硅石矿产资源特征及其物化及工艺性能特征
一、矿产名称 硅石 sieica
二、矿床类型及其分布
硅石是硅质原料的统称,有石英砂岩、石英岩、脉石英、交代硅质角岩和石英砂等。
我国硅质原料矿床主要类型及矿床实例,见表1。
我国硅质原料矿产矿石化学成分,见表2、表3、表4、表5。矿物组成见表6、表7。
表1 硅质原料矿床类型及矿床实例
矿床类型 |
主要矿石类型 |
矿 石 特 征 |
成矿时代 |
矿床实例 |
沉积——变质矿床 |
石英岩 |
矿石呈乳白色,致密坚硬,块状,油脂光泽,半透明,性脆,粒状构造。矿石成分简单,石英占96~98%,胶结物为硅质;矿石的化学成分:SiO2>98%,Al2O3<1%,Fe2O3<0.1 |
元古代 |
辽宁庄河石英岩矿床、安徽凤阳石英岩矿床等 |
海相沉积矿床 |
石英砂岩、石英岩、石英砂 |
矿石为白或灰白中细粒石英砂岩、石英岩或石英砂。颗粒多在0.2~0.4mm间。化学成分:SiO2>97%,Al2O30.32~0.60%,Fe2O3<0.1。石英砂的成分变化复杂 |
震旦纪、泥盆纪、第四纪 |
昆明白眉村震旦系石英砂岩矿床、河北滦县雷庄震旦系石英砂岩矿床、苏州清明山泥盆系石英砂岩矿床等 |
陆相沉积矿床 |
泥质石英砂岩、泥质石英砂、石英砂等 |
矿石成分复杂,都含少量长石,胶结物多为泥质,含铁较高,矿石结构松散,有害杂质多 |
中生代、新生代
(第三纪、第四纪) |
江苏宿迁白马涧第三系石英砂岩矿床、内蒙古通辽甘旗卡第四系石英砂矿等 |
脉石英——伟晶岩型矿床 |
脉石英、
硅质岩 |
矿石成分单一,SiO2含量一般在99%以上,矿床规模一般不大,产状陡 |
太古代、中生代 |
湖北蕲春灵虬山脉石英矿床、新疆尾亚白山伟晶岩型脉石英矿床等 |
表2 海相沉积石英岩、石英砂岩矿石化学成分
矿区名称 |
成 矿
时 代 |
矿石类型 |
化 学 成 分 % |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
Cao |
MgO |
TiO2 |
Cr2O2 |
K2O |
Na2O |
FeO |
辽宁本溪
小平顶山 |
震旦纪 |
石英砂岩
石英岩 |
99.45 |
0.56 |
0.063 |
0.03~0.05 |
0.06 |
0.03 |
<2ppm |
0.09 |
0.10 |
0.014 |
辽宁凌源
魏 杖 子 |
震旦纪 |
石 英
(砂)岩 |
97.58 |
0.97 |
0.077 |
|
|
|
|
|
|
|
(续表2)
矿区名称 |
成 矿
时 代 |
矿石类型 |
化 学 成 分 % |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
Cao |
MgO |
TiO2 |
Cr2O2 |
K2O |
Na2O |
FeO |
河北滦县
雷 庄 |
震旦纪 |
石 英
(砂)岩 |
98.63 |
0.65 |
0.098 |
|
|
|
|
|
|
|
河南洛阳
方 山 |
震旦纪 |
石 英
(砂)岩 |
97.52 |
1.32 |
0.12 |
|
|
|
|
|
|
|
青海大道
窑 沟 |
震旦纪 |
石 英 岩 |
99.05 |
0.41 |
0.139 |
<0.07 |
0.02~0.08 |
0.02∽0.08 |
0.00 |
<0.01 |
<0.01 |
|
云南昆明
白 眉 村 |
震旦纪 |
石英砂岩 |
97.87 |
<1 |
0.171 |
0.03~0.20 |
0.10~0.20 |
|
|
|
|
|
山东沂南
蛮 山 |
寒武纪 |
石英砂岩 |
98.42 |
0.84 |
0.09 |
0.14 |
0.17 |
0.052 |
8ppm |
0.18 |
0.07 |
|
江苏苏州
清 明 山 |
泥盆纪 |
石英砂岩 |
98.30 |
