在眾多礦石種類中,鈦鐵礦以其獨特的化學組成與廣泛的用途,占據著極為重要的地位。它不僅是提取鈦元素的關鍵來源,在現代工業的眾多領域,如冶金、化工、航空航天等,都發揮著不可或缺的作用。對鈦鐵礦深入探究,有助于更好地理解其在工業生產中的核心價值,以及其在推動現代科技進步方面的重要意義。
01
鈦鐵礦的基本信息
化學組成
鈦鐵礦的化學式為 FeTiO?,理論上其含 TiO?量為52.66%,含鐵量(以 FeO 計)為47.34%。但在實際情況中,其組成較為復雜,受形成環境等因素影響,含鈦量一般在50-60%之間波動,含鐵量則在40-50%,同時還含有約5%的其他雜質成分。例如,在一些風化程度較高的鈦鐵礦中,TiO?品位會有所升高,并且風化越嚴重,三價鐵與二價鐵含量之比越大,多數情況下Fe?O?/FeO的值在 2.89-5.83范圍。
物理性質
顏色上,鈦鐵礦通常呈現鐵黑色或鋼灰色;其條痕為鋼灰色或黑色,若含有赤鐵礦包體,則條痕會呈現褐色或帶褐的紅色 。從光澤來看,具有金屬-半金屬光澤,且不透明,無解理。硬度方面,莫氏硬度為5-6.5。比重在4-5之間,并且具有弱磁性。在偏光鏡下觀察,鈦鐵礦呈現深紅色,不透明或微透明。
02
鈦鐵礦的形成與分布
形成環境
鈦鐵礦的形成與多種地質作用密切相關。在火成巖中,它一般作為副礦物存在,常見于基性、超基性巖中,并且常常分散于磁鐵礦中,以條片狀形態與頑輝石、斜長石等共生。在偉晶型環境下,鈦鐵礦產于花崗偉晶巖中,與微斜長石、白云母、石英、磁鐵礦等共生。此外,由于鈦鐵礦化學性質相對穩定,在經歷風化、搬運等外力作用后,可形成沖積砂礦,此時會與磁鐵礦、金紅石、鋯石、獨居石等共生。
全球分布情況
在全球范圍內,鈦鐵礦分布較為廣泛。俄羅斯的伊爾門山是著名的產地之一,這里產出的鈦鐵礦具有一定規模。挪威的克拉格勒同樣擁有豐富的鈦鐵礦資源。美國懷俄明州的鐵山、加拿大魁北克的埃拉德湖等,也都是重要的鈦鐵礦產地。
中國的分布特點
我國鈦鐵礦資源豐富,主要供應基地分布在四川、河北、云南、海南、廣東、廣西、山西、山東、陜西、河南等地,其中四川的儲量最為可觀。例如,四川攀枝花鐵礦是大型的鈦鐵礦產地,這里的鈦鐵礦呈顯微粒狀或片狀,分布于磁鐵礦顆粒之間或裂理中。
03
鈦鐵礦的工業應用
金屬鈦的生產:在金屬鈦的生產流程中,鈦鐵礦是極為重要的起始原料。首先,通過冶煉手段將鈦鐵礦轉化為純的二氧化鈦。目前主要有硫酸法和氯化法兩種工藝。硫酸法能夠處理較低品位的鈦鐵礦石,并且在生產過程中還能副產硫酸亞鐵,成本相對較低。但該方法存在明顯弊端,如對環境的污染較大,副產物處理難度高,且硫酸消耗量大 。氯化法雖然要求使用較高品位的礦石,成本也相對較高,不過其污染小,副產物少,并且氯能夠循環使用。
得到純二氧化鈦后,使其與純氯和焦炭在高溫環境下反應,生成四氯化鈦和一氧化碳。最后,利用金屬鈣、鎂或者鈉等活潑金屬,將四氯化鈦還原,從而得到海綿狀的金屬鈦 。金屬鈦及鈦合金憑借密度小、強度高、抗腐蝕、耐高溫和可塑性好等一系列優良性能,在軍事和空間技術工業中廣泛應用,如噴氣發動機、飛機機體和導彈火箭等關鍵部件的制造。
