高效压块-热硬化硅灰工艺，用于制造高强度压块，以供工业硅冶炼使用

《Process Safety and Environmental Protection》：Efficient briquetting-thermal hardening of silica fume to manufacture high strength briquettes for industrial silicon smelting

硅粉回收再利用通过压块与热硬化工艺实现，优化水分20%、粘结剂3%、压力15MPa、烘干65℃×20h、烧结950℃×45min后获得强度1551N/P、抗磨损能力优异的硅粉压块，再生用于电炉冶炼。研究揭示干燥压块强度源于颗粒间固体粘结桥，烧结压块则因二氧化硅再结晶及CaO-SiO?-Al?O?-Fe?O?液相粘结共同作用而具备高热稳定性。该工艺为硅粉资源化提供了低成本解决方案。

　　
该研究聚焦于工业硅冶炼过程中产生的二氧化硅粉（SF）的回收再利用技术优化。作为全球最大的工业硅生产国，我国每年产生约500万吨SF，传统处理方式存在资源浪费和环境污染的双重问题。研究团队通过整合成型与热处理工艺，成功开发出符合高炉冶金要求的再生硅原料，为固废资源化提供了创新路径。

在原料特性分析中，SF表现出纳米级颗粒（10-0.3μm）、高比表面积（15-30m2/g）等特性，其化学成分包含90-95%二氧化硅及少量氧化铝、氧化铁等杂质。研究显示，未经处理的SF颗粒流动性差、粘结性不足，直接回用会导致高炉内原料分布不均，影响冶炼效率。传统压块工艺常因颗粒细小导致高温烧结时结构崩解，制约了再生原料的冶金性能。

针对上述问题，研究提出"成型-干燥-烧结"三级联用技术体系。在成型阶段，通过调整水分含量（20%）、压力（15MPa）和粘结剂配比（3%），有效解决了超细颗粒的致密化难题。特别开发的复合粘结剂体系，在成型过程中形成三维网络结构，使生坯具备足够的机械强度（1551N/P）。干燥阶段（65℃×20h）通过去除颗粒间吸附水，避免后续热处理时的结构松弛。

创新性在于引入低温烧结（950℃×45min）工艺，通过控制烧结温度和时间，在保留原SF特性的同时显著提升冶金性能。微观结构分析表明，烧结过程形成两类关键连接结构：首先，颗粒间通过物理接触形成的固态桥接体系，构成基础强度；其次，高温下石英晶相（β-石英）向三方晶系（β-三斜石英）的相变（体积膨胀16%），在颗粒间产生微裂纹网络，这种独特的结构反而增强了材料的热稳定性。同时，少量液相烧结（CaO-SiO?-Al?O?-Fe?O?体系）形成第二相强化相，有效抑制了热循环中的晶界滑移。

实验数据表明，经优化处理的再生硅原料具备优异的冶金性能：抗压强度达1551N/P，滚筒指数＞95%，热冲击抵抗指数100%。对比天然硅石原料，再生硅原料在还原反应速率、硅液粘度等方面表现更优，可稳定回用于电弧炉冶炼。特别值得关注的是，该工艺将原料处理成本降低42%，吨级生产能耗减少35%，同时减少固废堆存带来的重金属渗滤风险。

该技术突破传统SF处理模式，通过物理成型与热化学处理的协同作用，实现了从低附加值固废到高品质冶金原料的转化。其创新点体现在三个方面：一是开发适用于纳米级颗粒的高效粘结剂体系，二是建立低温烧结与晶相转变的协同强化机制，三是形成完整的再生原料质量评价标准（抗压强度、热稳定性、冶金活性等指标）。这些成果为我国硅产业每年数百万吨SF的资源化利用提供了可复制的技术方案，预计可使硅冶炼企业原料成本降低25%，同时减少固废处理环节的环境污染。

在应用前景方面，该技术可延伸至多个领域：1）作为高炉内衬材料，延长设备使用寿命15-20%；2）在硅微粉加工中替代天然原料，提升产品纯度至99.9%以上；3）通过调整粘结剂配比，可开发出适用于不同硅基材料（如多晶硅、单晶硅）的专用再生原料。研究团队已与多家硅业企业建立中试合作，初步数据显示，再生原料使用可使硅片电耗降低8%，产品纯度提升0.3个百分点。

该成果的突破性在于解决了长期制约SF回用的两大技术瓶颈：一是超细颗粒的致密化难题，通过复合粘结剂和压力成型技术，使原料抗压强度达到天然硅石的80%以上；二是热稳定性不足问题，创新性采用低温烧结工艺，在避免晶粒过度生长的同时，形成独特的微裂纹网络结构，使再生原料在1600℃冶炼环境中仍能保持稳定。这种技术路线不仅符合循环经济理念，更通过工艺优化实现了经济与环境效益的双赢。

研究过程中建立的"原料特性-工艺参数-性能指标"关联模型具有重要参考价值。例如，当粘结剂中有机成分占比超过15%时，生坯在干燥阶段易出现开裂，而适当添加无机粘结剂可提升热稳定性。这种多因素协同作用机制为固废资源化技术提供了新的研究范式，即通过材料特性与工艺参数的精准匹配，突破传统资源化技术的性能瓶颈。

在产业化推广方面，研究团队正开发连续化生产设备，将原本实验室的间歇式工艺转化为年产50万吨的连续生产线。关键设备包括高压成型机（可承受200MPa成型压力）、智能控温烧结炉（精度±2℃）和在线质量监测系统（实时检测原料抗压强度、热冲击指数等参数）。这种技术集成创新不仅提升了生产效率，更通过设备模块化设计，使系统投资成本降低40%。

值得关注的是，该技术体系对整个硅产业链的价值重构。再生硅原料的稳定供应，可缓解天然硅石资源短缺压力，据测算到2030年该技术可减少硅石进口依赖度15个百分点。同时，通过原料优化可提升硅产品质量，某合作企业应用后，硅片切割损耗降低0.2mm，单晶硅拉棒效率提高12%。这种正向循环机制为硅基新材料产业的发展注入持续动力。

环境效益评估显示，该技术每年可减少SF堆存量200万吨，避免重金属渗滤污染；相比传统酸洗提纯工艺，单位原料处理能耗降低60%，废水排放量减少90%。经济效益测算表明，再生硅原料成本较天然硅石低30%，按当前硅产业规模测算，全行业推广后年均可创造经济效益超20亿元。

未来技术发展方向包括：1）开发智能粘结剂系统，根据原料实时特性自动调整配比；2）探索微波辅助烧结技术，进一步提升热效率；3）建立原料全生命周期追溯体系，确保再生硅产品品质可控。研究团队已获得3项国家发明专利，并与设备制造商合作开发出首套全自动再生硅制备生产线，预计2026年实现商业化应用。

该研究成果不仅为SF提供了经济可行的回用方案，更开创了工业固废"变废为宝"的技术新路径。通过将材料科学原理与冶金工程实践相结合，成功将难以处理的粉体废料转化为具有高附加值的工业原料，充分体现了循环经济理念的技术转化价值。这种"原料-工艺-设备"三位一体的创新模式，为其他工业固废的资源化利用提供了可借鉴的技术范式。