矽石性質
物理性質
矽石二氧化矽又稱矽石(石英砂)，化學式SiO2。自然界中存在有結晶二氧化矽和無定形二氧化矽兩種。結晶二氧化矽因晶體結構不同，分為石英、鱗石英和方石英三種。純石英為無色晶體
，大而透明稜柱狀的石英叫水晶。若含有微量雜質的水晶帶有不同顏色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是細小的石英晶體，有黃砂(較多的鐵雜質)和白砂(雜質少、較純淨)。二氧化矽晶體中，矽原子的4個價電子與2個氧原子形成4個共價鍵，矽原子位於正四面體的中心，4個氧原子位於正四面體的4個頂角上，整個晶體是一個巨型分子，SiO2是表示組成的最簡式不表示單個二氧化矽分子，僅是表示二氧化矽晶體中矽和氧的原子個數之比。SiO2中Si—O鍵的鍵能很高，熔點、沸點較高(熔點1723℃，沸點2230℃)。自然界存在的硅藻土是無定形二氧化矽，是低等水生植物硅藻的遺體，為白色固體或粉末狀，多孔、質輕、鬆軟的固體，吸附性強。
化學性質
酸性氧化物、矽酸的酸酐。化學性質很穩定。不溶於水也不跟水反應，不跟一般的酸起作用。能與氟化氫氣體或氫氟酸反應生成四氟化矽氣體。SiO2+4HF SiF4↑+2H2O有酸性氧化物的其它通性，高溫下能與鹼(強鹼溶液或熔化的鹼)反應生成鹽和水。常溫下強鹼溶液與SiO2緩慢地作用生成相應的矽酸鹽。強鹼溶液能腐蝕玻璃，故貯存強鹼溶液的玻璃瓶不能用磨口玻璃塞，若採用玻璃塞(玻璃中含SiO2)，會生成有粘性的矽酸鈉，將玻璃瓶塞和瓶口粘結在一起。玻璃瓶內不能久放濃鹼液。高溫下二氧化矽與鹼性氧化物或某些金屬的碳酸鹽共熔，生成矽酸鹽。SiO2+CaO CaSiO3(煉鐵造渣)將此高溫下熔融狀態的矽酸鈉降溫、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、耐高溫的化學儀器、石英坩堝和光學儀器等。來源多由岩漿熱液形成的或沉積形成。
套用領域
矽酸鈉和二氧化矽是矽石化學加工得到的主要產品。矽酸鈉是矽石化學加工產品中用途最廣、用量最大的產品，除用於製造多種矽化合物外，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。矽酸鈉經改性後還可作為內外牆塗料。矽酸鋁可作玻璃、陶瓷的原料，也可作油漆顏料。矽酸鋰可作防腐油漆、金屬表面保護劑。
矽石分類
矽石是矽質耐火材料的主要原料。矽石也稱石英岩，主要礦物是石英 SiO2。
組織結構分類
矽石耐火材料工業用的矽石可以分為結晶矽石（再結晶石英岩）和膠結矽石（膠結石英岩）。
⑴結晶矽石
是由矽質砂岩（石英砂岩）經變質作用再結晶而成得變質岩。矽質砂岩中的矽質膠結物在地質條件作用下而在原石英顆粒表面再結晶，成為石英顆粒的增大部分。因此，其組織結構特徵是：由結晶的石英顆粒所組成，石英顆粒間沒有膠結物或極少（3%～8%）；由於變質過程中的再結晶作用而使石英顆粒緊密地連線在一起，並且構成了原矽質砂岩所沒有的各種變晶結構，如鋸齒結構、花崗岩結構和鑲嵌結構等。
脈石英也屬於結晶矽石，它是火成岩，特徵是石英顆粒較大（>2mm），純度較高（SiO2>99%），煅燒時轉化遲鈍，膨脹性大，直接用於制磚較為困難。
⑵膠結矽石
石英顆粒被矽質膠結物結合而成的沉積岩，膠結構主要是隱晶質的二次石英，膠結物含量通常約占30%～75%。膠結矽石中的石英顆粒結晶較小，雜質含量多，加熱時易於轉變。
結晶矽石與膠結矽石的特徵對比如表1-1所列。
表1-1結晶矽石與膠結矽石的特徵
| 組織分類 | 結晶矽石 | 膠結矽石 | | |
| 岩石分類 | 石英岩 | 脈石英 | 石英砂岩 | 燧石岩 |
| 組織結構 | 石英砂岩受動力變質作用而成，由石英顆粒組成，石英晶粒0.15～0.25mm，雜質物較少，質純 | 分漿沉澱，火成岩，顯晶質石英，晶粒粗大，一般>2mm，質地純淨 | 以蛋白石或玉髓等隱晶質膠結物結合石英顆粒。顆粒大小不同，粗粒者1～0.5mm，細粒者0.1～0.25mm | 以玉髓為基質，其中含有脈石英晶粒 |
| 化學組成 | SiO2>98% | SiO2 99% | SiO2>95% ，Al2O3 1%～3%，R2O 1%～2% | SiO2>95% |
| 礦物組成 | 石英為主，有的含有粘土、雲母、綠泥石、長石、金紅石、赤鐵石、褐鐵礦等 | 石英為主，有的夾有紅色或黃褐色水銹 | 石英>90%，含少量長石、雲母 | 石英、玉髓為主，有的含氧化鐵、石灰石、綠泥石 |
