含钛高炉渣中钛组分的分离提取技术探析

2022-11-18王珏

世界有色金属 2022年13期

王珏

（中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，江苏南京 211135）

1 含钛高炉渣综合利用存在的问题

对含钛高炉渣的综合利用进行研究具有十分重要的意义。含钛高炉渣中钛资源的利用高效，同时相关工作较为困难。对含钛高炉渣进行综合利用，提取钛资源是由于其有很大的再利用价值，通常钛在矿石和辉石中分布广泛，但目前由于技术有限，而且在含钛高炉渣中，钛矿物晶粒形状多变和体积微小，所以采取常规的提取技术对钛进行分离回收具有较大的挑战。含钛高炉渣的直接利用与提钛利用都存在着较多的不足[1]。含钛高炉渣的直接利用工作使产品的附加值较低，经济效益不高；而提钛利用技术成本过高，而且容易造成二次污染，使其在市场中竞争力较低，很难实现产业化。

2 含钛高炉渣中钛组分的分类与提取价值研究

当下随着时代迅速发展，要想走一条可持续的高质量之路，各国都十分注重资源的储备，尤其对不可再生资源，不仅要有节制开发，还要合理节约使用。含钛高炉渣的高效利用，不仅可以缓解当下的资源紧缺压力，更可以减少环境污染[2]。因此，对含钛高炉渣中钛组分的分离与提取进行研究具有十分重要的意义。

3 含钛高炉渣的类型和特征

3.1 含钛高炉渣是如何形成的以及有哪些种类

高炉渣的形成相对比较简单，主要基础来源是钒钛磁铁矿，将其经过一系列筛选形成精矿后，加入助燃剂和燃料进行一定时间焙烧，在高温煅烧后再经过高炉炼铁，就产生了高炉渣[3]。因此，含钛高炉渣中主要包括在钒钛烧结矿高炉冶炼的过程中未被还原的镁、钛、钙、硅、铝、少量铁水、炉内早期结晶高温矿物，这些物质经过一定的过程形成独特的含钛高炉渣。根据冷却过程采用的方式不用含钛高炉渣又分为空冷含钛高炉渣和水淬含钛高炉渣两种。

3.2 含钛高炉渣的性能

在含钛高炉渣中，含量最多的是钛酸盐矿物，因为它熔点比较高，是在高炉炼铁过程中产生的主要矿物。很多研究者发现钛酸盐矿物的形状非常多，据分析形状的产生是跟冷却速度有关。当冷却速度较快，很多晶体类似雪花一样，有十字状、树枝状等，多呈锤形或菱形；而冷却缓慢时，大多呈半自形、自形、浑圆状。颜色多为淡黄、淡紫、无色、透明、半透明，具有金刚光泽。含钛高炉渣中最主要的造渣矿物是攀钛透辉石，其在整个含钛高炉渣中含量超过50%，由于它结晶需要的温度最低，所以是最后形成晶体。在形状分析上，该矿物十分有趣，是“它”字状，也有很少的一部分是柱体形状或者叶子状[4]。在颜色分析上，大致有五种颜色，主要有黄褐色、灰褐色、灰白色、透明颜色和半透明颜色。该矿物是普通辉石的一种变种，其富含丰富的钛、铝，而铁、硅等含量极其稀少。含钛高炉渣中含钛最高的另一种辉石特性工艺矿物是富钛透辉石，其结晶温度高于攀钛透辉石，该矿物的主要形状呈柱状、板状，但常常表现为残缺不全的羽状、燕尾状等。其颜色由深至浅大致分为棕色、条痕白色、不透明色到透明色、光泽上比较闪亮，断口处多呈现条横状。两种矿石所呈现出的X射线从主线条来看是一样的，经过草酸处理后从数据上看差不多是一致的。

