硅灰的性质及其应用

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摘要：本文介绍了硅粉的形成和性质，论述了国内外硅粉应用的研究情况。
关键词：硅粉；性质；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，硅粉的生成量也越来越大，据估计，我国硅粉潜在资源每年在4O万t以上，但国内不少厂家没有除尘回收装置，大量硅粉由于没有回收，到处飘逸，严基污染环境。

硅粉资源的综合开发利用研究始于5O年代，到6O年代末已有工程应用，国内外经过长期的研究和实践，又将硅粉应用于水泥、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硅粉的形式
在电炉冶炼工业硅和硅铁时，硅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：

SiOz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SiOz，并发出白
色火焰：

此时由于骤冷，温度梯度变化很大，生成的SiOz来不及结晶，而生成粒度极细小的非晶质相SiOz即氧化硅粉。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12O～19Okg硅粉，硅粉中除含炉气氧化和歧化反应生成的SiOz微粉外，还含有1O%～2O%硅石和碳质还原剂等随炉气逸出的细粉。

影响硅粉生成的因素主要有炉料中焦炭与SiOz比例，炉料电阻率的大小以及炉温等。

3硅粉的性质
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4O一5O容重约为200kg／m3。，真密度2．2g／cm3。。硅粉颗粒绝大部分小于1um，最细0．O1um，用氮吸附法测得比表面积为26～36m2／g，是水泥比表面积的7O一9O倍，由于硅粉比表面积很大，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。

用偏光显微镜观察硅粉的组成结果，除少量碳粉和结晶SiOz粉外，主要成分均为非晶物相。x射线衍射法的试验结果也表明硅粉中仅含有少量SiOz结晶物，绝大部分是无定形的SiOz扫描电镜的观察结果为，硅粉是由5um以下大小不等的球形颗粒组成。国内外硅粉的化学成分见表2。

4硅粉的应用
本世纪70年代，北欧各国首先研究了硅粉在混凝土中的应用，挪威工业大学的M·Slad首次做了硅粉的试验，发现混凝土掺用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硅粉综合利用的研究，并取得了’长足的进步。针对硅粉的应用，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硅粉的混凝土应用于高层建筑、高速公路、桥梁和石油平台等工程中。

我国对硅粉应用的研究起就较晚，1985年水电部研究成功把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。1983—1986年上海铁合金与上海建筑科学院等单位合作研究了硅粉在混凝土中的应用。

1985年后，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，现在硅粉的应用主要有如下几个方面。

4．1在混凝土方面的应用
把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。由于硅粉粒度细，比表面积大，具有很高的火山灰活性，作为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硅粉用于混凝土，相当于5O万t水泥掺有硅粉，加拿大1985-1989年共使用了硅粉混凝土100万m3。硅粉加入混凝土中改善了混凝土多方面性能：

4．1．1提高混凝土早期强度和最终强度
国外研究证明，当硅粉对水泥的取代率在3O％以内时，蒸养温度为8O℃，砂浆一天的抗压强度为不掺硅粉的2倍(IOOMPa)，若采用蒸压养护，则几乎达3倍(150MPa)。加拿大研究表明，当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3～5倍。目前，美国、丹麦、挪威等国已有硅粉作掺和剂配制了强度高达1lOOkg／cm的混凝土，而且工艺简单。硅粉在混凝土中的效应，随硅粉用量增加，活性和微粒对混凝土强度的影响也逐渐增强。

4．1．2增加致密度
混凝土中掺入硅粉增加了起反应的硅含量，在电镜下观察，掺硅粉混凝土的水泥石空隙中有晶体生长。另外，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。

4．1．3改善混凝土离析和泌水性能
国外研究证明，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15～20cm也不产生离析和泌水，当取代率达2O％～3O时，混凝土直接放入自来水中也不易产生离析。

4．1．4提高混凝土的抗渗性、抗化学侵蚀性和比电阻
由于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，所以提高了硅粉昆凝土的抗渗性能国内外研究认为，当混凝土中硅粉取代率为1O％～2O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SiO含量的增加，有效地阻止了酸离子的侵入和腐蚀作用。另外，由于硅粉比电阻很高(1．2×1OnQ·cm)，所以混凝土比电阻可提高1．9—1．6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。

4．2在水工抗磨蚀材料中的应用
南京水利科学研究院用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7％～20，最高强度可达11600N／cm，“硅粉砂浆”还能促进水泥水化，提高早强。

4．3作返回炉料
美国曾提出以球团形式作为电炉冶炼原料．球团的料比为每453．6kg硅石配22．7—113．4kg硅粉，制成球团，球的最大尺寸为19-一25ram。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zo％，干球密度(O．72一O．75)×10kg／m。，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1O一15mm球团，在竖炉中8OO一12OO’C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3O比例加入电炉使用，效果良好。

4．4在耐火烧注料中的应用
低水泥浇注料是7O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硅粉和高效减水剂，可以节约铝酸盐水泥5O～7O％，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

4．5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3．5，而使用硅粉制泡花碱，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：

低模数泡花碱硅粉m+n>4

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。

4．6在橡胶工业中的应用
据前苏联文献报道，硅粉可作为制取橡胶、树脂的矿物原料，含有硅粉填料的橡胶，其相对延伸率、拉撕裂强度和抗老化性能均得到改善。

4．7其他用途
硅粉与KOH或K：CO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。硅粉还可用作化肥防结块剂。另外，前苏联还利用硅粉作硅酸盐砖，当硅粉配入7时，砖的标号可达M25O—M300。

5结语
国外对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，硅粉已进入商品化阶段。虽然我国对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硅粉应用新途径。

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