提高；隨著液固比的提高，V2O5的浸出率先升高后略有下降；隨著廢酸濃度的升高，V2O5的浸出率逐漸提高。由此可見，對釩鈦鐵精礦鈦白廢酸浸出過程來說，可以適當(dāng)提高廢酸濃度或延長浸出時(shí)間，以促進(jìn)V2O5浸出率的提高，但是廢酸濃度已經(jīng)是較高濃度，所以可以調(diào)整的僅剩浸出時(shí)間一個(gè)因素。

圖2 V2O5浸出率隨浸出各因素的變化曲線Fig.2 Variation curve change of V2O5 leaching rate with leaching different factors

2.2 焙燒-浸出實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究焙燒工藝參數(shù)對鈦白廢酸浸出釩鈦鐵精礦中V2O5的影響規(guī)律，固定浸出條件為：浸出溫度60℃，浸出時(shí)間180 min，液固比為5，廢酸濃度為20%。設(shè)定焙燒溫度、焙燒時(shí)間、碳酸鈉配比和碳酸鉀配比作為正交實(shí)驗(yàn)考查因素，以V2O5浸出率為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用正交實(shí)驗(yàn)分析法分析焙燒工藝參數(shù)對V2O5浸出率的影響，從而確定較優(yōu)的焙燒工藝參數(shù)。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表4，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見表5。由表4可知，對釩浸出率影響程度由大到小分別是焙燒溫度、碳酸鉀配比、碳酸鈉配比和焙燒時(shí)間。對焙燒過程來說，較優(yōu)工藝參數(shù)為焙燒溫度1000℃，焙燒時(shí)間2 h，碳酸鈉配比為10%，碳酸鉀配比為10%。此外，由表5還可看出，在焙燒溫度為1000℃，焙燒時(shí)間1 h，碳酸鈉配比為5%和碳酸鉀配比為10%時(shí)，釩鈦鐵精礦中V2O5的浸出率較高，其值為84.48%。

表4 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test

表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Table 5 Orthogonal experimental results and statistical analysis

焙燒過程各因素對V2O5浸出率的影響見圖3。由圖3可知，隨著焙燒溫度的升高和焙燒時(shí)間的延長，V2O5的浸出率先升后降，較為適宜的焙燒溫度和焙燒時(shí)間分別為1000℃和2 h；隨著碳酸鈉配比和碳酸鉀配比的增加，V2O5的浸出率均逐漸提高。由此可見，焙燒工藝參數(shù)對釩鈦鐵精礦鈦白廢酸浸出過程來說，可以適當(dāng)提高碳酸鈉或碳酸鉀的配比，以促進(jìn)V2O5浸出率的提高，但是過量的鈉鹽或鉀鹽的添加，一方面成本增加，另一方面也生產(chǎn)較多的低熔點(diǎn)產(chǎn)物，不利于焙燒過程的進(jìn)行。

圖3 V2O5浸出率隨焙燒各因素的變化曲線Fig.3 Variation curve change of V2O5 leaching rate with different roasting factors

3 結(jié) 論

（1）釩鈦鐵精礦鈦白廢酸直接浸出正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著浸出溫度和液固比的升高，V2O5的浸出率先升后降，適宜的浸出溫度和液固比分別為60℃和5；隨著浸出時(shí)間的延長和鈦白廢酸濃度的提高，V2O5的浸出率逐漸提高。在浸出溫度為90℃，浸出時(shí)間90 min，液固比為5和廢酸濃度為20%時(shí)，V2O5的浸出率為71.05%。

（2）釩鈦鐵精礦焙燒-酸浸正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著焙燒溫度的升高和焙燒時(shí)間的延長，V2O5的浸出率先升后降，較為適宜的焙燒溫度和焙燒時(shí)間分別為1000℃和2 h；隨著碳酸鈉配比和碳酸鉀配比的增加，V2O5的浸出率均逐漸提高。在焙燒溫度為1000℃，焙燒時(shí)間1 h，碳酸鈉配比為5%和碳酸鉀配比為10%時(shí)，V2O5的浸出率可達(dá)84.48%。

（3）焙燒過程雖然可以促進(jìn)釩鈦鐵精礦中V2O5的浸出，但是也會(huì)大幅度增加成本和浸出渣中鐵和鈦的綜合利用難度，因此兩種工藝相比較，采用鈦白廢酸直接浸出更為經(jīng)濟(jì)。