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脉石英、石英砂、石英砂岩、石英岩(硅石)、石英质砾石及硅藻土等。
制造硅质耐火材料用的硅石只有石英原料的一个类型。
1.脉石英脉石英(Veinquartz)颜色洁白、致密块状的石英,半透明,贝壳状断口,油脂光泽,因呈脉状产出,故称脉石英,属于结晶硅石的一种。
它是岩浆期后从岩浆中分异出来的二氧化硅热溶液,充填在早期形成的岩石裂隙中冷凝而成,SiO2的含量可达97%~99%之间。
它是生产日用陶瓷的优质原料,但由于它呈致密块状,加热时体积膨胀剧烈,通常需要预先煅烧、加工碾碎后使用。
脉石英也是制造高硅质,高密度硅砖的原料。
我国广西、山东、江苏北部等地出产脉石英。
2.石英砂石英砂(Silicasand)又称硅砂,是由粒径0.1~2mm的石英组成的砂粒,通常由暴露在地表的石英质母岩,如花岗岩、伟晶岩,片麻岩经风化、破碎而形成。
它在第四纪沉积物以及现代河流、湖泊、海滩中广泛分布。
天然石英砂有海岸砂及山砂。
石英砂中常含杂质,一般应予选矿处理。
其品位根据其中的Fe2O3、Al2O3、CrO3、TiO2的含量及其粒度组成而定。
由硅石和石英砂岩粉碎加工亦可制得石英砂、它们均是玻璃工业的主要原料。
3.石英砂岩石英砂岩(Silicarenite)是一种固结的砂质岩石,由砂质硅结物硅结石英砂粒而成。
砂粒中石英的含量在99%以上;
硅质胶结物为蛋白石及玉髓,他们可以围绕石英砂粒发育成次生加大胶结物,形成沉积石英岩。
根据颗粒大小分为粗粒砂岩、中粒砂岩与细粒砂岩;
按胶结物的不同分为:
钙质砂岩、硅质砂岩、长石质砂岩等。
石英砂岩随胶结物的不同而呈白、黄、红色等。
有时因为风化影响而使结构松弛,成为软砂岩。
质地纯净者,SiO2含量可达97%以上。
在陶瓷工业中,石英砂岩主要用做瘠化料,以降低坯体的可塑性,减少制品的干燥收缩与变形;
含硅高、含铁低的砂岩,一般可用语玻璃工业;
水泥工业中多用做硅质校正原料,用于调整熟料的硅酸率。
我国华北震旦系地层,华南泥盆系地层中石英砂岩和沉积石英岩分布很广。
4.石英岩石英岩(Quartzite)亦称硅石,是由石英砂岩受动力变质作用而生成的变质岩,主要由石英的颗粒集合体所构成。
由于在变质过程中石英颗粒发生重结晶、挤呀等现象,因而岩石的硬度和强度都较石英砂岩大,端面致密,在显微镜下,石英颗粒之间呈锯齿状接触。
根据变质程度,分为砂岩质石英岩,再结晶石英岩(结晶硅石)和胶结石英岩(胶结硅石)。
石英岩广泛用作玻璃、水泥、陶瓷工业中的原料。
在耐火材料工业中常用于制造高硅质、高密度硅砖。
我国辽宁石门、河南铁门、山东王村、湖南湘乡等地出产结晶硅石;
山西五台则出产硅结硅石。
5.石英质砂石石英岩砂石(Quartzgravel)外形如鹅蛋,故俗称“鹅卵石”,通常呈白色、灰色,亦有黑色者。
色白者由石英岩、石英砂岩或脉石英经风化、破碎、磨圆而形成。
色黑者多有燧石组成(燧石是一种硅质化学沉积岩,常呈层状、结核状产于石灰岩中)。
质地坚硬,硬度为7。
陶瓷与耐火材料工业中常用于球磨机的磨球。
质地纯净的亦可作为陶瓷坯、釉的原料。
鹅卵石产于多山的海滨及山区河滩中,如大连、青岛海滩;
在第四纪沉积层中也有广泛分布,如南京附近的雨花台砂石层。
6.硅藻土硅藻土(Diatomaceousearth)是由海水或淡水中的微生物——硅藻类的遗体骨骼(硅壳)堆积而成,本质上是含水的非晶质而氧化硅。
硅藻土中硅藻的含量可打达70%~190%,SiO2含量一般在70%以上,呈多空状结构,故亦有人称之为细胞状硅石。
比重2.1~2.2,硬度小,常含有粘土、火山灰、有机物等杂质而呈白、黄、粉红,甚至褐、黑等色,以白色者为优。
其特点是吸附能力强,是良好的吸附剂以过滤材料,亦为绝热、隔音的优良材料,用于制造多孔陶瓷于轻质隔热砖。
硅藻土多产于第三纪和第四纪的湖相、海相沉积地层中。
石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源。
石英晶洞
硅的氧化物矿物成分为SiO2。
主要指分布广泛的三方晶系的低温石英(α-石英)。
