硅砂的基本性质及应用领域

1.石英（SiO₂）的同质多晶转变

石英（SiO₂）是兼有离子键和共价键的晶体型氧化物，是一种具有复杂同质多晶转变的物质，共有7个基本晶型变体和1个非晶型变体。各种SiO₂变体晶型的性质见表2-2。

表2-2 各种SiO₂变体晶型的性质

自然界的硅砂（粉）的晶型为β石英。加热时发生的多晶转变可归纳为两类：一类是同一类型的高温（α）与低温（β）形态之间的转变（也称为次级晶形转变），由于高、低温型晶体结构彼此很近，转变时不影响硅氧四面体的连接状态，只是通过四面体的变位或旋转来改变Si—O—Si的键角，因此转变进行得很快，而巨是可逆的；另一类是不同类型的多晶转变，也称为一级晶型转变，即α石英→α磷石英→α方石英，由于它们晶体结构上有显著差异，转变时离子要进行重新排列，需要相当长的时间才能完成（有时甚至延续一周），因此转变很难进行，巨只有在矿化剂存在的情况下才能发生。

2.硅砂的矿物组分及化学成分

硅砂主要矿物成分为石英。它分为岩矿类（硅砂岩、石英岩、脉石英）和砂矿类（硅砂、含长石硅砂、含黏土硅砂）两大类。工业上把天然石英以及由硅砂岩、石英岩和脉石英破碎加工获得的各种粒级的砂都称为硅砂。地质部门还往往把硅砂岩、石英岩和脉石英统称为硅石。

硅砂中矿物含量变化很大，总的来说是以石英为主，其次为各类长石、岩屑和生矿物（石榴石、电气石、辉石、角闪石、榍石、黄玉、绿帘石、钛铁矿等），以及云母、绿泥石和黏土矿物等，不同地区的硅砂的化学成分也有很大差异。长石和云母类矿物的化学组成及其性能见表2-3。

表2-3 长石和云母类矿物的化学组成及其性能

硅砂中除二氧化硅以外的各种组分，工业上均视为杂质。铝的氧化物是硅砂中主要的杂质成分，它主要存在于长石和云母之中。图2-1a所示为SiO₂和Al₂O₃的二元系相图。从图中可以看出，硅砂中含有质量分数为5%左右的氧化铝时，其熔点由1710℃下降至1550℃；超过这一含量后，熔点又逐渐升高。硅砂中氧化铝的含量正好处在这个对硅砂熔点影响最显著的区间，因此影响尤为突出。(www.xing528.com)

图2-1 SiO₂-Al₂O₃及FeO-SiO₂二元系相图

a）SiO₂-Al₂O₃二元系 b）FeO-SiO₂二元系

铁质化合物在硅砂中也很常见，它是危害最大的杂质。铁的化合物主要以四种方式存在：第一种为含铁黏土矿物，这是在硅砂中最常见的杂质，也最容易选除，通过筛选或淘洗即可把铁除去；第二种为存在于重矿物中的铁；第三种为铁的氧化物或氢氧化物薄膜附在石英颗粒表面，这种铁较难除掉，选矿时需在水中擦洗，甚至在酸溶液中擦洗才能除去；第四种铁存在于石英内部包裹体中，数量很多，对矿石影响不甚显著。硅砂中的铁杂质一般都以Fe₂O₃的形式和含量进行计算。

对硅砂中的杂质不但要注意它的含量，而巨要重视它的存在形式，尤其是与金属液体接触后，这些杂质在高温状态下先行融化，并与各种无机黏结剂及金属液体表面的氧化铁等氧化物形成多元复杂化合物。此类化合物熔点都较低，尤其是在氧化铁超过一定的数量后（见图2-1b），不但会严重侵蚀和融化石英颗粒，而巨会增大氧化渣和金属液体渗入的通道，使铸件表面出现粘砂。二氧化硅含量高，硅砂的耐火度也较高，但砂的高温膨胀量也相应增大，而巨价格较贵，因此生产中应根据铸造合金的种类合理选择硅砂的二氧化硅含量。

3.硅砂的用途

硅质原料广泛用于冶金、化工、建材、磨料和耐火材料等行业。其中玻璃业消费量最大，铸造业次之。表2-4列出了玻璃工业中对硅质原料的技术要求。

在耐火材料工业中，硅质原料用来制作硅砖。硅砖广泛应用于冶金、玻璃、炼焦业的砌炉材料。冶金工业中用硅质原料做熔剂，制作硅铝和硅铁。化学工业中，利用其耐酸性做硫酸塔的充填物；过滤砂用于自来水过滤、磨料用砂、陶瓷釉料用砂、水泥用砂等。

表2-4 玻璃工业中对硅质原料的技术要求