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1、微硅粉的性质及其应用1 前言在工业硅和硅铁生产中用布袋除尘器从电炉烟气中收得的烟尘一般称为微硅粉，其粒度极细，成分以氧化硅为主，密度小，比电阻大，粘结性强，附着力大，不易沉降。随着工业硅和硅铁产量的增加，微硅粉的生成量也越来越大，据估计，我国微硅粉潜在资源每年在 40 万 t 以上，但国内不少厂家没有除尘回收装置，大量微硅粉由于没有回收，到处飘逸，严基污染环境。微硅粉资源的综合开发利用研究始于 50 年代，到 60 年代末已有工程应用，国内外经过长期的研究和实践，又将微硅粉应用于水泥、化工、橡胶等领域，取得了较好的效果，并开发了一批性能优异的新产品。2 微硅粉的形式在电炉冶炼工业硅和硅铁时，硅
2、石中的氧化硅被碳质还原剂还原：实际上，反应不是按上述总反应式进行，而是逐级还原，先生成中间产物：SiO2 在还原过程中生成中间产物 SiO、SiC，部分中间产物 Sio 以气态从炉内逸出，因而造成硅的损失，当 SiO 蒸发选出料面，在有氧气存在时，就燃烧生成细散的 SiO2，并发出白色火焰：此时由于骤冷，温度梯度变化很大，生成的 SiO2 来不及结晶，而生成粒度极细小的非晶质相 SiO2 即二氧化硅粉。在实际生产中，硅的挥发损失量与原料粒度、加料方式和操作水平等有关。在正常生产情况下，熔炼 1t 工业硅生产 120190kg 微硅粉，微硅粉中除含炉气氧化和歧化反应生成的 SiO2 微粉外，还含
3、有 10% 20% 硅石和碳质还原剂等随炉气逸出的细粉。 影响微硅粉生成的因素主要有炉料中焦炭与 SiO2 比例，炉料电阻率的大小以及炉温等。3 微硅粉的性质微硅粉是一种烟灰色超细粉末，随着含碳量的多少，颜色略有深浅变化，白度 40-50容重约为 200kgm3，真密度 22gcm3。微硅粉颗粒绝大部分小于 1 um，最细001um，用氮吸附法测得比表面积为 2636m2 g，是水泥比表面积的 70 一 90 倍，由于微硅粉比表面积很大，所以它具有良好的火山灰活性和充填性，其比表面积和粒径分布见表 1。用偏光显微镜观察微硅粉的组成结果，除少量碳粉和结晶 SiO2 粉外，主要成分均为非晶物相。x
4、 射线衍射法的试验结果也表明硅粉中仅含有少量 SiO2 结晶物，绝大部分是无定形的SiO2 扫描电镜的观察结果为，微硅粉是由 5um 以下大小不等的球形颗粒组成。国内外微硅粉的化学成分见表 2。4 微硅粉的应用本世纪 70 年代，北欧各国首先研究了微硅粉在混凝土中的应用，挪威工业大学的MSlad 首次做了微硅粉的试验，发现混凝土掺用微硅粉后许多性能得到改善。80 年代以后，欧美和日本相继开展了微硅粉综合利用的研究，并取得了长足的进步。针对微硅粉的应用，1983 年在加拿大，1986 年在西班牙召开了两次国际会议，据文献报道，西欧及北美各国已将掺有微硅粉的混凝土应用于高层建筑、高速公路、桥梁和石
5、油平台等工程中。我国对微硅粉应用的研究起就较晚，1985 年水电部研究成功把微硅粉作为掺合料的喷射混凝土新工艺，并成功地应用于四川省渔子溪二级水电站引水隧洞工程中，同年 12 月通过了水电部的技术鉴定。19831 986 年上海铁合金与上海建筑科学院等单位合作研究了微硅粉在混凝土中的应用。1985 年后，微硅粉应用领域的研究日益扩大，已成功地应用于建筑、耐火材料、化工等行业。综合国内外情况，现在微硅粉的应用主要有如下几个方面。41 在混凝土方面的应用把微硅粉作为掺和剂用于混凝土工业是国内外硅粉利用中研究是早、成果最多、应用最广的一个领域。由于微硅粉粒度细，比表面积大，具有很高的火山灰活性，作为
6、添加剂可以配制高强度混凝土。自 1983 年以来，在北美、欧洲、日本等都开始大量使用硅粉混凝土，仅 1989 年，挪威就有 4 万 t 微硅粉用于混凝土，相当于 50 万 t 水泥掺有微硅粉，加拿大 1985-1989 年共使用了微硅粉混凝土 100 万 m3。微硅粉加入混凝土中改善了混凝土多方面性能：411 提高混凝土早期强度和最终强度国外研究证明，当微硅粉对水泥的取代率在 30以内时，蒸养温度为 80，砂浆一天的抗压强度为不掺微硅粉的 2 倍(100MPa)，若采用蒸压养护，则几乎达 3 倍(150MPa)。加拿大研究表明，当微硅粉与高效减水剂复合使用时，混凝土的抗压强度为不掺硅粉的 35
