資源型礦物簡介、硅灰石

1、七、硅灰石七、硅灰石東北大學礦物材料與粉體技術(shù)研究中心東北大學礦物材料與粉體技術(shù)研究中心高鵬高鵬第三章、非金屬礦物分述第三章、非金屬礦物分述7.1、硅灰石基本特征、硅灰石基本特征n硅灰石是天然產(chǎn)出的偏硅酸鈣，化學分子式為：硅灰石是天然產(chǎn)出的偏硅酸鈣，化學分子式為：CaSiO3。其中的。其中的Ca常被常被Fe、Mn、Ti、Sr離子置離子置換，形成類質(zhì)同象，故自然界中純凈的硅灰石較換，形成類質(zhì)同象，故自然界中純凈的硅灰石較為罕見。硅灰石最早是由美國人為罕見。硅灰石最早是由美國人William Hyde Wollaston于于18世紀末發(fā)現(xiàn)的，但直到世紀末發(fā)現(xiàn)的，但直到20世紀世紀50年年代末才在美

2、國開始得到商業(yè)應用，直至代末才在美國開始得到商業(yè)應用，直至70年代末年代末硅灰石才得到了廣泛的應用。硅灰石才得到了廣泛的應用。 n硅灰石的化學分子式為CaSiO3，理論化學成分CaO48.25%、SiO251.75%。自然界中純硅灰石罕見，在其形成過程中，Ca有時被Fe、Mn、Ti、Sr等離子部分置換而呈類質(zhì)同象體，并混有少量的Al和微量K、Na。7.2、硅灰石針狀粉超細粉碎與分級、硅灰石針狀粉超細粉碎與分級n高長徑比的超細硅灰石針狀粉可以取代其他的短高長徑比的超細硅灰石針狀粉可以取代其他的短纖維礦物材料纖維礦物材料(如石棉、玻璃纖維等如石棉、玻璃纖維等)及其他合成及其他合成晶體，用作功能性增

3、強材料，且由于它價格低廉晶體，用作功能性增強材料，且由于它價格低廉，在工業(yè)應用中具有極高的應用價值和巨大的潛，在工業(yè)應用中具有極高的應用價值和巨大的潛在市場，因此，高長徑比的超細硅灰石針狀粉的在市場，因此，高長徑比的超細硅灰石針狀粉的加工制備成為世界各硅灰石加工企業(yè)備受重視的加工制備成為世界各硅灰石加工企業(yè)備受重視的研究熱點。研究熱點。 n(1) 硅灰石針狀粉超細粉碎設備硅灰石針狀粉超細粉碎設備n目前，用于硅灰石針狀粉超細粉碎加工的設備主目前，用于硅灰石針狀粉超細粉碎加工的設備主要有機械沖擊式粉碎機、氣流磨、攪拌磨、雷蒙要有機械沖擊式粉碎機、氣流磨、攪拌磨、雷蒙磨、振動磨等幾種形式。磨、振動磨

4、等幾種形式。n(2) 硅灰石針狀粉分級設備硅灰石針狀粉分級設備n目前硅灰石針狀粉分級設備還主要依賴于非纖維目前硅灰石針狀粉分級設備還主要依賴于非纖維礦物超細分級設備，并且大部分是將超細粉碎與礦物超細分級設備，并且大部分是將超細粉碎與分級兩部分組合在一個設備內(nèi)，如流化床式氣流分級兩部分組合在一個設備內(nèi)，如流化床式氣流磨、立式機械沖擊式粉碎機。磨、立式機械沖擊式粉碎機。 7.3、硅灰石的化學合成、硅灰石的化學合成n硅灰石可以采用多種方法合成，主要方法如下：硅灰石可以采用多種方法合成，主要方法如下：n(1) 用板狀硅藻土和白堊人工合成用板狀硅藻土和白堊人工合成n用板狀硅藻土和白堊生產(chǎn)硅灰石工藝過程如

5、下：用板狀硅藻土和白堊生產(chǎn)硅灰石工藝過程如下：n粉碎、細磨粉碎、細磨篩分稱量篩分稱量制成泥漿制成泥漿燒成燒成n板狀硅藻土與白堊的配比根據(jù)兩者的板狀硅藻土與白堊的配比根據(jù)兩者的SiO2和和CaO含量而定含量而定，一般按硅灰石，一般按硅灰石(CaSiO3)中含中含Si和和Ca量進行計算。燒成可量進行計算。燒成可在在10m長回轉(zhuǎn)窯或長回轉(zhuǎn)窯或32m長回轉(zhuǎn)窯中進行。合成的產(chǎn)品具有長回轉(zhuǎn)窯中進行。合成的產(chǎn)品具有奶油色，內(nèi)含有奶油色，內(nèi)含有70%80%硅灰石，密度為硅灰石，密度為2.8g/cm3，耐火，耐火度為度為12401300。n(2) 用煅燒硅石灰石制取用煅燒硅石灰石制取n含硅石灰石是白色、膠結(jié)性細

