硅粉的綜合利用

硅粉的綜合利用一、刖言由于七十年代對環(huán)境保護的重視，許多國家要求硅鐵合金和工業(yè)硅電爐煙氣除塵后排放。這樣，回收下來的硅粉日益增多，促使人們不得不為硅粉尋找應(yīng)用途徑。硅粉資源開發(fā)利用研究工作始于五十年代，到期六十年代末七十年代初已有工程應(yīng)用。目前北歐、西歐、北美、日本、澳大利亞、南非、蘇聯(lián)等地區(qū)和國家已硅粉廣泛應(yīng)用在水泥、混凝土、耐火注料、橡膠、化工等工業(yè)，并已開發(fā)了一批性能優(yōu)異的新產(chǎn)品。我國開展硅粉綜合利用的工作雖然起步較晚，但進展較快。如高強度混凝土、硅粉噴射混凝土、復(fù)合增強密度劑、硅粉砂漿、低水泥澆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。二、硅粉的物理化學(xué)特性硅粉是在電爐內(nèi)生產(chǎn)含硅粉量在75%以上的硅鐵合金和工業(yè)硅時，產(chǎn)生大量揮發(fā)性很強的SiO2和Si氣體與空氣迅速氧化并冷凝而成的，一般可產(chǎn)生10—20%的硅粉量。1、化學(xué)成份它的SiO2含量很高，可達85—98%（見表1）。爐氣上升也夾帶著少量雜質(zhì)，如游離C、FeO、CaO、KO、NaO等。硅粉的顏色隨C、FeO含量增高而色澤由白、灰白到灰、深灰變化。232223就其質(zhì)量而言，SiO2含量高，顏色淡白為好。一般認為SiO2含量大于75%的硅粉可應(yīng)用于水泥、混凝土。我國目前所產(chǎn)硅粉SiO2含量均在85%以上，是完全可以利用的。表1：硅粉的化學(xué)成分（％）成份產(chǎn)地甘肅寧夏內(nèi)蒙貴州日本實物挪威奧克廠加拿大某廠SiO294.7293.5792.7594.789.5988-9890.3-92.4A12O31.050.430.280.61.38<2.20.54-0.61Fe2O30.730.530.590.12.04<2.23.86-4.54CaO0.750.280.230.20.4907-0.83MgO0.290.730.890.870.7<2.00.41-0.52KO20.331.561.661.321.36<2.51.04-1.15NaO0.0570.160.210.931.05<1.80.2-0.23游離C0.621.051.520.782.0燒失量2.603.023.262.96?（國家耐火材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心及日本測試，洛陽耐火材料研究院等檢測）2、細度硅粉的顆粒極其細微。從表2看出，極度小于川m的占80%以上。平均粒么為0.1-0.15Mm的是一種超微固體物質(zhì)，硅粉與其它粉狀物質(zhì)相比，其比表面積可達20000-280000cm2/g，比粉煤灰大于50倍左右，比水泥約大于50-100倍。超微粒的制造和應(yīng)用是八十年代的高技術(shù)。目前已有A12O3氧化鋯、磁性氧化等多種超微粒和碳化硅和氧化硅及其它金屬和合金超微粉，可用于精密陶瓷、高性能粉末冶金、導(dǎo)電性材料、磁性材料、傳感器等新材料。所以，硅粉具有的超微特性，在改善和提高材料的性能方面有著極為重要的作用。3、顆粒形狀硅粉在冷凝時的氣、液、回相變的過程中受表面張力的作用，形成呈大小不一的圓球狀，且表面較為光滑，有些可能是兩個或多個圓球粒粘凝在一起的。摻有硅粉的物料，這種微小光滑的球狀體可以起到潤滑使用，減少物料顆粒之間的摩擦力，從而改善了物料的可加工性能，可以相應(yīng)降低用水量，提高材料的性能。4、礦相結(jié)構(gòu)冷凝形成硅粉的過程極為迅速，所以SiO2還來不及形成晶體，其礦物屬于無定礦物。