硅灰的性質(zhì)及其應(yīng)用
2006-12-18 00:00
摘要：本文介紹了硅粉的形成和性質(zhì)，論述了國內(nèi)外硅粉應(yīng)用的研究情況。
關(guān)鍵詞：硅粉；性質(zhì)；應(yīng)用
1 前言
在工業(yè)硅和硅鐵生產(chǎn)中用布袋除塵器從電爐煙氣中收得的煙塵一般稱為硅粉，其粒度極細，成分以氧化硅為主，密度小，比電阻大，粘結(jié)性強，附著力大，不易沉降。隨著工業(yè)硅和硅鐵產(chǎn)量的增加，硅粉的生成量也越來越大，據(jù)估計，我國硅粉潛在資源每年在4O萬t以上，但國內(nèi)不少廠家沒有除塵回收裝置，大量硅粉由于沒有回收，到處飄逸，嚴基污染環(huán)境。
硅粉資源的綜合開發(fā)利用研究始于5O年代，到6O年代末已有工程應(yīng)用，國內(nèi)外經(jīng)過長期的研究和實踐，又將硅粉應(yīng)用于水泥、化工、橡膠等領(lǐng)域，取得了較好的效果，并開發(fā)了一批性能優(yōu)異的新產(chǎn)品。
2 硅粉的形式
在電爐冶煉工業(yè)硅和硅鐵時，硅石中的氧化硅被碳質(zhì)還原劑還原：
實際上，反應(yīng)不是按上述總反應(yīng)式進行，而是逐級還原，先生成中間產(chǎn)物：
SiOz在還原過程中生成中間產(chǎn)物SiO、SiC，部分中間產(chǎn)物Sio以氣態(tài)從爐內(nèi)逸出，因而
造成硅的損失，當SiO蒸發(fā)選出料面，在有氧氣存在時，就燃燒生成細散的SiOz，并發(fā)出白
色火焰：
此時由于驟冷，溫度梯度變化很大，生成的SiOz來不及結(jié)晶，而生成粒度極細小的非晶質(zhì)相SiOz即氧化硅粉。在實際生產(chǎn)中，硅的揮發(fā)損失量與原料粒度、加料方式和操作水平等有關(guān)。在正常生產(chǎn)情況下，熔煉1t工業(yè)硅生產(chǎn)12O～19Okg硅粉，硅粉中除含爐氣氧化和歧化反應(yīng)生成的SiOz微粉外，還含有1O% ～2O% 硅石和碳質(zhì)還原劑等隨爐氣逸出的細粉。
影響硅粉生成的因素主要有爐料中焦炭與SiOz比例，爐料電阻率的大小以及爐溫等。
3 硅粉的性質(zhì)
硅粉是一種煙灰色超細粉末，隨著含碳量的多少，顏色略有深淺變化，白度4O一5O容重約為200kg／m3。，真密度2．2g／cm3。。硅粉顆粒絕大部分小于1 um，最細0．O1um，用氮吸附法測得比表面積為26～36m2 ／g，是水泥比表面積的7O一9O倍，由于硅粉比表面積很大，所以它具有良好的火山灰活性和充填性，其比表面積和粒徑分布見表1。
用偏光顯微鏡觀察硅粉的組成結(jié)果，除少量碳粉和結(jié)晶SiOz粉外，主要成分均為非晶物相。x射線衍射法的試驗結(jié)果也表明硅粉中僅含有少量SiOz結(jié)晶物，絕大部分是無定形的SiOz掃描電鏡的觀察結(jié)果為，硅粉是由5um以下大小不等的球形顆粒組成。國內(nèi)外硅粉的化學成分見表2。
4 硅粉的應(yīng)用
本世紀70年代，北歐各國首先研究了硅粉在混凝土中的應(yīng)用，挪威工業(yè)大學的M·Slad首次做了硅粉的試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土摻用硅粉后許多性能得到改善。80年代以后，歐美和日本相繼開展了硅粉綜合利用的研究，并取得了’長足的進步。針對硅粉的應(yīng)用，1983年在加拿大，1986年在西班牙召開了兩次國際會議，據(jù)文獻報道，西歐及北美各國已將摻有硅粉的混凝土應(yīng)用于高層建筑、高速公路、橋梁和石油平臺等工程中。
