馬進(jìn)海，馬文智

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心青海總隊(duì)，青海 西寧 810008）

高品級(jí)硅微粉選礦試驗(yàn)研究

馬進(jìn)海，馬文智

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心青?？傟?duì)，青海 西寧 810008）

本文對(duì)青海某地石英巖礦通過(guò)破碎、超細(xì)粉碎、分級(jí)、擦洗、磁選、酸洗等一系列提純工藝進(jìn)行了選礦和化學(xué)提純?cè)囼?yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明SiO2含量達(dá)到99.97%，雜質(zhì)Fe2O3≤0.011%、Al2O3≤0.031%，達(dá)到高純硅微粉的要求。

石英巖；硅微粉；提純?cè)囼?yàn)

1 概述

1.1 硅微粉簡(jiǎn)介

高純硅微粉具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣耐壓能力(擊穿電壓達(dá)32～34kV/mm)以及低的體膨脹系數(shù)等特殊性質(zhì)，應(yīng)用范圍十分廣泛，在電子信息產(chǎn)業(yè)、電力工業(yè)、涂料工業(yè)、輕工業(yè)等許多方面都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于SiO2具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是集成電路、微電子產(chǎn)品、塑封材料優(yōu)選的填充料，也是電力輸送變電設(shè)備干式化灌封材料的主要填充料。用高純硅微粉作填充料的塑封和灌封材料，可以使封裝后的產(chǎn)品具有良好的抗溫度變化，變形極小和高的絕緣耐壓能力等突出特點(diǎn)。

按硅微粉的制造工藝及使用性能的不同，又可將其分為結(jié)晶型硅微粉及熔融型硅微粉。結(jié)晶型硅微粉主要用于電子產(chǎn)品，熔融型硅微粉主要用于微電子產(chǎn)品。

結(jié)晶型硅微粉與熔融型硅微粉在生產(chǎn)工藝中的唯一不同是熔融型硅微粉需要在破碎前將石英放入熔融爐中煉制成為熔融石英，再破碎(粉碎)成熔融石英粉。工藝過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 高純硅微粉的加工工藝流程

1.2 石英巖開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

硅石是硅質(zhì)原料的統(tǒng)稱(chēng)，包括石英砂巖、石英巖、脈石英、交代硅質(zhì)角巖和石英砂等。石英巖中，SiO2含量在98%以上，有極佳的耐火性和耐酸性，熔點(diǎn)1 730℃，熔融體冷卻后變?yōu)槭⒉ＡВY(jié)晶體石英為水晶，具有透過(guò)紫外光能力及壓電性。

石英巖礦在我國(guó)儲(chǔ)量非常大，西部的青海、四川、陜西及甘肅等省都有分布，特別在青海省的大通娘娘山—湟中李家山等地礦山儲(chǔ)量巨大，開(kāi)采價(jià)值高。目前，石英巖主要應(yīng)用于冶金、玻璃、陶瓷、建筑、化學(xué)等行業(yè)。

我國(guó)石英巖原料豐富，但目前綜合利用程度還較低，效益較差。今后應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作：①加強(qiáng)對(duì)硅石礦中伴生的有益組分的回收；②致力于開(kāi)發(fā)高純石英99.99%產(chǎn)品，該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于光導(dǎo)纖維，可使產(chǎn)品大幅度增值；③致力于開(kāi)發(fā)多功能石英巖產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行表面處理可使石英產(chǎn)品用途擴(kuò)大，增值增效；④形成石英巖產(chǎn)品規(guī)?；⑾盗谢_(kāi)發(fā)營(yíng)運(yùn)機(jī)制。

2 試驗(yàn)方法

2.1 提純樣品的選取

提純?cè)囼?yàn)樣品的選擇本著經(jīng)濟(jì)、可行、易行的原則。(1) 化學(xué)分析：盡量選取SiO2含量較高的樣品。(2) 石英晶體大?。哼x取石英晶體顆粒較大的石英巖樣品。

(3) 雜質(zhì)成分及含量：對(duì)于選取的晶體顆粒較大的石英巖，首先根據(jù)所含雜質(zhì)的賦存狀態(tài)、雜質(zhì)成分等進(jìn)行篩選，優(yōu)先選取雜質(zhì)賦存于晶粒之間(或晶面)且其在當(dāng)前提純工藝下易于剔除的樣品(圖2)。然后對(duì)于雜質(zhì)多賦存于晶體內(nèi)部的，應(yīng)根據(jù)其內(nèi)所含雜質(zhì)及包裹體大小等進(jìn)行分析，優(yōu)先選取包裹體顆粒較大(＞300目)石英巖樣品(圖3)。

圖2 賦存于晶面的云母雜質(zhì)

圖3 晶體中的氣液包裹體

通過(guò)以上原則，本次試驗(yàn)在大通娘娘山—湟中李家山一帶某地選取了3個(gè)SiO2＞99.0%的樣品進(jìn)行了提純研究試驗(yàn)，樣品編號(hào)分別為H01、H02、H03，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 樣品化學(xué)分析結(jié)果(%)

