硅质原料加工与应用.ppt

硅质原料加工与应用,武 汉 理 工 大 学,,主要内容,一、概述,二、硅质原料矿床类型,三、硅质原料的工业用途及质量要求,四、硅质原料的选矿提纯,五、脉石英的深加工技术,,一、概述,硅质原料石在自然界广泛分布的一种重要的矿产资源，是以二氧化硅(SiO2)为主要化学成分和以石英为主要矿物成分的矿物原料的统称。 包括天然石英砂、石英岩、石英砂岩、脉石英和粉石英等。 广泛应用于平板玻璃、日用玻璃、石英玻璃、微电子塑封料填料、机械铸造、冶金和化工等领域。 高新技术产业领域，如半导体封装材料、SiO2薄膜材料、原子能、光纤通讯电缆材料以及航空航天、国防科技尖端设备等诸多方面。,,二、硅质原料矿床类型,硅质原料大体上可以分为岩矿类和砂矿类两大类 ： 岩矿类包括石英砂岩、石英岩和脉石英； 砂矿类包括石英砂、含长石石英砂和含粘土石英砂等类别。 工业上把天然石英以及由石英砂岩、石英岩、脉石英破碎加工获得的各种粒级的砂都叫石英砂。 地质部门还往往把石英砂岩、石英岩、脉石英统称作“硅石”。 矿床类型按其成矿年代的不同可划分为沉积变质矿床，脉石英伟晶岩矿床和沉积矿床三类，前二类称为岩类矿床，沉积矿床称为砂类矿床。 我国的各类硅质原料矿床及其矿石特征见表1-1。,,表1-1 我国的各类硅质原料矿床及其矿石特征,,三、硅质原料的工业用途及质量要求,硅质原料在工业中主要用于玻璃及玻璃制品、机械铸造、冶金熔剂、耐火材料、水泥及制品、陶瓷釉面等领域。 硅质原料是玻璃工业的主要原料，约占其配合料的70以上。 硅质原料在各领域的用途见表1-2所示。,,表1-2 硅质原料的主要用途,,硅质原料是玻璃工业的主要原料，它使玻璃及其制品具有一系列的优良性能，如透明性、机械强度、化学稳定性等。SiO2在玻璃的组成中一般占6575左右。 一般要求SiO2大于96，Al2O3小于2，Fe2O3在0.010.1之间，粒度在0.10.6mm之间，大于0.5mm和小于0.1mm的粒度均不得超过5 。 特种玻璃、优质平板玻璃和玻璃仪器而言，它们对石英砂的化学成分要求比较严格，SiO2的含量要大于99，Fe2O3的含量要小于0.050.1，Al2O3的含量要小于0.52.0，TiO2的含量要求小于0.05。 表1-3是我国和世界主要发达国家对玻璃用硅质原料的质量要求。,1. 玻璃及玻璃制品工业,,表1-3 我国和世界主要发达国家对玻璃用硅质原料的质量要求,,2. 耐火工业,硅质原料作为耐火材料主要用来生产耐火砖，一般用作感应电炉的酸性耐火炉衬中。 一般要求 SiO2的含量应大于87，同时要求颗粒级配要适合。 除此之外，石英的晶格越完整，结晶越大，缺陷越少的石英具有的耐火度也越高。,,3. 陶瓷、电瓷及熔融陶瓷等工业,硅质原料是陶瓷坯釉的主要原料之一。它作为一种瘠性原料起着补偿收缩和骨架的作用，使其制品具有较高的强度，同时还有提高陶瓷制品的透光度和白度的作用。 熔融石英陶瓷又称石英玻璃陶瓷或熔融石英烧结制品（fused silica或fused silica ceramic），习惯上也称石英陶瓷。 它是采用熔融石英或石英玻璃为原料，经过粉碎、颗粒分级、球磨制浆、注浆成型及烧成等工序而制成的一种烧结体 。 它具有的许多优良性质，如热膨胀系数小、热稳定性好、电绝缘性好、耐化学侵蚀性好，而且还具有一些石英玻璃制品所不具备的性质。 其应用领域也涉及到宇宙飞船、火箭、导弹、雷达、原子能、电子、钢铁、炼焦、有色金属、玻璃等工业领域。,,4. 普通用铸造用砂,利用硅质原料熔点高和在冶炼过程中的增温、脱硫、脱氧等作用，可作为铸造中的型砂、铸造模芯和铸造模具等。 一般SiO2含量多大于96%，粒度在40320目之间。精选的硅质原料具有良好的粒型和表面状态，使铸件表面光洁和减少了树脂的加入量。,,5. 碳化硅原料,制炼绿碳化硅和黑碳化硅所用硅质原料的技术要求无多大差异，且生产工艺基本相同。 一般来说，脉石英或石英岩需破碎成23mm或35mm的小颗粒。,,6. 各种高分子材料的填料,硅质原料作为一种优质的非金属矿物填料，广泛应用在塑料、橡胶、胶粘剂等现代高分子材料中。 在高聚物基料中添加石英等非金属矿物填料不仅可降低塑料等高分子材料的成本，更重要的是能够提高材材料的刚性、尺寸稳定性并赋予材料某些特殊的物理化学性能，如抗压、抗冲击、耐腐蚀、阻燃、绝缘性等。 矿物的形状、表面性质、粒度、粒径分布等决定其填充性能。,,7. 其他工业,硅质原料在生产微硅、微孔硅酸钙保温材料等许多领域都有广泛的应用。 微硅粒度很小，平均直径为0.15m，具有很高的表面积。