摘要：文章采用硅石通過原礦分選、焙燒、水淬、破碎、磁選、酸浸、浮選、烘焙等工藝制備高純石英砂，分別對各工藝段實施數(shù)據(jù)采集，通過分析數(shù)據(jù)，并進行了有益探討，得出了相關(guān)結(jié)論，對生產(chǎn)企業(yè)優(yōu)化工藝流程和提高產(chǎn)品品質(zhì)提供了保障。

硅石的化學(xué)成分是二氧化硅，其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，是一種重要的工業(yè)礦物原料，用途十分廣泛，經(jīng)加工的粉料可應(yīng)用在玻璃制造、機械鑄造、陶瓷、化工、橡膠以及耐火材料上。純度高的硅石經(jīng)過提純所制的高純石英砂則可應(yīng)用于電子技術(shù)、航空航天、光纖通信以及軍工等領(lǐng)域，隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展，對高純石英砂的要求也越來越高，且需求量也越來越大，我國每年需進口大量的高純石英砂。因此，不斷改進提純技術(shù)，研究提純工藝，獲得高純石英砂，是滿足高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對高純石英砂需求的有效途徑。本研究通過對某石英企業(yè)生產(chǎn)高純石英砂的工藝流程進行了跟蹤，旨在通過采集數(shù)據(jù)，研究機理，為企業(yè)優(yōu)化工藝流程和保證產(chǎn)品品質(zhì)提供保障。

1、硅石性質(zhì)

本研究所用硅石為國內(nèi)某地脈石英礦，硅石為塊狀，形態(tài)各異，較大塊徑在400mm左右，大小不等，乳白色，呈半透明狀，石英顆粒細小，晶形較好。巖礦鑒定表明，含有少量雜質(zhì)礦物，主要是泥石、黃鐵礦、赤鐵礦、長石、云母、粘土質(zhì)膠結(jié)物等；在顯微鏡下觀察，硅石中含有一些包裹體，主要以氣相和氣-液相為主，呈條帶狀分布。

2、工藝流程及結(jié)果分析

企業(yè)生產(chǎn)主要工藝流程如圖1所示。原礦硅石經(jīng)水清洗人工敲碎分選，將合格石英料投入焙燒爐中，在850℃-980℃溫度下焙燒6個小時，焙燒后將石英料拖入清水中進行水淬，再經(jīng)人工揀選出去除雜質(zhì)后送入破碎機進行破碎并過篩，再將通過篩網(wǎng)的石英砂送入磁選機，磁選后石英砂投入到配有HCl和HF混合酸的酸缸中浸泡一周，再經(jīng)浮選、脫水、烘焙、冷卻、包裝，制得高純石英砂。根據(jù)工藝流程我們分別對某些工藝段進行跟蹤，采集樣品（取樣點見圖1），所取樣品通過ICP檢測，并對數(shù)據(jù)進行分析，以下對各工藝進行分析。

2.1 焙燒和水淬

硅石內(nèi)有大量的裂隙，除石塊表面外，雜質(zhì)大多分布于裂隙與晶界間，隨著溫度的升高，雜質(zhì)與石英顆粒的膨脹系數(shù)不一致，就會產(chǎn)生裂紋，而晶體內(nèi)的固態(tài)包裹體，也因為與石英基體膨脹系數(shù)不一致，會產(chǎn)生裂紋。當(dāng)溫度加熱至900℃左右時，石英晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，由α-石英在573℃轉(zhuǎn)化為β-石英，到870℃時β-石英再轉(zhuǎn)變成β-鱗石英，此時由于石英晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，晶體體積膨脹較大，促使晶內(nèi)雜質(zhì)進一步暴露，當(dāng)焙燒過的硅石侵入冷卻水中進行水淬時，石英顆粒變得更加松散，沿雜質(zhì)與石英基體爆碎，有利于雜質(zhì)的暴露和破碎。從表1數(shù)據(jù)可知，焙燒水淬后（取樣點b）Fe、Ni、Cr、Cu、Al、K等雜質(zhì)元素相比焙燒前（取樣點a），均有不同程度的下降，其中Fe、Ni、Cr下降明顯，Cu、Al、K等也略有下降，主要是因為鐵質(zhì)類雜質(zhì)和表皮臟物在焙燒和水淬過程中得到了有效去除。而Na、Mg、Ca等雜質(zhì)元素卻有上升，這是因為用于水淬的冷卻水中Na、Mg、Ca等雜質(zhì)元素過高以及空氣中粉塵未能有效排出有關(guān)。

