5种硅质半硅质耐火原料指标及性能详解

硅石主要产于我国内蒙古、辽宁、河北、山西、河南、湖北、湖南、江西、安徽、广东、 云南等地。

在云南昆明，有震旦纪的石英砂岩。华南地区有分布较广、品质好的形成了泥炭-石盆纪的石英砂岩矿床，如湖南的湘潭、株洲、长沙，湖北武昌，江苏 吴县等地。侏罗纪的石英砂岩矿床多与煤系有关，例如四川铜梁的石英砂岩矿。

一、硅石

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，其它矿物成分为杂质。按硅石的组织结构分类可以分为结晶硅石(再结晶石英岩)和胶结硅石(胶结石英岩)。

1.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。结晶硅石外观呈乳白色、灰白色、淡黄色以至红褐色，致密块状。

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%)，锻烧时转化迟钝，膨胀性大，直接用于制砖较为困难。脉石英呈白色，半透明，发油脂光泽，断口呈贝壳状，致密块状。

2.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。外观呈乳白色、灰白色、黄灰色、黑色、红色等，断面致密，呈贝壳状，几乎没有光泽。

结晶硅石与胶结硅石的特征对比如表1所列。

硅石的性质

硅石中SiO2是主要成分，Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、K₂O、Na₂O等均为杂质。SiO2含量越高，硅石耐火度越高。一般要求SiO₂≥96%。我国行业标准(YB/T5268-1999)对耐火材料用硅石的质量标准作出了规定，如表2所列。硅石中不得混入废石、角砾石状硅石、风化石等，表面不允许有超过1㎜厚的杂质，硅石块内不允许有直径大于5mm的各种有害包裹体。

表2   硅石的技术条件

二、熔融石英

熔融石英是以石英玻璃为主要成分经电熔而成的硅质耐火原料。工业上用硅石制造熔融石英。熔融石英一般SiO2含量在99%以上，含少量Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、K₂O、Na₂O等杂质。

熔融石英结构是单纯由硅氧四面体组成的网络骨架。Si4+位于四面体中心，四个O₂-位于四面体顶角，两个四面体之间以角相连，形成一种向三维空间发展的架状结构。熔融石英特点是热膨胀系数极低、抗热震性强、导热系数低。用于制造耐火窑具、浇钢的浸入式水口及长水口等。

按熔融石英的透明程度，可分为透明熔融石英和不透明熔融石英，与所用原料和制造工艺有关。透明熔融石英没有或含有少量气泡等散射质点，呈透明状;用高纯水晶或四氯化硅为原料电熔法或气炼法熔炼而成。不透明熔融石英含有少量气泡等散射质点，呈不透明状;用纯净的石英砂为原料炼制。两种熔融石英性质见表3。

表3  熔融石英的性质

三、氧化硅微粉

二氧化硅微粉(简称硅微粉)也称SiO₂粉尘、硅微粉、硅灰等，是冶炼铁合金和金属硅的副产品。二氧化硅微粉是一种松散团聚在一起的球形无定形粉体，具有较小的粒径(平均为0.1~0.5微米，比表面积15~30m²/g)，活性较大，能与水泥颗粒或氧化镁颗粒反应水化，提高混凝土和耐火材料的强度，特别是耐火浇注料的强度。

在我国主要为铁合金厂除尘而得的副产品。生产硅铁所产生的氧化硅微粉的SiO₂含量较低，生产金属硅所产生的氧化硅微粉的SiO₂含量较高。国外有专业厂家生产专供耐火材料使用的高品质氧化硅微粉。国内部分厂家氧化硅微粉的特性见4-9。各厂家氧化硅微粉的SiO₂和杂质含量及PH值不同，并影响使用性能。氧化硅微粉的行业标准见表4-10。

