[科普中国]-人造金红石

概述

金红石是一种黄色至红棕色的矿物，其主要成分是，还含有一定量的铁、铌和钽。铁是由于它与钛铁矿共生的结果。由于与、引的相似性，铌和钽常伴生在钛矿石中。金红石是较纯的二氧化钛，一般含二氧化钛在95%以上，但地壳中储量较少。

人造金红石(artificial rutile)又称合成金红石(synthetic rutile)。系指利用化学加工方法，将钛铁矿中的大部分铁成分分离出去所生产的一种在成分和结构性能与天然金红石相同的富钛原料。其含量视加工工艺的不同波动在91%～96%．是天然金红石的优质代用品，大量用于生产氯化法二氧化钛，也可用于生产四氯化钛、金属钛以及搪瓷制品和电焊条药皮，还可用于生产人造金红石黄颜料。主要生产国家有澳大利亚、美国、日本、印度、马来西亚等。产龄已超过天然余红石，主要原因是天然金红石储量同渐枯竭，产量逐年下降。

由于金红石有用作宝石的优良性质，所以人们一直在研究科学合成金红石的方法。1947年，美国铅业公司首先用焰熔法制出了人造金红石，其中的无色透明者，主要就是用作钻石的代用品或假冒品。用无色透明的人造金红石琢磨成的宝石闪亮刺眼、五彩缤纷，超过了真钻石，常被称为“五彩钻”或“五色钻”，与真钻石不难区别。由于金红石有强烈的双折射，用放大镜从顶面观察“五彩钻”，可以发现底部的棱线的显著的双影，真钻石则绝不会出现双影。此外，“五彩钻”因为闪光过分艳丽，并带有不清亮的乳白光，看来有庸俗之感。1

人造金红石生产原理人造金红石生产是钛矿物原料的富集过程之一，主要是经湿法处理除去非钛杂质的高钛物料。人造金红石是四氯化钛生产的主要原料之一，而四氯化钛又是生产钛白和海绵钛的中间原料，因此人造金红石生产工艺的改进、产量的增加及产品质量的提高等，对于海绵钛及钛白生产均有明显影响。生产人造金红石的原料是钛铁矿，少数为钛渣，但钛渣也是由钛铁矿生产的，可以说，钛铁矿是人造金红石生产的基本原料。

由钛铁矿生产人造金红石的工艺基础是除去钛铁矿中的铁及其他杂质，最大限度地以金红石形式富集钛。根据除铁工艺的特点．需将铁氧化和还原，然后用适宜方法除去。人造金红石生产对钛铁矿原料的要求较宽，但对低放射性的要求较严。当然从经济及工艺方面考虑，仍然还是低杂质、高品位的钛铁矿最受欢迎。

人造金红石生产工艺的主体均包括钛铁矿的氧化、还原、浸出及废酸的处理，最终产品是多孔金红石型的颗粒氧化钛相。一般工艺过程是，在800℃焙烧钛铁矿，在原生颗粒内碎裂成赤铁矿、金红石和假板钛矿，使其分别成为铁和钛的氧化物，然后将其分离。

由于碎裂后增加了各相可供利用的反应表面，随后于1100～1200℃还原焙烧，反应更趋完全。若铁弱还原为(Benelite法、Murso法、石原法)，在盐酸或硫酸中溶解时，氧化钛相不溶，此时在固相含量高(钛饱和)的条件下，钛将随原有颗粒再沉淀为假象晶体，而铁、镁、钙、锰、铀、铝等进入溶液，从而与钛分离。这样产出的人造金红石理论纯度应>95%。

但在金红石形成时，有部分离子铁还原成金属铁，并与部分杂质元素形成难溶化合物，不能被酸浸除去，所以通常人造金红石纯度只有89%～92%。若能控制杂质元素铁及其他组分较少形成难溶化合物，并强化酸浸条件．还是有望生产出含量较高的人造金红石，这也就是目前一些公司提高人造金红石品位的研究方向。1

人造金红石生产方法人造金红石生产方法主要有以下几种。

(1)石原法：将钛铁矿中的铁用石油焦弱还原至，然后用硫酸法钛白厂的废硫酸浸取除铁．富集钛的固体煅烧，产出人造金红石，最终废酸用于生产肥料。

(2)Benelite法：由美国Benelite公司发明，用重油焙烧钛铁矿使铁弱还原为，用盐酸加压浸出除Fe及Ca、Mg、Mn，富集钛为人造金红石形式。该工艺需解决氯化铁及废盐酸的治理。

(3)Murso法：先在900℃下流态化焙烧钛铁矿使之预氧化，然后用一氧化碳和氢将铁弱还原至二价，用盐酸于100℃浸出除铁，最终将钛富集成人造金红石。该法原料要求宽，但需粒度一定。气体还原消除了固体炭还原时煤灰的污染。

