钢渣的化学、矿物学和形态性质

摘要

钢渣是炼钢和炼钢过程中的副产品。本文综述了碱氧炉炼钢、电弧炉炼钢和钢包炉炼钢过程中产生的不同类型的钢渣。采用x射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)研究了印第安纳州两钢厂转炉炉渣和电弧炉炉渣[EAF(L)]的矿物学和形貌特征。转炉炉渣和EAF(L)炉渣的XRD谱图都非常复杂，存在多个重叠峰，这是由于炉渣中存在较多的矿物。XRD分析表明，转炉和电炉(L)炉渣样品中均存在游离MgO和CaO。扫描电镜观察发现，钢渣粒度主要呈亚角至角状。在扫描电镜下，转炉炉渣和电炉(L)炉渣粒度颗粒的表面纹理非常粗糙，具有明显的晶体结构。在详细回顾钢渣性能的背景下，讨论了本研究中考虑的钢渣样品的特性。

1.介绍

美国钢铁业每年产生1000 - 1500万吨钢渣。大约15%至40%的钢渣产量最初储存在钢铁厂，最终被送往渣场。钢渣在土木工程中的应用可以减轻对钢渣处理的需求，减少对自然资源的使用。为了在土木工程应用中以技术上合理的方式大量使用钢渣，需要更好地了解钢渣的特性。

对钢渣的化学、矿物学和形态特性的了解是必不可少的，因为钢渣的胶结和机械特性（在其利用中起着关键作用）与这些特性密切相关。例如，钢渣的摩擦特性受其形态和矿物学的影响。类似y、钢渣的体积稳定性是其化学和矿物学的一个功能。钢渣的化学、矿物学和形态特征由生成这种材料的过程决定。因此，需要了解作为副产品生产钢渣的不同类型的炼钢和精炼操作本文概述了钢渣的产生，并对钢渣的化学和矿物学性质进行了文献综述。此外，通过XRD分析和SEM研究，评估了印第安纳州两家钢厂产生的钢渣样品的矿物学和形态特征。

2.概述

炉渣是根据产生炉渣的炉来命名的。数字1显示炼铁和炼钢过程的流程图，以及每个过程产生的炉渣类型[1，2］.

钢铁工业产生的渣主要有以下几种:(一)高炉渣(炼铁渣)、(2)钢铁炉炉渣，(一)碱性氧气炉（BOF）炉渣，(b)电弧炉（EAF）炉渣，(c)钢包渣。

2．1．碱性氧炉炼钢及产渣工艺研究

位于与高炉结合的集成钢厂位于集成钢厂的碱性氧气炉用高炉和钢渣中产生的铁水负载。通常，适当的碱性氧气炉电荷由大约10-20％的钢废料和80-90％的熔铁[1，3.］.碱性氧气炉电荷中的钢屑的存在在冷却炉子中起重要作用，并将温度保持在约1600℃-1650℃的温度中，以进行所需的化学反应。

数字2图示碱性氧气炉[1，4］.首先，把废钢装进熔炉，装完废钢后，立即用起重机将一包铁水(约200吨)浇在废钢上面。然后把氧枪放入炉中，以超音速将99%的纯氧吹到炉料上。在持续约20-25分钟的吹气周期中，强烈的氧化反应去除炉料中的杂质。溶解在钢中的碳被燃烧形成一氧化碳，使温度上升到1600-1700°C(在整个吹氧期间，炉膛内的温度被仔细监控)。废铁因此熔化，铁水的含碳量降低了[1，3.］.为了除去熔体的不需要的化学元素，还将炉子加入助熔剂，例如石灰（CaO）或白云石（MGCA（CO）_3.）₂），在氧气吹循环期间。杂质与燃烧的石灰或白云石形成炉渣结合，并减少了熔体中不需要物质的量。在吹循环的末端附近收集熔融金属的样品并测试其化学组成。一旦实现所需的化学成分，氧气矛阻出炉中。

炼钢过程中产生的炉渣漂浮在钢水的顶部。为了把钢送入钢包，碱性氧炉是向一个方向倾斜的。在碱性氧气炉中生产的钢既可以在二次精炼装置中进行进一步精炼，也可以直接送到连铸机中，在连铸机中，半成品(方坯、小方坯或板坯)在综合钢厂进行凝固。当全部钢从碱氧炉中取出后，再向相反方向倾斜，将钢渣液倒入钢包中。炼钢循环产生的炉渣稍后再进行加工，加工后的最终产品称为碱性氧炉渣(转炉炉渣)。除去杂质过程中发生的化学反应决定了碱性氧炉渣的化学成分[1，3.，5］.