它是一種具有很大表面活性的火山灰物質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)的水泥、混凝土摻合料和低水泥澆注料的添加劑。用X衍射分析表明，硅粉的X衍射圖諳顯示為典型的玻璃態(tài)特征的彌散峰。5、其它性能火度（SiO2>90%時）1630°C比重2.1-3.0g/cm3堆比重200-250kg/m3pH值6.7-8.0比電阻（常溫下）2.4X1014Q.cm自然傾斜角38-43O三、硅粉的包裝、運輸及貯存因硅粉堆比重小，自然傾角大、蓬松、易飛揚，由容器裝運卸出都很不容易，而且包裝和運輸費昂貴。目前，各國對硅粉加工、貯存和運輸?shù)男问绞嵌喾N多樣的，一般可用原粉狀、團塊狀、珠狀采用散裝、袋裝等形式包裝、也可將硅粉與適水制成泥漿或泥膏供給用戶。散裝一般采用帶蓬蓋的自卸汽車或密封水泥罐車運輸。袋裝通常每袋重25kg，大袋裝可達300-500kg?？诖话悴捎眉堎|(zhì)或塑料。目前，我國唐山、上海、太原等地的硅粉粉大都用雙層塑料袋包裝，每袋重10-15kg。為了提高硅粉粉的運輸效率，有些廠商采取了增密措施。如加拿大、瑞典、美國等有的工廠向硅粉粉罐廠內(nèi)加水拌成泥漿（水與硅粉各50%）。挪威里列比廠制成的泥漿含硅粉35%，并直接運往混凝土廠。采用這種方式運輸成本較低，裝卸不揚灰，勞動環(huán)境好；易于泵送、機械化程度高。硅粉粉成球的方法多用傳統(tǒng)的圓盤成球機，挪威、蘇聯(lián)、日本等國都有報導(dǎo)。用造紙廢液、硅粉酸鈉、NaCl、堿或堿土金屬氫氧化物等水溶液或凈水作粘結(jié)劑，制成的球團直徑為5-25mm，一般都作為硅粉鐵原料返爐。球團自身強度有的依靠粘結(jié)劑的粘結(jié)力，有的還需焙燒。七十年代后期，一家斯堪的納維亞公司用高效堿水劑與硅粉粉結(jié)合生產(chǎn)用于混凝土的珠狀外加劑、以“Corrocem”命名的商品出現(xiàn)于市場。1982年后，珠狀外加劑有了新的發(fā)展，挪威?？瞎纠貌煌膲A水劑、高效堿水劑與硅粉粉粘結(jié)成不同性能的珠狀外加劑用于水泥、混凝大及其他礦物配料（包括低水泥澆注料等），具商品以“EMSAC”命名供應(yīng)市場。這種為加劑使用時極為方便，在遇水后即可溶化分解，可與同時摻入硅粉粉、高效堿水劑起到了一樣的效果。目前有些國家也開發(fā)了這種技術(shù)。珠狀硅粉的直徑為0.5mm，其堆比重由原來散裝硅粉粉0.2t/m3增至0.6t/m3。這樣能使包裝運輸費減少約60%。裝卸效率提高，貯存空間和占地減少，還改善了勞動條件和環(huán)境。近幾年，冶金部建筑研究總院和上海一些單位對硅粉的增密也作了不少的研究。冶金部建筑研究總院研制的復(fù)合增強密實劑于1987年通過了技術(shù)鑒定。這種外加劑適用于水泥砂漿和單純凝土。四、硅粉的綜合利用1、用于水泥工業(yè)挪威、冰島、加拿大等國家的鐵合金廠收回的部分硅粉都有作為水泥原料的報導(dǎo)。其應(yīng)用方法如下：用于水泥料配料，蘇聯(lián)專利指出，在生產(chǎn)波特蘭的原料中配入，18-25%的硅粉，可提高水泥窯的產(chǎn)量和水泥質(zhì)量，窯的能力提高10-20%；水泥養(yǎng)生28天后，由47Pa提高到54-56Mpa。生產(chǎn)混合水泥冰島一有水泥公司將制成球狀的硅粉與熟料一起研磨生產(chǎn)含硅粉約6%的混合水泥，應(yīng)用效果甚好。1982年加拿大拉法劑（Lafarge）水泥公司用硅粉摻在波特蘭熟料中生產(chǎn)的混合水泥已進入市場。