钠辉石岩和钾板岩热物理化学性质研究

1、内蒙古科技大学本科生毕业设计（论文）说明书 题 目：钠辉石岩和钾板岩热物理化学性质研究学生姓名： 钠辉石岩和钾板岩热物理化学性质研究摘 要白云鄂博矿是世界独有的特殊矿石，一方面其中的二氧化硅和氧化铝脉石主要以含钾、纳的复合硅酸盐和硅铝酸盐形态存在，另一方面CaF2可参与枪晶石的生成反应，使得白云鄂博铁矿烧结复合铁酸钙的生成机理变得十分复杂，探明白云鄂博特殊矿烧结复合铁酸钙身后成机理这个科学问题，不仅可包钢烧结技术进步提供重要的理论依据，而且将会对丰富和发展特殊矿烧结理论、更加有效、高质量、高产量地综合利用白云鄂博铁矿资源起到关键作用。本课题将从复合硅酸盐及硅铝酸盐脉石的热物理化学性质、复合铁酸

2、钙生成的固相反应特性及主要烧结因素对复合铁酸钙含量、矿物形貌和分布状况的影响规律研究出发，展开对特殊矿烧结复合铁酸钙生成机理的基础研究，为最终探明多组分特殊矿烧结复合铁酸钙生成机理这一复杂问题提供基础数据和理论依据。关键词：硅酸盐和硅铝酸盐；特殊矿；烧结；热物理化学性质AbstractBaiyunebo iron ore is a special mineral ,because SiO2 and Al2O3 of gangue mainly exist in composite silicate and aluminosilicate,CaF2 can react with CaO and

3、SiO2 forming cuspidine,the formation mechanism of calcium ferrite becomes very complex.To study the formation mechanism of complex calcium ferrite during baiyunebo iron ore sintering will play an important role in improving sintering technology and developing sintering theory of special iron ore,as

4、well as enchancing utilization efficiency of baiyunebo iron ore.The basic research on formation mechanism of complex calcium ferrite for special iron ore sintering will be carried on,major tasks of the project research are:thermal physical and chemical properties of composite silicate and aluminosil

5、icate gangues;solid-phase reaction characteristics of complex calcium ferrite formation;influences of main sintering factors on content,mineral morphology and distribution of complex calcium ferrite.Key words：silicate and aluminosilicate gangues; special mineral ; sintering；thermal physical and chem

6、ical properties;目录摘 要IAbstractII第一章 文献综述11.1钠辉石岩以及钾板岩成分11.1.1钠辉石岩成分11.1.2钾板岩成分41.2 烧结矿的成矿机理51.2.1烧结矿的成矿机理51.2.2 烧结矿的形成过程61.3钠辉石及钾长石热分解反应91.3.1钾长石的相变及热分解91.4本实验研究的主要内容及意义101.4.1实验研究的主要内容101.4.2实验研究的目的和意义11第二章 实验内容与方法122.1实验原料122.2实验研究方法及原理1222.1差热分析法原理122.2.2 X射线衍射分析法原理142.3实验研究内容及步骤152.3.1实验内容152.3.

7、2实验步骤15第三章 实验结果和数据分析213.1钠辉石的差热分析与XRD衍射法分析结果213.1.1钠辉石的DSC和TG曲线结果分析213.1.2 钠辉石的XRD结果分析253.2钾板岩及钾长石的差热分析与XRD衍射法分析结果283.2.1钾板岩的DSC和TG曲线结果分析283.2.2 钾板岩的XRD曲线结果分析33第四章 结论37参考文献38致谢40第一章 文献综述 在烧结升温过程中，白云鄂博铁矿中的复合硅酸盐和硅铝酸盐脉石的物理化学性质会随之变化，对复合铁酸钙生成的固相反应机理很大。现在我们要研究的为硅酸盐脉石：钠辉石岩（主要成分为钠辉石NaFeSi2O6）和硅铝酸盐；钾板岩（主要成分为

8、钾长石KAlSi3O8）。1.1钠辉石岩以及钾板岩成分1.1.1钠辉石岩成分根据包钢科技1989年第二期的资料关于白云鄂博矿区几种有用的石头，钠辉石岩广泛分布于白云鄂博矿区，白云鄂博矿区位于内蒙包头市以北约150公里处。属多成因的内生铁矿，也是大型的铁、稀土、铌等多种有用矿物共生矿，其中稀土储量占全国总储量的90%以上，世界已探明总储量的六分之五，有“世界稀土宝库”之称。稀土中钐、铕含量比美国以前称为世界最大的稀土矿的芝斯帕斯矿高一倍。矿区所处大地构造位置是内蒙地轴北部边缘，地台向地槽的过渡带中。矿区出露地层为白云鄂博群，前人将其划分为H1.H9，共九层，其中H8为白云岩为赋矿围岩。白云岩东西

