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高純石英加工工藝技術的“六脈神劍”發布日期:2020-07-01
  高純石英(high-purity quartz)是SiO2純度大于99.9%的石英系列產品的總稱。它是高檔石英制品的原料,是硅產業高端產品的物質基礎,廣泛運用于光伏、電子信息、光通訊和電光源等行業,在新材料新能源戰略性新興產業中具有重要地位和作用。

高純石英的產品分類與技術狀況

注:雜質含量指AI、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、 Mn、Cu、Cr、Ni等13種痕量雜質元素總量。


我國是高純石英消費大國,中低端產品自給有余,部分出口,但高端產品仍然嚴重依賴進口。因此有關高純石英加工工藝技術的研究顯得尤為重要。
  一、粉碎分級預處理

  將石英礦加工為高純石英就是盡可能分離出石英原料中各種雜質的過程。首先進行粉碎-分級預處理,一方面使石英與脈石礦物有效單體解離和流體包裹體釋放,另一方面為后續石英提純加工提供合適粒度范圍的原料。

  破碎加工可視條件不同采用不同的工藝與設備組合,但避免污染是其很重要的一個問題。為了避免粉碎過程中鐵雜質對石英二次污染,一般選用鋯球、瑪瑙等作為磨礦介質。
  目前除了常用的熱力粉碎,高壓脈沖粉碎近年來得到了廣泛的應用。高壓脈沖粉碎利用高壓放電在石英塊內產生的沖擊波,使石英更容易沿容納了雜質的晶體邊界處破碎。研究表明,高壓脈沖電氣破碎方法所獲得破碎后顆粒,具有球狀幾何形體,且有大量選擇性指向礦物包裹體及氣、液包裹體的深裂縫。石英原礦中云母包裹體沿其解離面及晶界破碎,正長石沿其晶體的晶界面破裂,使包裹體得以暴露、單體解離。

  高純石英不僅對純度有苛刻的技術要求,同時對粒度分布也有嚴格的要求。而分級是根據顆粒的比重、形狀或大小的不同進行分選的過程。
  二、預先選別

  在石英砂選礦流程中,通常把粒度小于0.1mm的細粒級稱為礦泥。礦泥會對后續選別造成不利影響。通過預先水洗、脫泥能夠有效脫除黏土性礦物,且除雜效果顯著。



棒磨擦洗的效果尤為理想,一般擦洗濃度在50%~60%,擦洗時間應根據礦石的性質來確定,以初步達到產品質量要求,時間不宜過長,以避免能耗過多及對設備的過大磨損。

三、礦物分選

  石英能與多種礦物共伴生,色選、重選、磁選和浮選等方法是目前較有效從石英中分選出共伴生獨立礦物的方法。

石英中共伴生獨立礦物分選技術


  分選石英中礦物雜質常用方法是磁選和浮選。石英是非磁性礦物,通過磁選可以很大限度地除去石英砂顆粒內含有的赤鐵礦、褐鐵礦及黑云母等為主的弱磁性雜質和以磁鐵礦為主的強磁性礦物。磁選通常采用的設備是濕式強磁選機和高梯度磁選機。

  浮選是通過礦物顆粒表面上的不同物理和化學性質對礦物顆粒進行分離的過程,主要功能是從石英砂中除去相關的礦物云母和長石。目前浮選主要采用酸性條件,根據所使用的藥劑不同可分為有氟浮選和無氟浮選,還有一些是在堿性條件下進行的浮選。有氟浮選提純效果較好,技術成熟,但對設備的腐蝕作用較大,環境污染較為嚴重。

  四、深度提純

僅通過常規選礦方法不能去除包裹體及晶格中雜質,還需要通過深度提純過程才能加工成高純石英。

酸浸

  酸浸工藝主要目的是在酸溶液中除去可溶的鐵質礦物,常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸、草酸等。硫酸對硫化礦、黃鐵礦等溶解效果好;鹽酸對方解石、白云石、方鉛礦等溶解效果好;硝酸對黃鐵礦、白鐵礦、砷黃鐵礦等溶解效果好;氫氟酸對硅酸鹽礦物有較好溶解性;草酸屬于弱酸,對環境污染小,對設備的腐蝕作用少,且除鐵效果明顯。
  影響酸浸提純效果的因素有石英砂粒度、溫度、時間、酸種類、酸濃度、固液比等,提高溫度和酸液濃度、降低石英顆粒的半徑均可提高Al的浸出率和浸出速率。單種酸的提純效果有限,而混合酸具協同效應,可大幅提高Fe、K等雜質元素去除率。


  2020年4月3日,湖南工業大學公開了一種無氟無硝酸浸法提純制備超高純石英砂的工藝。得到的超高純石英砂純度達到99.999wt.%,雜質含量低于10ppm,能滿足航空航天、電子技術、光纖通訊等領域的需求。
  五、粉碎整形深加工

優良的高純石英的顆粒機械組分可顯著改善石英玻璃工藝和品質,其基本指標如下:

(1)粒度:粒度大小必須與熔融制玻工藝要求完全匹配,最佳粒度點是粒級頻數加權平均值。粒度按R20系列標準篩分級。

(2)粒度分布:單峰,并且窄而連續,正態分布,標準差<0.3,偏度≌0。

(3)粒形:高球度(等軸顆粒),無長條和片狀顆粒;圓度優于次圓,無棱角狀顆粒。

  六、聯合工藝

一方面,由于不同地區的石英礦性質不同,所含雜質、嵌部粒度也不盡相同,因此,在對預處理后的石英砂進行進一步提純制備時,需要根據石英砂本身的礦石性質采取不同的聯合工藝流程,才能有針對性地除雜,得到高純度的石英砂。


  除了以上提及的加工技術,近年來高純石英分選提純也發展出一些新技術,例如用微生物浸除石英砂顆粒表面的薄膜鐵或浸染鐵;利用石英與雜質礦物在電性上微小差別,采用電選選出微量金屬雜質礦物;由于石英和含鐵雜質礦物具有不同的介電損耗因子從而造成在微波場中它們的升溫速率各異,采用微波使它們之間的界面上產生裂縫,從而促使石英中的包裹體的開裂,使含鐵雜質礦物能被酸有效地去除。
  另一方面,發展我國高純石英技術是一項系統工程,僅僅從某個方面努力是難以達到效果的。原料選擇技術是高純石英技術的基礎和前提,在缺少高純石英原料選擇技術情況下,難以獲得高品質原料;在缺少高品質原料情況下,難以加工出高端產品;在缺少加工裝備技術情況下,難以實現高端產品產業化;在缺少質量檢測技術情況下,各項工作將都難以開展。

  換言之,高純石英原料選擇技術、加工工藝技術、加工裝備技術和質量檢測技術等相互獨立,又相互聯系并相互制約。僅僅發展高純石英加工工藝技術是遠遠不夠的,還需要開展高純石英原料選擇技術、加工裝備技術以及質量檢測技術攻關,為我國高純石英高端產品產業化提供技術支撐。
  七、小結

  高純石英已成為新能源、光導纖維、激光、信息技術、航空航天、微電子等高技術領域不可替代的關鍵原材料。隨著中國制造2025的不斷推進,突破高純石英砂加工技術困境也愈發重要。

 

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