煅燒對微硅粉性能的影響

毛 靜，向后奎，陳偉亞

1.武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北武漢 430074;2.武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430074

0 引言

微硅粉，亦稱硅灰或凝聚硅灰，是鐵合金在冶煉硅鐵和工業硅(金屬硅)時，礦熱電爐內產生大量揮發性很強的SiO2和Si氣體，氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀而成［1-3］，后經特別設計的收塵器收集得到的粉體材料，其主要成分為粒度為0.1～0.5μm之間非晶態的球狀二氧化硅粒子.因為微硅粉質量比較輕，通常還需要用加密設備進行加密以方便儲存和運輸.其被廣泛應用于建筑、冶金、水泥、化工、耐火材料等領域［4-8］.

由于鐵合金冶煉過程中一般都使用了大量的碳質還原劑，所以微硅粉中除了SiO2之外，也夾帶有少量雜質，如游離 C、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O等［9-11］.微硅粉的顏色也隨著 C、Fe2O3含量的增高，色澤由白、灰白到灰、深灰變化.就其質量而言，SiO2含量越高，顏色淡白為好.而絕大部分通過收集鐵合金冶煉煙氣方式所得到的微硅粉一般顏色較暗，其白度一般為30～50.微硅粉應用于需要較高白度的地方時，這就會有成為主要問題.其白度低主要原因在于里面含有質量分數大約為3%的碳.姜子炎［12］等人研究了使用流化床法除去微硅粉游離碳工藝，結果表明對游離碳的去除效果不錯.不過該方法對設備要求較高，增加了產品的生產成本.煅燒是工業生產中非常普遍、設備要求簡單且成本相對低廉的一種工藝方法，而采用直接煅燒的方法除碳以提高微硅粉白度的相關研究未見報道.本實驗將微硅粉直接煅燒，探討了溫度對除碳的影響，并采用同步熱分析(TG-DSC)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、比表面積(BET)、白度等測試手段對微硅粉煅燒前后的形貌、成分、結構和白度進行了表征.結果表明，經600℃、4 h煅燒之后，微硅粉中SiO2晶型仍為非晶態，BET基本無變化，碳的質量百分數由1.96%下降到0.65%，白度則由 31.04 提高到 70.14.結果說明本方法能很好去除微硅粉中游離碳，能有效提高白度，提高了微硅粉的應用價值.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用微硅粉來自某鐵合金廠家，其主要成分見表1.

表1 實驗所用微硅粉的主要成分Table 1 The chemical compositon of silicon fume in the experiments

1.2 實驗方法及儀器

測定物質的白度通常以氧化鎂為標準白度100%，并定它為標準反射率100%，以藍光照射氧化鎂標準板表面的反射率百分率來表示試樣的藍光白度，反射率越高，白度越高，反之亦然［13］.對于實驗原料，首先將原始微硅粉在550、600、650、700℃及900℃條件下在箱式電阻爐中煅燒4h之后的燒失量，從而確定其最佳煅燒溫度.然后采用了 XRD、TG-DSC、SEM、BET、白度等測試手段對實驗樣品的形貌、成分、結構和白度進行了表征.實驗所用儀器和設備型號等見表2.

表2 實驗所用儀器設備Table 2 Instruments and equipments in the experiments

2 實驗結果與分析

2.1 煅燒工藝條件的確定

微硅粉中含有一定量的游離碳，而游離碳的含量直接影響了微硅粉的白度等性質.實驗過程中發現，當煅燒時間小于4 h時，煅燒產物顏色不均勻，肉眼觀察有一部分灰色物質，說明微硅粉中的游離碳未反應完全;當反應時間≥4 h時，肉眼觀察顏色基本無變化，因此煅燒時間選為4 h.圖1是原始微硅粉在空氣氣氛下的TG-DSC曲線.從樣品的DSC曲線中可以看出，樣品在76.3℃有一個吸收峰，可能為微硅粉表面的吸附水蒸發引起的;523.3℃有一個放熱峰，其應該是游離碳燃燒放熱峰.從樣品的熱重TG曲線可以看出，樣品的重量是一個先略有增加后減少、600℃左右漸趨平穩過程.

