含鈦高爐渣中鈦組分的分離提取技術(shù)探析

王 玨

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)，江蘇 南京 211135）

1 含鈦高爐渣綜合利用存在的問題

對(duì)含鈦高爐渣的綜合利用進(jìn)行研究具有十分重要的意義。含鈦高爐渣中鈦資源的利用高效，同時(shí)相關(guān)工作較為困難。對(duì)含鈦高爐渣進(jìn)行綜合利用，提取鈦資源是由于其有很大的再利用價(jià)值，通常鈦在礦石和輝石中分布廣泛，但目前由于技術(shù)有限，而且在含鈦高爐渣中，鈦礦物晶粒形狀多變和體積微小，所以采取常規(guī)的提取技術(shù)對(duì)鈦進(jìn)行分離回收具有較大的挑戰(zhàn)。含鈦高爐渣的直接利用與提鈦利用都存在著較多的不足[1]。含鈦高爐渣的直接利用工作使產(chǎn)品的附加值較低，經(jīng)濟(jì)效益不高；而提鈦利用技術(shù)成本過高，而且容易造成二次污染，使其在市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)力較低，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2 含鈦高爐渣中鈦組分的分類與提取價(jià)值研究

當(dāng)下隨著時(shí)代迅速發(fā)展，要想走一條可持續(xù)的高質(zhì)量之路，各國都十分注重資源的儲(chǔ)備，尤其對(duì)不可再生資源，不僅要有節(jié)制開發(fā)，還要合理節(jié)約使用。含鈦高爐渣的高效利用，不僅可以緩解當(dāng)下的資源緊缺壓力，更可以減少環(huán)境污染[2]。因此，對(duì)含鈦高爐渣中鈦組分的分離與提取進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

3 含鈦高爐渣的類型和特征

3.1 含鈦高爐渣是如何形成的以及有哪些種類

高爐渣的形成相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要基礎(chǔ)來源是釩鈦磁鐵礦，將其經(jīng)過一系列篩選形成精礦后，加入助燃劑和燃料進(jìn)行一定時(shí)間焙燒，在高溫煅燒后再經(jīng)過高爐煉鐵，就產(chǎn)生了高爐渣[3]。因此，含鈦高爐渣中主要包括在釩鈦燒結(jié)礦高爐冶煉的過程中未被還原的鎂、鈦、鈣、硅、鋁、少量鐵水、爐內(nèi)早期結(jié)晶高溫礦物，這些物質(zhì)經(jīng)過一定的過程形成獨(dú)特的含鈦高爐渣。根據(jù)冷卻過程采用的方式不用含鈦高爐渣又分為空冷含鈦高爐渣和水淬含鈦高爐渣兩種。

3.2 含鈦高爐渣的性能

在含鈦高爐渣中，含量最多的是鈦酸鹽礦物，因?yàn)樗埸c(diǎn)比較高，是在高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的主要礦物。很多研究者發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽礦物的形狀非常多，據(jù)分析形狀的產(chǎn)生是跟冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻速度較快，很多晶體類似雪花一樣，有十字狀、樹枝狀等，多呈錘形或菱形；而冷卻緩慢時(shí)，大多呈半自形、自形、渾圓狀。顏色多為淡黃、淡紫、無色、透明、半透明，具有金剛光澤。含鈦高爐渣中最主要的造渣礦物是攀鈦透輝石，其在整個(gè)含鈦高爐渣中含量超過50%，由于它結(jié)晶需要的溫度最低，所以是最后形成晶體。在形狀分析上，該礦物十分有趣，是“它”字狀，也有很少的一部分是柱體形狀或者葉子狀[4]。在顏色分析上，大致有五種顏色，主要有黃褐色、灰褐色、灰白色、透明顏色和半透明顏色。該礦物是普通輝石的一種變種，其富含豐富的鈦、鋁，而鐵、硅等含量極其稀少。含鈦高爐渣中含鈦?zhàn)罡叩牧硪环N輝石特性工藝礦物是富鈦透輝石，其結(jié)晶溫度高于攀鈦透輝石，該礦物的主要形狀呈柱狀、板狀，但常常表現(xiàn)為殘缺不全的羽狀、燕尾狀等。其顏色由深至淺大致分為棕色、條痕白色、不透明色到透明色、光澤上比較閃亮，斷口處多呈現(xiàn)條橫狀。兩種礦石所呈現(xiàn)出的X射線從主線條來看是一樣的，經(jīng)過草酸處理后從數(shù)據(jù)上看差不多是一致的。

