張燕群，潘家永，鐘福軍，占學(xué)瑜

（1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013；2.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽421001）

矽線石也被叫做硅線石，常見于火成巖與泥質(zhì)巖石接觸帶，與藍(lán)晶石和紅柱石屬同質(zhì)異相變體，具有相同的化學(xué)成分，但晶體結(jié)構(gòu)相異，合稱為“三石”。它是一種硅酸鹽礦物，屬斜方晶系，顏色一般為淺綠色、褐色、淺藍(lán)色或白色。它也是一種高鋁礦物原料，在高溫的條件下可以分解為二氧化硅和莫來石。矽線石的晶體為針狀或柱狀，分子式為Al2O3·SiO2，理論化學(xué)成分為Al2O362.93%，SiO237.07%。晶體具有明顯的玻璃光澤，聚合到一起常常表現(xiàn)為纖維狀或放射狀。它不論在地質(zhì)領(lǐng)域還是其他領(lǐng)域都具有至關(guān)重要的作用。

1 矽線石國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

矽線石不論在科學(xué)研究方面還是國民應(yīng)用方面，都有不可取代的重要作用，各個(gè)國家對(duì)它的開發(fā)非常重視。國外發(fā)達(dá)國家在矽線石礦石的開發(fā)利用方面進(jìn)行比較早，礦產(chǎn)分布較廣，并且儲(chǔ)量大的有印度、蘇聯(lián)、南非、澳大利亞和美國[1]。美國、南非、印度早在20世紀(jì)40年代就開始了研究，并且至今它們的產(chǎn)量也位居世界前列，其中美國、南非提供了西方世界所需要的大部分矽線石礦物[2]。相比之下，中國、朝鮮、加拿大雖然儲(chǔ)量不小，但是開發(fā)利用較晚，生產(chǎn)水平較低[3]。世界上主要矽線石生產(chǎn)國印度，在1977年以前，為優(yōu)質(zhì)矽線石精礦的主要出口國，但隨著高品位資源的減少,已停止出口。印度的矽線石礦床儲(chǔ)量較大，且質(zhì)量也較好。南非也是世界主要的矽線石生產(chǎn)國，1986年，產(chǎn)量為1330t，1990年達(dá)到8×104t，隨著高品位礦石的不斷減少,產(chǎn)量日趨降低[4]。在我國矽線石礦石有著廣泛的分布，主要分布在黑龍江省東北部，還有河南省南部的南陽地區(qū)，內(nèi)蒙古、安徽、云南和河北省等地也有分布。20世紀(jì)70年代末期和80年代，探明了大量矽線石資源。質(zhì)量較好的一些礦床，如江蘇韓山藍(lán)晶石礦和黑龍江雞西硅線石礦床已開始小規(guī)模生產(chǎn)[3]。其他國內(nèi)矽線石礦儲(chǔ)量較大的主要有內(nèi)蒙古上貴烏拉(矽線石含量30%)，陜西長里溝(15%～30%)，安徽崗里(15%～30%)，云南元陽(10%～30%)，河北羅圈(5%～30%)，安徽回龍山(10%～15%)。據(jù)現(xiàn)已探明的儲(chǔ)量來看,大多是貧礦[4]。另外，還有遼寧青城子、河南南陽、福建莆田、甘肅別市溝、山西峪里、廣東九王山等地也分布有矽線石礦產(chǎn)。我國第一條矽線石生產(chǎn)線是在1985年建成，即黑龍江雞西非金屬礦工業(yè)公司。在近20年來，矽線石應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，人們對(duì)矽線石、紅柱石、藍(lán)晶石及相關(guān)產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)逐漸加深，在建材、冶金行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，國內(nèi)矽線石的生產(chǎn)廠也變?yōu)槭畮准?，年生產(chǎn)精礦能力得到了數(shù)十倍的增長，對(duì)我國有效開發(fā)矽線石深加工產(chǎn)品起到了非常重要的作用。

2 矽線石的礦物學(xué)性質(zhì)

鋁在硅酸鹽礦物中存在2種不同的形式。其一是硅氧四面體中的Si被Al部分置換，形成了鋁氧四面體，然后它與硅氧四面體一同構(gòu)成絡(luò)陰離子，從而變成鋁硅酸鹽；其二是Al以金屬陽離子的形式和絡(luò)陰離子一起而組成鋁的硅酸鹽。此時(shí)鋁與氧構(gòu)成配位數(shù)為6的八面體。硅酸鹽礦物中鋁置換硅是非常普遍的，矽線石就是一個(gè)典型的例子。

