微硅粉在國內(nèi)外的應(yīng)用概述

　　摘要：微硅粉（硅灰）是金屬硅或硅鐵等合金冶煉從煙氣中回收的粉塵。本文對微硅粉在國內(nèi)外的回收和在混凝土、耐火材料、水泥生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況進行了概述并對微硅粉市場進行了調(diào)研，在此基礎(chǔ)上進行了國內(nèi)外的市場預(yù)測和前景展望。

　　關(guān)鍵詞：微硅粉/硅灰混凝土耐火材料超微粉體工業(yè)廢棄物

　　微硅粉又名硅灰、硅粉（silica fume、micro-silica），是金屬硅或硅鐵等合金冶煉從煙氣中回收的粉塵。目前市場上銷售的微硅粉，一部分是冶煉煙氣經(jīng)過收塵器收集后直接銷售的硅灰，也有一部分是冶煉煙氣經(jīng)過收塵器收集后經(jīng)過處理再銷售的硅灰。微硅粉平均粒徑為0.15－0.20μm，比表面積為15000－20000m2/kg。其主要成分為二氧化硅，含量一般80-92%，雜質(zhì)成分有氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵、氧化鋁和活性炭等。礦石成分、冶煉工藝、收塵系統(tǒng)運行情況等都會造成成分波動。由于微硅粉中二氧化硅屬無定型物質(zhì)，活性高，顆粒細小，比表面積大，具有優(yōu)良的理化性能,過去被認為是一種工業(yè)廢棄物，現(xiàn)在越來越多地被認為是一種寶貴資源，一種無需經(jīng)過粉碎加工、廉價的超微粉體。可以廣泛應(yīng)用在特殊工程中使用的混凝土、耐火材料、水泥等重要領(lǐng)域。

　　我們通過各種信息資源包括論文、網(wǎng)絡(luò)、電話調(diào)查、與企業(yè)座談等途徑，對微硅粉應(yīng)用及市場情況進行了調(diào)研，本文就調(diào)研結(jié)果進行綜述，希望以此推進我國微硅粉深度研究和開發(fā)應(yīng)用，縮小和優(yōu)勢國家的差距，增強在國際上的競爭力。

1微硅粉在國外的應(yīng)用情況

　　早在1947年挪威?？瞎荆‥lkem ASA）就開始進行微硅粉的生產(chǎn)技術(shù)、粉塵處理、分級和應(yīng)用方面的研究，成為世界上最早開展微硅粉研發(fā)的企業(yè)，并始終在微硅粉收塵與處理技術(shù)上保持領(lǐng)先地位。隨后,美國、俄羅斯、日本也開始進行研發(fā)應(yīng)用，并成為微硅粉主要生產(chǎn)國。目前，微硅粉年生產(chǎn)量為：美國30萬噸，俄羅斯15萬噸，挪威12萬噸，日本7萬噸。國外以微硅粉為主可開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域有：

　　1.1混凝土工業(yè)的高強摻和劑

　　微硅粉作為摻和劑應(yīng)用于混凝土工業(yè)是國外微硅粉綜合利用中研究最早、成果最多、應(yīng)用最廣的一個領(lǐng)域。由于微硅粉具有顆粒細小、比表面積大、SiO2純度高、火山灰活性強等物理化學特點，把微硅粉作為摻和劑加入混凝土中改善了混凝土多方面的性能。如顯著改善塑性混凝土粘附性能和凝聚性，大幅度降低回彈量，增大噴射混凝土一次成型厚度，縮短工期，節(jié)省工程造價。

　　在需要特殊高強度混凝土的場合，微硅粉作為摻和料配制高強混凝土，其強度等級可以達到100 MPa。國外許多重要的高層建筑物，如美國南瓦克大廈和德國法蘭克福BfG大廈都是采用了微硅粉做混凝土的增強摻和劑。在發(fā)達國家的一些重要混凝土水利水電工程中如海洋石油鉆井平臺、大跨度橋梁、隧洞等工程摻加微硅粉可以改善防滲、抗沖磨、防腐等性能，如挪威北海石油鉆井平臺，挪威Stolma跨海橋（301m跨徑LC60輕骨料混凝土建造），丹麥大貝爾特海峽大橋，連接丹麥與瑞典的厄勒（ORESUND）海峽大橋，美國Kinzua大壩防滲混凝土面板、進水閘、遂洞、主廠房下部結(jié)構(gòu)等。微硅粉混凝土用于公路路面和飛機跑道中，可以大大提高混凝土早期強度和耐磨性能，在公路路面的維護和搶修中，可以提前通車時間，增加經(jīng)濟效益，如歐洲E-6和E－18高速公路（瑞典），以及倫敦非金屬處理廠高耐磨地面處理。