它們都是富含鈦的輝石型礦物。

含鈦高爐渣中生成的高溫礦物其中之一便是鎂鋁尖晶石，其主要呈等軸的八面體，它的表面比較圓潤，顏色也比較鮮艷，一般呈湖水般淺藍(lán)色和比較深的墨綠色，但也有一些是透明或半透明顏色。在形體上是比較脆弱的，斷口處也是貝殼狀。相對(duì)比天然尖晶石，其富含含鈦氧化物。含鈦高爐渣從外觀上看大多呈現(xiàn)出灰黑色，構(gòu)造上有塊狀和柱狀，在掃描電鏡下觀察則為多孔狀、泡沫狀、微孔狀。其包含的礦物質(zhì)較多，大量的礦物質(zhì)含有熔點(diǎn)高、結(jié)晶性強(qiáng)等特點(diǎn)。玻璃質(zhì)的礦物質(zhì)極少，因此，其顆粒之間排列緊密，具有較高的硬度。在進(jìn)行粉碎處理時(shí)通常采用機(jī)械加工的方式。

4 國內(nèi)外含鈦高爐渣的利用情況

4.1 國外含鈦高爐渣的利用現(xiàn)狀

含鈦高爐渣在一些發(fā)達(dá)國家普遍利用率比較高，因?yàn)檫@些國家對(duì)資源重視程度普遍比較高，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了排放和再利用的完美搭配。但在國外，高爐冶煉中使用的釩鈦磁鐵礦中所含的含鈦氧化物含量不高，因此，其與我國攀枝花釩鈦磁鐵礦高爐冶煉所產(chǎn)生的含鈦高爐渣存在較大不同。含鈦高爐渣作為水泥摻合料應(yīng)用十分廣泛。而含鈦高爐渣中鈦氧化物含量較低時(shí)，對(duì)制作的水泥并沒有很大的損害。但是一旦含量變高，水泥的強(qiáng)度就會(huì)下降。在工業(yè)化和城市化城市的不斷發(fā)展中，對(duì)水泥產(chǎn)生很大的需求，因此含鈦高爐渣也逐漸被認(rèn)為具有很高的利用價(jià)值。并且隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷提升，含鈦高爐渣中的含鈦氧化物含量逐漸降低，就更容易被消化吸收，從而發(fā)揮更大的使用價(jià)值。

4.2 國內(nèi)含鈦高爐渣的利用情況

隨著人們對(duì)含鈦高爐渣終態(tài)組分的分離與提取逐漸重視，我國許多公司也采用釩鈦磁鐵礦作為高爐煉鐵的主要原料。除此之外，一部分公司也使用含鈦的鐵礦石進(jìn)行高爐冶煉。鐵礦石中含鈦氧化物的含量較低，與釩鈦磁鐵礦的含鈦氧化物不同。許多公司利用釩鈦磁鐵礦作為高爐煉鐵的主要原料導(dǎo)致含鈦高爐渣堆積，如果不對(duì)其加以合理地利用就會(huì)造成鈦資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，造成環(huán)境污染。針對(duì)此，許多科學(xué)家進(jìn)行研究，將含鈦高爐渣的利用分為兩類：一類是非提鈦的利用，其主要是將含鈦高爐渣直接制成建筑材料與其它制品，包括：水泥、地磚、瓷磚、礦棉、耐堿纖維等；另一類是提取態(tài)資源與其有價(jià)的物質(zhì)，其可以通過冶金工藝提取相關(guān)物質(zhì)，采用化學(xué)工藝提取含鈦高爐渣中的鈦、鋁等有價(jià)物質(zhì)。但在對(duì)含鈦高爐渣利用過程中，要以經(jīng)濟(jì)性、產(chǎn)品市場(chǎng)、工藝難易程度三個(gè)方面為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)含鈦高爐渣的利用。