表1 各工藝段雜質(zhì)元素分析（mg/kg）

取樣點/含量/雜質(zhì)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 磁選

磁選是利用各種礦石或物料的磁性差異，在磁力及其他力作用下進行選別的過程，磁選可以除去含鐵類強磁性物質(zhì)，也可以除去弱磁性物質(zhì)。本次研究所采用的是高梯度強磁選機，工作時磁場強度在1500kA/m以上。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析得出，磁選后（取樣點d）Fe元素相比磁選前（取樣點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。而其他雜質(zhì)元素基本保持不變，說明本工藝對于去除雜質(zhì)元素Fe的效果是相當(dāng)顯著的。

2.3 酸浸

酸浸是高純石英砂提純工藝中的重要工序之一，無論是制備電光源用石英玻璃，還是用于制備光伏以及半導(dǎo)體器件用的石英原料，都需要采用的工序。本工藝主要是為了去除溶于酸的金屬氧化物和部分硅酸鹽礦物。在經(jīng)歷焙燒水淬、揀選、強磁選后，大多數(shù)氧化物及雜質(zhì)礦物已被去除，但還有部分氧化物及雜質(zhì)礦物處在晶界、微裂隙及晶體內(nèi)，去除有些困難，因此采用長時間的酸浸，以去除此類雜質(zhì)。本工序采用一定比例的HCl和HF的混合酸進行浸泡，浸泡時間為6天。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，酸浸后（取樣點e）相比酸浸前（取樣點d）各雜質(zhì)元素均有下降，其中Al從41.4mg/kg下降至22.6mg/kg，F(xiàn)e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下降至超出檢測限。以上可以說明，酸浸對于去除有害雜質(zhì)效果非常明顯。

2.4 浮選

浮選是根據(jù)礦物顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)的不同，按礦物可浮性的差異進行分選的方法。礦物可浮選性的較直觀標(biāo)志就是礦物被水潤濕的程度，即疏水性與親水性的關(guān)系。然而影響礦物浮選行為的因素眾多，其中較重要的因素之一就是礦物的結(jié)構(gòu)，印萬忠等人研究表明，硅酸鹽礦物浮選特性與不同結(jié)構(gòu)礦物解離后表面電性、離子組成、化學(xué)鍵種類等因素有關(guān)。Fuerstenau DW認(rèn)為，硅酸鹽礦物的疏水與親水性在本質(zhì)上與結(jié)晶化學(xué)有關(guān)，利用這種關(guān)系給硅酸鹽礦物的浮選處理提供了一定的選擇。石英中的雜質(zhì)多以長石、含鐵礦物和云母等為主要對象，對此在本工序中，將酸浸清洗好的石英砂配比一定的水投入到浮選機中，采用陰離子捕收劑油酸鈉浮選體系，礦漿溫度控制在40℃-50℃，浮選好的石英砂用去離子水清洗至中性，得到表1所示數(shù)據(jù)，從中可知，浮選后（取樣點f）各雜質(zhì)元素相比浮選前（取樣點e），Al由22.6mg/kg下降至21.6mg/kg，而Na和K略有上升，總體效果不是很明顯，主要是由于前幾段工序中，硅石表面、裂隙、晶界及晶體內(nèi)雜質(zhì)去除干凈，而晶格中雜質(zhì)則難以去除，比如Al。然而Na和K的升高可能是因為浮選過程中含Na的捕收劑的影響以及未能清洗干凈造成的。

