硅石

硅石是硅質(zhì)耐火材料的主要原料。硅石也稱石英巖，主要礦物是石英 SiO2。

耐火材料工業(yè)用的硅石可以分為結(jié)晶硅石(再結(jié)晶石英巖)和膠結(jié)硅石(膠結(jié)石英巖)。

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)晶而成得變質(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。

脈石英也屬于結(jié)晶硅石，它是火成巖，特征是石英顆粒較大(>2mm)，純度較高(SiO2>99%)，煅燒時(shí)轉(zhuǎn)化遲鈍，膨脹性大，直接用于制磚較為困難。

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(shí)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

從硅磚的制造工藝觀點(diǎn)出發(fā)，依照硅石原料在1450°C時(shí)煅燒1小時(shí)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

3.按硅石的致密程度分類

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(yīng)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(dú)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

4.按劇烈膨脹溫度分類

硅石受熱時(shí)，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(shí)開始產(chǎn)生劇烈的膨脹。該溫度愈低，磚坯燒成時(shí)松散開裂的可能性愈大，因?yàn)闇囟鹊蜁r(shí)，坯體內(nèi)尚沒有產(chǎn)生液相來緩沖膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)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(yīng)力。按加熱時(shí)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

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(qiáng)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(yīng)該呈致密塊狀，有時(shí)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(jī)物雜質(zhì)則使硅石帶灰色、黑色等。

研究硅石的微觀組織結(jié)構(gòu)對評價(jià)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

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(xì)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(xì)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(cuò)緊密結(jié)合，則煅燒時(shí)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(qiáng)度低。

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(xué)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(shí)還會顯著降低磚體的荷重軟化點(diǎn)，Al2O3為2%，荷重軟化點(diǎn)降低125°C;Al2O3為6%時(shí)，則降低275°C。因此，一般控制Al2O3<1.3%，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硅磚時(shí)則需要<0.5%。Na2O、K2O是很強(qiáng)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(jìn)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(jìn)燒結(jié)，從而提高硅磚導(dǎo)熱率，并改善熱震穩(wěn)定性，此點(diǎn)對焦?fàn)t用硅磚尤為有用。實(shí)踐證明，加入1.5%的金紅石效果較好。如果單用化學(xué)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(xué)成分很純，耐火度很高，但不是制造硅磚的理想原料，因?yàn)樗Y(jié)晶顆粒大，膨脹性高，石英難于轉(zhuǎn)化，而且燒成時(shí)易開裂。

中國主要產(chǎn)地的硅石化學(xué)成分與耐火度如表1-6所列。

表1-6硅石的化學(xué)成分及耐火度

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(xì)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(shí)，快速轉(zhuǎn)變的硅石燒成溫度應(yīng)降低，礦化劑的加入量也應(yīng)適當(dāng)減少;對于較難轉(zhuǎn)變的硅石，應(yīng)采用細(xì)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(jià)硅石原料的質(zhì)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)硅磚的品種及應(yīng)用領(lǐng)域，對上述性質(zhì)進(jìn)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

二氧化硅又稱硅石(石英砂)，化學(xué)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(xì)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(gè)價(jià)電子與2個(gè)氧原子形成4個(gè)共價(jià)鍵，硅原子位于正四面體的中心，4個(gè)氧原子位于正四面體的4個(gè)頂角上，整個(gè)晶體是一個(gè)巨型分子，SiO2是表示組成的最簡式不表示單個(gè)二氧化硅分子，僅是表示二氧化硅晶體中硅和氧的原子個(gè)數(shù)之比。SiO2中Si-O鍵的鍵能很高，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較高(熔點(diǎn)1723℃，沸點(diǎn)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(qiáng)。

酸性氧化物、硅酸的酸酐?；瘜W(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。不溶于水也不跟水反應(yīng)，不跟一般的酸起作用。能與氟化氫氣體或氫氟酸反應(yīng)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(qiáng)堿溶液或熔化的堿)反應(yīng)生成鹽和水。常溫下強(qiáng)堿溶液與SiO2緩慢地作用生成相應(yīng)的硅酸鹽。強(qiáng)堿溶液能腐蝕玻璃，故貯存強(qiáng)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(xué)儀器、石英坩堝和光學(xué)儀器等。來源多由巖漿熱液形成的或沉積形成。

硅酸鈉和二氧化硅是硅石化學(xué)加工得到的主要產(chǎn)品。硅酸鈉是硅石化學(xué)加工產(chǎn)品中用途最廣、用量最大的產(chǎn)品，除用于制造多種硅化合物外，還大量用作紙板、膠合板、部分金屬材料及鑄造工業(yè)的粘合劑，肥皂、洗滌劑的添加劑,紙張的性能改良劑,在紡織工業(yè)中作棉布煮煉和漂白助劑、織物的防火處理劑、染料的顯色劑。此外，還用作水泥助凝劑、木材防腐劑及蛋類的保鮮劑等。硅酸鈉經(jīng)改性后還可作為內(nèi)外墻涂料。硅酸鋁可作玻璃、陶瓷的原料，也可作油漆顏料。硅酸鋰可作防腐油漆、金屬表面保護(hù)劑。

我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ZB D53001-90)對耐火材料用硅石的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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

最新標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5268-2007 硅石

本標(biāo)準(zhǔn)代替YB/T5268-1999《硅石》

本標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)批量。

本標(biāo)準(zhǔn)由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會提出。

本標(biāo)準(zhǔn)由冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院歸口。

本標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位:冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院、西小坪耐火材料有限公司。

本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人:高建平、郝良軍。

本標(biāo)準(zhǔn)所代替標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了硅石的分類與牌號、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、包裝、標(biāo)志、運(yùn)輸、貯存和質(zhì)量證明書。

本標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵(lì)根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。

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(xué)分析方法重量-鉬藍(lán)光度法測定二氧化硅量

GB/T6901.3-1986 硅質(zhì)耐火材料化學(xué)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(xué)分析方法鄰二氮雜菲光度法測定三氧化二鐵量

GB/T 6901.5-1986 硅質(zhì)耐火材料化學(xué)分析方法鉻天青S光度法測定氧化鋁量

GB/T 6901.6-1986 硅質(zhì)耐火材料化學(xué)分析方法EDTA容量法測定氧化鋁量

GB/T 6901.7-1986 硅質(zhì)耐火材料化學(xué)分析方法二安替比林甲烷光度法測定二氧化鈦

GB/T 6901.8-1986 硅質(zhì)耐火材料化學(xué)分析方法原子吸收分光光度法測定氧化鈣、氧化鎂量

GB/T 6901.11-1986 硅質(zhì)耐火材料化學(xué)分析方法鉬藍(lán)光度法測定五氧化二磷量

......

3 分類與牌號

4 技術(shù)要求

5 試驗(yàn)方法

6 檢驗(yàn)規(guī)則

7 包裝、標(biāo)志、運(yùn)輸、貯存和質(zhì)量證明書