应用于石英玻璃原料－高纯石英砂生产中的提纯方法

摘要

本发明公开了一种应用于石英玻璃原料－高纯石英砂生产中的提纯方法，该方法通过对天然石英中羟基和气液包裹体的高效清除，实现普通脉石英生产石英玻璃原料——高纯石英砂，达到对石英玻璃制品中关键质量指标气泡气线的有效控制，打破现有工艺技术对矿石质量的高度依赖性，将脉石英资源在石英玻璃工业中的可利用率从5％左右提高到80％以上，用普通脉石英矿石生产的高纯石英砂SiO2含量达到99.99％以上，十三种金属元素杂质总量25－30ppm以下。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提纯方法，具体涉及应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法。

背景技术

石英玻璃是纯石英成分的工业玻璃，以高纯石英砂为唯一原料进行高温软化和成型。石英玻璃是尖端科技和新兴工业的基础性材料，广泛应用于高级电光源、电子、半导体、通信、热工仪表、实验室仪器、光学、化工、国防军事、冶金、电气等行业和领域，直接影响到国防科技和国民经济的发展。因此，各大国均将高纯石英砂列为重要的战略物资。

石英玻璃工业对其原料高纯石英砂的质量要求主要包括所生产制品的气泡气线、纯度和杂质点三个方面，其中制品的气泡气线则是所有石英玻璃产品的大忌，也是高纯石英砂生产中最难以控制的关键质量指标。目前，我国用作石英玻璃原料的高纯石英砂的生产，全部是选用高纯度、低羟基、低气液包裹体的原生脉石英为原料进行加工，其工艺比较简单，对原料矿石质量的依赖性极大，可利用的矿石仅占原生脉石英资源总量的大约5％。大部分原生和次生脉石英资源(其中绝大多数纯度达到要求)因为含有较多的羟基和气液包裹体，生产出来的石英玻璃制品气泡气线超标，因而在现有的工艺条件下不能用来作为制备石英玻璃的原料。随着石英玻璃市场需求的高速增长，能够符合质量要求的资源迅速减少，供不应求加剧，价格不断上涨。同时，目前在找矿、加工过程中，对于矿石在制品的气泡气线方面能否作为石英玻璃原料的判定非常困难，需要制成高纯石英砂后再生产出石英玻璃制品才能初步判别，做一次连熔石英管的生产试验需要投料高纯石英砂300公斤以上进行连续十几个小时的生产，一次试验的成本最少几千元，而一次失败的试验对连熔石英管等连续生产企业造成的损失可达上万元，由于天然矿产资源质量的不稳定性和原料矿石中羟基、气液包裹体含量检测的复杂性，矿石质量波动而造成企业重大损失甚至破产的情况时有发生。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种应用于石英玻璃原料--高纯石英砂生产中的提纯方法，通过该方法实现对石英玻璃制品关键质量指标--气泡气线的有效控制，打破现有工艺对矿石质量的高度依赖性，不但将原生脉石英资源在石英玻璃工业中的可利用率从5％左右提高到80％以上，还可以利用大量的次生脉石英资源生产石英玻璃。

本发明的技术解决方案是：以普通原生脉石英或者脉石英次生的石英砾石(以下统称脉石英)为原料，在传统的石英砂生产工艺基础上，增加对石英砂的高温煅烧水淬，得高纯石英砂。

本发明的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法中，该提纯方法包括以下步骤：首先，对石英矿石进行传统的粗破、人工分选、块矿煅烧、破碎筛分得石英砂，或者人工分选后的块矿不经过煅烧而直接破碎得石英砂；其次，对石英砂进行传统的磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得纯净石英砂；然后，对纯净石英砂进行高温煅烧、水淬，即可得能够生产石英玻璃制品的高纯石英砂；高温煅烧水淬后的高纯石英砂再次进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干可得更高纯度的高纯石英砂。

