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非水淬高钛型高炉渣的综合利用

2019-02-21   
    攀枝花是国际闻名的钒钛之都,其钛储量占国内已探明储量的90.54%,国际已探明储量的35.17%,其潜在经济价值达8万亿美元。可是,现有钢铁出产工艺只能使用钒钛磁铁矿中钛质量分数的20%。铁精矿中的二氧化钛经高炉冶炼后根本进入高炉渣,最终随渣一同弃为废物。攀钢高炉渣中的二氧化钛质量分数达20%~23%,以攀钢年产400万t铁计,每年产出高炉渣320万t,其间有TiO2约90万t,按现在市场价核算,直接经济损失达50多亿元。攀钢已累计排放5000多万t含钛高炉渣,除其间一小部分用作建筑材料外,其他大部分都堆积在2个渣场内,现在的归纳使用率还不到15%,资源糟蹋严峻,并且对环境也有污染。因而,合理有用地使用攀钢含钛高炉渣具有严重的经济价值和社会效益。
    国外的一些专家曾对从攀钢高炉渣中提取钛进行了研讨,但未提出有用的解决方案。近年来,我国科技工作者针对此渣展开了很多研讨工作,开端构成了“复合法”、“使用相别离法”、“高温炭化-低温氯化法”、“有价组分选择性分出法”、“用含钛高炉渣制取TiC14”等多种办法。这些办法虽各具优势,但又都存在一些问题,现在没有有任何一种办法能够完成产业化。
    攀钢高钛型高炉渣分为水淬渣和非水淬渣。水淬渣是指从高炉出来后加水冷却构成的高炉渣,非水淬渣是指在空气中直接冷却得到的高炉渣。与水淬渣比较,非水淬高钛型高炉渣中晶体有序度较高,物理化学性质十分安稳,其间的TiO2在常温下几乎不溶于酸。针对非水淬高炉渣的特色,使用渣中TiO2对酸的安稳性,选用酸解法去除渣中可溶性杂质,制取富钛料渣并一起收回Fe、Al等有价元素,完成非水淬高钛型高炉渣的归纳使用。该方面的研讨,现在国内外相关文献中没有见有报导。
    一、实验部分
    (一)实验原料及设备
    非水淬高钛型高炉渣取自四川攀枝花钢铁集团公司巴关河渣场,经枯燥、高能球磨和筛分后,粒度100~160目,化学成分见表1;分析纯、和均为成都科龙化工有限公司产品。
表1  非水淬高钛型高炉渣的化学组成%




TiO2

CaO

MgO

Al2O3

SiO2

ΣFe

其他


20.24

20.16

8.13

14.13

23.55

8.48

5.31
    实验首要设备:天津泰斯特仪器有限公司的SX2-1700℃箱式电阻炉;南京桑力电子设备厂的SYP-Ⅱ玻璃恒温水浴缸;北京市永光亮医疗仪器厂的202-电热恒温枯燥箱。
    (二)实验办法
    1、富钛料渣的制备
    将100~160意图高炉渣在水浴中加热到必定温度,在拌和条件下用必定浓度的酸解必定时刻后,冷却,抽滤,洗刷,即得富钛料渣。
    2、酸分化液中有价成分的提取
    酸解液中参加,将Fe2+氧化为Fe3+;用(1+1)调理pH为2.8~2.9,使Fe(OH)3沉积彻底,过滤、洗刷并枯燥后制得副产品Fe2O3;酸解液中继续加(1+1)调理pH约为4.8,使Al(OH)3沉积彻底,过滤、洗刷并枯燥后制得A12O3;别离Fe、Al后的滤液中加调理pH为13~14,沉积出镁、钙等杂质,再经浓缩、冷冻结晶制得氯化铵晶体。
    (三)分析办法
    富钛料渣中TiO2质量分数选用硫酸高铁铵容量法(GB/T 4102.1-1983)测定;全铁质量分数选用重容量法(GB/T 4102.2-1983)测定;氧化铝质量分数选用EDTA容量法(GB/T4102.8-1983)测定;镁、钙质量分数选用EDTA容量法(GB/T 4102.12-1983)测定。
    二、实验成果与评论
    (一)高钛渣的酸解
    1、温度对酸解渣中TiO2质量分数的影响
    粒度100~160意图高炉渣30g,浓度7mol/L,反响时刻6h,反响温度对酸解作用的影响如图1所示。

