资源型矿物简介、硅灰石

1、七、硅灰石七、硅灰石东北大学矿物材料与粉体技术研究中心东北大学矿物材料与粉体技术研究中心高鹏高鹏第三章、非金属矿物分述第三章、非金属矿物分述7.1、硅灰石基本特征、硅灰石基本特征n硅灰石是天然产出的偏硅酸钙，化学分子式为：硅灰石是天然产出的偏硅酸钙，化学分子式为：CaSiO3。其中的。其中的Ca常被常被Fe、Mn、Ti、Sr离子置离子置换，形成类质同象，故自然界中纯净的硅灰石较换，形成类质同象，故自然界中纯净的硅灰石较为罕见。硅灰石最早是由美国人为罕见。硅灰石最早是由美国人William Hyde Wollaston于于18世纪末发现的，但直到世纪末发现的，但直到20世纪世纪50年年代末才在美

2、国开始得到商业应用，直至代末才在美国开始得到商业应用，直至70年代末年代末硅灰石才得到了广泛的应用。硅灰石才得到了广泛的应用。 n硅灰石的化学分子式为CaSiO3，理论化学成分CaO48.25%、SiO251.75%。自然界中纯硅灰石罕见，在其形成过程中，Ca有时被Fe、Mn、Ti、Sr等离子部分置换而呈类质同象体，并混有少量的Al和微量K、Na。7.2、硅灰石针状粉超细粉碎与分级、硅灰石针状粉超细粉碎与分级n高长径比的超细硅灰石针状粉可以取代其他的短高长径比的超细硅灰石针状粉可以取代其他的短纤维矿物材料纤维矿物材料(如石棉、玻璃纤维等如石棉、玻璃纤维等)及其他合成及其他合成晶体，用作功能性增

3、强材料，且由于它价格低廉晶体，用作功能性增强材料，且由于它价格低廉，在工业应用中具有极高的应用价值和巨大的潜，在工业应用中具有极高的应用价值和巨大的潜在市场，因此，高长径比的超细硅灰石针状粉的在市场，因此，高长径比的超细硅灰石针状粉的加工制备成为世界各硅灰石加工企业备受重视的加工制备成为世界各硅灰石加工企业备受重视的研究热点。研究热点。 n(1) 硅灰石针状粉超细粉碎设备硅灰石针状粉超细粉碎设备n目前，用于硅灰石针状粉超细粉碎加工的设备主目前，用于硅灰石针状粉超细粉碎加工的设备主要有机械冲击式粉碎机、气流磨、搅拌磨、雷蒙要有机械冲击式粉碎机、气流磨、搅拌磨、雷蒙磨、振动磨等几种形式。磨、振动磨

4、等几种形式。n(2) 硅灰石针状粉分级设备硅灰石针状粉分级设备n目前硅灰石针状粉分级设备还主要依赖于非纤维目前硅灰石针状粉分级设备还主要依赖于非纤维矿物超细分级设备，并且大部分是将超细粉碎与矿物超细分级设备，并且大部分是将超细粉碎与分级两部分组合在一个设备内，如流化床式气流分级两部分组合在一个设备内，如流化床式气流磨、立式机械冲击式粉碎机。磨、立式机械冲击式粉碎机。 7.3、硅灰石的化学合成、硅灰石的化学合成n硅灰石可以采用多种方法合成，主要方法如下：硅灰石可以采用多种方法合成，主要方法如下：n(1) 用板状硅藻土和白垩人工合成用板状硅藻土和白垩人工合成n用板状硅藻土和白垩生产硅灰石工艺过程如

