硅石/衬石/球石

硅石(quartz stone)是脉石英、石英岩、石英砂岩的总称。主要用于冶金工业用的酸性耐火砖。纯硅石可作石英玻璃或提炼单晶硅。化学工业上用于制备硅化合物和硅酸盐，也可作硫酸塔的填充物。建材工业上用于玻璃、陶瓷、硅酸盐水泥等。
硅石性质
物理性质
二氧化硅又称硅石，化学式SiO2。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体硅石，大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中，硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键，硅原子位于正四面体的中心，4个氧原子位于正四面体的4个顶角上，整个晶体是一个巨型分子，SiO2是表示组成的最简式不表示单个二氧化硅分子，仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。SiO2中Si—O键的键能很高，熔点、沸点较高(熔点1723℃，沸点2230℃)。自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松软的固体，吸附性强。
化学性质
酸性氧化物、硅酸的酸酐。化学性质很稳定。不溶于水也不跟水反应，不跟一般的酸起作用。能与氟化氢气体或氢氟酸反应生成四氟化硅气体。SiO2+4HF SiF4↑+2H2O有酸性氧化物的其它通性，高温下能与碱(强碱溶液或熔化的碱)反应生成盐和水。常温下强碱溶液与SiO2缓慢地作用生成相应的硅酸盐。强碱溶液能腐蚀玻璃，故贮存强碱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)，会生成有粘性的硅酸钠，将玻璃瓶塞和瓶口粘结在一起。玻璃瓶内不能久放浓碱液。高温下二氧化硅与碱性氧化物或某些金属的碳酸盐共熔，生成硅酸盐。SiO2+CaO CaSiO3(炼铁造渣)将此高温下熔融状态的硅酸钠降温、冷却，可得石英玻璃，它有良好的透过紫外线性能，可作水银灯罩、耐高温的化学仪器、石英坩埚和光学仪器等。来源多由岩浆、热液形成的或沉积形成。
用途
硅酸钠和二氧化硅是硅石化学加工得到的主要产品。硅酸钠是硅石化学加工产品中用途最广、用量最大的产品，除用于制造多种硅化合物外，还大量用作纸板、胶合板、部分金属材料及铸造工业的粘合剂，肥皂、洗涤剂的添加剂,纸张的性能改良剂,在纺织工业中作棉布煮炼和漂白助剂、织物的防火处理剂、染料的显色剂。此外，还用作水泥助凝剂、木材防腐剂及蛋类的保鲜剂等。硅酸钠经改性后还可作为内外墙涂料。硅酸铝可作玻璃、陶瓷的原料，也可作油漆颜料。硅酸锂可作防腐油漆、金属表面保护剂。
硅石的分类
硅石是硅质耐火材料的主要原料。硅石也称石英岩，主要矿物是石英 SiO2。
硅石
1.按硅石的组织结构分类
耐火材料工业用的硅石可以分为结晶硅石（再结晶石英岩）和胶结硅石（胶结石英岩）。
⑴结晶硅石
是由硅质砂岩（石英砂岩）经变质作用再结晶而成得变质岩。硅质砂岩中的硅质胶结物在地质条件作用下而在原石英颗粒表面再结晶，成为石英颗粒的增大部分。因此，其组织结构特征是：由结晶的石英颗粒所组成，石英颗粒间没有胶结物或极少（3%～8%）；由于变质过程中的再结晶作用而使石英颗粒紧密地连接在一起，并且构成了原硅质砂岩所没有的各种变晶结构，如锯齿结构、花岗岩结构和镶嵌结构等。
脉石英也属于结晶硅石，它是火成岩，特征是石英颗粒较大（＞2mm），纯度较高（SiO2＞99%），煅烧时转化迟钝，膨胀性大，直接用于制砖较为困难。
⑵胶结硅石
石英颗粒被硅质胶结物结合而成的沉积岩，胶结构主要是隐晶质的二次石英，胶结物含量通常约占30%～75%。胶结硅石中的石英颗粒结晶较小，杂质含量多，加热时易于转变。
结晶硅石与胶结硅石的特征对比如表1-1所列。
表1-1结晶硅石与胶结硅石的特征

