转炉熔渣中硅酸钙相结晶行为的动态演化机制及其资源化调控研究

针对钢渣复杂矿物相结构导致的资源化难题，中国鞍钢集团与高校团队通过热力学计算(FactSage 8.3)、原位观测与非原位分析相结合，揭示了1400-1600°C区间内C3 S(硅酸三钙)向C2 S(硅酸二钙)的相变机制，发现晶体聚集生长协同作用主导硅酸钙形貌演化，为高值化利用提供了理论支撑。

　　

全球钢铁工业迅猛发展的背后，每年产生约3-4亿吨钢渣，这些富含硅酸盐、铝酸盐和钙镁铁矿物相的复杂固体废弃物，因成分波动大、元素分布分散，利用率长期不足30%。更棘手的是，钢渣中主导相——硅酸钙(Ca₂
SiO₄
/C₂
S与Ca₃
SiO₅
/C₃
S)的结晶行为存在理论预测与实际观测的巨大差异，这直接影响了其在建材、土壤改良等领域的应用性能。中国鞍山钢铁集团联合高校的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表的研究，首次通过多尺度动态解析揭示了这一"黑箱"过程。

研究采用FactSage 8.3热力学软件计算、高温凝固实验与原位观测技术三管齐下。以鞍钢转炉(BOF)渣为样本，通过X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)确定其化学组成主要为CaO(45.1%)、SiO₂
(13.2%)等氧化物。

【Thermodynamic analysis】部分显示，理论预测1400-1600°C仅存在CaO、MgO、C₃
S和液相，但非原位检测却发现了大量C₂
S和Ca₂
Fe₂
O₅
(C₂
F)。这种差异在【Conclusions】中被归因于C₃
S的动态分解：当温度降至1525°C时，C₃
S开始从熔体析出，但随着保温时间延长，其会分解为C₂
S和游离CaO，这一过程显著降低了体系成分涨落。

原位观测则捕捉到更生动的细节——C₃
S晶体遵循特定生长序列，形貌从聚集枝晶逐渐演化为锐角不规则形状。这种演化受晶体聚集与生长协同效应驱动：温度降低和保温时间增加会促使硅酸钙晶体尺寸增大，同时C₂
S与CaO界面因C₃
S完全分解而趋于稳定。

该研究不仅破解了热力学计算与非原位结果矛盾的谜题，更首次阐明硅酸钙相变的动态机制。正如【CRediT authorship contribution statement】所示，Mengjie Tao等指出，通过调控冷却制度可定向制备目标矿物相，这对钢渣在碳捕集(CCU)、路基材料等领域的应用具有指导意义。国家自然科学基金(52374327)等项目的支持，也体现了该研究对推动钢铁工业绿色转型的战略价值。