5 含鈦高爐渣的綜合利用

含鈦高爐渣回收利用實(shí)際并不需要很繁瑣的工藝，他的加工處理相對(duì)來說較簡(jiǎn)單，一般在使用前進(jìn)行爐前水沖，經(jīng)過這個(gè)操作就可以成為水泥的原料之一了。高爐渣含鈦氧化物的高低與煉鐵過程中的使用的工藝有很重要的關(guān)聯(lián)，相比普通高爐渣，攀鋼高爐煉鐵煉出的高爐渣就含有較多其他成分。如果直接使用它生產(chǎn)加工別的原料，也不能達(dá)到心意的效果。而如果直接視為普通高爐渣使用，用其制作的成品不僅可能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，也會(huì)造成鈦成分的浪費(fèi)。所以對(duì)物質(zhì)的高效利用，必須充分認(rèn)識(shí)成分含量，并且根據(jù)各自特性采用專業(yè)的技術(shù)分離生產(chǎn)，盡最大可能做到資源上的高效利用。因此，若不能對(duì)其合理利用不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，也難以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[5-7]?；诖耍绾卫煤伕郀t渣中的鈦組分成為重中之重。含鈦高爐渣的利用應(yīng)是多工藝、多途徑、多成果，只有這樣才能使其產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5.1 非提鈦的利用方式

含鈦高爐渣可以作為水泥摻和料，當(dāng)含鈦高爐渣摻入量控制在一定范圍內(nèi)時(shí)就可以符合國內(nèi)大壩水泥要求。但是，含鈦高爐渣中的二氧化鈦含量較高，其具有結(jié)晶能力強(qiáng)、活性低等特點(diǎn)，將其摻入水泥中會(huì)導(dǎo)致水泥強(qiáng)度較低，因此，含鈦高爐渣不能被大量地?fù)饺胨嘀?，否則會(huì)降低水泥的特性。除此之外，還可以將其用作生產(chǎn)道路水泥，將含鈦高爐渣用作水泥的過程中要嚴(yán)格把控水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、水化熱、磨損量、干縮率等。

含鈦高爐渣可以做混凝土骨料，許多研究員對(duì)含鈦高爐渣制作這個(gè)產(chǎn)品是否可靠進(jìn)行了專業(yè)研究，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用含鈦高爐渣制作混凝土骨料是完全可以的，其與天然砂相比，具有強(qiáng)度高、比重輕、高活性等特點(diǎn)。因此，將含鈦高爐渣作為混凝土骨料確實(shí)可以提升混凝土的質(zhì)量。但在使用過程中，要注意合理搭配，只有二者按一定比例混合，才能生產(chǎn)出實(shí)用性強(qiáng)又安全可靠的水泥產(chǎn)品，提高利用率。一般可以采用自然冷卻、破碎、干燥、篩工等成分使高爐渣應(yīng)用于建筑混凝土中，對(duì)高爐渣進(jìn)行綜合利用。

含鈦高爐渣可以用作制作墻地磚，將水淬含鈦高爐渣與陶土按照一定比例進(jìn)行配料，可以制作釉面磚的素坯，經(jīng)過煅燒工藝制備出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的釉面磚。在利用含鈦高爐渣進(jìn)行墻地磚制作過程中可以降低燒成溫度，節(jié)約能源延長爐窯壽命。除此之外，其還可以通過較為成熟的制磚技術(shù)，將其以不同的原料，制作出不同的墻地磚。例如：以水淬含鈦高爐渣為主要原料，粉煤灰和石灰做凝膠材料研制建筑爐渣磚，用于一般工業(yè)與民用建筑的墻體；利用水淬含鈦高爐渣碎石，渣砂為骨料，水泥作為膠結(jié)料，粉煤灰作為摻和料制作各種顏色的路面磚、水溝蓋板以及建筑墻體材料等，這樣生產(chǎn)的地磚平整光亮、色彩豐富自然，而且其各項(xiàng)指標(biāo)均超過國家要求。將含鈦高爐渣應(yīng)用于墻地磚不僅可以在人行道、公園、住宅小區(qū)等得以廣泛應(yīng)用，而且可以豐富人們的生活，受到市民好評(píng)。

