工程科学学报，第37卷，第7期：867-872,2015年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.7:867-872,July 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.007:http://journals.ustb.edu.cn Fe,0-TiO,体系的固相反应机理 任中山”，胡晓军)，郑建超”，周国治”，薛向欣》 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)东北大学材料与治金学院，沈阳110819 区通信作者，E-mail:huxiaojun(@usth.edu.cn 摘要采用扩散偶法研究了1323~1473K下Fe,0-T02体系的固相反应，反应过程中氧分压由一定比例的C0-C02混合 气体控制.扩散偶截面的微观形貌用电子探针进行观察，并对F2·、T·和02~离子的扩散浓度轮廓进行定量分析.结合 F0一T0,体系相图确定了固相反应中有钛铁晶石、钛铁矿和假铁板钛矿相生成，且它们的生长受扩散控制.依据扩散组元的 摩尔分数变化绘制了铁离子的扩散路径图，并在此基础上描述了该体系的固相反应机理 关键词铁氧化物：二氧化钛：固相反应：反应机理：扩散控制 分类号TF01 Solid state reaction mechanism of the Fe,O-TiO,system REN Zhong-shan,HU Xiao-jun,ZHENG Jian-ehao,CHOU Kuo-chih,XUE Xiang-xin 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Materials and Metallurgy,Northeastem University,Shenyang 110819,China Corresponding author:E-mail:huxiaojun@ustb.edu.cn ABSTRACT The diffusion couple was used to study solid state reaction in the Fe,O-TiO,system at a temperature range of 1323 to 1473 K,during which the oxygen partial pressure was controlled by CO-CO gas mixture.The cross-sections of the diffusion couple were observed by electron probe microanalysis (EPMA),and the diffusion concentration profiles of Fe,Ti,and O2-ions were al- so determined.In combination with the phase diagram of the FeO-TiO,system,it was found that ulvospinel,ilmenite,pseudobrookite phases formed during the reaction and their growth was diffusion-controlled.According to the concentration changes of diffusion ions, the diffusion path of Fe ions was plotted,based on which the solid state reaction mechanism of this system was reasonably proposed. KEY WORDS iron oxides:titanium dioxide;solid state reaction:reaction mechanism:diffusion control 钒钛磁铁矿在造球烧结后，其中的TO2会固溶在 楚的认识.铁氧化物和二氧化钛虽是钒钛磁铁矿的主 钛磁铁矿球团矿中.然而在还原过程中，这些T0,除 要成分，但有关它们之间固相反应的文献却少有报道. 一部分和Mg0、Mn0反应生成(Mg0,MnO),Ti02外， 扩散偶/电子探针技术能够直接测定相平衡关系 还会和Fe,0,反应生成浮士体化合物.此外，在氧化 和相平衡成分四，因此被广泛用于金属或合金相图的 不充分的球团中，FeTiO,在还原阶段也会与浮士体发 研究.此外，还有研究者将此技术引入到非金属 生反应.由于TiO2和FeTiO,还原得到的浮士体能紧 材料的固/固反应机理研究中来@.在笔者之前的 密共生，为这些反应提供了良好的接触条件四.因此， 工作中就采用了扩散偶技术研究了Fe20,-Ti02和 为了强化还原过程，还必须对这些固相反应有一个清 Fe0,-TiO2体系的固相反应动力学及其反应机 收稿日期：2014-03-18 基金项目：国家自然科学基金重大研究项目(51090384)工程科学学报，第 37 卷，第 7 期: 867--872，2015 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 7: 867--872，July 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 07． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn Fex O--TiO2 体系的固相反应机理 任中山1) ，胡晓军1) ，郑建超1) ，周国治1) ，薛向欣2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819  通信作者，E-mail: huxiaojun@ ustb． edu． cn 摘 要 采用扩散偶法研究了 1323 ～ 1473 K 下 FexO--TiO2 体系的固相反应，反应过程中氧分压由一定比例的 CO--CO2 混合 气体控制． 扩散偶截面的微观形貌用电子探针进行观察，并对 Fe2 + 、Ti4 + 和 O2 － 离子的扩散浓度轮廓进行定量分析． 结合 FeO--TiO2 体系相图确定了固相反应中有钛铁晶石、钛铁矿和假铁板钛矿相生成，且它们的生长受扩散控制． 依据扩散组元的 摩尔分数变化绘制了铁离子的扩散路径图，并在此基础上描述了该体系的固相反应机理． 关键词 铁氧化物; 二氧化钛; 固相反应; 反应机理; 扩散控制 分类号 TF01 Solid state reaction mechanism of the FexO--TiO2 system ＲEN Zhong-shan1) ，HU Xiao-jun1)  ，ZHENG Jian-chao1) ，CHOU Kuo-chih1) ，XUE Xiang-xin2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China  Corresponding author: E-mail: huxiaojun@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The diffusion couple was used to study solid state reaction in the FexO--TiO2 system at a temperature range of 1323 to 1473 K，during which the oxygen partial pressure was controlled by CO--CO2 gas mixture． The cross-sections of the diffusion couple were observed by electron probe microanalysis ( EPMA) ，and the diffusion concentration profiles of Fe2 + ，Ti4 + ，and O2 － ions were al￾so determined． In combination with the phase diagram of the FeO--TiO2 system，it was found that ulvospinel，ilmenite，pseudobrookite phases formed during the reaction and their growth was diffusion-controlled． According to the concentration changes of diffusion ions， the diffusion path of Fe ions was plotted，based on which the solid state reaction mechanism of this system was reasonably proposed． KEY WOＲDS iron oxides; titanium dioxide; solid state reaction; reaction mechanism; diffusion control 收稿日期: 2014--03--18 基金项目: 国家自然科学基金重大研究项目( 51090384) 钒钛磁铁矿在造球烧结后，其中的 TiO2 会固溶在 钛磁铁矿球团矿中． 然而在还原过程中，这些 TiO2 除 一部分和 MgO、MnO 反应生成( MgO，MnO) 2TiO2 外， 还会和 Fe3O4 反应生成浮士体化合物． 此外，在氧化 不充分的球团中，FeTiO3 在还原阶段也会与浮士体发 生反应． 由于 TiO2 和 FeTiO3 还原得到的浮士体能紧 密共生，为这些反应提供了良好的接触条件［1］． 因此， 为了强化还原过程，还必须对这些固相反应有一个清 楚的认识． 铁氧化物和二氧化钛虽是钒钛磁铁矿的主 要成分，但有关它们之间固相反应的文献却少有报道． 扩散偶/电子探针技术能够直接测定相平衡关系 和相平衡成分［2］，因此被广泛用于金属或合金相图的 研究［3 － 5］． 此外，还有研究者将此技术引入到非金属 材料的固/固反应机理研究中来［6 － 10］． 在笔者之前的 工作中就采用了扩散偶技术研究了 Fe2O3 --TiO2 和 Fe3O4 --TiO2 体 系的固相反应动力学及其反应机