(4)Becha法：又称锈蚀法。于1100℃下用细磨煤将钛铁矿中的铁强还原为金属铁，在无氧条件下冷却，在有氯化铵作催化剂的水中用卒气将铁锈蚀为 ，旋流分级除去，最终将钛富集为人造金红石。

(5)选择氯化法：钛铁矿预氧化后，在石油焦存在下通氯气选择氯化，使铁呈形式挥发，固体磁选进一步除铁，浮选除去过量还原剂，最终获得人造金红石。

(6)钛渣法：以钛渣为原料经酸浸除杂，最后产出人造金红石。

生产人造金红石的各种可能方法的工艺流程如右图所示。2

人造金红石生产新技术近年来国内外试验了一些生产人造金红石的新揖术、新方法，但因技术经济评价认为尚不适合实现工业化，因而暂无大规模应用实例。这些方法主要有硫化浸出、碱性浸出、羰基化法、等离子法、萃取法及微波法等。

有人提出了高钛渣微波加热一选矿联合工艺制备高品质的人造金红石产品的新工艺。并与常规加热方式进行了对比。高钛渣的主要成分为钛的氧化物、、、、和，以及硫、磷、碳等少量元素。高钛渣的主要物相是锐钛型和( 型黑钛石固溶体)以及少量的金红石型 。高钛渣在850℃左右锐钛型开始不可逆地转变为金红石型Tioz。微波焙烧高钛渣的最佳工艺参数为焙烧温度936℃。微波功率2.5kW，保温时间48min。为了提高微波焙烧产物中Ti02的含量，采用选矿工艺除去其中的杂质。当磨矿时问为60min，磁选电流为5A，抑制剂CMC的用量为250，捕收剂羟肟酸的用量为300时，产品的二氧化钛品位达到91.25%，满足国家人造金红石行业标准中优级品标准。

王习东的发明充分利用含钛高炉渣自身高热量的特点，通过对含钛高炉渣进行改性，生产人造金红石，分离后的残渣可用于生产矿渣水泥。利用含钛高炉渣生产人造金红石，先在空气或氧气气氛下，用高钛电炉渣和二氧化硅对含钛高炉渣进行改性；然后使改性后的含铋高炉渣在1500～1600℃下保温0.5～1h．冷却结晶。得到金红石晶体；最后用选矿方法分离得到金红石晶体。该工艺的优点在于流程短、设备简单、可充分利用含钛高炉渣自身携带能热能，产物杂质少、无环境污染。

攀枝花研究人员针对攀西高钙镁钛铁矿，开展了“钛精矿流态化改性盐酸常压浸出废液Ruthner炉喷雾焙烧盐酸回收制取人造金红石”的新工艺研究，制备出了、、粒度满足沸腾氯化要求的富钛料。在流态化氧化炉中，预热过的钛精矿在1000℃左右氧化1～2h。再在还原炉中控制温度800℃左右还原1～2h，获得改性钛精矿，其表面出现微裂纹和孔洞，使得杂质元素活性增强．常压下即可实现盐酸浸出，最后过滤、洗涤和回转窑煅烧干燥。该工艺的优点是流程短、工序少，可实现常压浸出，产业化容易。

针对采用盐酸浸出法浸取钛铁矿的生产工艺．为提高其浸出速率，陈树忠等发明了一种浸取液和该浸取液的制备方法以及应用该浸取液浸取钛铁矿的方法。该浸取液是由可溶性氯化盐与盐酸组成的复合体系。浸取液中可溶性氯化盐的浓度为0.5mol/L至饱和浓度。浸取液中盐酸浓度为15%～33%(质量分数)。应用该浸取液和盐酸浸出法浸取钛铁矿等原料时，可以增加氯化氢中氢离子的活度，提高浸出效率，有效地缩短浸出时间．并可降低盐酸浸出浓度，利于循环回收利用，进而降低盐酸回收成本。

澳大利亚ILUKA资源有限公司提出了一种从二级钛铁矿等钛矿中以合成金红石形式提炼钛的工艺，包括：在1075℃以上高温下在还原性气氛中进行矿石处理；在碳质还原剂中将钛铁矿转换成还原钛铁矿．其中钛铁矿中的氧化铁还原成金属铁；然后析出金属铁，生成合成金红石产物。碳质还原剂由木炭组成，水分含量低于40%，挥发分含量大于30%，灰分含量低于10%．其汽化反应性可提升氧化铁和钛的还原速率．从而使得合成金红石产物中含量达到90%以上。

美国DUBRAWSKI JULES VICTOR发明了一种钛精矿转换用盐酸制造与再生工艺。包括如下步骤：①加热石灰和氯化铵混合物，产生氯化钙和氨气；②用酸处理氯化钙，形成盐酸；③用第②步生成的盐酸与原生钛精矿混合进行转换：④从第⑧步产物中析出经转换的(二级)钛精矿，产生一种含氯化铁的浸出液；⑤中和第④步产生的浸出液，并产生氯化钙；⑥将第⑤步产生的氯化钙转移至第②步，从而获得再生。3