9、向展布，呈层状。赋存其中的矿体为似层状、透镜状，与地层层位基本吻合。矿区出露的岩浆岩主要有辉长闪长岩、中粗粒黑云母花岗岩(K-Ar年龄值为270士10Ma)、和细粒黑云母花岗岩(K-Ar年龄值为 246士12Ma)。均属海西期产物。 矿区自东向西分为四个矿段:东接触带、东矿、主矿和西矿。主要矿物有磁铁矿、赤铁矿、钠辉石、钠闪石、萤石、白云石等;次要矿物有黄铁矿、方铅矿、菱铁矿、方解石、钠长石、重晶石、云母、石英和各种稀土矿物。钠辉石主要分布于主矿、东矿矿体上盘及东矿下盘。常与磁铁矿构成钠辉石型磁铁矿石，呈条带状、团斑状、浸染状;或与萤石赤铁犷构成条带状矿石，也可呈块状钠辉石岩产出。东矿的钠辉石

10、分布较丰矿普谊。本区产出的钠辉石又叫锥辉石，呈粒状或束状或叶片状集合体，大都呈深浅不同的绿色或带黄绿色，玻璃光泽，Ng-浅黄绿色、Nm-黄绿色、Np-草绿色。然而钠辉石是人造翡翠的矿物学名，翡翠也叫硬玉，是宝石玉的名称，在人工翡翠的研究中，证实纯的钠辉石是无色的，只有加入铬的化学试剂后才能出现绿色。钠辉石一般为粒状或柱状晶形，它形、半自形或自形。消光角0-13度，钠辉石岩中钠辉石消光角较大，为8-13度，晚期脉中较小，为0-6度。白云鄂博矿典型的亲石元素钍的一种钍铁石，主要产出于成矿作用的晚期主东矿体内的钠辉石型铁矿石、钠辉石岩、致密块状铁矿石、萤石型铁矿石及黑石母岩中。以细脉状或浸染状产出。

11、而且一部分钍元素可能呈分散状态(微晶或离子状态包裹)存在于各种矿石矿物及脉石矿物中。在萤石、钠辉石、钠闪石、黑石母、磁铁矿等矿物富集的地方。粗粒钠辉石和细粒钠辉石的成分不同，钠辉石的成分如下表，与理论值相比， CaO和MgO以及Al2O3偏高，而Na2O和Fe2O3偏低。下表为钠辉石岩的成分：表1-1钠辉石岩成分 各种钠辉石岩中钠辉石矿物的化学分析结果，分析结果显示与理论值相近。如下表：表1-2钠辉石的矿物化学组分分析结果 白云鄂博矿区的钠辉石的化学成分如下表1-3：表1-3矿区钠辉石的化学组成 从表1-3可以看出，Si02、Fe203和Na2O为主要组分，其含量分别为46.78-52.02%

12、，28.67-32.52%和11.22-12.17%。而其他氧化物含量均很少。而且钠辉石中端元分子锥辉石(Ac)含量高，主矿钠辉石的Ac% 80.5-83.9，东矿钠辉石的Ac% 86. 9-93.1，晚期脉中钠辉石的Ac% 86. 4-95.5。钠辉石含透辉石一钙铁辉石分子很低(<5%)。据以前文献记载霓石中含锥辉石分子高，而透辉石一钙铁辉石分子低者一般形成温度较低。说明本区钠辉石的形成温度不高。而且本区钠辉石与沉积岩中的自生霓石也很不相同，后者常呈细针状，共生矿物有石膏、方解石、无水芒硝、钠长石、黄铁矿及钠闪石(呈纤维状、放射状的球状集合体或结核)，产于泥岩、泥灰岩等碳酸欲岩或其晶洞

13、中。1.1.2钾板岩成分白云鄂博的富钾板岩钾元素含较高, 适时进行综合开发利用, 不仅有利于白云鄂博铁矿和包钢的发展, 而且对包头市的经济建设和我国农业的可持续发展具有比较重要的意义。 白云鄂博矿石是铁、铌、稀土共生的大型露天矿床。而且除了可利用的铁、铌和稀土等矿物外，还有岩石中的富钾板岩，其储量设计开采范围为3亿t。它是一种非水溶性的钾、铝和硅的资源。白云鄂博铁矿富钾板岩按颜色分为黑、绿、灰、白四种，其中白色含氧化钾较高，也比较好处理。黑色含云母和石墨较高，绿色含黄铁矿较多，灰色含云母较多，而且白绿两种含二氧化硅也较高，这四种富钾板岩在白云鄂博铁矿矿物中较多的是绿色、黑色和灰色。白云鄂博矿区

14、富钾板岩主要氧化物含量见下表：表1-4 几种颜色富钾板岩主要氧化物含量（%）富钾板岩的化学组成见下表：表1-5 矿石的化学成分（%）富钾板岩的其他金属元素见下表表1-6 富钾板岩矿石中的其他金属元素（ppm）目前富钾板岩综合利用的途径包括石灰石烧结法和碳酸钠烧结法以及酸分解和碱分解方法。1.2 烧结矿的成矿机理1.2.1烧结矿的成矿机理 烧结过程是将混合料温度加热到部分物料熔化并生成一些熔融物质，冷却后，熔融物质结晶或固化成不同的矿物将物料粘结在一起。烧结热是由混合料中的焦粉燃烧提供的。烧结矿是由不同化学成分和形态的矿物，如赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙（SFCA）和硅酸钙的集合体组成。它是从最初的小

