鈦鐵礦發(fā)展歷史

鈦還能形成許多化合物，它們也有各種各樣特殊的性能和用途，如二氧化鈦，是雪白的粉末，它是最好的白色顏料，俗稱“鈦白”，1克二氧化鈦就可以把450多平方厘米的面積涂得雪白。世界上用做白色顏料的二氧化鈦，一年多到幾十萬噸。如把二氧化鈦加在紙里，可使紙變白并且不透明，因此制造鈔票和美術(shù)品用的紙，有時(shí)就要添加二氧化鈦，此外，為使塑料的顏色變淺，使人造絲光澤柔和，有時(shí)也要添加二氧化鈦。二氧化鈦被譽(yù)為世界上最白的東西。自然界中的鈦大部分處于分散狀態(tài)，主要形成礦物鈦鐵礦TeTiO₃和金紅石TiO₂，及釩鈦鐵礦等。我國四川攀枝花地區(qū)有極豐富的釩鈦鐵礦，儲量約15億噸。

那么，鈦是怎樣被發(fā)現(xiàn)的呢？1791年，英國科學(xué)家格里戈?duì)栐诿苣菨h郊區(qū)找到一種礦石—黑色磁性砂，通過對這種礦石的研究，他認(rèn)為礦石中有一種新的化學(xué)元素。并用發(fā)現(xiàn)礦石的地點(diǎn)“密那漢”命名這種新元素。

過了四年，德國化學(xué)家克拉普洛特從匈牙利布伊尼克的一種紅色礦石中，發(fā)現(xiàn)了這種新元素，他用希臘神話中“太旦”族的名字來命名（中文按它原文名稱的譯音，定名為鈦），克拉普洛特還特地指出，格里戈?duì)査l(fā)現(xiàn)的新元素“密那漢”就是鈦，但在當(dāng)時(shí)找到的，實(shí)際上都是粉末狀的二氧化鈦而不是金屬鈦。直到1910年，美國化學(xué)家罕德爾才第一次制得純度達(dá)99.9%的金屬鈦，但總共不到1克。從發(fā)現(xiàn)鈦到制得金屬鈦，前后經(jīng)歷了120年，到1947年，人們才開始在工廠里煉鈦，當(dāng)時(shí)的年產(chǎn)量只有2噸。到了1955年，產(chǎn)量激增到2萬噸。到1972年，年產(chǎn)量達(dá)到20萬噸。鈦的用途越來越廣，日益受到人們的重視，人們稱它為未來的鋼鐵、21世紀(jì)的金屬。

云南是有色金屬王國，對有色金屬的開發(fā)自然比較重視，冶金技術(shù)日新月異，效率就是效益，該研究填補(bǔ)了鈦鐵礦微波還原的空缺，為工業(yè)利用微波碳熱還原鈦鐵礦提供了理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。通過微波碳熱還原鈦鐵礦可以使反應(yīng)速率加快，由于微波碳熱還原鈦鐵礦可以在較低的溫度下進(jìn)行，所以能源的利用將大為降低，對于能源緊缺的中國來講無疑有很大的科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。相信該研究定會被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

鈦鐵礦的冶煉有硫酸法和氯化法，兩種方法只是在處理鈦礦上的不同：硫酸法可以使用較低品位的鈦鐵礦石，而且還可以生產(chǎn)硫酸亞鐵成本低廉，但是污染太大副產(chǎn)物難于處理消耗硫酸多；氯化法使用的礦石品位較高而且成本較高，但是污染小副產(chǎn)物較少而且氯可以循環(huán)使用。但是兩種方法都是將鈦礦變成純的二氧化鈦，然后將純的二氧化鈦與純氯和焦炭在高溫反應(yīng)生成四氯化鈦和一氧化碳，用金屬鈣、鎂或者鈉將其還原成海綿狀的金屬鈦大規(guī)模生產(chǎn)鈦的方法：

第一步：在高溫時(shí)，將金紅石（TiO₂)和炭粉（C）混合，并通入氯氣制得TiCl₄和一種可燃性氣體CO。

第二步：在氬氣（Ar）環(huán)境中，用過量的鎂（Mg）在加熱條件下與TiCl₄反應(yīng)制得金屬鈦（氬氣不參加反應(yīng)）。

鈦鐵礦物理特性

鐵黑色或鋼灰色；條痕鋼灰色或黑色。含赤鐵礦包裹體時(shí)呈褐或褐紅色。金屬至半金屬光澤。不透明。無解理。有時(shí)出現(xiàn)或裂開。硬度5~ 5.5。性脆。相對密度4.0~5.0。具弱磁性。

