ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 1, с. 80-88
УДК 661.824
ВЗАИМОДЕЙСТВ^ ХИБИНСКОГО ТИТАНОМАГНЕТИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА С ХЛОРОВОДОРОДНОЙ КИСЛОТОЙ © 2013 г. Е. К. Копкова, Е. А. Щелокова, П. Б. Громов, А. Т. Беляевский, Ю. Н. Нерадовский
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, г. Апатиты kopkova@chemy. kolasc.net.ru Поступила в редакцию 30.01.2012 г.
Изучено взаимодействие хибинского титаномагнетитового концентрата с растворами хлороводородной кислоты. Разложение титаномагнетитового концентрата в растворах HCl оптимизировали с использованием метода факторного планирования эксперимента. Установлено, что основными параметрами, влияющими на эффективность разложения титаномагнетитового концентрата хлороводородной кислотой и степень извлечения металлов в фильтрат, являются концентрация HCl, ее расход, температура процесса и продолжительность перемешивания фаз. Показано, что, варьируя условия разложения, можно влиять на селективность процесса: при разложении титаномагнетитового концентрата в условиях высокой температуры, концентрации и расхода кислоты (t = 95°С, Сна = 320— 340 г/л, титаномагнетитовый концентрат (Т) : HCl (Ж) = 1 : 10, т = 4 ч) происходит коллективный переход металлов в раствор с высокой (93—95%) степенью извлечения; снижение значений параметров (t = 50—80°С, СнС1 = 200—220 г/л, Т : Ж = 1 : 6—7, т = 2 ч) повышает селективность разложения титаномагнетитового концентрата с преимущественным выделением железа и ванадия в раствор при минимальном (<15%) переходе титана.
DOI: 10.7868/S0040357112060139
ВВЕДЕНИЕ
Возрастающая потребность в титане и его соединениях наряду с истощением богатых по титану руд требуют изыскания новых источников титанового сырья. К последним можно отнести хибинский титаномагнетит, получаемый при обогащении апатитонефелиновых руд Кольского полуострова при производстве апатита. Титаномагнетит БеРе204 • БеТЮз является акцессорным минералом большинства хибинских пород и встречается совместно с апатитом, эгирином и сфеном [1—3]. Как нетрадиционное сырье в настоящее время титаномагнетит относится к категории неиспользуемых ресурсов и представляет собой резерв для развития производства титана.
По действующей на ОАО "Апатит" технологии обогащения апатитонефелиновой руды ежегодно в отвалы выводится более 280 тыс. т высокотитанистого титаномагнетитового концентрата (ТМК) среднего состава: ТЮ2 - 14-19%, Бе203 -77-80%, У205 - 0.5% [4, 5]. Благодаря большим запасам апатитонефелиновых руд и комплексному составу титаномагнетитового концентрата, отличающегося высоким содержанием железа, титана и ванадия, он может и должен стать дополнительным сырьем для производства железа и редких металлов. Получение при выработке апатита редкометалльной продукции (ванадиевых
шлаков, являющихся основой для производства феррованадия - легирующей добавки при выплавке высококачественных и инструментальных сталей, а также титановых шлаков, содержащих 50-70% ТЮ2 в качестве сырья для производства пигментного диоксида титана) значительно повысило бы эффективность и комплексность переработки апатитонефелиновых руд [4, 5]. Тем более, что при отсутствии в рамках действующей технологии апатита первоначальных затрат на добычу, дробление и измельчение титаномагнетита его переработка экономически выглядит очень привлекательно. Однако хибинский ТМК в промышленных масштабах не перерабатывается и рассматривается лишь возможность его добавления к ильменитовому концентрату для совместной переработки на титановый шлак и ванадиевый чугун [5-8].
Основными направлениями переработки тита-номагнетитов являются гидро- и пирометаллурги-ческие методы. Наиболее широкое распространение получили пирометаллургические методы, предусматривающие переработку титаномагнетита в сталь с попутным извлечением ванадия и титана в шлаки на одной из стадий пирометаллургического передела [5-8]. Однако эти методы переработки достаточно энергоемки и не обеспечивают концентрирование дорогостоящего ванадия в одном из продуктов. Поэтому все большее значение при-
Таблица 1. Гранулометрический и химический состав хибинского титаномагнетитового концентрата
Класс
Выход,
Содержание, мас. %
крупности, мкм % Fe2Ö3 Feü ТЮ2 V2O5 SiO2 А12О3 Fe^ FeО ТЮ2 V2O5 SiO2 А12О3
+ 160 0.6 13.37 18.5 8.81 0.27 21.65 14.63 0.23 0.39 0.37 0.40 1.18 1.44
+ 125 2 17.66 19.4 8.14 0.29 21.22 13.6 1.01 1.38 1.15 1.41 3.85 4.46
+ 100 11 19.34 19 8.86 0.30 19.4 12.87 6.06 7.43 6.86 8.05 19.35 23.21
+80 11.4 31.14 20.6 11.71 0.45 10.78 7.09 10.11 8.35 9.40 12.51 11.14 13.25
+63 14.4 34.33 20.29 11.26 0.32 10.83 6.53 14.07 10.39 11.42 11.24 14.14 15.42
+40 27.6 35.74 22.89 13.06 0.39 10.9 5.02 28.08 22.47 25.38 26.25 27.27 22.71
+25 13 37.01 29.13 15.30 0.41 9.61 3.51 13.70 13.47 14.01 13.00 11.33 7.48
-25 20 44.06 39.09 16.30 0.43 7.28 2.70 25.08 27.80 22.96 20.98 13.20 8.85
Исходная проба 100 35.13 28.12 14.20 0.41 11.03 6.10 100 100 100.0 100 100 100
Извлечение, %
обретают способы, основанные на разложении ти-таномагнетитовых концентратов растворами минеральных кислот с переводом железа(П, III), ванадия и частично титана(ГУ) в жидкую фазу и последующими операциями их разделения. Для этих целей целесообразно использование метода жидкостной экстракции селективными органическими растворителями, позволяющими комплексно использовать все составляющие сырья и получать чистые и высокочистые конечные продукты [8—12].
