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高純石英砂的選礦、加工技術(shù)現狀總結

2022-05-12 18:38:54 點(diǎn)擊數:

高純石英是高檔石英制品的原料,是硅產(chǎn)業(yè)高端產(chǎn)品的物質(zhì)基礎,廣泛運用于光伏、電子信息、光通訊和電光源等行業(yè),在新材料新能源戰略性新興產(chǎn)業(yè)中具有重要地位和作用。


高純石英砂是SiO2含量高于99.9%的石英砂,為白色粉末,無(wú)異色,雜質(zhì)含量很低。它具有高的耐溫性,極好的化學(xué)特性,優(yōu)良的電絕緣性和透光性等,是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可替代的礦物原料。


石英原料選擇


世界上只有少數幾種原礦可以生產(chǎn)高純度的石英砂用于高科技工業(yè)。我國硅石資源種類(lèi)繁多,儲存量大。石英巖、石英砂巖和脈石英是我國生產(chǎn)高純石英砂的主要原材料。


(1)石英巖


石英巖是一種以石英為主的變質(zhì)巖。它是由石英砂巖和硅質(zhì)巖石變質(zhì)作用形成的,其中二氧化硅含量在85%以上。青海、遼寧和陜西是石英巖的主要分布區域。


(2)石英砂巖


石英砂巖是由石英顆粒膠結而成的沉積巖,其二氧化硅含量高達95%。福建、廣東、廣西南部、海南西北部和山東北部沿海地區是石英砂巖礦床的主要分布區域。


(3)脈石英


脈石英是由地下巖漿分泌的硅熱液填充在巖石裂隙中而形成的,它的二氧化硅含量高達99%。四川、黑龍江、湖北等地的變質(zhì)巖區是脈石英礦床的主要分布區域。


預處理與加工


高純石英砂加工通常涉及煅燒-水淬-分級,磁選-浮選-酸浸-清洗,以及氯化焙燒等復雜工藝過(guò)程。


物理方法


物理方法主要是通過(guò)水洗—分級脫泥、擦洗、磁選和浮選等方法除去石英砂中的雜質(zhì),也可以聯(lián)合幾種工藝進(jìn)一步除雜。


1.水洗—分級脫泥


在石英砂選礦流程中,通常把粒度小于0.1mm的細粒級稱(chēng)為礦泥。針對還有大量黏土及礦泥的石英砂,隨著(zhù)粒度的變細,二氧化硅的品位逐漸降低,而鐵、鋁等雜質(zhì)反而上升。采用水洗—分級脫泥方法可有效提高其品位。


2.擦洗


對于石英砂表面的薄膜鐵和粘連性的雜質(zhì),水洗—分級脫泥的效果較差,這就需要借助機械力和砂粒之間的磨剝力來(lái)去除適應砂表面的薄膜鐵及粘連性雜質(zhì),在經(jīng)過(guò)分級脫泥就可以實(shí)現較好地除雜效果。


3.重選


重選是根據礦物重力的不同對礦物進(jìn)行篩選。礦物顆粒由于密度的不同在介質(zhì)中受流體力和機械力的影響不同,產(chǎn)生松散的分層,從而礦石顆粒被分離。


4.磁選


磁選是將石英砂中的磁性雜質(zhì)礦物和顆粒分離出來(lái)。石英砂中的石英是反磁性物質(zhì),在磁場(chǎng)中不能被磁化,而其中含Fe、Ti的雜質(zhì)大多是順磁性物質(zhì),可以被磁化,從而通過(guò)磁選可以除去含Fe、Ti的雜質(zhì),獲得很高的石英砂含量。


5.浮選


浮選是通過(guò)礦物顆粒表面上的不同物理和化學(xué)性質(zhì)對礦物顆粒進(jìn)行分離的過(guò)程,主要功能是從石英砂中除去相關(guān)的礦物云母和長(cháng)石。


物理選礦方法只能去除礦物結構類(lèi)的雜質(zhì),很少能除去石英砂表面的雜質(zhì)。石英砂越純利用價(jià)值越高,所以有必要進(jìn)一步提純浮選后的石英砂。


化學(xué)方法


提純石英砂的化學(xué)方法主要為酸浸法或堿浸法,因其浸出效率高也是最常用的。相對于物理方法,化學(xué)法的成本要高,但是提純效果要好,特別是對石英砂純度要求較高的情況下,化學(xué)提純更有效。


酸浸中常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。稀酸對鐵、鋁、鎂等雜質(zhì)去除效果好,而濃的硫酸、氫氟酸對鈦、鉻雜質(zhì)去除效果好,因此在實(shí)際選礦中,混合使用酸對石英砂的提純效果最佳。