2.2。电弧炉（EAF）炼钢和炉渣的过程

电弧炉(小型炼钢厂)使用大功率电弧而不是气体燃料来产生熔化回收废钢并将其转化为高质量钢所必需的热量。电弧炉炼钢过程不依赖于高炉的生产，因为它的主要原料是废钢和一些生铁。电弧炉配有石墨电极，类似于一边有喷嘴或偏心凹槽的巨型水壶。电弧炉炉顶可旋转、摆动，便于原料装载。废钢，无论是作为重熔(大板和梁)或粉碎形式被分离，分级，并在废钢堆场分类为不同类别的钢。废料筐根据废料的大小和密度小心地装上不同类型的废料，以确保炉内的熔化条件和成品钢的化学成分都在目标范围内[1- - - - - -3.］.

电弧炉炼钢过程始于使用废钢筐将各种类型的废钢装入熔炉。接下来，将石墨电极放入炉中。然后，产生电弧，使电流通过电极和金属本身。电弧和金属对电流的电阻产生热量。当废料融化时，电极被深入废料层。在一些钢铁厂，在这个过程中，氧气也通过喷枪喷射，将废料切割成较小的尺寸。随着熔炼过程的进行，在炉底会产生一池钢液。CaO，以煅烧石灰或白云石的形式，要么与废料一起被引入熔炉，要么在熔化过程中被吹入熔炉。在几筐废料熔化后，进行精炼冶金操作(例如脱碳和除磷)。在炼钢过程中，氧气通过氧枪注入钢水。 Some iron, together with other impurities in the hot metal, including aluminum, silicon, manganese, phosphorus, and carbon, are oxidized during the oxygen injections. These oxidized components combine with lime (CaO) to form slag. As the steel is refined, carbon powder is also injected through the slag phase floating on the surface of the molten steel, leading to the formation of carbon monoxide. The carbon monoxide gas formed causes the slag to foam, thereby increasing the efficiency of the thermal energy transfer. Once the desired chemical composition of the steel is achieved, the electric-arc furnace is tilted, and the slag and steel are tapped out of the furnace into separate ladles. Steel is poured into a ladle and transferred to a secondary steelmaking station for further refining. The molten slag is carried to a slag-processing unit with ladles or slag pot carriers [1- - - - - -3.，5］.

在电弧炉中，每个周期最多可生产300吨钢（一个周期需要一到三个小时才能完成）。最初，电弧炉炼钢工艺比转炉炼钢工艺更昂贵，因此，它仅用于生产高质量钢材。然而，随着电弧炉规模多年来的增加，电弧炉炼钢工艺在生产不同等级的钢材方面变得具有竞争力，并已开始占据主导地位e根据美国地质调查局的数据，2006年美国钢铁行业占钢铁总产量的55%[6］.

2．3.钢包炉精炼和出渣

在完成初级炼钢操作后，转炉或电弧炉工艺生产的钢可以进一步精炼，以获得所需的化学成分。这些精炼过程称为二次炼钢操作。精炼工艺在高级钢的生产中很常见。二次精炼过程最重要的功能是最终的脱硫、氧、氮和氢的脱气、杂质的去除和最终的脱碳(用于超低碳钢)。根据所需钢的质量，电炉和转炉生产的钢水要经过上述部分或全部精炼工艺[1，2]。大多数小型钢厂和综合钢厂都设有钢包炉精炼站，用于二次冶金过程。图形3.显示了电弧炉和与其相关的钢包精炼装置的示意图[2，4］.

钢包炉，看起来像较小版本的EAF炉子，也有三个石墨电极连接到用于加热钢的电弧变压器。通常，钢包炉的底部具有管道，通过该管道注入氩气中搅拌和均匀化炉子中的液体。通过注射脱硫剂（如Ca，Mg，Casi，Cac₂)，钢中的硫浓度可降至0.0002% [1].脱氧过程中添加硅和铝形成二氧化硅（SiO₂)和氧化铝(Al₂O_3.)；这些氧化物随后被精炼过程中产生的炉渣吸收。此外，为了精确调整钢的化学成分以生产不同等级的钢，通过连接到钢包炉的合金料斗将所需的合金添加到钢液中。钢包炉还可作为一个在开始浇铸操作之前对钢进行储存。因此，钢包炉降低了高档钢生产的成本，并允许炼钢操作的灵活性[1，2］.

