热处理温度对低硅含量SiO2微粉固废性能的影响

卫迎锋 占华生 田江涛 陈绍鑫 叶大俊 王玉存 高长贺

北京金隅通达耐火技术股份有限公司 北京 100043

基于SiO2微粉独特的物理化学性能，早于20世纪80年代即开展关于SiO2微粉在高性能混凝土、超强水泥、耐火材料等领域的研究及应用，并先后制定颁布实施了关于SiO2微粉在不同应用领域的质量标准。根据应用领域，可将SiO2微粉分为3种：w（SiO2）＞90%的高硅含量SiO2微粉，用于耐火材料或者高温陶瓷行业；w（SiO2）=85%～90%的SiO2微粉，应用于建筑混凝土行业；w（SiO2）＜85%（w）的低硅含量SiO2微粉，但低硅含量SiO2微粉的应用研究较少［1-6］。

随着我国硅和铁合金行业的迅速增长，低硅含量SiO2微粉的产量也已经由原来的每年10万～20万t增加至50万～60万t，但我国市场的需求每年只有20万～30万t，出口约10万～20万t，整体呈现供大于求的现状。近年来，随着环保的要求以及环保设施的增加，固体废弃物SiO2微粉的除尘量也随之增加。SiO2微粉密度小，占地面积大，而且露天堆放容易造成环境污染。这要求我们除了有效利用高档SiO2微粉外，更应该探索低硅含量SiO2微粉的应用途径。

本工作中对回收的低硅含量SiO2微粉固废进行热处理，并对不同温度热处理后粉体特性进行了剖析，为其综合利用进行了探索。

1 试验

试验取内蒙古某硅锰合金厂低硅含量SiO2微粉固废进行试验分析，其化学分析结果如表1所示。

表1 SiO2微粉固废的化学分析结果

将低硅含量SiO2微粉原料装在匣钵中，置于高温电炉中，分别在400、500、600、700、800、900和1 000℃下保温5 h进行热处理。

对热处理后的粉体分别用≤1、≤0.25和≤0.044 mm筛子进行分级处理，分别得到0.25～1、0.044～0.25和≤0.044 mm的粉体，所得粉体基本都＜1 mm。按照GB／T 2997—2015检测0.25～1 mm粉体中团聚体的体积密度、吸水率、显气孔率，按照GB／T 20316.2—2006检测0.25～1 mm粉体中团聚体的堆积密度。分别利用XRD和SEM分析热处理后粉体的物相组成和显微结构。

2 结果与分析

2.1 物相组成

SiO2微粉经700、800、900和1 000℃热处理后的XRD图谱见图1。结果表明，热处理温度低于800℃时，粉体主要是以无定形SiO2为主，800℃以后开始析出方石英。

图1 SiO2微粉经不同温度热处理后的XRD图谱

2.2 显微结构

观察筛分后的不同温度热处理后的粉体发现，0.25～1 mm粉体基本上为团聚体，约占比45%（w）；0.044～0.25 mm粉体由团聚体和不规则形状块体组成；≤0.044 mm粉体含量小于5%（w）。

0.25～1 mm的SiO2微粉经400℃热处理后，团聚体遇水破碎；热处理温度为500℃时，强度较低，基本没有烧结。700℃热处理后，团聚体变得较为完整，强度提高。热处理温度为800℃时，有少许粉体轻微黏结在一起，可以轻轻揉碎。800℃以上SiO2微粉结块严重。其中0.25～1 mm粉体经400和700℃热处理后的显微结构如图2所示。

图2 0.25～1 mm的SiO2微粉热处理后的SEM照片

图3示出了0.25～1 mm的SiO2微粉500～800℃热处理后的球状团聚体的SEM照片。可以看出：热处理温度在800℃以下时，团聚体主要是由纳米级粒状、球体SiO2团聚而成；随热处理温度升高，纳米级SiO2逐渐烧结，彼此黏结在一起，当热处理温度为800℃时，纳米级粒状、球体SiO2逐渐消失，烧结现象明显。这是由于SiO2微粉是活性粉体，低温下产生了烧结。

图3 不同温度热处理后0.25～1 mm的SiO2微粉的团聚体的SEM照片

图4示出了800℃热处理后0.25～1 mm的SiO2微粉的团聚体的SEM照片。由图4可以看出，经过高温热处理后，球体整体进一步致密化，大部分球体从内向外有一定梯度变化，内芯部分结构致密。这与回收工艺有关。800℃热处理SiO2微粉的球状体表面出现少量长柱状析晶，结合XRD可知是方石英。

图4 800℃热处理后SiO2微粉的团聚体的SEM照片

2.3 物理性能

经600、700和800℃热处理后，0.25～1 mm的SiO2微粉的物理性能见图5。随着热处理温度升高，热处理过程促进团聚体致密化，团聚体的体积密度由0.73 g·cm-3增大至0.95 g·cm-3，堆积密度由0.47 g·cm-3增大至0.7 g·cm-3，显气孔率降低了14.4%，吸水率降低了34%。

图5 0.25～1 mm的SiO2微粉的物理性能

综上，低硅含量SiO2微粉固废经回收处理后，形成团聚体。处理温度低于500℃，强度偏低，高于800℃结块严重，并析出方石英。热处理温度控制在600～800℃时，可以形成以团聚体为主的粉体。该粉体可以作为轻质原料用在低温保温浇注料中替代部分珍珠岩、陶粒等。或者经筛分处理，所得球状原料可以作为其他行业填料。

3 结论

（1）经回收处理后的低硅含量SiO2微粉固废热处理温度低于800℃时，其颗粒主要由粒状、球状无定形SiO2颗粒堆积形成的球状团聚体组成，基本在1 mm以下，其中0.25～1 mm部分团聚体约占质量比45%。热处理温度为500℃及以下时，团聚体强度较低，800℃以上结块严重，并开始析出方石英相。

（2）随着热处理温度的提高，0.25～1 mm的SiO2微粉团聚体的体积密度和堆积密度逐渐提高，显气孔率和吸水率逐渐降低。

（3）热处理温度控制在600～800℃可制得具有一定强度，体积密度在0.73～0.95 g·cm-3的球壳结构的球状粉体，该粉体可以作为轻质原料用在低温保温浇注料，也可以作为其他行业填料。