权利要求
1.一种含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、提供含钛原料与酸的混合物，形成初始反应浆料;
步骤二、将所述初始反应浆料置于微波反应器的微波场中，进行至少两个阶段的加热反应，其中，第一阶段为主酸解阶段，第二阶段为熟化阶段，且所述熟化阶段的反应温度高于所述主酸解阶段的反应温度;
步骤三、对所述熟化阶段反应后的物料进行处理，得到钛液。
2.根据权利要求1所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述含钛原料包括钛精矿、含钛渣或其组合物。
3.根据权利要求1所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述初始反应浆料中，所述酸与所述含钛原料的质量比为1.3～1.5。
4.根据权利要求1所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述初始反应浆料的总酸浓度范围为60%～90%。
5.根据权利要求1所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述主酸解阶段的引发温度为70℃～120℃，所述熟化阶段的反应温度为130℃～250℃。
6.根据权利要求1或5所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述初始反应浆料在所述主酸解阶段的停留时间为2分钟至30分钟，在所述熟化阶段的停留时间为5分钟至60分钟。
7.根据权利要求1所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述初始反应浆料通过将含钛原料与第一浓度的酸混合得到的料浆，与第二浓度的酸进行在线混合而获得;其中，
所述第一浓度高于所述第二浓度;
所述在线混合在所述微波反应器的进料端执行。
8.根据权利要求7所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述在线混合的位置在微波反应器的邻近进料区域，且在线混合后物料进入所述微波反应器的距离被控制为使得反应性混合物的过早反应被抑制。
9.根据权利要求1所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，对熟化阶段反应后的物料进行处理，包括冷却及浸取步骤，其中，浸取操作在50℃至90℃的温度下进行。
10.根据权利要求1所述的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，其特征在于，所述方法还包括对浸取获得的钛液进行还原或氧化处理，以调节其中特定价态金属离子的浓度。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及
湿法冶金与化工技术领域，具体涉及一种钛资源酸解方法，尤其涉及一种采用微波加热技术对含钛原料进行连续酸解以制备钛液(主要为硫酸氧钛溶液)的方法。
背景技术
[0002]钛是一种重要的
战略金属，其化合物二氧化钛(
钛白粉)是重要的白色颜料和工业原料。目前，全国超过80%的钛白粉通过硫酸法生产。该工艺的核心步骤是将含钛原料(如钛精矿)与浓硫酸反应，生成可溶性的硫酸氧钛(TiOSO4)为主的钛液，再经后续水解、煅烧等工序制得钛白粉。传统的硫酸法酸解工艺主要分为间歇式和连续式两种。
[0003]对于以钛精矿为原料的主流工艺，通常采用“预混合-稀释引发”模式：先将磨细的钛精矿与浓硫酸(如98%硫酸)预混合，然后加入废酸(约20%稀硫酸)或水，利用硫酸稀释释放的巨大热量(稀释热)来引发钛铁矿等矿物与硫酸的剧烈放热反应，然而，这种依赖稀释热激发的反应模式存在以下缺陷：
1、反应在瞬间被引发，热量集中释放在物料表面，容易导致表面物料迅速反应生成硫酸钙、硫酸镁等致密副产物，包裹住内部的未反应原料，形成“壳层效应”;
2、后续的熟化阶段(即让反应缓慢、充分进行的保温阶段)难以从外部补充有效热量，主要依赖反应自身余热;
一旦原料(特别是高钙、镁含量的钛精矿)被壳层包裹，内部反应因热量不足而迟滞，导致整体酸解率(钛转化率)偏低，通常低于95%，更严重的是，被包裹的物料可能在熟化后期因热量积累或渗透而突然剧烈反应，导致大量钛液从酸解锅冒出，行业内俗称冒锅事故，安全隐患大。
