石英玻璃、超白玻璃、光學(xué)玻璃等行業(yè)的主要原料為PPM 級高純石英砂, 尤其是石英玻璃行業(yè),100 %使用高純石英砂進(jìn)行生產(chǎn)。因用戶(hù)對玻璃制品的使用環(huán)境要求苛刻, 有的要求同時(shí)耐高溫、耐腐蝕、極低的雜質(zhì)含量(石英玻璃行業(yè))和極高的透光率、極低的微觀(guān)缺陷等(超白玻璃、光學(xué)玻璃行業(yè)),故上述行業(yè)對其主要原料高純石英砂提出了極其嚴格的要求, 主要體現在下述3 個(gè)方面:
1)化學(xué)成份:基本要求為13 項金屬雜質(zhì)元素的合量不超過(guò)50ppm , 即:Σ(Al 、Fe 、Li 、Ca 、Mg 、K 、Na 、Ti 、Cu 、Mn 、Co 、Ni 、B)≤50 ppm;
2)氣液雜質(zhì)含量:主要體現在以[OH-] 表征的高溫環(huán)境下放出的氣體含量, 要求≤15 ppm ;
3)粒度級配:+0.5 mm =0 ;0 .5 ～ 0 .3 mm ≤1 .0 %;0 .3 ～ 0 .074 mm ≥98 .0 %;-0 .074 mm ≤1 .0 %。
為了達到高純石英砂的上述基本要求, 國內高純砂生產(chǎn)行業(yè)只能采用水晶等高品級硅質(zhì)資源進(jìn)行加工, 但這類(lèi)資源的儲量十分稀少, 價(jià)格昂貴, 無(wú)法形成規?；a(chǎn), 質(zhì)量也極不穩定, 無(wú)法滿(mǎn)足國內相關(guān)行業(yè)的需求。為此, 上述高級玻璃行業(yè)只能從美國UN IMIN 等少數幾家公司進(jìn)口高純石英砂, 不僅花費大量外匯不算, 還直接制約了其下游行業(yè)技術(shù)水平的提高。此點(diǎn)在電子石英玻璃行業(yè)的表現尤其突出:因為高品質(zhì)的石英玻璃制品的質(zhì)量問(wèn)題, 在一定程度上制約大規模集成電路、微電子芯片等行業(yè)的國產(chǎn)化發(fā)展水平。
為解決行業(yè)發(fā)展的上述難題, 降低對水晶資源的依賴(lài)程度, 以脈石英資源為對象進(jìn)行研究, 分別從粒度級配控制、選礦提純、高溫氧化煅燒、脫羥基水-脫氣液雜質(zhì)等方面進(jìn)行選礦試驗, 取得了階段性成果。
1 選礦試驗研究
1 .1 原礦性質(zhì)
本研究利用國內某地脈石英礦進(jìn)行, 原礦為塊狀,DMax ≈300 mm , 乳白色, 油脂光澤, 呈半透明狀。巖礦鑒定表明, 微量雜質(zhì)礦物主要有:長(cháng)石、褐鐵礦、云母、泥石、鋰輝石、電氣石、粘土質(zhì)膠結物等;另外,顯微鏡下觀(guān)察, 原礦中含有較多的包裹體, 其種類(lèi)包括固相、氣相、液相、氣-液相、固-液-氣三相, 主要以氣-液相為主(占約90 %);包裹體的微量成份復雜,但主要由H2O 、CO2 組成(占約80 %)。其原礦化學(xué)成份分析結果見(jiàn)表1 。
 1 .2 選礦試驗
1 .2 .1 煅燒-水淬-粉碎試驗
該脈石英礦質(zhì)地堅硬, 莫氏硬度為6 .85 , 直接破碎(粉碎), 會(huì )產(chǎn)生較多的細粉(-0 .074 mm), 俗稱(chēng)“過(guò)粉碎” ;粉碎過(guò)程中也會(huì )摻入較多的鐵、錳、鉻質(zhì)(同粉碎用顎板等材質(zhì)有關(guān)), 在一定程度上影響最終精砂的品質(zhì)。為此, 利用α和β 石英急劇轉變時(shí)的體積自膨脹效應, 對原礦進(jìn)行了煅燒-水淬。試驗在煅燒水淬爐中進(jìn)行, 試驗溫度為850 ～ 1050℃, 試驗流程見(jiàn)圖1 , 原礦直接粉碎和煅燒-水淬后粉碎樣品檢測比較結果見(jiàn)表2 。
煅燒-水淬試驗結果表明, 煅燒水淬后, 脈石英變得疏松易碎, 減少了粉碎過(guò)程中的粗顆粒返回次數,過(guò)粉碎率降低了10.90 %;另外, [OH-] 含量有所減少, 為下步脫羥基、脫氣打下基礎。
1.2.2 分級-磁選-浮選試驗
試驗流程見(jiàn)圖2 , 試驗結果見(jiàn)表3 。
1)水力分級:為便于熔化和在高溫下的脫氣外排, 高純石英砂嚴格控制-0 .074 mm 在1 %以?xún)?因控制粒度較細(-200 目), 常規的篩分難以滿(mǎn)足要求, 試驗采用自行研發(fā)的Υ125 mm 水力分級機進(jìn)行, 試驗基本條件為:給礦量:15 .6 kg/h , 上升水量為:220 L/h 。分級試驗表明:水力分級是控制高純石英砂粒度下限的有效手段, 適當調整上升水量等分級參數,就可將-0 .074 mm 含量控制在1%以?xún)取?/span>