偏光鏡下：深紅色，不透明或微透明。一軸晶。具非常高的折射率（N=2.7）和重折率。

鈦鐵礦化學(xué)特性

實(shí)驗(yàn)使用的鈦鐵礦為天然礦石，還原劑為木炭粉。礦石中的主要物相為CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃、MnO₂、V₂O₅、Cr₂O₃等。礦石的成分為47.86%TiO₂，35.12?，0.22?O，2.01%MgO，1.86%SiO₂。礦石的粒度小于0.087mm，木炭粉的粒度小于0.076mm。礦石和木炭粉在105℃干燥24h，然后按一定比例混合并壓制成塊?；旌狭现泻剂繛?0%。在微波碳熱還原過程中，物料的溫度是逐步升高的。用微波將物料從室溫加熱至1123—1263K需要3—8min，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鈦鐵礦的還原反應(yīng)從一施加微波就開始進(jìn)行，表明鈦鐵礦的微波碳熱還原反應(yīng)即使在極低的溫度條件下就已開始進(jìn)行。鈦鐵礦的這種特性，主要是一部分微波能會發(fā)生局域耦合共振，產(chǎn)生熱點(diǎn)。這些熱點(diǎn)的溫度比其他區(qū)域的溫度高得多，因而他們會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，熱點(diǎn)的中心就是反應(yīng)的中心。此外，原子或分子在反應(yīng)中心還會發(fā)生激烈的振動，能更好地滿足化學(xué)反應(yīng)的條件，這也會降低引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的溫度。正是由于有這些熱點(diǎn)的存在和分子或原子的激烈振動，鈦鐵礦的微波碳熱還原反應(yīng)才可能在較低的溫度下進(jìn)行，從而極大地降低鈦鐵礦碳熱還原過程的能耗。

鈦鐵礦的微波還原速率與樣品的含碳量關(guān)系十分密切。當(dāng)樣品的初始含碳量小于20%時(shí)，還原速率隨著含碳量的增加而明顯加快；當(dāng)含碳量大于20%時(shí)，進(jìn)一步增加含碳量對還原速率沒有明顯的影響。

反應(yīng)式：FeTiO₃ C=Fe TiO₂ CO（1）FeTiO₃ CO=Fe TiO₂ CO₂（2）CO₂ C=2CO（3）反應(yīng)速率隨含碳量的增加而加快，當(dāng)含碳量大于20%時(shí)，反應(yīng)速率與含碳量無關(guān)。微波還原的速率比傳統(tǒng)還原快得多。據(jù)有關(guān)對鈦鐵礦進(jìn)行微波碳熱還原和傳統(tǒng)碳熱還原研究的對比實(shí)驗(yàn)表明：鈦鐵礦的微波還原速率比傳統(tǒng)還原快得多，在1153K時(shí)，微波碳熱還原的速率是傳統(tǒng)還原的79.06倍。微波還原在1153K的速率可以和傳統(tǒng)還原在1422K的速率相比較，兩者之間的溫度差高達(dá)269K，由此也表明，當(dāng)用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱時(shí)，鈦鐵礦的碳熱還原可以在較低的溫度下進(jìn)行。

與鐵礦石的碳熱還原類似，鈦鐵礦的碳熱還原也是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)（ΔH= 181kJ/molFeTiO₃，采用傳統(tǒng)加熱還原時(shí)同樣會產(chǎn)生“冷中心”。由于微波可以對物料進(jìn)行快速的整體加熱，“冷中心”的問題自然得到解決，因而反應(yīng)速率明顯加快。

鈦鐵礦，常作為副礦物，或在基性、超基性巖中分散于磁鐵礦中成條片狀，與頑輝石、斜長石等共生。偉晶型鈦鐵礦，產(chǎn)于花崗偉晶巖中，與微斜長石、白云母、石英、磁鐵礦等共生。鈦鐵礦往往在堿性巖中富集。由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，故可形成沖積砂礦，與磁鐵礦、金紅石、鋯石、獨(dú)居石等共生。據(jù)晶形、條痕、弱磁性可與赤鐵礦或磁鐵礦區(qū)別。鈦鐵礦是最重要的鈦礦石礦物。

三方晶系，arh=0.553nm，α=54°49'；Z=2?；騛h=0.509nm，ch=1.407nm；Z=6?？梢暈閯傆裥徒Y(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)在于剛玉中Al³ 的位置被Fe² 、Ti⁴ 替換并相間排列而成，導(dǎo)致c滑移面消失，使空間群由R3c變?yōu)镽3。