15、球或颗粒通过部分熔化形成。根据烧结条件，尤其烧结温度，可以生成两种显微结构的烧结矿。匀质结构是指烧结矿是均匀的，它是在高温下烧结而成，即超过1300。在低温烧结条件下，形成非匀质结构，成品烧结矿中残留大量的部分未反应的大铁矿粉颗粒。不同矿物结构的形成过程示于下图1-1。 图1-1 烧结矿的形成过程由针状铁酸钙粘结残余多孔赤铁矿组成的非匀质结构具有：（1）极好的还原性，将减少高炉焦炭消耗；（2）好的低温强度；（3）满意的还原粉化（RDI）性能；（4）良好的高温还原和熔化性能。因此，对烧结矿来说，非匀质结构是最佳的。1.2.2 烧结矿的形成过程 烧结矿形成经历了固相反应，液相生成和冷凝固结（结晶过

16、程）三个过程。1.2. 2.1 固相反应烧结固相反应是指烧结料在它们的接触界面上，在液相生成之前以固体状态进行的反应，产物也是固态。固相反应形成低熔点化合物是烧结液相产生的基础，而液相是烧结过程中使矿粉成块和使烧结矿具有一定强度的主要条件，因此固相反应进行的情况直接影响着烧结矿的质量。由于烧结过程中物料升温很快，从500升温到1500仅需要不到3 min的时间，因此对烧结矿固结具有实际意义的是固相反应的开始温度与最初形成的产物。而且根据固相反应的特点，固相反应的最初产物并不决定于反应物质的比例数，只能形成同一种晶体构造最简单的化合物，可知各原料成分的配比对最初形成的固相反应产物没有影响。混合料

17、在烧结过程中被加热到熔融之前，相互接触的某些组分之间，在固体状态下发生反应，生成新的化合物或共熔体，此过程称为固相反应。固相反应是由离子的扩散作用引起的，而在烧结过程中由于固体燃料的燃烧产生的废气加热了烧结料，为固相反应创造了有利条件。下图为烧结过程中矿物的形成过程：图1-2 烧结过程中矿物形成过程在烧结料部分或全部熔化以前，料层中每一颗粒相互位置是不变动的，每个颗粒仅与它直接接触的颗粒发生反应。而且两种物质间反应的最初产物只能形成同一化合物。接触处产生的带状结构需经长期的保温后才能发生。而与反应物成分相符合的最后产物在大多数情况下需要很长时间才能完成。图1-2表示了烧结过程中矿物的形成过程。

18、固相反应可以形成在原始料中所没有的易熔化的新物质。这些新物质在烧结过程中产生许多特性，最后获得强度高的烧结矿。在目前研究和发展的低温烧结中，固相反应将起着更重要的作用1.2.2.2 液相生成烧结过程一些低熔点物质在高温作用下，熔化成液态物质，在冷却过程中，液体物质凝固而成为那些尚未熔化和溶入液相的颗粒的坚固连接桥。在烧结物料中，主要矿物都是高熔点的，在烧结温度下大多不能熔化。但物料加热到一定温度时，各组分之间以及新生化合物与原组分之间存在低共熔点，使得它们在较低的温度下生成液相，开始熔融烧结过程形成液相是烧结矿固结成型的基础，液相的性质和数量在很大程度上决定了烧结矿的还原性和强度。因此，研究液

19、相生成的条件及其性质有重要的意义。图1-3 CaO- Fe2O3二元相图现在使用最广的高碱度烧结矿的特点是烧结料中配加较多的CaO，生成铁酸钙体系的液相成分，该体系的状态可参考CaO-Fe2O3 二元相图（见图1-3）。从CaO-Fe2O3 二元相图可以看到该体系液相的特点是：熔化温度低，而且一旦铁酸钙（2CaO·Fe2O3）液相生成后，当其中逐步熔入Fe2O3 时，其熔点是下降的；CaO·Fe2O3 不仅熔点低，而且生成速度快；只有在CaO含量较高的情况下，才会保留较多的铁酸钙。由于烧结料成分复杂，烧结工艺因素多变，故烧结过程中，可能出现的液相成复杂多变。在烧结生产中，应

20、积极创造条件，促进有利于改善烧结矿强度与还原性的液相成分生成，而采取抑制措施，尽量减少或避免有损烧结矿质量的液相成分出现。1.2.2.3 冷凝固结（结晶过程）当烧结层移动后，被熔化的物质温度下降，液相放出能量而结晶或变成玻璃体。如果在冷凝过程中放出了几乎所有的能量，则液相全部转变成结晶体析出。而在实际烧结中，冷却很快，有相当的潜热来不及释放而蕴藏在里面，从而使部分硅酸盐以玻璃体形态存在于烧结矿中，其数量的多少取决于冷却速度的快慢程度。然而，在烧结过程中并非全部烧结料都熔化为液相，有些原料，特别是粒度大的往往来不及熔化，它们被周围的液相粘结起来，冷凝后成为多孔的烧结矿。铁矿石的铁酸钙生成影响因素

21、1铁矿石的铁酸钙生成特性是多种因素共同作用的结果。除受焙烧温度、焙烧气氛、碱度等因素影响外，还受铁矿石的自身性质，如Fe2O3含量、CaO含量、SiO2含量、MgO含量、Al2O3/SiO2的比值，和致密性等因素的影响，这些影响因素之间是互相影响、互相作用的。2不同的铁矿石，铁酸钙的生成特性不同。在碱度为2.0及其它条件相同的情况下，结构松散的褐铁矿、赤铁矿及较高含量的Al2O3和SiO2均有利于SFCA的生成。3铁矿石的铁酸钙生成特性是烧结配矿必须考虑的因素，对优化配矿具有重要的指导作用。在烧结料中适当配加一定比例的G矿和H矿以及结构松散的赤铁矿粉，可以提高烧结矿强度和还原度。1.3钠辉石及