岩石分类	石英岩	脉石英	石英砂岩	燧石岩
组织结构	石英砂岩受动力变质作用而成，由石英颗粒组成，石英晶粒0.15～0.25mm，杂质物较少，质纯	分浆沉淀，火成岩，显晶质石英，晶粒粗大，一般＞2mm，质地纯净	以蛋白石或玉髓等隐晶质胶结物结合石英颗粒。颗粒大小不同，粗粒者1～0.5mm，细粒者0.1～0.25mm	以玉髓为基质，其中含有脉石英晶粒
化学组成	SiO2＞98%	SiO2 99%	SiO2＞95% ，Al2O3 1%～3%，R2O 1%～2%	SiO2＞95%
矿物组成	石英为主，有的含有粘土、云母、绿泥石、长石、金红石、赤铁石、褐铁矿等	石英为主，有的夹有红色或黄褐色水锈	石英＞90%，含少量长石、云母	石英、玉髓为主，有的含氧化铁、石灰石、绿泥石
转变特征	不易转变	难于转变	不易转变	易转变
制砖 适应性	制砖废品率高	制造各种硅砖	制造一般硅砖	制造各种硅砖

2.按转变速度分类
从硅砖的制造工艺观点出发，依照硅石原料在1450°C时煅烧1小时的真比重大小，可将硅石非为极慢、慢速、中速和快速转变四种类型（表1-2）。因鳞石英的真比重（2.242）较小，烧后真比重越小，则表明转变成鳞石英的数量也多。

烧后真比重	≥2.50	2.45～2.50	2.40～2.45	＜2.40
硅石类型	极慢	慢速	中速	快速

　　表1-2硅石的转变速度分类
3.按硅石的致密程度分类
可以分为极致密、致密、比较多孔和多孔四种（表1-3）。硅石原料应具有较大的致密性，前两种硅石是优质的耐火材料，第三种可以与前两种配合使用，或单独用于制造一般用途的硅砖。第四种不适合制砖。
表1-3硅石的致密程度分类

硅石类型	极致密	致密	比较多孔	多孔
吸水率/%	＜0.5	0.5～1.5	1.5～4.0	＞4.0
显气孔率/%	＜1.2	1.2～4.0	4.0～10.0	＞10.0

　　4.按剧烈膨胀温度分类
硅石受热时，由于石英的多晶转变，其比重减小、体积膨胀，加热至某一温度时开始产生剧烈的膨胀。该温度愈低，砖坯烧成时松散开裂的可能性愈大，因为温度低时，坯体内尚没有产生液相来缓冲膨胀所产生的热应力，或者是虽产生液相但由于粘度太大而不能减弱所产生的热应力。按加热时剧烈膨胀开始温度的高低，可将硅石分为低热稳定性的、中稳定性的和高稳定性的三中（表1-4）
表1-4硅石的剧烈膨胀开始温度

硅石的性质及评价
1.外观性质
外观性质主要是硅石的外形、断面、颜色、光泽、夹杂物等。通过外观，可以初步判定硅石是结晶硅石还是胶结硅石，是否是脉石英等。
结晶硅石外观一般呈乳白色、灰白色、淡黄色以及红褐色。有鲜明的光泽，断面平滑连续，并带有锐利棱角，硬度、强度都很大。脉石英呈致密块状，纯白色，半透明，发油脂光泽，断面呈贝壳状，石英结晶颗粒多在2mm以上，肉眼可辨。
胶结硅石外观有白色、灰白色、黄灰色、黑色、红色等，断面致密，呈贝壳状，没有明显的粒状组织结构，断面的锐棱不明显，几乎没有光泽。
优良的硅石应该呈致密块状，有时有贝壳状或鳞状断面，没有明显的层状结构，在层与层之间没有夹杂物，并且不带石灰石外壳。其颜色取决于杂质，通常铁质化合物使硅石呈红褐色，有机物杂质则使硅石带灰色、黑色等。
　　根据硅石的显微特征在一定程度上可以判断硅石的加热性质与转变情况，为制砖提供工艺依据。胶结硅石的活性较大，其转变速度比结晶硅石快；胶结物愈多，其转变速度愈快。石英颗粒的粗细及变形程度也影响转变速度，一般结晶颗粒粗大的较细小的慢。对于结晶硅石，如果石英结晶比较小，粒度大小不一，并以锯齿状结构交错紧密结合，则煅烧时容易转变，膨胀也不大，并且不易松散；如果硅石的石英结晶较大且直径大小接近并呈圆形，则烧成膨胀大，转变慢，易松散，烧成容易产生裂纹，硅砖的气孔率高，强度低。
3.化学成分与耐火度
硅石中SiO2是主成分，Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等均为杂质。硅石的化学成分愈纯，SiO2含量愈高，其耐火度也愈高。一般要求：SiO2≥96%，Na2O+K2O≤0.2%～0.4%。
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