矿渣的化学组成与结构分析

1.矿渣的化学组成

粒化高炉矿渣是一种熔融物质，分布在熔炉底部的生铁之上。它由铁矿石的尾矿、焦炭的燃烧残留物、石灰石以及其他添加材料组成，因此，矿渣的化学成分随着铁矿石种类、燃料的成分以及炼铁方法的不同而有所不同。矿渣的主要成分有CaO（35%～40%）、SiO2（5%～35%）、MgO（5%～10%）和A12O3（5%～15%），其中含有少量的S、Fe2O3、MnO和K2O（＜1%）。矿渣中含有可以形成网络结构的阴离子Si、Al和Mg和改善其网络结构的阳粒子Ca2+、Al3+和Mg2+［5］。总体而言，矿渣中90%～95%都属于玻璃质，其余为少量结晶相的固溶体，包括钙铝黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2）、镁黄长石（2CaO·MgO·2SiO2）和黄长石族晶体等［6，8］。不同产地的矿渣的化学组成变化也很大。表3-1列出了我国不同地区矿渣的化学组成，表3-2为不同国家来源矿渣的化学组成。

表3-1　我国钢铁企业所排矿渣的化学成分　单位：%

表3-2　国外高炉矿渣的化学成分　单位：%

注：NaO2+KO2=0～2%；TiO2=0.4%(www.xing528.com)

2.矿渣的结构

矿渣由多数连续的富钙相和少数不连续的富硅相组成，富硅相被富钙相严密包裹，形成矿渣玻璃体的主要特征结构。富钙相化学稳定性差，是化学活性的主要来源，其中的Ca—O，Mg—O键比富硅相中的Si—O键弱得多，同时，矿渣形成的β-C2S晶相也具有一定的化学活性，因此，矿渣是一种分相玻璃体。这种玻璃体是由网架形成体、改性体和中间体组成。网架形成体是指网络的骨架元素，Si和P是典型的网络形成体；网架改性体是指改变网络结构并平衡电荷的那些元素，其中K、Na和Ca是玻璃体矿渣中典型的网络改性体；矿渣中的Al3+和Mg2+不仅是网架的形成体，而且又是网架的改性体，称为中间体［9-10］。由于炼铁过程中有足够的CaO存在，一部分Ca平衡了Al取代Si而形成了负电荷，多余的Ca则促进了网状玻璃体的解聚，这就意味着玻璃体的稳定性降低，反应活性提高［11］。

图3-1是矿渣玻璃体结构示意图，一般认为玻璃体是由不同的氧化物形成的向各个方向发展的空间网络，表现为近程有序，远程无序。在矿渣玻璃质中，Ca2+、Mg2+等完全不规则地、统计地分布在网络的空间内。当矿渣水淬急冷时，玻璃质的网络结构就被固定下来，但铝硅酸盐网络中在硅氧断裂处的硅氧四面体Si和Al3+代替Si4+形成的铝氧四面体A1是不稳定的，在激发剂的作用下，使玻璃体结构解离，Si、Al重新排列，形成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，从而产生胶凝作用［10-12］。

图3-1　矿渣玻璃质结构示意图［13］

—桥型氧；O—非桥型氧；硅；—钙或镁；—铝