高溫下鈦鐵礦中的Fe、Ti呈無序分布而具赤鐵礦結(jié)構(gòu)（即剛玉型結(jié)構(gòu)），故形成FeTiO₃-Fe₂O₃固溶體，其組成可表示為Fe₃O₂-xFe_2xTi_4xO₃（x代表鈦鐵礦的摩爾分?jǐn)?shù)）。空間群從R3c轉(zhuǎn)變?yōu)镽3的溫度為1100℃（x=0.65）至600℃（x=0.45）。當(dāng)0.6>x≥0.5時(shí)，不能獲得完全有序的空間群為R3的結(jié)構(gòu)；在x=0.5時(shí)，R3c到R3的轉(zhuǎn)變成亞穩(wěn)定態(tài)，固溶體開始部分出溶。菱面體晶類。常呈不規(guī)則粒狀、鱗片狀或厚板狀。在950℃以上鈦鐵礦與赤鐵礦形成完全類質(zhì)同象。當(dāng)溫度降低時(shí)，即發(fā)生熔離，故鈦鐵礦中常含有細(xì)小鱗片狀赤鐵礦包體。鈦鐵礦顏色為鐵黑色或鋼灰色。條痕為鋼灰色或黑色。含赤鐵礦包體時(shí)呈褐色或帶褐的紅色條痕。金屬-半金屬光澤。不透明，無解理。硬度5～6.5，比重4～5。弱磁性。鈦鐵礦主要出現(xiàn)在超基性巖、基性巖、堿性巖、酸性巖及變質(zhì)巖中。我國攀枝花釩鈦磁鐵礦床中，鈦鐵礦呈粒狀或片狀分布于鈦磁鐵礦等礦物顆粒之間，或沿鈦磁鐵礦裂開面成定向片晶。

英文名

ilmenite

鈦鐵礦是主要含鈦礦物之一。三方晶系，晶體少見，常呈不規(guī)則粒狀、鱗片狀、板狀或片狀。顏色鐵黑或呈鋼灰色,條痕鋼灰或黑色，當(dāng)含有赤鐵礦包體時(shí)，呈褐或褐紅色。金屬至半金屬光澤，貝殼狀或亞貝殼狀斷口。性脆。硬度5～6，密度4.4～5g/cm³，密度隨成分中MgO含量降低或FeO含量增高而增高。具弱磁性。在氫氟酸中溶解度較大，緩慢溶于熱鹽酸。溶于磷酸并冷卻稀釋后，加入過氧化鈉或過氧化氫，溶液呈黃褐色或橙黃色。鈦鐵礦可產(chǎn)于各類巖體，在基性巖及酸性巖中分布較廣；產(chǎn)于偉晶巖者，粒度較大，可達(dá)數(shù)厘米。當(dāng)含礦母巖遭風(fēng)化作用破壞后，鈦鐵礦可轉(zhuǎn)入砂礦中。

鈦鐵礦化學(xué)成分為FeTiO₃、晶體屬三方晶系的氧化物礦物。英文名稱來源于最初發(fā)現(xiàn)本礦物的產(chǎn)地俄羅斯烏拉爾的伊爾門山（Ильменские　горы）。含TiO₂52.66%，是提取鈦和二氧化鈦的最主要礦物原料。晶體常呈板狀，集合體呈塊狀或粒狀。鋼灰至鐵黑色，條痕黑色至褐紅色，半金屬光澤。摩斯硬度5～6，比重4.70～4.78。具弱磁性。鈦鐵礦一般作為副礦物見于火成巖和變質(zhì)巖中，也可以形成砂礦。著名礦山有俄羅斯的伊爾門山、挪威的克拉格勒和美國懷俄明州的鐵山、加拿大魁北克的埃拉德湖等。中國四川攀枝花鐵礦，也是一個(gè)大型的鈦鐵礦產(chǎn)地，其鈦鐵礦成顯微粒狀或片狀分布于磁鐵礦顆粒之間或裂理中。

鈦鐵礦的理論組成：FeO 47.36%，TiO₂ 52.64% 。Fe² 與Mg² 、Mn² 間可為完全類質(zhì)同像代替，形成FeTiO₃-MgTiO₃或FeTiO₃-MnTiO₃系列。以FeO為主時(shí)稱鈦鐵礦，MgO為主時(shí)稱鎂鈦礦，MnO為主時(shí)稱紅鈦錳礦。常有Nb、Ta等類質(zhì)同像替代。在>960℃的高溫條件下，F(xiàn)eTiO₃-Fe₂O₃可形成完全固溶體。隨溫度下降，在約600℃，F(xiàn)eTiO₃-Fe₂O₃固溶體出溶，在鈦鐵礦中析出赤鐵礦的片晶，并按（0001）定向排列。