当温度在573℃以上时,则成为六方晶系的高温石英(β-石英)。
低温石英晶体常呈带尖顶的六方柱状。
柱面上有横纹,有左形晶与右形晶的区别。
双晶很普遍,最常见的为道芬双晶和巴西双晶。
通常呈晶族或粒状、块状集合体。
纯净者为无色透明,但大多因含微量色素离子或细分散色裹体,或因具有色心而呈各种颜色,并使透明度降低。
玻璃光泽,断口常呈油脂光泽。
莫氏硬度7,比重2.65。
贝壳断口。
具强压电性和旋光性。
物理性质
晶系:
六方晶系
晶体:
等轴状、柱状、六方双锥面形
集合体型态:
块状、粗粒状、钟乳状、结核状
硬度:
摩氏硬度为7
解理/断口:
贝壳状断口
光泽:
玻璃光泽
颜色:
无、白,带有点灰、黄到橙黄、紫、深紫、粉红、灰褐、褐、黑
条痕:
白色
比重:
2.65~2.66
其他:
(1)具脆性
(2)具有热电性(3)折射率1.533~1.541,双折射率差0.009,色散0.013(4)石英具有强烈的压电性(Piezoelectricproperty),即用力敲击摩擦时会产生火花,这也就是燧石取火的方法。
(5)石英内常见的包裹体有:
发晶(Haircrystal)-主要是金红石;
草入水晶-主要为电气石;
水胆水晶-石英中有液态包裹体;
青石英-内含浅蓝色金红石针状物;
乳石英-由细水孔洞引起混浊状;
绿石英-由板状或碎片状的绿泥石组成,有时可能是绿色针状的阳起石;
砂金石(Aventurine)-石英岩内部含有绿色或红褐色的云母细片,又名耀石英,俗称东陵石。
常见烟黑色至暗褐色的烟水晶,主要是这些岩类含有较多量具有放射性之铀、钍元素的关系。
硅石
quartzstone
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。
制备或来源:
有岩浆热液形成的或沉积形成的。
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。
主要分布在梁家寨乡,榆林坪乡、上社镇和西潘乡等地。
石英砂岩分布在仙人乡庄只一带。
无地质勘查资料,根据各矿点矿床出露长度和宽度,估算地质储量约5000万吨。
根据各矿点拣块化验分析,含二氧化硅约在96—99%之间。
该矿现有开采点十处。
年矿石采出量约3万吨。
硅石主要用于玻璃,陶瓷、冶炼、硅铁,工业硅、硅砖等。
硅石化学加工
chemicalprocessingofsilica
硅石大量用作建筑材料的原料,也是无机盐工业的重要原料。
用化学方法可将硅石加工成一系列硅化合物。
硅石一般指纯度较高的天然石英砂即二氧化硅,在自然界中分布广,储藏量大,很多国家都有大型优质矿,开采量大。
加工方法硅石经化学加工,除还原生产单质硅外,首先得到硅化合物的母体产品硅酸钠(俗称水玻璃),主要有碱法和硫酸钠法两种。
碱法硅石不溶于水和酸,但易与碱反应生成硅酸钠,所以碱法是硅石化学加工的主要方法。
碱法又分为干法(纯碱法)和湿法(烧碱法)。
①干法(纯碱法) 将含二氧化硅99%以上的硅石粉碎到50~80目,与纯碱按一定比例配合,在1100~1350℃的高温下焙烧4~6h,生成熔融态物料,反应式为:
xSiO2+nNa2CO3─→nNa2O·
xSiO2+nCO2
式中x和n的摩尔比称为硅酸钠的模数,工业用硅酸钠的模数一般为1.0~3.8。
选择不同的配料比可得到不同模数的产品。
在高温生产中碱易损失,故配碱量往往要稍高于模数要求的理论量。
得到的熔融物料除含硅酸钠外,还含有未反应的硅石等水不溶物,用水溶解分离掉熔融体中不溶物,得到无色透明的粘稠液体即硅酸钠产品。
干法易于制造高模数的硅酸钠产品,生产条件要求不太苛刻,易于工业生产。
但能耗大,操作条件差。
②湿法(烧碱法) 将粉碎至120目以上的硅石粉(SiO2)含量高于99%),与烧碱按一定比例(由产品模数而定)配合,放入带搅拌的加压反应釜中,通蒸汽加热到175℃以上,压力控制在811kPa以上,反应4~6h,冷却后过滤,除去未反应的二氧化硅,即可得到液体硅酸钠产品,反应式为:
xSiO2+2nNaOH─→nNa2O·
xSiO2+nH2O
湿法能耗低,操作环境较好,但不易得高模数产品。
