碳热还原二氧化硅过程的机理分析

本文将C(石墨)和SiO2制成扩散偶，在高温下研究了SiO2的还原机理。结果表明，C(石墨)和SiO2的界面反应主要为SiO2 + C(graphite ) = Si + CO，C的气化反应的存在抑制了C(石墨)和SiO2之间的其他反应的发生。Si层厚与时间的反应关系表明，在最初的2 h过程中，线性生长机理占优势，其斜率接近于1，反应为界面反应控制；但是，当生长相厚度超过一个临界值时，生成层以抛物线机理生长，斜率接近于0.5，反

硅铁是一种重要的工业原料。广泛应用于金属镁的冶炼、钛合金、钢铁、玻璃等行业。硅铁是硅石经矿热炉热还原而制得。硅石为自然矿石，其矿物结构复杂且含有一定的杂质；硅石的物理特性直接影响到硅石在炉内的还原过程，进而影响到矿热炉的各项经济性能。

近年来，相关研究者针对硅石的利用进行了大量的研究，并取得了不少成果[1] [2] [3] [4]。研究结果为硅石制备硅铁、冶金硅、陶瓷和耐火材料提供了许多有价值的理论基础。研究中发现硅石在1450℃焙烧后的真密度直接体现出硅石的可还原度。硅石的主要矿物组方石英和鳞石英所占比例直接影响硅石的熔点、密度、空隙率等物理化学性质[5] [6] [7]。杨大兵、吴修竹等分析了炭还原硅石的热力学因素，确定了碳热还原硅石中各化学反应的开始反应温度[8] [9] [10]。

这些研究者的研究多数集中在硅石物理化学分析和硅石热力学分析等方面。但对于碳热还原硅石的机理研究缺乏有效的理论分析。本文利用扩散偶的方法研究了碳热还原硅石的反应过程、及其影响反应过程的动力学因素，为提高矿热炉热还原效率，提高矿热炉生产的经济效率提供理论基础。

2. 实验材料及方法 将分析纯的化学试剂SiO2、SiC 在650℃、大气中焙烧2 h， 分析纯的石墨在在50℃、大气中烘干4 h；用球磨机磨至15 μm 以下， 作为原料使用。

为制备扩散偶， 把CaO、SiC、石墨、及CaO 与石墨混合料(摩尔比1:1)，以100MPa 的压力制成薄片。试样薄片的表面进行吹氩研磨，抛光成镜面。

为研究SiO2和石墨反应的生成物和反应机理， 把SiO2圆片的抛光面和石墨圆片的抛光面组合在一起， 构成SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶、SiO2(S)=SiC 扩散偶和SiC=C(S|石墨)扩散偶。

实验在(设备型号)真空热压烧结炉内进行，真空度先缓慢抽取至50 Pa，保压30 min，在通入Ar 气至100 KPa，烧结温度为1550℃，为保证实验温度下试样不因温度变化而变形，实验时对试样保持10 N 的持续压力。实验中实时监测炉气内CO浓度的变化。

反应后， 为避免因缓冷带来的任何变化， 通Ar 气回复炉压并冷却试样。

冷却后， 树枝真空渗入试样， 固化后沿扩散方向进行断面切割，研磨断面并抛光。利用光学显微镜，场发射扫描电镜及其附带的能谱仪观察矿物及组成，利用X 射线衍射仪分析扩散偶断面中不同深度内物相的变化，并利用场发射扫描电镜定性分析。

3. 结果与分析 3.1. SiO2 与C 间的反应 图1(a)~(c)分别给出了SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶在1600℃焙烧3 min 的扩散偶的断面的散射SEM 图及