铁合金冶炼副产物微硅粉的性能及用途

孙 宁，李俊翰，杨绍利，蒋 鹏，朱虹嘉

(1.攀枝花学院 资源与环境工程学院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花学院 攀西科技创新中心，四川 攀枝花 617000)

•综述与述评•

铁合金冶炼副产物微硅粉的性能及用途

孙 宁1，李俊翰2，杨绍利1，蒋 鹏1，朱虹嘉1

(1.攀枝花学院 资源与环境工程学院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花学院 攀西科技创新中心，四川 攀枝花 617000)

微硅粉是冶炼硅系产品的副产物，被广泛应用于水泥、混凝土等行业。文章论述了微硅粉的形成过程、理化性能、国内外应用现状，并展望了微硅粉的发展趋势和方向。

微硅粉；理化性能；用途

0 前言

用矿热电炉冶炼工业硅或硅铁合金的过程中，会产生出大量挥发性极强的蒸气，蒸气冷凝后通过特定设备捕集回收，得到无定型、粉末状的二氧化硅粉体，称为微硅粉。微硅粉一部分被排入到空气中造成大气污染，另一部分被大量堆放，不仅占用大量的土地，而且很容易形成扬尘，导致二次污染，对周边的生态环境构成威胁[1]。因此，微硅粉回收利用很有必要。近年来，随着硅系产品产量的迅速增长和应用技术的深入研究，微硅粉作为新型无机非金属材料将具有显著的市场前景[2-4]。

1 微硅粉的形成过程

冶炼硅铁合金是以石英岩碎石和生铁作为原料，以焦炭作为还原剂，在矿热电炉近2 000 ℃的高温中进行一系列复杂反应，石英岩碎石被还原成硅，并与生铁反应生成硅铁合金。冶炼金属硅是以石英砂为原料，以碳、石油焦等作为还原剂，在矿热电炉高温条件下进行还原反应，冶炼出金属硅[5]。

在冶炼硅铁合金或金属硅的过程中，因高温产生的硅蒸气与矿热电炉烟道内的氧气结合形成一氧化硅。随着烟道排出后，与空气中的氧气反应生成二氧化硅蒸气，并迅速冷凝成为细小的球状微粒粉尘。将这些粉尘用特定的环保除尘设备捕集回收起来，得到的超细无定形粉末状二氧化硅微粒，就是微硅粉[6]。其形成过程见图1。

2 微硅粉的理化性能

微硅粉的主要成分是无定形态的二氧化硅，通常含量在80%～98%，并且含有金属氧化物和游离碳等杂质，颜色随杂质含量成浅灰色或灰白色，堆积密度为200～350 kg/m3，比表面积15～28 m2/g[7]。

图1 微硅粉的形成过程

2.1 微观形貌特征

二氧化硅蒸气在冷凝时受到表面张力的影响，会形成粒径大小不一、表面光滑球状颗粒[8]。图2为微硅粉的SEM扫描电镜图片，通过图片可知，很多球状颗粒产生了团聚现象，这是由于微硅粉本身具有很高的比表面积和火山灰活性，因而使得微硅粉作为添加剂的性能表现突出。

图2 微硅粉的SEM扫描电镜图片

2.2 粒级分布

微硅粉可作为耐火材料的添加剂，合理的颗粒粒级分布有利于耐火材料的烧结成形，并能获得较高致密度的产品。微硅粉的粒级分布见表1，不同类型的微硅粉颗粒粒度分布会有所变化[9]。

表1 微硅粉的粒级分布

2.3 化学组成

微硅粉的主要化学成分是SiO2，还含有Fe2O3、Al2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、C等杂质。SiO2的含量决定产品质量的高低，含量<88%的产品，经济效益极低；而含量<92%的产品，则有很大的市场前景和经济效益[10]。

2.4 物相结构

微硅粉是高温条件下产生的二氧化硅蒸气在空气中迅速冷凝形成的，由于形成过程迅速，二氧化硅还未能结晶为晶体，因此微硅粉是非晶态的[11]。图3是微硅粉X射线衍射图谱，通过对图谱分析可知。图中呈现的特征馒头峰说明其为无定形态。

图3 微硅粉的X射线衍射图谱

2.5 技术要求

微硅粉不同的应用领域会有相应的技术要求，根据国家标准GB/T 21236-2007可知，市面上的微硅粉为SF96、SF93、SF90、SF88、SF85等5个牌号。各牌号的技术要求见GB/T21236-2007电炉回收二氧化碳微粉[12]。特殊要求，供需双方协商。

3 主要用途

微硅粉是一种重要的无机非金属材料，广泛应用于水泥、混凝土、陶瓷、化工、耐火材料、复合材料等领域，被称为“神奇的材料”。

3.1 加入到水泥中增强使用性能

Behzad Kalantari等[13]研究了水泥和微硅粉预制板对泥炭块地面工程性能的影响，利用有限元法分析了泥炭地面和预制板的应力分布，结果表明该预制板能显著提高软性泥炭地面的强度和承载能力。Ozcan Tan等[14]研究了膨润土、粉煤灰和微硅粉水泥浆料对基体分别在7、14、28 d下的单轴抗压强度的影响，研究表明微硅粉是提高基体单轴抗压强度最有效的参数指标。Serhat Baspinar M等[15]对掺微硅粉的粉煤灰在蒸汽加压生产中的综合利用潜力做了研究，试验表明微硅粉是预防产品中出现钙矾石相的有效添加剂，改善了粉煤灰和水泥混合物在高压蒸汽养护中的水热条件。Singh等[16]研究了硅酸盐水泥—粉煤灰—微硅粉三元系水泥系统的水合作用。研究表明粉煤灰延迟了硅酸盐水泥的水合作用，减少了系统的放热量；然而当粉煤灰和微硅粉一起加入后，改善了系统的放热效能，但热值仍低于硅酸盐水泥。总之，微硅粉可加速水泥的水合作用，降低粉煤灰混合水泥的缺陷。

