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硅石
本詞條是多義詞，共2個義項
脈石英、石英巖、石英砂巖的總稱
基本簡介
物理性質(zhì)
二氧化硅又稱硅石(石英砂)，化學式SiO2。自然界中存在有結(jié)晶二氧化硅和無定形二氧化硅兩種。結(jié)晶二氧化硅因晶體結(jié)構(gòu)不同，分為石英、鱗石英和方石英三種。純石英為無色晶體
，大而透明棱柱狀的石英叫水晶。若含有微量雜質(zhì)的水晶帶有不同顏色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是細小的石英晶體，有黃砂(較多的鐵雜質(zhì))和白砂(雜質(zhì)少、較純凈)。二氧化硅晶體中，硅原子的4個價電子與2個氧原子形成4個共價鍵，硅原子位于正四面體的中心，4個氧原子位于正四面體的4個頂角上，整個晶體是一個巨型分子，SiO2是表示組成的最簡式不表示單個二氧化硅分子，僅是表示二氧化硅晶體中硅和氧的原子個數(shù)之比。SiO2中Si—O鍵的鍵能很高，熔點、沸點較高(熔點1723℃，沸點2230℃)。自然界存在的硅藻土是無定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遺體，為白色固體或粉末狀，多孔、質(zhì)輕、松軟的固體，吸附性強。
硅石
化學性質(zhì)
酸性氧化物、硅酸的酸酐?；瘜W性質(zhì)很穩(wěn)定。不溶于水也不跟水反應，不跟一般的酸起作用。能與氟化氫氣體或氫氟酸反應生成四氟化硅氣體。SiO2+4HF SiF4↑+2H2O有酸性氧化物的其它通性，高溫下能與堿(強堿溶液或熔化的堿)反應生成鹽和水。常溫下強堿溶液與SiO2緩慢地作用生成相應的硅酸鹽。強堿溶液能腐蝕玻璃，故貯存強堿溶液的玻璃瓶不能用磨口玻璃塞，若采用玻璃塞(玻璃中含SiO2)，會生成有粘性的硅酸鈉，將玻璃瓶塞和瓶口粘結(jié)在一起。玻璃瓶內(nèi)不能久放濃堿液。高溫下二氧化硅與堿性氧化物或某些金屬的碳酸鹽共熔，生成硅酸鹽。SiO2+CaO CaSiO3(煉鐵造渣)將此高溫下熔融狀態(tài)的硅酸鈉降溫、冷卻，可得石英玻璃，它有良好的透過紫外線性能，可作水銀燈罩、耐高溫的化學儀器、石英坩堝和光學儀器等。來源多由巖漿熱液形成的或沉積形成。
性質(zhì)評價
外觀性質(zhì)
外觀性質(zhì)主要是硅石的外形、斷面、顏色、光澤、夾雜物等。通過外觀，可以初步判定硅石是結(jié)晶硅石還是膠結(jié)硅石，是否是脈石英等。
結(jié)晶硅石外觀一般呈乳白色、灰白色、淡黃色以及紅褐色。有鮮明的光澤，斷面平滑連續(xù)，并帶有銳利棱角，硬度、強度都很大。脈石英呈致密塊狀，純白色，半透明，發(fā)油脂光澤，斷面呈貝殼狀，石英結(jié)晶顆粒多在2mm以上，肉眼可辨。
膠結(jié)硅石外觀有白色、灰白色、黃灰色、黑色、紅色等，斷面致密，呈貝殼狀，沒有明顯的粒狀組織結(jié)構(gòu)，斷面的銳棱不明顯，幾乎沒有光澤。
優(yōu)良的硅石應該呈致密塊狀，有時有貝殼狀或鱗狀斷面，沒有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，在層與層之間沒有夾雜物，并且不帶石灰石外殼。其顏色取決于雜質(zhì)，通常鐵質(zhì)化合物使硅石呈紅褐色，有機物雜質(zhì)則使硅石帶灰色、黑色等。
組織結(jié)構(gòu)
研究硅石的微觀組織結(jié)構(gòu)對評價硅石的質(zhì)量很重要。用它可以正確判定硅石的結(jié)晶類型、石英顆粒的大小與分布、雜質(zhì)及分布狀況。我國主要產(chǎn)地硅石的顯微結(jié)構(gòu)特征如表1-5所列。
表1-5硅石的顯微結(jié)構(gòu)特征
產(chǎn)地 | 分類 | 顯微結(jié)構(gòu)特征 |