0.86 |
0.16 |
|
|
0.049 |
微量 |
|
|
|
贵州凯里
万 潮 |
泥盆纪 |
石英砂岩 |
98.03 |
1.04 |
0.08 |
|
|
0.89 |
0.001 |
|
|
|
湖 北
大 军 山 |
泥盆纪 |
石英砂岩 |
98.03 |
0.60 |
0.24 |
|
|
0.08 |
|
|
|
|
湖南湘潭
雷 子 排 |
泥盆纪 |
石英砂岩 |
97.43 |
0.97 |
0.20 |
|
|
|
|
|
|
|
陕西汉中
老 鹰 岩 |
泥盆纪 |
石 英 岩 |
98.76 |
0.50 |
0.07 |
|
|
0.07 |
微量 |
|
|
|
淅江长兴
范 湾 |
泥盆纪 |
石英砂岩 |
97.46 |
1.32 |
0.14 |
0.09 |
0.04 |
0.14 |
~ |
0.17 |
0.13 |
~ |
表3 伟晶岩、脉石英、变质石英矿床矿石化学成分
矿区名称 |
成 矿
时 代 |
矿石类型 |
化 学 成 分 % |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
Cao |
MgO |
TiO2 |
Cr2O2 |
K2O |
Na2O |
SO3 |
湖北靳春
灵 虬 山 |
太古代 |
脉 石 英 |
99.00 |
0.25 |
0.02 |
0.08 |
0.02 |
<10ppm |
<4ppm |
0.11 |
0.07 |
30ppm |
四川峨边
全 河 |
前寒
武纪 |
变 质
石 英 岩 |
98.06 |
0.14 |
0.19 |
0.50 |
0.07 |
0.05 |
5ppm |
0.03 |
30ppm |
新疆哈密
尾 亚 |
|
伟晶岩型
石英块体 |
97.41~98.60 |
0.67~1.24 |
0.11 |
0.26 |
0.11 |
0.002 |
<0.002 |
<0.49 |
<0.02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
表4 海相石英砂化学组分
矿 区 |
化 学 组 成 % |
Sio2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO2 |
Cr2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
海南东方 |
97.40 |
0.88 |
0.11 |
0.08 |
~ |
|
|
0.14~0.61 |
0.31~0.48 |
海南儋县 |
98.63 |
0.30 |
0.14 |
0.11 |
<10ppm |
0.06 |
0.03 |
0.03 |
0.11 |
广东新会 |
97.79 |
0.89 |
0.12 |
0.06 |
|
|
|
|
|
(续表4)
矿 区 |
化 学 组 成 % |
Sio2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO2 |
Cr2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
广东碧里 |
96.60 |
0.88 |
0.05 |
0.06 |
|
|
0.30 |
|
0.79 |
广东湛江 |
98.84 |
|
0.10 |
|
4ppm |
0.09 |
0.27 |
0.06 |
0.02 |
广东湛江 |
97.42 |
0.69 |
0.12 |
|
|
0.20~0.25 |
0.33 |
0.05 |
<0.02 |
广西北海 |
98.44 |
0.29 |
0.12 |
0.09 |
3ppm |
|
|
|
|
福建东山 |
97.44 |
1.32 |
0.15 |
0.07 |
|
0.02 |