3.钢渣的化学成分

如上所述，转炉和电炉的渣都是在基础炼钢操作中形成的。因此，转炉炉渣和电炉炉渣的化学成分和矿物学组成总体上是相似的。氧化钙和氧化铁是电炉和转炉炉渣的两种主要化学成分。钢包渣是在钢包炉中加入几种合金以生产不同等级的钢的精炼过程中产生的。因此，钢包渣的化学成分不同于转炉和电弧炉。表格1提供来自不同来源的碱性氧炉(BOF)、电弧炉(EAF)和钢包渣的化学成分[7- - - - - -22］.


氧化物成分（%）
参考	渣类型	曹	SiO₂	艾尔₂O_3.	氧化镁	FeO说	菲₂O_3.	菲_全部的	所以_3.	MnO	TiO₂	P₂O₅	游离氧化钙

Das等人[7］	转炉	47.9	12．2	1.2	0．8	26.3	- - - - - -	- - - - - -	0．3	0．3	- - - - - -	3.3	- - - - - -
朱克斯[8］^一个	转炉	36.4–45.8	10.7 - -15.2	1 - 3.4	4.1 - -7.8	- - - - - -	- - - - - -	19-24	0.1 - -0.2	2.7-4.3.	- - - - - -	1-1.5	2.5-12
Mahieux等[9］	转炉	47.5	11.8	2	６．３	- - - - - -	22.6	- - - - - -	- - - - - -	1.9	0．5	2.7	- - - - - -
Poh等人[10］	转炉	52.2	10．8	1.3	5.04	17.2	10．1	- - - - - -	- - - - - -	2.5	０．６	1.3	10．2
Shen等人。[11］	转炉	39.3	7．8	0.98	8.56	- - - - - -	38.06	- - - - - -	0．0	4.2	0．9	- - - - - -	- - - - - -
施[12］	转炉	30-55	8-20	1 - 6	5–15	10 - 35	- - - - - -	- - - - - -	0.1 - -0.2	2 - 8	0.4 - 2	0.2–2	- - - - - -
Tossavainen等人[13］	转炉	45.0	11.1	1.9	9．6	10．7	10．9	- - - - - -	- - - - - -	3.1	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
Waligora等。[14］	转炉	47.7	13.3	3.0	6．4	- - - - - -	24.4			2.6	0．7	1.5	9．2
薛泉等[15］^b	转炉	45 - 60	10–15	1 - 5	3-13	7-20	3 - 9	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	1 - 4	- - - - - -

巴拉等人。[16］	电弧炉	29.5	16．1	7．6	5．0	- - - - - -	32.56	- - - - - -	０．６	4.5	0.78	０．６	- - - - - -
Luxán等人[17］	电弧炉	24.4	15.4	12．2	2.9	34.4	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	5．6	0.56	1.2	- - - - - -
Manso等人。[18］	电弧炉	23.9	15.3	7．4	5．1	- - - - - -	- - - - - -	42.5	0．1	4.5	- - - - - -	- - - - - -	0．5
施[12］	电弧炉	35–60	9-20	2 - 9	5–15	15 - 30	- - - - - -	- - - - - -	0.1 - -0.2	3 - 8	- - - - - -	0.0–0.3	- - - - - -
Tossavainen等人[13］	电弧炉	38.8	14.1	6．7	3.9	5．6	20．3	- - - - - -	- - - - - -	5	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
Tsakiridis等人[19］	电弧炉	35.7	17．5	６．３	6．5	- - - - - -	26.4	- - - - - -	- - - - - -	2.5	0．8	- - - - - -	- - - - - -

Nicolae等[20.］	包	49.6	14.7	25.6	7．9	0.44	0.22	0．17	0．8	0．4	- - - - - -	0．2	- - - - - -
施[12］	包	30–60	2-35	5-35	1–10	0-15	- - - - - -	- - - - - -	0.1-1.	0 - 5.0	- - - - - -	0.1 - -0.4	- - - - - -
Qian et al. [21］	包	49.5	19.59	12．3	7．4	- - - - - -	0．9	- - - - - -	- - - - - -	1.4	- - - - - -	0．4	2.5
Setién等[22］	包	50.5 - -57.5	12.6 - -19.8	4.3-18.6	7.5 - -11.9	- - - - - -	1.6-3.3.	- - - - - -		0.4-0.5	0.3 - -0.9	0-0.01	-19 - 3.5
Tossavainen等人[13］	包	42.5	14.2	22.9	12.6	0．5	1.1	0．4	- - - - - -	0．2	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -

^一个数值的范围是根据Juckes提供的来自英国4个不同来源的化学成分数据汇编的[8］.
^b薛泉等[15报告精炼过程中(未指定为转炉)钢渣的化学成分。
-=数据不可用。

碱性氧炉渣的主要化学成分为CaO、FeO和SiO₂．在铁水转化为钢的过程中，一定比例的铁水中的铁不能回收到生产的钢中。在转炉炉渣的化学成分中可以观察到这种氧化铁。根据炉膛的效率，氧化铁(FeO/Fe₂O_3.)中转炉炉渣含量可高达38%(见表)1）;这是在铁水转化为钢中不能回收的氧化铁的量。二氧化硅（SIO₂)转炉炉渣的含量在7%到18%之间。铝₂O_3.MgO含量分别在0.5 ~ 4%和0.4 ~ 14%之间。游离石灰含量可高达12%。在铁转化为钢的过程中使用了大量的石灰或白云石石灰，因此转炉炉渣中CaO的含量通常非常高(CaO >35%) [1，8，12，23］.

电炉炉渣的化学成分与转炉炉渣相似(见表)1)。电弧炉炼钢过程本质上是一个废钢回收过程。因此，电弧炉炉渣的化学成分在很大程度上取决于回收钢的性能。与转炉炉渣相比，电弧炉炉渣的主要化学成分可能差异很大。通常，FeO、CaO、SiO₂,艾尔。₂O_3.电炉炉渣中MgO含量分别在10-40%、22-60%、6-34%、3-14%和3-13%之间。其他次要成分包括其他氧化杂质，如MgO、MnO和SO_3.．电炉炉渣中还含有游离CaO、MgO以及其他复杂矿物和CaO、FeO、MgO固溶体。不锈钢生产过程中产生的电炉炉渣中FeO含量可低至2% [24］.

钢包渣（LS）的化学成分信息在钢精炼过程中，不同的合金被送入钢包炉以获得所需的钢种。因此，钢包渣的化学成分高度依赖于所生产的钢的等级。因此，与BOF和EAF渣相比，钢包渣的化学成分非常高易变。通常，钢包渣中的FeO含量远低于电弧炉和转炉渣中的FeO含量（<10%）₂O_3.钢包渣通常更高，曹含量较高（参见表1)．

4.钢渣的矿物学性质

晶体的形成是熔体的化学组成及其冷却速率的函数。富硅高炉矿渣在快速冷却时容易形成玻璃相。钢渣的硅含量比高炉渣低，因此钢渣即使迅速冷却也很少玻璃化。Tossavainen等人[13]研究了冷却速度对具有不同主要化学成分比例的转炉、电弧炉和钢包渣样品矿物学的影响，结果表明，使用水造粒技术快速冷却的钢包渣几乎完全无定形，但方镁石（MgO）的晶相除外另一方面，快速冷却（颗粒化）的转炉和电弧炉炉渣样品显示出非常复杂的晶体结构，类似于缓慢冷却的转炉和电弧炉炉渣样品。Reddy等人[25]还利用XRD分析在淬硬的转炉炉渣中发现了一种非常结晶的结构。这些研究表明，由于钢渣的化学成分，一般情况下，即使在快速冷却时，钢渣也会结晶。

几位研究人员研究了钢渣的矿物学成分。钢渣样品的X射线衍射分析表明，钢渣具有复杂的结构，具有许多重叠的峰，反映了钢渣中存在的结晶相。这些结晶相似乎主要是由于钢渣的化学成分和缓慢冷却造成的e在处理过程中应用[1，26- - - - - -28］.不同钢铁厂进入熔炉的原料(料)是不同的，因此不同钢铁厂生产的钢渣的化学成分是不同的。在电炉、转炉和钢包渣中鉴定和报道了多种矿物相。表格2介绍在钢渣中发现的矿物，如文献[8，13，16，17，20.，21，25，28- - - - - -30.］.