3.2 掺和到混凝土中提高强度

Wang Xiaoyong[17]对硬化的微硅粉混凝土的抗压强度作了评价，建立了含微硅粉混凝土的水合作用的数值模型，该模型已通过混凝土中水与水泥配比、微硅粉加入比例等试验数据得到验证。Kim等[18]研究了在不同养护时间下，利用粉煤灰、高炉渣和微硅粉制备的二元、三元和四元混合物节能混凝土的力学性能。结果表明，随着微硅粉的加入，混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性系数和泊松比逐渐增加；然而，随着粉煤灰含量的提高，混凝土的抗压强度和抗拉强度逐渐降低。Ubolluk Rattanasak等[19]研究了微硅粉和Al(OH)3对提高流化床燃烧粉煤灰抗压强度的作用。实验结果表明，经硅酸钠和氢氧化钠溶液在65 ℃下养护24 h后，微硅粉-Al(OH)3-粉煤灰混合物得到活化，所制备的混凝土具有较强的均匀性、致密度和基体强度。Serkan Subas等[20]利用非破坏性试验，建立了一套用于预测含微硅粉混凝土抗压强度的模糊理论模型。研究表明，只要输入超声波脉冲速度、斯密特硬度和微硅粉含量，该模型在预测混凝土在7、28、90 d的抗压强度方面有着巨大的潜力。Shetti等[21]研究了早期熟化的微硅粉混凝土的抗酸碱性和抗氯化物侵蚀性，结果表明随着微硅粉含量的增加，混凝土方块在酸性介质中的质量损耗在减少，在碱性介质中基本不变。同时，其吸水量随着微硅粉的增加而减少。

3.3 在陶瓷、化工、复合材料等方面的用途

王涛等[22]使用微硅粉制备多孔莫来石陶瓷，在烧结温度为1 450 ℃，氧化铝和二氧化硅为3∶2.5(物质的量比)的条件下，采用凝胶注模工艺和无压烧结制备技术制备了纯度在90%以上的多孔莫来石陶瓷，抗压强度为260.93MPa，气孔率高达21%。SalwaAAhmed等[23]研究了微硅粉作为固态萃取剂吸附医药和环境样品中的Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)。研究表明当pH值为6.0～8.0时，微硅粉对Zn和Cd的最大吸附量分别为54.13、121.28mg/g。HandajayaRusli等[24]研究了醋酸纤维—微硅粉薄膜在淀粉与麦芽糖分离中的特征和应用，结果表明当醋酸纤维与微硅粉为4∶1(质量比)，工作压力为0.3MPa，压缩时间为2h时，这种复合膜对淀粉和麦芽糖抗渗透率为87%和2%，实现了两者的有效分离。同时，红外光谱显示这种膜材料与原料相比，没有新相生成，说明醋酸纤维和微硅粉两者之间的作用仅为物理聚合；扫描电镜显示该膜主要为多孔结构；XRD显示其形态主要为无定形结构。VladimírZvivica等[25]发现碱性活化剂能够较大程度上提高水泥基体材料的工程性能，他们利用微硅粉制备了高效碱性活化剂，研究结果表明含微硅粉的碱性活化剂比当前普遍使用的氢氧化钠、碳酸钠和水玻璃等活化剂具备更高的使用效能。SameenaKamaruddin等[26]以砂子和微硅粉为原料，加入适量的二氧化钛，制备了用于污染物降解的光催化活性材料。

4 结语

随着硅系合金产量的逐年提升，微硅粉的产量也随之增加，作为工业冶炼的副产物，微硅粉凭借诸多优良性能成为一种“神奇的材料”被有效利用，目前主要应用在水泥、混凝土等粗放式领域，如何提高微硅粉产品附加值的问题引起了社会的广泛关注。研究表明，结合其稳定的理化性能，提高产品质量，使其在电子封装、航空航天、高分子复合材料等高技术、高价值应用领域发挥作用，是微硅粉以后的发展趋势和方向。

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Properties and Application of Silica Fume from the Ferroalloy Smelting By-product

SUN Ning1，LI Junhan2，YANG Shaoli1，JIANG Peng1，ZHU Hongjia1

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000,China；2.Panxi Science and Technology Innovation Center，Panzhihua University，Panzhihua 617000,China)

As a by-product of smelting,silica fume has been widely applied in the field of cement,concrete and other industries.In this paper,the forming process,physicochemical properties,application status of the silica fume are discussed.The development trend and direction of the silica fume are prospected.

silica fume；physicochemical properties；application

2017-01-13

国家自然科学基金项目(51174122)；大学生创新创业训练计划项目(2016cxcy213)

孙 宁(1985- )，男，工程师，硕士，从事环境资源方面的研究工作，E-mail：sunning11512@163.com。

TQ127.2

A

1003-3467(2017)04-0007-04