图1  温度对酸解渣中TiO2质量分数的影响
    从图1看出:酸解渣中TiO2质量分数随反响温度升高而升高,在温度为70℃时趋于安稳。考虑到温度进步会使本钱添加,因而,最佳酸解温度以控制在70℃左右较为适合。
    2、 浓度对酸解渣中TiO2质量分数的影响
    反响温度90℃,反响时刻6h,酸渣质量比1.7∶1,酸解渣中TiO2质量分数随浓度的改变联系如图2所示。能够看出:浓度为7mol/L时,酸解渣中TiO2质量分数最高;浓度大于7mol/L,部分TiO2酸解进入液相,使酸解渣中TO2质量分数下降。因而,浓度以不高于7mol/L为宜。

图2  浓度对酸解渣中TiO2质量分数的影响
    3、反响时刻对酸解渣中TiO2质量分数的影响
    反响温度90℃,浓度7mol/L,酸渣质量比1.7∶1,酸解渣中TiO2质量分数随反响时刻的改变联系如图3所示。能够看出:随反响时刻延伸,酸解渣中TiO2质量分数增大,在反响6h时达最大,为46.65%;尔后,反响时刻再延伸,TiO2会部分溶解,导致酸解渣中TiO2质量分数下降。因而,酸解反响时刻应控制在6h左右。

图3  酸解时刻对酸解渣中TiO2质量分数的影响
    4、酸渣质量比对酸解渣中TiO2质量分数影响
    反响温度90℃,反响时刻6h,浓度7mol/L,酸渣质量比对酸解渣中TiO2质量分数的影响如图4所示。能够看出:酸渣质量比为1.7∶1时,酸解渣中TiO2质量分数最高,为46.5%;酸渣质量比大于1.7∶1, TiO2质量分数略有下降,因为与钛发作反响,生成TiOCl2溶于溶液中,而TiOCl2不易水解成TiO2,然后导致渣中TiO2质量分数下降。


图4  酸渣质量比对酸解渣中TiO2质量分数的影响
    (二)酸解工艺正交实验
    为了断定酸解进程中各要素的影响及最佳工艺条件,依据单要素实验成果,选定4个要素—浓度,温度,酸渣质量比和酸解时刻进行正交实验。实验要素水平及成果见表2,3。
表2  正交实验要素与成果




实验序号

A浓度
/(mol·L-1)

B温度
/℃

C酸渣
质量比

D酸解时刻
/h

ω(TiO2)
/%


1

6

90

1.6∶1

5

43.14


2

6

80

1.7∶1

6

42.12


3

6

70

1.8∶1

7

41.05


4

7

90

1.7∶1

7

46.22


5

7

80

1.8∶1

5

45.01


6

7

70

1.6∶1

6

43.63


7

8

90

1.8∶1

6

43.50


8

8

80

1.6∶1

7

42.10


9

8

70

1.7∶1

5

41.87
表3  各目标分析成果




要素

A

B

C

D


K1

126.31

126.55

128.87

130.02


K2

134.86

129.23

130.21

129.25


K3

127.47

132.86

129.56

129.37


k1

42.10

42.18

42.96

43.34


k2

44.95

43.08

43.40

43.08


k3

42.49

44.29

43.19

43.12


R

2.46

2.11

0.44

0.26
    从表2,3看出,最佳反响条件为:浓度7mol/L,反响温度90℃,酸渣质量比1.7∶1,反响时刻7h,此条件下,富钛渣中TiO2质量分数为46.22%;连个影响要素中,对TiO2质量分数的影响次序为浓度(A)、反响温度(B)、酸渣质量比(C)和反响时刻(D)。
    (三)酸解液中铁、铝的沉积别离
    酸解液中含有铁、铝、钙、镁等金属离子和C1-,其间铁、铝为有价组分,C1-若直接排放会对环境发作晦气影响。因为Fe3+和A13+半径附近,在构成晶体进程中简略呈现类质同晶现象。所以,需先沉积Fe3+,再沉积A13+,之后参加调理pH,去除溶液中的Ca2+,Mg2+等离子。
    依据难溶金属氢氧化物的溶度积,经过调理溶液的pH能够完成金属离子的分步沉积。由表4可知Fe3+沉积彻底时的理论pH=2.81,此刻A13+,Mg2+、Ca2+还没有开端沉积;Al3+沉积彻底时的理论pH=4.71,此刻Mg2+、Ca2+还没开端沉积,而Fe3+已沉积彻底。
表4  金属氢氧化物沉积时的pH

    1、酸解液中铁的沉积
    由铁盐水解电位可知:在pH约为2.3时,溶液中快速构成无定形Fe(OH)3;pH约为2.8时,Fe(OH)3。沉积很多构成;而A13+开端沉积时的pH约为3.37,所以在pH为2.5~3.5之间进行铁的沉积实验,成果见表5。
表5  酸解液中铁沉积实验成果