参考	渣	矿物学相

巴拉等人。[16］	电弧炉	可可_3.，FeO，MgO，Fe₂O_3.，加利福尼亚州₂艾尔(AlSiO₇),Ca₂SiO₄

geisel [29］	- - - - - -	2曹·SiO₂3曹·SiO₂，2CaO·Fe₂O_3.、FeO、(Ca, Fe)O(钙云母)、(Mg, Fe)O(镁云母)、游离MgO、CaO

朱克斯[8］	转炉	C_3.年代,C₂年代,C₂F、RO相(FeO-MgO-CaO-FeO)、MgO、CaO

Luxán等人[17］	电弧炉	Ca₂SiO₅，加利福尼亚州₂艾尔(AlSiO₇)、铁₂O_3.，加利福尼亚州₁₄镁₂(SiO₄）₈, MgFe₂O₄、锰_3.O₄, MnO₂

Manso等人。[28］	包	艾尔₂O₄镁，钙（OH）₂,如果₂O₆CaMg,分别以Ca_3.SiO₅，β-CA.₂SiO₄，γ-CA.₂SiO₄,所以₄Ca

Nicolae等[20.］	转炉	2曹·艾尔₂O_3.·SiO₂，Fe.₂O_3.曹,FeO说

Nicolae等[20.］	电弧炉	MnO₂MnO,菲₂SiO₄，Fe.₇SiO₁₀

Nicolae等[20.］	包	曹·SiO₂, CaOAl₂O_3.2·sio₂,中科院,艾尔。₂O_3.

Qian et al. [21］	电弧炉	γ-CA.₂SiO₄， C_3.太太₂， CFMS, FeO-MnO-MgO固溶体

Qian et al. [21］	包	γ-CA.₂SiO₄， C_3.太太₂，MgO

reddy等。[25］	转炉	2CaO·Fe₂O_3.，2CaO·P₂O₅，2cao·siO₂曹

reddy等。[25］	转炉^问	2CaO·Fe₂O_3.3曹·SiO₂，2cao·siO₂，Fe.₂O_3.

Tossavainen等人[13］	包	Ca₁₂艾尔₁₄O₃₃,分别以·β-CA.₂SiO₄，γ-CA.₂SiO₄，加利福尼亚州₂艾尔₂SiO₇

Tossavainen等人[13］	转炉	β-CA.₂SiO₄FeO-MnO-MgO固溶体，MgO

Tossavainen等人[13］	电弧炉	Ca_3.MG（SIO.₄）₂，β-CA.₂SiO₄、尖晶石固溶体(Mg, Mn)(Cr, Al)₂O₄， (Fe, Mg, Mn)O)， Ca₂(铝、铁)₂O₅

Tsakiridis等人[19］	电弧炉	Ca₂SiO₄，4cao·al₂O_3.·菲₂O_3.，加利福尼亚州₂艾尔(AlSiO₇),Ca_3.SiO₅2曹·艾尔₂O_3.·SiO₂，FeO，Fe_3.O₄、分别、SiO₂

Wachsmuth等人[30.］	转炉	Ca₂SiO₄，加利福尼亚州_3.SiO₅，feo，2cao·fe₂O_3.

^问淬火；-=未提供的熔渣类型。

钢渣中常见的矿物相有三钙铝镁石(3CaO·MgO·2SiO)₂),橄榄石(2分别以·2 feo说·SiO₂），-C₂S（2CaO·SiO）₂），-C₂年代,C₄房颤(4曹·艾尔₂O_3.·FeO说_3.),C₂F(2曹·菲₂O_3.），Cao（自由石灰），MgO，Feo和C._3.曹(3·SiO₂)、RO相(CaO-FeO-MnO-MgO固溶体)[21，24，31]，可以在表格中看到2．由于转炉炉渣和电炉炉渣的氧化铁含量都很高，FeO(电炉炉渣)的固溶体通常是主要矿物相之一。钢包渣中FeO含量较低，C的晶型较低₂因此，经常观察到S作为主要相位[19，24，27，29］.

由于矿物学中存在不稳定相，钢渣可能表现出体积不稳定性，这主要是由游离CaO的存在引起的。在有水存在的情况下，游离石灰水合并形成硼镁石（Ca（OH）₂)波特兰铁矿的密度比CaO低，因此，游离CaO的水合作用导致体积增加。Ramachandran等人[32]研究了CaO的水化机理，并证明当其浸入水中时，压实的CaO可以在几天内几乎完全水化，体积增加高达100%。他们的研究还表明，由于水蒸气的作用，石灰在水蒸气中的水化比在水中的水化引起的膨胀更大温度。石灰快速水合的事实表明，如果钢渣中的大部分游离石灰能够接触到水，那么在几天内就会水合。然而，残余石灰可以嵌入砾石大小的钢渣颗粒中的小口袋中。图4图中为带有石灰袋的砾石级转炉炉渣颗粒(白色部分)。如果石灰袋不能通过延伸到它们的裂缝获得水，它们可能根本就不会水合物。如果矿渣颗粒中有裂缝延伸到这些石灰囊，那么水化就会进行[8，12，33］.

