钢渣作为炼钢的副产物，属于一种冶金废渣，其化学成分主要为氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化铁（Fe2O3）、氧化镁（MgO），并且含有多种重金属元素，如铬、镍、铅、镉等。其中铬元素通常以低价（+2，+3）形式存在，而铬元素的毒性主要来自于六价铬。六价铬具有水溶性，水溶性铬（Ⅵ）的渗透性、氧化性强，容易破坏生态环境，威胁人类健康。在钢渣后续应用中，如用于原料生产水泥熟料时，低价铬经过高温煅烧后有被氧化为六价铬的可能，因此为保证钢渣应用的绿色安全性，有必要对钢渣中的铬元素的存在形态展开研究。
目前关于不锈钢渣中铬元素的分布、温度与冷却制度对六价铬形成的影响以及各价态铬离子的分离与含量测试等研究较多，而对于普通钢渣中铬元素的存在形态及分布特性研究相对较少。本文对几种钢渣试样进行相关的测试分析，来研究钢渣中铬元素的存在形态与分布特性，以期为钢渣的绿色生态应用提供参考依据。
1 试验1.1 试验原料
试验原料分别取自国内A、B、C、D四个不同地区炼钢厂的钢渣（分别为A、B、C、D钢渣），其中A、B、C钢渣为干磨磁选后的转炉钢渣，D钢渣是含有较高铬元素的不锈钢渣。对钢渣样品进行破碎、研磨处理，过目筛，得到粒径大于目的钢渣试样。
1.2 测试方法及仪器
参照GB.3—7《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》与GB/T.4—《固体废物六价铬的测定二苯碳酰二肼分光光度法》，用碱消解法结合二苯碳酰二肼分光光度法测定钢渣试样的六价铬含量；采用X射线荧光光谱仪（Zetium）对四个试样进行化学成分分析；用全谱直读等离子体发射光谱仪（Prodigy7）测试钢渣试样的铬元素含量；采用X射线衍射仪（Empyrean）分析各试样中铬元素的存在形态；采用场发射扫描电子显微镜附加X-Max50X射线能谱仪（ZeissUltraPlus）分析钢渣试样中铬元素的分布状态。
2 结果与讨论2.1 钢渣的化学成分分析
对四种钢渣进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知，根据Mason提出的钢渣碱度=[CaO/（SiO2+P2O5）]，A钢渣的碱度最高：2.31，D钢渣的碱度最低：1.41，B钢渣与C钢渣的碱度分别为2.28与1.63；钢渣的碱度可分为低、中、高三个碱度，中高碱度钢渣（大于1.8[9]）的铬元素含量较低；A钢渣的铝铁比（Al2O3/Fe2O3）最高：0.；D钢渣的最低：0.；B钢渣与C钢渣的铝铁比分别为0.与0.。
钢渣的铬元素含量与碱度、铝铁比关系见图1。
图1 钢渣铬元素含量与碱度、铝铁比关系
由图1可知，钢渣的铬元素含量与碱度呈反比关系，与铝铁比大致呈反比关系；铬元素含量与铁元素含量呈正比关系，表现出亲铁性。其中C钢渣经过多道磁选流程，导致钢渣中某些磁性物相与铁含量可能降低，因此C钢渣的铝铁比相对较高。
为进一步确定钢渣试样的铬元素与六价铬含量，采用ICP-OES测试钢渣试样铬含量，碱消解法结合二苯碳酰二肼分光光度法测定钢渣试样的六价铬含量，结果如表2所示。由表2可知，D钢渣铬元素含量最高（6?.mg/kg），A钢渣铬元素含量最低（.mg/kg），B钢渣与C钢渣的铬元素含量分别为1?.mg/kg与2?.mg/kg，铬元素含量高低与化学成分分析结果一致；四种钢渣的六价铬离子含量均较低，因此铬元素在钢渣中主要为低价态，主要原因为炼钢炉内的还原气氛，三种转炉钢渣的六价铬离子含量与总铬元素含量呈正比关系，不锈钢渣中六价铬离子含量较低，与文献[5]结果相近。
表2 试样的铬元素含量测试结果
2.2 钢渣物相组成分析
对四种钢渣进行X射线衍射分析，结果见图2。
图2 四种钢渣的X射线衍射图谱
由图2所知，A、B、C三种普通钢渣中的铬元素主要以固溶体（Cr，Mn）O3、金属间化合物Cr0.79Fe0.21As2以及矿物Ca2Cr0.5Fe1.5O5存在。矿物Ca2Cr0.5Fe1.5O5是0.5个铬从Ca2Fe2O5置换出0.5个铁元素形成的；两种矿物的标准衍射峰大体相同，铬元素置换出铁元素后矿物的晶体类型没有发生大的转变，因此铬元素与铁元素的离子性质相近，表现出亲和性。由于不同来源的钢渣原料不同、处理工艺不同导致普通钢渣与不锈钢渣中的铬元素以不同的化合物形式存在：普通钢渣中的铬元素主要以+2、+3价态存在于铁酸盐矿物、金属间化合物Cr0.79Fe0.21As2与RO相中；不锈钢渣中的铬元素以+3价的CaCr2O4、+3价的铬离子置换部分铁元素以Ca2Cr0.5Fe1.5O5的形式存在，与文献[5]研究结果相似。
