衛(wèi)迎鋒 占華生 田江濤 陳紹鑫 葉大俊 王玉存 高長賀

北京金隅通達(dá)耐火技術(shù)股份有限公司 北京 100043

基于SiO2微粉獨(dú)特的物理化學(xué)性能，早于20世紀(jì)80年代即開展關(guān)于SiO2微粉在高性能混凝土、超強(qiáng)水泥、耐火材料等領(lǐng)域的研究及應(yīng)用，并先后制定頒布實(shí)施了關(guān)于SiO2微粉在不同應(yīng)用領(lǐng)域的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，可將SiO2微粉分為3種：w（SiO2）＞90%的高硅含量SiO2微粉，用于耐火材料或者高溫陶瓷行業(yè)；w（SiO2）=85%～90%的SiO2微粉，應(yīng)用于建筑混凝土行業(yè)；w（SiO2）＜85%（w）的低硅含量SiO2微粉，但低硅含量SiO2微粉的應(yīng)用研究較少［1-6］。

隨著我國硅和鐵合金行業(yè)的迅速增長，低硅含量SiO2微粉的產(chǎn)量也已經(jīng)由原來的每年10萬～20萬t增加至50萬～60萬t，但我國市場的需求每年只有20萬～30萬t，出口約10萬～20萬t，整體呈現(xiàn)供大于求的現(xiàn)狀。近年來，隨著環(huán)保的要求以及環(huán)保設(shè)施的增加，固體廢棄物SiO2微粉的除塵量也隨之增加。SiO2微粉密度小，占地面積大，而且露天堆放容易造成環(huán)境污染。這要求我們除了有效利用高檔SiO2微粉外，更應(yīng)該探索低硅含量SiO2微粉的應(yīng)用途徑。

本工作中對回收的低硅含量SiO2微粉固廢進(jìn)行熱處理，并對不同溫度熱處理后粉體特性進(jìn)行了剖析，為其綜合利用進(jìn)行了探索。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)取內(nèi)蒙古某硅錳合金廠低硅含量SiO2微粉固廢進(jìn)行試驗(yàn)分析，其化學(xué)分析結(jié)果如表1所示。

表1 SiO2微粉固廢的化學(xué)分析結(jié)果

將低硅含量SiO2微粉原料裝在匣缽中，置于高溫電爐中，分別在400、500、600、700、800、900和1 000℃下保溫5 h進(jìn)行熱處理。

對熱處理后的粉體分別用≤1、≤0.25和≤0.044 mm篩子進(jìn)行分級處理，分別得到0.25～1、0.044～0.25和≤0.044 mm的粉體，所得粉體基本都＜1 mm。按照GB／T 2997—2015檢測0.25～1 mm粉體中團(tuán)聚體的體積密度、吸水率、顯氣孔率，按照GB／T 20316.2—2006檢測0.25～1 mm粉體中團(tuán)聚體的堆積密度。分別利用XRD和SEM分析熱處理后粉體的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相組成

SiO2微粉經(jīng)700、800、900和1 000℃熱處理后的XRD圖譜見圖1。結(jié)果表明，熱處理溫度低于800℃時(shí)，粉體主要是以無定形SiO2為主，800℃以后開始析出方石英。

圖1 SiO2微粉經(jīng)不同溫度熱處理后的XRD圖譜

2.2 顯微結(jié)構(gòu)

觀察篩分后的不同溫度熱處理后的粉體發(fā)現(xiàn)，0.25～1 mm粉體基本上為團(tuán)聚體，約占比45%（w）；0.044～0.25 mm粉體由團(tuán)聚體和不規(guī)則形狀塊體組成；≤0.044 mm粉體含量小于5%（w）。