硫酸钠法将含二氧化硅达98%的硅石粉碎到80目,与硫酸钠(其配比按产品的模数定)和煤粉按一定比例配合,在反射炉内反应。
首先硫酸钠还原成硫化钠,后者与硅石反应得硅酸钠,同时放出二氧化硫。
反应式为:
Na2SO4+4C─→Na2S+4CO
nNa2S+xSiO2+3/2nO2─→nNa2O·
xSiO2+nSO2
在反应中硫酸钠往往还原不完全,在高温下呈熔融态浮于硅酸钠熔体表面,称为硝水,硝水的腐蚀性极强,易腐蚀炉衬,同时遇水易爆炸。
并且该反应中产生二氧化硫,污染环境,故工业上很少采用。
方石英粉选用优质的天然石英,通过独特的高温处理工艺加工而形成的粉末,使其分子结构排列由有序排列转为无序排列。
其色白,纯度较高、流动性能好、并具有以下性能:
1、优良的光学性质:
方石英的折射率从石英的1.55下降到1.48,更接近PE、PP及一些树脂的折射率。
混合后的树脂呈透明状,不遮盖颜料本身的色彩,而用其它填料填充则会使颜料的色彩变浅、失真。
2、反射率:
方石英的具体结构有助光反射,可取代玻璃微珠作反光油漆,既可增强防滑性,又可提高油漆的反光性。
3、白度,低密度、色泽光亮:
方石英的白度达95%以上,在涂料、油漆中使用,可取代部分钛白粉,降低配方成本。
4、抗腐蚀,耐刻划、耐擦洗、耐磨性能好。
5、不含有机物污染,金属含量极低:
可增强涂料的抗紫外线能力,并具有良好的绝缘性、良好的电磁辐射性和低的介电常数。
6、优良的抗热震性。
方石英受热220—240℃左右时,发生一定程度的热膨胀,正好补偿环氧树脂、石膏等在此温度下固化反应时的收缩,使浇注体不变形。
7、极低的热膨胀系数、抗沉淀性好、抗腐蚀性好。
应用行业:
电子材料、高功能环氧树脂、精密铸造、高档电瓷、电子晶片打磨、抛光材料、珠宝行业、特种陶瓷材料、特种耐火材料、高档造纸、高档涂料油漆高档涂料、精密模具、屏蔽材料行业,日用化工,粘合剂,塑料,PTC材料、航空、航天、齿科材料和硅橡胶等中高级填料,各类工业保护涂料、木器、粉末涂料、油墨及其他功能性应用
石英粉概况石英粉理化性质(同石英砂)又称硅微粉
石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物,其主要矿物成分是SiO2,石英砂的颜色为乳白色、或无色半透明状,硬度7,性脆无解理,贝壳状断口,油脂光泽,密度为2.65,堆积密度(20-200目为1.5),其化学、热学和机械性能具有明显的异向性,不溶于酸,微溶于KOH溶液,熔点1650℃。
从矿山开采出的石英石经加工后,一般细度在120目以上(小于120目)的产品称石英砂。
超过120目的产品称为石英粉。
石英粉分干法和水法两种生产方式,各种常规规格:
120M,200M,260M,325M,600M,800M,1000M及2000M(M为目数)。
另外也可按客户要求加工异型规格,要求粒度分布的一般也可加工。
用途:
一、玻璃:
平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品(玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等)、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料
二、陶瓷及耐火材料:
瓷器的胚料和釉料,窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料。
冶金:
硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂
三、建筑:
混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料(即水泥标准砂)等
四、化工:
硅化合物和水玻璃等的原料,硫酸塔的填充物,无定形二氧化硅微粉
五、机械:
铸造型砂的主要原料,研磨材料(喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等)
六、电子:
高纯度金属硅、通讯用光纤等
七、橡胶、塑料:
填料(可提高耐磨性)
八、涂料:
填料(可提高涂料的耐候性)。
常用包装为25KG和50KG.
