鈦鐵礦晶體結(jié)構(gòu)

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。但是當鈦鐵礦在空氣中600℃燒結(jié)后，發(fā)生了化學反應(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；當溫度為800℃時，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。

鈦鐵礦具有較強的吸收微波輻射的能力

FeTiO₃屬ABX型分子，與Fe₂O₃屬同一結(jié)構(gòu)類型。在此種結(jié)構(gòu)中，氧離子大致成六方密堆積排列，鈦離子和鐵離子各占三分之一的八面體配位間隙。在鈦鐵礦中，由鐵占據(jù)的C面同由鈦占據(jù)的C面呈相互交替的堆積方式。這種結(jié)構(gòu)的特點使得離子之間發(fā)生的相對位移變得非常容易。加之Fe² 由于含d^x電子，因此具有較大的極化率，F(xiàn)eO^?鍵具有明顯的離子一共價鍵特征。這就決定了FeTiO₃具有較高的介電常數(shù)。天然產(chǎn)生的鈦鐵礦，或多或少地含有以Fe³ 形式存在的鐵，F(xiàn)e² 和Fe³ 共存，導(dǎo)致兩種價態(tài)離子間的會發(fā)生電子交換，這一過程無疑促進了鈦鐵礦因偶極弛豫而引起的對微波能量的損耗。加之由于Fe² 和Fe³ 價層存在不成對電子，致使FeTiO₃表現(xiàn)出較高的磁化率。而微波場本身是一個交變的電磁場。因此，F(xiàn)eTiO₃與微波場相互作用既表現(xiàn)為電相互作用，又表現(xiàn)為磁相互作用。2100433B

鈦鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)屬剛玉型，只是與剮玉不同之處在于鋁的位置相間地被鐵和鈦所代替。ABO₃的多元化合物晶體結(jié)構(gòu)，其中A、B分別代表兩種不同的陽離子，如A代表Fe² 、B代表Ti⁴ 則是鈦鐵礦(FeTiO₃)，由圖1可以看出，F(xiàn)e² 離子位于菱形晶胞的頂角位置，O^2-離子位于每個面的中心，Ti⁴ 離子占據(jù)菱面體的中心。

鈦鐵礦物理特性

鐵黑色或鋼灰色；條痕鋼灰色或黑色。含赤鐵礦包裹體時呈褐或褐紅色。金屬至半金屬光澤。不透明。無解理。有時出現(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。

鈦鐵礦化學特性

實驗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，實驗發(fā)現(xiàn)：鈦鐵礦的還原反應(yīng)從一施加微波就開始進行，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。這些熱點的溫度比其他區(qū)域的溫度高得多，因而他們會產(chǎn)生化學反應(yīng)，熱點的中心就是反應(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，能更好地滿足化學反應(yīng)的條件，這也會降低引發(fā)化學反應(yīng)的溫度。正是由于有這些熱點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。當樣品的初始含碳量小于20%時，還原速率隨著含碳量的增加而明顯加快；當含碳量大于20%時，進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，當含碳量大于20%時，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)對鈦鐵礦進行微波碳熱還原和傳統(tǒng)碳熱還原研究的對比實驗表明：鈦鐵礦的微波還原速率比傳統(tǒng)還原快得多，在1153K時，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269K，由此也表明，當用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱時，鈦鐵礦的碳熱還原可以在較低的溫度下進行。

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

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價值和經(jīng)濟價值。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)濟和社會效益。

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。由于其化學性質(zhì)穩(wěn)定，故可形成沖積砂礦，與磁鐵礦、金紅石、鋯石、獨居石等共生。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。