高纯石英砂工艺流程分析研究

摘要：文章采用硅石通过原矿分选、焙烧、水淬、破碎、磁选、酸浸、浮选、烘焙等工艺制备高纯石英砂，分别对各工艺段实施数据采集，通过分析数据，并进行了有益探讨，得出了相关结论，对生产企业优化工艺流程和提高产品品质提供了保障。

硅石的化学成分是二氧化硅，其物理性质和化学性质十分稳定，是一种重要的工业矿物原料，用途十分广泛，经加工的粉料可应用在玻璃制造、机械铸造、陶瓷、化工、橡胶以及耐火材料上。纯度高的硅石经过提纯所制的高纯石英砂则可应用于电子技术、航空航天、光纤通信以及军工等领域，随着这些领域的发展，对高纯石英砂的要求也越来越高，且需求量也越来越大，我国每年需进口大量的高纯石英砂。因此，不断改进提纯技术，研究提纯工艺，获得高纯石英砂，是满足高新技术产业对高纯石英砂需求的有效途径。本研究通过对某石英企业生产高纯石英砂的工艺流程进行了跟踪，旨在通过采集数据，研究机理，为企业优化工艺流程和保证产品品质提供保障。

1、硅石性质

本研究所用硅石为国内某地脉石英矿，硅石为块状，形态各异，较大块径在400mm左右，大小不等，乳白色，呈半透明状，石英颗粒细小，晶形较好。岩矿鉴定表明，含有少量杂质矿物，主要是泥石、黄铁矿、赤铁矿、长石、云母、粘土质胶结物等；在显微镜下观察，硅石中含有一些包裹体，主要以气相和气-液相为主，呈条带状分布。

2、工艺流程及结果分析

企业生产主要工艺流程如图1所示。原矿硅石经水清洗人工敲碎分选，将合格石英料投入焙烧炉中，在850℃-980℃温度下焙烧6个小时，焙烧后将石英料拖入清水中进行水淬，再经人工拣选出去除杂质后送入破碎机进行破碎并过筛，再将通过筛网的石英砂送入磁选机，磁选后石英砂投入到配有HCl和HF混合酸的酸缸中浸泡一周，再经浮选、脱水、烘焙、冷却、包装，制得高纯石英砂。根据工艺流程我们分别对某些工艺段进行跟踪，采集样品（取样点见图1），所取样品通过ICP检测，并对数据进行分析，以下对各工艺进行分析。

2.1 焙烧和水淬

硅石内有大量的裂隙，除石块表面外，杂质大多分布于裂隙与晶界间，随着温度的升高，杂质与石英颗粒的膨胀系数不一致，就会产生裂纹，而晶体内的固态包裹体，也因为与石英基体膨胀系数不一致，会产生裂纹。当温度加热至900℃左右时，石英晶型发生转变，由α-石英在573℃转化为β-石英，到870℃时β-石英再转变成β-鳞石英，此时由于石英晶体结构发生剧烈变化，晶体体积膨胀较大，促使晶内杂质进一步暴露，当焙烧过的硅石侵入冷却水中进行水淬时，石英颗粒变得更加松散，沿杂质与石英基体爆碎，有利于杂质的暴露和破碎。从表1数据可知，焙烧水淬后（取样点b）Fe、Ni、Cr、Cu、Al、K等杂质元素相比焙烧前（取样点a），均有不同程度的下降，其中Fe、Ni、Cr下降明显，Cu、Al、K等也略有下降，主要是因为铁质类杂质和表皮脏物在焙烧和水淬过程中得到了有效去除。而Na、Mg、Ca等杂质元素却有上升，这是因为用于水淬的冷却水中Na、Mg、Ca等杂质元素过高以及空气中粉尘未能有效排出有关。

