江西石英选矿研究

引言

石英砂是自然界最常见、应用最广泛的非金属矿物原料之一。随着科学技术的进步和高新技术产业的快速发展，工业对优质高纯硅质原料的需求量不断增加，而随着天然水晶资源的日益枯竭，人们开始将高纯和超高纯石英砂作为天然水晶的替代品［1］。因此石英砂的选矿提纯能在很大程度上满足工业生产对优质硅原料日益增长的需求。石英砂的应用已不再仅仅局限于玻璃制品、建材等传统领域，而是更多地开始涉入高新技术产业领域，如半导体技术、SiO2薄膜材料、原子能、光纤通讯电缆材料以及国防科技尖端等诸多方面［2］。此类石英原料中一般SiO2≥99．9％，对杂质质量分数要求也很高。实践证明：石英一般与云母、长石、赤褐铁矿等矿物伴生在一起，因此在石英的选矿提纯试验中，主要是去除铁质、铝质、钙质等矿物组分。

1　实验部分

1．1　原矿性质

原矿的化学组成分析结果见表1。原矿的XRD图谱分析表明：原矿所含的主要矿物为石英。原矿的矿物组成主要为石英（＞98％），少 量 的 绢 云 母 （＜1％）和 赤 褐 铁 矿（＜0．5％）。矿石流体包裹体研究表明：石英中包裹体分两类，以绢云母为主的矿物包裹体和气液包裹体，均存在于石英颗粒内部。矿物包裹体绢云母包体的大小一般为0．002～0．019mm，矿石中均含气液包裹体。

1．2　磨矿细度试验

磨 矿 细 度 试 验 的 介 质 为 钢 棒，磨 矿 采 用XMB－70型三辊四筒磨矿机。每份样100g，磨矿质量分数50％，磨矿时间分别为0．5、1、2、4min，磨矿细度曲线见图1。从图1看出，随着磨矿时间的增加，－0．104mm粒级的产率增加较大，＋0．42mm粒级产率迅速减少，－0．42～＋0．104mm粒级产率先增加后减 少，磨 矿 时 间 为1 min时，－0．42～ ＋0．104mm粒级的质量分数最大，达到61．47％，比原矿26．59％提高了34．88％，因此确定磨矿时间为1min。

1．3　磁选场强试验

原矿经磨矿后进行脱泥，脱泥粒度30μm，脱泥主要是为了脱除磨矿时带入的铁质及原矿中嵌布较细的含铁矿物，弱磁选磁场强度为80～170mT，强磁选机为Slon－100周期式脉动高梯度磁选机，试验流程见图2。强磁选磁场强度分别为0．7、0．8、0．9T，流速0．8cm／s，脉动电机转速为200r／min，试验结果见表2。由表2可知，精矿TFe2O3质量分数分别为85．8、66．8μg／g，铁去除率分别为93．16％和94．58％。场强对除铁效果影响不大，因此综合考虑确定强磁场强为0．9T。

1．4　浮选试验

1．4．1　捕收剂选择试验

对磁选精矿进行捕收剂选择试验，浮选机为RK／FD型0．5L单槽浮选机，调整剂为5％硫酸，用量1875g／t，调整矿浆pH＝2，捕收剂分别为胺类阳离子捕收剂1、2、3，起泡剂为2＃油，用量40g／t，浮选矿浆质量分数20％，浮选时间4min，浮选试验流程见图3，试验结果见表3。由表3可知，用捕收剂2进行试验时，尾矿3产率偏低，浮选效果较1、3两种药剂差，因此对另两组试验的精矿进行元素分析，化验结果见表4。由表4可知，采用捕收剂3试验时，精矿中的SiO2质量分数较捕收剂1高，而杂质中的Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O和K2O均 较1低，Al2O3、TFe2O3、CaO去 除 率 分 别 为99．25％、94．70％、91．58％，可见采用捕收剂3作为捕收剂的效果明显优于捕收剂1。因此，确定浮选捕收剂为捕收剂3。

1．4．2　捕收剂用量试验

进行捕收剂3用量探索试验，当捕收剂的用量为900g／t时，浮选效果较差，因此选择捕收剂用量分别为1200、1500和1800g／t进行试验，试验流程如图4，试验结果见表5。由表5可知，当捕收剂用量为1500g／t时，精矿中SiO2质量分数为99．86％，较其他两组试验高，TFe2O3为70．7μg／g，去除率为94．70％，杂质质量分数比其他两组质量分数低，综合考虑，确定捕收剂3用量为1500g／t。