2.3 钢渣中铬元素的分布特性
对B、C、D三种铬含量较高的钢渣进行SEM-EDS测试，根据元素的密集程度对所得元素分布图进行分区，利用ImageJ软件分析，以代表铬元素的荧光点面积与区域总面积的比值K来表示铬元素在各区域内的富集程度，K值越大，表示该区域的铬元素含量越大。
C钢渣的SEM-EDS元素分布如图3所示。由图3可知，区域1主要物相为C2S与Cr0.79Fe0.21As2的固溶体，K值为3.27%；区域2主要为含镁相，以及少量C2S，K值为1.1%；区域3主要物相为Cr0.79Fe0.21As2与C2S、FeO形成的固溶体，K值为10.5%；区域4主要物相为RO相（Cr，Mn）O3，K值为2.22%；区域5主要物相为Ca2Fe2O5与Ca2Cr0.5Fe1.5O5相，K值为3.01%；因此C钢渣中的铬元素主要富集在RO相中，少量存在于硅酸盐矿物中。
图3 C钢渣的元素分布
B钢渣的SEM-EDS元素分布如图4所示。由图4可知，其元素分布可分为五个区域，结合XRD：区域1与区域3主要为RO相，K值分别为6.10%与5.39%；区域2为硅酸盐矿物C2S及RO相，K值为4.34%；区域4物相为Ca2Fe2O5与Ca2Cr0.5Fe1.5O5相，K值为7.28%；区域5内Ca为主要元素，推断物相为氧化钙与氢氧化钙，K值为2.81%；B钢渣中的铬元素主要富集于RO相以及置换铁元素存在于铁酸盐矿物中，少量存在于硅酸盐矿物中。
D钢渣的SEM-EDS元素分布如图5所示。由图5可知，该钢渣元素分布可分为五个区域，结合XRD：区域1主要为金属氧化物与Ca2Fe2O5、Ca2Cr0.5Fe1.5O5固溶形成的RO相及硅酸盐矿物，K值为9.16%；区域2、4的主要矿物为C2S，K值分别为6.18%与6.61%；区域3的主要矿物为RO相与C2S，K值为10.88%；区域5的主要物相为RO相与CaCr2O4，K值为7.89%。因此D钢渣中的铬元素主要以CaCr2O4及固溶于RO相的形式存在。
图4 B钢渣的元素分布
图5 D钢渣的元素分布
3 结论本文针对四种钢渣中的铬元素展开相关研究，结果表明：
（1）不同钢渣中的铬元素含量变化较大，钢渣铬元素含量与其碱度、铝铁比大致呈反比关系。
（2）四种钢渣中的铬元素主要以+2、+3价存在，主要原因为炼钢炉内为还原气氛。但低价态的铬离子在应用过程中有被氧化为六价铬离子的可能性。
（3）普通转炉钢渣中的铬元素主要固溶于RO相与取代部分铁离子存在于含铁矿物中，少量存在于硅酸盐矿物中，并且钢渣中铬元素表现出与铁元素、锰元素的亲和性；不锈钢渣试样中的铬元素多以CaCr2O4及固溶于RO相的形式存在。
（4）不同钢渣中铬元素的含量、存在状态及分布特性有较大差异，这与炼钢原料、钢渣的成分、成渣时反应条件及处理方式有一定关系。
作者单位：武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，安徽海螺水泥股份有限公司，中国航空技术北京有限公司推荐阅读1.欢迎加入中国散协水泥工程技术专委会2.生料磨采用密封小仓加密封链板式给料机3.辊压机的技术升级改造（高压小循环）4.高分子环保脱硫剂脱硫机理及工业化应用5.大型钢板卷边库使用清库机清理水泥的体会6.辊压机双曲线进料装置开发与应用7.粉流掣在我公司水泥库的应用8.提高辊压机稳定运行的有效措施9.t/d熟料生产线节能降耗改造10.煅烧制度对熟料强度的影响11.由辊压机料饼提升机电流推算辊压机系统循环负荷12.精密过滤技术在水泥企业润滑管理中的应用13.水泥厂LTOR低温脱硫脱硝脱氨系统14.PreGASS方案在水泥行业CEMS上的应用15.二氧化碳干冰清堵器在水泥行业的应用16.正体预制碳化硅陶瓷三次风闸板使用情况分析17.水泥厂稀油站润滑管理终极目标--在线检测预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