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據采集，通過分析數據，并進行了有益探討，得出了相關結論，對生產企業優化工藝流程和提高產品品質提供了保障。

硅石的化學成分是二氧化硅，其物理性質和化學性質十分穩定，是一種重要的工業礦物原料，用途十分廣泛，經加工的粉料可應用在玻璃制造、機械鑄造、陶瓷、化工、橡膠以及耐火材料上。純度高的硅石經過提純所制的高純石英砂則可應用于電子技術、航空航天、光纖通信以及軍工等領域，隨著這些領域的發展，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，研究提純工藝，獲得高純石英砂，是滿足高新技術產業對高純石英砂需求的有效途徑。本研究通過對某石英企業生產高純石英砂的工藝流程進行了跟蹤，旨在通過采集數據，研究機理，為企業優化工藝流程和保證產品品質提供保障。

1、硅石性質

本研究所用硅石為國內某地脈石英礦，硅石為塊狀，形態各異，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，含有少量雜質礦物，主要是泥石、黃鐵礦、赤鐵礦、長石、云母、粘土質膠結物等；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、工藝流程及結果分析

企業生產主要工藝流程如圖1所示。原礦硅石經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，再經人工揀選出去除雜質后送入破碎機進行破碎并過篩，再將通過篩網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，再經浮選、脫水、烘焙、冷卻、包裝，制得高純石英砂。根據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，并對數據進行分析，以下對各工藝進行分析。

2.1 焙燒和水淬

硅石內有大量的裂隙，除石塊表面外，雜質大多分布于裂隙與晶界間，隨著溫度的升高，雜質與石英顆粒的膨脹系數不一致，就會產生裂紋，而晶體內的固態包裹體，也因為與石英基體膨脹系數不一致，會產生裂紋。當溫度加熱至900℃左右時，石英晶型發生轉變，由α-石英在573℃轉化為β-石英，到870℃時β-石英再轉變成β-鱗石英，此時由于石英晶體結構發生劇烈變化，晶體體積膨脹較大，促使晶內雜質進一步暴露，當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，沿雜質與石英基體爆碎，有利于雜質的暴露和破碎。從表1數據可知，焙燒水淬后（取樣點b）Fe、Ni、Cr、Cu、Al、K等雜質元素相比焙燒前（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，主要是因為鐵質類雜質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等雜質元素過高以及空氣中粉塵未能有效排出有關。

表1 各工藝段雜質元素分析（mg/kg）

取樣點/含量/雜質元素	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，也可以除去弱磁性物質。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。根據表1的數據分析得出，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。而其他雜質元素基本保持不變，說明本工藝對于去除雜質元素Fe的效果是相當顯著的。

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。在經歷焙燒水淬、揀選、強磁選后，大多數氧化物及雜質礦物已被去除，但還有部分氧化物及雜質礦物處在晶界、微裂隙及晶體內，去除有些困難，因此采用長時間的酸浸，以去除此類雜質。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。根據表1數據可知，酸浸后（取樣點e）相比酸浸前（取樣點d）各雜質元素均有下降，其中Al從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下降至超出檢測限。以上可以說明，酸浸對于去除有害雜質效果非常明顯。

2.4 浮選

浮選是根據礦物顆粒表面物理化學性質的不同，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志就是礦物被水潤濕的程度，即疏水性與親水性的關系。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構，印萬忠等人研究表明，硅酸鹽礦物浮選特性與不同結構礦物解離后表面電性、離子組成、化學鍵種類等因素有關。Fuerstenau DW認為，硅酸鹽礦物的疏水與親水性在本質上與結晶化學有關，利用這種關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所示數據，從中可知，浮選后（取樣點f）各雜質元素相比浮選前（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、晶界及晶體內雜質去除干凈，而晶格中雜質則難以去除，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的數據可知，各雜質元素含量變化不大，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，根據對提純工藝流程的考查以及企業現場生產效果的分析，為進一步改進工藝流程，確保產品品質，分別從技術和管理兩個方面進行探討。

3.1 技術方面

在整個工藝流程中，雜質元素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，我們可以看到雜質元素Ti處于比較穩定狀態，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，為提高產品質量，在采購原礦硅石時，應增加原石的化學成分檢驗，對于含Al、Ti、Li、B、P等雜質元素含量較高，K、Na等雜質元素含量過高的，應放棄采購。同時，筆者注意到，在焙燒水淬和浮選清洗之后，Na、Mg、Ca等雜質元素變化較大，含量不穩定，這可能是與水淬用冷卻水和清洗水的水質有關，建議企業增加水處理設備，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節出現的不確定因素。因為石英在經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，而且在電、磁和加熱過程中，石英砂表面易產生靜電，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

從企業生產現場可以看到，高純石英砂提純生產線自動化程度低，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，對于生產型企業來講會存在很多不確定因素，對人員素質要求較高，因此要求企業加強生產管理，加強人員培訓，組織實施標準化管理，對于穩定產品質量是很有益的。

4、結語

（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，對于滿足高新技術產業對高純石英砂的需求，推動高純石英砂提純技術進步和企業發展意義重大。

（2）通過采集數據，分析工藝流程，對各工序加工技術分別作了分析研究和有益探討，為優化工藝流程以及保證產品品質提供了保障基礎。

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

（4）根據企業現場生產情況，提出加強生產管理，借助管理手段穩定產品質量。