專利名稱：一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法，屬于礦物加工及生產拉制單晶硅用石英玻璃坩堝原料技術領域。
背景技術：
高純石英純度要求SiO2含量為99. 99%以上，因具有優(yōu)異的高溫熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定性、電絕緣性、光學和耐輻照性能，在電子工業(yè)、 半導體、宇航、光纖通信等領域得到了廣泛的應用。通常，單晶硅生長用石英玻璃坩堝的原料純度要求十分嚴格，若鋁含量超標會影響拉制單晶硅的純度，當鈉、鉀等含量過高時，石英坩堝的軟化溫度大大降低，無法進行拉晶。隨著高科技行業(yè)的快速發(fā)展，水晶產品質量要求也在不斷提高，而水晶資源趨向枯竭，世界范圍內都面臨著高品級石英原料的緊缺。為了應對這一危機，美、德、日等發(fā)達國家尋求高純石英作為水晶的替用品。國內在這方面也開展了不少研究工作，經過多年的研究雖然尋找出一些有效提純方法，但石英的純度仍達不到高科技行業(yè)的要求，其原料來源主要依賴進口。另外，我國石英砂雜質種類、賦存狀態(tài)及分布各異，給提純也帶來了很大難度。提純工藝關鍵在浮選和酸浸條件的控制，雖然浮選方法已由有氟法轉化為無氟法，但無氟無酸法遠不如無氟有酸法成熟，故未應用于工業(yè)生產；近年不少學者關注酸浸提純的實驗研究，但因所用酸的種類、實驗條件及方法各異，提純效果也不盡相同。本發(fā)明針對天然脈石英礦，在研究其工藝礦物學的基礎上，提出了一種除對傳統工藝進行改進外，還對浮選后的石英砂分別進行分級和高溫處理制備高純石英砂的方法。該方法具有簡單易行、成本低廉、適于大規(guī)模生產的優(yōu)點，對于綜合利用脈石英礦及促進太陽能行業(yè)的快速發(fā)展意義重大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法。本發(fā)明采用天然脈石英礦為原料，經過對其高溫煅燒-水淬除去其中的包裹體及脈石英礦裂隙中的雜質；再通過浮選、混酸浸泡工藝去除絕大多數的微量元素雜質；最后對其采用乙醇-去離子水清洗，最大程度地去除浮選和酸洗工藝過程引入的其他雜質及一些可溶性雜質，得到高純石英砂，為制備生產拉制單晶硅用石英玻璃坩堝提供原料。其工藝步驟及原理如下(I)篩選選取質量好的脈石英原礦，并將其中凸顯的雜質及異物清除。(2)煅燒-水淬將挑選好的塊狀脈石英置于馬弗爐中加熱至900 1100°C后保溫I 5h，煅燒結束后將礦樣取出直接放入水中淬火。(3)干燥-破碎-粉磨將上述處理的試樣置于真空干燥箱中，進行充分干燥。采用顎式破碎機對干燥后脈石英塊破碎至粒徑小于I 5cm的小塊，再利用密封式化驗制樣粉碎機將碎塊粉磨至粒徑為微米級的石英砂。(4)浮選將步驟⑶得到的石英砂用H2SO4溶液調配成pH為5. O 7. O的溶液，然后加入適量不同浮選劑在浮選槽中進行浮選處理，將長石及其他密度較小的雜質除去。(5)水洗-干燥用去離子水洗去上述步驟得到石英砂中殘余的浮選劑及表面的雜質；接著將其置于真空干燥箱中，加熱至110 150°c進行充分干燥。(6)高溫煅燒將步驟(5)得到的石英砂在1200 1400°C進行煅燒處理。(7)混酸浸潰將高溫煅燒后的石英砂與一定配比的混酸溶液混合(其中礦漿濃度為50% )后一起加入浸潰槽，水浴鍋加熱至50 95°C后保溫攪拌反應，反應時間為O. 5 3h，以除去石英砂中大部分的微量元素雜質。(8)乙醇-去離子水清洗室溫條件下，將步驟(7)得到的石英砂加入乙醇中邊攪拌邊浸潰，重復7次以上；接著對其用適量去離子水洗滌10次以上，直至中性。 (9)恒溫干燥用一定的干燥設備對上述得到的石英砂進行干燥，得到拉制單晶硅生產用石英坩堝原料。
