方鎂石

英文名稱periclase，是鎂的氧化物礦物，方鎂石是指遊離狀態的MgO晶體。MgO由於與SiO2、Fe2O3的化學親和力很小，在熟料煅燒過程中一般不參與化學反應。它以下列形式存在於熟料中：

①溶解於C3A、C3S中形成固溶體。

②溶於玻璃體中。

③以遊離狀態的方鎂石形式存在。研究者指出，前兩種形式的MgO含量約為熟料的2%，它們對硬化水泥漿體無破壞作用。而以方鎂石形式存在時，由於其水化速度很慢，要在半年至1年後才明顯開始水化，而且水化生成氫氧化鎂，體積膨脹148%，因此會導致安定性不良。方鎂石膨脹的嚴重程度與晶體尺寸、含量均有關係，尺寸越大、含量越高，危害越大。在生產中應盡量採取快冷措施，減小方鎂石的晶體尺寸。

純者無色，通常為灰白色、黃色、棕黃色、綠色，甚至黑色。白色條痕。玻璃光澤。透明至半透明到不透明。解理完全。硬度5.5-6。相對密度3.5-3.9。不導電。在a粒子作用下產生波動傳導性。熔點2800-2940℃，約在1100℃時發生塑性變形。易溶於稀鹽酸、稀硝酸。含鎂方解石灼燒后變黑。礦粉用水浸濕，呈鹼性反應。加硝酸鈷溶液燒之呈肉紅色（鎂的反應）。

產於變質的富鎂碳酸鹽岩石中。方鎂石易變為纖維狀或鱗片狀的水鎂石、水菱鎂礦和蛇紋石，這些礦物可依方鎂石形成假象，或在水鎂石中成殘餘核心。大量富集可作制鎂原料。人造方鎂石是一種耐火材料。

顏色多為淺色，透明半透明。解理完全，硬度大。均質性。易溶於鹽酸及硝酸，耐高溫。呈鎂的微化反應。

國外文獻中見於瑞典和義大利有錳方鎂石和鐵方鎂石。我國內蒙古包頭市白雲鄂博礦區鑒別出有方鎂石。

比較原渣和實驗渣，兩者都有黑色豆狀方鎂石。只是，原渣的方鎂石固溶了少量的Mn、Fe元素，實驗渣的因不含Mn但固溶了鐵氧化物。分析這兩種渣的其它礦物成分，均沒有鎂元素。說明了高C/S的轉爐鋼渣，為了減少爐襯侵蝕而加入的MgO主要以遊離態的方鎂石形式存在。

G-1渣密集分佈著粒徑在5～10μm之間的方鎂石。將視場紅色方格微區內圖像放大至3500倍后，發現部分方鎂石中出現黑白相間的網狀物質。根據背散射電子圖的特徵，原子量大的元素呈現出的顏色更白亮。又經EDS成分分析，可證實這些白色物質應為鐵氧化物，這些鐵元素是在熔融反應過程中擴散進入MgO晶粒，並以方鎂石固溶體的形式存在。

對於平衡態的熔渣體系，FeO-Fe2O3是一個動態平衡過程，Fe2+/Fe3+比值決定於體系的溫度、總鐵量以及氧化性氣氛，但具體的比值難以確定。分析MgO-FeO、MgO-Fe2O3相圖，若Fe全部以FeO(22.5%)形式存在，FeO固溶於MgO晶粒而形成的高熔點(Mg、Fe)O相;若Fe全部以Fe2O3(25.0%)形式存在，Fe2O3先與MgO反應生成MgO·Fe2O3(簡稱MF)，隨溫度升高，MF又固溶於MgO中形成高熔點(Mg、Fe)O相(最高固溶度可達70%)。而這類MF在冷凝過程中，又會從MgO中結晶析出，以網狀組織形式存在。

一般情況下，高鹼度轉爐鋼渣的硅酸鹽類礦物與方鎂石的熔點，遠大於鐵酸鹽類礦物的。因此，可以選擇CaO-MgO-SiO2三元相圖作為理論依據。將P2O5數量併入SiO2，固定CaO/MgO=5不變，各組元成分為CaO-66.7%，MgO-13.3%，SiO2-20%，即為CaO-MgO-SiO2擬三元相圖的A點，其主要構成礦物為硅酸三鈣，石灰和方鎂石。在G-1渣的基礎上，不斷增加SiO2含量時，熔渣各相完全結晶后得到的礦物信息。顯然，隨熔體C/S值的不斷減少，實驗渣系先後穿過硅酸二鈣、鈣硅鈣石、鎂黃長石、假硅灰石等區域。因此，從理論上來講，往熔融態渣中加入一定量的酸性改質劑SiO2，促使鋼渣平衡相區由方鎂石向鎂硅鈣石、鎂黃長石區域轉變，可以實現轉爐鋼渣徹底消除遊離態方鎂石的目標。