表1 各工艺段杂质元素分析（mg/kg）

取样点/含量/杂质元素	Al	Li	Na	K	Ca	Mg	Fe	Cu	Ba	Ti	Ni	Zn	Cr
a	48.7	1.96	3.08	5.89	11.4	2.31	765.3	1.74	0.46	5.05	35.4	0.55	69.7
b	43.4	2.10	8.91	3.27	33.3	W5.67	220.2	0.67	0.56	5.01	9.40	0.62	19.3
c	41.6	1.94	6.52	3.12	15.9	2.79	107.2	0.04	0.42	3.96	0.11	0.12	0.32
d	41.4	1.93	7.51	3.97	14.4	3.63	20.15	0.04	0.43	3.86	0.77	0.19	0.44
e	22.6	1.81	1.99	0.24	0.45	-	0.38	-	0.07	3.80	0.03	-	0.06
f	21.6	1.83	2.73	0.37	0.34	-	0.31	-	0.06	3.82	-	-	0.03
g	21.2	1.85	2.60	0.53	0.37	-	0.35	-	0.08	3.90	-	-	0.03

2.2 磁选

磁选是利用各种矿石或物料的磁性差异，在磁力及其他力作用下进行选别的过程，磁选可以除去含铁类强磁性物质，也可以除去弱磁性物质。本次研究所采用的是高梯度强磁选机，工作时磁场强度在1500kA/m以上。根据表1的数据分析得出，磁选后（取样点d）Fe元素相比磁选前（取样点c）有大幅下降，由107.2mg/kg下降至20.15mg/kg；Ni也略有下降，由0.11mg/kg下降至0.07mg/kg。而其他杂质元素基本保持不变，说明本工艺对于去除杂质元素Fe的效果是相当显著的。

2.3 酸浸

酸浸是高纯石英砂提纯工艺中的重要工序之一，无论是制备电光源用石英玻璃，还是用于制备光伏以及半导体器件用的石英原料，都需要采用的工序。本工艺主要是为了去除溶于酸的金属氧化物和部分硅酸盐矿物。在经历焙烧水淬、拣选、强磁选后，大多数氧化物及杂质矿物已被去除，但还有部分氧化物及杂质矿物处在晶界、微裂隙及晶体内，去除有些困难，因此采用长时间的酸浸，以去除此类杂质。本工序采用一定比例的HCl和HF的混合酸进行浸泡，浸泡时间为6天。根据表1数据可知，酸浸后（取样点e）相比酸浸前（取样点d）各杂质元素均有下降，其中Al从41.4mg/kg下降至22.6mg/kg，Fe由20.15mg/kg下降至0.38mg/kg，Na由7.51mg/kg下降至1.99mg/kg，K由3.97mg/kg下降至0.24mg/kg，Ca由14.4mg/kg下降至0.45mg/kg，Mg由3.63mg/kg下降至超出检测限。以上可以说明，酸浸对于去除有害杂质效果非常明显。

2.4 浮选

浮选是根据矿物颗粒表面物理化学性质的不同，按矿物可浮性的差异进行分选的方法。矿物可浮选性的较直观标志就是矿物被水润湿的程度，即疏水性与亲水性的关系。然而影响矿物浮选行为的因素众多，其中较重要的因素之一就是矿物的结构，印万忠等人研究表明，硅酸盐矿物浮选特性与不同结构矿物解离后表面电性、离子组成、化学键种类等因素有关。Fuerstenau DW认为，硅酸盐矿物的疏水与亲水性在本质上与结晶化学有关，利用这种关系给硅酸盐矿物的浮选处理提供了一定的选择。石英中的杂质多以长石、含铁矿物和云母等为主要对象，对此在本工序中，将酸浸清洗好的石英砂配比一定的水投入到浮选机中，采用阴离子捕收剂油酸钠浮选体系，矿浆温度控制在40℃-50℃，浮选好的石英砂用去离子水清洗至中性，得到表1所示数据，从中可知，浮选后（取样点f）各杂质元素相比浮选前（取样点e），Al由22.6mg/kg下降至21.6mg/kg，而Na和K略有上升，总体效果不是很明显，主要是由于前几段工序中，硅石表面、裂隙、晶界及晶体内杂质去除干净，而晶格中杂质则难以去除，比如Al。然而Na和K的升高可能是因为浮选过程中含Na的捕收剂的影响以及未能清洗干净造成的。