它们都是富含钛的辉石型矿物。

含钛高炉渣中生成的高温矿物其中之一便是镁铝尖晶石，其主要呈等轴的八面体，它的表面比较圆润，颜色也比较鲜艳，一般呈湖水般浅蓝色和比较深的墨绿色，但也有一些是透明或半透明颜色。在形体上是比较脆弱的，断口处也是贝壳状。相对比天然尖晶石，其富含含钛氧化物。含钛高炉渣从外观上看大多呈现出灰黑色，构造上有块状和柱状，在扫描电镜下观察则为多孔状、泡沫状、微孔状。其包含的矿物质较多，大量的矿物质含有熔点高、结晶性强等特点。玻璃质的矿物质极少，因此，其颗粒之间排列紧密，具有较高的硬度。在进行粉碎处理时通常采用机械加工的方式。

4 国内外含钛高炉渣的利用情况

4.1 国外含钛高炉渣的利用现状

含钛高炉渣在一些发达国家普遍利用率比较高，因为这些国家对资源重视程度普遍比较高，重点是实现了排放和再利用的完美搭配。但在国外，高炉冶炼中使用的钒钛磁铁矿中所含的含钛氧化物含量不高，因此，其与我国攀枝花钒钛磁铁矿高炉冶炼所产生的含钛高炉渣存在较大不同。含钛高炉渣作为水泥掺合料应用十分广泛。而含钛高炉渣中钛氧化物含量较低时，对制作的水泥并没有很大的损害。但是一旦含量变高，水泥的强度就会下降。在工业化和城市化城市的不断发展中，对水泥产生很大的需求，因此含钛高炉渣也逐渐被认为具有很高的利用价值。并且随着生产技术不断提升，含钛高炉渣中的含钛氧化物含量逐渐降低，就更容易被消化吸收，从而发挥更大的使用价值。

4.2 国内含钛高炉渣的利用情况

随着人们对含钛高炉渣终态组分的分离与提取逐渐重视，我国许多公司也采用钒钛磁铁矿作为高炉炼铁的主要原料。除此之外，一部分公司也使用含钛的铁矿石进行高炉冶炼。铁矿石中含钛氧化物的含量较低，与钒钛磁铁矿的含钛氧化物不同。许多公司利用钒钛磁铁矿作为高炉炼铁的主要原料导致含钛高炉渣堆积，如果不对其加以合理地利用就会造成钛资源的严重浪费，造成环境污染。针对此，许多科学家进行研究，将含钛高炉渣的利用分为两类：一类是非提钛的利用，其主要是将含钛高炉渣直接制成建筑材料与其它制品，包括：水泥、地砖、瓷砖、矿棉、耐碱纤维等；另一类是提取态资源与其有价的物质，其可以通过冶金工艺提取相关物质，采用化学工艺提取含钛高炉渣中的钛、铝等有价物质。但在对含钛高炉渣利用过程中，要以经济性、产品市场、工艺难易程度三个方面为基础，实现含钛高炉渣的利用。

5 含钛高炉渣的综合利用

含钛高炉渣回收利用实际并不需要很繁琐的工艺，他的加工处理相对来说较简单，一般在使用前进行炉前水冲，经过这个操作就可以成为水泥的原料之一了。高炉渣含钛氧化物的高低与炼铁过程中的使用的工艺有很重要的关联，相比普通高炉渣，攀钢高炉炼铁炼出的高炉渣就含有较多其他成分。如果直接使用它生产加工别的原料，也不能达到心意的效果。而如果直接视为普通高炉渣使用，用其制作的成品不仅可能质量不达标，也会造成钛成分的浪费。所以对物质的高效利用，必须充分认识成分含量，并且根据各自特性采用专业的技术分离生产，尽最大可能做到资源上的高效利用。因此，若不能对其合理利用不仅会造成严重的环境污染，也难以产生经济效益[5-7]。基于此，如何利用含钛高炉渣中的钛组分成为重中之重。含钛高炉渣的利用应是多工艺、多途径、多成果，只有这样才能使其产生较大的经济效益。

