一种以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺

摘要

本案公开了一种以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，包括以下工序：1)浸泡；2)粉碎；3)煅烧；4)水淬；5)研磨；6)磁选；7)静电选；8)酸洗；9)去离子水清洗；10)烘干。本案采用梯度酸度分布洗脱杂质颗粒，在粉碎前先采用强酸浸泡以除去石英岩表面的杂质，在水淬时，采用中强酸继续除去包裹在石英岩内部的金属杂质，在研磨时，为保护设备免受腐蚀，采用中弱酸在研磨同时除杂，借助球磨机增加酸液与杂质的接触几率和接触面积，从而增加除杂效率，在最后酸洗时，采用弱酸进一步除去少量的剩余的未反应完全的杂质微粒；同时本案将煅烧时产生的余热进行收集，并将该热量用于最后的干燥，既降低了能耗，又减少了企业的生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及天然矿物提纯工艺，尤其是涉及高纯度石英的提纯工艺，特别是涉及一种以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺。

背景技术

高纯度石英粉体具有优异的物理化学特性，硬度高、耐高温、耐腐蚀、导电率低、透波性能好、性能稳定。特别是其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的热膨胀系数小、高度绝缘、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，在许多高科技领域如新型电光源、微电子、高绝缘的封接、航空航天、国防军工等领域得到越来越广泛的应用。

随着光纤工业、电子工业、微电子工业等高新技术产业迅速发展，对高纯超细石英粉体的要求越来越高，需求量也越来越大。目前石英粉体的制作原料多为优质天然石英矿料，其工艺流程为：原料→粗碎→酸洗→水洗→干燥→干法超细粉碎→分级→产品。但是全国各地的石英原矿品质不一，杂质含量差别很大，采用传统工艺制得的高纯超细石英粉体的纯度难以稳定。同时，石英产品的加工对能源的消耗巨大，在传统工艺中需要大量的电能和热能，这需要消耗大量的煤炭和天然气；同时，在传统干法粉碎的工艺中，细小的粉尘会给操作人员带来不可恢复的生理损伤。如何开发绿色环保的提纯工艺，如何提高生产效率，如何降低生产工艺中的能耗、粉尘及能量回收再利用等问题，成为了当下企业研究的热点和难点。

发明内容

针对上述不足之处，本发明的目的在于提供一种节能环保的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺。

本发明的技术方案概述如下：

一种以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，包括以下工序：1)浸泡；2)粉碎；3)煅烧；4)水淬；5)研磨；6)磁选；7)静电选；8)酸洗；9)去离子水清洗；10)烘干；

其中，在工序1)中，将石英岩浸泡在第一酸液中0.5～1小时，所述第一酸液是包含3～5wt％HCl、10～12wt％HNO₃、6～8wt％H₂SO₄和0.1～0.3wt％HF的水溶液；

在工序4)中，将煅烧后所得矿物浸入第二酸液进行水淬，所述第二酸液是包含1～3wt％HCl、2～4wt％HNO₃、1～3wt％H₂SO₄、6～8wt％磷酸、5～7wt％硼酸、3～5wt％亚磷酸和10～12wt％柠檬酸的水溶液；

在工序5)中，研磨采用球磨机对工序4)所得矿物进行湿法球磨，所述球磨机的内胆表面设有耐酸层，所述球磨机中球磨器件表面均设有耐酸层，在研磨时，向所述球磨机中加入第三酸液，所述第三酸液是包含0.5～1wt％硝酸、0.5～1wt％盐酸、2.5～3.5wt％磷酸、3～5wt％酒石酸、4～6wt％柠檬酸、2～4wt％苯磺酸、2～4wt％醋酸和1～2wt％草酸的水溶液；

在工序8)中，采用第四酸液酸洗1小时，所述第四酸液是包含0.1～0.3wt％硝酸、0.5～1wt％磷酸、1～3wt％柠檬酸、0.5～1.5wt％苯磺酸、0.5～1.5wt％醋酸和0.3～0.5wt％草酸的水溶液。

优选的是，所述的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，在工序2)中，在粉碎时，加入磨料进行擦洗脱泥，所述磨料包括：20wt％～25wt％的碳化硼、30wt％～40wt％的碳化硅，其余为刚玉；

在工序4)中，在水淬时，向所述第二酸液中提供用于震荡的超声波，所述超声波的频率为200～300Hz。

优选的是，所述的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，在工序10)中，烘干所用热量来自工序3)中煅烧炉中的余热，在煅烧炉的外壁上贴壁设置一个集热舱，所述集热舱内设有用于空气流通的空腔，通过设置若干个鼓风机和绝热管道，将冷空气导入到所述集热舱进行加热，再将加热后的热空气导入至工序10)中用于烘干，所述绝热管道内壁设置有一层聚酰亚胺薄膜。