　　在歐美國家，75%的噴射混凝土都摻入微硅粉，而在挪威和瑞典，微硅粉是噴射混凝土的必備材料。

[Page]

　　1.2用于耐火材料的添加劑

　　日本每年通過?？瞎荆瑥闹袊M口大量的微硅粉用于耐火材料工業(yè)。從日本神戶制鋼耐火物研究所的研究報告來看，優(yōu)質(zhì)微硅粉主要被用作高性能耐火澆注料、預(yù)制件、鋼包料、透氣磚、自流型耐火澆注料及干濕法噴射材料。根據(jù)大阪工業(yè)技術(shù)研究所的提交的研究報告，在高溫陶瓷領(lǐng)域，如：氧化物結(jié)合碳化硅制品，高溫型硅酸鈣輕質(zhì)隔熱材料，電磁窯用剛玉莫來石推板，高溫耐磨材料及制品，剛玉及陶瓷制品，賽龍結(jié)合制品等，微硅粉的使用具有高流動性、低蓄水量、高致密度和高強度等特點。

　　1.3用作冶金球團助劑

　　美國曾將微硅粉以每453.6kg硅石配22．7kg微硅粉的配比制成球團作為電爐冶煉原料，球的最大尺寸為19－25mm。經(jīng)電爐冶煉證明，加入較大量的球團時，爐子運行三周，沒有發(fā)現(xiàn)硅回收率降低和單位電耗增加的現(xiàn)象。挪威?？瞎疽苍鴮?萬千瓦金屬硅爐每晝夜生產(chǎn)出的100m3的微硅粉用水調(diào)和制成1－5cm直徑的球團后不用干燥直接返回電爐進行冶煉試驗，在豎爐中800－1200℃溫度下進行燒結(jié)，燒結(jié)后的球團不存在爆裂和不適應(yīng)的問題，具有足夠的機械強度，而且，由于不另加粘結(jié)劑，球團中雜質(zhì)很少，因此可返回電爐作為冶煉材料。蘇聯(lián)用紙漿廢液作粘結(jié)劑制球，球團強度可經(jīng)倒運而不碎裂，按30%比例加入電爐使用。瑞典一家鐵合金廠利用微硅粉作鉻礦球團粘結(jié)劑使用。

　　全封閉電爐冶煉硅鐵一般采用濕法凈化煙氣，利用處理后的水洗爐氣回收的微硅粉塵泥作為電爐冶煉原料。挪威?？瞎具M行了試驗和研究，將其在回轉(zhuǎn)窯中加氧化劑或還原劑，繼續(xù)加熱到800－1400℃左右，經(jīng)這樣處理可以除掉微硅粉塵泥中的有害物，同時將其形成球團。球團中的有害物質(zhì)酚和氰化物及瀝青之類的含碳物質(zhì)都被除掉，處理后的球團可返回到金屬硅、硅冶煉中作為原料。

　　目前，美國、俄羅斯、挪威等國均有微硅粉造球?qū)＠椭魄蛟O(shè)備。

　　1.4應(yīng)用于水泥做摻和材料

　　作水泥原料：挪威、冰島、加拿大等國家的鐵合金廠收回的部分微硅粉都有作為水泥原料的報導(dǎo)。蘇聯(lián)專利指出，在生產(chǎn)波特蘭水泥的原料中配入18-25%的硅粉，可提高水泥窯的產(chǎn)量和水泥質(zhì)量，窯的生產(chǎn)能力提高10-20%水泥養(yǎng)護28天后，抗壓強度由47Pa提高到54-56MPa。

