基本介紹
礦石信息,用途,結構特性,性質的影響,總結,
礦石信息
方鎂石是指游離狀態的MgO 晶體。MgO 由於與SiO2、Fe2O3的化學親和力很小，在熟料煅燒過程中一般不參與化學反應。它以下列形式存在於熟料中：
①溶解於C3A 、C3S 中形成固溶體。
②溶於玻璃體中。
③以游離狀態的方鎂石形式存在。研究者認為，前兩種形式的MgO 含量約為熟料的2%，它們對硬化水泥漿體無破壞作用。而以方鎂石形式存在時，由於其水化速度很慢，要在半年至1年後才明顯開始水化，而且水化生成氫氧化鎂，體積膨脹148%，因此會導致安定性不良。方鎂石膨脹的嚴重程度與晶體尺寸、含量均有關係，尺寸越大、含量越高，危害越大。在生產中應儘量採取快冷措施，減小方鎂石的晶體尺寸。
用途
方鎂石可以作為製造耐火材料（如鎂鋁磚、方鎂石—尖晶石磚 ）、微晶玻璃、熱電偶、高溫電纜、電熱電阻器的絕緣材料等優質原料。
結構特性
比較原渣和實驗渣，兩者都有黑色豆狀方鎂石。只是，原渣的方鎂石固溶了少量的Mn、Fe 元素，實驗渣的因不含Mn但固溶了鐵氧化物。分析這兩種渣的其它礦物成分，均沒有鎂元素。說明了高C/S的轉爐鋼渣，為了減少爐襯侵蝕而加入的MgO主要以游離態的方鎂石形式存在。
G-1渣密集分布著粒徑在5～10μm之間的方鎂石。將視場紅色方格微區內圖像放大至3500 倍後，發現部分方鎂石中出現黑白相間的網狀物質。根據背散射電子圖的特徵，原子量大的元素呈現出的顏色更白亮。又經EDS 成分分析，可證實這些白色物質應為鐵氧化物，這些鐵元素是在熔融反應過程中擴散進入MgO晶粒，並以方鎂石固溶體的形式存在。
對於平衡態的熔渣體系，FeO-Fe2O3是一個動態平衡過程，Fe2 + /Fe3 + 比值決定於體系的溫度、總鐵量以及氧化性氣氛，但具體的比值難以確定。分析MgO-FeO、MgO-Fe2O3相圖，若Fe 全部以FeO( 22.5%) 形式存在，FeO 固溶於MgO 晶粒而形成的高熔點( Mg、Fe)O相; 若Fe全部以Fe2O3( 25.0%) 形式存在，Fe2O3先與MgO 反應生成MgO·Fe2O3(簡稱MF) ，隨溫度升高，MF 又固溶於MgO中形成高熔點( Mg、Fe) O相( 最高固溶度可達70%)。而這類MF 在冷凝過程中，又會從MgO中結晶析出，以網狀組織形式存在。
性質的影響
一般情況下，高鹼度轉爐鋼渣的矽酸鹽類礦物與方鎂石的熔點，遠大於鐵酸鹽類礦物的。因此，可以選擇CaO-MgO-SiO2三元相圖作為理論依據。將P2O5數量併入SiO2，固定CaO/MgO = 5 不變，各組元成分為CaO-66.7%，MgO-13.3%，SiO2-20%，即為CaO-MgO-SiO2擬三元相圖的A點，其主要構成礦物為矽酸三鈣，石灰和方鎂石。在G-1 渣的基礎上，不斷增加SiO2含量時，熔渣各相完全結晶後得到的礦物信息。顯然，隨熔體C/S 值的不斷減少，實驗渣系先後穿過矽酸二鈣、鈣矽鈣石、鎂黃長石、假矽灰石等區域。因此，從理論上來講，往熔融態渣中加入一定量的酸性改質劑SiO2，促使鋼渣平衡相區由方鎂石向鎂矽鈣石、鎂黃長石區域轉變，可以實現轉爐鋼渣徹底消除游離態方鎂石的目標。
以G-1 渣為基礎渣系，在1600 ℃時，往熔渣中加入質量分數為0～40% 的SiO2，使用SEM、EDS 和XRD等現代分析技術進行相關分析，得到數據如下:
G-1 渣主要有三種礦物: 深灰色豆狀( Mg、Fe) O、灰色球形固溶了磷元素的2CaO·SiO2( 簡稱C2S)以及基質相鐵酸二鈣。含鎂礦物主要是( Mg、Fe) O，其它兩相中並沒有發現鎂元素的存在。
G-2渣的方鎂石粒徑( 主要在15～50μm) 大於G-1渣的，這是因為試樣晶體粒徑主要受溫度影響，而空冷過程冷速難以精確控制，又加之掃面微區的人為選擇，故而出現了晶粒尺寸大小上的差異。G-2與G-1 兩種渣的礦物結構十分相近，只不過，S-2渣的兩個方鎂石之間的基質相首次出現了網狀結構的細小物質，經EDS分析，很有可能是鈣鎂橄欖石和鐵酸鈣鎂。