5、下：用板状硅藻土和白垩生产硅灰石工艺过程如下：n粉碎、细磨粉碎、细磨筛分称量筛分称量制成泥浆制成泥浆烧成烧成n板状硅藻土与白垩的配比根据两者的板状硅藻土与白垩的配比根据两者的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量进行计算。烧成可量进行计算。烧成可在在10m长回转窑或长回转窑或32m长回转窑中进行。合成的产品具有长回转窑中进行。合成的产品具有奶油色，内含有奶油色，内含有70%80%硅灰石，密度为硅灰石，密度为2.8g/cm3，耐火，耐火度为度为12401300。n(2) 用煅烧硅石灰石制取用煅烧硅石灰石制取n含硅石灰石是白色、胶结性细

6、分散矿物。可以看出它主要含硅石灰石是白色、胶结性细分散矿物。可以看出它主要有有SiO2和和CaO两种组分。在硅灰石中，两种组分。在硅灰石中，SiO2是以低温变态是以低温变态方石英形式存在，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“开放性开放性”的晶的晶体结构，另一方面使方石英有好的反应能力，能加速硅灰体结构，另一方面使方石英有好的反应能力，能加速硅灰石合成过程，因此硅灰石合成反应可在比较低的温度下进石合成过程，因此硅灰石合成反应可在比较低的温度下进行得完全。行得完全。n这种合成方法是在窑中这种合成方法是在窑中1150下将尺寸为下将尺寸为3050mm的块状的块状硅石灰石煅烧，并在

7、最高温度下保温硅石灰石煅烧，并在最高温度下保温1.52h而成硅灰石。而成硅灰石。n该法获得的产品具有亮奶油色，它的密度为该法获得的产品具有亮奶油色，它的密度为2.62.8g/cm3，耐火度，耐火度12501320。X-射线相分析表明，低温变态射线相分析表明，低温变态硅灰石是产品主要相，此外在硅灰石中还存在少量方石英硅灰石是产品主要相，此外在硅灰石中还存在少量方石英和硅酸二钙。和硅酸二钙。n (3) 用磷石膏制备硅灰石用磷石膏制备硅灰石n磷石膏是硫酸分解磷灰石和磷钙土制备磷酸所产生的废料磷石膏是硫酸分解磷灰石和磷钙土制备磷酸所产生的废料。在磷石膏中。在磷石膏中CaSO42H2O大约有大约有95%

8、96%.磷石膏是一磷石膏是一种对环境有严重污染的废渣，利用它制备硅灰石具有很大种对环境有严重污染的废渣，利用它制备硅灰石具有很大的现实意义。的现实意义。n合成方法是将磷石膏与石英粉和煤粉合成方法是将磷石膏与石英粉和煤粉(配料比为：配料比为：CaO:SiO2:C2:2:1)在旋转炉中在旋转炉中1200左右温度下进行煅左右温度下进行煅烧，使它转变为硅灰石。该工艺获得的硅灰石颗粒粒度为烧，使它转变为硅灰石。该工艺获得的硅灰石颗粒粒度为30mm以下，硅灰石颜色为米黄色到深黄色。以下，硅灰石颜色为米黄色到深黄色。2CaSO4C2CaO+2SO2+CO27.4、硅灰石的应用、硅灰石的应用n硅灰石产品可分为

9、硅灰石产品可分为高长径比高长径比硅灰石（硅灰石（10:1）和）和磨细硅灰石磨细硅灰石两大类。两大类。n高长径比硅灰石高长径比硅灰石主要利用其针状物理机械性能，广泛用于主要利用其针状物理机械性能，广泛用于塑料、橡胶、石棉代用品、油漆涂料等领域，可增加制品塑料、橡胶、石棉代用品、油漆涂料等领域，可增加制品硬度、抗弯强度、抗冲击性，改善材料的电学特性，提高硬度、抗弯强度、抗冲击性，改善材料的电学特性，提高热稳定性和尺寸稳定性。热稳定性和尺寸稳定性。n磨细硅灰石主要用于陶瓷和冶金工业，硅灰石中的磨细硅灰石主要用于陶瓷和冶金工业，硅灰石中的SiO2 CaO成分提供了低的膨胀率和良好的抗热震性。成分提供了