[0004]随着钛资源日益紧张，含钛二次资源的利用受到关注，如冶炼过程产生的含钛高炉渣，TiO2含量≥20%，此类原料铁含量低，钙、镁、
铝、硅等杂质含量高，化学反应活性与钛精矿不同，若沿用传统“稀释热引发”模式，因其初始放热量不足，表面反应温度低，更难以穿透杂质层对内部钛组分有效加热，导致熟化效果极差，钛的酸解率普遍低于60%，缺乏经济可行性，现有间歇酸解锅或连续酸解反应器均难以在熟化阶段从外部提供可控、均匀且能穿透物料内部的有效热源，成为制约此类
低品位、复杂含钛资源高效利用的技术瓶颈。
[0005]因此，亟需开发一种新型酸解方法，能够突破传统依赖稀释热和表面反应的限制，实现对物料内外均匀、可控的加热，特别是能为熟化阶段持续供能，从而提高酸解率，扩大原料适用范围，并提升工艺安全性与效率。
发明内容
[0006]本发明旨在克服现有硫酸法酸解工艺对原料适应性差、钛酸解率低、熟化过程不可控、安全隐患大等缺陷，提供一种含钛原料微波酸解制备钛液的方法。本发明的核心目的是通过引入微波加热技术，利用其体加热和选择性加热特性，实现含钛原料从内到外的快速、均匀升温，确保反应彻底进行，显著提高钛的酸解率，并实现对复杂含钛资源(特别是高钙镁钛精矿和含钛高炉渣)的高效利用。
[0007]本发明提出的一种含钛原料微波酸解制备钛液的方法，包括以下步骤：
步骤一、提供含钛原料与酸的混合物，形成初始反应浆料;
步骤二、将所述初始反应浆料置于微波反应器的微波场中，进行至少两个阶段的加热反应，其中，第一阶段为主酸解阶段，第二阶段为熟化阶段，且所述熟化阶段的反应温度高于所述主酸解阶段的反应温度;
步骤三、对所述熟化阶段反应后的物料进行处理，得到钛液;
该方法采用连续化微波加热工艺，所述含钛原料经预处理与浓硫酸混合后，再与稀硫酸在线混合形成初始反应浆料，该浆料进入微波反应器(如微波酸解回转窑)后，依次在第一级微波加热主反应区(主酸解阶段)和第二级微波加热熟化反应区(熟化阶段)接受辐照加热，实现分阶段控温反应，熟化后的物料经冷却、浸取及后处理，最终得到合格钛液，此方法通过微波体加热突破了传统“壳层效应”，并对熟化阶段主动供能，显著提升了反应效率与酸解率。
[0008]作为本发明进一步优化的方案，所述含钛原料包括钛精矿、含钛渣或其组合物;
含钛原料不仅包括常规的钛精矿(如高钙镁钛精矿)，也涵盖含钛二次资源，如含钛高炉渣，本发明方法尤其适用于处理低铁、高钙、镁、铝等杂质的复杂含钛原料，为其高效酸解利用提供了可行的技术路径。
[0009]作为本发明进一步优化的方案，所述初始反应浆料中，所述酸与所述含钛原料的质量比为1.3～1.5;
所述酸主要指浓硫酸(如98%H2SO4)，该质量比范围优选为1.4，此比例能确保提供充足的反应酸量，使含钛原料中的钛及其他可反应组分充分转化，同时避免酸过量带来的后续处理负担和设备腐蚀问题，在经济性和反应效率之间取得平衡。
[0010]作为本发明进一步优化的方案，所述初始反应浆料的总酸浓度范围为60%～90%;
通过将含钛原料与浓硫酸的混合料浆，与低浓度硫酸(如20%稀硫酸)在线混合，精确调控进入微波反应器时浆料的总硫酸浓度，优选范围为70%～85%(如75%)，相较于传统方法所需更高起始酸浓度，本方法借助微波高效加热特性，可适当降低酸浓度，从而减少了浓硫酸消耗，降低了生产成本。
[0011]作为本发明进一步优化的方案，所述主酸解阶段的引发温度为70℃～120℃，所述熟化阶段的反应温度为130℃～250℃;
主酸解阶段的引发温度优选控制在90℃～100℃(如95℃)，以引发并完成大部分钛的酸解反应，熟化阶段的反应温度优选控制在150℃～220℃(如180℃)的更高范围，这种“低温引发主反应、高温熟化”的两段式温度控制策略，确保了反应彻底进行，特别是熟化阶段的外部微波供热，解决了传统工艺仅靠余热、无法补热的难题。
[0012]作为本发明进一步优化的方案，所述初始反应浆料在所述主酸解阶段的停留时间为2分钟至30分钟，在所述熟化阶段的停留时间为5分钟至60分钟;
在连续微波反应器(如微波酸解回转窑中，通过控制转速和倾斜度来调节停留时间，主酸解阶段停留时间优选为5至15分钟(如10分钟)，熟化阶段停留时间优选为15至45分钟(如30分钟)，两阶段总反应时间远短于传统数小时的熟化时间，生产效率显著提高。