2.2 提純工藝的選取

根據(jù)顯微分析結(jié)果，石英巖所含的雜質(zhì)主要有：晶粒間的填隙物、云母晶片、不透明鐵質(zhì)類(lèi)包裹體、氣液包裹體。根據(jù)試驗(yàn)樣品所含雜質(zhì)及其特性，本次提純?cè)囼?yàn)選用酸洗和磁選工藝進(jìn)行提純研究。

3 提純?cè)囼?yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

3.1.1 加工

(1) 粗碎：先將大塊石英巖原料破碎成拳頭大小，將破碎后的石英放進(jìn)加熱爐里，在800℃左右保溫半小時(shí)。然后，將火熱的石英放進(jìn)冷水內(nèi)進(jìn)行水淬處理，處理后的石英或風(fēng)干或放進(jìn)烘箱里烘干。烘干后的石英已經(jīng)十分疏松，可以利用鄂式破碎機(jī)和圓盤(pán)磨把它破碎成后續(xù)粉碎機(jī)所需粒度大小。

(2) 粉磨與超細(xì)粉碎：石英巖的粉磨采用了干法工藝：干法粉磨是將粗碎后的石英裝有合適級(jí)配鐵球的球磨機(jī)里，石英和鐵球保持適當(dāng)?shù)谋壤?，粉磨時(shí)間在3h左右。粉磨后的石英粉體其粒度約在200～300目之間。干法粉磨速度快，方便。超細(xì)粉碎采用昊泰公司的蒸汽超細(xì)粉碎機(jī)。該機(jī)以熱電廠(chǎng)的廢蒸汽為動(dòng)力，也可以自己燒蒸汽，動(dòng)力成本低。內(nèi)襯為鐵質(zhì)材料，生產(chǎn)能力高，生產(chǎn)的產(chǎn)品品種多，產(chǎn)品粒度最低可達(dá)2μm。

3.1.2 磁選和酸洗試驗(yàn)

(1) 在酸洗之前，先要對(duì)石英粉體進(jìn)行磁選，具體過(guò)程是把石英粉用去離子水混成漿體，到插入有磁棒的容器中攪拌，然后取出磁棒，除去表面的吸附物后再插入容器中攪拌，反復(fù)幾次，直到磁棒上沒(méi)有吸附物為止。這樣不但可除去一些難以酸洗掉的如云母這樣低磁性礦物，而且可節(jié)約酸，使酸洗的效果更好。

(2) 按照約10g石英粉末/100mL硫酸溶液(20%)的比例進(jìn)行酸洗，控制酸洗液的溫度約90～100℃左右，酸洗約4h。

(3) 將石英粉末過(guò)濾后，再進(jìn)行一次酸洗，仍控制酸洗液的溫度約90～100℃，酸洗約4h。如用含碳的鋼球磨設(shè)備粉磨樣品，則需在第一次酸洗、過(guò)濾以后，將樣品在500～700℃熱處理2h以除去碳，再進(jìn)行第二次酸洗。

(4) 停止加熱，靜置10min，倒去上部綠色清液，用蒸餾水多次洗濾至濾液pH值為7左右，干燥、封裝、備用。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)提純研究試驗(yàn)，所選的3個(gè)樣品的SiO2含量提至99.9%以上，最大提純幅度可達(dá)0.95%，F(xiàn)e2O3＜0.01%，Al2O3＜0.031%(詳見(jiàn)表2)。樣品提純后，可達(dá)電子級(jí)高純硅微粉的要求，試驗(yàn)結(jié)果理想。

表2 三次酸洗后石英粉的化學(xué)成分(%)

4 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)勘查部門(mén)對(duì)石英巖的地質(zhì)勘查工作主要側(cè)重于對(duì)化學(xué)成分的了解，從有益、有害化學(xué)成分含量的高低對(duì)石英巖進(jìn)行評(píng)價(jià)，青海探明的石英巖也僅針對(duì)用于普通玻璃、硅鐵及碳化硅等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)，少量用于有機(jī)硅、金屬硅等領(lǐng)域。

由于我國(guó)電光源、電子工業(yè)、半導(dǎo)體、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域的高速發(fā)展而對(duì)高純石英需求量增加，未來(lái)在石英巖勘查中除查明礦區(qū)礦體形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀及礦石類(lèi)型、質(zhì)量變化、開(kāi)采技術(shù)條件等，還應(yīng)詳細(xì)研究礦物結(jié)晶形態(tài)、大小及鐵質(zhì)礦物的賦存狀態(tài)、變化規(guī)律，包裹體的性質(zhì)、大小、數(shù)量以及對(duì)礦石質(zhì)量的影響，其他雜質(zhì)礦物的大小、數(shù)量及賦存狀態(tài)等，進(jìn)行可選性試驗(yàn)，從而做出開(kāi)發(fā)利用可行性的評(píng)價(jià)與分析。

TD973.3

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2011-10-17