| 轉變特徵 | 不易轉變 | 難於轉變 | 不易轉變 | 易轉變 |
| 制磚適應性 | 製造各種矽磚 | 製造各種矽磚 | 製造一般矽磚 | 製造各種矽磚 |
按轉變速度分類
從矽磚的製造工藝觀點出發，依照矽石原料在1450°C時煅燒1小時的真比重大小，可將矽石非為極慢、慢速、中速和快速轉變四種類型（表1-2）。因鱗石英的真比重（2.242）較小，燒後真比重越小，則表明轉變成鱗石英的數量也多。
表1-2矽石的轉變速度分類
| 燒後真比重 | ≥2.50 | 2.45～2.50 | 2.40～2.45 | <2.40 |
| 矽石類型 | 極慢 | 慢速 | 中速 | 快速 |
3.按矽石的緻密程度分類
可以分為極緻密、緻密、比較多孔和多孔四種（表1-3）。矽石原料應具有較大的緻密性，前兩種矽石是優質的耐火材料，第三種可以與前兩種配合使用，或單獨用於製造一般用途的矽磚。第四種不適合制磚。
表1-3矽石的緻密程度分類
| 矽石類型 | 極緻密 | 緻密 | 比較多孔 | 多孔 |
| 吸水率/% | <0.5 | 0.5～1.5 | 1.5～4.0 | >4.0 |
| 顯氣孔率/% | <1.2 | 1.2～4.0 | 4.0～10.0 | >10.0 |
4.按劇烈膨脹溫度分類
矽石受熱時，由於石英的多晶轉變，其比重減小、體積膨脹，加熱至某一溫度時開始產生劇烈的膨脹。該溫度愈低，磚坯燒成時鬆散開裂的可能性愈大，因為溫度低時，坯體內尚沒有產生液相來緩衝膨脹所產生的熱應力，或者是雖產生液相但由於粘度太大而不能減弱所產生的熱應力。按加熱時劇烈膨脹開始溫度的高低，可將矽石分為低熱穩定性的、中穩定性的和高穩定性的三中（表1-4）
表1-4矽石的劇烈膨脹開始溫度
| 矽石種類 | 低熱穩定 | 中熱穩定 | 高熱穩定 |
| 劇烈膨脹開始溫度/°C | <1150 | 1150～1225 | >1225 |
| 膨脹率/% | <0.17 | 0.17～0.20 | >0.20 |
性質評價
外觀性質
外觀性質主要是矽石的外形、斷面、顏色、光澤、夾雜物等。通過外觀，可以初步判定矽石是結晶矽石還是膠結矽石，是否是脈石英等。
結晶矽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，並帶有銳利稜角，硬度、強度都很大。脈石英呈緻密塊狀，純白色，半透明，髮油脂光澤，斷面呈貝殼狀，石英結晶顆粒多在2mm以上，肉眼可辨。
膠結矽石外觀有白色、灰白色、黃灰色、黑色、紅色等，斷面緻密，呈貝殼狀，沒有明顯的粒狀組織結構，斷面的銳棱不明顯，幾乎沒有光澤。
優良的矽石應該呈緻密塊狀，有時有貝殼狀或鱗狀斷面，沒有明顯的層狀結構，在層與層之間沒有夾雜物，並且不帶石灰石外殼。其顏色取決於雜質，通常鐵質化合物使矽石呈紅褐色，有機物雜質則使矽石帶灰色、黑色等。
組織結構
研究矽石的微觀組織結構對評價矽石的質量很重要。用它可以正確判定矽石的結晶類型、石英顆粒的大小與分布、雜質及分布狀況。我國主要產地矽石的顯微結構特徵如表1-5所列。
表1-5矽石的顯微結構特徵
| 產地 | 分類 | 顯微結構特徵 |
| 山西五台 | 膠結矽石 | 細晶結構為主，晶粒大小以0.005～0.01mm為主，結晶小，孔隙多，雜質量較多 |
| 遼寧石門 | 結晶矽石 | 以鑲嵌結構為主，晶粒大小一般為0.2～0.6mm，最大為0.3mm，晶粒大小比較均勻，雜質較少 |
| 山東王村 | 結晶矽石 | 以齒狀結構為主，晶粒大小在1mm左右，晶粒大小不均勻，雜質也較多 |
| 河南鐵門 | 結晶矽石 | 以鑲嵌結構和齒狀結構為主，晶粒為0.15～0.25mm，雜質較少 |
| 江蘇江陰 | 結晶矽石 | 以鑲嵌結構為主，晶粒大小為0.1～0.2mm，有少量雜質 |
| 湖南湘鄉 | 結晶矽石 | 以鑲嵌結構為主，晶粒大小為0.8～1.0mm，最大為1～1.5的粗晶 |
| 內蒙包頭 | 結晶矽石 | 以粒狀鑲嵌結構為主，晶粒大小為0.2～0.5mm，另一種為0.4～0.7mm，晶粒大小不均勻 |
| 重慶 | 結晶矽石 | 全晶質粒狀結構，晶粒大小以0.1～0.5mm為主。大小顆粒不均。大結晶之間接觸平滑，膨脹大，雜質較多 |
根據矽石的顯微特徵在一定程度上可以判斷矽石的加熱性質與轉變情況，為制磚提供工藝依據。膠結矽石的活性較大，其轉變速度比結晶矽石快；膠結物愈多，其轉變速度愈快。石英顆粒的粗細及變形程度也影響轉變速度，一般結晶顆粒粗大的較細小的慢。對於結晶矽石，如果石英結晶比較小，粒度大小不一，並以鋸齒狀結構交錯緊密結合，則煅燒時容易轉變，膨脹也不大，並且不易鬆散；如果矽石的石英結晶較大且直徑大小接近並呈圓形，則燒成膨脹大，轉變慢，易鬆散，燒成容易產生裂紋，矽磚的氣孔率高，強度低。