22、钾长石热分解反应1.3.1钾长石的相变及热分解根据中国科学院化工冶金研究所郭峰和袁孝淳的关于钾长石热分解及还原的热力学分析，他们认为钾长石在1150左右分解成白榴石和SiO2。 K2O·Al2O3·6SiO4 K2O·Al2O3·4SiO2+2SiO 如下图：图1-4 K2O·Al2O3·4SiO2 SiO体系相图钾长石在没有添加剂（如CaO）存在时，钾长石的热分解挥发反应： K2O·Al2O3·6SiO2=2k(g)+1/2O2+ Al2O3+6SiO2; K2O·Al2O3·6SiO2=2k

23、(g)+1/2O2+1/3(3Al2O3·2SiO2)+16/3SiO2;或在高温下K2O·Al2O3·4SiO2+2SiO2=2k(g)+1/2O2+ Al2O3+6SiO2； 加入添加剂CaO后，反应也变得更加复杂，可能会产生许多复合氧化物，根据热力学，具有代表性的反应如下： K2O·Al2O3·6SiO2+5CaO=CaO·Al2O3·2SiO2+2k(g)+1/2O2+4(CaO·SiO2) K2O·Al2O3·6SiO2+6CaO=CaO·Al2O3·SiO2+2k

24、(g)+1/2O2+5(CaO·SiO2)以及加添加更多CaO时的反应：K2O·Al2O3·6SiO2+7CaO=2 CaO·Al2O3·SiO2+2k(g)+1/2O2+5(CaO·SiO2)K2O·Al2O3·6SiO2+6CaO=3CaO·Al2O3·3SiO2+2k(g)+1/2O2+3(CaO·SiO2)中国科学院化工冶金研究所郭峰和袁孝淳的关于钾长石热分解及还原的热力学分析得到结论:在高炉条件下，钾长石的热分解反应均需在CaO(或类似添加物)的参加下才能进行。 1.4本实验

25、研究的主要内容及意义 1.4.1实验研究的主要内容本课题选取硅酸盐脉石和硅铝酸盐脉石，即钠辉石岩（主要成分为钠辉石NaFeSi2O6）和钾板岩（主要成分为钾长石KAlSi3O8）。在烧结升温过程中，白云鄂博铁矿中的复合硅酸盐和硅铝酸盐脉石的物理化学性质会随之变化，从而探究对复合铁酸钙生成的固相反应机理的影响。 采用差热分析测定富钾板岩、钾长石及钠辉石的各个反应温度及熔点。将钾板岩及钠辉石岩还有钾长石升高到各个温度，结合X射线衍射分析来测定所发生的固相反应、液相生成及冷凝固结。从而分析钠辉石岩及钾板岩的热物理化学性质。本文通过对烧结过程中个各个温度的测定及各个温度下钾板岩和钠辉石岩的反应，从而探

26、明它们的热物理化学性质，为特殊矿烧结复合铁酸钙生成研究提供基础数据。1.4.2实验研究的目的和意义 本课题选取典型硅酸盐脉石和硅铝酸盐脉石，即钠辉石岩（主要成分为钠辉石NaFeSi2O6）和钾板岩（主要成分为钾长石KAlSi3O8）作为原料，目的在于探明白云鄂博铁矿中典型复合硅酸盐和硅铝酸盐脉石的热物理化学性质：钠辉石岩和钾板岩的热分解、晶型转变、软化、熔化等性质。并采用差热分析（DTA与DG）、X射线衍射（XRD）和矿物观察相结合的方法，确定钠辉石岩（主要成分为钠辉石NaFeSi2O6）和钾板岩（主要成分为钾长石KAlSi3O8）的热分解、晶型转变、软化和熔化温度及对应产物。第二章 实验内容

27、与方法2.1实验原料 本实验以天然钠辉石和钾板岩以及从外购买的钾长石作为原料，重点研究钠辉石和钾板岩的热分解、热分解、晶型转变、软化和熔化温度以及相对应的产物。2.2实验研究方法及原理复合铁酸钙生成机理包括固相反应、液相生成及矿物析晶等过程。固相反应是复合铁酸钙生成的基础，研究特殊矿烧结复合铁酸钙生成的固相反应特性，对于探明复合铁酸钙生成机理很重要。所以课题要系统研究NaFeSi2O6-KAlSi3O8-CaO-Fe2O3-CaF2体系可能发生的固相反应，探明固相反应产物及出现产物的开始温度，以揭示特殊矿烧结复合铁酸钙生成的固相反应特性。还有，随着烧结升温过程的变化，白云鄂博铁矿中的复合硅酸盐