含鈦高爐渣還可用于光催化降解。近年來許多研究人員對(duì)含鈦氧化物的光催化降解性能進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，給社會(huì)發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。含鈦氧化物可以有選擇地參雜在適量的金屬以及稀土離子中，將其應(yīng)用于光催化降解，其效果明顯。這是一個(gè)創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)，從另一個(gè)方向?yàn)楹伕郀t渣的合理使用提高了思路，即利用其成分的特殊性，將含鈦高爐渣制作成光催化劑。像我們現(xiàn)在看到的一些陶瓷、金屬門把手等，都是將含鈦高爐渣混合一定量金屬或者有機(jī)化合物，然后均勻涂撒在表面，晾成膜以后就可以用于光催化降解；有的研究人員將含鈦高爐渣作為光催化材料降解磷硝基酚溶液，在合適的條件下，以含鈦高爐渣為原料所制作的光催化材料降解效果可以達(dá)到最佳。

含鈦高爐渣還可用于凈化高爐煤氣廢水?，F(xiàn)在工業(yè)廢水處理是困擾社會(huì)的一大難題，這些廢水一旦處理不好，既對(duì)環(huán)保造成壓力，也威脅人的身體健康。研究人員發(fā)現(xiàn)，用含鈦高爐渣來過濾高爐煤氣水，可以減少一些漂浮物和有機(jī)生物，經(jīng)過凈化的水可以達(dá)到再次循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)。但需要注意的是，含鈦高爐渣的加入量、處理時(shí)間、溶液酸堿度、處理溫度等要進(jìn)行嚴(yán)格控制。

含鈦高爐渣還可用于制備鑄石和玻纖。相關(guān)人員對(duì)含鈦高爐渣制作微晶鑄石和玻纖進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，利用含鈦高爐渣所制作的產(chǎn)品具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性與抗沖擊性，具有較高的耐化學(xué)腐蝕性與耐磨性，其可以用于代替鑄鐵、鋼材、橡膠等某些設(shè)備的內(nèi)襯，但制作成本較高。除此之外，還可以以含鈦高爐渣為主要原料，通過加入相應(yīng)的物質(zhì)制成玻璃纖維、耐堿礦棉等。

含鈦高爐渣還可以用于制備聚合材料。以含鈦高爐渣和煅燒高嶺土作為主要原料，配以合適的激活劑，采用振動(dòng)的方法，使其控制在合適的溫度范圍內(nèi)用于制備礦物基聚合材料，該材料具有高強(qiáng)度的抗壓能力。除此之外，高爐渣基聚合材料對(duì)鉛離子具有高強(qiáng)度的固定率。

含鈦高爐渣還可用于石油支撐劑。其可以通過優(yōu)質(zhì)的鋁礬土、含鈦高爐渣等資源作為主要原料，通過加入適量的添加劑，采用合適的陶瓷燒結(jié)法生成新型材料，以作為石油支撐劑。

5.2 含鈦高爐渣中的鈦如何分離

我們知道，化合物的成分都是比較復(fù)雜的，想要進(jìn)行分離需要超高的科學(xué)技術(shù)，含鈦高爐渣的科學(xué)分離就是采用冶金和選礦的結(jié)合，從化學(xué)方面改變其性能，從而實(shí)現(xiàn)真正的分離。該技術(shù)采用特定的工藝使含鈦高爐渣中的礦物質(zhì)進(jìn)行富集、長大、分離，最后成為可利用的資源。實(shí)質(zhì)是通過鋼渣、氧化鈣、三氧化二鐵等物質(zhì)對(duì)高爐渣性質(zhì)進(jìn)行改，變使高爐渣中鈣鈦礦的結(jié)晶選擇性富集，使其能夠分布于礦物中的二氧化鈦，使高爐渣中的二氧化鈦移至該鈦礦中，通過選礦技術(shù)分離出含鈦組分。該技術(shù)在使用過程中對(duì)礦物質(zhì)的富集、長大、分離等都有具體的要求與控制，在使用該技術(shù)之前要確定相關(guān)流程，確保有價(jià)金屬礦物分離工作能夠順利開展。該技術(shù)成本較低、污染較小、對(duì)含鈦高爐渣的處理能力較強(qiáng)，但在實(shí)際的操作過程中，由于礦物質(zhì)晶粒粒度分布不均勻，使得單體解離效果差，分離困難。因此，此方法要廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中還需進(jìn)一步的研究。

