铁饱和条件下铁与Fe2O3间的固相反应

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.01.019 第17卷第1期 北京科技大学学报 Vol.17 No.1 19952 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1995 铁饱和条件下铁与Fe,O3间的固相反应 郭兴敏 北京科技大学物理化学系，北京100083 摘要采用扩散偶的方法，对铁与F,O,间的固相反应进行了研究，结果表明，两者间的产物 层主要在F©O,一侧形成，而且与铁在空气中氧化不同，星现出混合状结构；在铁饱和的条件 下，Fe,O,转化的最终产物是Fe,O(x<1). 关键词铁，扩散，固相反应/FeO,Fe,O, 中图分类号0643.133 Solid-State Reaction between Iron and Hematite at Iron Saturation Guo Xingmin Department of Physical Chemistry.USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT The solid phase reaction between iron and hematite have been investigated by using the diffusion couple method.The results show that the product phase between iron and hematite was formed on the layer of hematite principally,but the morphology was aggregate arrangement,which is different from that of the oxidation in air,and the final product was the wustite from the hematite at Fe saturation. KEY WORDS iron,diffusion,solid phase reaction /Fe,O,hematite 随着科学研究的进步，对传统的工艺和方法进行改进是必要的，在氧化亚铁试剂的制备 中，一般采用CO或H,还原高价的铁氧化物，以及草酸亚铁等试剂的分解来获取，都存在 着对反应环境气氛要求苛刻和制备成本高的缺点，给生产氧化亚铁带来一定的困难·本试 验通过对铁饱和条件下铁与F,O,间固相反应的研究，来探讨合成氧化亚铁的新方法. 1基本原理 对于铁与FeO,的反应： (3x-2)Fe+Fe,0,-3Fe.0 (1) 由F-O相图中铁氧化物层间的关系（图1）可知，从热力学上在铁饱和条件下形成 氧化亚铁是可能的， 2实验方法 1994-05-10收稿 第一作者男35岁博士后

第 17 卷 第 1 期 北 京 科 技 大 学 学 报 姚 年 月 l 2 o J u a r n l o U f n i e v s i r y t o S f a e c e a n e c nd T h o n o gy f e i B j i g n V d . 1 , N心 . 1 f功 。 1望巧 铁饱和条件 下 铁 与 F e 2 0 : 间的 固相 反 应 郭兴 敏 北京 科技 大学物理化学 系 , 北 京 1X( X) 8 3 摘要 采用 扩 散偶 的方 法 , 对铁与 eF ZO 3 间的固 相 反 应进 行 了研究 . 结果 表 明 , 两 者 间的产 物 层主要在 eF Z O , 一侧形成 , 而且 与铁 在空 气中氧化不 同 , 呈 现 出 混合 状结 构 ; 在铁 饱和 的 条 件 下 , eF ZO 3 转化的最终产物是 eF x O (x < 1) . 关键 词 铁 , 扩散 , 固 相反 应 / eF 上 O , eF 2 0 3 中图分类号 O 研3 . 1 3 S o l id 一 S at et R e a e t i o n be t v v e e n I r o n a n d H e r n a t i et a t I r o n S a t ur a t i o n G u o Xi n g州 i ” D e P a rt m e n t o f P h y s l ca l Q e m i s t yr , U S T B , B e ij i n g l 0 0() 8 3 , P R C A B S T R A C T T h e s o lid P h a s e r e a e t i o n b e t w e e n i r o n a n d h e arn t i t e h a v e b e n i n v e s t ig a t e d b y u s i n g t h e d i fu s i o n e o u P l e m e t h o d . T h e r es u l t s s h o w t h a t t h e P r o d u c t P h a s e b e t w e e n i r o n a n d h e m a t it e w a s of rm e d o n t h e l a y e r o f h e arn t it e P r i n c iP a ll y , b u t t h e m o r P h o l o g y w a s a g g r e g a t e a r r a n g e me n t , w h i e h 1 5 d i fe r e n t fr o m t h a t o f t h e o x id a t i o n i n a i r , a n d t h e if n a l P r o d u e t w a s t h e w u s t it e fr o m t h e h e am t it e a t F e s a t u r a t i o n . K E Y W O R D S i r o n , d if Lls i o n , s o lid P h a s e r e a e t i o n / F e 二 O , h e m a t it e 随着科 学研究 的进步 , 对传统 的工 艺和 方法 进 行改 进是 必要 的 . 在 氧化 亚铁试剂的制 备 中 , 一般 采用 C O 或 H : 还 原高 价的铁 氧 化物 , 以 及草 酸 亚铁 等试 剂 的分 解 来 获 取 , 都 存 在 着对反应 环境气氛要 求苛刻 和制 备成 本 高 的缺点 , 给生 产氧 化亚 铁 带来 一 定 的 困 难 . 本 试 验通过 对铁饱 和条件 下铁 与 eF Z O 3 间固相 反应 的研究 , 来 探讨合成 氧 化亚铁 的新方 法 . 1 基本原理 对于铁 与 F e 2 0 3 的反 应 : ( 3 x 一 2 ) F e + F e ZO 3 由 F e 一 O 相 图 中铁氧 化 物层 间 的关系 氧化 亚铁是可 能 的 . ~ 3 r e 二 O ( l ) ( 图 l) 可 知 , 从热 力 学 上 在 铁饱和 条 件 下 形 成 2 实验 方法 】(构4 一 0 5 一 10 收稿 第一 作者 男 35 岁 博士 后 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 01. 019

