高温共聚焦激光扫描显微技术原位解析钛磁铁矿还原焙烧过程中钛铁迁移路径及分离机制

推荐：针对钛磁铁矿难选冶及直接还原焙烧过程中钛/铁迁移机制影响Ti-Fe分离的难题，研究团队通过HT-CLSM原位观测结合SEM-EDS分析，揭示了CaCO3 添加剂促进钛铁高效分离的界面调控机制，为复杂矿资源高值化利用提供新策略。

　　

钛磁铁矿作为重要的铁钛共生资源，其高TiO₂
含量导致冶炼困难、成本激增，且传统选矿工艺难以实现钛铁高效分离。尽管磁-浮联合工艺有所进展，但复杂流程制约了工业化应用。直接还原技术虽能生产优质海绵铁（DRI），但钛杂质超标（Ti>1%）和钛产品品位低仍是行业痛点。北京科技大学研究团队创新性地采用高温共聚焦激光扫描显微镜（HT-CLSM）技术，首次实现钛磁铁矿还原过程动态可视化，结合多尺度表征手段，突破Ti-Fe分离技术瓶颈。

研究团队通过内配煤直接还原-磁选实验，系统优化了温度（1100-1300°C）、石墨配比（10-15%）等参数，发现1300°C下可获得铁品位92.37%、钛含量仅0.72%的优质还原铁。HT-CLSM原位观测揭示焙烧过程分为稳定、脱硫、部分熔融和完全熔融四阶段，而CaCO₃
添加使钙钛矿（CaTiO₃
）形成温度从1200°C降至900°C，显著加速钛迁移。SEM-EDS界面分析表明，真空焙烧中生成的高熔点铁尖晶石（FeAl₂
O₄
/MgFe₂
O₄
）阻碍分离，而CaCO₃
通过调控渣相组成，使钛铁矿近乎完全转化为钙钛矿，钛富集度提升47%。

关键发现包括：1）通过逆误差函数法计算扩散系数，证实CaCO₃
修饰的碳热还原条件下钛扩散系数较纯碳热还原提高2.3倍；2）建立"铁矿石还原-钛资源回收-尾矿建材化"全资源利用模式，实现钛回收率85.6%、TiO₂
品位达48.72%；3）揭示钙添加剂通过改变Fe-Ti-O体系界面元素浓度梯度，打破铁尖晶石阻碍的传质平衡。

该研究发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，其创新性体现在：首次将HT-CLSM应用于钛磁铁矿还原过程原位观测，创建高温反应可视化系统；提出钙介导的界面工程策略，为复杂矿协同提取提供普适性方法。技术层面整合了HT-CLSM动态监测、SEM-EDS微区分析和扩散动力学建模，样本源自中国矾山磷矿尾矿回收的钛磁铁精矿。

结论部分强调，该工作不仅解决钛磁铁矿工业应用的关键技术障碍，更推动矿物加工从经验导向向机理驱动的范式转变。特别是建立的扩散系数数据库，为多组分矿物分离工艺设计提供定量依据。讨论中指出，该技术可推广至钛含量5-10%的复杂矿处理，衍生出的高钛渣可作为钛白粉或海绵钛原料，实现全产业链价值最大化。研究团队ZHAO Hongyu等提出的界面调控理论，对钒钛磁铁矿、稀土矿等复杂体系分离具有重要借鉴意义。