·344 工程科学学报，第40卷，第3期 2FeO+Caz SiO+3SiO2-2CaFeSi2O (9) 时样品产生了大而多气孔，多数连接形成了气孔带， 含铁矿物在氮气气氛影响下可能的烧结反 气孔大小从数μm到数百um,个别气孔带长度在 应为： 500μm以上.这一趋势与图1(b)的吸水率数据变 FeO Al,O32SiO,-FeAl,O +2SiO2 (10) 化趋势相对应，即烧结温度从1080℃开始，样品的 Fe0+Si0,→FeSi03 (11) 吸水率随烧结温度升高而升高：在1110℃吸水率又 对比空气和氮气下对含铁矿物影响的反应可 出现下降，其原因是形成过多的液相导致样品表面 知，当反应式(8)发生后，铁元素以赤铁矿形式存 在冷却过程中出现釉面层，包裹了样品，因此吸水率 在，不与黏土矿物发生反应，因此黏土矿物将进一步 检测值下降：但是，图3(d)表明，其内部仍然存在更 发生氧化硅和氧化铝组分的重组，形成莫来石和石 大的孔洞，这也和图1(a)中的抗压强度一直下降相 英；而反应式(11)发生后，含铁矿物将与黏土矿物 对应.这表明，氮气气氛下在1110℃及更高温度烧 发生反应，消耗了脱水后的黏土矿物，因此在氮气条 结的样品出现了过烧.氮气条件下生成孔洞大于空 件下未能发现莫来石矿物的产生， 气条件下的可能原因是：在相同烧结气氛条件下，随 2.3样品显微结构与能谱分析 着烧结温度的升高，Fe2+相对Fe3+具有更大的助熔 图3为不同烧结温度和烧结氛围下样品放大 作用，能够形成温度更低的低熔点化合物，这造成了 100倍的扫描电镜图像，从图中可以看出：在空气条 更大气孔的形成，而且这一趋势随着温度升高更加 件下烧结，样品在1080℃产生极少量气孔，而烧结 明显.另一方面，在相同烧结温度下，钢渣中少量的 温度提高到1140℃时，样品产生了较多的气孔，气 Fe3+在氮气烧结条件下样品中会发生析氧反应，生 孔大小不均且大多呈联通状态，部分气孔联通形成 成的气体会增加样品中气孔的大小和数量 长条状气孔，气孔平均直径为45m.这一趋势与图 图4为不同烧结条件下的钢渣陶瓷样品放大 1(6)的吸水率数据变化趋势相对应，即烧结温度从 10000倍扫描电镜图像.根据扫描电镜图片表面形 1110℃开始，样品的吸水率随烧结温度升高而 貌，分别选择8个特征点进行能谱分析.结合图2 升高. 分析，可由图4(a)可知，样品在1080℃和空气条件 在氮气烧结条件下，样品在1080℃烧结时就己 下烧结，铁元素主要以赤铁矿相的形式存在.在该 经产生了较多的气孔，气孔大小不均且大多呈联通 温度下形成的赤铁矿晶体尺寸较小，晶粒尺寸多为 状态，气孔平均直径为35um;烧结温度达到1140℃ 0.3~0.5m,颜色较浅，与其他矿相紧密结合在一 (a 图3不同烧结条件下的钢渣陶瓷微观形貌图：(a)空气，1080℃：(b)氮气，1080℃：(c)空气，1140℃：(d)氮气，1140℃ Fig.3 SEM images of slag ceramics under different sintering condition:(a)air,l080℃：(b)N2,l080℃：(c)air,1140℃：(d)N2,1140℃工程科学学报，第 40 卷，第 3 期 2FeO + Ca2 SiO4 + 3SiO2→2CaFeSi2O6 ( 9) 含铁矿物在氮气气氛影响下可能的烧结反 应为: FeO + Al2O3 ·2SiO2→FeAl2O4 + 2SiO2 ( 10) FeO + SiO2→FeSiO3 ( 11) 对比空气和氮气下对含铁矿物影响的反应可 知，当反应式( 8) 发生后，铁元素以赤铁矿形式存 在，不与黏土矿物发生反应，因此黏土矿物将进一步 发生氧化硅和氧化铝组分的重组，形成莫来石和石 英; 而反应式( 11) 发生后，含铁矿物将与黏土矿物 发生反应，消耗了脱水后的黏土矿物，因此在氮气条 件下未能发现莫来石矿物的产生． 图 3 不同烧结条件下的钢渣陶瓷微观形貌图: ( a) 空气，1080 ℃ ; ( b) 氮气，1080 ℃ ; ( c) 空气，1140 ℃ ; ( d) 氮气，1140 ℃ Fig． 3 SEM images of slag ceramics under different sintering condition: ( a) air，1080 ℃ ; ( b) N2，1080 ℃ ; ( c) air，1140 ℃ ; ( d) N2，1140 ℃ 2. 3 样品显微结构与能谱分析 图 3 为不同烧结温度和烧结氛围下样品放大 100 倍的扫描电镜图像，从图中可以看出: 在空气条 件下烧结，样品在 1080 ℃ 产生极少量气孔，而烧结 温度提高到 1140 ℃ 时，样品产生了较多的气孔，气 孔大小不均且大多呈联通状态，部分气孔联通形成 长条状气孔，气孔平均直径为 45 μm． 这一趋势与图 1( b) 的吸水率数据变化趋势相对应，即烧结温度从 1110 ℃ 开 始，样品的吸水率随烧结温度升高而 升高． 在氮气烧结条件下，样品在 1080 ℃ 烧结时就已 经产生了较多的气孔，气孔大小不均且大多呈联通 状态，气孔平均直径为 35 μm; 烧结温度达到 1140 ℃ 时样品产生了大而多气孔，多数连接形成了气孔带， 气孔大小从数 μm 到数百 μm，个别气孔带长度在 500 μm 以上． 这一趋势与图 1( b) 的吸水率数据变 化趋势相对应，即烧结温度从 1080 ℃ 开始，样品的 吸水率随烧结温度升高而升高; 在 1110 ℃ 吸水率又 出现下降，其原因是形成过多的液相导致样品表面 在冷却过程中出现釉面层，包裹了样品，因此吸水率 检测值下降; 但是，图 3( d) 表明，其内部仍然存在更 大的孔洞，这也和图 1( a) 中的抗压强度一直下降相 对应． 这表明，氮气气氛下在 1110 ℃ 及更高温度烧 结的样品出现了过烧． 氮气条件下生成孔洞大于空 气条件下的可能原因是: 在相同烧结气氛条件下，随 着烧结温度的升高，Fe2 + 相对 Fe3 + 具有更大的助熔 作用，能够形成温度更低的低熔点化合物，这造成了 更大气孔的形成，而且这一趋势随着温度升高更加 明显． 另一方面，在相同烧结温度下，钢渣中少量的 Fe3 + 在氮气烧结条件下样品中会发生析氧反应，生 成的气体会增加样品中气孔的大小和数量． 图 4 为不同烧结条件下的钢渣陶瓷样品放大 10000 倍扫描电镜图像． 根据扫描电镜图片表面形 貌，分别选择 8 个特征点进行能谱分析． 结合图 2 分析，可由图 4( a) 可知，样品在 1080 ℃ 和空气条件 下烧结，铁元素主要以赤铁矿相的形式存在． 在该 温度下形成的赤铁矿晶体尺寸较小，晶粒尺寸多为 0. 3 ～ 0. 5 μm，颜色较浅，与其他矿相紧密结合在一 · 443 ·