第 71 卷 第 1 期 北 京 科 技 大 学 学 报 l姚 年 2 月 oJ u r n a l o f U n i v e sr iyt o f S a e n c e a nd eT ch n o of gy eB ij in g V d . 1, N心 . 1 f功 。 1望巧 铁饱和条件 下 铁 与 F e 2 0 : 间的 固相 反 应 郭兴 敏 北京 科技 大学物理化学 系 , 北 京 1X( X) 8 3 摘要 采用 扩 散偶 的方 法 , 对铁与 eF ZO 3 间的固 相 反 应进 行 了研究 . 结果 表 明 , 两 者 间的产 物 层主要在 eF Z O , 一侧形成 , 而且 与铁 在空 气中氧化不 同 , 呈 现 出 混合 状结 构 ; 在铁 饱和 的 条 件 下 , eF ZO 3 转化的最终产物是 eF x O (x < 1) . 关键 词 铁 , 扩散 , 固 相反 应 / eF 上 O , eF 2 0 3 中图分类号 O 研3 . 1 3 S o l id 一 S at et R e a e t i o n be t v v e e n I r o n a n d H e r n a t i et a t I r o n S a t ur a t i o n G u o Xi n g州 i ” D e P a rt m e n t o f P h y s l ca l Q e m i s t yr , U S T B , B e ij i n g l 0 0() 8 3 , P R C A B S T R A C T T h e s o lid P h a s e r e a e t i o n b e t w e e n i r o n a n d h e arn t i t e h a v e b e n i n v e s t ig a t e d b y u s i n g t h e d i fu s i o n e o u P l e m e t h o d . T h e r es u l t s s h o w t h a t t h e P r o d u c t P h a s e b e t w e e n i r o n a n d h e m a t it e w a s of rm e d o n t h e l a y e r o f h e arn t it e P r i n c iP a ll y , b u t t h e m o r P h o l o g y w a s a g g r e g a t e a r r a n g e me n t , w h i e h 1 5 d i fe r e n t fr o m t h a t o f t h e o x id a t i o n i n a i r , a n d t h e if n a l P r o d u e t w a s t h e w u s t it e fr o m t h e h e am t it e a t F e s a t u r a t i o n . K E Y W O R D S i r o n , d if Lls i o n , s o lid P h a s e r e a e t i o n / F e 二 O , h e m a t it e 随着科 学研究 的进步 , 对传统 的工 艺和 方法 进 行改 进是 必要 的 . 在 氧化 亚铁试剂的制 备 中 , 一般 采用 C O 或 H : 还 原高 价的铁 氧 化物 , 以 及草 酸 亚铁 等试 剂 的分 解 来 获 取 , 都 存 在 着对反应 环境气氛要 求苛刻 和制 备成 本 高 的缺点 , 给生 产氧 化亚 铁 带来 一 定 的 困 难 . 本 试 验通过 对铁饱 和条件 下铁 与 eF Z O 3 间固相 反应 的研究 , 来 探讨合成 氧 化亚铁 的新方 法 . 1 基本原理 对于铁 与 F e 2 0 3 的反 应 : ( 3 x 一 2 ) F e + F e ZO 3 由 F e 一 O 相 图 中铁氧 化 物层 间 的关系 氧化 亚铁是可 能 的 . ~ 3 r e 二 O ( l ) ( 图 l) 可 知 , 从热 力 学 上 在 铁饱和 条 件 下 形 成 2 实验 方法 】(构4 一 0 5 一 10 收稿 第一 作者 男 35 岁 博士 后