矽線石是結(jié)構(gòu)式為Al[AlSiO5]的鏈狀基型鋁硅酸鹽，成分相對(duì)穩(wěn)定，常有Al被部分Fe3+替代，有時(shí)存在微量的Ti、Ca、Mg等混入物。

2.1 矽線石的結(jié)構(gòu)

矽線石是斜方晶系，它的結(jié)構(gòu)是沿c軸排列的硅氧四面體和鋁氧四面體，構(gòu)成[AlSiO5]雙鏈；[AlO6]八面體構(gòu)成鏈，在單位晶胞投影面里，位于4個(gè)角頂和中心，1/2的Al為四次配位。矽線石發(fā)育有平行c軸的解理，是針狀或纖維狀的晶體形態(tài)?？梢钥闯觯谒木w結(jié)構(gòu)中，總有一個(gè)八面體，其表現(xiàn)為，共棱與相鄰八面體相連；配價(jià)數(shù)是4的另一個(gè)Al原子，對(duì)結(jié)構(gòu)中O原子的位置起決定作用，由此也決定了矽線石的密度3.22～3.26，莫氏硬度6.0～7.0。矽線石的晶體a0、b0、c0分別為0.744、0.760、0.575，在晶體的柱面上有明顯條紋。有時(shí)其作為包裹體在石英、長石晶體中存在，呈毛發(fā)狀，毛發(fā)狀的矽線石稱為細(xì)矽線石[2]。

2.2 矽線石的物理性質(zhì)

矽線石是一種天然無水硅酸鋁質(zhì)的高鋁礦物，顏色為白色、灰色或淺綠、淺褐色等，玻璃光澤，莫氏硬度6.0～7.0，密度3.22～3.26，不溶于酸，解理完全，結(jié)構(gòu)中的雙鏈與解理面平行。矽線石在硬度上的各向異性十分明顯，在(100)晶面，莫氏硬度在垂直和平行延長方向分別為6.6和4.3。在1400℃，矽線石的有裂紋的解理中開始有玻璃態(tài)的物質(zhì)出現(xiàn)。當(dāng)加熱到1545℃，矽線石生成2種物質(zhì)，二氧化硅和莫來石，其中莫來石與矽線石之前結(jié)構(gòu)的排列方向一致。在1600℃左右，開始觀察到矽線石具有標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)常數(shù)。到1700℃，幾乎全都變成了玻璃相和莫來石。進(jìn)一步加熱到1810℃，則分解為剛玉和玻璃[5]。矽線石在莫來石化的過程中有一定的體積膨脹，其膨脹率為7%～8%，由于過程中產(chǎn)生的是不可逆的體積膨脹，所以這一特點(diǎn)讓其在阻止裂紋產(chǎn)生、提高制品抗熱震性等方面廣泛應(yīng)用。

2.3 矽線石的化學(xué)性質(zhì)

矽線石理論化學(xué)成分為Al2O362.93%，SiO237.07%。其化學(xué)性質(zhì)是非常穩(wěn)定的，其中的雜質(zhì)含量少，化學(xué)成分比較純，一般在水和酸中不溶。我國一些地區(qū)的矽線石化學(xué)成分見表1。由此可見,在我國各地的矽線石化學(xué)成分中，黑龍江雞西有較高的Al2O3含量，而在SiO2和K2O上，河南鎮(zhèn)平有較高的含量。

矽線石中K2O和Na2O在高溫下分解，其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為莫來石，同時(shí)也生成富Si的玻璃相，這樣可以一定程度上減少莫來石含量，Na2O和K2O的和逐漸接近于0的時(shí)候，莫來石的含量最高，制品的高溫性能好。矽線石中1.12%的CaO可使莫來石分解10%，11.5%的CaO或18.6%的MgO可使莫來石完全分解。在1520℃～1570℃時(shí)，T iO2能提高矽線石的燒結(jié)性能[6]。

表1 國內(nèi)矽線石的化學(xué)成分分析表[5](wB%)

