硅石耐火材料

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

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，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(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。

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

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。

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(dǎo)熱率，并改善熱震穩(wěn)定性，此點對焦?fàn)t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(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(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(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(yīng)根據(jù)硅磚的品種及應(yīng)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