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高純石英砂的選礦、加工技術現狀總結

2021-05-12 18:38:54 點擊數:

高純石英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。


高純石英砂是SiO2含量高于99.9%的石英砂,為白色粉末,無異色,雜質含量很低。它具有高的耐溫性,極好的化學特性,優良的電絕緣性和透光性等,是高新技術產業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高純度的石英砂用于高科技工業。我國硅石資源種類繁多,儲存量大。石英巖、石英砂巖和脈石英是我國生產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巖。它是由石英砂巖和硅質巖石變質作用形成的,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程。


物理方法


物理方法主要是通過水洗—分級脫泥、擦洗、磁選和浮選等方法除去石英砂中的雜質,也可以聯合幾種工藝進一步除雜。


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的細粒級稱為礦泥。針對還有大量黏土及礦泥的石英砂,隨著粒度的變細,二氧化硅的品位逐漸降低,而鐵、鋁等雜質反而上升。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,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去除適應砂表面的薄膜鐵及粘連性雜質,在經過分級脫泥就可以實現較好地除雜效果。


3.重選


重選是根據礦物重力的不同對礦物進行篩選。礦物顆粒由于密度的不同在介質中受流體力和機械力的影響不同,產生松散的分層,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礦物和顆粒分離出來。石英砂中的石英是反磁性物質,在磁場中不能被磁化,而其中含Fe、Ti的雜質大多是順磁性物質,可以被磁化,從而通過磁選可以除去含Fe、Ti的雜質,獲得很高的石英砂含量。


5.浮選


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。


物理選礦方法只能去除礦物結構類的雜質,很少能除去石英砂表面的雜質。石英砂越純利用價值越高,所以有必要進一步提純浮選后的石英砂。


化學方法


提純石英砂的化學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、鎂等雜質去除效果好,而濃的硫酸、氫氟酸對鈦、鉻雜質去除效果好,因此在實際選礦中,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:


(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節。由于高純石英對純度要求極高,雜質元素含量很低,所用酸和水等試劑純度必須達到相應要求,否則難以生產出合格產品。


(2)試劑腐蝕強。熱酸浸在高純石英的提純加工中具有關鍵作用。石英的一個重要化學性能是耐酸蝕性能優良,而礦石中的其他金屬雜質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原理,實現化學提純。


(3)材料標準嚴。實踐證明,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量產生明顯影響。嚴格控制高純石英砂各加工環節的材料標準是保證質量的關鍵。


其他方法


1.超聲波除鐵法


超聲波是一種高頻率震動,一般頻率≥20kHz,當其在溶液中會產生空化現象。在空化的過程中,液體內部的壓強突變,產生沖擊波,壓力能達到幾千甚至幾萬個大氣壓。在這種作用力下,顆粒表面的鐵薄膜便會脫落下來,從而達到除鐵等雜質的目的。


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物經氧化、溶解及分解等作用使石英砂表面的雜質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保,更節能的除雜優勢,但是其浸出時間長,浸出效率低等缺點制約了在工業上的應用。


深加工技術


隨著科學技術的不斷進度,尤其是國內外IC技術發展迅速,對石英砂質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點,在催化劑、高級磨料、精細化工等領域應用廣泛。


加工過程通常以高純石英砂為原料,經熔融煅燒、超細磨、分級等工藝生產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性好,與樹脂攪拌成膜更加均勻,由此生產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,作為填料時往往分散不均勻,甚至成團,對產品的質量影響較大,因此需對石英微粉進行表面改性處理,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、表面化學改性機械化學改性及高能處理改性。


寫在最后


目前我國高純石英技術已經取得一定進展,主要標志是初步具有4N高純石英中端產品的批量生產能力,并基本掌握了高純石英質量檢測技術。但是,我國目前還沒有4N8及以上高端產品生產能力,表明與國際先進水平的差距依然很大。


目前在半導體行業、光伏產業、光纖通信、光學玻璃工業中高純石英砂被廣泛應用,市場需求量越來越大,高純石英砂性能優良,有廣闊的市場應用前景。對于高純石英砂行業,不能安于現狀,仍要奮起直追,產學研要相結合,開展高純石英原料選擇技術、加工工藝技術和加工裝備技術攻關,為我國高純石英高端產品產業化提供技術支撐。

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