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【高纯石英砂】选矿、加工技术现状总结
2020/02/10 点击 912 次

中国粉体网讯  高纯石英是高档石英制品的原料,是硅产业高端产品的物质基础,广泛运用于光伏、电子信息、光通讯和电光源等行业,在新材料新能源战略性新兴产业中具有重要地位和作用。

 

高纯石英砂是SiO2含量高于99.9%的石英砂,为白色粉末,无异色,杂质含量很低。它具有高的耐温性,极好的化学特性,优良的电绝缘性和透光性等,是高新技术产业不可替代的矿物原料。

 

石英原料选择

 

世界上只有少数几种原矿可以生产高纯度的石英砂用于高科技工业。我国硅石资源种类繁多,储存量大。石英岩、石英砂岩和脉石英是我国生产高纯石英砂的主要原材料。

 

(1)石英岩


石英岩是一种以石英为主的变质岩。它是由石英砂岩和硅质岩石变质作用形成的,其中二氧化硅含量在85%以上。青海、辽宁和陕西是石英岩的主要分布区域。


(2)石英砂岩


石英砂岩是由石英颗粒胶结而成的沉积岩,其二氧化硅含量高达95%。福建、广东、广西南部、海南西北部和山东北部沿海地区是石英砂岩矿床的主要分布区域。


(3)脉石英


脉石英是由地下岩浆分泌的硅热液填充在岩石裂隙中而形成的,它的二氧化硅含量高达99%。四川、黑龙江、湖北等地的变质岩区是脉石英矿床的主要分布区域。


预处理与加工

 

高纯石英砂加工通常涉及煅烧-水淬-分级,磁选-浮选-酸浸-清洗,以及氯化焙烧等复杂工艺过程。

 

物理方法

物理方法主要是通过水洗—分级脱泥、擦洗、磁选和浮选等方法除去石英砂中的杂质,也可以联合几种工艺进一步除杂。

 

1.水洗—分级脱泥

在石英砂选矿流程中,通常把粒度小于0.1mm的细粒级称为矿泥。针对还有大量黏土及矿泥的石英砂,随着粒度的变细,二氧化硅的品位逐渐降低,而铁、铝等杂质反而上升。采用水洗—分级脱泥方法可有效提高其品位。

 

2.擦洗

对于石英砂表面的薄膜铁和粘连性的杂质,水洗分级脱泥的效果较差,这就需要借助机械力和砂粒之间的磨剥力来去除适应砂表面的薄膜铁及粘连性杂质,在经过分级脱泥就可以实现较好地除杂效果。

 

3.重选

重选是根据矿物重力的不同对矿物进行筛选。矿物颗粒由于密度的不同在介质中受流体力和机械力的影响不同,产生松散的分层,从而矿石颗粒被分离。

 

4.磁选

磁选是将石英砂中的磁性杂质矿物和颗粒分离出来。石英砂中的石英是反磁性物质,在磁场中不能被磁化,而其中含Fe、Ti的杂质大多是顺磁性物质,可以被磁化,从而通过磁选可以除去含Fe、Ti的杂质,获得很高的石英砂含量。


5.浮选

浮选是通过矿物颗粒表面上的不同物理和化学性质对矿物颗粒进行分离的过程,主要功能是从石英砂中除去相关的矿物云母和长石。

 

物理选矿方法只能去除矿物结构类的杂质,很少能除去石英砂表面的杂质。石英砂越纯利用价值越高,所以有必要进一步提纯浮选后的石英砂。


化学方法


提纯石英砂的化学方法主要为酸浸法或碱浸法,因其浸出效率高也是最常用的。相对于物理方法,化学法的成本要高,但是提纯效果要好,特别是对石英砂纯度要求较高的情况下,化学提纯更有效。


酸浸中常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。稀酸对铁、铝、镁等杂质去除效果好,而浓的硫酸、氢氟酸对钛、铬杂质去除效果好,因此在实际选矿中,混合使用酸对石英砂的提纯效果最佳。

 

与一般的矿物加工工程相比,高纯石英砂加工工艺有如下特点:

 