我國對硅粉應(yīng)用的研究起就較晚，1985年水電部研究成功把硅粉作為摻合料的噴射混凝土新工藝，并成功地應(yīng)用于四川省漁子溪二級水電站引水隧洞工程中，同年12月通過了水電部的技術(shù)鑒定。1983—1 986年上海鐵合金與上海建筑科學院等單位合作研究了硅粉在混凝土中的應(yīng)用。
1985年后，硅粉應(yīng)用領(lǐng)域的研究日益擴大，已成功地應(yīng)用于建筑、耐火材料、化工等行業(yè)。綜合國內(nèi)外情況，現(xiàn)在硅粉的應(yīng)用主要有如下幾個方面。
4．1 在混凝土方面的應(yīng)用
把硅粉作為摻和劑用于混凝土工業(yè)是國內(nèi)外硅粉利用中研究是早、成果最多、應(yīng)用最廣的一個領(lǐng)域。由于硅粉粒度細，比表面積大，具有很高的火山灰活性，作為添加劑可以配制高強度混凝土。自1983年以來，在北美、歐洲、日本等都開始大量使用硅粉混凝土，僅1989年，挪威就有4萬t硅粉用于混凝土，相當于5O萬t水泥摻有硅粉，加拿大1985-1989年共使用了硅粉混凝土100萬m3。硅粉加入混凝土中改善了混凝土多方面性能：
4．1．1 提高混凝土早期強度和最終強度
國外研究證明，當硅粉對水泥的取代率在3O％以內(nèi)時，蒸養(yǎng)溫度為8O℃，砂漿一天的抗壓強度為不摻硅粉的2倍(IOOMPa)，若采用蒸壓養(yǎng)護，則幾乎達3倍(150MPa)。加拿大研究表明，當硅粉與高效減水劑復合使用時，混凝土的抗壓強度為不摻硅粉的3～5倍。目前，美國、丹麥、挪威等國已有硅粉作摻和劑配制了強度高達1lOOkg／cm 的混凝土，而且工藝簡單。硅粉在混凝土中的效應(yīng)，隨硅粉用量增加，活性和微粒對混凝土強度的影響也逐漸增強。
4．1．2 增加致密度
混凝土中摻入硅粉增加了起反應(yīng)的硅含量，在電鏡下觀察，摻硅粉混凝土的水泥石空隙中有晶體生長。另外，硅粉顆粒很細小，均勻地充填了混凝土微孔，減少了微空容積，從而使致密性增強。
4．1．3 改善混凝土離析和泌水性能
國外研究證明，硅粉摻入量愈多，混凝土材料愈難以離析和泌水，當取代率達15％時，混凝土坍落度即使達15～20cm也不產(chǎn)生離析和泌水，當取代率達2O％～3O 時，混凝土直接放入自來水中也不易產(chǎn)生離析。
4．1．4 提高混凝土的抗?jié)B性、抗化學侵蝕性和比電阻
由于硅粉的摻入提高了混凝土的密實性，大大減少了水泥石空隙，所以提高了硅粉 昆凝土的抗?jié)B性能 國內(nèi)外研究認為，當混凝土中硅粉取代率為1O％～2O 時，顯著改善了混凝土的抗?jié)B性、抗化學侵蝕性，而且對鋼筋的耐腐蝕性也有改善，這是由于密實性的提高和SiO 含量的增加，有效地阻止了酸離子的侵入和腐蝕作用。另外，由于硅粉比電阻很高(1．2×1OnQ·cm)，所以混凝土比電阻可提高1．9—1．6倍，有利于保護鋼筋和埋設(shè)件。目前這些技術(shù)已在港口堤岸、水電站堤壩、飛機場跑道、越江隧道、多層廠房的防滲耐油地坪等工程中得到實際應(yīng)用，上海市延安中路黃浦江越江隧道等特殊工程中。
4．2 在水工抗磨蝕材料中的應(yīng)用
南京水利科學研究院用硅粉作為添加劑配制的“硅粉砂漿”已用于葛洲壩水閘修補工程中，結(jié)果表明，“硅粉砂漿”具有以下優(yōu)良性能：
1)“硅粉砂漿”具有優(yōu)越的抗沖磨性能，與600號普通水泥相比，抗沖磨性能提高60％～ 150％。