 2)磁選:試驗采用XCSQ-50×70 電磁磁選機進(jìn)行, 磁場(chǎng)強度中磁控制在:300 mT , 強磁控制在:1000 mT 。分級沉砂經(jīng)過(guò)強磁選后, 磁選精砂的Fe含量減少至36.5 ppm 。
3)浮選:巖礦鑒定分析結果表明, 脈石英原礦中含有少量長(cháng)石、云母、綠泥石、鋰輝石、電氣石、粘土質(zhì)膠結物等含Al 較高的鋁質(zhì)硅酸鹽礦物, 比較石英和上述高鋁質(zhì)硅酸鹽礦物等雜質(zhì)的比重、磁性、電性的差異可知, 這幾種礦物的性質(zhì)十分接近, 再加之其嵌布粒度也十分接近, 因此目前在石英砂行業(yè)中常用的重選、磁選、分級等方法無(wú)法將其分離;但石英礦物與雜質(zhì)礦物的晶體結構、分子構成不同, 表面性質(zhì)各異, 因此利用礦物表面化學(xué)反應的浮選分離降低Al 含量是一種較理想的選礦手段。
浮選試驗用捕收劑是自行研發(fā)的一種特制浮選藥劑, 通過(guò)“一段式PPM 級低石英砂浮選工藝”對磁選精砂進(jìn)行浮選, 浮選后的精砂化學(xué)成份得到了明顯提升。
1.2.3 酸浸泡-純水清洗試驗
試驗表明, 通過(guò)上述的“煅燒-水淬-分級-磁選-浮選”試驗, 石英精砂質(zhì)量得到了明顯提高, 但Al 、Fe 、Li 等主要雜質(zhì)及13 項雜質(zhì)總含量尚不能完全滿(mǎn)足要求。分析表明, 此時(shí)的浮選精砂中的雜質(zhì)含量已同自然水中的雜質(zhì)在同一個(gè)級別, 必須進(jìn)行“酸浸泡-(純水)清洗”試驗進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量。試驗用酸浸泡液為HCl 、HF 、HNO3 、H2SO4 的混合液, 試驗中循環(huán)使用, 適當補加;試驗清洗用純水為18MΨ去離子水, 采用超聲清洗。試驗結果見(jiàn)表4 。
 表4 中的石英精砂化學(xué)成份已滿(mǎn)足國內JC/T598-1995電光源及真空儀表用石英玻璃管一級品對金屬雜質(zhì)離子的要求。經(jīng)檢測, 此時(shí)以[OH-] 表征的氣體雜質(zhì)含量為35 PPM , 較標準稍高。
1.3 深度提純:氯化煅燒脫羥基-脫氣試驗
對照高純砂行業(yè)公認的美國UNIMIN 公司TOTA-S TANDARD(3)標準石英砂的指標可知,Al 、Li 、K 、Na 、Fe 等指標仍然需要降低才能達到電子石英玻璃的要求, 并且[OH-] 含量未能≤15 PPM 。在實(shí)驗室嘗試了“氯化煅燒脫羥-脫氣” 試驗。試驗裝置為高溫氯化煅燒脫氣爐, 試驗條件為:1250 ℃,Cl2 氣氛。煅燒后進(jìn)行純水清洗, 條件同上。試驗結果見(jiàn)表5 。
試驗結果表明, 經(jīng)過(guò)高溫氯化煅燒脫氣后, 石英精砂的13種金屬雜質(zhì)離子的合量同美國UNIMIN公司TOTA-STANDARD(3)標準石英砂的指標相當。但[OH-] 含量未能達到標準。
3 工業(yè)拉管試驗
為驗證試驗的可靠性, 以上述試驗流程試制了約400 kg 高純石英砂樣品, 并在連熔爐生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行石英玻璃管的拉制試驗。拉管試驗共進(jìn)行了6 h ,取得合格石英管共約300 kg , 隨機取樣送國家石英玻璃制品質(zhì)量監督檢驗中心檢驗, 全部為優(yōu)等品。其結果如表6 、表7 所示。
3 結 語(yǔ)
本試驗研究用國內某脈石英礦通過(guò)“煅燒—水淬—水力分級—磁選-浮選-酸浸泡-超聲清洗—高溫氯化深度提純及煅燒脫氣”等一系列選礦提純手段,制備了同美國UNIMIN 公司TOTA-S TANDARD(3)標準石英砂指標相當的高純石英砂, 并在連熔爐上拉管成功。雖然最終精砂中以羥基水[ OH-] 含量表征的氣液包裹體含量未能達到標準, 但該研究工作的階段性成果為用脈石英替代水晶資源生產(chǎn)高純石英砂打下了基礎, 對行業(yè)發(fā)展具有重要意義。
作者：茆令文, 谷翠紅,吳建新,于永琪(蚌埠玻璃工業(yè)設計研究院, 蚌埠)
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