5.3 酸處理含鈦高爐渣

對(duì)于含鈦高爐渣中鈦組分的分離與提取可以采用酸處理。例如：利用硫酸浸取含鈦高爐渣制取鈦白和提鈧。具體過程為：將含鈦高爐渣放置在一定濃度的硫酸水中然后經(jīng)過水解、萃取、沉淀等技術(shù)使鈦白粉、三氧化二鈧、硫酸鋁銨、氧化鎂、三氧化二鋁等產(chǎn)物產(chǎn)出。由于該方法在使用過程中需要消耗大量的硫酸，生產(chǎn)效率較低，很難達(dá)到讓使用過的硫酸再次使用，而且硫酸易腐蝕容器，對(duì)浸泡的工具選擇有較高要求。因此，此方法還需進(jìn)一步改進(jìn)。

5.4 含鈦高爐渣制取合金

含鈦高爐渣中還可以提取硅鈦合金。在制作過程中這種工藝是很常見的，主要是區(qū)分還原劑和溶劑的成分。如果用不含鐵和鋁的還原劑和溶劑來浸泡含鈦高爐渣，生成的合金就是硅鈦合金；否則就是硅鈦鐵或硅鈦鋁合金。

5.5 高溫碳化-選擇性分離碳化鈦

含鈦高爐渣中的二氧化鈦在高溫下易被分離成碳化鈦，然后在低溫下冷卻、用機(jī)器進(jìn)行破碎處理，再利用其化學(xué)性質(zhì)用鹽酸浸泡，最后利用磁選或者其他方式對(duì)其進(jìn)行收集。碳化鈦是一款性能很強(qiáng)的材料，在日常使用中，是可以耐高溫、耐劃割的抗氧化材料。

5.6 高溫碳化-低溫氯化

“高溫碳化-低溫氯化”工藝是含鈦高爐渣中鈦組分分離與提取中的創(chuàng)新型工藝，其具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，例如：工藝流程短，該工藝只含有碳化和氯化兩個(gè)工序，兩道工序即可生產(chǎn)出鈦產(chǎn)業(yè)中極其重要的中間原料，像廣泛在航空航天事業(yè)中利用的海綿鈦以及鈦白等。該技術(shù)有很高的靈活性，能在制作過程中避免鈣或者鎂的高含量影響，從而確保鈦元素的提取質(zhì)量提高。經(jīng)過氯化過程后，形成的殘?jiān)部梢栽俅卫?，像建筑用的水泥原料和目前市?chǎng)上一些農(nóng)業(yè)用化肥，這樣的高效無廢處理，對(duì)我們的綠色生態(tài)發(fā)展有很重要的價(jià)值。所以說，該項(xiàng)技術(shù)有很廣闊的研究前景，如果能在實(shí)際生產(chǎn)中，切實(shí)做到該項(xiàng)運(yùn)用，將會(huì)有很強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)性。但是根據(jù)現(xiàn)實(shí)看來，碳化工藝確實(shí)不夠成熟，還存在不少的問題：碳化不均勻，電極材料就無法達(dá)到使用要求；碳化渣、氯化裝備水平不高，控制系統(tǒng)不安全；氯化殘?jiān)鼪]有得到有效地利用等。

6 小結(jié)

含鈦高爐渣的綜合應(yīng)用應(yīng)將鈦組分的分離與提取作為重點(diǎn)。只有將含鈦高爐渣中的鈦成分高效提煉出來，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要將不同的剩余產(chǎn)物制造成相應(yīng)的成品，才能真正發(fā)揮出含鈦高爐渣循環(huán)利用的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)資源利用、環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。