[0013]作为本发明进一步优化的方案，所述初始反应浆料通过将含钛原料与第一浓度的酸混合得到的料浆，与第二浓度的酸进行在线混合而获得;其中，
所述第一浓度高于所述第二浓度;
所述在线混合在所述微波反应器的进料端执行;
所述第一浓度的酸为浓硫酸(如98%)，第二浓度的酸为稀硫酸(如20%)，浓硫酸与含钛原料在带冷却的混合槽中预混，所得浓酸料浆与稀硫酸在微波反应器(如微波酸解回转窑)的窑尾进料管内进行快速在线混合，这种设计能精确控制反应起始酸浓度，并避免过早引发剧烈反应。
[0014]作为本发明进一步优化的方案，所述在线混合的位置在微波反应器的邻近进料区域，且在线混合后物料进入所述微波反应器的距离被控制为使得反应性混合物的过早反应被抑制;
在线混合点(如在进料短管内)至微波反应器进料口的距离被严格限制(例如不超过1米)，这确保了高活性的混合浆料被迅速送入微波场，防止其在输送管道内因停留而发生不可控的预反应，从而避免了管道堵塞和反应不均，使反应起始点和剧烈程度在反应器内得到精确控制。
[0015]作为本发明进一步优化的方案，对熟化阶段反应后的物料进行处理，包括冷却及浸取步骤，其中，浸取操作在50℃至90℃的温度下进行;
熟化后的物料在反应器冷却区被冷却空气冷却至60℃～80℃后排出，落入钛液浸取槽，在浸取槽中，加入新鲜水，在优选60℃～80℃(如70℃)的温度范围内进行搅拌浸取，将可溶性硫酸氧钛等成分溶解，形成粗钛液，此温度范围有利于提高浸取效率并控制副反应。
[0016]作为本发明进一步优化的方案，所述方法还包括对浸取获得的钛液进行还原或氧化处理，以调节其中特定价态金属离子的浓度;
将浸取得到的粗钛液泵入还原/氧化槽，根据后续工艺要求，加入适量还原剂(如铁粉)或氧化剂进行处理，例如，通过还原处理将钛液中的三价钛(Ti3+)浓度稳定在1至3g/L(如2g/L)，并还原杂质离子(如Fe3+)，以调节钛液价态，满足后续钛白生产等工序对钛液稳定性和纯度的要求。
[0017]本发明所提出的含钛原料微波酸解制备钛液的方法，具有以下有益效果：
(一)微波的体加热特性使物料内部极性分子(如水、稀硫酸)直接产生热运动，热量由内向外传递，有效打破了传统工艺因表面快速反应和产物包裹造成的“壳层效应”，使内部钛组分得以充分反应;对于钛精矿，钛酸解率可理论提升至98%以上，对于传统方法难以处理的含钛高炉渣，也能实现有效酸解，极大地提高了资源利用率;
(二)本发明将微波加热应用于熟化阶段(第二微波加热区)，可精确提供并维持熟化所需的高温(150～220℃)，这解决了传统工艺熟化仅靠余热、无法补热、过程不可控的难题，确保了反应彻底，缩短了熟化时间(总反应时间可控在20-45分钟)，提高了生产效率;
(三)由于微波加热不依赖于原料本身的放热特性(如铁含量)，而是作用于极性介质，因此该方法特别适用于低铁、高杂质(高钙、镁、铝)的含钛原料，如含钛高炉渣，为大量堆存的钛二次资源提供了高效、可行的利用途径;
(四)微波加热均匀、可控，避免了局部过热和“冒锅”风险，连续化的回转窑反应器配合微负压操作，使反应平稳进行，物料输送顺畅，大大提升了生产安全性;
(五)微波能直接作用于反应物料，热效率高，降低了实际所需的反应起始酸浓度(70%～85%)，减少了浓硫酸消耗，同时，对原料粒度要求有所降低(如200目即可)，降低了原料粉碎的能耗;
(六)微波场使极性分子高速转向，相当于在分子尺度上对反应界面进行超高速搅拌，不断剥离反应产物，暴露出新的反应表面，从而显著加快了酸解反应动力学。
[0018]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0019]图1为本发明所提供的含钛原料微波酸解制备钛液的方法流程示意图。
具体实施方式
[0020]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解对本发明的限制。
[0021]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0022]图1为本发明所述方法的一个优选实施例的完整工艺流程图，以下将参照该流程图，对本发明的实施步骤进行详细阐述。
[0023]实施例一：基本工艺流程