10、低的膨胀率和良好的抗热震性。n(1) 作陶瓷原料作陶瓷原料n硅灰石可用于制备各种电瓷、建筑用瓷和日用陶瓷，占世硅灰石可用于制备各种电瓷、建筑用瓷和日用陶瓷，占世界硅灰石总消费量的界硅灰石总消费量的40%45%。n硅灰石可致密陶瓷结构，提高机械强度，降低湿膨胀系数硅灰石可致密陶瓷结构，提高机械强度，降低湿膨胀系数，提高坯体强度和压型质量，降低烧成温度，缩短烧成周，提高坯体强度和压型质量，降低烧成温度，缩短烧成周期，达到节能增效的目的。在制釉工业中，硅灰石可提高期，达到节能增效的目的。在制釉工业中，硅灰石可提高釉的白度，改善流动性能，减少制品的疵点。釉的白度，改善流动性能，减少制品的疵点。n硅灰石

11、可提高坯体的抗热冲击性能且固相反应生成钙长石硅灰石可提高坯体的抗热冲击性能且固相反应生成钙长石(熔点熔点1550)，可实现低温快速烧结。，可实现低温快速烧结。n硅灰石链增强了玻璃相微粒之间的联结，使制品硅灰石链增强了玻璃相微粒之间的联结，使制品能承受切锯、钻孔等特殊机械加工，而且它还提能承受切锯、钻孔等特殊机械加工，而且它还提供了一种低损耗绝缘结晶相，可用作电工陶瓷、供了一种低损耗绝缘结晶相，可用作电工陶瓷、电子陶瓷。电子陶瓷。n高纯度硅灰石粉用于陶瓷、搪瓷等釉料中高纯度硅灰石粉用于陶瓷、搪瓷等釉料中，天然，天然低铁、高白度、稳定的化学性能，能提高坯釉结低铁、高白度、稳定的化学性能，能提高坯釉

12、结合能力，具有良好的熔融性能，低温快速烧成，合能力，具有良好的熔融性能，低温快速烧成，越来越受到陶瓷界专家的重视，可以大幅度降低越来越受到陶瓷界专家的重视，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级产品在生釉中应用，要求粒级产品在生釉中应用，要求粒度度10m以下，以下，d50为为5m，低烧失量，低铁，用，低烧失量，低铁，用量在增大。量在增大。（2）用于熔块釉中，要求稳定的指标，低）用于熔块釉中，要求稳定的指标，低Fe2O3为为重要指标，其他决定于熔块中其他原料的质量，重要指标，其他决定于熔块中其他原料的质量，推荐推荐B级指标。级指标。（1）用于生釉中：）用于生釉

13、中：A级产品在生釉中应用，要求粒级产品在生釉中应用，要求粒度度10m以下，以下，d50为为5m，低烧失量，低铁，用，低烧失量，低铁，用量在增大。量在增大。（2）用于熔块釉中，要求稳定的指标，低）用于熔块釉中，要求稳定的指标，低Fe2O3为为重要指标，其他决定于熔块中其他原料的质量，重要指标，其他决定于熔块中其他原料的质量，推荐推荐B级指标。级指标。（1）高档瓷砖坯体以及卫生洁具胎体）高档瓷砖坯体以及卫生洁具胎体n中国传统的白坯体内墙砖以及卫生洁具，加入中国传统的白坯体内墙砖以及卫生洁具，加入10%40%的的A级坯体级硅灰石，可以提高坯体强度，提高成品率，级坯体级硅灰石，可以提高坯体强度，提高成