6、分散礦物。可以看出它主要含硅石灰石是白色、膠結(jié)性細分散礦物?？梢钥闯鏊饕杏蠸iO2和和CaO兩種組分。在硅灰石中，兩種組分。在硅灰石中，SiO2是以低溫變態(tài)是以低溫變態(tài)方石英形式存在，一方面使部分方石英有方石英形式存在，一方面使部分方石英有“開放性開放性”的晶的晶體結(jié)構(gòu)，另一方面使方石英有好的反應能力，能加速硅灰體結(jié)構(gòu)，另一方面使方石英有好的反應能力，能加速硅灰石合成過程，因此硅灰石合成反應可在比較低的溫度下進石合成過程，因此硅灰石合成反應可在比較低的溫度下進行得完全。行得完全。n這種合成方法是在窯中這種合成方法是在窯中1150下將尺寸為下將尺寸為3050mm的塊狀的塊狀硅石灰石煅燒，并在

7、最高溫度下保溫硅石灰石煅燒，并在最高溫度下保溫1.52h而成硅灰石。而成硅灰石。n該法獲得的產(chǎn)品具有亮奶油色，它的密度為該法獲得的產(chǎn)品具有亮奶油色，它的密度為2.62.8g/cm3，耐火度，耐火度12501320。X-射線相分析表明，低溫變態(tài)射線相分析表明，低溫變態(tài)硅灰石是產(chǎn)品主要相，此外在硅灰石中還存在少量方石英硅灰石是產(chǎn)品主要相，此外在硅灰石中還存在少量方石英和硅酸二鈣。和硅酸二鈣。n (3) 用磷石膏制備硅灰石用磷石膏制備硅灰石n磷石膏是硫酸分解磷灰石和磷鈣土制備磷酸所產(chǎn)生的廢料磷石膏是硫酸分解磷灰石和磷鈣土制備磷酸所產(chǎn)生的廢料。在磷石膏中。在磷石膏中CaSO42H2O大約有大約有95%

8、96%.磷石膏是一磷石膏是一種對環(huán)境有嚴重污染的廢渣，利用它制備硅灰石具有很大種對環(huán)境有嚴重污染的廢渣，利用它制備硅灰石具有很大的現(xiàn)實意義。的現(xiàn)實意義。n合成方法是將磷石膏與石英粉和煤粉合成方法是將磷石膏與石英粉和煤粉(配料比為：配料比為：CaO:SiO2:C2:2:1)在旋轉(zhuǎn)爐中在旋轉(zhuǎn)爐中1200左右溫度下進行煅左右溫度下進行煅燒，使它轉(zhuǎn)變?yōu)楣杌沂?。該工藝獲得的硅灰石顆粒粒度為燒，使它轉(zhuǎn)變?yōu)楣杌沂?。該工藝獲得的硅灰石顆粒粒度為30mm以下，硅灰石顏色為米黃色到深黃色。以下，硅灰石顏色為米黃色到深黃色。2CaSO4C2CaO+2SO2+CO27.4、硅灰石的應用、硅灰石的應用n硅灰石產(chǎn)品可分為

9、硅灰石產(chǎn)品可分為高長徑比高長徑比硅灰石（硅灰石（10:1）和）和磨細硅灰石磨細硅灰石兩大類。兩大類。n高長徑比硅灰石高長徑比硅灰石主要利用其針狀物理機械性能，廣泛用于主要利用其針狀物理機械性能，廣泛用于塑料、橡膠、石棉代用品、油漆涂料等領(lǐng)域，可增加制品塑料、橡膠、石棉代用品、油漆涂料等領(lǐng)域，可增加制品硬度、抗彎強度、抗沖擊性，改善材料的電學特性，提高硬度、抗彎強度、抗沖擊性，改善材料的電學特性，提高熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。n磨細硅灰石主要用于陶瓷和冶金工業(yè)，硅灰石中的磨細硅灰石主要用于陶瓷和冶金工業(yè)，硅灰石中的SiO2 CaO成分提供了低的膨脹率和良好的抗熱震性。成分提供了