0.05 |
0.57 |
0.06 |
山东旭口 |
93.50 |
3.40 |
0.15 |
0.05 |
0.68 |
0.20 |
0.03 |
2.30 |
|
表5 陆相石英砂化学组分(%)
矿 区 |
化 学 组 成 % |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
Mgo |
TiO2 |
Cr2O3 |
K2O |
Na2O |
江西永修松峰湖砂 |
93.77 |
3.05 |
0.16 |
0.09 |
0.05 |
0.11 |
微量 |
1.54 |
~ |
甘肃兰州河湾河砂 |
89 |
4.2 |
0.54 |
|
|
|
|
|
|
江苏宿迁白马涧第三纪河成砂 |
83.35 |
9.29 |
1.03 |
0.59 |
0.36 |
0.07 |
微量 |
2.69 |
1.48 |
内蒙古四道泉河成石英砂 |
90.27 |
3.53 |
0.44 |
0.97 |
0.75 |
0.11 |
0.015 |
1.30 |
0.37 |
吉林郑家屯湖成砂 |
90.04 |
4.52 |
0.33 |
0.12~0.53 |
0.08~0.42 |
<0.43 |
微量 |
1.66~2.44 |
0.74~1.00 |
内蒙古通辽甘旗卡湖成砂 |
90.00 |
5.16 |
0.31 |
|
|
|
|
2.38 |
1.03 |
辽宁彰武章午台湖成砂 |
89.70 |
5.19 |
0.34 |
0.22 |
0.11 |
0.08 |
微量 |
2.30 |
1.03 |
表6 我国海相石英砂矿的矿物组成
矿 区 |
矿 物 组 成 |
石英,% |
长石 ,% |
重矿物及黑色矿物 |
海南东方 |
>96 |
少量 |
微量钛铁矿、锆英石、电气石、白钛矿、锐钛矿、独居石、磷钇矿、赤铁矿、红柱石 |
广东湛江乾塘 |
>98 |
未见 |
电气石、钛铁矿、锐铁矿、白钛矿、独居石、锆石、金红石、黄玉、蓝晶石、黄钛矿 |
广东阳江溪头 |
96.75 |
未见 |
电气石、钛铁矿、锐铁矿、白钛矿、独居石、金红石、磷钇矿、锆石 |
广西北海 |
>95 |
未见 |
钛铁矿、锆石、绿帘石、锡石、磁铁矿、锐钛矿 |
福建东山 |
97.70 |
2 |
钛铁矿、角闪石、电气石、白钛矿、磁铁矿、柘榴石、白云石、黑云母 |
山东旭日 |
87.62 |
9.73 |
角闪石、绿帘石、石榴石、电气石、锆石、金红石、黄玉、云母、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铬尖晶石 |
表7 我国陆相石英砂矿的矿物组成
矿 区 |
矿 物 组 成 |
石英,% |
长石,% |
岩眉,% |
重矿物或黑色矿物 |
江西永修松峰 |
92 |
5 |
2 |
电气石、透闪石、石榴石、褐铁矿、云母 |
内蒙古通辽衙门营 |
69.19~75.95 |
16.86~23 |
6.60~7.63 |
石榴石、绿帘石、角闪石、黑云母、白云母、电气石、绿泥石、辉石 |
吉林郑家屯 |
88.86~92.19 |
2.77~4.09 |
4.33~5.99 |
石榴石、绿帘石、角闪石、电气石、钛铁矿、云母、锆石等 |
甘肃兰州河湾河砂 |
96~98 |
1~4 |
|
方解石、褐铁矿、赤铁矿、黑云母、电气石、锆石 |
江苏宿迁白马涧 |
70~90 |
10~25 |
|
绿泥石、云母、金红石、赤铁矿、电气石、锆石 |
三、矿床的主要工业指标
矿床的主要工业指标见表8。
表8 硅石矿一般参考工业指标
矿 石 品 级 |
化学成分,% |
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
其 他 |
硅砖用硅石 |
特 |