　　做水泥混合材生產(chǎn)混合水泥：冰島水泥公司將制成球狀的微硅粉與熟料一起研磨生產(chǎn)含微硅粉約6%的混合水泥，應(yīng)用效果很好。1982年法國拉法基（Lafarge）水泥公司用微硅粉摻在波特蘭熟料中生產(chǎn)的混合水泥就已進入市場。加拿大也制訂了混合水泥的標準，混合水泥要求微硅粉摻入量在10%以內(nèi)，微硅粉中SiO2 含量大于85%，燒失量＜6%。生產(chǎn)超密水泥：日本電氣化工業(yè)株式會社從丹麥迪西脫（DENSIT）公司引進了以“DENSIFIED”命名的超密水泥。這種水泥主要由微硅粉、特殊外加劑和水泥熟料等配制而成。用它能制成致密度極高的混凝土，其強度比普通混凝土增強2-3倍，有良好的耐腐蝕性、絕緣性、耐磨性、抗?jié)B性、抗凍性及對氯離子的阻擋性能等。丹麥已將這種水泥用于防腐、耐磨食品工廠和重型機械廠的地面及要求絕緣和阻擋氯離子的防蝕層、水工混凝土工程等，還可以代替部分金屬制品。丹麥防腐蝕研究中心正在研究所用這種水泥作鋼鐵的防腐涂層原子能研究所正在研究用它作放射性廢棄物的保護隔離材料。

　　1.5用作化工產(chǎn)品的分散隔離劑

　　為了防止某些化工合成粉體結(jié)塊，曾經(jīng)采用云母進行包覆處理，造價較高。應(yīng)用微硅粉可以取代較貴的處理材料，但要準確地掌握使用的比例。挪威、法國和意大利都是采用這種方法，使分散隔離劑的應(yīng)用效果很好。這種分散隔離劑廣泛用于微細農(nóng)藥、化肥、滅火劑等產(chǎn)品，如美國Borax、蘇格蘭METHIL DOCKS化肥廠。

　　1.6其他方面

　　國外一些廠家對冶煉硅質(zhì)合金產(chǎn)生的大量微硅粉不斷進行研究探索，尋找更多的用途。例如，俄羅斯開發(fā)了利用微硅粉作硅酸鹽磚原料的工藝方法，并試制出配加 5%微硅粉的硅酸鹽磚，按磚的硬度、抗寒強度、吸水性相當于M200牌號磚，如將微硅粉配加量增至7％時，磚的牌號增至M250－300號，這批試驗性磚的其他指標均符合俄羅斯標準要求俄羅斯利用微硅粉填充樹脂及其他高分子聚合物產(chǎn)品，替代白碳黑、滑石、石棉、氣溶膠等填充材料，可提高延伸縮、抗撕裂和抗老化度性能微硅粉還可以用于農(nóng)肥和改良土壤品種，如將微硅粉與氫氧化鉀或碳酸鉀混合加熱可制成緩農(nóng)肥硅酸鉀，它不易揮發(fā)流失，能保護土壤，促進作物根部發(fā)育，抑制病蟲害，以及將微硅粉和纖維素廠或木材工廠生產(chǎn)的廢樹皮等廢料經(jīng)加工后形成混合物質(zhì)，可以增強土壤的肥力。

[Page]

2微硅粉在我國的應(yīng)用

　　2.1微硅粉在我國的生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀

　　我國對微硅粉的應(yīng)用研究和回收利用起步較晚，大部分硅鐵生產(chǎn)企業(yè)對微硅粉的回收不夠重視，一些規(guī)模較大的企業(yè)盡管回收了微硅粉，但沒有發(fā)現(xiàn)其中的價值，而且這些回收來的微硅粉二氧化硅含量大多數(shù)都不達標，尚屬粗放型的工業(yè)副產(chǎn)品。近幾年，由于國家對環(huán)保的重視，逐步加強了對污染企業(yè)的管理，特別是國內(nèi)對高強混凝土需求的增加，許多鐵合金生產(chǎn)企業(yè)配備了收塵設(shè)備，并開發(fā)、引進了加密技術(shù)。我國微硅粉產(chǎn)品發(fā)展很迅速，在該領(lǐng)域與國外的差距正在縮小。高強度混凝土、微硅粉噴射混凝土、復(fù)合增強密度劑、硅粉砂漿、低水泥澆注料等科研成果都已通過了部級或省、市級技術(shù)鑒定，并已在許多工程中應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)濟效果顯著。有的應(yīng)用技術(shù)已接近或達到了國外八十年代初的水平。