2.4 矽線石的其他性質(zhì)

除了以上基本性質(zhì)，矽線石在其他方面也有著優(yōu)良的性質(zhì)。在熱膨脹性上，矽線石經(jīng)過煅燒能夠變成莫來石，由此產(chǎn)生的體積膨脹是不可逆的，膨脹倍數(shù)較小，形成優(yōu)質(zhì)的針狀莫來石網(wǎng)絡(luò)。利用其膨脹的效應(yīng)可以對(duì)體積收縮進(jìn)行抵消，從而對(duì)局部的應(yīng)力進(jìn)行限制，進(jìn)一步防止裂紋產(chǎn)生。在穩(wěn)定性上，由矽線石礦物生產(chǎn)的耐火材料，其穩(wěn)定性很高，是粘土質(zhì)耐火材料的1.5倍。在耐火度上，一般的粘土質(zhì)耐火材料耐火度為1670℃～1770℃，而矽線石的耐火材料耐火度為1850℃。由于具有特殊的耐火性能，因此長期以來成為廣泛使用的高級(jí)耐火材料[7]。另外，其還具有良好的耐磨性、抗化學(xué)腐蝕性、抗渣侵蝕性等性能。

3 矽線石的成因討論

矽線石是一種高溫變質(zhì)礦物，在區(qū)域變質(zhì)作用下形成，在結(jié)晶片巖、片麻巖中常有發(fā)育，也在火成巖的接觸帶中存在。在矽線石堇青石片麻巖、黑云母矽線石角頁巖里的矽線石，通常是由于早期形成的紅柱石轉(zhuǎn)變或黑云母的分解而成。常與矽線石共生的礦物有紅柱石、藍(lán)晶石、堇青石、剛玉等。此外，矽線石還在二云片巖和黑云片巖中有發(fā)育，此種巖石變質(zhì)程度相對(duì)較低。考慮變質(zhì)流體的作用，再結(jié)合構(gòu)造環(huán)境的影響，大概可以將矽線石的成因分為幾類：第一種是巨晶板柱狀矽線石，其發(fā)育在矽線石榴鉀長片麻巖中，由于共生礦物組合中無白云母和堇青石，而含有大量的石榴石和鉀長石。故可以考慮為主要是以下反應(yīng)：Mus+Q→Sil+Kf+H2O；Stau+Mus+Q→Sil+Bt+Gt+H2O；Bt+Mus+Q→Sil+Gt+Kf+H2O。這種剛開始為針柱狀，后期經(jīng)過重結(jié)晶的作用變大形狀成為板柱狀，也有發(fā)育為竹節(jié)狀。第二種是矽線石集合體，形狀主要為針柱狀，也有乳滴狀，其存在于堇青石和鉀長石中，且普遍見黑云母被交代分割，表明矽線石由分解反應(yīng)生成：Bt+Q→Sil+Gt+Kf+H2O；Bt+Q→Sil+Crd+Kf+Mt+H2O；Bt+Sil+Q→Gt+Crd+Kf+H2O。第三種是毛發(fā)狀矽線石，其發(fā)育在矽線石榴堇青黑云鉀長片麻巖中，其交生的黑云母具有成分產(chǎn)生嚴(yán)重分異的熔融特征，此外還有堇青石被轉(zhuǎn)化，云母剩少量殘片。這些特征說明黑云母可能經(jīng)過脫水熔融，然后又一次結(jié)晶生成：Bt→Sil+Crd+Mt+Ilm+熔體(K2O+SiO2+H2O)。第四種是矽線黑云片巖-二云片巖中的纖維毛發(fā)狀矽線石，從矽線石和與其交生的黑云母共同遭受強(qiáng)烈揉皺，說明黑云母有不均勻成分，從中心到邊緣，隨著Fe、Mg、Ti的遷移表現(xiàn)出從Bt→Mus→Mus+Q→Sil的變化趨勢(shì)，這種成分上的差異明顯不是高溫熔融造成，可能是構(gòu)造應(yīng)力作用在一定溫度下的影響[8]。矽線石的成因是多樣的，在高溫下可以產(chǎn)生，同時(shí)也可在一些低溫的環(huán)境下產(chǎn)生，要從實(shí)際出發(fā)綜合分析成因。