加拿大已制訂有混合水泥的規(guī)范，混合水泥要求硅粉摻入量在10%以內(nèi)，硅粉的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“迪西法依特”命名的超密水泥。這種水泥主要由硅粉，特殊外加劑加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。2、用于砂漿和混凝土在建筑、建材作業(yè)中應(yīng)用硅粉是當前的主要利用途徑。自1983年以后，在北美、歐洲、日本等都有開始大量使用硅粉混凝土。根據(jù)1986年資料報導(dǎo)，那威每年大約有4萬噸硅粉用于混凝土，相當于有50萬噸水泥摻有硅粉。加拿大1981-1985年共使用硅粉混凝土100萬m3.在混凝土中摻入硅粉能起到多大效果，挪威PerA.jahren提出了一個有效的指數(shù)值為1-6（圖1），即使用1公斤硅粉可節(jié)約1-6公斤的水泥在多數(shù)情況下，有效指數(shù)值在2-5之間。在砂漿和混凝土中使用硅粉時一般都與減水劑同時使用，主要起兩個作用：①水泥消化過程產(chǎn)生的Ca（OH）2能與硅粉反應(yīng)，產(chǎn)生低于C/S比的C-S-H水化物，構(gòu)成少含或不含Ca（OH）2、不易滲透的水泥石結(jié)構(gòu)，使砂漿和混凝土致密和均勻。黃成毅和feldman和試驗表明，摻10%、30%硅粉的水泥漿體中，Ca（OH）2含量有很大的降低，摻30%硅粉的試樣，在七天之內(nèi)已完全消失。②砂漿、混凝土加入硅粉和減水劑，充填到水泥顆粒之間，使砂漿、混凝土顯氣孔率下降，氣孔結(jié)構(gòu)改善，進一步提高混凝土的性能。在上述試驗中，對照試樣也摻硅粉10%和30%試樣90天后的顯氣孔率分別為17.02%、14.81%、11.71%，其中小于0.0175Mm的各為6.72%、10.35%、7.54%。新拌硅粉混凝土的性能特點：粘性大，在混凝土的運輸和施工過程中不易離析分層，與巖石、老混凝土、磚等材料粘結(jié)性好，用于噴射混凝土工程回彈量小。含硅粉量達20-30%時，粘稠性好，可用于水下工程施工。泌水性小，硅粉混凝土在澆灌振實后，表面不泌水，不易產(chǎn)生沉縮裂縫，混凝土表面較為光滑，對硅粉混凝土要早期養(yǎng)護。硬化后混凝土的性能特點：學(xué)強度高在試驗室配制抗壓強度為100-150Mpa的硅粉混凝土已非難事。丹麥配制了抗壓強度達到225-255Mpa的混凝土。我國上海用經(jīng)挑選的骨料配制了抗壓的混凝土為125pa的混凝土。硅粉混凝土抗壓強度比普通混凝土可以提高20080%，其它力學(xué)性能如抗折強度、抗拉強度也都有很大提高。物理化學(xué)性能改善由于硅粉混凝土密實度提高，氣孔率減少，微氣孔較多，水泥石中Ca（OH）2減少或不存在，提高了混凝土抵御外界質(zhì)的滲透、侵蝕等能力。密實的硅粉混凝土可降低碳酸化速率，又有較大的電阻率，所以能夠保護鋼筋和埋設(shè)件。硅粉可以和混凝土中存在的K2O和Na2O堿性物質(zhì)相結(jié)合，從而消除或減少了堿和骨料反應(yīng)。避免了工程的破壞。此外，它還有較好的抗凍、防油、耐酸等性能。目前，硅粉混凝土已應(yīng)用在下述地方：建造高層大廈用于抗沖刷磨損、抗?jié)B漏工程處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。用于高強度抗?jié)B工程處我國上海用高強度預(yù)制件建造上海黃埔江越江隧道工程。用于抗硫酸鹽、氯酸鹽、鋼筋防銹和提高耐久性工程處1976-1978年瑞典建造了受海浪沖擊的碼頭工程；我國在沿海建造了水下采油平臺。用于抗磨、抗凍、防腐等工程。3、用作低水泥澆注料低水泥澆注料是七十年代發(fā)展起來的一種新型高性能的耐火澆注料，首先由法國研制成功。