鈦白粉的制備:鈦白粉(二氧化鈦)作為一種至關重要的化工原料,與現代生活緊密相連。鈦鐵礦是制備鈦白粉的主要原料之一。鈦白粉具有高遮蓋力、白度好、耐候性強等優點,因此被大量用于制造高級白色油漆、涂料,能夠使涂層具有良好的裝飾性和耐久性。在人造絲生產中,鈦白粉可作為減光劑,調整人造絲的光澤度。同時,它還被用作白色橡膠和高級紙張的填料,能夠提升橡膠和紙張的品質。
其他應用領域:在化學工業領域,鈦由于其優良的抗腐蝕性能,被大量用于合成纖維工業、石油化學工業、肥料工業和制堿工業等。用于制造反應塔、熱交換器、閥門等多種設備和部件,能夠有效延長設備使用壽命,保障生產過程的穩定性。
在醫學領域,鈦因其良好的生物相容性,成為首選的金屬醫用材料。例如,可用于制造人造關節、牙科植入物等,能夠減少人體對植入物的排斥反應,提高患者的生活質量。在首飾業,除了貴金屬鉑、金以外,鈦也因其獨特的金屬質感和相對穩定的化學性質,成為適合應用的金屬材料,制作出的首飾具有時尚、耐用等特點。
04
鈦鐵礦的開采與加工
開采方式:
針對不同賦存狀態的鈦鐵礦,采用的開采方式也有所不同。對于砂礦型鈦鐵礦,常采用重選、磁選聯合的開采工藝。首先利用重選法,依據礦物密度差異,初步富集鈦鐵礦。例如通過跳汰機、搖床等設備,將密度較大的鈦鐵礦與密度較小的脈石礦物分離。之后再利用磁選法,借助鈦鐵礦的弱磁性,進一步提純,提高鈦鐵礦精礦的品位。
對于原生礦型鈦鐵礦,如與磁鐵礦等共生的鈦鐵礦,開采過程相對復雜。一般先采用破碎、磨礦等手段,將礦石粒度減小,使鈦鐵礦與其他礦物實現單體解離。然后綜合運用磁選、浮選等多種選礦方法。磁選用于回收磁性較強的磁鐵礦,同時富集部分鈦鐵礦;浮選則通過添加特定的浮選藥劑,利用礦物表面物理化學性質的差異,進一步分離和提純鈦鐵礦。
加工流程:
開采出的鈦鐵礦原礦,需要經過一系列加工流程才能成為滿足不同工業需求的產品。首先是選礦環節,通過重選、磁選、浮選等工藝,去除雜質,提高鈦鐵礦的品位,得到鈦精礦。
接著是冶煉環節,如前文所述,根據不同的冶煉工藝(硫酸法或氯化法),將鈦精礦轉化為二氧化鈦或者進一步制備成金屬鈦。在冶煉過程中,需要嚴格控制反應條件,如溫度、壓力、反應物比例等,以確保產品質量和生產效率。
對于制備鈦白粉的工藝,在得到二氧化鈦后,還需要進行后續處理,如表面處理等,以改善鈦白粉的性能,滿足不同應用領域對其白度、遮蓋力、分散性等指標的要求。
05
應用案例
原礦破碎、篩分至-40mm,經CTDG5000Gs干式預選,粗精礦破碎、磨礦至-40目,經CTB2600Gs+2000Gs一粗一精選鐵,粗選尾礦和精選尾礦混合后經CTB3000Gs掃選鐵;CTB3000Gs磁選鐵尾礦經立環0.6T+0.8T一粗一掃選鈦,粗選精礦和掃選精礦混合后經立環0.5T+0.4T+搖床精選鈦。試驗流程圖見圖1、試驗結果見表1。
圖1選礦試驗流程
表1 全流程試驗結果
由化驗結果可知,原礦經破碎、干法磁選、磨礦、濕法磁選、重選等試驗流程,分別得到產率10.98%、TFe 65.64%、TFe回收率56.22%的鐵精礦產品和產率3.90%、TiO2 45.77%、TiO2回收率49.00%的鈦精礦產品。