化學成分與耐火度
矽石中SiO2是主成分，Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等均為雜質。矽石的化學成分愈純，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的存在除增加矽石在高溫下形成液體的趨勢外，還會延緩矽石的分解。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%，生產優質矽磚時則需要<0.5%。Na2O、K2O是很強的熔劑，一方面它是顯著降低矽石的耐火度，另一方面它們又能促進石英的轉變，對Na2O+K2O的要求是一般不超過0.2%～0.4%。Fe2O3、CaO、MgO等雜質對矽石質量的影響不像K2O、Na2O、Al2O3那樣大，如果它們呈分散狀態存在，可視為有益組分。TiO2不影響石英的轉化，但研究表明添加金紅石（TiO2）的降低矽磚的氣孔率，提高體積密度，促進燒結，從而提高矽磚導熱率，並改善熱震穩定性，此點對焦爐用矽磚尤為有用。實踐證明，加入1.5%的金紅石效果較好。如果單用化學成分和耐火度來決定矽石質量的優劣，那是不夠的，還必須考慮其組織結構、煅燒性質等因素。有些矽石原料，如脈石英，化學成分很純，耐火度很高，但不是製造矽磚的理想原料，因為它結晶顆粒大，膨脹性高，石英難於轉化，而且燒成時易開裂。
中國主要產地的矽石化學成分與耐火度如表1-6所列。
表1-6矽石的化學成分及耐火度
| 產地 | 矽石類型 | 化學成分/% | 耐火度 /°C | | | | | |
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | LiI | | | |
| 遼寧石門 | 結晶矽石 | 98.62 | 0.35 | 0.58 | 0.09 | 微 | 0.22 | 1730～1750 |
| 河南鐵門 | 結晶矽石 | 98.47 | 0.42 | 0.63 | 0.18 | 0.13 | 0.17 | 1750～1770 |
| 山東王村 | 結晶矽石 | 97.07 | 0.51 | 0.82 | 0.07 | 0.37 | 0.39 | 1750 |
| 山西五台 | 膠結矽石 | 95.72 | 1.61 | 1.80 | 微 | 0.29 | 0.16 | 1690～1710 |
| 江蘇江陰 | 結晶矽石 | 97.88 | 0.31 | 0.46 | 微 | 0.31 | 0.10 | 1730～1750 |
| 浙江杭州 | 結晶矽石 | 98.04 | 0.67 | 0.65 | 微 | 0.21 | 0.04 | 1730～1750 |
| 安徽合肥 | 結晶矽石 | 98.62 | 0.56 | 0.31 | 0.08 | 0.20 | 0.10 | - |
| 湖南湘鄉 | 結晶矽石 | 98.42 | 0.34 | 0.96 | 0.28 | 微 | 0.08 | 1730 |
| 重慶 | 結晶矽石 | 98.84 | 0.40 | 0.47 | 0.04 | 0.07 | - | 1730～1750 |
| 廣西柳城 | 結晶矽石 | 99.14 | 0.40 | 0.05 | 0.10 | - | - | 1750 |
| 吉林江密峰 | 脈石英 | 98.48 | 0.06 | 0.38 | 0.07 | 0.05 | 1.00 | 1770 |
| 內蒙包頭 | 結晶矽石 | 97.75 | 1.60 | 微 | 0.15 | 0.13 | 0.39 | 1730～1750 |
緻密程度與轉變速度
矽石的緻密程度、轉變速度與制磚工藝密切相關。不緻密的矽石不能用於製造重要用途的矽磚，但可以細磨成粉後與緻密矽石配合使用，而多孔的矽石則不能用於製造矽磚。膠結矽石的轉變速度較快，結晶矽石的轉變速度一般較慢或極慢。用於矽磚配料時，快速轉變的矽石燒成溫度應降低，礦化劑的加入量也應適當減少；對於較難轉變的矽石，應採用細顆粒配料並加入適量的礦化劑。中國主要產地矽石的緻密程度和轉變速度列於表1-7中。
在評價矽石原料的質量時，應根據矽磚的品種及套用領域，對上述性質進行綜合分析，確定出合理的配比及生產工藝條件。