2)“硅粉砂漿”顯著提高了砂漿的密實性，砂漿吸水率降低到普通水泥的20 ～30％而抗?jié)B能力大大提高，能有效地阻止有害離子的侵入，從而提高了砂漿的耐久性。
3)“硅粉砂漿”的抗壓強度比普通砂漿提高45 ～66％，抗拉強度提高7％～20 ，最高強度可達11600N／cm ，“硅粉砂漿”還能促進水泥水化，提高早強。
4．3 作返回爐料
美國曾提出以球團形式作為電爐冶煉原料．球團的料比為每453．6kg硅石配22．7—113．4kg硅粉，制成球團，球的最大尺寸為1 9-一25ram。硅粉成球的方法多用傳統(tǒng)的圓盤成球機，挪威、日本等國都有報道，用紙漿廢液、硅酸鈉、NaCI、堿或堿土金屬氫氧化物等水溶液或凈水作粘結(jié)劑，球團中含水率為zo％，干球密度(O．72一O．75)×10 kg／m。，在空氣中經(jīng)一晝夜干燥，球團即可獲得足夠的機械強度。經(jīng)電爐冶煉證明，加入較大量的球團時，爐子運行正常。挪威?？瞎居盟{(diào)和成1O一15mm球團，在豎爐中8OO一12OO’C燒結(jié)，不會爆裂且有足夠強度，可返回作冶煉原料。前蘇聯(lián)將它用紙漿廢液作粘結(jié)劑，按3O 比例加入電爐使用，效果良好。
4．4 在耐火燒注料中的應(yīng)用
低水泥澆注料是7O年代發(fā)展起來的一種新型耐高溫耐火注料，首先由法國研制成功。
1983年美國通用耐火材料公司將低水泥澆注料用于高爐出鐵溝內(nèi)襯，使用壽命是原普通澆注料的3倍。
低水泥澆注料主要是配入了硅粉和高效減水劑，可以節(jié)約鋁酸鹽水泥5O ～7O％，冶金部建筑研究總院對低水泥澆注料的試驗結(jié)果見表3。與普通澆注料相比，低水泥澆注料在氣孔率、強度、耐火度等方面都有所提高。
表3 低水泥澆注料和普通澆注料性能的對比
4．5 在化學工業(yè)中的應(yīng)用
早在幾年前有人研究硅粉在制造泡花堿(水玻璃)中的應(yīng)用取得成功。目前大都采用石英砂制造泡花堿，其模數(shù)不大于3．5，而使用硅粉制泡花堿，既可免去破碎、研磨石英砂對工人的危害，又可簡化工藝、節(jié)約能源，并能制造出模數(shù)大于4的泡花堿，新工藝的基本原理如下：
低模數(shù)泡花堿 硅粉m+n>4
高模數(shù)的泡花堿為中性，可廣泛應(yīng)用于高溫噴涂、鑄鈉、爐襯等方面。
4．6 在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用
據(jù)前蘇聯(lián)文獻報道，硅粉可作為制取橡膠、樹脂的礦物原料，含有硅粉填料的橡膠，其相對延伸率、拉撕裂強度和抗老化性能均得到改善。
4．7 其他用途
硅粉與KOH或K：CO 混合加熱可制成緩效濃肥硅酸鉀，它不易流失，能促進作物根部發(fā)育，抑制病蟲害。硅粉還可用作化肥防結(jié)塊劑。另外，前蘇聯(lián)還利用硅粉作硅酸鹽磚，當硅粉配入7 時，磚的標號可達M25O—M300。
5 結(jié)語
國外對硅粉應(yīng)用的研究已幾十年，最近二十余年研究工作多，而且比較系統(tǒng)，從回收、產(chǎn)品開發(fā)、使用到機理研究，不少國家成立了相應(yīng)研究機構(gòu)，建立了相應(yīng)的生產(chǎn)廠，硅粉已進入商品化階段。雖然我國對硅粉應(yīng)用的研究起步較晚，但近幾年進展很快。在做好電爐除塵的基礎(chǔ)上，集中力量，開拓了投資少、成本低、見效快而且工藝簡單的硅粉應(yīng)用新途徑。