與一般的礦物加工工程相比,高純石英砂加工工藝有如下特點(diǎn):


(1)試劑純度高。酸浸和水洗是高純石英砂加工工藝的重要環(huán)節。由于高純石英對純度要求極高,雜質(zhì)元素含量很低,所用酸和水等試劑純度必須達到相應要求,否則難以生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。


(2)試劑腐蝕強。熱酸浸在高純石英的提純加工中具有關(guān)鍵作用。石英的一個(gè)重要化學(xué)性能是耐酸蝕性能優(yōu)良,而礦石中的其他金屬雜質(zhì)成分一般耐酸蝕性差。在一定溫度條件下,這種作用更加明顯。高純石英加工所采用的酸浸工藝正是利用這個(gè)原理,實(shí)現化學(xué)提純。


(3)材料標準嚴。實(shí)踐證明,在高純石英提純加工中,凡與原料相接觸的容器等材料對樣品質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。嚴格控制高純石英砂各加工環(huán)節的材料標準是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。


其他方法


1.超聲波除鐵法


超聲波是一種高頻率震動(dòng),一般頻率≥20kHz,當其在溶液中會(huì )產(chǎn)生空化現象。在空化的過(guò)程中,液體內部的壓強突變,產(chǎn)生沖擊波,壓力能達到幾千甚至幾萬(wàn)個(gè)大氣壓。在這種作用力下,顆粒表面的鐵薄膜便會(huì )脫落下來(lái),從而達到除鐵等雜質(zhì)的目的。


2.微生物浸出法


微生物浸出是一種利用微生物的生理機能及其代謝產(chǎn)物經(jīng)氧化、溶解及分解等作用使石英砂表面的雜質(zhì)成分與石英母體分離的新型提純方法。


雖然微生物浸出具有更環(huán)保,更節能的除雜優(yōu)勢,但是其浸出時(shí)間長(cháng),浸出效率低等缺點(diǎn)制約了在工業(yè)上的應用。


深加工技術(shù)


隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)度,尤其是國內外IC技術(shù)發(fā)展迅速,對石英砂質(zhì)量的要求也不僅體現在純度方面,在細度等其他方面的要求也越來(lái)越高。目前深加工的主要方向為超細粉碎、球形化及改性這三方面。(1)超細粉碎


高純石英微粉作為填充材料已顯示出廣闊的應用前景,其具有介電性能優(yōu)異、導熱系數高、熱膨脹系數低,耐高溫、耐腐蝕、粒度分布可控、懸浮性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),在催化劑、高級磨料、精細化工等領(lǐng)域應用廣泛。


加工過(guò)程通常以高純石英砂為原料,經(jīng)熔融煅燒、超細磨、分級等工藝生產(chǎn)出合格的超細石英粉。


(2)球形化


將超細石英粉球形化一是可以使其表面流動(dòng)性好,與樹(shù)脂攪拌成膜更加均勻,由此生產(chǎn)的電子元件性能也越好;二是球形化形成的塑封料應力集中最小,強度較高,球形粉塑封料封裝的集成電路芯片成品率高;三是球形粉摩擦系數小,對模具產(chǎn)生的摩擦力小,可提高模具的使用壽命。


(3)表面改性


天然的石英微粉與高分子材料的親和能力差,作為填料時(shí)往往分散不均勻,甚至成團,對產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大,因此需對石英微粉進(jìn)行表面改性處理,使之具有反應活性。


表面改性的方法主要分為包裹改性、沉積改性、微膠囊改性、表面化學(xué)改性機械化學(xué)改性及高能處理改性。


寫(xiě)在最后


目前我國高純石英技術(shù)已經(jīng)取得一定進(jìn)展,主要標志是初步具有4N高純石英中端產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力,并基本掌握了高純石英質(zhì)量檢測技術(shù)。但是,我國目前還沒(méi)有4N8及以上高端產(chǎn)品生產(chǎn)能力,表明與國際先進(jìn)水平的差距依然很大。


目前在半導體行業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、光纖通信、光學(xué)玻璃工業(yè)中高純石英砂被廣泛應用,市場(chǎng)需求量越來(lái)越大,高純石英砂性能優(yōu)良,有廣闊的市場(chǎng)應用前景。對于高純石英砂行業(yè),不能安于現狀,仍要奮起直追,產(chǎn)學(xué)研要相結合,開(kāi)展高純石英原料選擇技術(shù)、加工工藝技術(shù)和加工裝備技術(shù)攻關(guān),為我國高純石英高端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。

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