14、品率，尤其是低温快速烧成。尤其是低温快速烧成。（2）墙地砖坯体）墙地砖坯体n这是中国新开发的一种用途，将含量较低的硅灰石（这是中国新开发的一种用途，将含量较低的硅灰石（B级级）加工成）加工成200目粉或目粉或0 10mm小颗粒用于墙地砖坯体中同小颗粒用于墙地砖坯体中同样达到提高坯体强度节约能源的效果，由于这种产品价格样达到提高坯体强度节约能源的效果，由于这种产品价格低廉，在中国得到迅速地推广应用。低廉，在中国得到迅速地推广应用。n(2) 替代玻纤作塑料的增强填料替代玻纤作塑料的增强填料n填料用硅灰石是其最有潜力、附加值最高、增长最快的应填料用硅灰石是其最有潜力、附加值最高、增长最快的应用领域。

15、目前，该领域占硅灰石世界总消费量的用领域。目前，该领域占硅灰石世界总消费量的25%左右左右。硅灰石可取代或部分取代玻纤作聚合物复合材料的增强。硅灰石可取代或部分取代玻纤作聚合物复合材料的增强体，提高材料性能，降低成本，起增量和增强的双重作用体，提高材料性能，降低成本，起增量和增强的双重作用。n目前硅灰石应用研究重点是硅灰石填充复合材料在电子元目前硅灰石应用研究重点是硅灰石填充复合材料在电子元件、封装材料、高性能橡塑制品、汽车壳体、模具以及光件、封装材料、高性能橡塑制品、汽车壳体、模具以及光盘材料等领域中的应用。盘材料等领域中的应用。n钛白粉是一种价格昂贵的化工原料，用高纯度硅灰石在浅钛白粉是一

16、种价格昂贵的化工原料，用高纯度硅灰石在浅色橡胶制品中替代色橡胶制品中替代30%40%的锐钛形钛白粉，价格仅为的锐钛形钛白粉，价格仅为钛白粉的钛白粉的1/10。n针状硅灰石粉，经表面改性后，用于汽车轮胎胎侧，具有针状硅灰石粉，经表面改性后，用于汽车轮胎胎侧，具有良好的亲和性和高度的分散性，提高轮胎的力学强度，改良好的亲和性和高度的分散性，提高轮胎的力学强度，改进耐老化、抗疲劳性，并改善炼胶混压工艺性能，不需改进耐老化、抗疲劳性，并改善炼胶混压工艺性能，不需改变工艺即可替代一部分天然橡胶用量。变工艺即可替代一部分天然橡胶用量。n(3) 作石棉代用品作石棉代用品n硅灰石具有针状特性及低热膨胀性、优良

17、的抗热冲击性，硅灰石具有针状特性及低热膨胀性、优良的抗热冲击性，是短纤维石棉的理想替代材料。作石棉替代品用硅灰石占是短纤维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总消费量的世界硅灰石总消费量的20%25%。高摩擦系数硅灰石替。高摩擦系数硅灰石替代石棉制备的摩擦材料主要应用在刹车片、阀塞、汽车离代石棉制备的摩擦材料主要应用在刹车片、阀塞、汽车离合器等领域。合器等领域。n研究表明，硅灰石针状粉部分取代石棉的制动刹车片的综研究表明，硅灰石针状粉部分取代石棉的制动刹车片的综合性能良好，其摩擦系数在合性能良好，其摩擦系数在300以下比较稳定，衰退不以下比较稳定，衰退不明显，恢复性好，磨耗量低

18、，冲击强度有所降低但高于国明显，恢复性好，磨耗量低，冲击强度有所降低但高于国家标准。家标准。n高强无收缩水泥、硅灰石防火材料、热硬性粘结复合材料高强无收缩水泥、硅灰石防火材料、热硬性粘结复合材料、耐火金属或矿物表面涂层用无机复合材料等均有文献报、耐火金属或矿物表面涂层用无机复合材料等均有文献报道。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，可改进产品的物化性能、持久硅灰石作油漆涂料的填料，可改进产品的物化性能、持久性和耐候性，减少油漆的断裂、老化。目前，硅灰石在该性和耐候性，减少油漆的断裂、老化。目前，硅灰石在该领域的消耗量尚小，仅占总消耗量的领域的消耗量尚小，仅占总消

