铁酸钙与TiO2的扩散反应特征

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.02.006

摘要/Abstract

摘要：

钒钛磁铁矿烧结过程中，TiO₂会与Fe₂O₃竞争CaO，抑制铁酸钙（C _x F）的形成，进而影响烧结矿品质.通过制备C _x F/TiO₂扩散偶的方法，直观地研究CaO-Fe₂O₃-TiO₂体系的扩散反应.运用电子探针和X射线衍射分析仪等手段对反应界面不同位置处的生成物进行分析和表征，研究了在扩散温度为900~1 050 ℃，时间为1~4 h的条件下C _x F与TiO₂界面的反应特征；分析了温度及时间对生成相的种类、分布及形貌特征的影响.结果表明，从C _x F一侧到TiO₂一侧，主要的物相有C _x F，CF，Fe₂O₃，CaTiO₃，TiO₂，其中钙钛矿（CaTiO₃）是主要的生成产物.随温度从900 ℃升高至1 050 ℃，CaTiO₃的厚度从8.1 μm增大至90.2 μm；随时间从1 h延长至4 h，CaTiO₃的厚度从47.4 μm增大至121.4 μm.同时，CaTiO₃的扩散厚度与扩散时间的平方根呈良好的线性关系，这表明CaTiO₃的生成受扩散过程控制.进一步地，使用空位扩散机理解释了CaTiO₃在CaO-Fe₂O₃-TiO₂体系的生成过程.

关键词: 铁酸钙, TiO₂, 扩散偶, 扩散厚度, 空位扩散机理

Abstract:

During sintering the vanadium titanomagnetite， TiO₂ competes with Fe₂O₃ for CaO， which inhibits the formation of calcium ferrite （C _x F） and affects the sinter quality. In this paper， the diffusion reaction of CaO-Fe₂O₃-TiO₂ system is intuitively studied by preparing C _x F/TiO₂ diffusion couple. Electron probe and X-ray diffractometer are used to analyze and characterize the products at different positions of the reaction interface. The reaction characteristics of C _x F/TiO₂ interface are studied at the diffusion temperature of 900~1050 ℃ and the time of 1~4 h. The effects of temperature and time on the types， distribution and morphology of the generated phases are discussed. The results show that the main phases are C _x F， CaO·Fe₂O₃（CF）， Fe₂O₃， CaTiO₃ and TiO₂ from the C _x F- to TiO₂-layer， among which perovskite （CaTiO₃） is the main product. The thickness of CaTiO₃ increases from 8.1 μm to 90.2 μm with the temperature increasing from 900 ℃ to 1 050 ℃； it increases from 47.4 μm to 121.4 μm with the time increasing from 1 h to 4 h. Meanwhile， the diffusion thickness of CaTiO₃ has a good linear relationship with the square root of diffusion time， which indicates that the formation of CaTiO₃ is controlled by diffusion process. Furthermore， the formation process of CaTiO₃ in CaO-Fe₂O₃-TiO₂ system is explained by vacancy-mediated diffusion mechanism.

Key words: calcium ferrite, TiO₂, diffusion couple, diffusion thickness, vacancy-mediated diffusion mechanism

中图分类号:

TF 1

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图/表 8

图1 合成铁酸钙的XRD图谱

Fig. 1 XRD patterns of the synthesized calcium ferrite

图2 C x F/TiO2扩散偶制备流程图

Fig. 2 Diagram of preparation of C x F/TiO2 diffusion couple

图3 900~1 050 ℃温度下C x F/TiO2反应界面的截面图和XRD图（a）—截面；（b）—XRD.

Fig. 3 Cross‐sectional view and XRD pattern of theC x F/TiO2 interface at 900~1 050 ℃

图4 C x F/TiO2反应界面的EDS截面图和成分质量分数（a）—二次电子像；（b）—局部背散射；（c）～（g）—点1~5处的EDS衍射峰和成分质量分数.

Fig. 4 Cross-sectional view with EDS analysis of the C x F/TiO2 interface and the mass fraction

图5 C x F/TiO2 样品反应界面EPMA面分布图（a）—界面截面图；（b）—Ca元素分布；（c）—Fe元素分布；（d）—Ti元素分布.

Fig. 5 Cross-sectional view with EPMA analysis of the C x F/TiO2 interface

图6 C x F/TiO2反应界面EDS截面图（a）—900 ℃；（b）—950 ℃；（c）—1 000 ℃；（d）—1 050 ℃.

Fig. 6 Cross-sectional view with EDS analysis of the C x F/TiO2 interface

图7 C x F/TiO2截面放大图和CaTiO3层扩散厚度与时间的关系图（a）—焙烧时间2 h；（b）—焙烧时间3 h；（c）—焙烧时间4 h；（d）—扩散层厚度与时间平方根的关系曲线.

Fig. 7 Cross-sectional view of the C x F/TiO2 interface and relationship between the diffusion thicknessof CaTiO3 and time

图8 C x F/TiO2 反应界面示意图

Fig. 8 Schematic diagram of C x F/TiO2 reaction interface

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Diffusion Reaction Characteristics of Calcium Ferrite and TiO₂

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