28、和硅铝酸盐脉石的热物理化学性质也会随之变化，而且烧结升温过程的温度变化对复合铁酸钙生成的固相反应机理有较大影响。本课题中所选取的硅酸盐脉石：钠辉石岩（主要成分为钠辉石NaFeSi2O6）和硅铝酸盐脉石：钾板岩（主要成分为钾长石KAlSi3O8）进行热分析测定研究，探明其分解与相变等物理化学性质的变化规律，为特殊矿烧结复合铁酸钙生成研究提供数据。目前研究热分解、晶型转变、软化和熔化温度主要有差热分析法，本实验采用差热分析法来测定钠辉石和钾板岩的热分解、晶型转变、软化和熔化温度。再通过X射线衍射分析法分析测定钠辉石和钾板岩的热分解、晶型转变、软化和熔化温度相对应的产物。22.1差热分析法原理 差热

29、分析（Differential Thermal Analysis，DTA），是一种重要的热分析方法，是指在程序控温下，测温物质与参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种测试技术。该法广泛应用于测定物质在热反应时的特征温度及吸收和放出的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发或化学反应。广泛应用于无机、硅酸盐、陶瓷、矿物金属、航天耐温材料等领域，是无机、有机、特别是高分子聚合物、玻璃钢等方面热分析的重要仪器。通过分析DTA曲线峰值温度求得试样的热分解、晶型转变、软化和熔化温度。差示扫描量热分析（DSC）是通过物质在加热过程中特定温度下吸、放热现象来研究物质的各种性质的一种技术。DSC曲线

30、以能量为单位来记录反应热量的，曲线离开基线的位移表示吸、放热的速度，以热流单位表示。差热扫描量热法（DSC）装置是准确测量转变温度,转变焓的一种精密仪器,它的工作原理是：DSC装置是在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差T时，通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电阻丝的电流发生变化，当试样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边的热量平衡，温差T消失为止。换句话说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之

31、差随时间t的变化（dHdt-t）关系。DSC作为一种多用途；高效、快速、灵敏的分析测试手段已广泛用于研究物质的物理变化(如玻璃化变、熔融、结晶、晶型转变、升华、汽化、吸附等)和化学变化(如分解、降解、聚合、交联、氧化还原等)。这些变化是物质在加热或冷却过程中发生的，它在DSC曲线上表现为吸热或放热的峰或基线的不连续偏移。通过分析DSC曲线峰值温度求得试样的热分解、晶型转变、软化和熔化温度。DSC的特点是峰的位置、形状和峰的数目与物质的性质有关，故可以定性的用来鉴定物质；从原则上讲，物质的所有转变和反应都应有热效应，因而可以用DSC检测这些热效应，但有时由于灵敏度等种种原因的限制，不一定都能观测

32、的出：而峰面积的大小与反应热焓有关，即H=KS。对于DSC曲线，K是与温度无关的比例常数。影响DSC试验结果的因素：升温速率：一般主要影响DSC的峰值，峰形的大小和窄宽。气氛：由于试样自身的特点不同，对气氛的氧化还原性有不同的要求。它一般影响出峰的温度和热焓值。试样用量：不可过多，以免使其内部传热慢，温度梯度大而使峰形扩大和分辨率下降。试样粒度：通常粒度越细，出峰温度降低，峰宽变小。但是其相应的热反应是不变的，只是反应速度有变化。粒度过细时，由于失水很快，所以，会影响曲线形状。2.2.2 X射线衍射分析法原理X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方

33、法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生衍射，色射的X射线在某些方向上相位得到加强， 从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线必须满足布拉格方程（W L Bragg）方程：2dsin=n;式中: 是X射线的波长；是衍射角;d结晶面间隔; n是整数. 波长可用已知的X射线衍射角测定,进而求得间隔面,即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求得的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照,即可确定试样结晶的物质结构,此即定性分析.从衍射X射线强度的比较,即进行定量分析。本法的特点在于可以获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进

34、行价态分析，也可用于物相鉴定。 XRD是利用X射线在晶体中的衍射的衍射现象分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷、不同结构相得含量和内应力的方法。这种方法是建立在一定晶体结构模型基础上的间接方法。即根据与晶体样品产生衍射后的X射线信号的特征去分析计算出样品的晶体结构与晶体参数，并可以达到很高的精度。 X射线照射到晶体上，和晶体发生相互作用，产生一定的衍射花样，它可以反映出晶体内部的原子分部规律。一个衍射花样的特征有两个方面组成，一方面是衍射线在空间的分布规律（称为衍射几何），它是由晶包的大小、形状和位相决定的；另一方面是衍射线束的强度，它取决于原子在晶包中的位置。因此，X射线衍射分析是通过衍射

35、现象来分析晶体内部的结构。通过X射线衍射可以获取物质的物相组成、晶体结构、晶格参数、晶粒大小。择优选取、残留应力等十分重要的组分和结构信息；借助于X射线能谱和荧光分析，可以在微观和宏观区域内测定物质的化学成分；利用X射线光电子能谱分析，可以对物质表面几个原子层范围内元素的组成、价位以及它们沿深度方向的变化进行表征；利用X射线吸收谱特别是扩展X射线吸收精细谱分析，可以测定物质中原子配位数、局部对称、键长和键角等。2.3实验研究内容及步骤2.3.1实验内容 参考实验中所选取的钠辉石岩和钾板岩的相关文献以及相图等资料，以及本课题所要探究的内容，还有，研究本课题的目的和意义，即课题的研究内容、目标和关