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處）
關(guān)鍵詞：硅粉；性質(zhì)；應(yīng)用
1 前言
在工業(yè)硅和硅鐵生產(chǎn)中用布袋除塵器從電爐煙氣中收得的煙塵一般稱為硅粉，其粒度極細，成分以氧化硅為主，密度小，比電阻大，粘結(jié)性強，附著力大，不易沉降。隨著工業(yè)硅和硅鐵產(chǎn)量的增加，硅粉的生成量也越來越大，據(jù)估計，我國硅粉潛在資源每年在4O萬t以上，但國內(nèi)不少廠家沒有除塵回收裝置，大量硅粉由于沒有回收，到處飄逸，嚴基污染環(huán)境。
硅粉資源的綜合開發(fā)利用研究始于5O年代，到6O年代末已有工程應(yīng)用，國內(nèi)外經(jīng)過長期的研究和實踐，又將硅粉應(yīng)用于水泥、化工、橡膠等領(lǐng)域，取得了較好的效果，并開發(fā)了一批性能優(yōu)異的新產(chǎn)品。
2 硅粉的形式
在電爐冶煉工業(yè)硅和硅鐵時，硅石中的氧化硅被碳質(zhì)還原劑還原：
實際上，反應(yīng)不是按上述總反應(yīng)式進行，而是逐級還原，先生成中間產(chǎn)物：
SiOz在還原過程中生成中間產(chǎn)物SiO、SiC，部分中間產(chǎn)物Sio以氣態(tài)從爐內(nèi)逸出，因而
造成硅的損失，當SiO蒸發(fā)選出料面，在有氧氣存在時，就燃燒生成細散的SiOz，并發(fā)出白
色火焰：
此時由于驟冷，溫度梯度變化很大，生成的SiOz來不及結(jié)晶，而生成粒度極細小的非晶質(zhì)相SiOz即氧化硅粉。在實際生產(chǎn)中，硅的揮發(fā)損失量與原料粒度、加料方式和操作水平等有關(guān)。在正常生產(chǎn)情況下，熔煉1t工業(yè)硅生產(chǎn)12O～19Okg硅粉，硅粉中除含爐氣氧化和歧化反應(yīng)生成的SiOz微粉外，還含有1O% ～2O% 硅石和碳質(zhì)還原劑等隨爐氣逸出的細粉。
影響硅粉生成的因素主要有爐料中焦炭與SiOz比例，爐料電阻率的大小以及爐溫等。
3 硅粉的性質(zhì)
硅粉是一種煙灰色超細粉末，隨著含碳量的多少，顏色略有深淺變化，白度4O一5O容重約為200kg／m3。，真密度2．2g／cm3。。硅粉顆粒絕大部分小于1 um，最細0．O1um，用氮吸附法測得比表面積為26～36m2 ／g，是水泥比表面積的7O一9O倍，由于硅粉比表面積很大，所以它具有良好的火山灰活性和充填性，其比表面積和粒徑分布見表1。
用偏光顯微鏡觀察硅粉的組成結(jié)果，除少量碳粉和結(jié)晶SiOz粉外，主要成分均為非晶物相。x射線衍射法的試驗結(jié)果也表明硅粉中僅含有少量SiOz結(jié)晶物，絕大部分是無定形的SiOz掃描電鏡的觀察結(jié)果為，硅粉是由5um以下大小不等的球形顆粒組成。國內(nèi)外硅粉的化學成分見表2。
4 硅粉的應(yīng)用
本世紀70年代，北歐各國首先研究了硅粉在混凝土中的應(yīng)用，挪威工業(yè)大學的M·Slad首次做了硅粉的試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土摻用硅粉后許多性能得到改善。80年代以后，歐美和日本相繼開展了硅粉綜合利用的研究，并取得了’長足的進步。針對硅粉的應(yīng)用，1983年在加拿大，1986年在西班牙召開了兩次國際會議，據(jù)文獻報道，西歐及北美各國已將摻有硅粉的混凝土應(yīng)用于高層建筑、高速公路、橋梁和石油平臺等工程中。