10、低的膨脹率和良好的抗熱震性。n(1) 作陶瓷原料作陶瓷原料n硅灰石可用于制備各種電瓷、建筑用瓷和日用陶瓷，占世硅灰石可用于制備各種電瓷、建筑用瓷和日用陶瓷，占世界硅灰石總消費量的界硅灰石總消費量的40%45%。n硅灰石可致密陶瓷結(jié)構(gòu)，提高機械強度，降低濕膨脹系數(shù)硅灰石可致密陶瓷結(jié)構(gòu)，提高機械強度，降低濕膨脹系數(shù)，提高坯體強度和壓型質(zhì)量，降低燒成溫度，縮短燒成周，提高坯體強度和壓型質(zhì)量，降低燒成溫度，縮短燒成周期，達到節(jié)能增效的目的。在制釉工業(yè)中，硅灰石可提高期，達到節(jié)能增效的目的。在制釉工業(yè)中，硅灰石可提高釉的白度，改善流動性能，減少制品的疵點。釉的白度，改善流動性能，減少制品的疵點。n硅灰石

11、可提高坯體的抗熱沖擊性能且固相反應生成鈣長石硅灰石可提高坯體的抗熱沖擊性能且固相反應生成鈣長石(熔點熔點1550)，可實現(xiàn)低溫快速燒結(jié)。，可實現(xiàn)低溫快速燒結(jié)。n硅灰石鏈增強了玻璃相微粒之間的聯(lián)結(jié)，使制品硅灰石鏈增強了玻璃相微粒之間的聯(lián)結(jié)，使制品能承受切鋸、鉆孔等特殊機械加工，而且它還提能承受切鋸、鉆孔等特殊機械加工，而且它還提供了一種低損耗絕緣結(jié)晶相，可用作電工陶瓷、供了一種低損耗絕緣結(jié)晶相，可用作電工陶瓷、電子陶瓷。電子陶瓷。n高純度硅灰石粉用于陶瓷、搪瓷等釉料中高純度硅灰石粉用于陶瓷、搪瓷等釉料中，天然，天然低鐵、高白度、穩(wěn)定的化學性能，能提高坯釉結(jié)低鐵、高白度、穩(wěn)定的化學性能，能提高坯釉

12、結(jié)合能力，具有良好的熔融性能，低溫快速燒成，合能力，具有良好的熔融性能，低溫快速燒成，越來越受到陶瓷界專家的重視，可以大幅度降低越來越受到陶瓷界專家的重視，可以大幅度降低釉料的成本。釉料的成本。（1）用于生釉中：）用于生釉中：A級產(chǎn)品在生釉中應用，要求粒級產(chǎn)品在生釉中應用，要求粒度度10m以下，以下，d50為為5m，低燒失量，低鐵，用，低燒失量，低鐵，用量在增大。量在增大。（2）用于熔塊釉中，要求穩(wěn)定的指標，低）用于熔塊釉中，要求穩(wěn)定的指標，低Fe2O3為為重要指標，其他決定于熔塊中其他原料的質(zhì)量，重要指標，其他決定于熔塊中其他原料的質(zhì)量，推薦推薦B級指標。級指標。（1）用于生釉中：）用于生釉

13、中：A級產(chǎn)品在生釉中應用，要求粒級產(chǎn)品在生釉中應用，要求粒度度10m以下，以下，d50為為5m，低燒失量，低鐵，用，低燒失量，低鐵，用量在增大。量在增大。（2）用于熔塊釉中，要求穩(wěn)定的指標，低）用于熔塊釉中，要求穩(wěn)定的指標，低Fe2O3為為重要指標，其他決定于熔塊中其他原料的質(zhì)量，重要指標，其他決定于熔塊中其他原料的質(zhì)量，推薦推薦B級指標。級指標。（1）高檔瓷磚坯體以及衛(wèi)生潔具胎體）高檔瓷磚坯體以及衛(wèi)生潔具胎體n中國傳統(tǒng)的白坯體內(nèi)墻磚以及衛(wèi)生潔具，加入中國傳統(tǒng)的白坯體內(nèi)墻磚以及衛(wèi)生潔具，加入10%40%的的A級坯體級硅灰石，可以提高坯體強度，提高成品率，級坯體級硅灰石，可以提高坯體強度，提高成