石英粉分干法和水法两种生产方式:
1、干法生产石英粉,主要设备有磕石机、粉碎机、振动筛等。
其工艺流程为石英石矿料经过磕石机加工成较小石料,石料再经过粉碎机加工砂粒,然后经过振动筛筛分,在筛分过程中利用磁铁棒和排磁铁除铁,然后分装完毕入库。
2、水法生产石英粉,主要设备有磕石机、石碾、烤房、振动筛、水路系统等。
其工艺流程大致如下:
石英石矿料经过磕石机加工成较小石料,石料再经过石碾碾压成砂粒,碾压时不停的加水,水带着砂粒流入沉淀池内,再把沉淀池内的砂粒运入烤房烘烤成干砂粒,然后再经过振动筛筛分,在筛分过程中利用磁铁棒和排磁铁除铁,然后分装完毕入库。
干法生产的石英粉分为普通石英粉、精制石英粉二种等级。
因石英石矿料从山上开采下来的时候,本身带有黄褐色的表皮。
挑选出较小的石英石矿料直接破碎筛分的产品称普通石英粉,表观呈现黄褐色与白色相间,其优点是价格便宜,缺点是杂质较多,故多用于建筑行业.挑选出大的矿料,经过人工去除表面黄褐色外皮,再加工而成的就是精制石英粉了,其表观呈现白色,亮晶晶,如同白砂糖一样。
因加工过程费时费料,故价位较高。
水法生产的石英粉分为普通石英粉和精制石英粉。
把较小的石英石矿料加工成普通石英粉,把大的石英石矿料加工成精制石英粉。
与干法石英粉相比,水法石英粉因在生产过程,较少产生设备铁以及用水冲走杂质,如含铁量及杂质都少于干法石英粉,但因其加工较为费工费料,故价位较高。
石英粉不分等级,只分规格。
因其具备白度高,无杂质、铁量低等特点,故应用范围广.