优选的是，所述的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，工序3)中，煅烧温度为800～840℃。

优选的是，所述的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，工序5)中，将工序4)所得矿物研磨至颗粒粒径为1800目。

优选的是，所述的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，工序6)中，磁选采用磁场强度为500～15000高斯的磁选设备。

优选的是，所述的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，工序7)中，静电选采用电压为15～20千伏的静电选设备。

优选的是，所述的以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，工序2)中，将石英岩粉碎至粒径为0.5～2mm。

本发明的有益效果是：

1)本案采用梯度酸度分布洗脱杂质颗粒，在粉碎前先采用强酸浸泡以除去石英岩表面的薄膜铁及其他金属杂质，在水淬时，采用中强酸继续除去包裹在石英岩内部的金属杂质，在研磨时，为保护设备免受腐蚀，采用中弱酸在研磨同时除杂，借助球磨机增加酸液与杂质的接触几率和接触面积，从而增加除杂效率，在最后一步酸洗时，采用弱酸进一步除去少量的剩余的未反应完全的杂质微粒。

1)将粗碎和擦洗脱泥整合在一个工序中，通过添加复配的磨料，使得在粗碎的同时将石英岩表面未被酸液洗净的薄膜铁和泥性杂质去除干净，既提高了生产效率，又降低了能耗；

2)在水淬时，为了使煅烧后的矿物得到更加疏松的结构，同时为了提高酸液与金属杂质的反应速率，采用了超声波用以震荡，保证矿物结构疏松特性的同时，提高了除杂效率，节省了工时成本；

3)将煅烧时产生的余热进行收集，并将该热量用于最后的干燥，既降低了能耗，又减少了企业的生产成本；

4)通过分级梯度式的改进型洗液分阶段除杂，降低了传统高浓度酸液对设备的腐蚀，同时，增加了酸液与杂质的接触几率和时间，进一步提高了除杂的效果，从而保证了产品的高纯度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本案提出一种以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，包括以下工序：1)浸泡；2)粉碎；3)煅烧；4)水淬；5)研磨；6)磁选；7)静电选；8)酸洗；9)去离子水清洗；10)烘干；

其中，在工序1)中，将石英岩浸泡在第一酸液中0.5～1小时，第一酸液是包含3～5wt％HCl、10～12wt％HNO₃、6～8wt％H₂SO₄和0.1～0.3wt％HF的水溶液；浸泡的目的是尽可能的除去石英岩表面的金属杂质，以提高粉碎效率，降低粉碎的能耗，同时可减轻后续酸洗除杂的压力。因石英岩表面的金属杂质是相对最稳定的，因此需要较强的酸性才能除去，因此第一酸液配方中的各物质含量应被限制，若酸性过高，则吸附于石英岩表面的酸液会对后续的设备造成不可修复的侵蚀，若酸性过低，则该工序除杂的效果不明显，导致该工序失效，造成能源及工时的浪费。

在工序2)中，在粉碎时，加入磨料进行擦洗脱泥，该磨料包括：20wt％～25wt％的碳化硼、30wt％～40wt％的碳化硅，其余为刚玉；磨料的配比应被限定，该配比时针对天然石英岩中泥性杂质的平均比重来设定的，若超出上述的配比范围，将导致天然石英岩中泥性杂质无法被完全去除干净。此外，工序2)中，优选将石英岩粉碎至粒径为0.5～2mm，以便于后续设备的精加工。

工序3)中，煅烧温度优选为800～840℃，煅烧时间优选为0.5～1.5小时。由于本案在其他工序中进行了改良，因此煅烧温度可低于传统的900～1100℃的煅烧温度，满足节能环保的要求。

在工序4)中，将煅烧后所得矿物浸入第二酸液进行水淬，第二酸液是包含1～3wt％HCl、2～4wt％HNO₃、1～3wt％H₂SO₄、6～8wt％磷酸、5～7wt％硼酸、3～5wt％亚磷酸和10～12wt％柠檬酸的水溶液；此外，在水淬时，可向第二酸液中提供用于震荡的超声波，超声波的频率为200～300Hz。水淬的作用是将煅烧后的矿物经急冷后，获得疏松的结构，以利于后续的研磨，可显著降低能耗，并提高研磨效率。水淬所用的第二酸液可在矿物孔隙的形成期与矿物内的金属杂质进行酸碱反应，通过与大面积的孔隙想接触反应，可将酸洗除杂的效果提高至少10％，同时增加的超声波可与第二酸液协同配合提高酸碱反应的速率，因此，第二酸液中各组分的含量应被限制，若它们含量偏低，则导致矿物孔隙中的金属杂质无法大量除去，从而影响了产品的纯度；若含量偏高，则会抑制矿物孔隙的生长，同时对后续的研磨设备造成腐蚀。同样的，为了与水淬所用的第二酸液相匹配，超声波的频率范围也应被限制。频率过高会加速酸液对设备的腐蚀，频率过低也无法达到除杂的效果。