為了進一步定量研究煅燒溫度對游離碳的除去影響，本文還使用碳硫儀研究了在箱式電阻爐中，原始樣品分別在550、600、650、700 ℃及900 ℃條件下煅燒4 h之后的除碳、除硫以及上述溫度下樣品的燒失量情況，如圖2所示.從圖2原始樣品的碳硫儀定碳曲線可以清楚地看到，原始樣品的碳質量分數約為1.96%，而600℃煅燒后的碳質量分數為0.65%，游離碳去除率達到66.8%.此外，900℃煅燒后的碳質量分數為0.61%，與600℃相比，僅僅降低了0.04%，說明600℃時樣品中的游離碳基本消耗完全，與圖1中樣品的TG曲線結果相吻合.因此，考慮到經濟因素和除碳效率，煅燒溫度選為600℃即可.

圖1 原始樣品空氣氣氛下TG-DSC曲線Fig.1 TG-DSC curve of the original sample under the air astomsphere

圖2 原始樣品空氣氣氛下定碳曲線Fig.2 Carbon curve of the original sample under the air astomsphere

2.2 煅燒對微硅粉性質的影響

2.2.1 煅燒對SiO2晶型的影響 圖3為微硅粉最佳煅燒工藝前后的XRD花樣.從圖中可以看到，樣品煅燒前后衍射花樣基本無任何變化，均在2θ=22°左右有一個非晶態的彌散峰，該峰與方石英(高溫石英)接近，也很好反應了微硅粉高溫形成的特點.此外，圖3中2θ=37°和60°左右還有兩個尖銳的結晶峰，對比標準PDF卡片發現為SiC的兩個特征峰(JCPDS 29-1129)，說明雜質中含有碳化硅，在本煅燒工藝對SiC去除效果不大.

2.2.2 煅燒對形貌影響 為了對樣品最佳煅燒工藝前后的微觀形貌及結構進一步了解，作者用場發射掃描電鏡觀察對樣品進行了測試，如圖4所示.其中，圖4(a)為原始微硅粉的SEM照片，圖4(b)為樣品600℃、4 h煅燒后的SEM照片.從照片中可以看到，顆粒為一個一個團聚在一起的非常規則的小球，其一次粒子的粒徑非常小，大部分達到了納米級別.圖4(a)中還可以很清楚的看到片狀結構的物質，應該是雜質碳和碳化硅晶體.而經過600℃、4 h的煅燒后，樣品依然呈現為由一個一個很規則的圓球團聚在一起的團聚體，其一次粒子的粒徑比較小，玻璃態的SiO2結晶長大并不明顯，但是片狀結構的物質含量明顯減少.

圖3 樣品煅燒前后的XRD衍射花樣Fig.3 XRD parttens of the samples

圖4 樣品煅燒前后SEM照片Fig.4 SEM of the samples

2.2.3 煅燒對BET的影響 圖5為樣品最佳煅燒工藝前后的氮氣吸附脫附曲線.測試結果顯示，煅燒前樣品的比表面積為21.066 m2/g，煅燒后為BET比表面積為21.046 m2/g，變化不大.究其原因，結合SEM照片和粒度測試結果可知，雖然整個顆粒粒徑在長大，但是其一次粒子長大并不明顯，煅燒后并未出現多孔狀物質，因此其比表面積變化不顯著.

圖5 樣品煅燒前后氮氣吸附脫附曲線Fig.5 The nitrogen adsorption and desorption curves of the samples

2.2.4 煅燒對白度的影響 白度表示物質表面白色的程度，以白色含有量的百分率表示.微硅粉的白度大小直接影響其具體的應用.測試結果顯示，原始樣品煅燒前其白度為31.04，煅燒后的白度達到70.14，白度值增加了126%，差異明顯.

3 結語

實驗通過定碳和TG-DSC的方法確定了微硅粉的最佳煅燒工藝條件，采用XRD、SEM、BET、白度等測試手段對最佳工藝條件下煅燒前后樣品的形貌、成分、結構和白度進行了表征.研究結果表明:

a.微硅粉煅燒的最佳工藝條件為600℃、4 h;

b.對比最佳工藝條件下煅燒前后微硅粉各種性能測試結果可以得到，煅燒之后微硅粉中SiO2晶型并未發生改變，游離碳去除效果明顯，其去除率達到66.8%，白度提高了126%，比表面積則變化并不明顯.

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