純凈的鈦是銀白色的金屬。鈦的礦物在自然界中分布很廣，約占地殼重的0.6%，僅次于鋁、鐵、鈣、鈉、鉀和鎂，而比銅、錫、錳、鋅等在地殼中的含量要多幾倍甚至幾十倍。鈦的熔點(diǎn)為1725℃，它的主要特點(diǎn)是密度小而強(qiáng)度大。和鋼相比，它的密度只相當(dāng)于鋼的57%，而強(qiáng)度和硬度與鋼相近。和鋁相比，鋁的密度雖較鈦小，但機(jī)械強(qiáng)度卻很差。因此，鈦同時(shí)兼有鋼（強(qiáng)度高）和鋁（質(zhì)地輕）的優(yōu)點(diǎn)。純凈的鈦有良好的可塑性，它的韌性超過純鐵2倍，耐熱和抗腐蝕性能也很好。

由于鈦有這些優(yōu)點(diǎn)，所以50年代以來，一躍成為突出的稀有金屬。鈦及其合金，首先用在制造飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、艦艇等方面，開始推廣用于化工和石油部門。例如，在超音速飛機(jī)制造方面，由于這類飛機(jī)在高速飛行時(shí)，表面溫度較高，用鋁合金或不銹鋼，在這種溫度下已失去原有性能而鈦合金在的550℃以上仍保持良好的機(jī)械性能，因此可用于制造超過音速3倍的高速飛機(jī)。這種飛機(jī)的用鈦量要占其結(jié)構(gòu)總重量的95%，故有“鈦飛機(jī)”之稱，全世界約有一半以上的鈦，用來制造飛機(jī)機(jī)體和噴氣發(fā)動機(jī)的重要零件。鈦在原子能工業(yè)中，用于制造核反應(yīng)堆的主要零件，在化學(xué)工業(yè)中，鈦主要用于制造各種容器、反應(yīng)器、熱交換器、管道、泵和閥等。若把鈦加到不銹鋼中，只加百分之一左右，就大大提高抗銹本領(lǐng)。 2100433B

通過燒結(jié)可以有效的改變鈦鐵礦的燒結(jié)性能，從而為鈦鐵礦的進(jìn)一步叫加工利用提供便利。未燒結(jié)的鈦鐵礦，相組成僅為FeTiO₃，當(dāng)鈦鐵礦在氬氣氣氛中燒結(jié)后并沒有檢測到組成與結(jié)構(gòu)方面的變化。但是當(dāng)鈦鐵礦在空氣中600℃燒結(jié)后，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了新相，其相組成主相為FeTiO₃，部分FeTiO₃分解為Fe₂O₃及TiO₂并產(chǎn)生了少量的Fe₂T_i3O₉;當(dāng)其在800℃燒結(jié)后，其相組成與原鈦鐵礦相比已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化其相組成主要為Fe₂TiO₅并有一定量的Fe₂O₃、TiO₂和Fe₂T_i3O₉，只含少量的FeTiO₃相，鈦鐵礦顆粒與氧發(fā)生了氧化反應(yīng)；950℃燒結(jié)后主要相組成為Fe₂TiO₅，含F(xiàn)e₂O₃及TiO₂而Fe₂T_i3O₉與FeTiO3則已經(jīng)消失，當(dāng)燒結(jié)溫度為1100℃燒結(jié)后，樣品為Fe₂TiO₅相，含有少量的TiO₂；1200℃燒結(jié)后，樣品主要為Fe₂TiO₅相含有少量的TiO₂。因此鈦鐵礦在600℃空氣中燒結(jié)后，產(chǎn)生少量的Fe₂O₃、TiO₂和Fe₂T_i3O₉；當(dāng)溫度為800℃時(shí)，F(xiàn)e₂T_i3O₉分解為Fe₂TiO₅和TiO₂，在更高的溫度下則完全轉(zhuǎn)變?yōu)镕e₂TiO₅和TiO₂。

《鈦鐵礦富集》，本書是《鈦系列叢書》中的一本。主要介紹鈦鐵礦富集制取富鈦料的生產(chǎn)工藝，并詳細(xì)介紹了鈦渣和人造金紅石的生產(chǎn)技術(shù)。同時(shí)也介紹了高鈦型高爐渣的富集工藝和應(yīng)用。2100433B

中文名稱

鈦鐵礦型焊條

英文名稱

ilmenite electrode

定　　義

藥皮中含有30%以上鈦鐵礦及一定量碳酸鹽的酸性焊條。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），材料科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)（二級學(xué)科），材料合成、制備與加工（三級學(xué)科），焊接與連接技術(shù)（四級學(xué)科）