具體實施例方式實施例一:(I)篩選選取質量好的脈石英原礦，并將其中凸顯的雜質及異物清除。(2)煅燒-水淬將挑選好的塊狀脈石英置于馬弗爐中加熱至900°C后保溫lh，煅燒結束后將礦樣取出直接放入水中淬火。(3)干燥-破碎-粉磨將上述處理的試樣置于真空干燥箱中，進行充分干燥。采用顎式破碎機對干燥后脈石英塊破碎至粒徑小于2cm的小塊，再利用密封式化驗制樣粉碎機(GJ-2)將碎塊粉磨至粒徑為2 100 μ m的石英砂。(4)浮選稱取步驟(3)得到的石英砂200g，用適量去離子水及20% H2SO4溶液調配成pH = 5. O的溶液，以油酸鈉為長石活化劑，六偏磷酸鈉為石英抑制劑，十二胺鹽酸鹽為長石捕收劑，以一定的配比(浮選試劑配料設計見表I所示)將其依次加入盛有混合漿料的浮選槽中進行浮選處理，浮選時間為20min，利用石英與長石零電點的區(qū)別，將長石及其他密度較小的雜質除去。(5)水洗-干燥用去離子水洗去上述步驟得到石英砂中殘余的浮選劑及表面的雜質；接著將其置于真空干燥箱中，加熱至110°C進行充分干燥。(6)高溫煅燒將步驟(5)得到的石英砂分別在1200°C、1400°C進行煅燒處理。(7)混酸浸潰將高溫處理后的石英砂與采用H2S04、HC1、HN03與HF混合配制的溶液(濃度及配比見表3所示)混合后一起加入浸潰槽，制得礦漿的濃度為50%，在水浴鍋中加熱至50°C后保溫下攪拌反應lh，以除去石英砂顆粒中包裹體及裂隙破裂后溶解在溶液中的微量元素雜質。(8)乙醇-去離子水清洗經過混酸浸泡的石英砂，表面附著有浸泡出的可溶性雜質，不但會影響成分分析，也會在干燥時放出有害的酸性氣體，污染環(huán)境并腐蝕設備。室溫條件下，將步驟(7)得到的石英砂加入乙醇中邊攪拌邊浸潰，重復7次左右，促進石英砂表面的雜質及酸洗后的殘液向液相擴散；接著對其用適量去離子水洗滌10次以上，直至中性。(9)恒溫干燥用一定的干燥設備對上述得到的石英砂進行干燥，溫度為110°C，時間為2h，得到高純石英砂1，其純度達99. 995%以上，其中部分微量元素雜質含量見表4所示。實施例二 :(I)篩選選取質量好的脈石英原礦，并將其中凸顯的雜質及異物清除。(2)煅燒-水淬將挑選好的塊狀脈石英置于馬弗爐中加熱至900°C后保溫lh，煅燒結束后將礦樣取出直接放入水中淬火。(3)干燥-破碎-粉磨將上述處理的試樣置于真空干燥箱中，進行充分干燥。采用顎式破碎機對干燥后脈石英塊破碎至粒徑小于2cm的小塊，再利用密封式化驗制樣粉碎機將碎塊粉磨至粒徑為2 100 μ m的石英砂。(4)浮選稱取步驟(3)得到的石英砂200g，用適量去離子水及20% H2SO4溶液調配成pH = 5. O的溶液，以油酸鈉為長石活化劑，六偏磷酸鈉為石英抑制劑，十八胺鹽酸鹽為長石捕收劑，以一定的配比(浮選試劑配料設計見表2所示)將其依次加入盛有混合漿料 的浮選槽中進行浮選處理，浮選時間為20min，利用石英與長石零電點的區(qū)別，將長石及其他密度小于I的雜質除去。(5)水洗-干燥用去離子水洗去上述步驟得到石英砂中殘余的浮選劑及表面的雜質；接著將其置于真空干燥箱中，加熱至110°C進行充分干燥。(6)高溫煅燒將步驟(5)得到的石英砂分別在1200°C、1400°C進行煅燒處理。(7)混酸浸潰將高溫處理后的石英砂與采用H2S04、HC1、HN03與HF混合配制的溶液(濃度及配比見表3所示)混合后一起加入浸潰槽，制得礦漿的濃度為50%，在水浴鍋中加熱至50°C后保溫下攪拌反應lh，以除去石英砂顆粒中包裹體及裂隙破裂后溶解在溶液中的微量元素雜質。(8)乙醇-去離子水清洗經過混酸浸泡的石英砂，表面附著有浸泡出的可溶性雜質，不但會影響成分分析，也會在干燥時放出有害的酸性氣體，污染環(huán)境并腐蝕設備。室溫條件下，將步驟(7)得到的石英砂加入乙醇中邊攪拌邊浸潰，重復7次左右，促進石英砂表面的雜質及酸洗后的殘液向液相擴散；接著對其用適量去離子水洗滌10次以上，直至中性。(9)恒溫干燥用一定的干燥設備對上述得到的石英砂進行干燥，溫度為110°C，時間為2h，得到高純石英砂2，其純度達99. 99%以上，其中部分微量元素雜質含量見表5所
/Jn ο表I浮選試劑配料設計