金属硅
结晶型的硅是暗黑蓝色的,很脆,是典型的半导体。
化学性质非常稳定。
在常温下,除氟化氢以外,很难与其他物质发生反应。
硅的用途:
①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。
在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;
掺入微量的第VA族元素,形成n型和p型半导体结合在一起,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。
在开发能源方面是一种很有前途的材料。
②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。
将陶瓷和金属混合烧结,制成金属陶瓷复合材料,它耐高温,富韧性,可以切割,既继承了金属和陶瓷的各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷。
可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温,全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。
③光导纤维通信,最新的现代通信手段。
用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维,激光在玻璃纤维的通路里,无数次的全反射向前传输,代替了笨重的电缆。
光纤通信容量高,一根头发丝那么细的玻璃纤维,可以同时传输256路电话,它还不受电、磁干扰,不怕窃听,具有高度的保密性。
光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变。
④性能优异的硅有机化合物。
例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。
在地下铁道四壁喷涂有机硅,可以一劳永逸地解决渗水问题。
在古文物、雕塑的外表,涂一层薄薄的有机硅塑料,可以防止青苔滋生,抵挡风吹雨淋和风化。
天安门广场上的人民英雄纪念碑,便是经过有机硅塑料处理表面的,因此永远洁白、清新。
发现
1822年,瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅,得到了单质硅。
分布
硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中,约占地表岩石的四分之一,广泛存在于硅酸盐和硅石中。
制备
工业上,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。
化学反应方程式:
SiO2+2C→Si+2CO
这样制得的硅纯度为97~98%,叫做金属硅。
再将它融化后重结晶,用酸除去杂质,得到纯度为99.7~99.8%的金属硅。
如要将它做成半导体用硅,还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式,再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。
如需得到高纯度的硅,则需要进行进一步的提纯处理。
同位素
已发现的硅的同位素共有12种,包括硅25至硅36,其中只有硅28,硅29,硅30是稳定的,其他同位素都带有放射性。
用途
硅是一种半导体材料,可用于制作半导体器件和集成电路。
还可以合金的形式使用(如硅铁合金),用于汽车和机械配件。
也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。
还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。
硅的特性
名称,符号,序号硅、Si、14系列类金属族,周期,元素分区14族(IVA),3,p
密度、硬度2330kg/m3、6.5
颜色和外表深灰色、带蓝色调
地壳含量25.7%
原子属性原子量28.0855原子量单位原子半径(计算值)110(111)pm
共价半径111pm范德华半径210pm价电子排布[氖]3s23p2
电子在每能级的排布2,8,4。
氧化价(氧化物)4(两性的)。
晶体结构面心立方
物理属性
物质状态固态熔点1687K(1414°
C)沸点3173K(2900°
C)
摩尔体积12.06×
10-6m3/mol汽化热384.22kJ/mol熔化热50.55kJ/mol
蒸气压4.77帕(1683K)声速无数据
其他性质电负性1.90(鲍林标度)比热700J/(kg·
K)电导率2.52×
10-4/(米欧姆)
热导率148W/(m·
K)
第一电离能786.5kJ/mol第二电离能1577.1kJ/mol第三电离能3231.6kJ/mol
第四电离能4355.5kJ/mol第五电离能16091kJ/mol第六电离能19805kJ/mol第七电离能23780kJ/mol第八电离能29287kJ/mol第九电离能33878kJ/mol第十电离能38726kJ/mol
最稳定的同位素同位素丰度半衰期衰变模式衰变能量MeV衰变产物
28Si92.23%稳定29Si4.67%稳定30Si3.1%稳定
32Si人造276年β衰变0.22432P
核磁公振特性29Si 核自旋1/2
元素名称:
硅元素原子量:
28.09
元素类型:
非金属
发现过程:
1823年瑞典的贝采利乌斯,用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热,得到粉状硅。
元素描述:
由无定型和晶体两种同素异形体。
具有明显的金属光泽,呈灰色,密度2.32-2.34克/厘米3,熔点1410℃,沸点2355℃,具有金刚石的晶体结构,电离能8.151电子伏特。
加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用,也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。
生成硅化物。
不溶于一般无机酸中,可溶于碱溶液中,并有氢气放出,形成相应的碱金属硅酸盐溶液,于赤热温度下,与水蒸气能发生作用。
硅在自然界分布很广,在地壳中的原子百分含量为16.7%。
是组成岩石矿物的一个基本元素,以石英砂和硅酸盐出现。
元素来源:
用镁还原二氧化硅可得无定形硅。
用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。
电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。
元素用途:
用于制造高硅铸铁、硅钢等合金,有机硅化合物和四氯化硅等,是一种重要的半导体材料,掺有微量杂质得硅单晶可用来制造大功率的晶体管,整流器和太阳能电池等。
元素辅助资料:
硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。
如果说碳是组成一切有机生命的基础,那么硅对于地壳来说,占有同样的位置,因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。
这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。
长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类;
水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。
但是,硅与氧、碳不同,在自然界中没有单质状态存在。
这就注定它的发现比碳和氧晚。
拉瓦锡曾把硅土当成不可分割的物质——元素。
1823年,贝齐里乌斯将氟硅酸钾(K2SiF6)与过量金属钾共热制得无定形
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