≥98 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
耐火度1750℃ |
Ⅰ |
≥97.5 |
≤1.0 |
≤1.0 |
≤0.5 |
耐火度1730℃ |
Ⅱ |
≥96 |
≤1.5 |
≤1.5 |
≤1.0 |
耐火度1710℃ |
硅铁用硅石 |
Ⅰ |
≥97.5 |
≤1.0 |
|
≤0.3 |
P2O5≤0.02 |
Ⅱ |
≥96 |
≤1.5 |
|
≤1.0 |
P2O5≤0.03 |
熔剂用硅石 |
≥90~95 |
≤2~5 |
≤1~3 |
≤3.0 |
|
硅铝用硅石 |
≥98.5 |
≤0.5 |
|
|
|
结晶硅用硅石 |
≥98~99 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
P2O5≤0.03 |
石英玻璃用硅石 |
≥99.95 |
极微 |
极微 |
极微 |
P2O5极微 |
玻璃原料
用 硅 石 |
一类玻璃要求 |
>99 |
≤0.5 |
≤0.05 |
|
Cr2O3<0.001,
TiO2<0.05 |
二类玻璃要求 |
>98 |
<1 |
<0.1 |
|
三类玻璃要求 |
>96 |
<2 |
<0.2 |
|
建筑卫生、日用陶瓷用硅石 |
>98.5 |
|
|
|
Fe2O3+TiO2<0.5 |
无线电、陶瓷
用 硅 石 |
Ⅰ |
>99.5 |
<0.2 |
<0.01 |
<0.1 |
K2O+Na2O<0.1,
MgO<0.1,烧矢量0.2 |
Ⅱ |
>98.5 |
<1.0 |
<0.05 |
<0.1 |
K2O+Na2O<0.2,
MgO<0.1,烧矢量0.2 |
电瓷用硅石 |
|
>98.5 |
|
<0.15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
注:可采厚度2m,夹石厚度1~2m。玻璃硅质原料要求可采厚度≥2m,夹石剔除厚度>0.5~1m,平均剥采比≤0.5;储量计算最低开采标高的底盘宽度不小于40m;边坡角50°~55°(边坡高度>100mm),55°~60°(边坡高度<100m);爆破安全距离一般不小于400m。石英矿床最低可采最度0.5~1m,夹石剔除厚度>0.5m,平均剥采比<1,边坡角30°。
四、矿石性质
硅石是硅质原料的统称,有石英砂岩、石英岩、脉石英、交代硅质角岩和石英砂等。矿物成分主要为石英(晶质SiO2)和玉髓(隐晶质SiO2)。为块状或粒状集合体,三方晶系,六方柱晶形。无色、灰褐、黑、紫、绿、粉红色。晶面玻璃光泽,断口油脂光泽,贝壳状断口。化学分子式为SiO2,有少量的Fe2O3、Al2O3、CaO、P2O5、MgO和有机物。纯质的脉石英和石英岩其SiO2含量可达98~99%,石英砂岩为95~97%。
硅石质地坚硬,莫氏硬度7,密度2.65g/cm3,有极佳的耐火性和耐酸性,熔点1730℃,熔融体冷却后变为石英玻璃,结晶体石英为水晶,具有透过紫外线光能力及压电性。
硅石可分为下列几种矿石:
1.石英砂岩:是石英与其他矿物颗粒被某种胶结物胶结起来的沉积岩。其特点是80%以上的碎屑都是石英和硅质碎屑,此外还有长石、燧石、高岭土、白云母杂于其中。颗粒呈浑圆状,表面光滑、干净,多为中——细状。胶结物常为硅质,有时常见钙质、铁质、泥质、锰质,其中以硅质胶结质量最好,胶结物常为蛋白玉及玉髓。矿石一般呈白、灰白、浅红、浅黄色,硬度大,断面粗糙,透水性好。
2.石英岩:由石英砂岩受热变质重结晶作用而成。通常结晶颗粒间的胶结物已消失,矿物组成为石英,常含绿泥石、黑云母、白云母、硅线石、辉石、角闪石、绿帘石、石榴石、方解石、石墨及含铁矿物等。外表呈白色至灰白色。致密块状,其硬度及强度均很大。
3.硅质角砾岩:是硅质交代的一种岩石,矿石致密,呈细粒状,具有贝壳状断口,颜色多为灰色及黑色。
