轉(zhuǎn)爐鋼渣物相組成及其顯微形貌

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(1.遼寧科技學(xué)院冶金工程學(xué)院，遼寧本溪 117004；2.遼寧省本溪低品位非伴生鐵礦優(yōu)化應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，遼寧本溪 117004)

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣[1].在金屬冶煉過程中，爐渣通過物理及化學(xué)作用可以將金屬液中的雜質(zhì)碳、硫、磷去除，還可吸收上浮的氧化物夾雜.此外，還可保護(hù)鋼液不直接吸收氫、氮和氧等氣體[2].按照煉鋼工藝，鋼渣可分為預(yù)處理渣、轉(zhuǎn)爐鋼渣、電爐氧化渣和精煉渣[3].特別是轉(zhuǎn)爐鋼渣，是鋼鐵工業(yè)中產(chǎn)生量最大的固體廢棄物之一，鋼渣的環(huán)境友好型處置及資源化利用在一定程度上影響著鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.鋼渣排放量約占粗鋼產(chǎn)量的12%～15%[4].轉(zhuǎn)爐鋼渣的主要化學(xué)組成是SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3和MgO等，其含量受鐵礦石來源、造渣材料、煉鋼工藝等因素的影響[3].一般轉(zhuǎn)爐鋼渣的二元堿度為2.8～5.0[5].礦物組成可表征出鋼渣的使用性能.鋼渣中最常見的晶體有硅酸二鈣、硅酸三鈣及鐵酸鈣等[6]，冶煉工藝、鋼渣冷卻過程等對鋼渣中的礦物組成及其顯微形貌影響顯著[7-8].另外，鋼渣中常含有游離態(tài)氧化物，特別是游離態(tài)氧化鈣，不同的鋼渣其晶體形貌亦存在很大的差別.到目前為止，鋼渣的綜合利用渠道比較單一，大量游離氧化鈣的存在成為轉(zhuǎn)爐鋼渣應(yīng)用的瓶頸[4].

如果先將鋼渣中的游離態(tài)氧化物加以固定，則可以拓展其應(yīng)用渠道.而鋼渣的礦物組成及其存在狀況必然對鋼渣中游離態(tài)氧化物的固定產(chǎn)生影響.本文對取自本鋼的轉(zhuǎn)爐鋼渣的礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究，為鋼渣的資源化利用提供一定的理論指導(dǎo).

1 實驗內(nèi)容

實驗對象為本鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣，將鋼渣磨成細(xì)粉，利用荷蘭帕納科生產(chǎn)的Axios PW4400型X射線熒光光譜儀(XRF)檢測鋼渣的化學(xué)成分組成，并利用德國布魯克生產(chǎn)的D8 Advance 型X射線衍射儀(XRD)分析鋼渣的礦物相成分；利用德國蔡司生產(chǎn)的Evo 18型掃描電鏡(SEM)觀察鋼渣的物相形貌特征，并用能譜儀(EDS)來確定各物相的具體種類.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 轉(zhuǎn)爐鋼渣成分分析

轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分如表1所示.

表1 本鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of a converter slag in an iron and steel group in China(mass fraction) %

從表1可以看出，該鋼渣的主要成分為CaO、SiO2、Fe2O3和MgO，堿度值約為4.3，屬于高堿度鋼渣.鋼渣中Fe2O3+MnO的含量較高，屬于氧化性鋼渣，脫磷效果好.

2.2 礦物組成分析

轉(zhuǎn)爐鋼渣的XRD分析結(jié)果如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)爐鋼渣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the converter slag

由圖1可知，轉(zhuǎn)爐鋼渣的物相組成非常復(fù)雜，主要為Si-Ca相，包括硅酸二鈣(Ca2SiO4)、硅酸三鈣(Ca3SiO5)以及鈣鎂橄欖石(Ca14Mg2(SiO4)8).鋼渣中的氧化鎂存在形式有三種：即化合態(tài)(鈣鎂橄欖石)、固溶體(二價金屬氧化物MgO、FeO、MnO的無限固溶體，即RO相)、游離態(tài)(方鎂石晶體).還有少量Fe3O4.未檢測到f-CaO，這可能是因為本鋼處理鋼渣的方法為熱燜法[9-10]，經(jīng)該法處理后的鋼渣f-CaO含量相對較低[11].也未檢測到鐵酸鈣相.

