高炉渣非晶态组分的定量研究

关键词：高炉渣；X射线衍射；非晶态组分；晶态组分；定量分析

中图分类号：TF546 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2008)08—0016—04

世界上高炉渣大部分采用水淬法处理。水淬(急冷)后的高炉渣中非晶态含量95％以上^[1,2]，具有潜在的化学活性，可作为水泥掺和料用于生产硅酸盐水泥、矿渣砖、混凝土等^[3]。缓慢冷却的高炉渣形成结晶相，绝大多数矿物不具有活性，只能用作如代替碎石，用于建筑工程的低附加值产品。

中国因严重缺水使开发少水或无水处理高炉渣的新技术尤为重要。由于高炉渣中非晶态含量直接关系到高炉渣的用途。因此，定量分析高炉渣中非晶态含量不仅具有理论意义，且具有很强的工业应用价值。

由于任何物相无论处于何种状态都有其相应状态下的衍射特征曲线，目前已利用X射线衍射法定量分析了非晶态与晶态的含量^[4]。它的原理是物质的衍射强度与该物质参加衍射的含量成正比^[5]。利用其中晶态和非晶态的衍射强度，可求出高炉渣非晶态比例系数。对于未知非晶态含量的高炉渣，利用高炉渣非晶态比例系数即可得到高炉渣中非晶态含量^[4]。

本文将探讨利用X射线衍射法，尝试利用不同的晶态和非晶态衍射强度，定量分析高炉渣中的非晶态含量，为高炉渣中非晶态定量分析提供准确、简便的方法。

1 定量分析原理

X射线衍射定量分析的理论基础是：物质的衍射强度与该物质参加衍射的含量成正比^[6,7]，即参加衍射的物质含量与物质的衍射强度成正比例关系。对于只有两种物相的混合物，可以用式(1)表达为：

式中：K_X为比例系数；g_m为参加衍射的m相质量，g；g_n为参加衍射的n相质量，g；I_m为m相的衍射强度，counts· (º)；I_n为n相的衍射强度，counts· (º)。

高炉渣非晶态含量即高炉渣中非晶态质量占高炉渣总量的百分比，其计算公式为式(2)：

式中：C为高炉渣非晶态含量，％；g_g为非晶态质量，g；g_c为晶态质量，g。

根据式(2)表述可以看出，测量高炉渣非晶态含量即是要知道非晶相占整个物相的量值。由于任何物相无论处于何种状态，都有其相应状态下的衍射特征曲线。因此，便可以用衍射曲线的衍射强度来实现这一目的。

分别以晶态峰的积分面积∑I_c、最高高度H_c代表晶态衍射强度，非晶态峰的积分面积I_g、对应晶态峰最高高度的非晶态峰高度H_g代表非晶态衍射强度，则得到式(3)、(4)：

式中：∑I_c为晶态峰积分面积和(2θ＝20º～40º)，counts·(º)；I_g为非晶态峰积分面积和(2θ＝20º～40º)，counts·(º)；H_c为晶态峰最高高度(2θ＝20º～40º)，counts；H_g为对应晶态峰最高高度的非晶态峰高度(2θ＝20º～40º)，counts；K_ss为由晶态峰面积与非晶态峰面积比计算的高炉渣非晶态比例系数；K_hh为由晶态峰高度与对应晶态峰最高高度的非晶态峰高度比计算的高炉渣非晶态比例系数。

分别取一系列不同的g_c／g_g，计算相应的∑I_c，I_g，H_c和H_g，可得到K_ss和K_hh值。利用未知非晶态含量的高炉渣样品x射线衍射结果图谱中的∑I_c，I_g，H_c和H_g，及K_ss和K_hh值便可确定高炉渣中的非晶态含量：

2 标样制备与检测

某钢铁公司高炉渣采用底滤法处理，处理后的高炉渣几乎全为非晶态，炉渣成分为：ω(CaO)＝38.2％，ω（SiO₂）＝35.7％，ω（Al₂O₃）＝16.3％，ω（MgO）＝8.3％，ω(FeO)＝0.4％，ω（S）＝1.0％，R＝1.070。充分晶化后的首钢水渣主要物相为2CaO·MgO·2SiO₂，将其作为100％晶态标样，而将高炉水渣作为100％非晶态标样。

按表1取相应质量的100％非晶态标样和100％晶态标样进行混合，得到不同非晶态含量的高炉渣。

将9个配样分别均匀混合后过0．074 mm筛，在帕纳克X’Pert Pro衍射仪上分析，测试条为Cu靶、40 kV、40 mA、扫描速度2(º)／min。

3 定量分析结果及讨论

不同非晶态含量的9个配样高炉渣的X射线衍射结果见图2。可见，随非晶态含量的增加，代表非晶态的“馒头”峰的高度逐渐增加，晶化峰逐渐降低。

分别计算图2中每个图的晶态面积，晶态峰高度，非晶态面积和对应晶态峰最高高度的非晶态峰高度，以晶态质量／非晶态质量为纵坐标，分别以晶态面积／非晶态面积和晶态峰高度／对应晶态峰最高高度的非晶态峰高度为横坐标，见图3、4。

图3和图4中各点拟合线的斜率分别为高炉渣非晶态比例系数K_ss和K_hh，值分别为0．70和0．10。取相应质量的100％非晶态标样和100％晶态标样进行混合(晶态与非晶态质量见表2)，得到4种不同非晶态含量的高炉渣。不同非晶态含量的4个配样高炉渣的X射线衍射结果见图5。分别利用K_ss和K_hh计算的非晶态含量见表2。

比较2种方法计算高炉渣非晶态比例系数，可见，利用晶态峰面积与非晶态峰面积比计算的高炉渣非晶态比例系数K_ss曲线拟合较好，计算相对误差较小，不超过1％；利用晶态峰最高高度与对应的非晶态峰高度比计算的高炉渣非晶态比例系数K_hh曲线偏差较大，计算相对误差较大。

两种利用X射线衍射法计算高炉渣非晶态比例系数的方法中，选择利用高炉渣中晶态峰面积与非晶态峰面积比计算高炉渣非晶态比例系数更精确。对成分相近的未知非晶态含量的高炉渣进行X射线衍射分析，计算出图谱中横坐标2θ在20º～40º内晶态峰面积和非晶态峰面积比，其高炉渣非晶

4 结论

(1)利用X射线衍射法可以定量分析高炉渣中的非晶态含量。

(2)ω(CaO)＝38．2％，ω(SiO₂)＝35．7％，ω(A1₂O₃)＝16．3％，ω(MgO)＝8．3％的高炉渣，K_ss和K_hh值分别为0．70和0．10。经过比较，利用K_ss可以更精确、简便地定量分析高炉渣中非晶态含量。

(3)X射线衍射法定量分析高炉渣非晶态含量方法中，利用K_ss计算的高炉渣中非晶态含量相对误差不超过1％。