14、品率，尤其是低溫快速燒成。尤其是低溫快速燒成。（2）墻地磚坯體）墻地磚坯體n這是中國新開發(fā)的一種用途，將含量較低的硅灰石（這是中國新開發(fā)的一種用途，將含量較低的硅灰石（B級級）加工成）加工成200目粉或目粉或0 10mm小顆粒用于墻地磚坯體中同小顆粒用于墻地磚坯體中同樣達到提高坯體強度節(jié)約能源的效果，由于這種產(chǎn)品價格樣達到提高坯體強度節(jié)約能源的效果，由于這種產(chǎn)品價格低廉，在中國得到迅速地推廣應用。低廉，在中國得到迅速地推廣應用。n(2) 替代玻纖作塑料的增強填料替代玻纖作塑料的增強填料n填料用硅灰石是其最有潛力、附加值最高、增長最快的應填料用硅灰石是其最有潛力、附加值最高、增長最快的應用領(lǐng)域。

15、目前，該領(lǐng)域占硅灰石世界總消費量的用領(lǐng)域。目前，該領(lǐng)域占硅灰石世界總消費量的25%左右左右。硅灰石可取代或部分取代玻纖作聚合物復合材料的增強。硅灰石可取代或部分取代玻纖作聚合物復合材料的增強體，提高材料性能，降低成本，起增量和增強的雙重作用體，提高材料性能，降低成本，起增量和增強的雙重作用。n目前硅灰石應用研究重點是硅灰石填充復合材料在電子元目前硅灰石應用研究重點是硅灰石填充復合材料在電子元件、封裝材料、高性能橡塑制品、汽車殼體、模具以及光件、封裝材料、高性能橡塑制品、汽車殼體、模具以及光盤材料等領(lǐng)域中的應用。盤材料等領(lǐng)域中的應用。n鈦白粉是一種價格昂貴的化工原料，用高純度硅灰石在淺鈦白粉是一

16、種價格昂貴的化工原料，用高純度硅灰石在淺色橡膠制品中替代色橡膠制品中替代30%40%的銳鈦形鈦白粉，價格僅為的銳鈦形鈦白粉，價格僅為鈦白粉的鈦白粉的1/10。n針狀硅灰石粉，經(jīng)表面改性后，用于汽車輪胎胎側(cè)，具有針狀硅灰石粉，經(jīng)表面改性后，用于汽車輪胎胎側(cè)，具有良好的親和性和高度的分散性，提高輪胎的力學強度，改良好的親和性和高度的分散性，提高輪胎的力學強度，改進耐老化、抗疲勞性，并改善煉膠混壓工藝性能，不需改進耐老化、抗疲勞性，并改善煉膠混壓工藝性能，不需改變工藝即可替代一部分天然橡膠用量。變工藝即可替代一部分天然橡膠用量。n(3) 作石棉代用品作石棉代用品n硅灰石具有針狀特性及低熱膨脹性、優(yōu)良

17、的抗熱沖擊性，硅灰石具有針狀特性及低熱膨脹性、優(yōu)良的抗熱沖擊性，是短纖維石棉的理想替代材料。作石棉替代品用硅灰石占是短纖維石棉的理想替代材料。作石棉替代品用硅灰石占世界硅灰石總消費量的世界硅灰石總消費量的20%25%。高摩擦系數(shù)硅灰石替。高摩擦系數(shù)硅灰石替代石棉制備的摩擦材料主要應用在剎車片、閥塞、汽車離代石棉制備的摩擦材料主要應用在剎車片、閥塞、汽車離合器等領(lǐng)域。合器等領(lǐng)域。n研究表明，硅灰石針狀粉部分取代石棉的制動剎車片的綜研究表明，硅灰石針狀粉部分取代石棉的制動剎車片的綜合性能良好，其摩擦系數(shù)在合性能良好，其摩擦系數(shù)在300以下比較穩(wěn)定，衰退不以下比較穩(wěn)定，衰退不明顯，恢復性好，磨耗量低

18、，沖擊強度有所降低但高于國明顯，恢復性好，磨耗量低，沖擊強度有所降低但高于國家標準。家標準。n高強無收縮水泥、硅灰石防火材料、熱硬性粘結(jié)復合材料高強無收縮水泥、硅灰石防火材料、熱硬性粘結(jié)復合材料、耐火金屬或礦物表面涂層用無機復合材料等均有文獻報、耐火金屬或礦物表面涂層用無機復合材料等均有文獻報道。道。n(4) 作油漆涂料填料作油漆涂料填料n硅灰石作油漆涂料的填料，可改進產(chǎn)品的物化性能、持久硅灰石作油漆涂料的填料，可改進產(chǎn)品的物化性能、持久性和耐候性，減少油漆的斷裂、老化。目前，硅灰石在該性和耐候性，減少油漆的斷裂、老化。目前，硅灰石在該領(lǐng)域的消耗量尚小，僅占總消耗量的領(lǐng)域的消耗量尚小，僅占總消