P在鋼渣中以P2O5或磷酸鹽的形式存在，化學(xué)分析結(jié)果表明P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.77%，不在XRD的檢測范圍，S就更少了，所以未檢測到.

2.3 鋼渣物相形貌特征與能譜分析

所選取轉(zhuǎn)爐鋼渣的背散射照片如圖2所示，由圖可知，除邊緣處外，鋼渣表面致密度較高.在圖2中選取兩個典型區(qū)域：區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，并對其進(jìn)行深入研究.

圖2 轉(zhuǎn)爐鋼渣的背散射圖像(×30)Fig.2 The electron back-scattering micrograph of the converter slag

區(qū)域Ⅰ的背散射圖片如圖3所示，各物相的EDS結(jié)果見表2.

圖3 各區(qū)域的背散射圖像Fig.3 The electron back-scattering micrographs of each zone in the slag(a)—區(qū)域Ⅰ(×100)； (b)—區(qū)域Ⅰ1(×300)； (c)—區(qū)域Ⅰ2(×2000)

由圖3可知，圖3(a)中A處所代表的形貌為喇叭口狀，集中于鋼渣邊緣位置，直徑在100 μm左右，結(jié)合表2可知，A(深灰色)所代表的物相為硅酸二鈣相，A(黑色)所代表的為硅酸三鈣相.B處為孔洞，量少，分布于A附近，直徑為50 μm左右.圖3(b)中D處形狀不規(guī)則，大小在10～40 μm之間，結(jié)合表2可知，該物相為方鎂石相.E相為金屬鐵相，數(shù)量極少，應(yīng)為渣中卷入的鋼液殘余.F相為鐵酸二鈣相，形狀無規(guī)則，比較分散.圖3(a)和圖3(b)中的C處是相同的，呈刮痕狀，選取圖3(b)中的區(qū)域Ⅰ2作為C的代表位置進(jìn)行研究，如圖3(c)所示，結(jié)合表2可知，RO相(灰白色)呈骨骼狀嵌布于硅酸二鈣相(淺灰色)和硅酸三鈣相(深灰色)基體上，非常致密.

區(qū)域Ⅱ的背散射圖片如圖4所示，各物相的EDS結(jié)果見表2.

圖4 各區(qū)域的背散射圖像Fig.4 The electron back-scattering micrographs of each zone in the slag(d)—區(qū)域Ⅱ(×300)；(e)—區(qū)域Ⅱ1(×1000)；(f)—區(qū)域Ⅱ2(×2000)

由圖4(d)可知，白色如繁星狀物相，或聚集，或呈條帶狀分布于灰色基體上.經(jīng)放大后并結(jié)合表2可知，白色相(H)為鐵酸二鈣相，白色相(K)為RO相，大小在2 μm左右，呈絮狀.灰色相(G)為硅酸三鈣相，呈腎狀或團(tuán)簇狀.還有少量M相為二氧化硅.P元素主要分布于硅鈣相中.硅鈣相的顏色變化由鈣硅比及所含的鐵元素量決定.

表2 轉(zhuǎn)爐鋼渣各物相的EDS結(jié)果 (摩爾分?jǐn)?shù))Table 2 The EDS results of various phases in the converter slag (mole fraction) %

3 結(jié) 論

(1)該鋼渣為高堿度鋼渣，又屬于氧化性鋼渣，脫磷效果好.P元素主要分布于硅酸二鈣相和硅酸三鈣相中.

(2)鋼渣中的物相及形貌十分復(fù)雜，相同物相的形貌也不盡相同.主要物相有硅酸二鈣、硅酸三鈣、鐵酸二鈣以及RO相.鐵酸二鈣相呈無規(guī)則狀或絮狀、RO相呈骨骼狀或絮狀分布于硅酸二鈣相和硅酸三鈣相的基體上.