其他膨胀化合物，如游离氧化镁，也可能存在于钢渣中。与CaO不同的是，游离MgO的水合速度要慢得多，导致数月甚至数年的体积变化。现代炼钢工艺产生的渣中MgO含量一般较低。然而，如果白云石(CaMg(CO_3.）₂)代替石灰作助熔剂时，钢渣中游离MgO含量增加，MgO水化体积膨胀的可能性也增大[8，34- - - - - -37］.

另一个引起体积膨胀的反应涉及硅酸钙(C₂s）阶段。C.₂S相普遍存在于各类钢渣中，特别是作为钢包渣的主要相含量丰富。C₂S存在于四个定义良好的多晶型中：，，和．-C₂S在高温下是稳定的(>630°C)。在低于500°C的温度下，-C₂S开始转化为-C₂这种转换可产生高达10%的体积膨胀。如果钢渣冷却过程缓慢，结晶破碎，导致大量粉尘。这种相转换和伴随的除尘是钢包渣的典型现象。因此，钢包渣通常被称为“自尘”或“落渣”[8，27］.

5.印第安纳钢铁厂钢渣的特性研究

5.1.材料

钢渣颗粒的化学组成、矿物学和形态对钢渣的胶凝特性和力学性能均有影响。本研究考虑了印第安纳州钢厂产生的两种不同类型的钢渣(转炉钢渣和电炉钢渣)。

位于印第安纳州高地的米塔尔钢铁公司印第安纳港工厂西部工厂是转炉炉渣的来源工厂。在米塔尔钢铁厂进行炉渣处理作业的哈斯科公司Multiserv Ltd.提供了由小于15的颗粒组成的转炉炉渣的代表性样品嗯。位于印第安纳州克劳福德维尔的Nucor Steel的Whitesville钢厂是电弧炉钢包（L）渣的来源。爱德华·C·利维公司（Edward C.Levy Co.）在怀特维尔钢厂运营，提供电弧炉（L）炉渣。这种炉渣被称为EAF（L）炉渣，因为它是从电弧炉精炼钢而产生的钢包渣。Edward C.Levy Co.提供了电弧炉（L）炉渣的代表性样品，其颗粒小于9.5 嗯。

5.2。测试方法

炉渣处理公司(Multiserv和Edward C. Levy Co.)使用x射线荧光(XRF)分析，测定了转炉炉渣和EAF(L)样品的氧化物组成。为了确定钢渣样品中的矿物学相，用西门子D-500衍射仪对转炉钢渣和电炉(L)钢渣样品进行了铜辐射x射线衍射分析。将具有代表性的烘干钢渣样品(既有砾石级的，也有更细的颗粒)粉碎，直到达到通过第200号(0.075 mm开口)筛的粉末。粉末样品从5°到65°步进扫描(0.02°增量，1 s计数时间。通过与粉末衍射标准联合委员会(The Joint Committee for Powder diffraction Standards, Hanawalt System for identification of inorganic compounds, JCPDS)提供的x射线衍射图谱进行比较，分析了钢渣样品的x射线衍射图谱。Jade软件也被用来帮助鉴定样品中存在的矿物质。由于在XRD谱图中存在重叠峰和被测渣样品中结晶相的复杂性，只能进行定性分析。对每个被测试的渣样，确定了主要的、次要的和可能的相。

对钢渣颗粒进行了显微观察，分析了钢渣颗粒的形状、棱角和表面纹理。使用扫描电子显微镜(ASPEX、Model Personal SEM)和光学显微镜(尼康)检查。砾石大小的颗粒的形状和表面纹理可以用肉眼看到。在光学显微镜下观察中砂级颗粒。更细的砂和粉砂颗粒在扫描电镜下进行了检查。为防止钢渣颗粒装药，采用Hummer 6.2溅射系统对钢渣颗粒进行镀钯处理。用双面铜带检测了包覆的钢渣颗粒。扫描电镜图像通过显微照片和数字文件捕获。

