·346 工程科学学报，第40卷，第3期 抗压强度下降了49MPa,赤铁矿晶相增多是其中强 度下降的一个可能原因. 结合图2(b)分析，由图4(c)可知，样品在1080 0.5%020.75%021%025%0210%0220%02 ℃和氮气条件下烧结，铁元素主要以铁辉石相和铁 图5不同氧分压条件下1080℃烧结的钢渣陶瓷样品图 尖晶石相的的形式存在.该温度下形成的铁辉石晶 Fig.5 Pictures of steel slag ceramics under different oxygen partial 体的晶粒尺寸多为1m,呈棒状结构，铁铝尖晶石 pressure sintered at 1080 C 晶粒尺寸在1~2m之间，呈不规则的八面体结构. 由图4(d)可知，当温度升高到1140℃，铁辉石晶体 是石英相、莫来石相和赤铁矿相，随氧分压增加而减 变大，铁铝尖晶石也从原有的八面体结构变成不规 少的是铁辉石相和铁铝尖晶石相.结合图5的样品 则形状的晶体.图1(a)抗压强数据表明，随着烧结 颜色变化，可见，红色部分是因为赤铁矿相的生成引 温度从1080升高到1140℃，样品的抗压强度下降 起，黑色部分主要是因为铁铝尖晶石相和铁辉石相 了140MPa,可见温度升高对氮气下钢渣陶瓷烧结 的生成.由0.75%、1%是样品外部褐黄色而内部为 砖强度的影响是显著的 黑色的特点可知，当氧分压从0.5%增长，样品由外 到里的氧化深度逐渐增大，直到全部氧化成红色 3讨论 钢渣陶瓷在升温过程中Fe2+进入晶体晶格，形成铁 3.1晶相转变的氧分压临界范围与热力学分析 铝尖晶石相和铁辉石相.当氧分压超过临界点， 钢渣陶瓷样品在空气和氮气气氛中的晶相演变 F2+不能够稳定存在，发生氧化反应，不再有铁铝尖 规律和物理性质不同.为了定量分析气氛对样品中 晶石和铁辉石晶相形成，也就不存在黑心现象 铁元素赋存状态的影响规律，进一步开展了不同氧 结合图5和图6可知，当氧气分压从0.75%增 气分压下钢渣陶瓷样品的烧结实验，结果如图5所 长到5%时，铁元素赋存晶相出现从铁为二价的铁 示.由图可见，当氧分压为0时，样品为黑色：氧气 铝尖晶石相和铁辉石相到铁为三价的赤铁矿相的 分压增加到0.5%时，样品外观为深褐色：当氧气分 转变，由此带来样品颜色逐渐变为褐黄色：当氧气 压增加到0.7%~5%时，样品为褐黄色；当氧气分 分压从10%增长到20%时，即接近空气条件下 压等于或大于10%时，样品为褐红色.其中，氧气分 时，铁元素赋存晶相完成了到赤铁矿相的转变，原 压为0.75%和0.1%时，截面外层颜色为褐黄色或 料中的二价铁被完全氧化为3价铁，此时，样品为 褐红色，而内部仍然为黑色 褐红色. 图6为在不同氧分压条件下烧结样品的X射 图7是F0,热力学稳定图，图中p(O2)为实际 线衍射分析图，由图可知，当氧分压从0变化到 氧气的分压，9为标准状况下大气压强.从图中点 0.5%时，样品晶相没有发生显著变化，主要晶相为 划线可以看出，当烧结温度在1400K(1127℃)左右 石英相、铁辉石相和铁铝尖晶石相：当氧分压等于 时，Fe2+可以稳定存在的氧分压范围为0~10-0之 0.75%并继续增长时，随氧分压增加而增加的晶相 间，接近本文实验中的纯氮气.氧气分压超过10~3 1-Si0,:2-Fe,0:3-FeAL0 4-FeSi0,:5-Al Si,0 20%0, 109%0 5%0 等 1%0, 5 0.75%0, 0.5%0 3 氮气 15 20 25 30 35404550 55 60 65 70 20K) 图6不同氧分压下1080℃烧结钢渣陶瓷样品的X射线衍射分析 Fig.6 XRD analysis of steel slag ceramic samples under different oxygen partial pressure sintered at 1080 C工程科学学报，第 40 卷，第 3 期 抗压强度下降了 49 MPa，赤铁矿晶相增多是其中强 度下降的一个可能原因． 