原料十二胺六偏磷酸納油酸納
質量分數 wt % 11. 8465. 7922. 37表2浮選試劑配料設計
原料十八胺六偏磷酸納油酸納
質量分數 wt % 11. 8465. 7922. 37表3混酸溶液中各酸的濃度及配比
權利要求
1.一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法，其特征在于所述制備方法包括以下各步驟， (1)篩選選取質量好的脈石英原礦，并將其中凸顯的雜質及異物清除。
(2)煅燒-水淬將挑選好的塊狀脈石英置于馬弗爐中加熱至900 1100°C后保溫I 5h，煅燒結束后將礦樣取出直接放入水中淬火。
(3)干燥-破碎-粉磨將上述處理的試樣置于真空干燥箱中，進行充分干燥。采用顎式破碎機對干燥后脈石英塊破碎至粒徑小于I 5cm的小塊,再利用密封式化驗制樣粉碎機將碎塊粉磨至粒徑為微米級的石英砂。
(4)浮選將步驟⑶得到的石英砂用H2SO4溶液調配成pH為5.O 7. O的溶液，然后加入適量不同浮選劑在浮選槽中進行浮選處理，將長石及其他密度較小的雜質除去。
(5)水洗-干燥用去離子水洗去上述步驟得到石英砂中殘余的浮選劑及表面的雜質；接著將其置于真空干燥箱中，加熱至110 150°C進行充分干燥。
(6)高溫煅燒將步驟(5)得到的石英砂在1200 1400°C進行煅燒處理。
(7)混酸浸潰將高溫處理后的石英砂與一定配比的混酸溶液混合(其中礦漿濃度為50% )后一起加入浸潰槽，水浴鍋加熱至50 95°C后保溫攪拌反應，反應時間為O. 5 3h，以除去石英砂中大部分的微量元素雜質。
(8)乙醇-去離子水清洗室溫條件下，將步驟(7)得到的石英砂加入乙醇中邊攪拌邊浸潰，重復7次以上；接著對其用適量去離子水洗滌10次以上，直至中性。
(9)恒溫干燥用一定的干燥設備對上述得到的石英砂進行干燥，得到拉制單晶硅生產用石英坩堝原料。
2.根據權利要求書I所述的一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法，其特征在于所述的高溫煅燒是將浮選、清洗后的石英砂顆粒在1200 1400°C的條件下進行煅燒處理，以進一步除去石英砂小顆粒中可能存在的氣、液或混合包裹體及其他易揮發(fā)的雜質。
3.根據權利要求書I所述的一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法，其特征在于所述的混酸浸潰是將高溫煅燒處理后的石英砂與一定配比的H2S04、HC1、HN03與HF混合(其中礦漿濃度為50% )后一起加入浸潰槽，水浴鍋加熱至50 95°C后保溫攪拌反應，反應時間為O. 5 3h，以除去石英砂中大部分的微量元素雜質。
4.根據權利要求書I所述的一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法，其特征在于所述的乙醇-去離子水清洗是在室溫條件下將混酸浸潰后的石英砂加入乙醇中邊攪拌邊浸潰，重復7次以上；接著對其用適量去離子水洗滌10次以上，直至中性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用天然脈石英礦制備高純石英砂的方法，屬于礦物加工及生產拉制單晶硅用石英玻璃坩堝原料技術領域。本方法以天然脈石英礦為原料，經過對其高溫煅燒-水淬除去其中的包裹體及脈石英礦中裂隙間雜質；再通過浮選、混酸浸漬工藝去除絕大多數的微量元素雜質；最后采用乙醇-去離子水進行清洗，最大程度地去除浮選和酸洗工藝過程引入的一些有機雜質及其他可溶性雜質，得到高純石英砂，為制備生產拉制單晶硅用石英坩堝提供原料。
文檔編號C03B1/00GK102897993SQ20121041192
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權日2012年10月25日
發(fā)明者吳小文, 袁學友, 文瑞龍, 步超遠 申請人:中國地質大學(北京)