本发明的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法中，脉石英采用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5cm下；人工分选以肉眼能够容易识别将非石英杂质分拣丢弃；块状石英矿石的煅烧在电炉中900-1000℃条件下煅烧2-4小时，出炉后冷却，采用对辊破碎机或球磨机破碎至0.3mm以下，筛分得石英砂；或者人工分选后的块状石英矿石也可以不经过煅烧而直接破碎至0.3mm以下得石英砂。

本发明的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法中，对纯净石英砂进行高温锻烧、水淬，首先纯净石英砂在以石英玻璃管为物料流经截体的连续式电炉中煅烧，煅烧温度以石英砂的软化温度为上限为1000-1300℃，一般为1000-1100℃，煅烧时间20分钟以上，一般为20-40分钟；然后高温煅烧后从出料口落入水槽水淬，水淬时水槽中水温80℃以下，一般为50℃以下。

本发明的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法中，如果矿石中羟基和气液包裹体的含量特别高，或者某些石英玻璃制品对气泡气线指标的要求非常高，可以通过二次或多次高温煅烧水淬来解决；如果对石英砂的纯度要求特别高，也可以通过二次或多次高温煅烧水淬及水淬后的再次磁选、浮选、酸浸和清洗来达到进一步深度提纯。

本发明的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法中，脉石英，是指一般地质学所定义的热液成因的原生和次生脉石英矿床资源，既包括原生矿，也包括经过后期地质作用改造过的风化残积型、坡积型及搬运沉积型次生脉石英资源，即俗称石英砾石或者石棚。

本发明具有以下优点：(1)烘干后的纯净石英砂在以石英玻璃管为物料流经载体的高温连续式电炉上进行煅烧，使石英砂中所含有的羟基在煅烧时挥发逃逸；在出料口下方安置水槽，使经过高温煅烧后的石英砂落入冷水中进行水淬，从而使石英砂中所含有的气液包裹体在水淬时爆裂溢出；其中，煅烧温度以石英砂的软化温度为上限，温度越高效果越好，一般石英管所能承受的极限为1000℃至1100℃，如使用特殊加工的耐高温石英管，煅烧温度可以适当上调，但超过石英砂的软化温度后会导致砂粒粘附在石英管上；其中，煅烧时间应大于20分钟，以使石英砂中所含有的羟基充分逃逸，煅烧时间越长效果越好；其中，水淬用水以经过净化处理的不含颗粒悬浮物的纯净水为好，使用冷的流动水或循环水，水淬后的物料及时清出，确保水槽中的水温在80℃以下，水温越低效果越好。

(2)石英砂经过高温煅烧水淬后，所含有的羟基和气液包裹体将大幅度减少，用来生产石英玻璃制品的气泡气线指标一般都能达到要求；如果矿石中羟基和气液包裹体的含量特别高，或者某些石英玻璃制品对气泡气线指标的要求非常高，可以通过二次或多次高温煅烧水淬来解决。

(3)经过高温煅烧水淬后，石英砂中气液包裹体的爆裂溢出使一部分内部的微量杂质暴露在砂粒或微细裂隙的表面，大大增强了杂质元素的活性，此时再经过磁选、浮选、酸浸、清洗和烘干，可以进一步显著提高石英砂的纯度，使之能够达到高档石英玻璃制品对原料的要求。

(4)普通热液成因的脉石英矿石，按照上述工艺加工后，即可获得SiO₂含量99.99％以上，Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等十三种金属元素杂质总量25-30ppm以下的优质高纯石英砂。

(5)实现对石英玻璃制品关键质量指标气泡气线的有效控制，解决一直困扰我国石英玻璃行业的关键技术难题，极大地拓展了石英玻璃工业的可利用资源，大大提升了普通脉石英资源的利用价值，进一步显著提高了高纯石英砂的加工技术水平和产品档次，缓解了石英玻璃工业原料日趋紧缺的矛盾，首次实现了用普通脉石英资源生产中高档石英玻璃用高纯石英砂的突破，是我国石英玻璃工业中的重大技术突破，具有重要的历史意义和广泛的实用性。

(6)有了本发明方法，只要进行简单的岩矿鉴定和化学分析就能判别矿山资源能否作为石英玻璃生产原料，大大降低了传统的生产性试验成本，化解了高纯石英砂生产企业的原料开采和采购风险。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