由于微硅的这些独特性质，使其在水泥工业和耐火材料工业等领域有着广泛的应用。 微孔硅酸钙保温材料是近年来发展的一种新型保温材料。,,四、硅质原料的选矿提纯,硅质原料中除了主要矿物石英外，通常伴生有长石、云母、粘土和铁质等杂质矿物。 选矿提纯的目的就是根据产品对粒度、杂质含量要求的不同，采用适当的选矿方法和工艺流程提高产品纯度、降低杂质含量。 石英砂的选矿提纯视其中杂质A1203、Fe203和Ti、Cr等含量、赋存状态以及对产品粒度要求来进行的 。 常用的提纯方法和工艺流程有：碎磨、筛分、擦洗；重、磁、浮和电选、酸处理等。 一般认为有害物质就是其中的铁杂质和铝杂质，所以硅质原料提纯方法和工艺流程的进步和发展也主要体现在铁质和铝质的有效脱除上。,,1 .铁质的脱除,铁在硅质原料中主要以五种形式存在 ： (1)以细微粒状态赋存在粘土或高岭土化的长石中； (2)以氧化铁薄膜形式附着于石英颗粒表面； (3)铁矿物或含铁矿物； (4)以扩散状态赋存于石英颗粒内部； (5)以固溶体状态存在于石英晶体内部。,,(1) 筛分、分级 为了使产品到达相应的粒度指标，必需对硅质原料进行筛分和分级。 筛分和分级还可以起到脱泥以降低铁杂质的作用。 (2) 擦洗、重选 擦洗是借助机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁、粘结及泥性杂质矿物的选矿方法。 主要有棒磨擦洗、机械擦洗和超声波擦洗等方法。 重选主要利用杂质矿物和石英密度相差较大的特点而除去它们的一种选矿方法，重选包括水洗脱泥、水力分级和摇床选矿物三种，常采用的设备主要是螺旋选矿机、溜槽和摇床等。,,(3) 磁选 磁选的目的主要是除去硅质原料中的铁质及具有磁性的杂质矿物，有湿式和干式磁选两种方式。 (4) 酸处理 酸处理是利用石英不溶于酸(HF除外)，其它杂质矿物均能被酸液溶解的特点，从而实现对石英的进一步提纯的化学处理方法。酸处理常用的酸类有硫酸、盐酸、硝酸和氢氟酸等；还原剂有亚硫酸及其盐类等。 (5) 微生物浸除法 矿物的微生物加工技术是最近发展起来的一门新兴的矿物加工技术。微生物对石英表面薄膜铁进行浸除时，均取得了较好的效果。,,2. 铝质的脱除,硅质原料中的铝杂质主要来自长石和粘土矿物。 对于粘土矿物中的氧化铝成分可由擦洗、分级脱泥流程去除； 对存在于长石和其他矿物中的氧化铝，则主要采用浮选和电选的方法以达到脱除氧化铝的目的。 (1)浮选 对于石英颗粒内呈浸染状或透镜状的铁杂质矿物以及长石、云母、角闪石、叶腊石、高岭土等矿物一般用浮选法脱除，另外用浮选也可以除去粗磨时混入的铁质杂质。 常用的浮选方法是： 使用硫酸为pH调整剂和以DWBE和SHN为混合捕收剂的硫酸浮选法； 氢氟酸为活化剂和胺类阳离子捕收剂的氢氟酸法； YS或SHN为捕收剂的阴离子浮选法。 由于环保原因，近些年来，国内外大力发展了无氟无酸工艺。,,(2) 静电选矿 利用不同物质之间不同的电性而在电场中实现矿物和杂质分离的一种选矿方法称为电选。根据电导率的大小将矿物分成3类：导体矿物、半导体矿物和非导体矿物。 影响电选的因素可以分为两类:电选设备参数和物料性质。 (3) 射频介电选矿 射频介电选矿技术是利用物质在射频电场中受到的作用力不同而达到分选效果的一种选矿方法。它是由实验室的介电分离技术发展而来的。,,五、脉石英的深加工技术,随着国民经济的发展和科技的进步，硅质原料制品的市场需求量日益增多，相应地对其产品质量要求也更加严格。这就要求对硅质原料深加工技术作进一步的试验研究，研制出高质量的石英产品以满足高科技用硅的需求。目前，硅质原料的深加工研究主要集中在对石英产品的粒度组成(细度)和化学成分(纯度)两个方面上。 脉石英是一种与花岗岩有关的岩浆热液岩脉，主要产于花岗岩或花岗片麻岩区，矿物组成几乎全部为石英，所以主要用来生产高纯石英产品。,,1. 高纯石英的生产,高纯石英是指SiO2含量达到99.9299.99的石英砂，一般要求的纯度在99.99%以上。一般选SiO2含量相对较高的脉石英来制备高纯石英。 高纯石英因为具有一系列优异的特性和品质，广泛应用于宇航、电子工业、电光源管、光学仪器、光纤通讯等高科技领域，是制造特种玻璃、电子封装材料、光纤等产品不可缺少的原料之一。,,2. 高纯石英的超细粉碎,获得超细或微细粉体的途径有两种： 一是通过化学反应,主要有溶胶法、气相沉淀法、凝胶法等。 另一种是机械法制备，主要是机械破碎,包括高速冲击式磨机、气流磨、胶体磨、砂磨机等各种粉碎设备及作为配套设备的精细分级设备。,,3. 高纯石英粉的球形化研究,大规模、超大规模集成电路对封装材