5.1 非提钛的利用方式

含钛高炉渣可以作为水泥掺和料，当含钛高炉渣掺入量控制在一定范围内时就可以符合国内大坝水泥要求。但是，含钛高炉渣中的二氧化钛含量较高，其具有结晶能力强、活性低等特点，将其掺入水泥中会导致水泥强度较低，因此，含钛高炉渣不能被大量地掺入水泥中，否则会降低水泥的特性。除此之外，还可以将其用作生产道路水泥，将含钛高炉渣用作水泥的过程中要严格把控水泥的抗折强度、抗压强度、水化热、磨损量、干缩率等。

含钛高炉渣可以做混凝土骨料，许多研究员对含钛高炉渣制作这个产品是否可靠进行了专业研究，通过反复实验发现，利用含钛高炉渣制作混凝土骨料是完全可以的，其与天然砂相比，具有强度高、比重轻、高活性等特点。因此，将含钛高炉渣作为混凝土骨料确实可以提升混凝土的质量。但在使用过程中，要注意合理搭配，只有二者按一定比例混合，才能生产出实用性强又安全可靠的水泥产品，提高利用率。一般可以采用自然冷却、破碎、干燥、筛工等成分使高炉渣应用于建筑混凝土中，对高炉渣进行综合利用。

含钛高炉渣可以用作制作墙地砖，将水淬含钛高炉渣与陶土按照一定比例进行配料，可以制作釉面砖的素坯，经过煅烧工艺制备出符合国家标准的釉面砖。在利用含钛高炉渣进行墙地砖制作过程中可以降低烧成温度，节约能源延长炉窑寿命。除此之外，其还可以通过较为成熟的制砖技术，将其以不同的原料，制作出不同的墙地砖。例如：以水淬含钛高炉渣为主要原料，粉煤灰和石灰做凝胶材料研制建筑炉渣砖，用于一般工业与民用建筑的墙体；利用水淬含钛高炉渣碎石，渣砂为骨料，水泥作为胶结料，粉煤灰作为掺和料制作各种颜色的路面砖、水沟盖板以及建筑墙体材料等，这样生产的地砖平整光亮、色彩丰富自然，而且其各项指标均超过国家要求。将含钛高炉渣应用于墙地砖不仅可以在人行道、公园、住宅小区等得以广泛应用，而且可以丰富人们的生活，受到市民好评。

含钛高炉渣还可用于光催化降解。近年来许多研究人员对含钛氧化物的光催化降解性能进行大量的实验研究，给社会发展带来巨大的经济效益。含钛氧化物可以有选择地参杂在适量的金属以及稀土离子中，将其应用于光催化降解，其效果明显。这是一个创造性地发现，从另一个方向为含钛高炉渣的合理使用提高了思路，即利用其成分的特殊性，将含钛高炉渣制作成光催化剂。像我们现在看到的一些陶瓷、金属门把手等，都是将含钛高炉渣混合一定量金属或者有机化合物，然后均匀涂撒在表面，晾成膜以后就可以用于光催化降解；有的研究人员将含钛高炉渣作为光催化材料降解磷硝基酚溶液，在合适的条件下，以含钛高炉渣为原料所制作的光催化材料降解效果可以达到最佳。

含钛高炉渣还可用于净化高炉煤气废水。现在工业废水处理是困扰社会的一大难题，这些废水一旦处理不好，既对环保造成压力，也威胁人的身体健康。研究人员发现，用含钛高炉渣来过滤高炉煤气水，可以减少一些漂浮物和有机生物，经过净化的水可以达到再次循环利用的标准。但需要注意的是，含钛高炉渣的加入量、处理时间、溶液酸碱度、处理温度等要进行严格控制。

含钛高炉渣还可用于制备铸石和玻纤。相关人员对含钛高炉渣制作微晶铸石和玻纤进行研究发现，利用含钛高炉渣所制作的产品具有较强的热稳定性与抗冲击性，具有较高的耐化学腐蚀性与耐磨性，其可以用于代替铸铁、钢材、橡胶等某些设备的内衬，但制作成本较高。除此之外，还可以以含钛高炉渣为主要原料，通过加入相应的物质制成玻璃纤维、耐碱矿棉等。

