转炉钢渣物相组成及其显微形貌

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(1.辽宁科技学院冶金工程学院，辽宁本溪 117004；2.辽宁省本溪低品位非伴生铁矿优化应用重点实验室，辽宁本溪 117004)

钢渣是炼钢过程中产生的工业废渣[1].在金属冶炼过程中，炉渣通过物理及化学作用可以将金属液中的杂质碳、硫、磷去除，还可吸收上浮的氧化物夹杂.此外，还可保护钢液不直接吸收氢、氮和氧等气体[2].按照炼钢工艺，钢渣可分为预处理渣、转炉钢渣、电炉氧化渣和精炼渣[3].特别是转炉钢渣，是钢铁工业中产生量最大的固体废弃物之一，钢渣的环境友好型处置及资源化利用在一定程度上影响着钢铁工业的可持续发展.钢渣排放量约占粗钢产量的12%～15%[4].转炉钢渣的主要化学组成是SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3和MgO等，其含量受铁矿石来源、造渣材料、炼钢工艺等因素的影响[3].一般转炉钢渣的二元碱度为2.8～5.0[5].矿物组成可表征出钢渣的使用性能.钢渣中最常见的晶体有硅酸二钙、硅酸三钙及铁酸钙等[6]，冶炼工艺、钢渣冷却过程等对钢渣中的矿物组成及其显微形貌影响显著[7-8].另外，钢渣中常含有游离态氧化物，特别是游离态氧化钙，不同的钢渣其晶体形貌亦存在很大的差别.到目前为止，钢渣的综合利用渠道比较单一，大量游离氧化钙的存在成为转炉钢渣应用的瓶颈[4].

如果先将钢渣中的游离态氧化物加以固定，则可以拓展其应用渠道.而钢渣的矿物组成及其存在状况必然对钢渣中游离态氧化物的固定产生影响.本文对取自本钢的转炉钢渣的矿物组成及显微结构进行分析与研究，为钢渣的资源化利用提供一定的理论指导.

1 实验内容

实验对象为本钢转炉钢渣，将钢渣磨成细粉，利用荷兰帕纳科生产的Axios PW4400型X射线荧光光谱仪(XRF)检测钢渣的化学成分组成，并利用德国布鲁克生产的D8 Advance 型X射线衍射仪(XRD)分析钢渣的矿物相成分；利用德国蔡司生产的Evo 18型扫描电镜(SEM)观察钢渣的物相形貌特征，并用能谱仪(EDS)来确定各物相的具体种类.

2 实验结果及分析

2.1 转炉钢渣成分分析

转炉钢渣的化学成分如表1所示.

表1 本钢转炉钢渣的化学成分 (质量分数)Table 1 Chemical composition of a converter slag in an iron and steel group in China(mass fraction) %

从表1可以看出，该钢渣的主要成分为CaO、SiO2、Fe2O3和MgO，碱度值约为4.3，属于高碱度钢渣.钢渣中Fe2O3+MnO的含量较高，属于氧化性钢渣，脱磷效果好.

2.2 矿物组成分析

转炉钢渣的XRD分析结果如图1所示.

图1 转炉钢渣的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of the converter slag

由图1可知，转炉钢渣的物相组成非常复杂，主要为Si-Ca相，包括硅酸二钙(Ca2SiO4)、硅酸三钙(Ca3SiO5)以及钙镁橄榄石(Ca14Mg2(SiO4)8).钢渣中的氧化镁存在形式有三种：即化合态(钙镁橄榄石)、固溶体(二价金属氧化物MgO、FeO、MnO的无限固溶体，即RO相)、游离态(方镁石晶体).还有少量Fe3O4.未检测到f-CaO，这可能是因为本钢处理钢渣的方法为热焖法[9-10]，经该法处理后的钢渣f-CaO含量相对较低[11].也未检测到铁酸钙相.

P在钢渣中以P2O5或磷酸盐的形式存在，化学分析结果表明P2O5的质量分数为2.77%，不在XRD的检测范围，S就更少了，所以未检测到.

2.3 钢渣物相形貌特征与能谱分析

所选取转炉钢渣的背散射照片如图2所示，由图可知，除边缘处外，钢渣表面致密度较高.在图2中选取两个典型区域：区域Ⅰ和区域Ⅱ，并对其进行深入研究.

图2 转炉钢渣的背散射图像(×30)Fig.2 The electron back-scattering micrograph of the converter slag

区域Ⅰ的背散射图片如图3所示，各物相的EDS结果见表2.

图3 各区域的背散射图像Fig.3 The electron back-scattering micrographs of each zone in the slag(a)—区域Ⅰ(×100)； (b)—区域Ⅰ1(×300)； (c)—区域Ⅰ2(×2000)

由图3可知，图3(a)中A处所代表的形貌为喇叭口状，集中于钢渣边缘位置，直径在100 μm左右，结合表2可知，A(深灰色)所代表的物相为硅酸二钙相，A(黑色)所代表的为硅酸三钙相.B处为孔洞，量少，分布于A附近，直径为50 μm左右.图3(b)中D处形状不规则，大小在10～40 μm之间，结合表2可知，该物相为方镁石相.E相为金属铁相，数量极少，应为渣中卷入的钢液残余.F相为铁酸二钙相，形状无规则，比较分散.图3(a)和图3(b)中的C处是相同的，呈刮痕状，选取图3(b)中的区域Ⅰ2作为C的代表位置进行研究，如图3(c)所示，结合表2可知，RO相(灰白色)呈骨骼状嵌布于硅酸二钙相(浅灰色)和硅酸三钙相(深灰色)基体上，非常致密.

区域Ⅱ的背散射图片如图4所示，各物相的EDS结果见表2.

图4 各区域的背散射图像Fig.4 The electron back-scattering micrographs of each zone in the slag(d)—区域Ⅱ(×300)；(e)—区域Ⅱ1(×1000)；(f)—区域Ⅱ2(×2000)

由图4(d)可知，白色如繁星状物相，或聚集，或呈条带状分布于灰色基体上.经放大后并结合表2可知，白色相(H)为铁酸二钙相，白色相(K)为RO相，大小在2 μm左右，呈絮状.灰色相(G)为硅酸三钙相，呈肾状或团簇状.还有少量M相为二氧化硅.P元素主要分布于硅钙相中.硅钙相的颜色变化由钙硅比及所含的铁元素量决定.

表2 转炉钢渣各物相的EDS结果 (摩尔分数)Table 2 The EDS results of various phases in the converter slag (mole fraction) %

3 结 论

(1)该钢渣为高碱度钢渣，又属于氧化性钢渣，脱磷效果好.P元素主要分布于硅酸二钙相和硅酸三钙相中.

(2)钢渣中的物相及形貌十分复杂，相同物相的形貌也不尽相同.主要物相有硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸二钙以及RO相.铁酸二钙相呈无规则状或絮状、RO相呈骨骼状或絮状分布于硅酸二钙相和硅酸三钙相的基体上.