本实施例提供一种含钛原料微波酸解制备钛液的方法，该方法为连续化生产方法，主要包括原料预处理与混合、微波分段酸解反应、以及钛液后处理等核心步骤，具体实施如下：
步骤一：原料预处理与混合，形成初始反应浆料
将来自界外的含钛原料(例如钛精矿或含钛型高炉渣，其中TiO2含量不低于20%)进行粉碎，控制其粒度大约在200目(即粒径约74微米)左右;
经过计量的该细粉与来自界外的高浓度硫酸(浓度为约98%)一同连续送入一个带有冷却夹套的连续混合槽中进行混合，在该槽中，控制高浓度硫酸与含钛原料的质量比为1.3至1.5，例如可为1.4，混合过程产生放热，为避免过早引发剧烈反应，必须采用冷冻水对混合槽进行强制冷却，将混合体系的温度严格控制在35℃以下，混合均匀后，得到的是一种浓硫酸与矿粉的浆状混合物，即初始料浆;
为保证工艺的连续与稳定，该初始料浆自流进入一个同样设有冷却夹套的缓冲槽中暂存，并继续通过冷冻水冷却维持温度不高于35℃，随后，由一台酸解供料泵将缓冲槽中的初始料浆泵送至后续的微波酸解反应系统。
[0024]步骤二：料浆调配与进料
与此同时，来自钛白生产副产的低浓度硫酸(浓度约20%)储存于稀硫酸储槽中，并由一台稀硫酸泵输送;
来自步骤一的初始料浆(高浓度硫酸与矿粉混合物)与来自稀硫酸泵的稀硫酸，并非提前混合，而是在微波酸解回转窑反应器的窑尾进料管内进行快速在线混合，这一设计的目的是在进料前一刻才将两者混合，以精确控制反应开始的酸浓度，混合后，所得反应浆料的总硫酸浓度被控制在70%至85%这一范围内，此浓度即为酸解反应的起始浓度;
为避免具有高反应活性的混合浆料在输送管道内过早发生大量反应，造成堵塞或反应不均，本实施例中将混合点至反应器进料口的管道长度严格限制在不超过1米，确保浆料被迅速送入反应区域。
[0025]步骤三：微波分段酸解反应
调配好的反应浆料从窑尾进入核心设备——微波酸解回转窑反应器，该反应器主体为一个可缓慢旋转的倾斜圆筒，其倾斜度设置在2%至6%(例如3%)，转速控制在0.1至0.6转/分钟(例如0.3r/min)，整个反应器在尾气风机的作用下维持微负压操作，确保废气能被有效抽出并防止泄漏;
反应器内部沿长度方向被划分为三个功能明确的物理分区，其中包含两个主要的微波加热反应区：
第一级微波加热主反应区(对应主酸解阶段)：
反应浆料首先进入此区，通过该区域设置的微波发生器进行辐照加热，利用微波能使浆料内部的极性分子(如水、稀硫酸)高速运动、摩擦生热，将物料快速、均匀地加热至90℃至100℃，在此温度下，含钛原料中的各组分与硫酸发生剧烈的酸解反应，主要反应包括：
主反应：
TiO2+H2SO4→TiOSO4+H2O
Ti2O3+3H2SO4=Ti2(SO4)3+3H2O
主要副反应：
CaO+H2SO4=CaSO4+H2O
MgO+H2SO4=MgSO4+H2O
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O
Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O
FeO+H2SO4=FeSO4+H2O
剧烈的反应在此区域完成大部分钛的转化，通过控制回转窑的转速和倾斜度，可调节物料在此区的停留时间在5至15分钟;
第二级微波加热熟化反应区(对应熟化阶段)：
完成主反应的物料随窑体转动自然进入此区，该区设有独立的微波加热器，对物料进行第二级加热，将其温度进一步提升至150℃至220℃的更高范围，此高温环境旨在促进那些在主反应区因被包裹或反应动力学较慢而未完全反应的钛组分继续充分反应，即进行熟化，确保酸解彻底、提高总转化率，物料在此高温区的停留时间控制在15至30分钟，这一阶段的外部微波供热，彻底解决了传统工艺熟化仅靠余热、无法补热的难题;
反应后物料冷却区：
熟化反应完全结束后，得到的主要为硫酸盐固溶体及少量未反应硅渣的固态物料，随窑体移动进入无微波加热的冷却区，通过
鼓风机向窑头方向送入冷却空气，冷却空气与热物料接触，将其温度冷却至60℃至80℃，冷却后的物料从窑头排出，落入下一工序的钛液浸取槽。
[0026]步骤四：冷却与浸取，得到钛液
冷却后的酸解固体物料落入钛液浸取槽，在槽中加入新鲜水，在60℃至80℃的温度范围内进行搅拌浸取，将可溶性的硫酸氧钛(TiOSO4)及其他可溶性硫酸盐溶解到水中，形成粗钛液，浸取过程通过槽内的盘管通循环冷却水来精确控温，总的浸取时间控制在2至4小时，以确保溶解充分。