基生 FexBe12 160 -2 e,Q42e3量e臂Ft0 美等值霆藏静抗藏 手0.0翼嘉节F900 于S.2段0ei650R 薄薰是肉清以D。层醒 专600尾

第 17 卷 第 1期 北 京 科 技 大 学 学 报 l姚 年 2 月 oJ u r n a l o f U n i v e sr iyt o f S a e n c e a nd Te hc n o of yg Be ij ni g V d . 1, N心 . 1 f功 。 1望巧 铁饱和条件 下 铁 与 F e 2 0 : 间的 固相 反 应 郭兴 敏 北京 科技 大学物理化学 系 , 北 京 1X( X) 8 3 摘要 采用 扩 散偶 的方 法 , 对铁与 eF ZO 3 间的固 相 反 应进 行 了研究 . 结果 表 明 , 两 者 间的产 物 层主要在 eF Z O , 一侧形成 , 而且 与铁 在空 气中氧化不 同 , 呈 现 出 混合 状结 构 ; 在铁 饱和 的 条 件 下 , eF ZO 3 转化的最终产物是 eF x O (x < 1) . 关键 词 铁 , 扩散 , 固 相反 应 / eF 上 O , eF 2 0 3 中图分类号 O 研3 . 1 3 S o l id 一 S at et R e a e t i o n be t v v e e n I r o n a n d H e r n a t i et a t I r o n S a t ur a t i o n G u o Xi n g州 i ” D e P a rt m e n t o f P h y s l ca l Q e m i s t yr , U S T B , B e ij i n g l 0 0() 8 3 , P R C A B S T R A C T T h e s o lid P h a s e r e a e t i o n b e t w e e n i r o n a n d h e arn t i t e h a v e b e n i n v e s t ig a t e d b y u s i n g t h e d i fu s i o n e o u P l e m e t h o d . T h e r es u l t s s h o w t h a t t h e P r o d u c t P h a s e b e t w e e n i r o n a n d h e m a t it e w a s of rm e d o n t h e l a y e r o f h e arn t it e P r i n c iP a ll y , b u t t h e m o r P h o l o g y w a s a g g r e g a t e a r r a n g e me n t , w h i e h 1 5 d i fe r e n t fr o m t h a t o f t h e o x id a t i o n i n a i r , a n d t h e if n a l P r o d u e t w a s t h e w u s t it e fr o m t h e h e am t it e a t F e s a t u r a t i o n . K E Y W O R D S i r o n , d if Lls i o n , s o lid P h a s e r e a e t i o n / F e 二 O , h e m a t it e 随着科 学研究 的进步 , 对传统 的工 艺和 方法 进 行改 进是 必要 的 . 在 氧化 亚铁试剂的制 备 中 , 一般 采用 C O 或 H : 还 原高 价的铁 氧 化物 , 以 及草 酸 亚铁 等试 剂 的分 解 来 获 取 , 都 存 在 着对反应 环境气氛要 求苛刻 和制 备成 本 高 的缺点 , 给生 产氧 化亚 铁 带来 一 定 的 困 难 . 本 试 验通过 对铁饱 和条件 下铁 与 eF Z O 3 间固相 反应 的研究 , 来 探讨合成 氧 化亚铁 的新方 法 . 1 基本原理 对于铁 与 F e 2 0 3 的反 应 : ( 3 x 一 2 ) F e + F e ZO 3 由 F e 一 O 相 图 中铁氧 化 物层 间 的关系 氧化 亚铁是可 能 的 . ~ 3 r e 二 O ( l ) ( 图 l) 可 知 , 从热 力 学 上 在 铁饱和 条 件 下 形 成 2 实验 方法 】(构4 一 0 5 一 10 收稿 第一 作者 男 35 岁 博士 后