(1)试剂纯度高。酸浸和水洗是高纯石英砂加工工艺的重要环节。由于高纯石英对纯度要求极高,杂质元素含量很低,所用酸和水等试剂纯度必须达到相应要求,否则难以生产出合格产品。

 

(2)试剂腐蚀强。热酸浸在高纯石英的提纯加工中具有关键作用。石英的一个重要化学性能是耐酸蚀性能优良,而矿石中的其他金属杂质成分一般耐酸蚀性差。在一定温度条件下,这种作用更加明显。高纯石英加工所采用的酸浸工艺正是利用这个原理,实现化学提纯。

 

(3)材料标准严。实践证明,在高纯石英提纯加工中,凡与原料相接触的容器等材料对样品质量产生明显影响。严格控制高纯石英砂各加工环节的材料标准是保证质量的关键。

 

其他方法

 

1.超声波除铁法

超声波是一种高频率震动,一般频率≥20kHz,当其在溶液中会产生空化现象。在空化的过程中,液体内部的压强突变,产生冲击波,压力能达到几千甚至几万个大气压。在这种作用力下,颗粒表面的铁薄膜便会脱落下来,从而达到除铁等杂质的目的。

 

2.微生物浸出法

微生物浸出是一种利用微生物的生理机能及其代谢产物经氧化、溶解及分解等作用使石英砂表面的杂质成分与石英母体分离的新型提纯方法。

虽然微生物浸出具有更环保,更节能的除杂优势,但是其浸出时间长,浸出效率低等缺点制约了在工业上的应用。


深加工技术


随着科学技术的不断进度,尤其是国内外IC技术发展迅速,对石英砂质量的要求也不仅体现在纯度方面,在细度等其他方面的要求也越来越高。目前深加工的主要方向为超细粉碎、球形化及改性这三方面。


(1)超细粉碎

高纯石英微粉作为填充材料已显示出广阔的应用前景,其具有介电性能优异、导热系数高、热膨胀系数低,耐高温、耐腐蚀、粒度分布可控、悬浮性能好等诸多优点,在催化剂、高级磨料、精细化工等领域应用广泛。

 

加工过程通常以高纯石英砂为原料,经熔融煅烧、超细磨、分级等工艺生产出合格的超细石英粉。

 

(2)球形化

将超细石英粉球形化一是可以使其表面流动性好,与树脂搅拌成膜更加均匀,由此生产的电子元件性能也越好;二是球形化形成的塑封料应力集中最小,强度较高,球形粉塑封料封装的集成电路芯片成品率高;三是球形粉摩擦系数小,对模具产生的摩擦力小,可提高模具的使用寿命。

 

(3)表面改性

天然的石英微粉与高分子材料的亲和能力差,作为填料时往往分散不均匀,甚至成团,对产品的质量影响较大,因此需对石英微粉进行表面改性处理,使之具有反应活性。

 

表面改性的方法主要分为包裹改性、沉积改性、微胶囊改性、表面化学改性机械化学改性及高能处理改性。

 

写在最后

 

目前我国高纯石英技术已经取得一定进展,主要标志是初步具有4N高纯石英中端产品的批量生产能力,并基本掌握了高纯石英质量检测技术。但是,我国目前还没有4N8及以上高端产品生产能力,表明与国际先进水平的差距依然很大。

 

目前在半导体行业、光伏产业、光纤通信、光学玻璃工业中高纯石英砂被广泛应用,市场需求量越来越大,高纯石英砂性能优良,有广阔的市场应用前景。对于高纯石英砂行业,不能安于现状,仍要奋起直追,产学研要相结合,开展高纯石英原料选择技术、加工工艺技术和加工装备技术攻关,为我国高纯石英高端产品产业化提供技术支撑。

 

参考来源

汪灵等.中国高纯石英技术现状与发展前景

吴逍.高纯石英原料选择评价及提纯工艺研究

石钰等.高纯石英砂的制备及应用研究进展

范培强等.国内高纯石英砂选矿与深加工研究现状


(中国粉体网编辑整理/漫道)

注:图片来源于网络,存在侵权告知删除!

(来源:中国粉体网)


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