微硅粉的应用及品质控制

一、什么是微硅粉
微硅粉也叫硅灰，英文为Microsilica or Silica fume。铁合金厂在冶炼硅铁和工业硅（金属硅）时，矿热电炉内产生出大量高温废气，这种废气直接排入大气会造成严重的环境污染，而废气中粉尘主要是SiO₂粉尘，它是高温气化SiO₂冷凝形成的细小球形颗粒，在重量上占90%左右。这种粉尘就是微硅粉。
 
二、微硅粉的特性
增强效应
微硅粉，作为混凝土中所应用的活性矿物掺料之一，掺入后可以改善水泥石胶凝物质的组成，特别可以减少和消除游离石灰。因为活性矿物中的SiO₂可以和游离石灰及高碱性水化硅钙产生火山灰反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化硅酸钙，胶凝物质的数量得到大幅增加，水泥石与集料的界面结构也得到大幅改善。因此，混凝土强度得以大幅提高。这就是硅粉对混凝土的增强效应。
填充效应
在混凝土中掺入适量的超细矿物掺料----微硅粉（平均粒径0.10-0.26um），由于其平均粒径比粉煤灰和矿渣又小一个数量级，微硅粉可以进一步填充于粉煤灰和矿渣粒子之间的空隙，使胶凝材料的粒子的密实性进一步提高，强度进一步增加。除此之外，填充效应提高了混凝土的致密性，因此还能改善混凝土的耐久性。
增塑效应
在高效减水剂的协同作用下，在拌合过程中，极小的圆球形微硅粉颗粒的表面覆盖了一层表面活性物质，与水泥粒子以及其他矿物掺料粒子一样，使颗粒之间产生静电斥力，由于球状的硅灰粒子远小于水泥粒子，它们在水泥颗粒之间起到“滚珠”作用，使水泥浆体的流动性增加，从而使泵送和灌注更为容易，因此增强效应得以有效体现。
对混凝土耐久性改善
活性硅粉的掺入，在混凝土水化物中形成大量低碱性水化硅酸钙胶凝，它们能吸收和固定大量的Na⁺,K⁺离子，从而使混凝土孔溶液中的有效碱含量大大减少，因而，极大地减少了碱集料反应的危害性。而且，硅粉还能填充在水泥粒子之间和界面的空隙中，使混凝土的抗渗性大幅度提高，这样，水和侵蚀介质难以进入混凝土的内部，故而混凝土的耐久性大大提高。
 
三、微硅粉的应用
1. 建筑工程：该领域微硅粉主要添加到混凝土中，除了增加其强度和提升其耐久性，以微硅粉（硅灰）配制的高性能混凝土还具有优异的构造性能、大幅降低工程维护费用并支持环境可持续发展。
 高性能混凝土：配置高性能混凝土中添加，提高混凝土的力学性能，以达到设计强度要求，抗压强度一般高于70Mpa，主要用于城市高层结构的承重梁，应用的建筑项目多集中在房地产项目或办公楼；
‚ 活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,简称RPC): 为高性能混凝土后，研究成功的一种超高硬、低脆性、耐久性优异的新型超高强混凝土。目前国内主要应用在高铁项目的小型预制构件，其抗压强度可以达到120Mpa左右;
ƒ 抗冲耐磨混凝土：主要应用于水电站项目的消力池和泄洪洞两个部位，由于该两部位的特殊性，使硅粉的添加显得必不可少。混凝土添加硅粉后，其抗冲磨能力比一般混凝土提高一倍左右，抗48m/s流速级的抗磨蚀能力提高3倍以上；
④隧道喷射混凝土：微硅粉添加在喷混砂浆里，可以降低喷射回弹率，增大致密性；
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综上所述，微硅粉在水泥混凝土行业内的应用的主要优势是首先微硅粉能够提高钢筋混凝土的强度，其次微硅粉的掺入能够降低混凝土的渗透性，增大钢筋混凝土的抗腐蚀能力，另外，微硅粉用于混凝土中时，能够提高混凝土的耐磨能力和抗冲击能力，适用于高磨易腐蚀损伤的部位，最后，微硅粉在降低大体积混凝土的水化温升、减少喷射混凝土的回弹损失，增大粘聚力，降低发生碱骨料反应等方面都有独特的优势。
2. 耐火材料：高档高性能低水泥耐火浇注料及预制件，使用寿命是普通浇注料的三倍，耐火度提高约100℃，能大大提高浇注型耐火材料的致密性。在与Al₂O₃并存时，更易生成莫来石相，使其高温强度，抗热振性增强。高温强度及抗热震性能明显改善。正因如此，微硅粉已普遍应用于：焦炉、大型铁沟及钢包料、透气砖、有色金属、玻璃、陶瓷及发电等行业。
3. 外墙保温材料：超薄真空绝热保温板，其主要原料材料为微硅粉，特点为
保温节能效果优异，导热系数低，效果相当于其它保温材料的6-10倍以上。用1-2厘米厚就能达到75%的节能要求，相当于其它保温材料10cm以上的保温节能效果。可以减少房屋公摊面积，增加2-6%得房率。
 