·80 北京科技大学学报 1995年No.1 行的·为了更有效地提高转化速度，还有待于进行定量研究· 4结论 通过1190℃的温度下，用Fe/Fe,O,扩散偶对铁与Fe,O,间的固相反应进行了研究， 得到如下结论： (I)铁与Fe,O,间反应，其生成层主要在Fe,O,一侧形成，这是由生成层内结晶结 构和晶格缺陷类型决定的· (2)铁与F©，O,间反应形成的产物层，与铁在空气中氧化形成的产物层不同，层状结 构不明显，呈混合状. (3)采用过饱和铁与Fe,O3间固相反应的方法，可以制备100%的氧化亚铁， 参考文献 1黄希枯.钢铁冶金原理.北京：冶金工业出版杜，1981.247~252 2森山昭，森滋胜，荒木合男.铁矿石)还元.日本：养贤堂，1975.21~8怒 3 Himmel L,Mehl R F,Birchenenall C E.Self-Diffusion of Iron in Iron Oxides and The Wagner Theory of Oxidation.J Metals Trans,1953(6):827~843

· 80 · 北 京 科 技 大 学 学 报 行 的 . 为 了更有 效地 提 高转 化 速度 , 还 有 待于 进 行 定量 研究 . 1卯5 年 N O . l 4 结 论 通 过 1 19 0 ℃ 的 温 度 下 , 用 eF / F e 2 0 , 扩 散偶 对铁 与 F e 2 0 。 间 的 固相 反 应 进行 了 研 究 , 得 到 如下 结论 : (l ) 铁与 F e Z 0 3 间反 应 , 其生成 层 主 要 在 F e 2 0 3 一 侧形 成 , 这 是 由 生成 层 内结 晶结 构 和 晶格 缺 陷类 型决定 的 . ( 2) 铁与 F e Z O 。 间反 应形 成 的产 物层 , 与 铁在 空 气 中氧化形 成 的产物 层 不 同 , 层 状结 构 不 明显 , 呈 混合状 . (3 ) 采用 过 饱和铁 与 eF Z 0 3 间 固相反 应 的 方法 , 可 以 制备 10 % 的氧化 亚 铁 . 参 考 文 献 黄希枯 . 森山 昭 , H i n u n C I T h e o yr 钢铁 冶金原理 . 北京 : 冶金 工业出版社 , 1981 . 24 7 一 2 52 森滋胜 , 荒木 合男 . 铁矿石 力还元 . 日 本 : 养 贤堂 , 19 75 . 21 一 8 L , M e h l R F , B i r e h e n e n a ll C E . S e l f 一 D i f us i o n o f I r o n i n I r o n O x id es a n d hT e W a gn e r o f O x id a t i o n . J M e t a l s T r a ns , 1 95 3( 6 ) : 8 27 一 8 4 3