在工序5)中，研磨采用球磨机对工序4)所得矿物进行湿法球磨，球磨机的内胆表面设有耐酸层，该耐酸层可为石英层或含碳化硅、碳化硼的石英层，球磨机中球磨器件表面也须设有耐酸层，在研磨时，向球磨机中加入第三酸液，第三酸液是包含0.5～1wt％硝酸、0.5～1wt％盐酸、2.5～3.5wt％磷酸、3～5wt％酒石酸、4～6wt％柠檬酸、2～4wt％苯磺酸、2～4wt％醋酸和1～2wt％草酸的水溶液；球磨是将矿物破碎的过程，在此过程中用酸液除杂是最佳时机，酸液与杂质充分混合和接触，反应接触面大，接触时间长，除杂效果极佳，考虑到对设备的影响，以下前面工序的酸洗，该工序只需中等偏弱的酸度即可，因此，第三酸液的各组分含量应被限制，若各组分含量偏大，则导致酸性上升，对设备造成腐蚀；若各组分含量偏小，则会导致除杂效果不佳，给产品的最终纯度带来影响。此外，工序5)中，优选将工序4)所得矿物研磨直至颗粒粒径为1800目。

工序6)中，磁选采用磁场强度为500～15000高斯的磁选设备，高低两种磁场可有效去除矿土中铁、钛铁类强磁性和弱磁性杂质。

工序7)中，静电选采用电压为15～20千伏的静电选设备，由于到工序7)时，矿物中的金属含量已很低，所以静电选的电压低于传统工艺中的电压，它用于除去矿土中的非磁性矿，如：钾、钠长石、铝、云母等杂质。

在工序8)中，采用第四酸液酸洗1小时，第四酸液是包含0.1～0.3wt％硝酸、0.5～1wt％磷酸、1～3wt％柠檬酸、0.5～1.5wt％苯磺酸、0.5～1.5wt％醋酸和0.3～0.5wt％草酸的水溶液。工序8)的作用是将剩余的还未完全溶解的金属杂质除去，因此它对酸性的强度要求不高，可优选使用一些无机和有机弱酸，由于复配的酸液中含有多种类型的酸，它可以除去更多种类的金属微粒及碱性杂质，因而第四酸液中各组分的含量应被限制，若含量过高，则造成资源浪费，增加了不必要的生产成本，同时也对设备造成不必要的损伤；若含量过低，则可能导致细小的金属微粒无法被除净，降低最终石英粉体的纯度。

在工序10)中，烘干所用热量来自工序3)中煅烧炉中的余热，在煅烧炉的外壁上贴壁设置一个集热舱，集热舱内设有用于空气流通的空腔，通过设置若干个鼓风机和绝热管道，将冷空气导入到集热舱进行加热，再将加热后的热空气导入至工序10)中用于烘干，并以此循环。绝热管道内壁设置有一层聚酰亚胺薄膜。

采用上述工艺制得的石英粉体中二氧化硅的含量≥99.95％。

实施例1

一种以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，包括以下工序：1)浸泡；2)粉碎；3)煅烧；4)水淬；5)研磨；6)磁选；7)静电选；8)酸洗；9)去离子水清洗；10)烘干；

其中，在工序1)中，将石英岩浸泡在第一酸液中0.5小时，第一酸液是包含3wt％HCl、10wt％HNO₃、6wt％H₂SO₄和0.1wt％HF的水溶液。

在工序2)中，在粉碎时，加入磨料进行擦洗脱泥，该磨料包括：20wt％的碳化硼、30wt％的碳化硅和50wt％的刚玉。将石英岩粉碎至粒径为0.5～2mm。

工序3)中，煅烧温度为800℃，煅烧时间为0.5小时。

在工序4)中，将煅烧后所得矿物浸入第二酸液进行水淬，第二酸液是包含1wt％HCl、2wt％HNO₃、1wt％H₂SO₄、6wt％磷酸、5wt％硼酸、3wt％亚磷酸和10wt％柠檬酸的水溶液；此外，在水淬时，向第二酸液中提供用于震荡的超声波，超声波的频率为200Hz。