我國對硅粉應(yīng)用的研究起就較晚，1985年水電部研究成功把硅粉作為摻合料的噴射混凝土新工藝，并成功地應(yīng)用于四川省漁子溪二級水電站引水隧洞工程中，同年12月通過了水電部的技術(shù)鑒定。1983—1 986年上海鐵合金與上海建筑科學院等單位合作研究了硅粉在混凝土中的應(yīng)用。
1985年后，硅粉應(yīng)用領(lǐng)域的研究日益擴大，已成功地應(yīng)用于建筑、耐火材料、化工等行業(yè)。綜合國內(nèi)外情況，現(xiàn)在硅粉的應(yīng)用主要有如下幾個方面。
4．1 在混凝土方面的應(yīng)用
把硅粉作為摻和劑用于混凝土工業(yè)是國內(nèi)外硅粉利用中研究是早、成果最多、應(yīng)用最廣的一個領(lǐng)域。由于硅粉粒度細，比表面積大，具有很高的火山灰活性，作為添加劑可以配制高強度混凝土。自1983年以來，在北美、歐洲、日本等都開始大量使用硅粉混凝土，僅1989年，挪威就有4萬t硅粉用于混凝土，相當于5O萬t水泥摻有硅粉，加拿大1985-1989年共使用了硅粉混凝土100萬m3。硅粉加入混凝土中改善了混凝土多方面性能：
4．1．1 提高混凝土早期強度和最終強度
國外研究證明，當硅粉對水泥的取代率在3O％以內(nèi)時，蒸養(yǎng)溫度為8O℃，砂漿一天的抗壓強度為不摻硅粉的2倍(IOOMPa)，若采用蒸壓養(yǎng)護，則幾乎達3倍(150MPa)。加拿大研究表明，當硅粉與高效減水劑復合使用時，混凝土的抗壓強度為不摻硅粉的3～5倍。目前，美國、丹麥、挪威等國已有硅粉作摻和劑配制了強度高達1lOOkg／cm 的混凝土，而且工藝簡單。硅粉在混凝土中的效應(yīng)，隨硅粉用量增加，活性和微粒對混凝土強度的影響也逐漸增強。
4．1．2 增加致密度
混凝土中摻入硅粉增加了起反應(yīng)的硅含量，在電鏡下觀察，摻硅粉混凝土的水泥石空隙中有晶體生長。另外，硅粉顆粒很細小，均勻地充填了混凝土微孔，減少了微空容積，從而使致密性增強。
4．1．3 改善混凝土離析和泌水性能
國外研究證明，硅粉摻入量愈多，混凝土材料愈難以離析和泌水，當取代率達15％時，混凝土坍落度即使達15～20cm也不產(chǎn)生離析和泌水，當取代率達2O％～3O 時，混凝土直接放入自來水中也不易產(chǎn)生離析。
4．1．4 提高混凝土的抗?jié)B性、抗化學侵蝕性和比電阻
由于硅粉的摻入提高了混凝土的密實性，大大減少了水泥石空隙，所以提高了硅粉 昆凝土的抗?jié)B性能 國內(nèi)外研究認為，當混凝土中硅粉取代率為1O％～2O 時，顯著改善了混凝土的抗?jié)B性、抗化學侵蝕性，而且對鋼筋的耐腐蝕性也有改善，這是由于密實性的提高和SiO 含量的增加，有效地阻止了酸離子的侵入和腐蝕作用。另外，由于硅粉比電阻很高(1．2×1OnQ·cm)，所以混凝土比電阻可提高1．9—1．6倍，有利于保護鋼筋和埋設(shè)件。目前這些技術(shù)已在港口堤岸、水電站堤壩、飛機場跑道、越江隧道、多層廠房的防滲耐油地坪等工程中得到實際應(yīng)用，上海市延安中路黃浦江越江隧道等特殊工程中。
4．2 在水工抗磨蝕材料中的應(yīng)用
南京水利科學研究院用硅粉作為添加劑配制的“硅粉砂漿”已用于葛洲壩水閘修補工程中，結(jié)果表明，“硅粉砂漿”具有以下優(yōu)良性能：
1)“硅粉砂漿”具有優(yōu)越的抗沖磨性能，與600號普通水泥相比，抗沖磨性能提高60％～ 150％。