6.转炉炉渣化学组成及颗粒矿物学研究

表格3.给出了转炉炉渣样品的氧化成分。本研究测试的转炉炉渣样品中大多数氧化物的百分比均在其他研究人员报告的范围内[8，10，13，38，39］.但所测转炉炉渣样品中FeO含量略高于文献报道的大多数转炉炉渣。


氧化物	%(按重量)

曹	39.40
FeO说	30.23
SiO₂	11.97
氧化镁	9.69
MnO	2.74
艾尔₂O_3.	2.16
P₂O₅	1．00
TiO₂	0.40
Na₂O	0．25
Cr₂O_3.	0.20
K₂O	0．05
Cl	0．01
所以_3.	0．12
L.O.I。^一个	1.80

^一个L.O.I:着火损失。

转炉炉渣样品的XRD谱图非常复杂，由于样品中存在的矿物较多，存在多个重叠峰(见图)5).转炉炉渣在渣坑中缓慢冷却，从而有足够的时间形成清晰的晶体。其他几位研究人员也报告了类似的、复杂的转炉炉渣XRD图谱[13，20.，25］.

表格4总结了在转炉炉渣样品中识别出的所有矿物相。在转炉炉渣样品中识别出的矿物相根据峰的强度被确定为主相或小相，这是样品中矿物存在的数量的指示。需要注意的是，转炉炉渣的矿物组成非常复杂，有许多重叠峰和不同的氧化物(FeO和MgO)固溶体，这使得相的鉴定非常困难。因此，一些不能确定的矿物相重叠被认为是可能的。转炉炉渣中最丰富的矿物相是褐铁矿(Ca(OH))。₂)．这种矿物的存在是预期的，因为转炉炉渣中含有39%的石灰(CaO)，在水分存在的情况下，会转化为Ca(OH)₂.其他主要阶段包括merwinite（约_3.MG（SIO.₄）₂)和srebrodol 'skite (Ca₂菲₂O₅)．样品中游离石灰(CaO)的存在和游离氧化镁(MgO)的存在表明了所测试的转炉炉渣的体积不稳定性。


矿物类型	公式	转炉炉渣

氢氧钙石	Ca(哦)₂	主要
Srebrodol 'skite	Ca₂菲₂O₅	主要
Merwinite	Ca_3.MG（SIO.₄）₂	主要
斜硅钙石	Ca₂SiO₄	少数的
方解石（锰）	(钙、锰)有限公司_3.	少数的
石灰	曹	少数的
白云石	CaMg(有限公司_3.）₂	少数的
硅灰石	卡西欧_3.	可能的
periclase.	氧化镁	可能的
五水泻盐	硫酸镁₄·5H₂O	可能的
钙镁橄榄石	CaMgSiO₄	可能的
赤铁矿	菲₂O_3.	可能的
菱镁矿	MgCO_3.	可能的

7. BOF渣颗粒形态学

数字6显示了转炉炉渣粒度的大小。转炉炉渣粒度由次圆角到次棱角不等。在次棱角、大块颗粒中可见明显的棱角和边缘。大部分砾石颗粒球形度高，结构坚固。在少量颗粒表面还观察到非均质多孔结构。

数据7(一)和7 (b)SEM显微照片分别显示了转炉炉渣颗粒的形状和表面结构。SEM研究表明，砂粒和粉粒大小的转炉炉渣颗粒呈近圆形至棱角形状。在棱角较大的颗粒中可以看到明显的微凸体和边缘。在SEM下检查的大多数砂粒和粉粒大小的颗粒具有粗糙的表面表面纹理。

(一)

(b)

8.电炉(L)炉渣化学组成及颗粒矿物学研究

表格5显示测试的EAF（L）渣样品的氧化物组合物。


氧化物	%(按重量)

曹	47.52
艾尔₂O_3.	22.59
FeO说	7.61
氧化镁	7.35
SiO₂	4.64
所以_3.	2.28
MnO	1．00
Cr₂O_3.	0.37
TiO₂	0.33
P₂O₅	0.09
Na₂O	0．06
K₂O	0．02
锌	0．01
L.O.I^一个	6.20

^一个L.O.I:着火损失。

施[12报告说，曹，SiO₂,艾尔。₂O_3.钢包渣中MgO和FeO的含量分别为30-60%、2-35%、5-35%、1-10%和0.1-15%。SiO₂本研究中使用的电弧炉（L）炉渣含量略高于Shi报告的范围下限[12］.本研究中使用的电炉(L)炉渣在大气环境条件下在坑内冷却非常缓慢。这些缓慢的冷却条件允许各种晶体相的形成;这些都反映在图中非常复杂的XRD谱图中8．检测到的矿物相具有明显的高强度峰和一些低强度峰重叠。其他几位研究人员也报道了类似的EAF(L)渣XRD谱图[13，20.，28］.