山西五臺 | 膠結(jié)硅石 | 細晶結(jié)構(gòu)為主，晶粒大小以0.005～0.01mm為主，結(jié)晶小，孔隙多，雜質(zhì)量較多 |
遼寧石門 | 結(jié)晶硅石 | 以鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，晶粒大小一般為0.2～0.6mm，最大為0.3mm，晶粒大小比較均勻，雜質(zhì)較少 |
山東王村 | 結(jié)晶硅石 | 以齒狀結(jié)構(gòu)為主，晶粒大小在1mm左右，晶粒大小不均勻，雜質(zhì)也較多 |
河南鐵門 | 結(jié)晶硅石 | 以鑲嵌結(jié)構(gòu)和齒狀結(jié)構(gòu)為主，晶粒為0.15～0.25mm，雜質(zhì)較少 |
江蘇江陰 | 結(jié)晶硅石 | 以鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，晶粒大小為0.1～0.2mm，有少量雜質(zhì) |
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根據(jù)硅石的顯微特征在一定程度上可以判斷硅石的加熱性質(zhì)與轉(zhuǎn)變情況，為制磚提供工藝依據(jù)。膠結(jié)硅石的活性較大，其轉(zhuǎn)變速度比結(jié)晶硅石快；膠結(jié)物愈多，其轉(zhuǎn)變速度愈快。石英顆粒的粗細及變形程度也影響轉(zhuǎn)變速度，一般結(jié)晶顆粒粗大的較細小的慢。對于結(jié)晶硅石，如果石英結(jié)晶比較小，粒度大小不一，并以鋸齒狀結(jié)構(gòu)交錯緊密結(jié)合，則煅燒時容易轉(zhuǎn)變，膨脹也不大，并且不易松散；如果硅石的石英結(jié)晶較大且直徑大小接近并呈圓形，則燒成膨脹大，轉(zhuǎn)變慢，易松散，燒成容易產(chǎn)生裂紋，硅磚的氣孔率高，強度低。
成分與耐火度
硅石中SiO2是主成分，Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等均為雜質(zhì)。硅石的化學成分愈純，SiO2含量愈高，其耐火度也愈高。一般要求：SiO2≥96%，Na2O+K2O≤0.2%～0.4%。
Al2O3的存在除增加硅石在高溫下形成液體的趨勢外，還會延緩硅石的分解。Al2O3含量多時還會顯著降低磚體的荷重軟化點，Al2O3為2%，荷重軟化點降低125°C；Al2O3為6%時，則降低275°C。因此，一般控制Al2O3<1.3%，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硅磚時則需要<0.5%。Na2O、K2O是很強的熔劑，一方面它是顯著降低硅石的耐火度，另一方面它們又能促進石英的轉(zhuǎn)變，對Na2O+K2O的要求是一般不超過0.2%～0.4%。Fe2O3、CaO、MgO等雜質(zhì)對硅石質(zhì)量的影響不像K2O、Na2O、Al2O3那樣大，如果它們呈分散狀態(tài)存在，可視為有益組分。TiO2不影響石英的轉(zhuǎn)化，但研究表明添加金紅石（TiO2）的降低硅磚的氣孔率，提高體積密度，促進燒結(jié)，從而提高硅磚導熱率，并改善熱震穩(wěn)定性，此點對焦爐用硅磚尤為有用。實踐證明，加入1.5%的金紅石效果較好。如果單用化學成分和耐火度來決定硅石質(zhì)量的優(yōu)劣，那是不夠的，還必須考慮其組織結(jié)構(gòu)、煅燒性質(zhì)等因素。有些硅石原料，如脈石英，化學成分很純，耐火度很高，但不是制造硅磚的理想原料，因為它結(jié)晶顆粒大，膨脹性高，石英難于轉(zhuǎn)化，而且燒成時易開裂。
中國主要產(chǎn)地的硅石化學成分與耐火度如表1-6所列。
表1-6硅石的化學成分及耐火度
