硅石的分类、性质、评价及技术标准
中国耐材之窗网2006年2月24日
    一、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，其它成分均为杂质。由于生成条件不同，工艺要求各有侧重，所以有多种分类方法。
 
    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
组织分类
结晶硅石
胶结硅石
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% ，Al2O31%～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，有的夹有红或黄褐水锈
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。
表1-2硅石的转变速度分类
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
    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
硅石种类
低热稳定
中热稳定
高热稳定
剧烈膨胀开始温度/°C
＜1150
1150～1225
＞1225
膨胀率/%
＜0.17
0.17～0.20
＞0.20
    二、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、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、灰白、淡黄以及红褐。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，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、灰白、黄灰、黑、红等，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。其颜取决于杂质，通常铁质化合物使硅石呈红褐，有机物杂质则使硅石带灰、黑等。
    2.组织结构
    研究硅石的微观组织结构对评价硅石的质量很重要。用它可以正确判定硅石的结晶类型、石英颗粒的大小与分布、杂质及分布状况。我国主要产地硅石的显微结构特征如表1-5所列。
表1-5硅石的显微结构特征
河南铁门
结晶硅石
  以镶嵌结构和齿状结构为主，晶粒为0.15～0.25mm，杂质较少
江苏江阴
结晶硅石
以镶嵌结构为主，晶粒大小为0.1～0.2mm，有少量杂质
湖南湘乡
结晶硅石
  以镶嵌结构为主，晶粒大小为0.8～1.0mm，最大为1～1.5的粗晶
内蒙包头
结晶硅石
以粒状镶嵌结构为主，晶粒大小为0.2～0.5mm，另一种为0.4～0.7mm，晶粒大小不均匀
重庆
结晶硅石
全晶质粒状结构，晶粒大小以0.1～0.5mm为主。大小颗粒不均。大结晶之间接触平滑，膨胀大，杂质较多
    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%。
    Al2O3的存在除增加硅石在高温下形成液体的趋势外，还会延缓硅石的分解。Al2O3含量多时还会显著降低砖体的荷重软化点，Al2O3为2%，荷重软化点降低125°C；Al2O3为6%时，则降低275°C。因此，一般控制Al2O3＜1.3%，生产优质硅砖时则需要＜0.5%。Na2O、K2O是很强的熔剂，一方面它是显著降低硅石的耐火度，另一方面它们又能促进石英的转变，对Na2O+K2O的要求是一般不超过0.2%～0.4%。Fe2O3、CaO、MgO等杂质对硅石质量的影响不像K2O、Na2O、Al2O3那样大，如果它们呈分散状态存在，可视为有益组分。
TiO2不影响石英的转化，但研究表明添加金红石（TiO2）的降低硅砖的气孔率，提高体积密度，促进烧结，从而提高硅砖导热率，并改善热震稳定性，此点对焦炉用硅砖尤为有用。实践证明，加入1.5%的金红石效果较好。如果单用化学成分和耐火度来决定硅石质量的优劣，那是不够的，还必须考虑其组织结构、煅烧性质等因素。有些硅石原料，如脉石英，化学成分很纯，耐火度很高，但不是制造硅砖的理想原料，因为它结晶颗粒大，膨胀性高，石英难于转化，而且烧成时易开裂。
    中国主要产地的硅石化学成分与耐火度如表1-6所列。
表1-6硅石的化学成分及耐火度
产地
硅石类型
化学成分/%
耐火度
/°C
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
LiI
辽宁石门
结晶硅石
98.62
0.35
0.58
0.09
微
0.22
1730～1750
河南铁门
结晶硅石
98.47
0.42
0.63
0.18
0.13
0.17
1750～1770
山东王村
结晶硅石
97.07
0.51
0.82
0.07
0.37
0.39
1750
山西五台
胶结硅石
95.72
1.61
1.80
微
0.29
0.16
1690～1710
江苏江阴
结晶硅石
97.88
0.31
0.46
微
0.31
0.10
1730～1750
浙江杭州
结晶硅石
98.04
0.67
0.65
微
0.21
0.04
1730～1750
安徽合肥
结晶硅石
98.62
0.56
0.31
0.08
0.20
0.10
-
湖南湘乡
结晶硅石
98.42
0.34
0.96
0.28
微
0.08
1730
重庆
结晶硅石
98.84
0.40
0.47
0.04
0.07
-
1730～1750
广西柳城
结晶硅石
99.14
0.40
0.05
0.10
-
-
1750
吉林江密峰
脉石英
98.48
0.06
0.38
0.07
0.05
1.00
1770
内蒙包头
结晶硅石
97.75
1.60
微
0.15
0.13
0.39
1730～1750
    4.硅石的致密程度与转变速度
    硅石的致密程度、转变速度与制砖工艺密切相关。不致密的硅石不能用于制造重要用途的硅砖，但可以细磨成粉后与致密硅石配合使用，而多孔的硅石则不能用于制造硅砖。胶结硅石的转变速度较快，结晶硅石的转变速度一般较慢或极慢。用于硅砖配料时，快速转变的硅石烧成温度应降低，矿化剂的加入量也应适当减少；对于较难转变的硅石，应采用细颗粒配料并加入适量的矿化剂。中国主要产地硅石的致密程度和转变速度列于表1-7中。
    在评价硅石原料的质量时，应根据硅砖的品种及应用领域，对上述性质进行综合分析，确定出合理的配比及生产工艺条件。
表1-7硅石的致密程度与转变速度
产地
生料
1450°C烧后保温1小时
晶粒大小/mm
吸水率/%
气孔率/%
真比重
吸水率/%
气孔率/%
真比重
辽宁石门
0.16
0.42
2.64
1.68
4.19
2.57
0.2～0.6
山东王村
2.36
5.82
2.66
6.68
14.4
2.56
1.0
江苏江阴
0.22
0.57
2.65
1.48
3.74
2.68
0.1～0.2
湖南湘乡
0.65
1.69
2.64
8.58
17.4
石英砂岩2.56
0.8～1.0
河南铁门
0.46
1.20
2.66
2.78
6.70
2.59
0.15～0.25
浙江杭州
0.50
1.32
2.66
3.82
8.92
2.61
0.5～0.6
重庆
1.48
3.70
2.65
5.06
11.6
2.57
0.1～0.5
安徽合肥
0.27
0.72
2.65
2.51
6.20
2.60
0.2～0.5
山西五台
1.07
2.74
2.67
2.63
6.03
2.40
0.005～0.01
    三、硅石的技术条件
    我国行业标准（ZB D53001-90）对耐火材料用硅石的质量标准作出了规定，如表1-8所列。硅石中不得混入废石、角砾石状硅石、风化石等，表面不允许有超出1mm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1-8硅石的技术条件
理化指标要求
牌号
化学成分/%
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
GS-96
≥96.0
＜1.3
＜1.3
＜0.40
≥1710
＜4.5
粒度要求
粒度范围/mm
最大粒度/mm
允许波动范围/%
下限
上限
20～40
50
10
8
40～60
70
10
8
60～120
140
10
5
120～160
170
10
8
160～250
260
8
6
产地
分类
显微结构特征
山西五台
胶结硅石
细晶结构为主，晶粒大小以0.005～0.01mm为主，结晶小，孔隙多，杂质量较多
辽宁石门
结晶硅石
以镶嵌结构为主，晶粒大小一般为0.2～0.6mm，最大为0.3mm，晶粒大小比较均匀，杂质较少
山东王村
结晶硅石
以齿状结构为主，晶粒大小在1mm左右，晶粒大小不均匀，杂质也较多