2.5 烘焙

石英砂浮选清洗后进行脱水，再投入到烘焙管中，冷却装袋。从表1的数据可知，各杂质元素含量变化不大，主要是因为本工序是在单独的车间中进行，并安装大功率除尘装置，因此有效杜绝来自空气中粉尘的二次污染。

3、提纯工艺建议

如前所述，根据对提纯工艺流程的考查以及企业现场生产效果的分析，为进一步改进工艺流程，确保产品品质，分别从技术和管理两个方面进行探讨。

3.1 技术方面

在整个工艺流程中，杂质元素Fe、Cr、Ni、Na、K、Ca、Mg、Cu等下降较大，这是因为在焙烧水淬、磁选、酸浸工序中得到了有效去除。Al在经历一系列提纯工序之后，去除效果有限，这主要是因为Al³⁺进入晶格替代Si⁴⁺、而且离子半径也比较接近，不易提纯，类似的还有Ti⁴⁺、B³⁺、P³⁺等，因此，我们可以看到杂质元素Ti处于比较稳定状态，只在焙烧水淬之后处于晶界及裂隙上的得到部分去除，剩下在晶格内的不易去除。Li比较活泼，且半径很小，容易进入晶格间隙中，也容易扩散出去，总体去除效果不佳。因此，为提高产品质量，在采购原矿硅石时，应增加原石的化学成分检验，对于含Al、Ti、Li、B、P等杂质元素含量较高，K、Na等杂质元素含量过高的，应放弃采购。同时，笔者注意到，在焙烧水淬和浮选清洗之后，Na、Mg、Ca等杂质元素变化较大，含量不稳定，这可能是与水淬用冷却水和清洗水的水质有关，建议企业增加水处理设备，将水淬冷却水改为电阻率在15MΩ·m以上的去离子水，浮选之后清洗用水改为电阻率在18MΩ·m以上的去离子水。

另外，笔者也注意到，在磁选车间、酸洗车间、浮选车间和烘焙车间，建议应加装大功率排尘装置，如有条件的话，将这些车间改装为至少十万级以上超净间，这样可有效解决本环节出现的不确定因素。因为石英在经过溶液表面荷电过程，易吸附与表面荷电相异的有机极性物质，而且在电、磁和加热过程中，石英砂表面易产生静电，吸附空气中的异电粒子，从而造成加工过程的二次污染。

3.2 管理方面

从企业生产现场可以看到，高纯石英砂提纯生产线自动化程度低，从原矿分选、破碎、酸洗、浮选到烘焙整个工艺流程需要用到大量人工，对于生产型企业来讲会存在很多不确定因素，对人员素质要求较高，因此要求企业加强生产管理，加强人员培训，组织实施标准化管理，对于稳定产品质量是很有益的。

4、结语

（1）采用硅石通过原矿分选、焙烧、水淬、破碎、磁选、酸浸、浮选、烘焙等工艺制备高纯石英砂，对于满足高新技术产业对高纯石英砂的需求，推动高纯石英砂提纯技术进步和企业发展意义重大。

（2）通过采集数据，分析工艺流程，对各工序加工技术分别作了分析研究和有益探讨，为优化工艺流程以及保证产品品质提供了保障基础。

（3）根据工艺流程，分析各工艺段数据，建议增加原矿石的检验、增加水处理设备以及加装排尘装置或改装超净车间，以利于从技术上提高产品质量。

（4）根据企业现场生产情况，提出加强生产管理，借助管理手段稳定产品质量。