產(chǎn)地 | 硅石類型 | 化學成分/% | 耐火度 /°C | |||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | LiI | |||
遼寧石門 | 結(jié)晶硅石 | 98.62 | 0.35 | 0.58 | 0.09 | 微 | 0.22 | 1730～1750 |
河南鐵門 | 結(jié)晶硅石 | 98.47 | 0.42 | 0.63 | 0.18 | 0.13 | 0.17 | 1750～1770 |
山東王村 | 結(jié)晶硅石 | 97.07 | 0.51 | 0.82 | 0.07 | 0.37 | 0.39 | 1750 |
山西五臺 | 膠結(jié)硅石 | 95.72 | 1.61 | 1.80 | 微 | 0.29 | 0.16 | 1690～1710 |
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致密程度與轉(zhuǎn)變速度
硅石的致密程度、轉(zhuǎn)變速度與制磚工藝密切相關(guān)。不致密的硅石不能用于制造重要用途的硅磚，但可以細磨成粉后與致密硅石配合使用，而多孔的硅石則不能用于制造硅磚。膠結(jié)硅石的轉(zhuǎn)變速度較快，結(jié)晶硅石的轉(zhuǎn)變速度一般較慢或極慢。用于硅磚配料時，快速轉(zhuǎn)變的硅石燒成溫度應降低，礦化劑的加入量也應適當減少；對于較難轉(zhuǎn)變的硅石，應采用細顆粒配料并加入適量的礦化劑。中國主要產(chǎn)地硅石的致密程度和轉(zhuǎn)變速度列于表1-7中。
在評價硅石原料的質(zhì)量時，應根據(jù)硅磚的品種及應用領(lǐng)域，對上述性質(zhì)進行綜合分析，確定出合理的配比及生產(chǎn)工藝條件。
表1-7硅石的致密程度與轉(zhuǎn)變速度
產(chǎn)地 | 生料 | 1450°C燒后保溫1小時 | 晶粒大小/mm | ||||
吸水率/% | 氣孔率/% | 真比重 | 吸水率/% | 氣孔率/% | 真比重 | ||
遼寧石門 | 0.16 | 0.42 | 2.64 | 1.68 | 4.19 | 2.57 | 0.2～0.6 |
山東王村 | 2.36 | 5.82 | 2.66 | 6.68 | 14.4 | 2.56 | 1.0 |
江蘇江陰 | 0.22 | 0.57 | 2.65 | 1.48 | 3.74 | 2.68 | 0.1～0.2 |
湖南湘鄉(xiāng) | 0.65 | 1.69 | 2.64 | 8.58 | 17.4 | 2.56 | 0.8～1.0 |
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簡介分類
組織結(jié)構(gòu)分類
硅石
⑴結(jié)晶硅石
是由硅質(zhì)砂巖（石英砂巖）經(jīng)變質(zhì)作用再結(jié)晶而成的變質(zhì)巖。硅質(zhì)砂巖中的硅質(zhì)膠結(jié)物在地質(zhì)條件作用下而在原石英顆粒表面再結(jié)晶，成為石英顆粒的增大部分。因此，其組織結(jié)構(gòu)特征是：由結(jié)晶的石英顆粒所組成，石英顆粒間沒有膠結(jié)物或極少（3%～8%）；由于變質(zhì)過程中的再結(jié)晶作用而使石英顆粒緊密地連接在一起，并且構(gòu)成了原硅質(zhì)砂巖所沒有的各種變晶結(jié)構(gòu)，如鋸齒結(jié)構(gòu)、花崗巖結(jié)構(gòu)和鑲嵌結(jié)構(gòu)等。
⑵膠結(jié)硅石
石英顆粒被硅質(zhì)膠結(jié)物結(jié)合而成的沉積巖，膠結(jié)構(gòu)主要是隱晶質(zhì)的二次石英，膠結(jié)物含量通常約占30%～75%。膠結(jié)硅石中的石英顆粒結(jié)晶較小，雜質(zhì)含量多，加熱時易于轉(zhuǎn)變。