36、键，拟实验方案如下：采用差热分析法测出钠辉石岩和钾板岩的DTA和TG曲线，通过其和曲线确定其峰值温度。将钠辉石岩和钾板岩升温到峰值温度。采用X射线衍射法确定钠辉石岩（主要成分为钠辉石NaFeSi2O6）和钾板岩（主要成分为钾长石KAlSi3O8）的热分解、晶型转变、软化和熔化温度及对应产物，为特殊矿烧结复合铁酸钙生成研究提供数据。本文通过采用差热分析和X射线衍射法分析研究钠辉石岩和钾板岩以及它们的主要成分钠辉石NaFeSi2O6和钾长石KAlSi3O8的热分解、晶型转变、软化和熔化温度及对应产物，为进一步研究特殊矿烧结复合铁酸钙的固相反应特性做了准备，也为特殊矿烧结复合铁酸钙生成研究提供了基础

37、数据。2.3.2实验步骤2.3.2.1 差热分析将天然钠辉石和钾板岩以及外购的钾长石分别做差热分析，测定其可能的热分解、晶型转变、软化和熔化温度。测定所用到的仪器型号：耐驰同步分析仪（DSC/DTA-TG）STA449F3 Jupiter。 本实验采用S T A 449F3综合热分析仪确定烧结固相反应及其它反应的温度，将烧结原料充分混匀，装入坩埚。在烧结升温过程中，当有固相反应发生或晶型转变时，必然伴随着能量的变化，DTA曲线上将会出现相应峰值，由此可以确定各个反应的温度。(1)仪器介绍STA449F3 Jupiter 是耐驰公司全新推出的一台同步TG-DSC 热分析仪。下图为STA449F3

38、 Jupiter热分析仪：图2-1 STA449F3 Jupiter型号同步TG-DSC 热分析仪技术参数温度范围：-150 . 2000 升降温速率：0.001 . 50 K/min（取决于炉体配置） 最大称重量：35000 mg 称重解析度：0.1 g DSC 解析度：< 1W（取决于配备的传感器） 气氛：惰性，氧化，还原，静态，动态 TG-DSC 与 TG-DTA 样品支架，用于真正的同步测量。主要特点  覆盖 -150 至 2000 的宽广的温度范围。 可以快速而深入地对材料的热稳定性，分解行为，组分分析，相转变，熔融过程等进行表征。 易于使用的顶部装样式系统，在保证高

39、解析度（0.1 g）情况下的宽广的TG称量范围（35g），适用于分析各种类别的材料，包括大块的非均匀物质。 可自由更换的 DSC 传感器，拥有最高的灵敏度与最佳的重复性，用于反应转变温度与热焓，以及比热的测量。 大量可选的增强配件，适应客户广泛而多样化的需求。 可同时配备多种不同温度范围与性能指标的炉体，可由用户自行切换。（对于双炉体结构，可以选择安装旋转式双提升设备） 可插拔的样品支架（TG，TG-DSC，TG-DTA 等） 最多可同时装载 20 个样品的自动进样器（ASC） 自动抽真空与充填装置（Autovac） 提供大量的附件可供选择，如样品坩埚即有各种材质和形状尺寸可选。 提供附加接口

40、与 MS、FTIR 进行连接，可以进行甚至更复杂的分析。热分析系统:热天平、多功能分析系统、计算机控制系统、真空泵、循环水箱、彩喷打印机。(2)操作步骤:开启电源，启动计算机；开启气源，通入氩气作保护气体；进入测试界面，设置相关参数；调试空坩埚归零，开始装料，关上加热炉，按照提示操作并命名，然后开始测量；待测量结束后，出图并分析DSC、TG曲线。(3)做差热分析的要求： 升温到1350(最高温度),升温速率10/min；要用氩气作保护气氛,在常压下，降温速率无要求； 2.3.2.2 XRD的测定经分析DSC和TG曲线,需将钠辉石和钾长石在高温炉或箱式炉中分别升温到相对应的峰值温度,通过X射线衍

41、射的方法进行分析测定各个温度下的反应及反应产物。 压片 将钠辉石和外购钾长石进行压片处理,我们用到的压片机型号:DY-20台式电动压片机,本压片机配用YY63-22型的单相异步电动机(功率180KW,电压220V,频率50HZ,2800r/min),还配用一表压吨位兑换表。表2-1 表压吨位兑换表表压 吨位1 MPa 0.6T5 MPa 3T10 MPa 6T15 MPa 9T20 MPa 12T25 MPa 15T33.4 MPa 20T压片机使用的注意事项:设备启动前请拧松注油螺钉； 每次工作后要求夹紧放油旋钮； 移动过程中应拧紧注油螺钉；下图为DY-20台式电动压片机：图2-2 DY-2

42、0台式电动压片机升温焙烧本实验要将天然钠辉石和钾长石KAlSi3O8加热升温到DSC/TG曲线的峰值温度,然后做X射线衍射分析。这里用到的加热升温炉为高温热重气氛炉和箱式电阻炉。仪器介绍：高温热重气氛炉技术指标:电源:380V,36A,13KW；最高使用温度:1500；温度控制精度:+2/-2；发热体:硅钼棒；只能通保护气体或还原气体；温度控制方式:自动控温；升温速率:0-15；箱式电阻炉SX2-8-12 产品简介：SX2系列1200箱式电阻炉用途：本系列电阻炉均系周期作业式，供实验室、工矿企业、科研单位元素分析测定和一般小型钢件淬火、退火、回火等热处理时加热用。SX2系列1200箱式电阻炉主