19、耗量的5%。n高純度硅灰石，作為無機白色體質(zhì)顏料，被廣泛應用在涂高純度硅灰石，作為無機白色體質(zhì)顏料，被廣泛應用在涂料中，可以替代昂貴的鈦白粉料中，可以替代昂貴的鈦白粉40%50%，硅灰石粉替代，硅灰石粉替代鈦白粉生產(chǎn)油漆涂料不僅可以改善制品色澤，提高油漆的鈦白粉生產(chǎn)油漆涂料不僅可以改善制品色澤，提高油漆的光整度，增強涂料的抗張能力、減少裂紋，而且還可以減光整度，增強涂料的抗張能力、減少裂紋，而且還可以減少吸油量，增強抗腐能力。少吸油量，增強抗腐能力。 n(5) 冶金助劑冶金助劑n硅灰石具有低溫助熔特性，廣泛用于冶金工業(yè)。尤其在連硅灰石具有低溫助熔特性，廣泛用于冶金工業(yè)。尤其在連鑄方面。世界上每

20、年有鑄方面。世界上每年有12%15%的硅灰石消耗在該領(lǐng)域的硅灰石消耗在該領(lǐng)域。硅灰石用作冶金保護渣基料，具有減少配料種類、熱穩(wěn)。硅灰石用作冶金保護渣基料，具有減少配料種類、熱穩(wěn)定好、化學成分穩(wěn)定、鑄件表面光潔、低定好、化學成分穩(wěn)定、鑄件表面光潔、低Al2O3、低碳等、低碳等優(yōu)點。優(yōu)點。n模鑄對保護渣的基本要求是低密度、低熔點、模鑄對保護渣的基本要求是低密度、低熔點、CaO/SiO2比小于比小于1、適當?shù)娜刍俣群洼^好的鋪展性。天然產(chǎn)出的、適當?shù)娜刍俣群洼^好的鋪展性。天然產(chǎn)出的硅灰石熔點相對較高、密度較大且硅灰石熔點相對較高、密度較大且CaO/SiO2比為比為1，不能，不能很好地滿足保護渣的基

21、本要求，但通過添加助劑很好地滿足保護渣的基本要求，但通過添加助劑(螢石、螢石、堿粉、水玻璃堿粉、水玻璃)、密度小的配料、密度小的配料(膨脹珍珠巖、蛭石、石墨膨脹珍珠巖、蛭石、石墨)和含和含SiO2豐富的電廠灰即可達到要求。豐富的電廠灰即可達到要求。n(6) 建材建材n纖維狀、針狀硅灰石塊經(jīng)過特殊的加工，得到高長徑比針纖維狀、針狀硅灰石塊經(jīng)過特殊的加工，得到高長徑比針狀硅灰石粉，無毒無害，可以部分替代石棉、玻璃纖維、狀硅灰石粉，無毒無害，可以部分替代石棉、玻璃纖維、紙漿，且價格較底。紙漿，且價格較底。n（1） 高長徑比高長徑比L/d 30：1，用于特殊陶瓷，橡膠補強，用于特殊陶瓷，橡膠補強劑、防

22、火板等；劑、防火板等；n（2） L/d = 20 30：1，用于防火板，無石棉摩擦材料，用于防火板，無石棉摩擦材料、水泥纖維制品等；、水泥纖維制品等；n（3） L/d = 10 - 20：1，用于水泥纖維制品、橡塑制品，用于水泥纖維制品、橡塑制品中。中。n(7) 其他其他n1）作為造紙?zhí)盍希蛔鳛槔w維使用，替代）作為造紙?zhí)盍?；作為纖維使用，替代30%的木的木質(zhì)纖維，代木造紙，有利于保護森林，降低治理質(zhì)纖維，代木造紙，有利于保護森林，降低治理造紙污染的難度，提高纖維類礦物的效益。造紙污染的難度，提高纖維類礦物的效益。n2）硅灰石電焊條藥皮能有效地抑制焊接時放電，）硅灰石電焊條藥皮能有效地抑制焊接時放電，提高熔體流動性，使焊縫整潔美觀，增強機械強提高熔體流動性，使焊縫整潔美觀，增強機械強度。度。n3）硅肥、白炭黑等）硅肥、白炭黑等7.6我國硅灰石加工與應用企業(yè)與國