【原创】因“矿”制宜,确定石英选矿提纯工艺——访武汉理工大学张凌燕教授


来源:中国粉体网   黑金

[导读]  “2021(第五届)全国石英大会暨展览会”期间,我们邀请到武汉理工大学矿物资源加工与环境湖北省重点实验室副主任张凌燕做客“对话”栏目,重点围绕石英矿石资源概况、选矿提纯、发展建议等进行探讨交流。

中国粉体网讯  以天然石英矿物为原料是获取广泛应用于高科技领域重要非金属矿物材料高纯石英的主要途径。而针对资源品质开展提纯的研究工作是石英产业技术进步的基础。2021年11月18-19日,由中国粉体网主办的“2021(第五届)全国石英大会暨展览会”于江西赣州隆重召开。会议期间,我们邀请到武汉理工大学矿物资源加工与环境湖北省重点实验室副主任张凌燕做客“对话”栏目,重点围绕石英矿石资源概况、选矿提纯、发展建议等进行探讨交流。


武汉理工大学 矿物资源加工与环境湖北省重点实验室副主任张凌燕


石英原料应用与矿石种类


石英在自然界中的分布十分广泛,成因多种多样。张教授表示目前能够作为工业应用的石英矿物资源主要有7种矿床工业类型:天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂和花岗岩石英。


由于不同矿床工业类型的形成地质条件不同,使石英的矿床规模大小、矿石组成结构以及石英的晶体结构、晶体化学、粒度、球度和圆度等都存在较大差别。因此,石英矿床工业类型与工业应用特点有着密切的关系,不同的矿床工业类型的石英有不同的应用特点。


石英矿床工业类型与应用特点的关系




根据张教授的分析,天然水晶、脉石英、花岗岩石英可应用于高端用途,但是资源稀缺,大型优质石英矿床尤其稀缺,这也是国内高纯石英砂的原料还主要依赖于进口的主要原因之一。张教授建议,一方面,应加大优质石英矿床的勘查力度;另一方面,从政策层面,应加大对资源的管控,提高石英开采、生产等门槛。


不同应用领域的主要技术要求


与其他非金属矿相比,石英矿物原料工业应用的一个显著特点是同时存在三种形式:一是利用矿物晶体固有的物理和物理化学性质,如3D打印砂、结晶硅微粉等;二是提供有用化学成分,也是硅酸盐材料的最基本原料,包括普通玻璃及各类功能玻璃等;三是通过冶金渠道提取有用元素Si,目前是金属硅及其提纯加工产物多晶硅和单晶硅的唯一原料。


石英矿物原料工业应用的三种形式与应用实例示意图



据张教授介绍,目前,石英矿物原料一般用途包括玻璃、铸造、陶瓷、耐火材料、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料等领域。高端用途(大于99.9%甚至99.99%的超高纯石英)包括电子及微电子设备、先进制造、光学纤维、太阳能光伏发电产业、半导体材料、高等级光学材料、航天器视窗等领域。


不同应用领域的主要技术要求不同。据张教授介绍,常规用途的石英原料,一般来讲杂质组分可能是几百到几千个ppm水平,硅含量一般要求低于2个9,粒度要求也相对比较低。对于高端用途的石英原料,硅含量要求高,3个9到4个9,甚至更高;对杂质总量要求控制在50ppm以内,有的甚至要求在20ppm以内;此外铝杂质难以去除,石英原料也常因铝杂质难以有效降低而在高端领域应用受限。从这个角度上讲,石英原料去除铝是用于高端用途的一个比较重要的点。


各应用领域的主要技术要求



石英矿石的选矿提纯,因“矿”制宜


对于石英的选矿提纯,在问及如何达到理想的效果时,张教授表示目前业内往往忽视了一个重要问题:石英矿石资源、品质与加工技术是存在密切关联性的。


高纯石英质量与原料中杂质元素含量高低并不是简单对应关系,而是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选性密切相关。不同类型石英矿的矿物学特征存在明显差异,详细分析石英原料矿物学特征,是确定石英原矿性质、选矿提纯工艺方案和产品方向的基础。


张教授表示石英矿石的选矿提纯技术的采用,不是简单的选择题。应该是一种矿,对应一种加工技术,一种应用方案。因“矿”制宜,实事求是,具体矿种具体分析。


目前,工业上成熟应用的石英提纯传统工艺有分选、擦洗、煅烧-水淬、磨矿、筛分、磁选、重选、浮选、酸浸、高温脱气等,深度提纯工艺有氯化焙烧、辐照色选、超导磁选、高温真空等等。张教授表示高端用途用石英的选矿提纯是比较完整的、流程较长,往往会用到所有的选矿提纯方法,需通过每个工艺节点去除一部分杂质,最终达到高纯的技术要求。但依然是原料的选择、石英原料的矿物学特征决定具体的选矿提纯工艺条件、流程。


石英选矿提纯工艺简图



结语


张教授长期从事非金属矿选矿、超细矿物粉体的分级改性及新型矿物材料的开发等领域的基础及应用研究。张教授表示,对于石英矿石的选矿提纯,过去几年,国内已经有了很大的进步。但对于高新技术应用领域的关键性原材料——高纯石英,我国还需要进行合适的大型优质石英矿床的勘探,并更新加工技术与装备


(中国粉体网编辑整理/黑金)

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