7、倍。目前，美国、丹麦、挪威等国已有微硅粉作掺和剂配制了强度高达 1100kgcm2 的混凝土，而且工艺简单。微硅粉在混凝土中的效应，随微硅粉用量增加，活性和微粒对混凝土强度的影响也逐渐增强。412 增加致密度混凝土中掺入微硅粉增加了起反应的硅含量，在电镜下观察，掺微硅粉混凝土的水泥石空隙中有晶体生长。另外，微硅粉颗粒很细小，均匀地充填了混凝土微孔，减少了微空容积，从而使致密性增强。413 改善混凝土离析和泌水性能国外研究证明，微硅粉掺入量愈多，混凝土材料愈难以离析和泌水，当取代率达 15时，混凝土坍落度即使达 1520cm 也不产生离析和泌水，当取代率达 2030 时，混凝土直接放入自来水中也
8、不易产生离析。414 提高混凝土的抗渗性、抗化学侵蚀性和比电阻由于微硅粉的掺入提高了混凝土的密实性，大大减少了水泥石空隙，所以提高了微硅粉混凝土的抗渗性能 国内外研究认为，当混凝土中微硅粉取代率为 1020 时，显著改善了混凝土的抗渗性、抗化学侵蚀性，而且对钢筋的耐腐蚀性也有改善，这是由于密实性的提高和 SiO2 含量的增加，有效地阻止了酸离子的侵入和腐蚀作用。另外，由于微硅粉比电阻很高，所以混凝土比电阻可提高 1916 倍，有利于保护钢筋和埋设件。目前这些技术已在港口堤岸、水电站堤坝、飞机场跑道、越江隧道、多层厂房的防渗耐油地坪等工程中得到实际应用，上海市延安中路黄浦江越江隧道等特殊工程中。
9、42 在水工抗磨蚀材料中的应用南京水利科学研究院用微硅粉作为添加剂配制的“硅粉砂浆”已用于葛洲坝水闸修补工程中，结果表明，“硅粉砂浆”具有以下优良性能：1)“硅粉砂浆”具有优越的抗冲磨性能，与 600 号普通水泥相比，抗冲磨性能提高 60 150。2)“硅粉砂浆”显著提高了砂浆的密实性，砂浆吸水率降低到普通水泥的 20 30而抗渗能力大大提高，能有效地阻止有害离子的侵入，从而提高了砂浆的耐久性。3)“硅粉砂浆”的抗压强度比普通砂浆提高 45% 66，抗拉强度提高 720 %，最高强度可达 11600Ncm 2，“硅粉砂浆”还能促进水泥水化，提高早强。43 作返回炉料美国曾提出以球团形式作为电炉
10、冶炼原料球团的料比为每 4536kg 硅石配 2271134kg 微硅粉，制成球团，球的最大尺寸为 1 9-25mm。微硅粉成球的方法多用传统的圆盘成球机，挪威、日本等国都有报道，用纸浆废液、硅酸钠、NaCI、碱或碱土金属氢氧化物等水溶液或净水作粘结剂，球团中含水率为 20，干球密度(072-075)10 kgm。，在空气中经一昼夜干燥，球团即可获得足够的机械强度。经电炉冶炼证明，加入较大量的球团时，炉子运行正常。挪威埃肯公司用水调和成 10-15mm 球团，在竖炉中 800一 1200 摄氏度烧结，不会爆裂且有足够强度，可返回作冶炼原料。前苏联将它用纸浆废液作粘结剂，按 30%比例加入电炉使
11、用，效果良好。44 在耐火烧注料中的应用低水泥浇注料是 70 年代发展起来的一种新型耐高温耐火注料，首先由法国研制成功。1983 年美国通用耐火材料公司将低水泥浇注料用于高炉出铁沟内衬，使用寿命是原普通浇注料的 3 倍。低水泥浇注料主要是配入了微硅粉和高效减水剂，可以节约铝酸盐水泥 50 70，冶金部建筑研究总院对低水泥浇注料的试验结果见表 3。与普通浇注料相比，低水泥浇注料在气孔率、强度、耐火度等方面都有所提高。表 3 低水泥浇注料和普通浇注料性能的对比45 在化学工业中的应用早在几年前有人研究硅粉在制造泡花碱(水玻璃)中的应用取得成功。目前大都采用石英砂制造泡花碱，其模数不大于 35，而使
12、用硅粉制泡花碱，既可免去破碎、研磨石英砂对工人的危害，又可简化工艺、节约能源，并能制造出模数大于 4 的泡花碱，新工艺的基本原理如下：低模数泡花碱 微硅粉 m+n4高模数的泡花碱为中性，可广泛应用于高温喷涂、铸钠、炉衬等方面。46 在橡胶工业中的应用据前苏联文献报道，微硅粉可作为制取橡胶、树脂的矿物原料，含有微硅粉填料的橡胶，其相对延伸率、拉撕裂强度和抗老化性能均得到改善。预计微硅粉替代白炭黑用于橡胶工业是完全可能的。47 其他用途微硅粉与 KOH 或 K2CO3 混合加热可制成缓效浓肥硅酸钾，它不易流失，能促进作物根部发育，抑制病虫害。微硅粉还可用作化肥防结块剂。另外，前苏联还利用微硅粉作硅酸盐砖，当微硅粉配入 7%时，砖的标号可达 M250M300。5 结语国外对微硅粉应用的研究已几十年，最近二十余年研究工作多，而且比较系统，从回收、产品开发、使用到机理研究，不少国家成立了相应研究机构，建立了相应的生产厂，微硅粉已进入商品化阶段。虽然我国对微硅粉应用的研究起步较晚，但近几年进展很快。在做好电炉除尘的基础上，集中力量，开拓了投资少、成本低、见效快而且工艺简单的微硅粉应用新途径。