[0027]步骤五：钛液后处理
浸取完成后，料浆通过浸取料浆泵打入钛液还原/氧化槽，根据后续生产工艺(如硫酸法钛白生产)的要求，向槽中加入适量的还原剂(如铁粉)或氧化剂，对钛液进行处理，其主要目的之一是调节钛的价态并还原杂质离子(如Fe3+)，通常控制处理后的钛液中三价钛(Ti3+)的浓度在1至3g/L，此处理过程同样需控制温度，通过槽内盘管冷却将操作温度维持在80℃以下，经此步骤后，即得到符合要求的合格钛液产品。
[0028]步骤六：尾气处理
在微波酸解反应过程中产生的大量高温废气，主要含有酸雾、SO3等有害成分，这些废气被尾气风机从反应器抽出后，首先进入文丘里洗涤器，利用来自界外的酸性循环水进行急冷和初步洗涤，去除大部分酸雾，洗涤废液一部分通过循环水泵排出到界外，另一部分回流至文丘里洗涤器，废气进入碱洗塔(如采用10%的NaOH溶液进行喷淋)，彻底中和残余的酸性气体，实现尾气的达标排放，碱洗塔废液则通过碱洗塔泵输送至
污水处理系统进行处理。
[0029]实施例二
本实施例进一步阐明范围参数的具体实施及其带来的技术效果。
[0030]关于原料与酸比：实施中，98%浓硫酸与含钛原料的质量比严格控制在1.3至1.5，例如，当处理某高钙镁钛精矿时，采用1.4的比例，既能提供充足的反应酸，又避免了酸过量导致的后续处理负担和设备腐蚀，这一比例范围是经过试验验证的，能保证反应完全且经济性最佳。
[0031]关于反应酸浓度：通过精确控制稀硫酸(20%)的加入量，使进入微波反应器的浆料起始硫酸浓度稳定在70%至85%，例如，控制在75%，与传统方法需要更高起始浓度(常高于85%)相比，本方法因微波加热效率高、反应推动力强，可适当降低酸浓度，从而减少了浓硫酸的单耗，降低了生产成本。
[0032]关于反应温度与时间：
主酸解阶段：微波加热将物料在5分钟内快速升至95℃，并在此温度下维持反应10分钟，微波的体加热特性使热量从物料内部产生，有效避免了表面快速结壳包裹内部物料的问题;
熟化阶段：微波继续加热，在20分钟内将物料温度平稳升至180℃，并在此高温下维持15分钟，外部持续的微波能量输入，确保了被包裹或难反应的组分获得足够能量继续反应;
两阶段总反应时间约45分钟，远短于传统数小时的熟化时间。
[0033]关于在线混合与输送：本实施的关键在于在线混合，高酸度的初始料浆与低浓度稀硫酸仅在长度仅为0.8米的进料短管内快速混合后立即进入微波场，这种设计避免了混合后高活性浆料在长管道中停留而发生不可控的预反应，确保了反应起始点和剧烈程度在微波反应器内被精确控制。
[0034]关于浸取与后处理：酸解产物在70℃下浸取3小时，钛的浸出率最高，浸取后，向钛液中加入计量的铁粉，在75℃下进行还原，最终将钛液中Ti3+浓度稳定在2g/L左右，满足了后续工艺对钛液稳定性和纯度的要求。
[0035]综上所述，本发明方法的核心创新在于将微波加热技术与连续回转窑反应器深度融合，应用于硫酸法钛液的酸解与熟化全过程;
通过微波能量直接作用于物料内部的极性分子，实现由内而外的快速均匀加热，打破了传统加热方式导致的“壳层效应”，同时，微波场引起分子每秒数十亿次的高速转向，相当于在分子层面进行超强搅拌，不断更新反应界面，显著加速传质与反应速率;
通过设置主反应区和熟化区两个独立的微波加热段，为酸解反应的不同阶段提供了最优的热力学条件，尤其是为熟化阶段主动供能，解决了传统工艺的熟化瓶颈;
整个系统从原料混合到钛液产出连续运行，物料输送流畅，工艺参数易于在线监测与自动控制，生产效率高，操作环境安全;
该方法不仅适用于常规钛精矿(钛酸解率可提升至98%以上)，更对传统方法难以处理的低铁、高杂质含钛二次资源(如含钛高炉渣)展现出卓越的处理能力，为拓展钛资源来源提供了强有力的技术手段。
[0036]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
说明书附图(1)
声明：
“含钛原料微波酸解制备钛液的方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：东华工程科技股份有限公司
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2026年08月06日 ~ 08日 
