冶金硅渣氧化行为及其多孔材料的制备和性能研究

摘要

冶金硅渣作为晶体硅冶炼的固体残渣，含有一定量的Si和SiO2，被用作铺路和建筑填充材料。本文以冶金硅渣作为研究对象，开展冶金硅渣的氧化动力学及其多孔材料制备研究。采用XRD、TG-DTA-MS、SEM等手段，研究其氧化行为以及多孔材料的结构和性能。本研究工作不仅提供了一种冶金硅渣利用的新途径，而且能够显著降低多孔材料生产成本，具有显著的经济和生态效益。
　　冶金硅渣的氧化过程极其复杂，在升高氧化温度和延长氧化时间时，C、Si、SiC均呈现逐渐减少趋势。C在温度高于1000℃时基本消失，方石英相与结晶度均随温度升高而减少。在1100℃保温时方石英和鳞石英逐渐增多，结晶度在10 h前逐渐减少，超过10 h快速增加。利用Coats-Redfern积分法推导出冶金硅渣三个氧化阶段的活化能E，晶体硅和碳化硅氧化增重阶段（820~1200℃）E最大，混合氧化失重阶段（420~820℃）E次之，碳氧化失重阶段（100~420℃）E最小。
　　采用直接烧结法制备冶金硅渣多孔材料，平均孔径随玻璃粉添加量增大和烧结温度升高而增大，随保温时间延长和升温速率增大而减小；表观密度随玻璃粉添加量增加和升温速率增大而减小，随保温时间延长而增大，随烧结温度升高呈现先减小后增大的规律。气孔率变化趋势与之相反。烧结温度升高时抗压强度先增大后减小。直接烧结法制备冶金硅渣多孔材料的表观密度为0.37~0.47 g/cm3，抗压强度为0.67~1.60 MPa。
　　采用水淬-烧结法制备冶金硅渣多孔材料，平均孔径随烧结温度升高和保温时间延长而增大，随升温速率增大呈现先增大后减小的变化。表观密度随保温时间延长逐渐增大；随烧结温度升高和升温速率增大，呈现出先减小后增大的规律。气孔率变化趋势与表观密度相反。烧结温度升高使得抗压强度先缓慢增大后急剧降低。多孔材料的表观密度为0.65~1.12 g/cm3，抗压强度提高到1.96~4.55 MPa。
　　冶金硅渣制备多孔材料具有烧结温度低、强度适中、工艺简单等特点。硅渣利用率高于60％，且无需添加发泡剂，有望实现低成本、规模化生产多孔材料，应用于保温隔热、过滤介质、催化剂载体等领域。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 冶金废渣简介

1.3 多孔材料概述

1.4 论文研究目的与意义

1.5 论文研究内容与技术路线

第2章 实验内容与研究方法

2.1 实验原料

2.2 实验仪器与设备

2.3 多孔材料制备工艺

2.4 研究方法

2.5 热力学计算

第3章 冶金硅渣氧化动力学分析

3.1 前言

3.2 冶金硅渣成分分析

3.3 冶金硅渣氧化行为

3.4 冶金硅渣氧化动力学

3.5 本章小结

第4章 冶金硅渣多孔材料制备及其结构和性能

4.1 前言

4.2直接烧结法制备冶金硅渣多孔材料

4.3水淬-烧结法制备冶金硅渣多孔材料

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢

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