硅灰的性質(zhì)及其應(yīng)用

1、硅灰的性質(zhì)及其應(yīng)用本文介紹了硅粉的形成和性質(zhì)，論述了國(guó)內(nèi)外硅粉應(yīng)用的研究情況。1刖言在工業(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(xì)，成分以氧化硅為主，密度小，比電阻大，粘結(jié)性強(qiáng)，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(lái)越大，據(jù)估計(jì)，我國(guó) 硅粉潛在資源每年在40萬(wàn)t以上，但國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家沒(méi)有除塵回收裝置，大量硅 粉由于沒(méi)有回收，到處飄逸，嚴(yán)基污染環(huán)境。硅粉資源的綜合開(kāi)發(fā)利用研究始于50年代，到60年代末已有工程應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)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(kāi)發(fā)了一批性能優(yōu)異的新產(chǎn)品。2硅

2、粉的形式在電爐冶煉工業(yè)硅和硅鐵時(shí)，硅石中的氧化硅被碳質(zhì)還原劑還原：實(shí)際上，反應(yīng)不是按上述總反應(yīng)式進(jìn)行，而是逐級(jí)還原，先生成中間產(chǎn)物：SiOz在還原過(guò)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(dāng)SiO蒸發(fā)選出料面，在有氧氣存在時(shí)，就燃燒生成細(xì) 散的SiOz，并發(fā)出白色火焰：此時(shí)由于驟冷，溫度梯度變化很大，生成的SiOz 來(lái)不及結(jié)晶，而生成粒度極細(xì)小的非晶質(zhì)相SiOz即氧化硅粉。在實(shí)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)12O19Okg硅粉，硅粉中除含爐氣氧化和歧化反應(yīng)生成的 SiOz微粉

3、外，還含有10%20%硅石和碳質(zhì)還原劑等隨爐氣逸出的細(xì)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(xì)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1um， 最細(xì)0. O1um，用氮吸附法測(cè)得比表面積為2636m2/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。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(yàn)結(jié)果也表明硅粉中僅含

4、有少量SiOz結(jié)晶物，絕大部分是無(wú)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。4硅粉的應(yīng)用本世紀(jì)70年代，北歐各國(guó)首先研究了硅粉在商品混凝土中的應(yīng)用，挪威工業(yè)大 學(xué)的M-Slad首次做了硅粉的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)商品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(kāi)展了硅粉綜合利用的研究，并取得了長(zhǎng) 足的進(jìn)步。針對(duì)硅粉的應(yīng)用，1983年在加拿大，1986年在西班牙召開(kāi)了兩次國(guó) 際會(huì)議，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，西歐及北美各國(guó)已將摻有硅粉的商品混凝土應(yīng)用于高層建 筑、高速公路、橋梁和石油平臺(tái)等工程中。我國(guó)對(duì)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

5、料的 噴射商品混凝土新工藝，并成功地應(yīng)用于四川省漁子溪二級(jí)水電站引水隧洞工程 中，同年12月通過(guò)了水電部的技術(shù)鑒定。19831986年上海鐵合金與上海建筑 科學(xué)院等單位合作研究了硅粉在商品混凝土中的應(yīng)用。1985年后，硅粉應(yīng)用領(lǐng)域的研究日益擴(kuò)大，己成功地應(yīng)用于建筑、耐火材料、 化工等行業(yè)。綜合國(guó)內(nèi)外情況，現(xiàn)在硅粉的應(yīng)用主要有如下幾個(gè)方面。4. 1在商品混凝土方面的應(yīng)用把硅粉作為摻和劑用于商品混凝土工業(yè)是國(guó)內(nèi)外硅粉利用中研究是早、成果最多、 應(yīng)用最廣的一個(gè)領(lǐng)域。由于硅粉粒度細(xì)，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(qiáng)度商品混凝土。自1983年以來(lái)，在北美、歐洲、日本 等都開(kāi)始大

6、量使用硅粉商品混凝土，僅1989年，挪威就有4萬(wàn)t硅粉用于商品 混凝土，相當(dāng)于5O萬(wàn)t水泥摻有硅粉，加拿大1985-1989年共使用了硅粉商品 混凝土 100萬(wàn)m3。硅粉加入商品混凝土中改善了商品混凝土多方面性能：4. 1. 1提高商品混凝土早期強(qiáng)度和最終強(qiáng)度國(guó)外研究證明，當(dāng)硅粉對(duì)水泥的取代率在30%以內(nèi)時(shí)，蒸養(yǎng)溫度為8OC，砂漿 一天的抗壓強(qiáng)度為不摻硅粉的2倍(I00MPa)，若采用蒸壓養(yǎng)護(hù)，則幾乎達(dá)3倍 (150MPa)。加拿大研究表明，當(dāng)硅粉與高效減水劑復(fù)合使用時(shí)，商品混凝土的抗 壓強(qiáng)度為不摻硅粉的35倍。目前，美國(guó)、丹麥、挪威等國(guó)已有硅粉作摻和劑 配制了強(qiáng)度高達(dá)1lOOkg/cm的商品