表4    二氧化硅微粉产品性能

表5   二氧化硅微粉理化指标

四、蜡石

蜡石是以叶蜡石为主要成分的层状结构的硅酸盐矿物。自然界中纯叶蜡石矿物集合体产出很少见，一般都由类似的矿物呈片状、放射状集合体产出。矿石以块状为主，也有土状与纤维状，呈不透明至半透明，条痕为白色。外观颜色随伴生矿物的不同而变化，有白色、灰白、浅绿、黄褐等，质纯者为白色。具油脂、珍珠光泽，有滑腻感。莫氏硬度1.0～2.5，比重2.66～2.99，其薄片可弯曲，但无弹性。

叶蜡石矿物(Al₂O₃·4SiO2·H2O)化学组成为Al₂O₃28.3%、SiO₂66.7%、H2O5%;晶体结构为单斜晶系;体积密度为2.7~2.8g·cm-3，莫氏硬度1~2，耐火度1610～1730℃;线膨胀系数平均为6×10^-6℃^-1。

由于蜡石中除叶蜡石(Al₂O₃·4SiO₂·H₂O)外，还伴生有石英、高岭石、水铝石、玉髓、云母等，所以除叶蜡石型蜡石的化学组成接近其理论组成外，其余与理论值差距较大。蜡石的一般化学成分为：Al₂O₃15%～40%，SiO255%～85%，LOI3%~10%，CaO、MgO、Fe₂O₃、R2O等杂质成分含量低。LOI随SiO₂含量的增加或Al₂O₃含量的减少而下降;Fe₂O₃、TiO₂含量无规律性可循，与主含量Al₂O₃和SiO₂的变化无关。作为耐火原料，应该注意云母类矿物的含量，也就是含R₂O要低，因为它不但降低原料的耐火度，而且会降低蜡石砖的抗侵蚀能力。通常选择接近纯叶蜡石型或叶蜡石-石英型蜡石为原料制造蜡石砖，也就是高硅低碱蜡石。

在化学组成上，叶蜡石与高岭石族矿物，特别是硅质高岭土很相似，它们都是含水铝硅酸盐，但叶蜡石在水中无膨胀性和可塑性，吸水性差，结构稳定;而高岭石类则吸水性强，具有吸水膨胀性与可塑性。

蜡石中的叶蜡石在500℃左右开始脱水逐渐转变为脱水叶蜡石，至900℃脱水叶蜡石形成量最大，至1200℃左右，开始转变为莫来石和方石英：

五、硅藻土

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由古代硅藻的遗体组成。硅藻是一种单细胞藻类，它的形体极为微小，一般只有十几到几十微米，硅藻壳内包含大量极细的微孔。硅藻土呈疏松土状，孔隙率达80%～90%，能吸收本身重量1.5～4倍的水。硅藻土中的硅藻有许多不同的形状，如圆盘状、针状、筒状、羽状等。松散密度为0.3～0.5g·cm³莫氏硬度1～1.5(硅藻骨骼微粒为4.5～5µm)。硅藻土的颜色为白色、灰白色、灰色和浅灰褐色等。原土中杂质少，通常呈浅色，当杂质含量增加时，则呈现出灰色、灰绿色、灰褐色等深色。

硅藻土中主要矿物为蛋白石及其变种，其次是与其共存的各种粘土矿物(高岭石、蒙托石、水云母等)和碎屑矿物(石英、长石、黑云母等)，另外还有有机质，含量从微量到30%以上。

SiO2是硅藻土的主成分，通常都在80%以上，最高可达94%。硅藻土中SiO2含量达到60%以上即可列入开采、利用的范围。SiO2含量越高(指非晶质SiO2)，它的质量越好。

除SiO2外，硅藻土中还含有少量的Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O等。Al₂O₃含量与硅藻土中的粘土矿物含量有关，一般Al₂O₃3%～6%，含量高，反映硅藻土的质量较差，但对制作轻质保温材料而言，适量的Al₂O₃能增加砖的强度。

硅藻土比重0.4～0.9，导热系数极小，因而常用做隔热材料。密度为0.53g·cm³的硅藻土块导热系数在200℃时为0.0158W/m·K，在800℃时为0.0219W/m·K。其导热系数与密度关系较大。

硅藻土主要用于制造保温材料、填料和滤剂等。