4 矽線石的應(yīng)用

4.1 矽線石用途

矽線石是變質(zhì)巖中常見的礦物，產(chǎn)狀固定，單相的穩(wěn)定區(qū)與巖石的溫度和壓力直接相關(guān)，可以作為地質(zhì)溫度—壓力計(jì)，可指示地質(zhì)體形成時(shí)的溫度和壓力。

矽線石作為優(yōu)質(zhì)原料具有很多用途，主要用途見表2。

表2 矽線石礦物的工業(yè)用途

在材料學(xué)上,矽線石中Al2O3含量高，顆粒比較致密，再結(jié)合結(jié)構(gòu)中[AlO6]八面體的穩(wěn)定支撐作用，使其具有一些特性，如抗蠕變、高溫負(fù)荷大、熱傳導(dǎo)大、膨脹系數(shù)小、結(jié)構(gòu)耐熱震性好、耐熔蝕和耐磨蝕等，作為材料被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)上[5]。

在鋼鐵和冶金工業(yè)中被廣泛用作高爐、熱風(fēng)爐、電弧爐、混鐵爐和耐火磚。在玻璃工業(yè)中被廣泛應(yīng)用作回轉(zhuǎn)窯上部結(jié)構(gòu)耐火襯；回?zé)釥t爐壁和爐格，主要用在爐體上部的低溫區(qū)(l450℃)和大氣凈化區(qū),純度高者也用在氣壓極低的“浮池”上部作結(jié)構(gòu)材料。在水泥工業(yè)中，矽線石耐火磚用于預(yù)熱帶，成功地解決了襯體磨損過快問題[4]。在建筑工業(yè)中，作為配料可用于軍工建筑，還可以做翻砂模面料(涂料、膏劑和各種混合劑)[2]。在陶瓷工業(yè)中被用作玻璃窯瓷磚、耐火料道磚等，還可以制造高技術(shù)陶瓷，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞、實(shí)驗(yàn)器皿及一些交通工具如火車、汽車等用的硅鋁合金。在醫(yī)學(xué)上，是鑄造假牙、骨移植物及碎骨連接板的骨料。另外色澤艷麗的矽線石還可作寶石原料，單晶體可磨制成刻面寶石。

4.2 矽線石市場情況

在世界上，印度、美國、南非和加拿大等國是主要的高鋁礦物生產(chǎn)國，北歐、德國、美國、日本、英國是主要的消費(fèi)國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上高鋁礦物需求在5%～7%的增長率。

國內(nèi)1978年改革開放，上海寶鋼首次提出需求高鋁礦物以來，品種變多了，用量變大了，其消耗量在逐年攀升。我國的陶瓷工業(yè)使用莫來石質(zhì)材料一般在1400℃以上。如果采用高鋁礦物合成莫來石，該類礦物的年需求量可達(dá)1×104t左右。此外，其它行業(yè)也有潛在消耗量。在耐火材料上，煉鋼用耐火材料消耗的高鋁礦物量最大，占65%，煉鋁和玻璃行業(yè)用耐火材料消耗的高鋁礦物各占10%。目前，那些產(chǎn)鋼大國，如德、英、意、加等所需要的高鋁礦物主要依賴進(jìn)口[9]。

4.3 矽線石開發(fā)前景

隨著工藝的提高，近年來，消費(fèi)者更重視產(chǎn)品的純度。當(dāng)然，不能忽視一些應(yīng)用中對(duì)粒度的要求。一般情況下，粒度為0.25～8mm的物料都可以用于耐火材料；較粗粒級(jí)的物料可用于制磚；較細(xì)的物料可用于整體耐火材料。在非金屬工業(yè)上，我國尚處于初級(jí)階段，資源的開發(fā)利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，一定程度上不能滿足生活需要。在發(fā)達(dá)國家的非金屬和金屬產(chǎn)業(yè)值為3∶1，而我國為1∶3，這表明在我國，2種產(chǎn)業(yè)發(fā)展不是特別協(xié)調(diào)，在非金屬礦產(chǎn)方面還需要進(jìn)一步的發(fā)展，達(dá)到更好的開發(fā)利用。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展和對(duì)高性能耐火材料需要的增加，矽線石類礦物在未來鋼鐵工業(yè)、玻璃工業(yè)、陶瓷工業(yè)等仍然起著巨大作用。

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