四、微硅粉的生产
生产收集原理简述
第一步：废气净化
电炉出口烟气经过烟罩、主烟气管道，通过冷却器降温后进入旋风分离除尘器，再经过布袋除尘器。烟气通过风机进入布袋除尘器，粉尘被滤袋内表面捕集下来，净化后达到环保标准的烟气从滤袋外排出，上升到除尘器顶部从排放口排入大气。
第二步：微硅粉收集
当设备运行阻力或时间到达设定值时，卸灰过程开始。利用主风机前段负压，通过反吸风管道及进出风管阀门的切换实现对布袋除尘器各仓室的清灰过程，回收下来的粉尘通过输灰管道由风机送入至微硅粉均化装置。
第三步：微硅粉加密
经过布袋除尘器收集的微硅粉初始密度只有150-200kg/m³，在运输上耗费很大的费用，因此，经过加密后的微硅粉呈球状，堆积比重由原来散装微硅粉0.2t/m³左右增至0.3~0.6t/m³，这样能使包装及运输费减少约30~60%。与此同时，装卸效率得到提高、贮存空间和占地也减少，且生产现场扬尘现象大大减缓，改善了劳动条件和环境。
 
五、微硅粉的品质控制
微硅粉本质上是冶炼过程中的一种“副产品”或者说“废品”，并非通过刻意生产加工而来，所以其质量会更多的受外界因素的影响。为了让产品品质做到相对稳定，做了很多探索和研究，摸索出一套有效的品质控制方法主要表现如下：
I.产生源的品质控制
①、炉型大小的选择：炉型的大小决定产品质量的稳定性。过小的炉体，炉况变化较频繁，导致SiO₂质量不稳定，而大于12500KVA的炉体，产量较少，不能保证产品供应的延续性，故， 6300KVA到12500KVA的工业硅炉为首选，可以确保工程用微硅粉SiO₂含量≥85%且相应杂质含量较少，各指标均可满足相关标准；
②、将冶炼炉负荷大小、矿石原料产地品质、还原剂类别等矿热炉本身的因素进行初步分类，将采集微硅粉样品进行分析，根据化验结果做出产品分类。
II.生产过程的品质控制
①．在微硅粉“生产线”（环保设备）自动控制领域，通过对现场炉况的观察，与厂内技术人员交流，在不影响环保除尘设备效果的情况下，对主风机控制参数进行调节，改变不同炉况的各级风速，改变过滤布袋的内外压差，控制过滤效果，达到调节硅灰含量及其他参数的目的。另外，也可以对收尘设备进行升级，加装温度调节捕风器组、扩大布袋除尘器过滤面积等方式，达到改变整个收尘系统SiO₂冷凝时间、成型性状等，最终对微硅粉的各项参数进行一定范围内的可调可控。
②．产品卸料封包前，操作员须目测确保袋内微硅粉颜色均匀且产品无结块，并将有唯一编号的质量卡缝制于包装袋上。这使得每袋微硅粉都具有了溯源性，强化了操作人员的责任心，也便于生产、存储各环节的识别，大大增强了产品的质量保证。
③、生产现场的巡查是品控过程中的重要一环。专职现场巡查人员会每日进行例行的料场巡视及冶炼现场记录工作，确保冶炼工艺、原料及成品未发生变动，保证微硅粉产品的质量稳定。若发生了工艺、原料、炉况变化及其他可能对微硅粉品质产生影响的情况，需及时将当日产品区别存放，并将样品及时做指标分析，依据化验结果再行分类。
III．产品出库、入库品质控制
①．产品入库堆放时，不同炉型的产品须分类堆放；同一设备的产品，以一周内生产的产品为一批次单独堆放。库管人员须做好不同批次产品的产地记录和堆放位置记录。化验人员以一整车（25-30吨）为一批次再进行一次抽检，抽检样品数量不低于二十袋，每包取样重量不低于100g，样品混合均匀后送检。每次检查均需记录检验时间、指标数据等相关信息。
 
微硅粉未来应用趋势
近年来，由于国家对环保的重视，逐步加强了对污染企业的管理，特别是国内对高强混凝土需求的增加，许多铁合金生产企业配备了收尘设备，并开发、引进了加密技术。我国微硅粉产品发展迅速。高强度混凝土、微硅粉喷射混凝土、硅粉砂浆、低水泥浇注料等科研成果都已通过了部级或省、市级技术鉴定，并已在许多工程中应用，技术经济效果显著。随着国家经济建设的发展，以及对我国全长约1.8万公里海岸线的大力建设（海港深水码头、跨海大桥、海上钻井平台等），微硅粉的应用领域必将会得到更进一步拓展。面对如此巨大的市场，这对微硅粉的生产管理、品质控制以及供应保证体系提出了更高的要求，不仅需要确保大批量的生产供应，而且更需要我们在此过程中做到现代化、科学化及精细化的管理，做到真正意义上的变“废”为宝。

编辑：小薇