43、要有四种型号：SX2-2.5-12 SX2-5-12 SX2-8-12 SX2-10-12; 下图为箱式电阻炉模型：图2-3 SX2系列箱式电阻炉技术指标：额定功率：8KW； 额定温度：1200；电压：380V；相数：三相；工作室尺寸：长400*宽250*高160mm3；外形尺寸：长960*宽580*高640mm3；产品编号:080602； 生产日期:08年06月(3)XRD的测定本实验通过X射线衍射的方法进行分析测定各个温度下的反应及反应产物，采用X射线衍射仪。 仪器简介：可从事物相定性、定量分析、晶胞参数的测定、晶化度分析、衍射数据指标化和纳米材料的结构分析。该仪器自动化程度高，计算机中存

44、有全套 PDF卡片，自动收集衍射数据（包括连续和步进两种 ），并能自动检索PDF卡片库给出的结果。本机配有打印机、记录仪、彩色绘图仪等输出记录设备，可提供多种方式的数据谱图结果。 使用X射线衍射仪的注意事项：(1) 电源稳定性。 (2) 地线。一种是衍射仪高压专用的高压安全地线；另一种是计算机 专用地线(3) 通风、防潮、防尘。 (4) X射线管最好用洁净软水循环冷却。本实验通过STA449F3 Jupiter这种型号的耐驰同步分析仪（DSC/DTA-TG），将天然钠辉石和钾板岩以及外购的钾长石分别做差热分析，得到关于钠辉石和钾板岩以及外购的钾长石的DSC和TG曲线，根据峰值温度，测

45、定其可能的热分解、晶型转变、软化和熔化温度；然后将天然钠辉石和钾板岩以及外购的钾长石用DY-20台式电动压片机进行压片处理，在把已经处理好的钠辉石和钾板岩以及外购的钾长石的压片分别放入高温热重气氛炉和箱式电阻炉这两种升温炉中加热升温到和曲线的峰值温度，然后再将钠辉石和钾板岩以及外购的钾长石在经过加热升温之后的产物用X射线衍射仪进行XRD分析测定，分析出各个温度下的反应及反应产物，从而分析得到它的热分解、晶型转变、软化和熔化温度，即探明其分解与相变等物理化学性质的变化规律，了解天然钠辉石和钾板岩以及外购的钾长石的热物理化学性质。 第三章 实验结果和数据分析3.1钠辉石的差热分析与XRD衍射法分析

46、结果3.1.1钠辉石的DSC和TG曲线结果分析通过STA449F3 Jupiter这种型号的耐驰同步分析仪（DSC/DTA-TG），将天然钠辉石做差热分析，做出的DSC曲线图如下：图3-1 天然钠辉石的DSC曲线图从钠辉石的曲线上分析，主要有四个明显的峰，峰值温度分别为、，在时峰向上，根据曲线分析方法可知，峰向上表示吸热，即在时发生吸热反应；同理，在时出现的峰向上，表示吸热；还有在峰值温度为时同样出现一个向上的峰；然后在时也出现一个向上的峰。由于曲线上出现四个不同的峰值,所以需结合钠辉石的TG曲线做进一步分析.下图为钠辉石的TG曲线图.图3-2 天然钠辉石的TG曲线图从钠辉石的TG曲线上分析,

47、分别以起始点515.9、933.7、1175.6的附近都出现失重现象。从图上可以看出,在起始点515.9附近质量变化-3.94%,在933.7周围质量变化-0.25%,同时在1175.6时出现-1.36%的质量变化.故将钠辉石的DSC和TG图结合起来进行分析。下图即为钠辉石的DSC-TG曲线图:图3-3 天然钠辉石的DSC-TG曲线从上面关于天然钠辉石的DSC-TG曲线分析，分别在峰值、出现失重现象，即质量变化，从上图中可以看到：在时出现明显失重现象，在无明显失重，而且在时出现连续失重。根据资料上显示，可以从DSC曲线的吸热蜂和放热峰及与之相对应的TGA曲线有无失重或增重，判断材料可能发生的反

48、应过程，从而初步确定转变峰的性质如表3-1所示。DSCTGA反应过程吸热放热失重增重熔融晶型转变蒸发固相转变分解升华吸附和吸收脱附和解吸脱水（溶剂）表3-1 DSC和TGA对反应过程的判断从表3-1中DSC和TGA对反应过程的判断，在这个峰值温度，发生吸热反应，并出现失重现象，所以在时有可能发生的是蒸发或分解或升华反应。为了测定在、时发生的反应及得到的反应产物，所以需将钠辉石加热升温到、，在这个过程中，我们先将天然钠辉石压片放在高温热重气氛炉中升温到1204，观察到的现象是在这个温度天然钠辉石压片发生熔化,即1204就是天然钠辉石的熔化温度；而将天然钠辉石压片放在高温热重气氛炉中升温到时，6.