1．5　酸浸试验

将浮选后的精矿烘干，筛分，＋0．104mm产率为61．59％，取＋0．104mm粒级进行化学酸浸试验，其试验产物用于制备玻璃原料。酸浸试验采用H2SO4、HNO3和HF的复配混合酸。H2SO4为分析纯，质量分数是98％，密度1．84g／cm3；HNO3为分析纯，质量分数为68％，密度42g／cm3；HF为分析纯，质量分数≥40％。试验确定石英砂∶水∶酸＝2∶1∶1（质量比）的配比，酸的用量与去离子水质量相同。由于HF可以溶解石英砂中的SiO2，故HF用量不宜过高。根据经验，确定HF的质量分数为10％。进行4组 酸 配 比 （质 量 比）试 验，H2SO4∶HNO3∶HF的配比分别为：55∶35∶10、65∶25∶10、75∶15∶10、85∶5∶10。酸浸时间定为5h，酸浸温度定为20℃，精矿洗至中性后进行化学多元素分析。试验流程见图5，试验结果见表6。表6表明，当酸配比为H2SO4∶HNO3∶HF＝65∶25∶10时，精 矿 中SiO2质 量 分 数 最 高 为99．89％，Al2O3、Fe2O3、CaO的 去 除 率 分 别 为99．46％、99．70％和94．02％，杂质去除率较高，故确定酸配比为65∶25∶10。

1．6　爆裂试验

从精矿化学分析结果可以看出，精矿的烧失量较大，达到0．08％～0．13％，铝、铁、钙等杂质质量分数较原矿有大幅下降，达到较低水平，而SiO2质量分数始终小于99．9％。结合包裹体研究结果，初步判定精矿的烧失量主要由流体包裹体造成，通过高温爆裂试验可除去流体包裹体，降低烧失量，有利于进一步提高SiO2质量分数。取一定量酸浸试验精矿 （精确到0．0001g），置于坩埚中，于600 ℃下灼烧1h后取出，置于干燥皿中冷却至室温，精矿失重为0．065％。爆裂试验结果表明：包裹体在600 ℃时发生爆裂，包裹体中的液体和气体逸出，结合化学分析结果可知经过爆裂后的石英精矿SiO2质量分数≥99．95％。

1．7　超细硅微粉磨矿试验

浮选精矿经过分级后，对－0．104mm产物进行磨矿试 验，制 备 超 细 硅 微 粉。磨 矿 设 备 选 用RK／XPM－120×3三 头 研 磨 机，磨 矿 时 间30min。测定磨矿后产物的粒度组成及化学成分。磨矿后产物粒度分布见表7，化学分析结果见表8。由表7看 出，D90＝12．05μm，D98＝16．38μm，说明经研磨机磨矿后的石英硅微粉粒度较粗。从表8看出，磨矿后产品中SiO2质量分数达到99．90％，TFe2O3质量分数396．5μg／g，说明采用玛瑙材质研磨机磨矿虽有利于SiO2质量分数的提高，但也存在一定的铁质污染。因此建议采用其他石英质超细磨矿设备来降低杂质质量分数，达到硅微粉提纯目的。

2　推荐工艺流程

通过磨矿细度试验、磁选场强试验、浮选条件试验、酸浸试验、爆裂试验、超细硅微粉磨矿试验，确定了如图6所示的试验工艺流程。在推荐流程下，进行试验制得高纯石英砂精矿中SiO2质量分数≥99．95％，杂质质量分数≤150μg／g，超细硅微粉SiO2质量分数≥99．90％。

3　结论

a．原矿的主要成分为石英、绢云母、赤褐铁矿，其中铁主要赋存在赤褐铁矿中。通过选矿提纯试验，确定了该石英的磨矿细度为－0．42～＋0．104mm　61．47％；场强为0．9T，捕收剂3用量为1500g／t。

b．通过酸浸试验确定了，当酸配比（质量比）为H2SO4∶HNO3∶HF＝65∶25∶10时，精矿中杂质质量分数为126．74μg／g，SiO2质量分数≥99．98％；由高温爆裂试验可知，当温度为600 ℃时大量的包裹体发生爆裂，包裹体中的液体和气体逸出，经过爆裂后的石英精矿SiO2质量分数在99．95％左右；经研磨机磨矿后产物中SiO2质量分数达到99．90％，说明超细硅微粉磨矿试验对提高SiO2质量分数效果明显。