0.25～1 mm的SiO2微粉經(jīng)400℃熱處理后，團(tuán)聚體遇水破碎；熱處理溫度為500℃時(shí)，強(qiáng)度較低，基本沒有燒結(jié)。700℃熱處理后，團(tuán)聚體變得較為完整，強(qiáng)度提高。熱處理溫度為800℃時(shí)，有少許粉體輕微黏結(jié)在一起，可以輕輕揉碎。800℃以上SiO2微粉結(jié)塊嚴(yán)重。其中0.25～1 mm粉體經(jīng)400和700℃熱處理后的顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 0.25～1 mm的SiO2微粉熱處理后的SEM照片

圖3示出了0.25～1 mm的SiO2微粉500～800℃熱處理后的球狀團(tuán)聚體的SEM照片?？梢钥闯觯簾崽幚頊囟仍?00℃以下時(shí)，團(tuán)聚體主要是由納米級粒狀、球體SiO2團(tuán)聚而成；隨熱處理溫度升高，納米級SiO2逐漸燒結(jié)，彼此黏結(jié)在一起，當(dāng)熱處理溫度為800℃時(shí)，納米級粒狀、球體SiO2逐漸消失，燒結(jié)現(xiàn)象明顯。這是由于SiO2微粉是活性粉體，低溫下產(chǎn)生了燒結(jié)。

圖3 不同溫度熱處理后0.25～1 mm的SiO2微粉的團(tuán)聚體的SEM照片

圖4示出了800℃熱處理后0.25～1 mm的SiO2微粉的團(tuán)聚體的SEM照片。由圖4可以看出，經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，球體整體進(jìn)一步致密化，大部分球體從內(nèi)向外有一定梯度變化，內(nèi)芯部分結(jié)構(gòu)致密。這與回收工藝有關(guān)。800℃熱處理SiO2微粉的球狀體表面出現(xiàn)少量長柱狀析晶，結(jié)合XRD可知是方石英。

圖4 800℃熱處理后SiO2微粉的團(tuán)聚體的SEM照片

2.3 物理性能

經(jīng)600、700和800℃熱處理后，0.25～1 mm的SiO2微粉的物理性能見圖5。隨著熱處理溫度升高，熱處理過程促進(jìn)團(tuán)聚體致密化，團(tuán)聚體的體積密度由0.73 g·cm-3增大至0.95 g·cm-3，堆積密度由0.47 g·cm-3增大至0.7 g·cm-3，顯氣孔率降低了14.4%，吸水率降低了34%。

圖5 0.25～1 mm的SiO2微粉的物理性能

綜上，低硅含量SiO2微粉固廢經(jīng)回收處理后，形成團(tuán)聚體。處理溫度低于500℃，強(qiáng)度偏低，高于800℃結(jié)塊嚴(yán)重，并析出方石英。熱處理溫度控制在600～800℃時(shí)，可以形成以團(tuán)聚體為主的粉體。該粉體可以作為輕質(zhì)原料用在低溫保溫澆注料中替代部分珍珠巖、陶粒等?；蛘呓?jīng)篩分處理，所得球狀原料可以作為其他行業(yè)填料。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)回收處理后的低硅含量SiO2微粉固廢熱處理溫度低于800℃時(shí)，其顆粒主要由粒狀、球狀無定形SiO2顆粒堆積形成的球狀團(tuán)聚體組成，基本在1 mm以下，其中0.25～1 mm部分團(tuán)聚體約占質(zhì)量比45%。熱處理溫度為500℃及以下時(shí)，團(tuán)聚體強(qiáng)度較低，800℃以上結(jié)塊嚴(yán)重，并開始析出方石英相。

（2）隨著熱處理溫度的提高，0.25～1 mm的SiO2微粉團(tuán)聚體的體積密度和堆積密度逐漸提高，顯氣孔率和吸水率逐漸降低。

（3）熱處理溫度控制在600～800℃可制得具有一定強(qiáng)度，體積密度在0.73～0.95 g·cm-3的球殼結(jié)構(gòu)的球狀粉體，該粉體可以作為輕質(zhì)原料用在低溫保溫澆注料，也可以作為其他行業(yè)填料。