钛铁矿晶体结构

通过烧结可以有效的改变钛铁矿的烧结性能，从而为钛铁矿的进一步叫加工利用提供便利。未烧结的钛铁矿，相组成仅为FeTiO₃，当钛铁矿在氩气气氛中烧结后并没有检测到组成与结构方面的变化。但是当钛铁矿在空气中600℃烧结后，发生了化学反应，产生了新相，其相组成主相为FeTiO₃，部分FeTiO₃分解为Fe₂O₃及TiO₂并产生了少量的Fe₂T_i3O₉;当其在800℃烧结后，其相组成与原钛铁矿相比已经发生了明显的变化其相组成主要为Fe₂TiO₅并有一定量的Fe₂O₃、TiO₂和Fe₂T_i3O₉，只含少量的FeTiO₃相，钛铁矿颗粒与氧发生了氧化反应；950℃烧结后主要相组成为Fe₂TiO₅，含Fe₂O₃及TiO₂而Fe₂T_i3O₉与FeTiO3则已经消失，当烧结温度为1100℃烧结后，样品为Fe₂TiO₅相，含有少量的TiO₂；1200℃烧结后，样品主要为Fe₂TiO₅相含有少量的TiO₂。因此钛铁矿在600℃空气中烧结后，产生少量的Fe₂O₃、TiO₂和Fe₂T_i3O₉；当温度为800℃时，Fe₂T_i3O₉分解为Fe₂TiO₅和TiO₂，在更高的温度下则完全转变为Fe₂TiO₅和TiO₂。

钛铁矿具有较强的吸收微波辐射的能力

FeTiO₃属ABX型分子，与Fe₂O₃属同一结构类型。在此种结构中，氧离子大致成六方密堆积排列，钛离子和铁离子各占三分之一的八面体配位间隙。在钛铁矿中，由铁占据的C面同由钛占据的C面呈相互交替的堆积方式。这种结构的特点使得离子之间发生的相对位移变得非常容易。加之Fe² 由于含d^x电子，因此具有较大的极化率，FeO⁻键具有明显的离子一共价键特征。这就决定了FeTiO₃具有较高的介电常数。天然产生的钛铁矿，或多或少地含有以Fe³ 形式存在的铁，Fe² 和Fe³ 共存，导致两种价态离子间的会发生电子交换，这一过程无疑促进了钛铁矿因偶极弛豫而引起的对微波能量的损耗。加之由于Fe² 和Fe³ 价层存在不成对电子，致使FeTiO₃表现出较高的磁化率。而微波场本身是一个交变的电磁场。因此，FeTiO₃与微波场相互作用既表现为电相互作用，又表现为磁相互作用。2100433B

钛铁矿的晶体结构属刚玉型，只是与剐玉不同之处在于铝的位置相间地被铁和钛所代替。ABO₃的多元化合物晶体结构，其中A、B分别代表两种不同的阳离子，如A代表Fe² 、B代表Ti⁴ 则是钛铁矿(FeTiO₃)，由图1可以看出，Fe² 离子位于菱形晶胞的顶角位置，O^2-离子位于每个面的中心，Ti⁴ 离子占据菱面体的中心。

钛铁矿物理特性

铁黑色或钢灰色；条痕钢灰色或黑色。含赤铁矿包裹体时呈褐或褐红色。金属至半金属光泽。不透明。无解理。有时出现或裂开。硬度5~ 5.5。性脆。相对密度4.0~5.0。具弱磁性。

偏光镜下：深红色，不透明或微透明。一轴晶。具非常高的折射率（N=2.7）和重折率。

钛铁矿化学特性

实验使用的钛铁矿为天然矿石，还原剂为木炭粉。矿石中的主要物相为CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃、MnO₂、V₂O₅、Cr₂O₃等。矿石的成分为47.86%TiO₂，35.12�，0.22�O，2.01%MgO，1.86%SiO₂。矿石的粒度小于0.087mm，木炭粉的粒度小于0.076mm。矿石和木炭粉在105℃干燥24h，然后按一定比例混合并压制成块。混合料中含碳量为20%。在微波碳热还原过程中，物料的温度是逐步升高的。用微波将物料从室温加热至1123—1263K需要3—8min，实验发现：钛铁矿的还原反应从一施加微波就开始进行，表明钛铁矿的微波碳热还原反应即使在极低的温度条件下就已开始进行。钛铁矿的这种特性，主要是一部分微波能会发生局域耦合共振，产生热点。这些热点的温度比其他区域的温度高得多，因而他们会产生化学反应，热点的中心就是反应的中心。此外，原子或分子在反应中心还会发生激烈的振动，能更好地满足化学反应的条件，这也会降低引发化学反应的温度。正是由于有这些热点的存在和分子或原子的激烈振动，钛铁矿的微波碳热还原反应才可能在较低的温度下进行，从而极大地降低钛铁矿碳热还原过程的能耗。

钛铁矿的微波还原速率与样品的含碳量关系十分密切。当样品的初始含碳量小于20%时，还原速率随着含碳量的增加而明显加快；当含碳量大于20%时，进一步增加含碳量对还原速率没有明显的影响。

反应式：FeTiO₃ C=Fe TiO₂ CO（1）FeTiO₃ CO=Fe TiO₂ CO₂（2）CO₂ C=2CO（3）反应速率随含碳量的增加而加快，当含碳量大于20%时，反应速率与含碳量无关。微波还原的速率比传统还原快得多。据有关对钛铁矿进行微波碳热还原和传统碳热还原研究的对比实验表明：钛铁矿的微波还原速率比传统还原快得多，在1153K时，微波碳热还原的速率是传统还原的79.06倍。微波还原在1153K的速率可以和传统还原在1422K的速率相比较，两者之间的温度差高达269K，由此也表明，当用微波加热代替传统加热时，钛铁矿的碳热还原可以在较低的温度下进行。

与铁矿石的碳热还原类似，钛铁矿的碳热还原也是强烈的吸热反应（ΔH= 181kJ/molFeTiO₃，采用传统加热还原时同样会产生“冷中心”。由于微波可以对物料进行快速的整体加热，“冷中心”的问题自然得到解决，因而反应速率明显加快。

云南是有色金属王国，对有色金属的开发自然比较重视，冶金技术日新月异，效率就是效益，该研究填补了钛铁矿微波还原的空缺，为工业利用微波碳热还原钛铁矿提供了理论依据和方法指导。通过微波碳热还原钛铁矿可以使反应速率加快，由于微波碳热还原钛铁矿可以在较低的温度下进行，所以能源的利用将大为降低，对于能源紧缺的中国来讲无疑有很大的科学价值和经济价值。相信该研究定会被应用于工业领域，产生很好的经济和社会效益。

钛铁矿，常作为副矿物，或在基性、超基性岩中分散于磁铁矿中成条片状，与顽辉石、斜长石等共生。伟晶型钛铁矿，产于花岗伟晶岩中，与微斜长石、白云母、石英、磁铁矿等共生。钛铁矿往往在碱性岩中富集。由于其化学性质稳定，故可形成冲积砂矿，与磁铁矿、金红石、锆石、独居石等共生。据晶形、条痕、弱磁性可与赤铁矿或磁铁矿区别。钛铁矿是最重要的钛矿石矿物。