介电级钛酸镁在钒钛磁铁矿直接还原过程中的优先生成诱导机制

Magnesium titanate dielectric, which is wildly used as raw materials of microwave dielectric ceramic, can preferentially generate in direct reduction roasting of vanadium-titanium magnetite with additive induction and roasting condition optimization, which can effectively increase the utilization of titanium. The main objective of this project is to systematically investigate the mechanisms of additive induction and preferential generation of magnesium titanate dielectric in direct reduction of vanadium-titanium magnetite. The main researches are as follows: ① Influence mechanism of crystal structure and isomorphous composition of vanadium-titanium magnetite on crystalline and dielectric property of magnesium titanate. ②Influencing factors, reactions mechanisms and additives induction mechanisms of preferential generation of magnesium titanate dielectric in direct reduction of vanadium-titanium magnetite. ③Thermodynamics and kinetics mechanisms of preferential generation of magnesium titanate dielectric in direct reduction of vanadium-titanium magnetite. ④Crystal phase and dielectric properties of magnesium titanate generated in direct reduction of vanadium-titanium magnetite. The mechanisms of preferential generation of magnesium titanate dielectric in direct reduction of vanadium-titanium magnetite will be perfected in this study, which can avoid the serious titanium resource waste, and propose a new method in maximizing titanium utilization in vanadium-titanium magnetite.

钒钛磁铁矿直接还原过程中通过添加剂诱导和焙烧条件控制可以使钛优先生成一种常见的微波介质陶瓷原料—介电级钛酸镁，从而可有效提高钒钛磁铁矿中钛的利用率。本项目的主要目的是系统地研究介电级钛酸镁在钒钛磁铁矿直接还原过程中的优先生成诱导机制，主要研究内容包括：①钒钛磁铁矿晶体结构及类质同象等性质对介电级钛酸镁成分和晶型的影响机理；②钒钛磁铁矿直接还原优先生成介电级钛酸镁的影响因素、反应机理及添加剂诱导机制；③钒钛磁铁矿直接还原优先生成介电级钛酸镁的反应热力学和动力学机理；④直接还原过程中正钛酸镁的晶相及介电性能。通过以上研究，完善介电级钛酸镁在钒钛磁铁矿直接还原焙烧过程中的优先生成机制，从而改善目前钒钛磁铁矿中的钛利用率低的现状，为钒钛磁铁矿中钛的最大化利用提出新的思路和理论依据。

本项目以攀西钒钛磁铁矿为原料，通过直接还原焙烧使铁还原为金属铁的同时，采用添加剂和焙烧条件调控使钛优先生成了一种介电材料正钛酸镁。项目取得了以下研究成果：（1）系统研究了钒钛磁铁矿直接还原优先生成钛酸镁的反应历程以及反应热力学和动力学机理，发现Mg2TiO4的生成途径为：Fe2TiO4→FeTiO3→(Fe,Mg)Ti2O5→MgTi2O5→MgTiO3→Mg2TiO4；在还原气氛和Mg元素的协同作用下，钒钛磁铁矿还原过程中不会产生黑钛石(FeTi2O5)，而是优先生成了假铁板钛矿(Fe,Mg)Ti2O5，在Mg过量及1500℃高温条件下(Fe,Mg)Ti2O5转化为Mg2Ti2O4。（2）深入研究了钒钛磁铁矿中Ca、Si和Al元素对介电级钛酸镁制备和提纯的影响机制。研究发现MgAl2O4、Mg2SiO4、CaTiO3都会优先Mg2TiO4生成，其中Al元素对Mg2TiO4的合成影响最大，脉石矿物中的Al生成MgAl2O4，通过酸法提纯可以去除；而原矿中以类质同象形式存在的Al则进入Mg2TiO4晶格中，对Mg2TiO4的纯度产生很大的影响。（3）深入研究了直接还原过程中钛酸镁的物相变化及介电性能。在不同温度、还原气氛和杂质元素的影响下，钛酸镁会以二钛酸镁、偏钛酸镁和正钛酸镁三种物相产出，二钛酸镁会导致介电常数的下降，而偏钛酸镁影响不大。在适合的酸浓度、液固比、酸浸温度、酸浸时间下可以去除86%的MgAl2O4得到纯度为80.15%的介电极钛酸镁产品。该产品经压片和烧结成型后获得εr=13.829，tanδ=2.23×10-4的介电陶瓷片，达到了介电陶瓷材料的主要参数要求。（4）进一步探索了钒钛磁铁矿直接还原焙烧制备介电级钛酸钙的关键条件和影响因素。CaCO3作为添加剂参与还原使焙烧产物中的钛物相由FeTi2O5变成了CaTiO3，与正钛酸镁不同的是该过程中Al元素不会进入CaTiO3晶格中，因此在焙烧温度1400℃和焙烧时间180min条件下生成的CaTiO3颗粒非常纯净，有进一步提纯和制备介电陶瓷的价值。.通过本项目的研究，完善了介电级钛酸镁在钒钛磁铁矿直接还原焙烧过程中的优先生成机制，使其中的钛作为微波介质陶瓷原料产出而得到最大化利用，为钒钛磁铁矿中钛的利用提出了新的途径和理论依据。