实验编号

c(Fe3+)/(mol·L-1)

pH

沉积物中ω(Fe(OH)3)/%

收回率/%


1

0.141

2.50

85.40

50.22


2

0.139

2.88

86.12

73.24


3

0.140

3.12

80.23

73.25


4

0.142

3.50

69.51

73.26


5

0.192

2.53

85.14

56.86


6

0.190

2.85

87.81

76.83


7

0.188

3.10

81.58

75.11


8

0.192

3.51

70.20

76.85
    从表5看出:开端呈现沉积时,溶液的pH为2.8左右,首要沉积物为Fe(OH)3,杂质分出的很少;pH=2.8~2.9时,溶液中铁离子根本沉积彻底;pH大于3.10后,Fe(OH)3沉积量呈下降趋势,此刻A13+或许开端沉积。归纳考虑,沉积铁的pH以2.8~2.9较适合。
    2、酸解液中铝的沉积
    A13+的水解进程比较复杂。因为Al3+往往在很短时刻内水解彻底,所以评论水解平衡比评论反响速率更有意义。一般来说,Al3+的水解平衡首要取决于溶液中A13+的浓度和溶液pH。由电位分析可知,pH≈4.1时, Al3+水解聚兼并构成很多的无定形Al(OH)3;pH=4.6时,Al(OH)3沉积很多构成。归纳考虑,沉积Al3+的实验中,pH应控制在3.7~5.0之间。
    取沉铁后的酸解液加热浓缩至[A13+]=0。140mol/L和[A13+]=0.187mol/L。各取200mL进行实验,实验成果见表6。
表6  酸解液中铝的沉积实验成果




实验序号

c(Al3+)/(mol·L-1)

pH

ω(Al(OH)3)/%

收回率/%


1

0.125

3.70

77.56

29.53


2

0.123

4.01

85.56

50.47


3

0.120

4.52

90.90

64.30


4

0.121

4.80

98.14

85.74


5

0.120

5.01

95.26

83.96


6

0.163

3.70

79.87

30.30


7

0.161

4.00

88.50

50.30


8

0.164

4.51

92.21

65.50


9

0.160

4.81

98.29

86.80


10

0.160

5.00

95.50

83.91
    由表6可知:溶液pH为3.7~4.8时,随pH升高,Al(OH)3分出量和收回率均逐步升高,并在pH=4.8时到达最大,此刻沉积物中Al(OH)3质量分数为98.29%,收回率为86.80%;pH增大到5时,Al(OH)3质量分数和收回率都略有下降,原因或许是Al(OH)3发作部分溶解,构成AI(OH)4-。Al3+浓度增大,尽管铝的水解度下降,但水解的铝的总量添加,因而,Al(OH)3质量分数和铝的收回率升高。归纳考虑,沉积Al3+的最佳pH以4.8为宜。
    (四)酸解液中NH4Cl的收回
    分步沉积铁、铝后的母液中含有很多NH4Cl,有必要加以收回。为了尽量削减杂质,在收回铵盐之前,向滤液中继续加和,增大溶液pH至13~14,使其间的Ca2+、Mg2+等构成沉积,过滤后,选用低温屡次蒸发冷析结晶法收回溶液中的NH4Cl。
表7  不同温度下氯化铵在水溶液中的溶解度




温度/℃

溶解度/g

温度/℃

溶解度/g


0

29.4

60

55.2


20

37.2

70

60.2


30

41.4

80

65.6


40

45.8

90

71.3


50

50.4

100

77.3
    从表7看出,氯化铵在溶液中的溶解度随温度升高而升高。考虑到NH4C1的挥发性,所以加热温度以不超越80℃为宜。选用水浴加热,待浓缩液面呈现晶膜后用冷水冷却至4~6℃,继续5h,氯化铵一次收回率为33%~39%,二次收回率为80%~90%,三次收回率在95%以上,纯度到达98%。
    三、定论
    (一)用稀酸解非水淬含钛高炉渣可完成钛、硅与大部分可溶性杂质的别离,取得富钛渣,其间w(TiO2)≥45%,可用于出产钛。酸解最佳工艺条件为:浓度7mol/L,温度90℃,酸渣质量比1.7∶1,反响时刻7h。
    (二)调理酸解液pH为2.8~2.9,可沉积Fe(OH)3,铁沉积率≥76%;再调理pH≈4.8,可沉积A1(OH)3,铝沉积率≥86%;最终选用低温屡次蒸发冷析结晶法收回废液中的NH4Cl,NH4Cl纯度到达98%以上,收回率在75%以上。
    (三)该工艺简略,易操作,对合理开发使用攀钢很多堆积的含钛高炉渣有积极意义。工艺的使用性尚待进一步研讨。