結(jié)晶硅石與膠結(jié)硅石的特征對比如表1-1所列。
表1-1結(jié)晶硅石與膠結(jié)硅石的特征
組織分類 | 結(jié)晶硅石 | 膠結(jié)硅石 | ||
石英巖 | 脈石英 | 石英砂巖 | ||
組織結(jié)構(gòu) | 分漿沉淀，火成巖，顯晶質(zhì)石英，晶粒粗大，一般>2mm，質(zhì)地純凈 | 以玉髓為基質(zhì)，其中含有脈石英晶粒 | ||
化學組成 | SiO2>98% | SiO2 99% | SiO2>95% ，Al2O3 1%～3%，R2O 1%～2% | SiO2>95% |
礦物組成 | 石英為主，有的夾有紅色或黃褐色水銹 | 石英>90%，含少量長石、云母 | ||
轉(zhuǎn)變特征 | 不易轉(zhuǎn)變 | 難于轉(zhuǎn)變 | 不易轉(zhuǎn)變 | 易轉(zhuǎn)變 |
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轉(zhuǎn)變速度分類
從硅磚的制造工藝觀點出發(fā)，依照硅石原料在1450°C時煅燒1小時的真比重大小，可將硅石非為極慢、慢速、中速和快速轉(zhuǎn)變四種類型（表1-2）。因鱗石英的真比重（2.242）較小，燒后真比重越小，則表明轉(zhuǎn)變成鱗石英的數(shù)量也多。
表1-2硅石的轉(zhuǎn)變速度分類
燒后真比重 | ≥2.50 | 2.45～2.50 | 2.40～2.45 | <2.40 |
硅石類型 | 極慢 | 慢速 | 中速 | 快速 |
致密程度分類
可以分為極致密、致密、比較多孔和多孔四種（表1-3）。硅石原料應具有較大的致密性，前兩種硅石是優(yōu)質(zhì)的耐火材料，第三種可以與前兩種配合使用，或單獨用于制造一般用途的硅磚。第四種不適合制磚。
表1-3硅石的致密程度分類
硅石類型 | 極致密 | 致密 | 比較多孔 | 多孔 |
吸水率/% | <0.5 | 0.5～1.5 | 1.5～4.0 | >4.0 |
顯氣孔率/% | <1.2 | 1.2～4.0 | 4.0～10.0 | >10.0 |
膨脹溫度分類
硅石受熱時，由于石英的多晶轉(zhuǎn)變，其比重減小、體積膨脹，加熱至某一溫度時開始產(chǎn)生劇烈的膨脹。該溫度愈低，磚坯燒成時松散開裂的可能性愈大，因為溫度低時，坯體內(nèi)尚沒有產(chǎn)生液相來緩沖膨脹所產(chǎn)生的熱應力，或者是雖產(chǎn)生液相但由于粘度太大而不能減弱所產(chǎn)生的熱應力。按加熱時劇烈膨脹開始溫度的高低，可將硅石分為低熱穩(wěn)定性的、中穩(wěn)定性的和高穩(wěn)定性的三中（表1-4）
表1-4硅石的劇烈膨脹開始溫度
硅石種類 | 低熱穩(wěn)定 | 中熱穩(wěn)定 | 高熱穩(wěn)定 |
劇烈膨脹開始溫度/°C | <1150 | 1150～1225 | >1225 |
膨脹率/% | <0.17 | 0.17～0.20 | >0.20 |
雜質(zhì)賦存狀態(tài)
硅石除了主要礦物石英外，通常伴有長石、云母、粘土和鐵質(zhì)等雜質(zhì)礦物。制備的高純和超高純石英原料，是除了二氧化硅外其它都是雜質(zhì)，其中主要的有害雜質(zhì)是含鐵和含鋁雜質(zhì)，所以硅質(zhì)原料提純方法和工藝流程的進步和改進也主要體現(xiàn)在對含鐵雜質(zhì)和含鋁雜質(zhì)的有效脫除上。
鐵在硅石中常以以下幾種形式存在：以微細粒狀態(tài)賦存在粘土，或者高嶺土化的長石中；以氧化鐵薄膜形式附著在石英顆粒的表面；含在重礦物和鐵礦物等顆粒中；在石英顆粒內(nèi)部呈浸染或透鏡狀態(tài)或以固溶態(tài)存在于石英晶體內(nèi)部。此外，加工過程中也會混入一定量的機械鐵。
