硅灰的性質(zhì)及其應(yīng)用

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(dāng)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(xué)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(xué)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(xué)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(dāng)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(dāng)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(dāng)硅粉與高效減水劑復(fù)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(dāng)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(dāng)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(xué)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(dāng)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(xué)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(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。挪威埃肯公司用水調(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(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(dāng)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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