表格6总结在EAF（L）渣样品中鉴定的所有矿物相。如对BOF渣所确定的，在EAF（L）渣样品中鉴定的矿物相根据峰的强度确定为主要或次要。可以确定无法确定的重叠矿物阶段是可能的。在EAF（L）渣样品中存在的两个主要矿物相是波特兰石（CA（哦₂)和mayeite (Ca₁₂艾尔₁₄O₃₃)．在EAF(L)炉渣样品的XRD谱图中，观察到波兰人的峰(见表)5)．其他被鉴定出的少量相有石灰(CaO)、麻石(Ca₂SiO₄), uvavorite (Ca_3.·Cr₂(SiO₄）_3.)硅灰石（Ca，Fe）SiO_3.)和方镁石（MgO）。


矿物类型	公式	电弧炉熔渣(L)

氢氧钙石	Ca(哦)₂	主要
麻长岩	Ca₁₂艾尔₁₄O₃₃	主要
斜硅钙石	Ca₂SiO₄	少数的
石灰	曹	少数的
悬雍垂岩	Ca_3.·Cr₂(SiO₄）_3.	少数的
硅灰石^f	（CA，FE）SIO_3.	少数的
periclase.	氧化镁	少数的
方解石	可可_3.	可能的
Merwinite	Ca_3.MG（SIO.₄）₂	可能的

^fFerroan。

9.电炉(L)渣粒形态

数字9显示电弧炉（L）熔渣的砾石粒度。电弧炉（L）的砾石粒度矿渣样品的形状从亚圆形到次棱角形状不等。观察到粗大和板状砾石大小的颗粒。次棱角粗大颗粒中也可见明显的凹凸体和边缘。大多数板状颗粒形状不规则，球形度非常低，边缘锋利。图10（a）和10（b）显示了EAF(L)矿渣砂和粉砂粒度颗粒。电炉(L)渣砂和粉砂粒度的颗粒被亚棱角化。还观察到一些形状非常不规则的板状颗粒。在扫描电镜下检查的大部分EAF(L)渣砂粒度颗粒表面纹理极其粗糙，呈片状结晶结构(见图)10)．电炉(L)渣砂级颗粒的一些SEM显微照片表明存在多孔结构。

(一)

(b)

10.结论

通过XRD和SEM研究了印第安纳州两个钢厂转炉和电炉(L)炉渣样品的矿物学和形态特征。得出以下结论。(1）转炉炉渣样品中确定的主要矿物相为硼黄铁矿、srebrodol’skite和merwinite。（2)转炉炉渣粒度颗粒大多球度高，结构坚固。在扫描电镜下，砂粉级转炉炉渣颗粒呈棱角状，表面纹理粗糙。(3）在电弧炉（L）炉渣样品中确定的主要矿物相为硼黄铁矿、钾铁闪锌矿和铁闪锌矿。（4)在EAF(L)渣样中，观察到具有极低球度和锋利边缘的块状和片状砾石颗粒。电炉(L)渣样砂粉粒度颗粒呈亚圆至亚角形状。扫描电镜显示，大部分砂级颗粒表面纹理极其粗糙，晶体结构明显。(5)形态研究表明，试验的转炉和电炉(L)渣均具有良好的摩擦特性。（6)测试的转炉和电弧炉（L）炉渣样品的复杂XRD图谱是其化学成分和加工过程中应用的非常缓慢的冷却条件的结果。BOF和EAF（L）炉渣样品的XRD分析表明存在游离MgO和CaO。由于这些化合物在水合时会膨胀，因此需要评估测试钢渣的体积不稳定性，以用于土木工程应用。

致谢

这项工作得到了印第安纳州交通部（indot）和普渡大学的联合交通研究计划的支持，edw。C. Levy Co.和MultiServ Ltd.，Harsco Corporation。本文的内容反映了作家的意见，他负责本文所呈现的数据的事实和准确性。内容既不一定反映印第安纳州交通部的官方观点或政策，也不是内容构成标准，规范或监管。作家们感谢Levy Co.的John Yzenas，以及在这个项目期间为他们的支持Nayyar Siddiki提供了支持。

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