含鋁雜質(zhì)主要來自長石、云母和粘土礦物，還有Al3 +替代Si4 + 存在于石英晶格中。這種異價類質(zhì)同象的替換，常造成堿金屬陽離子進入結(jié)構(gòu)空隙，以保持電子的平衡，形成結(jié)構(gòu)雜質(zhì)。
此外，硅石中普遍存有流體包裹體, 按其成因可分原生包裹體、假次生包裹體、次生包裹體三類 :原生包裹體是先于主礦物或與主礦物同時形成的包裹體，其特點是包裹體生成后不發(fā)生空間上的移動。原生包裹體占據(jù)主礦物結(jié)晶構(gòu)造位置上，均勻分布于晶體中。
假次生包裹體是在主礦物結(jié)晶過程中，由于應力和構(gòu)造作用，使已結(jié)晶的礦物發(fā)生破碎和裂開，在這些裂隙中，成礦溶液又重新進入而產(chǎn)生重結(jié)晶時形成的包裹體。其特點是形成之后在空間上發(fā)生過位移。假次生包裹體外端終止于晶體內(nèi)的一個生長面，并存在著明顯的排列面。
次生包裹體是形成于主礦物結(jié)晶基本完成之后任何過程的包裹體，晶體形成后，因受外界作用力的影響而破裂，產(chǎn)生裂隙，這時在環(huán)境中活動的含礦溶液就有可能滲入晶體內(nèi)成為包裹體。次生包裹體一般在后期構(gòu)造愈合的位置上，常沿裂隙分布，且?guī)捉M包裹體可以相交，形狀較為復雜。
流體體積很小，一般直徑在微米右左，粉碎石英礦時，次生包裹體就容易被機械破裂，但原生包裹體，就很難破裂消除，即使用高溫滾燒也只能將表面局部氣體包裹體炸裂，不足以改變內(nèi)部微小氣泡狀態(tài)] 。流體包裹體中的小分子氣體可以通過高溫和延長排氣時間等排出。但CO、CO2 等氣體極難從固體或熔體中排出，造成熔制產(chǎn)品缺陷 ] 。
選礦提純工藝
根據(jù)硅石礦物原料的雜質(zhì)和包裹體的賦存狀態(tài)，在選礦提純工藝主要分擦洗- 磁選- 浮選- 酸浸等工藝流程，隨著選礦工藝研究的不斷深入，又引進了電選和生物選礦等。
擦洗
擦洗是借助機械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結(jié)及泥性雜質(zhì)礦物的選礦方法，它可以進一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經(jīng)分級作業(yè)對泥質(zhì)性雜質(zhì)礦物進行有效脫除。該工藝一般作為硅石礦物原料入選前的預處理工藝。目前，主要有機械擦洗、棒磨擦洗和加藥高效強力擦洗和超聲波擦洗等方法。
機械擦洗，一般認為影響擦洗效果的因素主要是來自擦洗機的結(jié)構(gòu)特點和配置形式，其次為工藝因素，包括擦洗時間和擦洗濃度。研究表明，砂礦擦洗濃度在50 %～60 %之間效果最好；擦洗時間原則上以初步達到產(chǎn)品質(zhì)量要求為基準。
棒磨擦洗，影響擦洗效果主要因素為礦漿濃度、擦洗時間、加棒量及棒配比。由于棒磨機的磨礦介質(zhì)是線性接觸的，因此，棒磨過程具有選擇性、產(chǎn)品的粒度較為均勻、過粉碎現(xiàn)象較輕。采用此工藝，一方面強化了擦洗效果，另一方面可以改變原砂的粒度組成，為石英砂進一步的分選提供了礦物學基礎(chǔ)。
加藥高效強力擦洗，加藥的目的是增大雜質(zhì)礦物和石英顆粒表面的電斥力，增強雜質(zhì)礦物與石英顆粒相互間的分離效果。
超聲波擦洗 主要是去除顆粒表面的次生鐵薄膜(即“薄膜鐵”FeOOH) 。鐵質(zhì)薄膜固附著于顆粒表面和裂隙面，在選礦中使用的機械擦洗方法不能使其分離出來，它是造成天然硅砂鐵質(zhì)過高、難以去除的主要原因。在超聲波作用下，粘附在顆粒表面的鐵雜質(zhì)便脫落下來進入液相，從而達到除鐵的目的。與其它機械擦洗方法相比，這種方法不僅可以消除礦物表面的雜質(zhì)，而且可以清除顆粒解理縫隙處的雜質(zhì)，因而，其除鐵效果更好。
浮選