2)“硅粉砂漿”顯著提高了砂漿的密實性，砂漿吸水率降低到普通水泥的20 ～30％而抗?jié)B能力大大提高，能有效地阻止有害離子的侵入，從而提高了砂漿的耐久性。
3)“硅粉砂漿”的抗壓強度比普通砂漿提高45 ～66％，抗拉強度提高7％～20 ，最高強度可達11600N／cm ，“硅粉砂漿”還能促進水泥水化，提高早強。
4．3 作返回爐料
美國曾提出以球團形式作為電爐冶煉原料．球團的料比為每453．6kg硅石配22．7—113．4kg硅粉，制成球團，球的最大尺寸為1 9-一25ram。硅粉成球的方法多用傳統(tǒng)的圓盤成球機，挪威、日本等國都有報道，用紙漿廢液、硅酸鈉、NaCI、堿或堿土金屬氫氧化物等水溶液或凈水作粘結(jié)劑，球團中含水率為zo％，干球密度(O．72一O．75)×10 kg／m。，在空氣中經(jīng)一晝夜干燥，球團即可獲得足夠的機械強度。經(jīng)電爐冶煉證明，加入較大量的球團時，爐子運行正常。挪威?？瞎居盟{(diào)和成1O一15mm球團，在豎爐中8OO一12OO’C燒結(jié)，不會爆裂且有足夠強度，可返回作冶煉原料。前蘇聯(lián)將它用紙漿廢液作粘結(jié)劑，按3O 比例加入電爐使用，效果良好。
4．4 在耐火燒注料中的應(yīng)用
低水泥澆注料是7O年代發(fā)展起來的一種新型耐高溫耐火注料，首先由法國研制成功。
1983年美國通用耐火材料公司將低水泥澆注料用于高爐出鐵溝內(nèi)襯，使用壽命是原普通澆注料的3倍。
低水泥澆注料主要是配入了硅粉和高效減水劑，可以節(jié)約鋁酸鹽水泥5O ～7O％，冶金部建筑研究總院對低水泥澆注料的試驗結(jié)果見表3。與普通澆注料相比，低水泥澆注料在氣孔率、強度、耐火度等方面都有所提高。
表3 低水泥澆注料和普通澆注料性能的對比
4．5 在化學工業(yè)中的應(yīng)用
早在幾年前有人研究硅粉在制造泡花堿(水玻璃)中的應(yīng)用取得成功。目前大都采用石英砂制造泡花堿，其模數(shù)不大于3．5，而使用硅粉制泡花堿，既可免去破碎、研磨石英砂對工人的危害，又可簡化工藝、節(jié)約能源，并能制造出模數(shù)大于4的泡花堿，新工藝的基本原理如下：
低模數(shù)泡花堿 硅粉m+n>4
高模數(shù)的泡花堿為中性，可廣泛應(yīng)用于高溫噴涂、鑄鈉、爐襯等方面。
4．6 在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用
據(jù)前蘇聯(lián)文獻報道，硅粉可作為制取橡膠、樹脂的礦物原料，含有硅粉填料的橡膠，其相對延伸率、拉撕裂強度和抗老化性能均得到改善。
4．7 其他用途
硅粉與KOH或K：CO 混合加熱可制成緩效濃肥硅酸鉀，它不易流失，能促進作物根部發(fā)育，抑制病蟲害。硅粉還可用作化肥防結(jié)塊劑。另外，前蘇聯(lián)還利用硅粉作硅酸鹽磚，當硅粉配入7 時，磚的標號可達M25O—M300。
5 結(jié)語
國外對硅粉應(yīng)用的研究已幾十年，最近二十余年研究工作多，而且比較系統(tǒng)，從回收、產(chǎn)品開發(fā)、使用到機理研究，不少國家成立了相應(yīng)研究機構(gòu)，建立了相應(yīng)的生產(chǎn)廠，硅粉已進入商品化階段。雖然我國對硅粉應(yīng)用的研究起步較晚，但近幾年進展很快。在做好電爐除塵的基礎(chǔ)上，集中力量，開拓了投資少、成本低、見效快而且工藝簡單的硅粉應(yīng)用新途徑。
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