Structural Studies of Slags by Mössbauer Spectroscopy

Abstract

Mössbauer spectroscopy has been used to study the behavior of iron in silicate slags. The slags are equilibrated at high temperatures and then rapidly quenched to glasses. Mössbauer spectra of these glasses can be resolved into sums of peaks which characterize various states of the iron cations. Identifying the peaks and calculating the areas underneath them allows the determination of the repartition of iron atoms between ferrous and ferric cations and of the distribution of the ferric cations among octahedral and tetrahedral sites. A study of the positions of the peaks (i.e. a study of the “isomer shifts” and “quadrupole splittings”) yields additional information into the nature ofthe bonding between the iron cations and their surrounding anions. The iron atom is thus used as a probe to study the structural effects of changes in slag composition and temperature.Most of the slags experimentally investigated by Mössbauer spectroscopy have been based on mixtures of silica, lime and iron oxides. The effects of additions of alumina, soda, fluorspar and titanium oxide have also been analyzed. The results ofthese studies as well as the advantages and limitations of Mössbauer technique are reviewed and discussed. Résumé La spectroscopié Mössbauer a été utilisee pour étudier le comportement du fer dans des scories à base de silicates. Les scories sont mises en equilibre it. des temperatures elevees puis rapidement trempées it. l'état vitreux. Les spectres Mössbauer de ces verres peuvent être resouts en des sommes de pics qui caractérisent les divers états des cations fer. L'identification des pics et le calcul de leurs surfaces permettent la détermination de la répartition des atomes de fer entre cations ferreux et ferriques ainsi que de la distribution des cations ferriques entres les sites octaédriques et tétraédriques. Une étude de la position des pics une étude des “déplacements isomériques” et “subdivisions quadrupolaires”) procure un supplément d'information quant à la nature de la liaison entre les cations fer et les anions qui les entourent. L'atome de fer est ainsi utilisé commeun indicateur pour étudier l'effet qu'ont sur la structure des changements de composition de scorie et de température.La plupart des scories étudiees expérimentalement par spectroscopie Mössbauer ont été essentiellement des mélanges de silice, chaux et oxydes de fer. Les effets d'additions d'alumine, soude, spathfluor et oxyde de titane ont également été analysés. Les résultats de ces études ainsi que les avantages et les limites de la technique Mössbauer sont revus et discutés.