　　目前大多工業(yè)硅廠每生產(chǎn)三噸工業(yè)硅可回收一噸優(yōu)質(zhì)微硅粉。每生產(chǎn)五噸硅鐵可回收一噸微硅粉。據(jù)不完全統(tǒng)計，2004年我國微硅粉產(chǎn)量達到12萬噸以上，其中大部分含SiO2為90％以下品級。

　　我國微硅粉的主要用途也是在混凝土和耐火材料領(lǐng)域。微硅粉混凝土已應(yīng)用在重要工程如建造高層大廈、抗沖刷磨損、抗?jié)B漏等工程，早在1986年我國已將硅砂漿應(yīng)用于葛洲壩水閘的修補和2000-3000m3蓄水池的防滲，三峽電站、二灘電站、紫坪鋪電站、黃河小浪底電站、福建水口電站、青海龍羊峽電站等水利水電工程和上海楊浦大橋、香港青馬跨海大橋、江蘇連云港木材碼頭等工程的防滲及抗沖磨部位，以及用于高強度抗?jié)B工程如上海黃埔江越江隧道工程微硅粉混凝土還用于抗硫酸鹽、氯酸鹽、鋼筋防銹和提高耐久性工程，如我國在沿海建造的水下采油平臺等微硅粉混凝土用于鐵路公路，如國家重點工程青藏鐵路建設(shè)項目也較多地采用微硅粉產(chǎn)品。

　　微硅粉在耐火材料中主要應(yīng)用于不定形部分。我國冶金部建筑研究總院自1985年開始進行低水泥澆注料研究，1988年通過部級鑒定。它已在寶鋼、首鋼熱工設(shè)備上使用，有的已由國產(chǎn)材料代替了日本進口材料。低水泥澆注料和普通澆注料都使用鋁酸鈣水泥，配入微硅粉和高效減水劑后，低水泥澆注料不僅能節(jié)約昂貴的鋁酸鹽水泥50-70%，而且性能還得到提高。至今水泥澆注料已經(jīng)用于許多工程，如用于寶鋼高爐鐵溝蓋代替原日本進口澆注料，節(jié)約大量外匯用于首鋼250步進式加熱爐和430加熱爐燒咀磚上用于首鋼500開坯加熱爐汽流沖刷磨損嚴重的部位用于南京化學工業(yè)公司研究院的煤氣發(fā)生爐爐襯，使用壽命達到68天，比原剛玉管的使用壽命提高10-20倍。近幾年，在一些研究機構(gòu)、產(chǎn)品開發(fā)機構(gòu)的大力推廣下，微硅粉已逐步在工程板材、耐磨地坪、涂料、功能砂漿等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

　　另外，微硅粉在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也有進展，如上海星火化工廠已將微硅粉應(yīng)用于水玻璃生產(chǎn)，可在簡化工藝的情況下，生產(chǎn)出模數(shù)大于4的水玻璃。模數(shù)4以上的水玻璃為中性，可廣泛用于高溫噴涂、鑄鋼等方面。上海寶鋼已使用了這種水玻璃。

　　2.2微硅粉的價格現(xiàn)狀

　　目前微硅粉的市場價格每噸為1800～3800元， 根據(jù)微硅粉中SiO2含量、用途的不同，市場上微硅粉的價格也不同，一般地，如果不考慮粒度、燒失量等因素，SiO2的含量越高、雜質(zhì)含量越低，售價就越高。隨著市場對微硅粉需求量的增大，價格有走高的趨勢。