结合图 2( b) 分析，由图 4( c) 可知，样品在 1080 ℃和氮气条件下烧结，铁元素主要以铁辉石相和铁 尖晶石相的的形式存在． 该温度下形成的铁辉石晶 体的晶粒尺寸多为 1 μm，呈棒状结构，铁铝尖晶石 晶粒尺寸在 1 ～ 2 μm 之间，呈不规则的八面体结构． 由图 4( d) 可知，当温度升高到 1140 ℃，铁辉石晶体 变大，铁铝尖晶石也从原有的八面体结构变成不规 则形状的晶体． 图 1( a) 抗压强数据表明，随着烧结 温度从 1080 升高到 1140 ℃，样品的抗压强度下降 了 140 MPa，可见温度升高对氮气下钢渣陶瓷烧结 砖强度的影响是显著的． 3 讨论 图 6 不同氧分压下 1080 ℃烧结钢渣陶瓷样品的 X 射线衍射分析 Fig． 6 XＲD analysis of steel slag ceramic samples under different oxygen partial pressure sintered at 1080 ℃ 3. 1 晶相转变的氧分压临界范围与热力学分析 钢渣陶瓷样品在空气和氮气气氛中的晶相演变 规律和物理性质不同． 为了定量分析气氛对样品中 铁元素赋存状态的影响规律，进一步开展了不同氧 气分压下钢渣陶瓷样品的烧结实验，结果如图 5 所 示． 由图可见，当氧分压为 0 时，样品为黑色; 氧气 分压增加到 0. 5% 时，样品外观为深褐色; 当氧气分 压增加到 0. 7% ～ 5% 时，样品为褐黄色; 当氧气分 压等于或大于 10% 时，样品为褐红色． 其中，氧气分 压为 0. 75% 和 0. 1% 时，截面外层颜色为褐黄色或 褐红色，而内部仍然为黑色． 图 6 为在不同氧分压条件下烧结样品的 X 射 线衍 射 分 析 图，由 图 可 知，当 氧 分 压 从 0 变 化 到 0. 5% 时，样品晶相没有发生显著变化，主要晶相为 石英相、铁辉石相和铁铝尖晶石相; 当氧分压等于 0. 75% 并继续增长时，随氧分压增加而增加的晶相 图 5 不同氧分压条件下 1080 ℃烧结的钢渣陶瓷样品图 Fig． 5 Pictures of steel slag ceramics under different oxygen partial pressure sintered at 1080 ℃ 是石英相、莫来石相和赤铁矿相，随氧分压增加而减 少的是铁辉石相和铁铝尖晶石相． 结合图 5 的样品 颜色变化，可见，红色部分是因为赤铁矿相的生成引 起，黑色部分主要是因为铁铝尖晶石相和铁辉石相 的生成． 由 0. 75% 、1% 是样品外部褐黄色而内部为 黑色的特点可知，当氧分压从 0. 5% 增长，样品由外 到里的氧化深度逐渐增大，直到全部氧化成红色． 钢渣陶瓷在升温过程中 Fe2 + 进入晶体晶格，形成铁 铝尖晶石相和铁辉石相． 当氧分压超过临界点， Fe2 + 不能够稳定存在，发生氧化反应，不再有铁铝尖 晶石和铁辉石晶相形成，也就不存在黑心现象． 结合图 5 和图 6 可知，当氧气分压从 0. 75% 增 长到 5% 时，铁元素赋存晶相出现从铁为二价的铁 铝尖晶石相和铁辉石相到铁为三价的赤铁矿相的 转变，由此带来样品颜色逐渐变为褐黄色; 当氧气 分压从 10% 增 长 到 20% 时，即接近空气条件下 时，铁元素赋存晶相完成了到赤铁矿相的转变，原 料中的二价铁被完全氧化为 3 价铁，此时，样品为 褐红色． 图 7 是 FeOx热力学稳定图，图中 p( O2 ) 为实际 氧气的分压，p 为标准状况下大气压强． 从图中点 划线可以看出，当烧结温度在 1400 K( 1127 ℃ ) 左右 时，Fe2 + 可以稳定存在的氧分压范围为 0 ～ 10 － 10之 间，接近本文实验中的纯氮气． 氧气分压超过 10 － 3 · 643 ·