本研究为国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金“矿物工程与物质分离科学”项目(批准号：50725416)资助课题。我国攀西地区钛资源丰富,已探明储量8.7亿t(以TiO2计),属岩矿型钛铁矿资源,选矿所得钛铁精矿结构致密,钙、镁等杂质含量高。为了大规模高效利用该地区的钛资源,我国对攀西地区钛铁精矿制取高品位富钛料的方法进行了大量研究,选择了生产规模大、效率高的电炉熔炼法作为主要技术途径,并投入了工业化生产。但是电炉熔炼法获得的钛渣TiO2品位低,钙、镁等杂质含量高,不能直接用作氯化法钛白生产及海绵钛制取的原料。因此,研究开发从电炉钛渣中进一步除去钙镁等杂质的理论及新技术,对攀西地区钛资源的大规模高效利用具有十分重要的现实意义。本文以攀钢高钙、镁电炉钛渣为研究对象,综合运用热力学原理及X-射线衍射、光学显微镜和扫描电镜等现代微观测试手段,对电炉钛渣的性质、酸浸过程杂质的溶出行为、活化焙烧-酸浸除杂技术和基础理论进行系统研究,开发出高钙、镁电炉钛渣制备优质人造金红石的新技术。取得以下结论：(1)攀钢电炉钛渣TiO2含量为72.42%,主要杂质元素为Fe、Mg、Ca、Al、Si,其中CaO+MgO的含量达到9.57%；主要矿物相为黑钛石固溶体和硅酸盐矿物,其相对含量分别为87.6%和8.2%,二者呈镶嵌状态分布,杂质元素Mg、Fe、Al集中分布在黑钛石固溶体中,Si、Ca集中分布在硅酸盐矿物中。(2)钛渣加压酸浸杂质溶出行为研究表明,加压酸浸不能有效去除杂质,钛渣TiO2品位仅能提高到75%左右；酸浸过程添加NH4HF2能强化钛渣中硅酸盐矿物的溶解,但固溶于黑钛石中的Fe、Mg、Al等杂质溶出效果差,钛渣TiO2品位也仅能提高到80%左右。固溶于黑钛石固溶体中的Fe、Mg、Al等杂质溶出效果差是导致酸浸不能有效去除杂质、显著提升钛渣TiO2品位的主要原因。(3)钛渣钠化焙烧-酸浸研究表明,将Na2CO3与钛渣按质量比3：7混合,在900℃下焙烧2h,焙烧产物采用两段硫酸沸腾浸出,能够有效去除杂质,获得TiO2品位为92.23%,回收率92%左右,CaO+MgO含量为0.78%的人造金红石。(4)对钛渣与Na2CO3混合物料进行机械活化处理,能强化钛渣钠化焙烧-酸浸除杂的效果,在焙烧、酸浸条件与未机械活化时相同的条件下,获得TiO2品位为94.61%, CaO+MgO含量为0.68%的人造金红石。(5)钠化焙烧-酸浸机制研究表明,钛渣添加Na2CO3焙烧后,钛渣中的黑钛石与发生Na2CO3反应,生成了钛酸钠、铁酸钠、以及Na-Fe-Ti-O系和Na-Mg-Ti-O系固溶体；钛酸钠、铁酸钠、以及非化学计量Na-Mg-Ti-O系固溶体中的杂质具有良好的酸溶性能,在酸浸过程中被溶出,Na-Fe-Ti-O系固溶体较为稳定,其中的杂质仅能部分被溶出,上述化合物中的钛组分转变为金红石型和锐钛型TiO2,从而有效去除了杂质,显著提升了人造金红石的TiO2品位。(6)机械活化强化钛渣钠化焙烧-酸浸除杂效果的机理在于,机械活化处理改善了钛渣与Na2CO3反应的动力学条件,并使矿物晶格缺陷增加,晶胞体积增大,提高矿物晶格内能和反应活性,从而强化钛渣与Na2CO3的化学反应,促进黑钛石固溶体向钛酸钠、铁酸钠、以及Na-Fe-Ti-O系和Na-Mg-Ti-O系固溶体的转变,提高了杂质的溶出效果。(7)还原-锈蚀法富钛料活化焙烧-酸浸除杂研究表明,活化焙烧-酸浸法具有良好的原料适应性,在与处理钛渣条件相同的情况下,获得了TiO2品位在95%以上,CaO+MgO含量为0.69%的人造金红石。本文基于固相反应原理及机械活化理论,开发出了高钙镁电炉钛渣活化焙烧-酸浸除杂制备优质人造金红石新工艺,并对新工艺的机理进行了深入研究,形成了高钙镁电炉钛渣活化焙烧-酸浸除杂的理论基础。将活化焙烧-酸浸除杂新工艺用于处理还原-锈蚀法富钛料,取得了良好的效果,表明新工艺具有良好的适应性,适于处理高钙镁钛资源。本研究为大规模高效利用我国攀西地区的钛资源开辟了一条新的途径。