3微硅粉的市場需求預(yù)測

　　3.1國外微硅粉市場需求

　　目前國際市場微硅粉需求量逐年增加， 國外微硅粉的主要生產(chǎn)國如美國、俄羅斯、日本、挪威等微硅粉總產(chǎn)量大于64萬噸/年，仍然不能滿足市場的需求。由于中國硅鐵和金屬硅在國際上的產(chǎn)量處于突出的地位（2006年約占世界產(chǎn)量的2/3），所伴生的微硅粉受到國外終端客戶的重視，國外客商紛紛到中國采購微硅粉，如挪威的?？瞎?，不僅逐漸投資壟斷資源，而且已將研發(fā)中心遷到中國，每年都會將中國西北鐵合金等國內(nèi)大部分鐵合金廠家的微硅粉以低價大量收購，在國內(nèi)進行加工后再高價賣到中國和國際市場上用于建筑、水泥、化肥等領(lǐng)域，年銷售微硅粉達25萬噸，利潤不菲。從有關(guān)資料的了解，國外微硅粉市場龐大，高質(zhì)量微硅粉應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但是高品質(zhì)的微硅粉產(chǎn)量很少。根據(jù)與?？瞎荆ㄖ袊┭芯恐行闹魅蔚淖劻私?，該公司在挪威已經(jīng)利用廉價水電在高溫電弧爐中用硅石專門直接生產(chǎn)高純微硅粉（實際上是氣相白碳黑），這種微硅粉的價格高達5000美元/噸。

[Page]

　　3.2國內(nèi)微硅粉市場需求

　　目前高層建筑、鐵路、橋梁、水工建筑等對微硅粉的需求與日俱增，市場潛力巨大?；炷潦墙ㄖI(yè)的基本材料，微硅粉的加入使高強度、高性能混凝土成為可能，雖然高性能混凝土并不是單指摻加微硅粉，其他填料如粉煤灰、高爐渣等都能提高混凝土的性能，但是微硅粉的摻加在改善混凝土綜合性能方面更勝一籌，添加微硅粉后水泥的摻加量會明顯降低。

　　我國是世界耐火材料最大消費國，微硅粉在耐火材料中的應(yīng)用技術(shù)相對成熟，而且從我國耐火材料的發(fā)展趨勢看，由于“十一五”期間，冶金、建材等行業(yè)將保持穩(wěn)步發(fā)展，耐火材料需求總量仍然很大，并將繼續(xù)保持快速增長的趨勢?？梢杂糜诟邫n高低水泥耐火澆注料及預(yù)制件、大型鐵溝及鋼包料、透氣磚、涂抹修補料、自流型耐火澆注材料及干濕法噴射施工應(yīng)用、氧化物結(jié)合碳化硅制品（陶瓷窯窯具、隔焰板等）、高溫型硅酸鈣輕質(zhì)隔熱材料、電瓷窯用剛玉莫來石推板、高溫耐磨材料及制品、剛玉及陶瓷制品、賽隆結(jié)合制品等，微硅粉在耐火材料中的應(yīng)用具有廣闊的市場空間。另外，微硅粉還可以代替氣相二氧化硅在橡膠、塑料、油漆、農(nóng)藥、高性能陶瓷、復(fù)合化肥等領(lǐng)域使用。

　　目前國內(nèi)微硅粉的市場需求量在28-35萬噸／年左右（通過天凱特種材料網(wǎng)、中國鐵合金網(wǎng)、中國混凝土網(wǎng)、中國粉體工業(yè)信息網(wǎng)和電話調(diào)查），但國內(nèi)微硅粉僅有少數(shù)幾家企業(yè)生產(chǎn)，初步推算微硅粉產(chǎn)量總計為18－20萬噸／年（根據(jù)2004年全國硅鐵合金產(chǎn)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析）左右，還遠遠滿足不了市場的需求。隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的進一步發(fā)展，全國各地水電、水利及公路交通基礎(chǔ)設(shè)施大量開工，加之微硅粉的應(yīng)用研究進一步深入和投資強度的提高，微硅粉的市場前景十分可觀。

　　作者簡介：
　　劉曉華，女，37歲，清華大學博士后，材料科學與工程專業(yè)，研究方向為環(huán)境礦物材料利用、廢棄物處理及資源化新技術(shù)、新材料制備等。
　　通訊地址：清華大學逸夫技術(shù)科學樓材料系2713房間，郵編：100084
　　聯(lián)系電話：010－62771473，13810945916
　　傳真：010－62772135
　　E-mail：xhliu@mail.tsinghua.edu.cn