在工序5)中，研磨采用球磨机对工序4)所得矿物进行湿法球磨，球磨机的内胆表面设有耐酸层，球磨机中球磨器件表面也须设有耐酸层，在研磨时，向球磨机中加入第三酸液，第三酸液是包含0.5wt％硝酸、0.5wt％盐酸、2.5wt％磷酸、3wt％酒石酸、4wt％柠檬酸、2wt％苯磺酸、2wt％醋酸和1wt％草酸的水溶液。并且，在工序5)中，将工序4)所得矿物研磨直至颗粒粒径达到1800目。

工序6)中，磁选采用磁场强度为500～15000高斯的磁选设备。

工序7)中，静电选采用电压为15千伏的静电选设备。

工序8)中，采用第四酸液酸洗1小时，第四酸液是包含0.1wt％硝酸、0.5wt％磷酸、1wt％柠檬酸、0.5wt％苯磺酸、0.5wt％醋酸和0.3wt％草酸的水溶液。

在工序10)中，烘干所用热量来自工序3)中煅烧炉中的余热，在煅烧炉的外壁上贴壁设置一个集热舱，集热舱内设有用于空气流通的空腔，通过设置若干个鼓风机和绝热管道，将冷空气导入到集热舱进行加热，再将加热后的热空气导入至工序10)中用于烘干，并以此循环。绝热管道内壁设置有一层聚酰亚胺薄膜。

实施例2

一种以石英岩制备高纯度石英粉体的生产工艺，包括以下工序：1)浸泡；2)粉碎；3)煅烧；4)水淬；5)研磨；6)磁选；7)静电选；8)酸洗；9)去离子水清洗；10)烘干；

其中，在工序1)中，将石英岩浸泡在第一酸液中1小时，第一酸液是包含5wt％HCl、12wt％HNO₃、8wt％H₂SO₄和0.3wt％HF的水溶液。

在工序2)中，在粉碎时，加入磨料进行擦洗脱泥，该磨料包括：25wt％的碳化硼、40wt％的碳化硅和35wt％的刚玉。此外，工序2)中，将石英岩粉碎至粒径为0.5～2mm。

工序3)中，煅烧温度为840℃，煅烧时间为1.5小时。

工序4)中，将煅烧后所得矿物浸入第二酸液进行水淬，第二酸液是包含3wt％HCl、4wt％HNO₃、3wt％H₂SO₄、8wt％磷酸、7wt％硼酸、5wt％亚磷酸和12wt％柠檬酸的水溶液；此外，在水淬时，向第二酸液中提供用于震荡的超声波，超声波的频率为300Hz。

在工序5)中，研磨采用球磨机对工序4)所得矿物进行湿法球磨，球磨机的内胆表面设有耐酸层，球磨机中球磨器件表面也须设有耐酸层，在研磨时，向球磨机中加入第三酸液，第三酸液是包含1wt％硝酸、1wt％盐酸、3.5wt％磷酸、5wt％酒石酸、6wt％柠檬酸、4wt％苯磺酸、4wt％醋酸和2wt％草酸的水溶液。并且，在工序5)中，将工序4)所得矿物研磨直至颗粒粒径达到1800目。

工序6)中，磁选采用磁场强度为500～15000高斯的磁选设备。

工序7)中，静电选采用电压为20千伏的静电选设备。

在工序8)中，采用第四酸液酸洗1小时，第四酸液是包含0.3wt％硝酸、1wt％磷酸、3wt％柠檬酸、1.5wt％苯磺酸、1.5wt％醋酸和0.5wt％草酸的水溶液。

在工序10)中，烘干所用热量来自工序3)中煅烧炉中的余热，在煅烧炉的外壁上贴壁设置一个集热舱，集热舱内设有用于空气流通的空腔，通过设置若干个鼓风机和绝热管道，将冷空气导入到集热舱进行加热，再将加热后的热空气导入至工序10)中用于烘干，并以此循环。绝热管道内壁设置有一层聚酰亚胺薄膜。

下表是采用实施例1和2的工艺得到的石英粉体的纯度分析(wt％)：

SiO₂Fe₂O₃Al₂O₃CaOMgOKNaTiO₂WO₃SnO₂MnO实施例199.960.0030.010.010.0030.0030.0030.0020.0020.0020.002实施例299.980.0020.0030.0050.0010.0020.0020.0020.0010.0010.001

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。