2.5 烘焙

石英砂浮選清洗后進行脫水，再投入到烘焙管中，冷卻裝袋。從表1的數(shù)據(jù)可知，各雜質(zhì)元素含量變化不大，主要是因為本工序是在單獨的車間中進行，并安裝大功率除塵裝置，因此有效杜絕來自空氣中粉塵的二次污染。

3、提純工藝建議

如前所述，根據(jù)對提純工藝流程的考查以及企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)效果的分析，為進一步改進工藝流程，確保產(chǎn)品品質(zhì)，分別從技術(shù)和管理兩個方面進行探討。

3.1 技術(shù)方面

在整個工藝流程中，雜質(zhì)元素Fe、Cr、Ni、Na、K、Ca、Mg、Cu等下降較大，這是因為在焙燒水淬、磁選、酸浸工序中得到了有效去除。Al在經(jīng)歷一系列提純工序之后，去除效果有限，這主要是因為Al³⁺進入晶格替代Si⁴⁺、而且離子半徑也比較接近，不易提純，類似的還有Ti⁴⁺、B³⁺、P³⁺等，因此，我們可以看到雜質(zhì)元素Ti處于比較穩(wěn)定狀態(tài)，只在焙燒水淬之后處于晶界及裂隙上的得到部分去除，剩下在晶格內(nèi)的不易去除。Li比較活潑，且半徑很小，容易進入晶格間隙中，也容易擴散出去，總體去除效果不佳。因此，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，在采購原礦硅石時，應(yīng)增加原石的化學(xué)成分檢驗，對于含Al、Ti、Li、B、P等雜質(zhì)元素含量較高，K、Na等雜質(zhì)元素含量過高的，應(yīng)放棄采購。同時，筆者注意到，在焙燒水淬和浮選清洗之后，Na、Mg、Ca等雜質(zhì)元素變化較大，含量不穩(wěn)定，這可能是與水淬用冷卻水和清洗水的水質(zhì)有關(guān)，建議企業(yè)增加水處理設(shè)備，將水淬冷卻水改為電阻率在15MΩ·m以上的去離子水，浮選之后清洗用水改為電阻率在18MΩ·m以上的去離子水。

另外，筆者也注意到，在磁選車間、酸洗車間、浮選車間和烘焙車間，建議應(yīng)加裝大功率排塵裝置，如有條件的話，將這些車間改裝為至少十萬級以上超凈間，這樣可有效解決本環(huán)節(jié)出現(xiàn)的不確定因素。因為石英在經(jīng)過溶液表面荷電過程，易吸附與表面荷電相異的有機極性物質(zhì)，而且在電、磁和加熱過程中，石英砂表面易產(chǎn)生靜電，吸附空氣中的異電粒子，從而造成加工過程的二次污染。

3.2 管理方面

從企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場可以看到，高純石英砂提純生產(chǎn)線自動化程度低，從原礦分選、破碎、酸洗、浮選到烘焙整個工藝流程需要用到大量人工，對于生產(chǎn)型企業(yè)來講會存在很多不確定因素，對人員素質(zhì)要求較高，因此要求企業(yè)加強生產(chǎn)管理，加強人員培訓(xùn)，組織實施標(biāo)準(zhǔn)化管理，對于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量是很有益的。

4、結(jié)語

（1）采用硅石通過原礦分選、焙燒、水淬、破碎、磁選、酸浸、浮選、烘焙等工藝制備高純石英砂，對于滿足高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對高純石英砂的需求，推動高純石英砂提純技術(shù)進步和企業(yè)發(fā)展意義重大。

（2）通過采集數(shù)據(jù)，分析工藝流程，對各工序加工技術(shù)分別作了分析研究和有益探討，為優(yōu)化工藝流程以及保證產(chǎn)品品質(zhì)提供了保障基礎(chǔ)。

（3）根據(jù)工藝流程，分析各工藝段數(shù)據(jù)，建議增加原礦石的檢驗、增加水處理設(shè)備以及加裝排塵裝置或改裝超凈車間，以利于從技術(shù)上提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，提出加強生產(chǎn)管理，借助管理手段穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。