它廣泛用于各種工業(yè)高溫窯爐，有很好的技術(shù)經(jīng)濟效果。1983年美國匹茲堡市通用耐火材料公司將低水泥澆注料用于干高爐主出鐵溝溝蓋內(nèi)襯，使用壽命是原普通澆注料的三倍，由75-100爐提高到300-400爐。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。，但前著配入硅粉和高效減水劑后，其水泥用量公4-8%，加水量僅5-8%，比后者水泥用量15-20%、加水量10-15%有大幅度減少。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。冶金部建筑研究總院對低水泥澆注料的試驗結(jié)果如下：氣孔率與孔結(jié)構(gòu)調(diào)低水泥澆注料與普通澆注料在1400°C加熱后的顯氣孔率對比，前者為20.4%，而后者為26.4%，增加將近30%。用壓泵法測定在低水泥澆注料的總孔隙低于普通澆注料。加熱800C后的普通澆注料比110C烘干時增加了將近40%。從孔徑分布方面，普通澆注料中大于100A的孔徑為低水泥澆注料的2-3倍，小于1000A的孔徑僅為低水泥澆注料的30-50%。強度變化特性低水泥澆注料的強度不論是低溫、中溫和高溫階段都能持續(xù)增長，而普通澆注料的中溫強度有明顯下降。兩種澆注料的熱態(tài)抗折強度如下：1100C*1h1400C*1h低水泥澆注料9.4Mpa2.0Mpa普通澆注料4.8Mpa0,7Mpa線變化在加熱時，低水泥澆注料的收縮值低于普通澆注料，達到1500°C時，低水泥澆注料出現(xiàn)了0.1-0.8%的微膨脹，因此材料不會出現(xiàn)裂縫。耐火度經(jīng)測定，低水泥澆注料的耐火度為1790-1830C，高于普通澆注料(1690-1710C)。荷重軟化點測試結(jié)果如下：普通澆注料低水泥澆注料荷重軟化點KD4%KD4%溫度，C1170132512401395熱膨脹在1400C前兩種澆注料基本一致。1400C后低水泥澆注料稍有收縮后又開始膨脹，1500C時膨脹率為.5%，而普通澆注料1400C后急劇收縮，1500C時膨脹率已為負值(-1.8%)。耐侵蝕性試驗用轉(zhuǎn)爐渣加熱到1450C，恒溫3小時，低水泥澆注料的侵蝕量約4CM2，優(yōu)于普通澆注料的7CM2。至今，冶建總院已開發(fā)成功了DJ系列多種牌號水泥澆注料并用于許多工程。DJ-C165Z.DJ-C17Z二種低水泥澆注料有于寶鋼高爐鐵溝蓋。原日本進口澆注料時平時壽命20天，現(xiàn)已全部采用國產(chǎn)低水泥澆注料代替，平均壽命也為20天左右。最高可達26天，節(jié)約大量外匯。DJ-C70、DJ-60低水泥澆注料用于首鋼250步進式加熱爐和430加熱爐燒咀磚上。250不進式加熱爐的使用壽命為9個月（原使用僅為半個月），提高了近20倍。DJ-C60低水泥澆注料用于首鋼500開坯加熱爐受高溫汽流沖刷磨損嚴重的壓下部位，使用一年仍完好無損。DJ-C60低水泥澆注料用于南京化學(xué)工業(yè)公司研究院的CO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。根據(jù)現(xiàn)有資料報導(dǎo)，低水泥澆注料在國外應(yīng)用十分廣泛，已應(yīng)用在焦爐、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼、有色冶金、石油和化工、水泥、玻璃陶瓷及發(fā)電等工業(yè)中。4、其它用途生產(chǎn)水玻璃上海星火化工廠已將硅粉應(yīng)用于水玻璃生。用硅粉可在簡化工藝的情況下，生產(chǎn)出模數(shù)大于