19、耗量的5%。n高纯度硅灰石，作为无机白色体质颜料，被广泛应用在涂高纯度硅灰石，作为无机白色体质颜料，被广泛应用在涂料中，可以替代昂贵的钛白粉料中，可以替代昂贵的钛白粉40%50%，硅灰石粉替代，硅灰石粉替代钛白粉生产油漆涂料不仅可以改善制品色泽，提高油漆的钛白粉生产油漆涂料不仅可以改善制品色泽，提高油漆的光整度，增强涂料的抗张能力、减少裂纹，而且还可以减光整度，增强涂料的抗张能力、减少裂纹，而且还可以减少吸油量，增强抗腐能力。少吸油量，增强抗腐能力。 n(5) 冶金助剂冶金助剂n硅灰石具有低温助熔特性，广泛用于冶金工业。尤其在连硅灰石具有低温助熔特性，广泛用于冶金工业。尤其在连铸方面。世界上每

20、年有铸方面。世界上每年有12%15%的硅灰石消耗在该领域的硅灰石消耗在该领域。硅灰石用作冶金保护渣基料，具有减少配料种类、热稳。硅灰石用作冶金保护渣基料，具有减少配料种类、热稳定好、化学成分稳定、铸件表面光洁、低定好、化学成分稳定、铸件表面光洁、低Al2O3、低碳等、低碳等优点。优点。n模铸对保护渣的基本要求是低密度、低熔点、模铸对保护渣的基本要求是低密度、低熔点、CaO/SiO2比小于比小于1、适当的熔化速度和较好的铺展性。天然产出的、适当的熔化速度和较好的铺展性。天然产出的硅灰石熔点相对较高、密度较大且硅灰石熔点相对较高、密度较大且CaO/SiO2比为比为1，不能，不能很好地满足保护渣的基

21、本要求，但通过添加助剂很好地满足保护渣的基本要求，但通过添加助剂(萤石、萤石、碱粉、水玻璃碱粉、水玻璃)、密度小的配料、密度小的配料(膨胀珍珠岩、蛭石、石墨膨胀珍珠岩、蛭石、石墨)和含和含SiO2丰富的电厂灰即可达到要求。丰富的电厂灰即可达到要求。n(6) 建材建材n纤维状、针状硅灰石块经过特殊的加工，得到高长径比针纤维状、针状硅灰石块经过特殊的加工，得到高长径比针状硅灰石粉，无毒无害，可以部分替代石棉、玻璃纤维、状硅灰石粉，无毒无害，可以部分替代石棉、玻璃纤维、纸浆，且价格较底。纸浆，且价格较底。n（1） 高长径比高长径比L/d 30：1，用于特殊陶瓷，橡胶补强，用于特殊陶瓷，橡胶补强剂、防

22、火板等；剂、防火板等；n（2） L/d = 20 30：1，用于防火板，无石棉摩擦材料，用于防火板，无石棉摩擦材料、水泥纤维制品等；、水泥纤维制品等；n（3） L/d = 10 - 20：1，用于水泥纤维制品、橡塑制品，用于水泥纤维制品、橡塑制品中。中。n(7) 其他其他n1）作为造纸填料；作为纤维使用，替代）作为造纸填料；作为纤维使用，替代30%的木的木质纤维，代木造纸，有利于保护森林，降低治理质纤维，代木造纸，有利于保护森林，降低治理造纸污染的难度，提高纤维类矿物的效益。造纸污染的难度，提高纤维类矿物的效益。n2）硅灰石电焊条药皮能有效地抑制焊接时放电，）硅灰石电焊条药皮能有效地抑制焊接时放电，提高熔体流动性，使焊缝整洁美观，增强机械强提高熔体流动性，使焊缝整洁美观，增强机械强度。度。n3）硅肥、白炭黑等）硅肥、白炭黑等7.6我国硅灰石加工与应用企业与国