49、7g的天然钠辉石变成6.5g，从高温热重气氛炉取出之后，产物有均匀的气孔出现，而且变成黑色，还有液相生成的迹象；当将天然钠辉石压片放入SX2系列箱式电阻炉中加热升温到,无明显变化。然后我们将和时得到的产物用X射线衍射仪做XRD测定分析。得到XRD图进行分析。3.1.2 钠辉石的XRD结果分析对于天然钠辉石，我们和的XRD分析测定，而且为了对比，还做了在室温下天然钠辉石的XRD测定，下面是钠辉石在室温、和的XRD结果：（1）天然钠辉石在室温下测得的XRD结果 下图为天然钠辉石在室温的XRD图：图3-4 天然钠辉石在室温下的XRD结果从图中可以看出天然钠辉石室温下的XRD结果发现：主要成分为钠辉石

50、NaFeSi2O6和BaSO4；而且从峰的高度来看，钠辉石NaFeSi2O6的量很多。（2）天然钠辉石在555测得的XRD结果下图为天然钠辉石在555的XRD图：图3-5天然钠辉石在555的XRD结果上图即为测得的钠辉石在555的XRD结果，在图3-5中关于天然钠辉石在555的XRD结果和图3-4中室温下天然钠辉石的测定结果相似，而且测得的主要成分也相同，同样是钠辉石NaFeSi2O6和BaSO4；所以可以看做是在555时并没有发生成分上的转变。但在图3-3中天然钠辉石的DSC-TG曲线中，在555出现了吸热和明显的失重现象；所以结合图3-3、图3-4以及图3-5，我们分析得到：天然钠辉石在5

51、55发生的反应是结晶水的分解。（3）天然钠辉石在993测得的XRD结果下图为天然钠辉石在993的XRD图：图3-6 天然钠辉石在993的XRD结果上图即为测得的天然钠辉石在993的XRD结果，和图3-4进行对比，即将天然钠辉石在993测得的XRD结果和室温下的XRD结果进行对比分析，可以发现产物的成分发生了变化；在图3-6中可以看到：在993时，产物中以CaF2和Fe2O3为主，而且从图中峰的高度可以知道，CaF2的含量很多；在图3-3中天然钠辉石的DSC-TG曲线中，在993时出现了吸热和不明显的失重现象；参考实验过程中，在将钠辉石焙烧到993得到的产物观察到的现象：产物变黑，出现均匀气孔，

52、而且有液相生成的迹象。作出的分析：应该在这个温度有大量气体产生，而且从气孔的均匀率可以推断这种气体在连续的产生。结合上面3-3、3-4和3-6和实验过程观察到的现象及初步分析，由于在图3-6中出现大量的CaF2，我们认为CaF2和NaFeSi2O6中的成分Na2O发生反应，反应为：Na2O+ CaF2=CaO+2NaF；所以可以分析得到：这个温度所发生的吸热反应是由于产生了NaF这种挥发物，而且造成了失重现象的产生。经查资料显示，NaF这种物质的挥发温度在900度左右，所以可以认为这个温度下的吸热反应就是NaF的挥发，这也就证实或者说对应了我们所观察到的有均匀气孔的现象。（4）在1204时并没

53、有做XRD测定，因为焙烧到这个温度时是吸热反应，而且在这个温度时处于熔化状态，我们认为这个温度还伴随着SiF4，因为在天然钠辉石体系中存在的在室温下和555未检测到的CaF2和NaFeSi2O6中的SiO2成分发生反应，可能发生的反应为2 CaF2+ SiO2=2CaO+ SiF4；而且SiF4这种物质的挥发，在资料上查到的关于它这种物质的挥发温度也为1200度左右。所以在这个温度我们把它认为是天然钠辉石的熔化温度，同时伴随着SiF4这种物质的挥发。（5）在DSC-TG曲线的另一个峰值温度1273，我们也没有做XRD测定，因为焙烧到这个温度时是吸热反应，而且在1204时它已经熔化，这个温度可以

54、认为是钠辉石中另一种成分的熔点。3.2钾板岩及钾长石的差热分析与XRD衍射法分析结果3.2.1钾板岩的DSC和TG曲线结果分析通过STA449F3 Jupiter这种型号的耐驰同步分析仪（DSC/DTA-TG），将天然钾板岩做差热分析，测得天然钾板岩的DSC-TG曲线。下图是天然钾板岩的DSC曲线结果： 3-7 天然钾板岩的DSC曲线结果图3-7即为天然钾板岩的DSC曲线结果，从天然钾板岩的曲线上分析，主要有几个峰，峰值温度分别986、1042、1123；而且在曲线上还有一个不太明显的峰，即在500左右的吸热峰，我们认为这应该也是结晶水的分解。所以我们还需根据它的TG曲线判断峰值温度时是否有失

55、重现象的发生。而且在测定它的曲线的同时，也做了TG曲线的测定，以下即为我们对天然钠辉石TG曲线的测定结果和分析。下图为天然钾板岩的DG曲线： 图3-8天然钾板岩的TG曲线结果图3-8为天然钾板岩的TG曲线，从它的TG曲线图看到有几处出现失重现象。为了更清楚地了解各个温度下的失重现象，我们结合图3-7和图3-8将天然钾板岩的TSC曲线和TG曲线进行分析。而且我们测得了天然钾板岩的DSC和TG曲线图，我们可以根据它的DSC-TG曲线图对各个温度的反应进行分析。下图为天然钾板岩的DSC和TG曲线图 图3-9天然钾板岩的DSC-TG曲线结果图3-9为天然钾板岩的DSC-TG曲线结果，在DSC曲线上只有一个