本实施例以江苏省东海县产出的热液型脉石英为原料，按以下程序加工：

1、将脉石英矿石用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够容易识别的非石英杂质分拣丢弃；

2、将块状石英矿石置入电炉中，在950℃下煅烧2小时，出炉后冷却，用对辊破碎机或者球磨机粉碎至0.30mm以下；

3、对石英砂进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得纯净石英砂；

4、将纯净石英砂在以石英玻璃管为载体的连续式电炉上进行煅烧，经过高温煅烧后的石英砂落入水槽中进行水淬；其中，煅烧温度为1000℃，石英砂在电炉中的煅烧时间即从进料到出料之间的时间差20分钟；其中，水淬用水为经过净化处理的不含颗粒悬浮物的纯净水，使用冷的流动水或循环水，水淬后的物料及时清出，水槽中的水温在80℃以下；经过高温煅烧水淬后的石英砂即为SiO₂含量达到99.90％以上，Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等十三种金属元素杂质总量25ppm以下高纯石英砂。

实例2：

本实施例以江苏省东海县产出的脉石英为原料，按以下程序加工：

1、将脉石英矿石用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够容易识别的非石英杂质分拣丢弃；

2、将块状石英矿石用锤式破碎机或者对辊破碎机或者球磨机粉碎至0.25mm以下；

3、对石英砂进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得纯净石英砂；

4、将纯净石英砂在以石英玻璃管为载体的连续式电炉上进行煅烧，经过高温煅烧后的石英砂落入水槽中进行水淬；其中，煅烧温度为1050℃，石英砂在电炉中的煅烧时间即从进料到出料之间的时间差30分钟；其中，水淬用水为经过净化处理的不含颗粒悬浮物的纯净水，使用冷的流动水或循环水，水淬后的物料及时清出，水槽中的水温在60℃以下；经过高温煅烧水淬后的石英砂，即为SiO₂含量达到99.90％以上，Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等十三种金属元素杂质总量25ppm以下高纯石英砂。

实例3：

本实施例以江苏省东海县产出的热液型脉石英为原料，按以下程序加工：

1、将脉石英矿石用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够容易识别的非石英杂质分拣丢弃；

2、将块状石英矿石置入电炉中，在1000℃下煅烧4小时，出炉后冷却，用对辊破碎机或者球磨机粉碎至0.20mm以下；

3、对石英砂进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得纯净石英砂；

4、将纯净石英砂在以石英玻璃管为载体的连续式电炉上进行煅烧，经过高温煅烧后的石英砂落入水槽中进行水淬；其中，煅烧温度为1100℃，石英砂在电炉中的煅烧时间即从进料到出料之间的时间差40分钟；其中，水淬用水为经过净化处理的不含颗粒悬浮物的纯净水，使用冷的流动水或循环水，水淬后的物料及时清出，水槽中的水温在50℃以下；

5、经过高温煅烧水淬后的石英砂，即为SiO₂含量达到99.99％以上，Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等十三种金属元素杂质总量25ppm以下的高纯度的高纯石英砂。

实施例4：

江苏省东海县一带的部分原生优质脉石英被后期的地质运动破坏、搬运并堆积在一起，形成了脉石英风化型残积、坡积石英砾石层，俗称石棚，这种石英砾石是多个石英脉的碎块混杂在一起，并且受到了一定程度的污染。本实施例以江苏省东海县产出的残积、坡积型脉石英砾石为原料，按以下程序加工：

1、将杂质较少、污染较轻的石英砾石手工分拣挑选出来；

2、用锤式或鄂式破碎机将石英砾石带水破碎至5公分以下，用2毫米孔径的筛机进行筛分，2毫米筛下物废弃；

3、将石英碎块置入自磨机中自磨1小时，脱除表面常见的泥、铁杂质；

4、将自磨洗净后的石英碎块置入电炉中，在980℃下煅烧3小时，出炉后冷却，用对辊机或者球蘑机粉碎至0.30mm以下；

5、对石英砂进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得纯净石英砂；

6、将纯净石英砂在以石英玻璃管为载体的连续式电炉上进行煅烧，经过高温煅烧后的石英砂落入水槽中进行水淬；其中，煅烧温度为1100℃，石英砂在电炉中的煅烧时间进料到出料之间的时间差在35分钟；其中，水淬用水为经过净化处理的不含颗粒悬浮物的纯净水，使用冷的流动水或循环水，水淬后的物料及时清出，水槽中的水温在55℃以下；