浮選是為了除去硅石礦物原料中的長石、云母等非磁性伴生雜質(zhì)礦物。長石雜質(zhì)礦物的去除石英、長石在物理性質(zhì)、化學組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面相似，浮選成為它們分離的主要方法。在常規(guī)工藝中是采用陽離子捕收劑和氫氟酸活化劑在酸性pH 范圍內(nèi)進行石英- 長石浮選分離的，始于20 世紀40 年代，也稱“有氟有酸”法。
應用領(lǐng)域
行業(yè)標準
ZBD 53001-1990
我國行業(yè)標準（ZB D53001-90）對耐火材料用硅石的質(zhì)量標準作出了規(guī)定，如表1-8所列。硅石中不得混入廢石、角礫石狀硅石、風化石等，表面不允許有超出1mm厚的雜質(zhì)，硅石塊內(nèi)不允許有直徑大于5mm的各種有害包裹體。
表1-8硅石的技術(shù)條件
理化指標要求 | ||||||
牌號 | 化學成分/% | 耐火度/°C | 吸水率/% | |||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | |||
GS-98.5 | ≥98.5 | <0.3 | <0.5 | <0.15 | ≥1750 | <3.0 |
GS-98 | ≥98.0 | <0.5 | <0.8 | <0.20 | ≥1750 | <4.0 |
GS-97 | ≥97.0 | <1.0 | <1.0 | <0.30 | ≥1730 | <4.0 |
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YB/T 5268-2007
最新標準YB/T 5268-2007 硅石
本標準代替YB/T5268-1999《硅石》
本標準與YB/T5268-1999相比主要差異如下：
──增加了牌號；
──修改了牌號的表示方法；
──修改了耐火度的表示方法，由溫度表示改為錐號表示；
──取消了吸水率的要求；
──增加了檢驗批量。
本標準由冶金工業(yè)信息標準研究院歸口。
本標準主要起草單位：冶金工業(yè)信息標準研究院、西小坪耐火材料有限公司。
本標準所代替標準的歷次版本發(fā)布情況為：
──YB 2416-1981、YBD 53001-1990、YB/T 5268-1999
1 范圍
本標準規(guī)定了硅石的分類與牌號、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、包裝、標志、運輸、貯存和質(zhì)量證明書。
本標準適用于耐火材料、鋁合金和工業(yè)硅用硅石。
2 規(guī)范性引用文件
下列文件中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單（不包括勘誤的內(nèi)容）或修訂版均不適用于本標準，然而，鼓勵根據(jù)本標準達成協(xié)議的各方研究是否可適用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標準。
GB/T 2007.1-1987 散裝礦產(chǎn)品取樣、制樣通則手工取樣方法
GB/T 2007.2-1987 散裝礦產(chǎn)品取樣、制樣通則手工制樣方法
GB/T 6901.2-1986 硅質(zhì)耐火材料化學分析方法重量-鉬藍光度法測定二氧化硅量
GB/T6901.3-1986 硅質(zhì)耐火材料化學分析方法氫氟酸重量法測定二氧化硅量
GB/T 6901.4-1986 硅質(zhì)耐火材料化學分析方法鄰二氮雜菲光度法測定三氧化二鐵量
......
3 分類與牌號
4 技術(shù)要求
5 試驗方法
6 檢驗規(guī)則
7 包裝、標志、運輸、貯存和質(zhì)量證明書
最新標準YB/T 5268-2014《硅石》
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作者