Целью настоящей работы является физико-химическое исследование хибинского титаномаг-нетитового концентрата как продукта обогащения апатитонефелиновой руды, а также изучение его взаимодействия с растворами хлороводородной кислоты для определения оптимальных условий выделения и концентрирования основных ценных компонентов — железа, ванадия и титана — в отдельных полупродуктах, удобных для последующей экстракционной переработки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследование исходной пробы ТМК было проведено с применением комплекса физико-химических методов анализа: гранулометрического, химического (атомно-абсорбционная спектрометрия, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой), минералогического, рентгено-фазового, микрозондового, а также электронно-микроскопического с применением электронного сканирующего микроскопа SEM LEO 420.
Согласно литературным данным, титаномаг-нетитовый концентрат, получаемый в результате обогащения апатитонефелиновой руды, содержит такие минералы, как магнетит, ильменит, сфен, пирит, нефелин, эгирин, апатит [13, 14], что подтвердилось проведенным рентгенофазовым анализом: минеральные фазы титаномагнетитового концентрата представлены магнетитом Fe3O4,
ильменитом FeTiO3
альбитом NaAlSi3O8,
антиго-
ритом М§3(ОН)^12О5, минералами группы амфиболов со структурой №Са2Ре4АШ<5А12О22(ОН)2 и ферроактинолитом Са2Бе^18О22(ОН)2 (рис. 1а). Выделенная немагнитная фракция титаномагне-тита содержит в основном ильменит Ре1Ю3 и силикатную минеральную составляющую (рис. 1б). Магнитная фракция включала магнетит Бе304 с небольшим количеством ильменита (рис. 1в).
Гранулометрический анализ исходной пробы титаномагнетитового концентрата показал, что концентрат на 75% представлен мелкозернистым материалом крупностью —80 мкм и содержит 15% 1Ю2, 61% Бе304 и около 20% шлакообразующих оксидов ^Ю2, А12О3, М§О, СаО) (табл. 1). Распределение минеральных фаз ТМК по фракциям свидетельствует о том, что мелкая фракция концентрата наиболее обогащена титаномагнети-том, содержание ТМК в которой достигало 70— 80%. Нерудная, в основном силикатная, часть концентрируется в крупных фракциях +125, — 125 + 100 (табл. 2). Кроме того, визуализация состояния поверхности частиц ТМК с помощью электронной сканирующей микроскопии показала, что частицы в разной степени покрыты силикатной пылевой фракцией (рис. 2).
Таблица 2. Минеральный состав хибинского титаномагнетитового концентрата по фракциям
Минералы
Массовая доля свободных зерен минералов от крупности измельчения ТМК, мас. %
+125 -125 + 100 -100
Титаномагнетит 27 50 70-80
Гематит 3 10 1
Сфен 2 5 1
Нерудные 68 35 20-30
(а)
(N
Рис. 1. Рентгенограммы титаномагнетитового концентрата: (а) — исходная проба; (б) — немагнитная часть; (в) — магнитная часть; 1 - БвзОф 2 - БеТЮз; 3 - альбит; 4 - амфибол; 5 - антигорит.
Рис. 2. Визуализация частиц титаномагнетитового концентрата с помощью сканирующего электронного микроскопа SEM LEO 420: (а) - общая проба; (б) - фракция -100 + 80; (в) - фракция -40.
Произведенный фракционный анализ пробы титаномагнетита в совокупности с химическим, минеральным и электронно-микроскопическим анализом частиц фракций предполагает возмож-
ность предварительного гранулометрического обогащения ТМК с отделением крупной фракции (+100 мкм), обогащенной силикатами и шла-кообразующими компонентами, и выбором для
Рис. 3. Основные минеральные фазы, обнаруженные в хибинском титаномагнетитовом концентрате.
последующей переработки оптимальной фракции ТМК (—100 мкм), обогащенной железом, титаном и ванадием [13, 14].
Минералогические и электрозондовые исследования выделенных зерен титаномагнетита показали, что они не являются мономинеральными, а представляют собой сложные полиминеральные образования. Крупные зерна ТМК (>80 мкм) имеют сложное строение и состоят из титаномаг-нетитовой матрицы с включениями ильменита, шпинели, ульвешпинели и других минералов. Крупность включений этих минералов в матрицу титаномагнетита составляет доли миллиметра (рис. 3). В ТМК крупностью частиц более 125 мкм около 50% рудных минералов находятся в виде агрегатов, представляющих собой слипшиеся магнитные частицы титаномагнетита [15, 16].
В представленной работе для разложения ис-
пользовали ТМК, содержащий, мас.
TiO2 -
14.7; Бе203 - 35.23; БеО - 29.12; У205 - 0.41; SiO2 -11.03; А1203 - 6.10; СаО - 1.40. Крупность частиц ТМК составляла - 80 мкм.
В качестве выщелачивающих реагентов использовали растворы хлороводородной кислоты в различных температурных и концентрационных режимах. Экспериментально процесс разложения ТМК растворами х
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.