工業微硅粉是工業硅及硅鐵合金冶煉生產過程中產生的第二產品,其主要成分為無定型二氧化硅,還含有Ca、Fe、Mg、Na、Mn 等金屬氧化物雜質。在硅鐵或工業硅冶煉爐內約有10% ~ 15% 的硅轉化為微硅粉,據統計,生產1t 硅鐵可產生約230~250kg 微硅粉,而生產1t 工業硅則可產生高達500kg 的微硅粉。目前,我國有上千座硅鐵及工業硅爐,微硅粉的年產量在150 萬t 以上,然而,已配備除塵設備的工廠只有少數,能捕集到的微硅粉不足50 萬t/ 年。大多數微硅粉直接排入大氣,不但污染周邊環境,對人體造成極大傷害,同時也造成巨大的經濟損失。
微硅粉一度被認為是一種嚴重污染環境的工業廢棄粉塵,隨著人們對循環利用經濟理念的認識,微硅粉在不同領域得到了廣泛的應用,并且還有開辟出更多使用途徑的趨勢。本文簡述了冶煉硅鐵和工業硅過程中微硅粉的生產過程、微硅粉的捕集系統、以及微硅粉在建筑領域的應用,并對微硅粉未來的重點發展方向提出了建議。
1 工業微硅粉的產生過程
石英石是工業硅或硅鐵合金冶煉過程中的基本原料,在冶煉過程中會發生復雜的物理化學反應。當溫度達到1750℃時,石英石被碳還原生SiO;當溫度高于2160℃時,還原得到的Si 氣化升華,Si 蒸氣上升遇到低于1100℃空氣時與氧反應,亦生成SiO。SiO 和Si 的高溫氣體在急速上升的過程中被空氣中的氧氣氧化,并在較低的溫度下凝聚、冷卻生成微納米級顆粒,經收塵器過濾收集即得到微硅粉。其形成的一般過程如圖1 所示。
2 微硅粉的捕集
工業硅和硅鐵合金生產企業屬于高能耗、重污染行業,隨著人們對資源再利用的認識和國家對環境污染的大力治理,相關企業必須對煙氣凈化更加重視。正確選擇先進的除塵設備,不但可以減少粉塵對環境造成的污染,而且還能生產出高質量的微硅粉。微硅粉的回收裝置是煙氣凈化系統,即微硅粉生產系統,煙氣凈化回收系統,它不但要解決煙氣凈化問題,更重要的是成為一種為企業創造高利潤的新型設備,高效收回高品質的微硅粉,使微硅粉變廢為寶。
3 工業微硅粉在水泥及混凝土行業的應用
工業微硅粉經過焙燒、燒結、酸浸、堿浸等火法或濕法工藝處理后,可得到粒徑分布狹窄、形貌規整(一般為球形)、雜質含量少的微納米二氧化硅,可以作為生產硅基產品的原料;微硅粉在沒有預處理的情況下,多用于對粒度和純度要求較低的行業,如混凝土、水泥、耐火材料、團礦等重要領域。作為添加劑,微硅粉在油漆、涂料、冶金、橡膠、耐火材料和陶瓷制品等領域具有廣泛的應用,然而其使用量遠遠不能解決微硅粉產量過剩、堆積嚴重的現狀。
從對微硅粉的消耗量來說,以微硅粉作為水泥或混凝土摻合料為最佳。微硅粉作為添加劑、填充料或者摻合料,可以改善水泥或混凝土的物理結構性能,根據不同的添加方法和添加量可以配制具有高強度、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、抗滲透、抗凍的特種復合水泥或混凝土,廣泛應用于大型水利水電、港口及海洋、鐵路橋梁跑道隧道、高強及民建城市建筑等工程。下面以在水泥混凝土工程中摻入適量微硅粉為例,對它提高工程質量的作用加以具體說明 。
(一)微硅粉在水泥方面的應用
工業微硅粉具有超微粒的特性、且經過前處理后呈表面光滑的微球,是一種優質的水泥摻合料和低水泥澆注料的添加劑。球形微硅粉的添加,可以改善和提高水泥材料的物化性能、微硅粉作為水泥原料或者添加劑,主要是用來生產新型水泥配料和新型水泥:
(1)生產水泥生料配料:原料中加入20% 左右的微硅粉,可提高水泥的質量,特別是抗壓強度。
(2)生產混合水泥:工業微硅粉經酸浸后,得到以二氧化硅為主要成分的球形顆粒,與熟料一起研磨生產含微硅粉的混合水泥,微硅粉的摻雜量一般控制在10% 以內。
(3)生產超密水泥:此種水泥主要由微硅粉和水泥熟料等配制而成,此外需加入特殊添加劑。用超密水泥制成的混凝土,其致密度極高,其強度也比普通混凝土增加兩到三倍,具有良好的絕緣性、耐腐蝕性、耐磨性、抗凍性、抗滲性以及氯離子阻擋性等。廣泛應用