4.脉石英:矿物成分为石英,含少量长石、云母及其它矿物,致密块状,质纯呈白色,半透明,油脂光泽,贝壳状断口,结晶颗粒很大,SiO2含量高,加热时不易转化且发生分裂而松散。
5.石英砂:是比较纯的砂,呈白色或灰白色,带杂质时则呈浅红、浅褐黄或土色。砂粒是各种硅质岩石的碎粒。
6.石英粉矿:是SiO2含量高达98%以上的天然高硅原料。
五、工艺特性及用途
1.工艺特性
决定硅石工业应用价值的工艺特性在于:硅石质地坚硬,莫氏硬度为7,有极佳的耐火性和耐酸性,熔点1730℃,熔体冷却后变为石英玻璃,结晶体为水晶,具有透过紫外线光能力及压电性。
2.主要用途
(1)冶金工业:主要用于制造耐火材料——硅砖,冶炼硅质合金(硅铁、硅锰、硅铬)和作熔剂。质纯的可制结晶硅。结晶硅是生产单晶硅的主要原料,又可制硅铝和有机硅。
(2)玻璃工业:硅石是制造玻璃的主要原料。硅石可作普通及光学玻璃,质纯者可熔炼成优质技术玻璃。耐火砖可作玻璃熔窑的窑衬。
(3)建筑工业:可作重要的建筑基石。碎石可作道路充填石及铁路道砟。砂与沥青混合可铺路,石英还可作硅酸盐水泥的校正材料。
(4)化学工业:硅石可制作各种硅化物和硅酸盐及硝酸盐,质佳者可作耐酸性的硫酸塔中的充填物。
(5)研磨业:石英岩和石英砂岩可制作磨石、油石、砂纸及碳酸硅等研磨材料;石英砂也多用来锯石料、磨光玻璃、磨金属制品及石器制品的表面,石英也用于琢磨珠宝。
(6)其它工业:可作搪瓷和陶瓷原料。质纯者广泛用于无线电工业、超声波技术及现代国防和尖端技术,纯的石英岩具有旋光性和透过紫外线性能,可制造各种光学仪器和医疗用的石英灯等,也是制造金刚砂(碳化硅)的基本原料。细石英砂可作过滤用。
六、产品质量标准
1.玻璃工业对硅质原料的要求
普通玻璃是由包括石英砂、石英砂岩、石英岩、脉石英或其他含SiO2高的矿物与岩石和长石、白云石、石灰石、芒硝以及纯碱等原料,在高温下熔融成透明的玻璃液而制成的。由于生产方法和玻璃的用途不同,各国生产的玻璃成分有少量波动,如表9。
玻璃品种虽然很多,但成分大同小异。二氧化硅为其主要成分,其次有三氧化二铝、氧化镁、氧化钙和碱金属氧化物。在生产过程中从各种原料中带入的少量杂质,如氧化铁、氧化钛等是有害组分。
二氧化硅SiO2是玻璃的主要组分,是玻璃的骨髓。玻璃的一系列优良性能,如透明度、机械强度、热稳定性、化学稳定性等均来自二氧化硅,它在一般玻璃中含量达到70%以上。
我国根据工业部门的要求,结合本国矿产资源的实际情况,对硅质原料的一般要求列入表10至表11。
石英砂粒度对制造玻璃的影响很大。一般认为砂的粒度为0.1~0.5mm最适宜。对石英砂粒度的要求,目前我国尚无统一标准,表12是一些国家对玻璃用石英砂的粒度要求。
表9 各国平板玻璃主要成分
国家与玻璃品种 |
化 学 组 分, % |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Na2R |
K2O |
SO2 |
美国普通窗玻璃 |
72.00 |
1.30 |
— |
8.20 |
3.50 |
14.00 |
0.30 |
0.30 |
美国抛光平板玻璃 |
71.60 |
1.00 |
— |
9.80 |
4.30 |
13.30 |
— |
0.20 |
美国吸热玻璃 |
70.70 |
4.30 |
0.80 |
9.40 |
3.70 |
9.80 |
0.70 |
— |
英国浮法玻璃 |
72.50 |
1.00 |
0.10 |
8.90 |
3.10 |
13.30 |
0.50 |
— |
原联邦德国 |
72.00 |
0.30 |
0.05 |
13.70 |
— |
13.30 |
— |
0.60 |
日 本 |
72.50 |
1.60 |
0.09 |
7.70 |
4.00 |
14.00 |
— |
— |
原苏联 |
72.80 |
1.00 |
— |
8.70 |
3.60 |
13.40 |
— |
0.50 |
法 国 |