表1-7矽石的緻密程度與轉變速度
| 產地 | 生料 | 1450°C燒後保溫1小時 | 晶粒大小/mm | | | | |
| 吸水率/% | 氣孔率/% | 真比重 | 吸水率/% | 氣孔率/% | 真比重 | | |
| 遼寧石門 | 0.16 | 0.42 | 2.64 | 1.68 | 4.19 | 2.57 | 0.2～0.6 |
| 山東王村 | 2.36 | 5.82 | 2.66 | 6.68 | 14.4 | 2.56 | 1.0 |
| 江蘇江陰 | 0.22 | 0.57 | 2.65 | 1.48 | 3.74 | 2.68 | 0.1～0.2 |
| 湖南湘鄉 | 0.65 | 1.69 | 2.64 | 8.58 | 17.4 | 2.56 | 0.8～1.0 |
| 河南鐵門 | 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 |
| 重慶 | 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 |
行業標準
ZBD53001-1990
我國行業標準（ZB D53001-90）對耐火材料用矽石的質量標準作出了規定，如表1-8所列。矽石中不得混入廢石、角礫石狀矽石、風化石等，表面不允許有超出1mm厚的雜質，矽石塊內不允許有直徑大於5mm的各種有害包裹體。
表1-8矽石的技術條件
| 理化指標要求 | | | | | | |
| 牌號 | 化學成分/% | 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 | | | | | | |
| 粒度範圍/mm | 最大粒度/mm | 允許波動範圍/% | | | | |
| 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 | | | |
YB/T5268-2007
最新標準YB/T 5268-2007 矽石
本標準代替YB/T5268-1999《矽石》
本標準與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；
──增加了檢驗批量。
本標準由中國鋼鐵工業協會提出。
本標準由冶金工業信息標準研究院歸口。
本標準主要起草單位：冶金工業信息標準研究院、西小坪耐火材料有限公司。
本標準主要起草人：高建平、郝良軍。
本標準所代替標準的歷次版本發布情況為：
──YB 2416-1981、YBD 53001-1990、YB/T 5268-1999
1 範圍
本標準規定了矽石的分類與牌號、技術要求、試驗方法、檢驗規則、包裝、標誌、運輸、貯存和質量證明書。
本標準適用於耐火材料、鋁合金和工業矽用矽石。
2 規範性引用檔案
下列檔案中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用檔案，其隨後所有的修改單（不包括勘誤的內容）或修訂版均不適用於本標準，然而，鼓勵根據本標準達成協定的各方研究是否可適用這些檔案的最新版本。凡是不注日期的引用檔案，其最新版本適用於本標準。
GB/T 2007.1-1987 散裝礦產品取樣、制樣通則手工取樣方法
GB/T 2007.2-1987 散裝礦產品取樣、制樣通則手工制樣方法
GB/T 6901.2-1986 矽質耐火材料化學分析方法重量-鉬藍光度法測定二氧化矽量
GB/T6901.3-1986 矽質耐火材料化學分析方法氫氟酸重量法測定二氧化矽量
GB/T 6901.4-1986 矽質耐火材料化學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 矽質耐火材料化學分析方法鉻天青S光度法測定氧化鋁量
GB/T 6901.6-1986 矽質耐火材料化學分析方法EDTA容量法測定氧化鋁量
GB/T 6901.7-1986 矽質耐火材料化學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 矽質耐火材料化學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 矽質耐火材料化學分析方法鉬藍光度法測定五氧化二磷量
......
3 分類與牌號
4 技術要求
5 試驗方法
6 檢驗規則
7 包裝、標誌、運輸、貯存和質量證明書
最新標準YB/T 5268-2014《矽石》