G-3 渣的方鎂石數量明顯減少，但與之相對應的是，矽酸鈣鹽和基質鐵酸鈣鹽中的鎂元素含量逐漸增加。在樣品緩慢加熱至1600℃，反應平衡後體系可能為液、固或熔融狀態。若以CaO-MgOSiO2-Fe2O3-P2O5五元渣系作為研究對象，當樣品在高溫條件下達到平衡後，為了更好地研究此狀態下體系內各礦物相的生成與分解反應，將整個體系劃分為若干個微小區域，而這些微小區域各部分的成分與結構都均勻且一致。任意選取一微小區域，研究此微區內各物質的變化現象。根據離子-分子共存理論，若達到平衡狀態時體系為液態，微區記憶體在的物質應為Ca2+、Mg2+、O2-、[SiO4]4-、[PO4]4-和[Fe2O4]4-( 因數量較小的[PO4]4-和[SiO4]4-在結構上相近，故將其與[SiO4]4-一起考慮) ; 若為熔融態，微區內各物質應是Ca2+、Mg2+、O2-、CaO，MgO，SiO2、[SiO4]4-和[Fe2O4]4-；由於實驗渣系Fe2O3含量較高，而其與其它氧化物反應生成低熔點無機物，所以微區為固態的可能性不大。金屬陽離子一般分布於矽酸鹽晶體結構的四面體和六面體空隙，由於Ca-Si 之間的化學作用力大於Mg-Si 之間的，且Ca2+離子半徑0.106nm 大於Mg2+ 離子半徑0. 078nm。因此，在同一條件下，Ca2+ 離子擴散所需的能量要大於Mg2+ 離子所需的能量，這表明Ca2+ 離子與[SiO4]4-離子形成的矽酸鹽結構較之於Mg2+ 離子的更為穩定。因而無論微區處於何種狀態，Ca2+ 或CaO都要優先與SiO2或[SiO4]4-反應生成新相。若微區中Ca2+或CaO的含量超過SiO2或[SiO4]4-反應所消耗的量，即矽酸鹽晶體結構中所有的四面體和六面體間隙都已被填滿，那么多餘的將與[Fe2O4]4-反應生成低熔點鐵酸鹽; 若SiO2過量，那么過量的SiO2將與Mg2+或MgO反應，或者生成更為複雜的鈣-矽礦物相。
因此，熔渣的C/S值降低使其飽和氧化鎂濃度增大，原來游離形態存在的方鎂石會逐漸溶入矽酸鈣鹽中，直至完全消失。
分析G-4～G-5渣的礦物性質，這兩種渣的組成礦物非常相近，但在礦物的形貌、數量和分布方面存在較大的差別。與前面3 種渣相比，G-4～G-5 渣的礦物結構發生了較大的變化。G-5 渣主要由CMS、C13M3S10P2A2F2 和MF組成，基本上已看不到黑色的方鎂石。
XRD分析結果進一步證實，G-1～G-3 渣的方鎂石數量隨著C/S 值降低而減少。而G-4～G-5渣，表示方鎂石的強度峰已消失了，這就意味著渣的構成礦物中已經沒有了方鎂石。
總結
(1) 高鹼度轉爐鋼渣的鎂元素主要以游離態方鎂石形式存在，且固溶了少量的Fe、Mn 等二價金屬元素，而在其它構成礦物中，並沒有發現鎂元素；
(2) 隨C/S值的降低，轉爐鋼渣的礦物結構發生了較大變化，原來游離態的方鎂石完全消失，轉而溶入矽酸鹽和鐵酸鹽。對於初始C/S值為5.0的實驗渣，在加入20%酸性改質劑SiO2後，即C/S值小於1.67，方鎂石礦物基本消失; 當C/S = 1時，實驗渣的主要含鎂礦物為CMS 和MF。故可知，通過成分改質處理方法可完全消除轉爐鋼渣的游離態方鎂石，進而利於它作為矽酸鹽水泥材料的套用；
(3) 方鎂石是轉爐鋼渣的一種礦物，它隨C/S 值的變化情況必然與渣的其它礦物有著緊密聯繫。SiO2的加入，首先與CaO發生化學反應，然後過量的SiO2將與MgO反應。從實驗數據可以發現，當C/S降低時，C3S→C2F→CMS的變化情況。這也意味著，SiO2的改質對轉爐鋼渣游離氧化鈣的減少有著積極的作用；
(4) 成分改質作用肯定會對轉爐鋼渣的膠凝活性產生影響，圍繞這一點的相關工作正在開展。
