CaO-SiO2-Al2O3-TiO2体系熔化性温度研究

彭文烽，杨 娜，杨濛荫，李 松

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004）

中国四川攀枝花地区的钒钛磁铁矿储量巨大，矿产中钛资源含量占到全国钛资源储量的95%左右。在高炉冶炼过程中，由于钛的氧化物比铁的氧化物更难被碳还原，导致钛组分几乎全部进入到高炉渣中，形成TiO2含量高达20%以上的含钛高炉渣。

TiO2是制备高品质金红石焊条和钛白颜料的重要原料，因此如何高效回收含钛高炉渣中的钛资源，实现其资源化综合利用具有重要的经济价值和社会效益。近些年来，针对渣中钛组分的富集和回收，学者们研究和开发出各种各样的工艺技术，如酸浸工艺、碳化还原氯化法和选择性结晶和析出等。其中选择性结晶和析出方法被认为是最具有工业化应用前景的方法之一，其主要原理是通过调整成分和温度，使渣中钛组分在含钛物相中富集，之后再通过相对应的选矿工艺将含钛物相与其它相分离。

然而与CaO-SiO2-Al2O3-TiO2体系相关的熔化温度热力学性质的研究相对薄弱，使相关工艺的开发缺乏基本的热力学数据，因此针对CaO-SiO2-Al2O3-TiO2体系热力学性质的研究显得极为必要[1-11]。本次研究将借助Factsage热力学计算软件，采用热力学高温试验，重点研究CaOSiO2-Al2O3-TiO2体系熔化温度热力学性质的影响，建立熔化温度和成分的变化规律，研究结果不仅可以丰富含钛氧化物体系的热力学数据库，对Factsage热力学软件计算结果进行修正，同时对于CaO-SiO2-Al2O3-TiO2体系资源综合利用具有重要的指导意义。

1 实验方法

本实验采用正交实验方法，试验共进行16次，CaOSiO2-Al2O3-TiO2体系中的熔化性温度实验因素和水平表1所示。

表1 正交实验因素和水平表/%

试验各组分取值范围。

根据文献[1，2，3]分析，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2体系温度四个组分的取值范围为：CaO：25.00%～28.00%，SiO2：22.00-37.00%，Al2O3：37.00%～16.00%，TiO2：15.00%～30.00%。根据此范围按照正交试验的方法利用Factsage软件计算各个组分的熔化性温度。

2 结果及分析

2.1 实验安排及结果

见表2。

表2 实验安排及其结果（直观分析）

2.2 方差分析

根据试验结果进行方差分析，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2对体系的熔化性温度无决定性影响[4,5]。方差分析表如2.2所示。

表3 方差分析表

2.3 直观分析

通过直观分析，试验六的熔化性温度最高，试验十三的熔化性温度最低；因素二的极差最大（147.93），其次是因素一（118，97），因素三（40.3）的极差最小，表明组分CaO和SiO2对体系熔化性温度影响最大，为主导因素，其次是Al2O3，TiO2对体系熔化性温度的影响较小。从直观分析可以看出16组的熔化性温度不是很大，而且他们的极差也不是很大，说明他们的波动不大。

2.4 单因素分析

通过对各组分对熔化性温度的影响进行分析，如图1所示。

由图1可知 ：横坐标为CaO，SiO2，Al2O3，TiO2各组元含量的变化，纵坐标为CaO-SiO2-Al2O3-TiO2体系的熔化性温度的变化，根据折线图可以看出随着SiO2含量有规律的增加该体系的熔化性温呈降低趋势；CaO含量有规律的增加该体系熔化性温度逐渐升高；Al2O3和TiO2含量有规律的增加该体系熔化性温度先降低后升高；后者的变化不明显。综合可知CaO和SiO2对体系熔化性温度影响最大，为主导因素，其次是Al2O3，TiO2对体系熔化性温度最小。

图1 组分变化对熔化性温度的影响

3 结论

（1）CaO和SiO2对体系熔化性温度影响相对较大，TiO2和Al2O3对体系熔化性温度影响相对小。随着CaO/SiO2的增大，体系的熔化温度逐渐升高，且CaO/SiO2对体系熔化温度的影响较大。

（2）Al2O3质量分数为7.00%～16.00%、TiO2质量分数为15.00%～30.00%、SiO2质量分数为22.00%～37.00%，其他成分不变的条件下，随着CaO质量分数的不断升高，CaO-SiO2-Al2O3-TiO2体系熔化性温度升高；随着SiO2质量分数升高，炉渣熔化性温度降低；随着TiO2质量分数升高，炉渣熔化性温度先降低后升高。

（3）得出较低熔化性温度的各组元含量：CaO的质量分数25%，SiO2的质量分数37%，Al2O3的质量分数13%，TiO2的质量分数20%。