[科普中国]-钛铁矿

结构

英文名

ilmenite

钛铁矿是主要含钛矿物之一。三方晶系，晶体少见，常呈不规则粒状、鳞片状、板状或片状。颜色铁黑或呈钢灰色,条痕钢灰或黑色，当含有赤铁矿包体时，呈褐或褐红色。金属至半金属光泽，贝壳状或亚贝壳状断口。性脆。硬度5～6，密度4.4～5g/cm3，密度随成分中MgO含量降低或FeO含量增高而增高。具弱磁性。在氢氟酸中溶解度较大，缓慢溶于热盐酸。溶于磷酸并冷却稀释后，加入过氧化钠或过氧化氢，溶液呈黄褐色或橙黄色。钛铁矿可产于各类岩体，在基性岩及酸性岩中分布较广；产于伟晶岩者，粒度较大，可达数厘米。当含矿母岩遭风化作用破坏后，钛铁矿可转入砂矿中。

钛铁矿化学成分为FeTiO3、晶体属三方晶系的氧化物矿物。英文名称来源于最初发现本矿物的产地俄罗斯乌拉尔的伊尔门山（Ильменские горы）。含TiO252.66%，是提取钛和二氧化钛的最主要矿物原料。晶体常呈板状，集合体呈块状或粒状。钢灰至铁黑色，条痕黑色至褐红色，半金属光泽。摩斯硬度5～6，比重4.70～4.78。具弱磁性。钛铁矿一般作为副矿物见于火成岩和变质岩中，也可以形成砂矿。著名矿山有俄罗斯的伊尔门山、挪威的克拉格勒和美国怀俄明州的铁山、加拿大魁北克的埃拉德湖等。中国四川攀枝花铁矿，也是一个大型的钛铁矿产地，其钛铁矿成显微粒状或片状分布于磁铁矿颗粒之间或裂理中。1

钛铁矿的理论组成：FeO 47.36%，TiO 52.64% 。Fe2+与Mg2+、Mn2+间可为完全类质同像代替，形成FeTiO3-MgTiO3或FeTiO3-MnTiO3系列。以FeO为主时称钛铁矿，MgO为主时称镁钛矿，MnO为主时称红钛锰矿。常有Nb、Ta等类质同像替代。在>960℃的高温条件下，FeTiO3-Fe2O3可形成完全固溶体。随温度下降，在约600℃，FeTiO3-Fe2O3固溶体出溶，在钛铁矿中析出赤铁矿的片晶，并按（0001）定向排列。

形态三方晶系，arh=0.553nm，α=54°49'；Z=2。或ah=0.509nm，ch=1.407nm；Z=6。可视为刚玉型结构的衍生结构。不同点在于刚玉中Al3+的位置被Fe2+、Ti4+替换并相间排列而成，导致c滑移面消失，使空间群由R3c变为R3。

高温下钛铁矿中的Fe、Ti呈无序分布而具赤铁矿结构（即刚玉型结构），故形成FeTiO3-Fe2O3固溶体，其组成可表示为Fe3O2-xFe2xTi4xO3（x代表钛铁矿的摩尔分数）。空间群从R3c转变为R3的温度为1100℃（x=0.65）至600℃（x=0.45）。当0.6>x≥0.5时，不能获得完全有序的空间群为R3的结构；在x=0.5时，R3c到R3的转变成亚稳定态，固溶体开始部分出溶。菱面体晶类。常呈不规则粒状、鳞片状或厚板状。在950℃以上钛铁矿与赤铁矿形成完全类质同象。当温度降低时，即发生熔离，故钛铁矿中常含有细小鳞片状赤铁矿包体。钛铁矿颜色为铁黑色或钢灰色。条痕为钢灰色或黑色。含赤铁矿包体时呈褐色或带褐的红色条痕。金属-半金属光泽。不透明，无解理。硬度5～6.5，比重4～5。弱磁性。钛铁矿主要出现在超基性岩、基性岩、碱性岩、酸性岩及变质岩中。我国攀枝花钒钛磁铁矿床中，钛铁矿呈粒状或片状分布于钛磁铁矿等矿物颗粒之间，或沿钛磁铁矿裂开面成定向片晶。2

类型钛铁矿，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。

性质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。

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%Fe，0.22%CaO，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。2

