钛铁矿还原过程的热力学计算及相关实验研究

摘要

钛铁矿的还原过程是碳热还原制备铁基Ti(C，N)增强复合材料的关键步骤之一，对还原过程的热力学和反应机理进行研究对制定铁基Ti(C，N)增强复合材料工艺条件具有重要的现实意义和理论价值。 本文对不同温度条件下钛铁矿还原过程的热力学，不同还原剂对钛铁矿杂质的影响以及不同温度条件下钛铁矿还原过程的反应机理进行了计算和实验研究，获得了钛铁矿的还原反应顺序，确定了杂质对还原过程的影响。 研究结果表明：FeTiO3还原成TiO2的反应驱动力在973K～1373K温度范围内最大，还原成TiO的反应驱动力在1373K～1573K温度范围内最大，还原成TiN的反应驱动力在1573K～1773K温度范围内最大，还原成TiC的反应驱动力在1773K以上的温度范围内最大。在1873K以下，FeTiO3被C还原成Ti的反应自由能变始终为正值。Ti2O3被C还原成TiO的反应在1873K以下的温度范围内始终为正值。在各阶钛氧化物生成TiC或TiN的反应中，Ti3O5生成TiN的反应驱动力在1573K～1773K温度范围内最大，Ti3O5生成TiC的反应驱动力在1773K～1873K温度范围内最大。对各种氧化物杂质还原热力学的研究表明，在实验要求的温度范围内(T＜1873K)，C只能够将MnO还原，Al可将MnO、SiO2和MgO还原；Si只能将MnO还原；Mg可将SiO2、MnO和Al2O3还原；Ca可将MnO、MgO、A12O3和SiO2还原。FeTiO3-C-N2体系热分析曲线表明，FeTiO3与C还原生成TiO2的反应在797.1℃附近形成第一个吸热峰；C的气化和TiO2逐步还原成Ti3O5和Ti(C，O)的系列反应形成了在1137℃附近形成了第二个吸热峰；Ti(O，C)与N2反应生成Ti(C，N)以及Fe3C的生成在1473℃附近形成构成了第三个吸热峰。钛铁矿在氮气条件下碳热还原的具体过程可以总结为：FeTiO3→TiO2→Ti3O5→Ti(O，C)→Ti(C，N)。其中，750℃还原2小时的主要产物为FeTiO3、TiO2和C；850℃还原2小时的主要产物为FeTiO3、Fe、TiO2和C；1100℃还原2小时的主要产物为Fe、Ti3O5、TiO2和C；1350℃还原2小时的主要产物为Fe、Ti(C，O)和C；1400℃还原2小时的主要产物为Fe、Ti(C，N)和C；1500还原2小时的主要产物为Fe、Ti(C，N)、C和Fe3C。研究表明，在1350℃～1500℃温度范围内，在N2气氛下，C还原FeTiO3形成Ti(C，N)和铁是完全可行的；而氧化物杂质的还原情况和Ti(C，N，O)中的C、N和O的比例的理论分析与实验结果基本一致。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：论文所用符号注释表

1引言

1.1 Fe基TiC/TiN/Ti(C，N)复合材料的制备技术进展

1.1.1粉末冶金法

1.1.2反应熔铸法

1.1.3燃烧合成法

1.1.4机械合金化法

1.1.5碳热/铝热还原法

1.1.6其他方法

1.2钛铁矿冶金过程热力学研究进展

1.2.1钛冶炼热力学

1.2.2 Ti(C，N)生成热力学

1.3课题的目的意义

1.4课题的主要研究内容

2反应温度影响FeTiO3-C-N2体系还原过程的热力学计算

2.1 FeTiO3还原成各阶钛化合物的热力学

2.2钛的各阶氧化物碳热还原的热力学

2.3 CO还原钛的各阶氧化物的热力学

2.4不同温度下反应产物Ti(C，N，O)中化学成分的计算

2.4.1热力学模型

2.4.2成分分析计算

3还原剂种类影响钛铁矿中杂质还原过程的热力学计算

3.2 CO还原杂质相的热力学

3.3 C和N2还原杂质相的热力学

3.4 Al还原杂质相的热力学

3.5 Si还原杂质相的热力学

3.6 Mg还原杂质相的热力学

3.7 Ca还原杂质相的热力学

4反应温度影响FeTiO3-C-N2体系还原过程的实验研究

4.1实验材料

4.1.1钛铁矿

4.1.2碳粉

4.1.3氮气

4.2实验工艺与设备

4.2.1球磨混料

4.2.2压制

4.2.3反应烧结

4.3实验分析方法

4.3.1热分析

4.3.2物相分析

4.3.3化学分析

4.4实验结果与分析

4.4.1 TG-DSC综合热分析试验结果

4.4.2反应烧结产物X射线衍射分析结果

4.4.3反应烧结产物杂质含量的化学分析结果

4.4.4反应烧结产物中Ti(C,N,O)成分分析结果

5综合分析和讨论

5.1钛铁矿还原过程的确定

5.2钛铁矿杂质相对钛铁矿还原的影响

5.2.1氧化物杂质抑制TiO2还原反应的热力学

5.2.2 MnO抑制TiO2还原的进一步分析

5.2.3未还原氧化物杂质对钛铁矿还原的影响

6结论

致谢

参考文献