以G-1渣為基礎渣系，在1600℃時，往熔渣中加入質量分數為0～40%的SiO2，使用SEM、EDS和XRD等現代分析技術進行相關分析，得到數據如下：

G-1渣主要有三種礦物:深灰色豆狀(Mg、Fe)O、灰色球形固溶了磷元素的2CaO·SiO2(簡稱C2S)以及基質相鐵酸二鈣。含鎂礦物主要是(Mg、Fe)O，其它兩項中並沒有發現鎂元素的存在。

G-2渣的方鎂石粒徑(主要在15～50μm)大於G-1渣的，這是因為試樣晶體粒徑主要受溫度影響，而空冷過程冷速難以精確控制，又加之掃面微區的人為選擇，故而出現了晶粒尺寸大小上的差異。G-2與G-1兩種渣的礦物結構十分相近，只不過，S-2渣的兩個方鎂石之間的基質相首次出現了網狀結構的細小物質，經EDS分析，很有可能是鈣鎂橄欖石和鐵酸鈣鎂。

G-3渣的方鎂石數量明顯減少，但與之相對應的是，硅酸鈣鹽和基質鐵酸鈣鹽中的鎂元素含量逐漸增加。在樣品緩慢加熱至1600℃，反應平衡后體系可能為液、固或熔融狀態。若以CaO-MgOSiO2-Fe2O3-P2O5五元渣系作為研究對象，當樣品在高溫條件下達到平衡后，為了更好地研究此狀態下體系內各礦物相的生成與分解反應，將整個體系劃分為若干個微小區域，而這些微小區域各部分的成分與結構都均勻且一致。任意選取一微小區域，研究此微區內各物質的變化現象。根據離子-分子共存理論，若達到平衡狀態時體系為液態，微區內存在的物質應為Ca、Mg、O、[SiO4]、[PO4]和[Fe2O4](因數量較小的[PO4]和[SiO4]在結構上相近，故將其與[SiO4]一起考慮);若為熔融態，微區內各物質應是Ca、Mg、O、CaO，MgO，SiO2、[SiO4]和[Fe2O4]；由於實驗渣系Fe2O3含量較高，而其與其它氧化物反應生成低熔點無機物，所以微區為固態的可能性不大。金屬陽離子一般分佈於硅酸鹽晶體結構的四面體和六面體空隙，由於Ca-Si之間的化學作用力大於Mg-Si之間的，且Ca離子半徑0.106nm大於Mg離子半徑0.078nm。因此，在同一條件下，Ca離子擴散所需的能量要大於Mg離子所需的能量，這表明Ca離子與[SiO4]4-離子形成的硅酸鹽結構較之於Mg離子的更為穩定。因而無論微區處於何種狀態，Ca或CaO都要優先與SiO2或[SiO4]4-反應生成新相。若微區中Ca或CaO的含量超過SiO2或[SiO4]反應所消耗的量，即硅酸鹽晶體結構中所有的四面體和六面體間隙都已被填滿，那麼多餘的將與[Fe2O4]反應生成低熔點鐵酸鹽;若SiO2過量，那麼過量的SiO2將與Mg或MgO反應，或者生成更為複雜的鈣-硅礦物相。

因此，熔渣的C/S值降低使其飽和氧化鎂濃度增大，原來遊離形態存在的方鎂石會逐漸溶入硅酸鈣鹽中，直至完全消失。

分析G-4～G-5渣的礦物性質，這兩種渣的組成礦物非常相近，但在礦物的形貌、數量和分佈方面存在較大的差別。與前面3種渣相比，G-4～G-5渣的礦物結構發生了較大的變化。G-5渣主要由CMS、C13M3S10P2A2F2和MF組成，基本上已看不到黑色的方鎂石。

XRD分析結果進一步證實，G-1～G-3渣的方鎂石數量隨著C/S值降低而減少。而G-4～G-5渣，表示方鎂石的強度峰已消失了，這就意味著渣的構成礦物中已經沒有了方鎂石。

(1)高鹼度轉爐鋼渣的鎂元素主要以遊離態方鎂石形式存在，且固溶了少量的Fe、Mn等二價金屬元素，而在其它構成礦物中，並沒有發現鎂元素；

(2)隨C/S值的降低，轉爐鋼渣的礦物結構發生了較大變化，原來遊離態的方鎂石完全消失，轉而溶入硅酸鹽和鐵酸鹽。對於初始C/S值為5.0的實驗渣，在加入20%酸性改質劑SiO2后，即C/S值小於1.67，方鎂石礦物基本消失;當C/S=1時，實驗渣的主要含鎂礦物為CMS和MF。故可知，通過成分改質處理方法可完全消除轉爐鋼渣的遊離態方鎂石，進而利於它作為硅酸鹽水泥材料的應用；

(3)方鎂石是轉爐鋼渣的一種礦物，它隨C/S值的變化情況必然與渣的其它礦物有著緊密聯繫。SiO2的加入，首先與CaO發生化學反應，然後過量的SiO2將與MgO反應。從實驗數據可以發現，當C/S降低時，C3S→C2F→CMS的變化情況。這也意味著，SiO2的改質對轉爐鋼渣遊離氧化鈣的減少有著積極的作用；

(4)成分改質作用肯定會對轉爐鋼渣的膠凝活性產生影響，圍繞這一點的相關工作正在開展。