发展历史钛还能形成许多化合物，它们也有各种各样特殊的性能和用途，如二氧化钛，是雪白的粉末，它是最好的白色颜料，俗称“钛白”，1克二氧化钛就可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。世界上用做白色颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。如把二氧化钛加在纸里，可使纸变白并且不透明，因此制造钞票和美术品用的纸，有时就要添加二氧化钛，此外，为使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。二氧化钛被誉为世界上最白的东西。自然界中的钛大部分处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿TeTiO3和金红石TiO2，及钒钛铁矿等。我国四川攀枝花地区有极丰富的钒钛铁矿，储量约15亿吨。

那么，钛是怎样被发现的呢？1791年，英国科学家格里戈尔在密那汉郊区找到一种矿石—黑色磁性砂，通过对这种矿石的研究，他认为矿石中有一种新的化学元素。并用发现矿石的地点“密那汉”命名这种新元素。

过了四年，德国化学家克拉普洛特从匈牙利布伊尼克的一种红色矿石中，发现了这种新元素，他用希腊神话中“太旦”族的名字来命名（中文按它原文名称的译音，定名为钛），克拉普洛特还特地指出，格里戈尔所发现的新元素“密那汉”就是钛，但在当时找到的，实际上都是粉末状的二氧化钛而不是金属钛。直到1910年，美国化学家罕德尔才第一次制得纯度达99.9%的金属钛，但总共不到1克。从发现钛到制得金属钛，前后经历了120年，到1947年，人们才开始在工厂里炼钛，当时的年产量只有2吨。到了1955年，产量激增到2万吨。到1972年，年产量达到20万吨。钛的用途越来越广，日益受到人们的重视，人们称它为未来的钢铁、21世纪的金属。

冶炼方法钛铁矿的冶炼有硫酸法和氯化法，两种方法只是在处理钛矿上的不同：硫酸法可以使用较低品位的钛铁矿石，而且还可以生产硫酸亚铁成本低廉，但是污染太大副产物难于处理消耗硫酸多；氯化法使用的矿石品位较高而且成本较高，但是污染小副产物较少而且氯可以循环使用。但是两种方法都是将钛矿变成纯的二氧化钛，然后将纯的二氧化钛与纯氯和焦炭在高温反应生成四氯化钛和一氧化碳，用金属钙、镁或者钠将其还原成海绵状的金属钛大规模生产钛的方法：

第一步：在高温时，将金红石（TiO2)和炭粉（C）混合，并通入氯气制得TiCl4和一种可燃性气体CO。

第二步：在氩气（Ar）环境中，用过量的镁（Mg）在加热条件下与TiCl4反应制得金属钛（氩气不参加反应）。3

研究意义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。

工业应用纯净的钛是银白色的金属。钛的矿物在自然界中分布很广，约占地壳重的0.6%，仅次于铝、铁、钙、钠、钾和镁，而比铜、锡、锰、锌等在地壳中的含量要多几倍甚至几十倍。钛的熔点为1725℃，它的主要特点是密度小而强度大。和钢相比，它的密度只相当于钢的57%，而强度和硬度与钢相近。和铝相比，铝的密度虽较钛小，但机械强度却很差。因此，钛同时兼有钢（强度高）和铝（质地轻）的优点。纯净的钛有良好的可塑性，它的韧性超过纯铁2倍，耐热和抗腐蚀性能也很好。

由于钛有这些优点，所以50年代以来，一跃成为突出的稀有金属。钛及其合金，首先用在制造飞机、火箭、导弹、舰艇等方面，开始推广用于化工和石油部门。例如，在超音速飞机制造方面，由于这类飞机在高速飞行时，表面温度较高，用铝合金或不锈钢，在这种温度下已失去原有性能而钛合金在的550℃以上仍保持良好的机械性能，因此可用于制造超过音速3倍的高速飞机。这种飞机的用钛量要占其结构总重量的95%，故有“钛飞机”之称，全世界约有一半以上的钛，用来制造飞机机体和喷气发动机的重要零件。钛在原子能工业中，用于制造核反应堆的主要零件，在化学工业中，钛主要用于制造各种容器、反应器、热交换器、管道、泵和阀等。若把钛加到不锈钢中，只加百分之一左右，就大大提高抗锈本领。3