7、将经过高温煅烧水淬后的石英砂再进行磁选、浮选、酸浸、清洗和烘干，即可获得SiO₂含量达到99.99％以上，Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等十三种金属元素杂质总量25ppm以下的高纯度的高纯石英砂。

实例5：江苏省东海县一带的部分原生优质脉石英被后期的地质运动破坏、搬运并堆积在一起，形成了脉石英风化型残积、坡积石英砾石层，俗称石棚，这种石英砾石是多个石英脉的碎块混杂在一起，并且受到了一定程度的污染。本实施例以江苏省东海县产出的残积、坡积型脉石英砾石为原料，按以下程序加工：

1、将杂质较少、污染较轻的石英砾石手工分拣挑选出来；

2、用锤式或鄂式破碎机将石英砾石带水破碎至5公分以下，用2毫米孔径的筛机进行筛分，2毫米筛下物废弃；

3、将石英碎块置入自磨机中自磨2小时，脱除表面常见的泥、铁杂质；

4、将自磨洗净后的石英碎块用锤式破碎机或者对辊破碎机或者球磨机粉碎至0.25mm以下；

5、对石英砂进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得纯净石英砂；

6、将纯净石英砂在以石英玻璃管为载体的连续式电炉上进行煅烧，经过高温煅烧后的石英砂落入水槽中进行水淬；其中，煅烧温度为1200℃，石英砂在电炉中的煅烧时间进料到出料之间的时间差在30分钟；其中，水淬用水为经过净化处理的不含颗粒悬浮物的纯净水，使用冷的流动水或循环水，水淬后的物料及时清出，水槽中的水温在65℃以下；

7、将经过高温煅烧水淬后的石英砂再进行磁选、浮选、酸浸、清洗和烘干，即可获得SiO₂含量达到99.99％以上，Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等十三种金属元素杂质总量25ppm以下的高纯度的高纯石英砂。

实例6：江苏省东海县一带的部分原生优质脉石英被后期的地质运动破坏、搬运并堆积在一起，形成了脉石英风化型残积、坡积石英砾石层，俗称石棚，这种石英砾石是多个石英脉的碎块混杂在一起，并且受到了一定程度的污染。本实施例以江苏省东海县产出的残积、坡积型脉石英砾石为原料，按以下程序加工：

1、将杂质较少、污染较轻的石英砾石手工分拣挑选出来；

2、用锤式或鄂式破碎机将石英砾石带水破碎至5公分以下，用2毫米孔径的筛机进行筛分，2毫米筛下物废弃；

3、将石英碎块置入自磨机中自磨2小时，脱除表面常见的泥、铁杂质；

4、将自磨洗净后的石英碎块用锤式破碎机或者对辊破碎机或者球磨机粉碎至0.20mm以下；

5、对石英砂进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得纯净石英砂；

6、将烘干后的纯净石英砂在以石英玻璃管为载体的连续式电炉上进行煅烧，经过高温煅烧后的石英砂落入水槽中进行水淬；其中，煅烧温度为1300℃，石英砂在电炉中的煅烧时间进料到出料之间的时间差在40分钟；其中，水淬用水为经过净化处理的不含颗粒悬浮物的纯净水，使用冷的流动水或循环水，水淬后的物料及时清出，水槽中的水温在50℃以下；

7、将经过高温煅烧水淬后的石英砂再进行磁选、浮选、酸浸、清洗和烘干，即可获得SiO₂含量达到99.99％以上，Al、Li、Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等十三种金属元素杂质总量25ppm以下高纯度的高纯石英砂。