73.00 |
0.10 |
0.10 |
8.90 |
3.90 |
13.60 |
0.05 |
0.30 |
捷克斯洛伐克 |
72.40 |
0.97 |
0.07 |
8.20 |
3.60 |
0.25 |
14.20 |
0.30 |
西班牙 |
71.78 |
0.84 |
0.11 |
9.14 |
3.49 |
14.07 |
0.08 |
0.32 |
中 国* |
72.07 |
2.33 |
0.19 |
6.53 |
3.78 |
14.51 |
14.51 |
0.28 |
为17个大、中型平板玻璃厂的平均值。
表10 中国特种玻璃和工业技术玻璃及平板玻璃用硅质原料的化学成分
矿石品级 |
化 学 成 分, % |
说 明 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO2 |
Cr2O3 |
1 |
>99 |
<0.5 |
<0.05 |
<0.05 |
10ppm |
用于制造特种玻璃 |
2 |
>98 |
<1.0 |
<0.1 |
— |
— |
用于制造工业技术玻璃 |
3 |
>96 |
<2.0 |
<0.20 |
— |
— |
用于制造一般平板玻璃 |
4 |
>89 |
<6.0 |
<0.35 |
— |
— |
与商品级矿石掺合达到3级品以上质量要求时,方可适用 |
表11 中国器皿玻璃用硅质原料的化学成分要求
矿石品级 |
化 学 成 分, % |
说 明 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
Cr2O3 |
1
2
3 |
>99
>96
>90 |
<1.0
<2.0
<4.0 |
<0.05
<0.10
<0.35 |
<10ppm
—
— |
仪器器皿玻璃(不包括晶质玻璃)用
一般器皿玻璃和无色玻璃用
一般瓶罐玻璃用 |
表12 中国各主要玻璃厂对硅质原料质量要求
玻璃厂名称 |
所用硅质原料矿区名称 |
质 量 要 求 |
品级 |
SiO2 % |
Al2O3 % |
Fe2O3 % |
粒度 mm |
秦皇岛玻璃厂 |
河北省雷庄甲山石英砂岩矿 |
|
97 |
0.20 |
0.80 |
0.1~0.75 |
上海耀华玻璃厂 |
江苏省苏州市胥口清明山石英砂岩矿 |
一级
二级 |
>98
>96 |
<1
<2 |
<0.1
<0.1 |
0.1~0.75
0.1~0.75 |
洛阳玻璃厂 |
河南省渑池县方山石英砂岩矿 |
特级
一级
二级 |
>98
>97
>96 |
<0.5
<1.0
<1.2 |
<0.5
<1.0
<1.5 |
0.1~0.75
0.1~0.75
0.1~0.75 |
杭州玻璃厂 |
浙江省长兴县范湾石英砂岩矿 |
|
>96 |
<2 |
<0.2 |
0.1~0.75 |
昆明玻璃厂 |
云南省昆明市白眉村石英砂岩矿 |
|
99.10 |
0.33 |
0.08 |
0.1~0.75 |
内蒙古通辽玻璃厂 |
内蒙古自治区哲盟科尔沁左翼后旗甘旗卡硅砂矿 |
|
92 |
1.8~5.8 |
<0.35 |
<0.6 |
沈阳玻璃厂 |
内蒙古自治区衙门口营硅砂矿 |
|
89 |
<5.5 |
<0.4 |
0.1~0.75占85% |
表13 一些国家对玻璃用石英砂的粒度要求
国 家 |
大粒度砂要求 |
小粒度砂要求 |
原苏联 |
>0.5mm <5% |
<0.1mm <8% |
美 国 |
>0.59mm 不允许有 |
<0.1mm <15% |
英 国 |
>1.17mm 不允许有 |
0.14mm <12% |
比利时 |
>0.4mm <4% |
<0.12mm 4% |
原民主德国 |
>1mm 不允许有 |
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