含钛高炉渣还可以用于制备聚合材料。以含钛高炉渣和煅烧高岭土作为主要原料，配以合适的激活剂，采用振动的方法，使其控制在合适的温度范围内用于制备矿物基聚合材料，该材料具有高强度的抗压能力。除此之外，高炉渣基聚合材料对铅离子具有高强度的固定率。

含钛高炉渣还可用于石油支撑剂。其可以通过优质的铝矾土、含钛高炉渣等资源作为主要原料，通过加入适量的添加剂，采用合适的陶瓷烧结法生成新型材料，以作为石油支撑剂。

5.2 含钛高炉渣中的钛如何分离

我们知道，化合物的成分都是比较复杂的，想要进行分离需要超高的科学技术，含钛高炉渣的科学分离就是采用冶金和选矿的结合，从化学方面改变其性能，从而实现真正的分离。该技术采用特定的工艺使含钛高炉渣中的矿物质进行富集、长大、分离，最后成为可利用的资源。实质是通过钢渣、氧化钙、三氧化二铁等物质对高炉渣性质进行改，变使高炉渣中钙钛矿的结晶选择性富集，使其能够分布于矿物中的二氧化钛，使高炉渣中的二氧化钛移至该钛矿中，通过选矿技术分离出含钛组分。该技术在使用过程中对矿物质的富集、长大、分离等都有具体的要求与控制，在使用该技术之前要确定相关流程，确保有价金属矿物分离工作能够顺利开展。该技术成本较低、污染较小、对含钛高炉渣的处理能力较强，但在实际的操作过程中，由于矿物质晶粒粒度分布不均匀，使得单体解离效果差，分离困难。因此，此方法要广泛应用于工业生产中还需进一步的研究。

5.3 酸处理含钛高炉渣

对于含钛高炉渣中钛组分的分离与提取可以采用酸处理。例如：利用硫酸浸取含钛高炉渣制取钛白和提钪。具体过程为：将含钛高炉渣放置在一定浓度的硫酸水中然后经过水解、萃取、沉淀等技术使钛白粉、三氧化二钪、硫酸铝铵、氧化镁、三氧化二铝等产物产出。由于该方法在使用过程中需要消耗大量的硫酸，生产效率较低，很难达到让使用过的硫酸再次使用，而且硫酸易腐蚀容器，对浸泡的工具选择有较高要求。因此，此方法还需进一步改进。

5.4 含钛高炉渣制取合金

含钛高炉渣中还可以提取硅钛合金。在制作过程中这种工艺是很常见的，主要是区分还原剂和溶剂的成分。如果用不含铁和铝的还原剂和溶剂来浸泡含钛高炉渣，生成的合金就是硅钛合金；否则就是硅钛铁或硅钛铝合金。

5.5 高温碳化-选择性分离碳化钛

含钛高炉渣中的二氧化钛在高温下易被分离成碳化钛，然后在低温下冷却、用机器进行破碎处理，再利用其化学性质用盐酸浸泡，最后利用磁选或者其他方式对其进行收集。碳化钛是一款性能很强的材料，在日常使用中，是可以耐高温、耐划割的抗氧化材料。

5.6 高温碳化-低温氯化

“高温碳化-低温氯化”工艺是含钛高炉渣中钛组分分离与提取中的创新型工艺，其具有较强的优势，例如：工艺流程短，该工艺只含有碳化和氯化两个工序，两道工序即可生产出钛产业中极其重要的中间原料，像广泛在航空航天事业中利用的海绵钛以及钛白等。该技术有很高的灵活性，能在制作过程中避免钙或者镁的高含量影响，从而确保钛元素的提取质量提高。经过氯化过程后，形成的残渣也可以再次利用，像建筑用的水泥原料和目前市场上一些农业用化肥，这样的高效无废处理，对我们的绿色生态发展有很重要的价值。所以说，该项技术有很广阔的研究前景，如果能在实际生产中，切实做到该项运用，将会有很强的产业性。但是根据现实看来，碳化工艺确实不够成熟，还存在不少的问题：碳化不均匀，电极材料就无法达到使用要求；碳化渣、氯化装备水平不高，控制系统不安全；氯化残渣没有得到有效地利用等。