7、混凝土，而且工藝簡(jiǎn)單。硅粉在商品混凝土 中的效應(yīng)，隨硅粉用量增加，活性和微粒對(duì)商品混凝土強(qiáng)度的影響也逐漸增強(qiáng)。4. 1. 2增加致密度商品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，摻硅粉商品混凝 土的水泥石空隙中有晶體生長(zhǎng)。另外，硅粉顆粒很細(xì)小，均勻地充填了商品混凝 土微孔，減少了微空容積，從而使致密性增強(qiáng)。4. 1. 3改善商品混凝土離析和泌水性能國(guó)外研究證明，硅粉摻入量愈多，商品混凝土材料愈難以離析和泌水，當(dāng)取代率 達(dá)15%時(shí)，商品混凝土坍落度即使達(dá)1520cm也不產(chǎn)生離析和泌水，當(dāng)取代率 達(dá)20%3O時(shí)，商品混凝土直接放入自來(lái)水中也不易產(chǎn)生離析。4. 1. 4提高商品混凝土的抗

8、滲性、抗化學(xué)侵蝕性和比電阻由于硅粉的摻入提高了商品混凝土的密實(shí)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(guó)內(nèi)外研究認(rèn)為，當(dāng)商品混凝土中硅粉取代率為10%20時(shí)，顯著改善了商品混凝土的抗?jié)B性、抗化學(xué)侵蝕性，而且對(duì)鋼筋的 耐腐蝕性也有改善，這是由于密實(shí)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(1.2X1OnQcm)，所以商 品混凝土比電阻可提高1. 9-1. 6倍，有利于保護(hù)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(jī)場(chǎng)跑道、越江隧道、多層廠房的防滲耐油地 坪等工程中得到實(shí)際應(yīng)用，上海市延安中路黃浦江越江隧道等特殊工程

9、中。4. 2在水工抗磨蝕材料中的應(yīng)用南京水利科學(xué)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(bǔ)工程中，結(jié)果表明，“硅粉砂漿”具有以下優(yōu)良性能：“硅粉砂漿”具有優(yōu)越的抗沖磨性能，與600號(hào)普通水泥相比，抗沖磨性能提 高 60%150%?！肮璺凵皾{”顯著提高了砂漿的密實(shí)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?！肮璺凵皾{”的抗壓強(qiáng)度比普通砂漿提高4566%，抗拉強(qiáng)度提高7%20， 最高強(qiáng)度可達(dá)11600N/cm，“硅粉砂漿”還能促進(jìn)水泥水化，提高早強(qiáng)。4. 3作返回爐料美國(guó)曾提出以球團(tuán)形式作為電爐冶煉原料.球

10、團(tuán)的料比為每453. 6kg硅石配 22. 7113. 4kg硅粉，制成球團(tuán)，球的最大尺寸為19-一 25ram。硅粉成球的 方法多用傳統(tǒng)的圓盤成球機(jī)，挪威、日本等國(guó)都有報(bào)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(tuán)中含水率為zo%， 干球密度(O. 72 一 O.75)X10kg/m。，在空氣中經(jīng)一晝夜干燥，球團(tuán)即可獲得 足夠的機(jī)械強(qiáng)度。經(jīng)電爐冶煉證明，加入較大量的球團(tuán)時(shí)，爐子運(yùn)行正常。挪威 ?？瞎居盟{(diào)和成1O 一 15mm球團(tuán)，在豎爐中8OO 一 12OOC燒結(jié)，不會(huì)爆裂且有足夠強(qiáng)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

11、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(lái)的一種新型耐高溫耐火注料，首先由法國(guó)研制 成功。1983年美國(guó)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5O7O%。 與普通澆注料相比，低水泥澆注料在氣孔率、強(qiáng)度、耐火度等方面都有所提高。4. 5在化學(xué)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(duì)工人的危害，又可簡(jiǎn)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+n4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(xiàn)報(bào)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(duì)延伸率、拉撕裂強(qiáng)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(jìn)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(dāng)硅