于防腐、耐磨蝕工廠的地面,以及要求絕緣和阻擋氯離子的防蝕層,還可以用作隔離材料,比如鋼鐵的防腐涂層。
(二)在混凝土方面的應用
普通混凝土一般以水泥為主要膠凝材料,是與水、砂和石子按適當比例配合而成的一種優良的建筑材料,已廣泛地應用于路面工程。由于其抗拉強度低、耐磨耐腐蝕能力低、脆性大,易受外界沖擊疲勞荷載、溫度、濕度等因素的影響,常常會變形或被早期破壞,如交通磨損、化學腐蝕、機械沖擊變形、凍融循環開裂、防水失效等。微硅粉的摻入可有效地增加混凝土的致密度,提高混凝土的韌性和抗滲性,對混凝土內部和表面的裂隙產生約束作用,有效地阻止其擴展,達到增強的作用。另外它還與游離的氫氧化鈣結合,形成穩定的硅酸鈣水化物。微硅粉的摻雜對混凝土的影響主要表現在:
改善混凝土的密實性。在普通混凝土中,水泥顆粒之間存在著較大的微觀空隙,微硅粉的摻入,可以填充混凝土中的空隙,減少空隙的數量或者降低空隙的尺寸,使漿體更為致密,從而提高水泥漿的密實度,其抗壓強度、抗滲水性、耐腐蝕性能相應的得到了提高。
提高混凝土的粘結強度與耐久性。微硅粉的摻入可以將骨料界面過渡區形成的過量的氫氧化鈣轉化為水化硅酸鈣凝膠,使其填充在水泥水化物之間,從而提高水泥漿體與骨料之間的粘結強度。氫氧化鈣晶粒對混凝土早期強度是不利的,摻雜的微硅粉可以與其發生火山灰反應,不斷消耗氫氧化鈣,加快混凝土的水化作用,提高混凝土的早期強度和密實性,有效地提高了抗氯離子滲入引起電化學破壞的能力,延長了其使用壽命。
改善混凝土的離析和泌水性能。微硅粉具有較大的比表面積和優良的相容性,具有潛在的滯水作用,可以顯著減少混凝土的離析和泌水。在混凝土中摻雜一定量的微硅粉,水分被就地滯留在微硅粉表面而無法遷移,因此摻雜微硅粉的混凝土在骨料和鋼筋下面沒有泌水聚集,其界面強度顯著提高。然而,在配置摻雜微硅粉的混凝土時,需要微調水膠比,還應加大高效減水劑的添加,在保證混凝土適當的粘度和流動性前提下,提高混凝土的強度。
4 結語
綜上所述,微硅粉是一種極具工業應用前景的硅產業副產物,由于其具有顆粒尺寸小、比表面積大、活性高、相容性好、機械穩定性好等優點,已經在水泥或混凝土等領域廣泛應用。在普通混凝土中摻加適量微硅粉,不僅減少了水泥用量,同時提高了混凝土的物理化學綜合性能,具有明顯的社會效益和經濟效益。
目前工業微硅粉的質量遠沒有達到實際中的應用,并且工業硅及硅鐵合金行業產出副產品微硅粉的過剩和滯銷問題遲遲不能解決,在大多工業硅及硅鐵合金廠,微硅粉漫天飛舞、堆積如山的現象仍然存在。針對這一現象,今后的工作可以從以下幾個方面開展:
(1)調整觀念。微硅粉作為副產品是今后工業硅及硅鐵企業發展的重要方向,決不能認為是廢棄物,而應當認為是產業,且是具有更高價值的盈利產品。
(2)研究開發先進的除塵設備,提高微硅粉的質量。現行微硅粉使用前,大多需要經過酸浸、堿浸、焙燒等復雜的前處理,既增加了使用成本,在前處理的過程中又給環境造成了新的負擔。因此,對微硅粉的捕集,重點不但要在回收率上,更應該提高微硅粉的質量,使之在今后應用過程中無需經過復雜的前處理就可以直接應用。
(3)微硅粉捕集裝置的設計,應該朝著簡單化、自動化、低能耗、低污染、高效率的方向發展。
(4)關于工業微硅粉的運輸問題,應增大微硅粉的密度,降低運輸成本,同時也要做到密封措施,避免運輸過程中微硅粉粉塵對環境造成的污染。
(5)就地取材,因地而異。在硅及硅合金企業,就地安裝配置處理微硅粉系統,比如說在工業硅廠引進將微硅粉壓制成板材的工藝技術,這樣不但可以解決了微硅粉副產品產量大、難處理的問題,而且省去了運輸微硅粉途中的費用。
(6) 拓展工業微硅粉的應用范圍,實現工業微硅粉變廢為寶、產生經濟效益的目的。目前對微硅粉的應用主要集中在添加劑、摻和劑、填充劑等物理方面,所以在繼續開發微硅粉的物理應用外,更要注重微硅粉在化學方面的應用。
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