专利名称：应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法
技术领域：
本发明涉及一种石英粉体材料加工方法，具体涉及应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法。
背景技术：
石英材料因其具有一系列的优良特性如耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，使其作为硅原材料广泛应用于建材、化工、 电子、电工、军工、航天等行业。石英陶瓷坩埚用高纯熔融石英粉的指标要求包括产品的固化流动性、制品纯度和杂质成分三个方面，这三个方面都是影响石英陶瓷坩埚产品的主要原因，也是影响石英陶瓷坩埚制备的难点。目前，我国制备熔融石英陶瓷坩埚材料主要选用优质高纯脉石英进行加工，其工艺比较简单，生产出的产品满足坩埚制备使用的范围较小，且资源利用率不高，最终成品利用率仅为30%。规模化生产的熔融石英中SiO2含量一直无法突破99. 99%，产品附加值低、 能耗高、环保问题突出、资源浪费严重。要获得高纯熔融石英(SiO2 ^ 99. 99%)，只能以高纯水晶为原料，用气炼法、电熔法、电弧法或CVD合成法生产，成本昂贵，售价> 20000元/吨， 严重影响了下游产品生产。高效低成本的提纯加工技术是国内石英加工行业的发展瓶颈。随着石英陶瓷坩埚的快速发展，熔融石英作为关键原材料，质量要求越来越高，技术的突破和产业化刻不容缓。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法，通过以脉石英为原料，采用综合除杂、高温熔炼、滚球破碎等复合提纯加工技术，实现对坩埚用高纯熔融石英粉体材料的纯度、微量元素的控制，提高固化流动性效果。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为原料，以下统称脉石英，在综合除杂的基础上增加熔融纯化、滚球破碎制备出适用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融粉体材料；该制备方法包括以下步骤首先综合除杂，即对石英矿石进行粗破、人工拣选、静电除杂、细碎筛分、梯度磁选、化学除杂、清洗得纯净石英砂；然后熔融纯化，即纯净石英砂在连熔炉中进行高温熔融，通过控制温度、调节热处理气氛和通入活性气体以使难去除的金属杂质生成挥发性的物质除去，得到高纯熔融石英块；最后滚球破碎，即采用氮化硅锤头破碎机或者其他类非金属耐磨破碎设备对高纯熔融石英块进行破碎，破碎机内壁采用氮化硅内衬或者其他类非金属耐磨内衬且破碎系统封闭，破碎下来的高纯熔融石英碎砂进入滚球机内加工，通过高速气流挟带石英砂在腔体内旋转、滚动，将颗粒状石英砂加工成球形，严格分级控制好颗粒粒度，制备出来的粉体材料即为应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料。
其中，综合除杂原矿石英开采出来采用锤式破碎机破碎至1 3cm大小之间，利用水洗和分级脱泥的方法针对性去除石英原矿石上附着物杂质；晾干后，人工分选以肉眼能够容易识别将非石英杂质分拣丢弃；清理后的1 3cm的石英矿进行静电除杂，静电除杂的滚筒转速为lOOr/min，电压为1. 8万伏特，每吨静电除杂周期2小时；对l-3cm的石英矿继续进行细碎，细碎至80 140目；细碎后采用磁场强度达到IOOOOOe高梯度磁选机进行磁选，每吨磁选周期1小时；对磁选出来的石英矿化学除杂先用质量浓度15%盐酸与磁选石英矿液固比1. 5 1进行第一次酸浸，酸浸时间12h ；接着再用质量浓度10%硫酸液固比 2 1进行第二次酸浸，酸浸时间12h ；然后将二次酸浸后的石英砂水洗，至清洗液pH值为中性；最后水选过的石英砂按20% -80%的固体质量分数配成浆料放入装有机械搅拌器的容器中，加入质量浓度5—10%盐酸溶液和质量浓度5—10%氟硅酸溶液，盐酸与氟硅酸的量比1 1，酸液与石英砂的液固比2 1，在30-50°C搅拌1 一2h，静置IOh ；对化学除杂后的石英砂用水清洗数次，直至清洗液PH值为中性，制备出纯净石英砂。其中，熔融纯化纯净石英砂在连续式电炉中煅烧，煅烧温度以石英砂的软化温度 1000-130(TC为上限，熔炼时间30-50分钟；同时通入O2或者其他类活性气体调节热处理， 活性气体量控制在0. 2立方米/分钟，通入时间20 30分钟，煅烧形成高纯熔融石英块。其中，滚球破碎首先采用锤式破碎机对高纯熔融石英块进行粗破，锤式破碎机为氮化硅制内壁及氮化硅制锤头，破碎成0.5 0. 6mm;然后进行滚球细磨，滚球细磨机内壁、 研磨球采用氮化硅或者其他类高强度耐磨材料，通过滚球破碎机气流高速旋转、滚动，整形颗粒状的高纯熔融石英砂得高纯熔融石英粉体材料，高纯熔融石英粉体材料在80% 90% 高固含量条件下保持高流动性120g/S。其中，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)高温熔融处理前对脉石英进行除杂提纯加工，然后再进行高温熔融提纯处理，烘干后的纯净石英砂在高温连续式电炉上进行熔炼，使得石英砂中所含有的羟基在熔炼过程中逃逸，并且通入活性气体，难挥发的金属杂质在高温环境下与之生成挥发性的物质除去，提纯效果显著；
(2)针对石英岩或脉石英原料中存在的难熔矿物进行针对性的综合除杂，包括浮选、 磁选、电选、化学处理等，除杂过程简单；
(3)采用氮化硅内衬的离心滚球机，通过高速气流挟带石英砂在腔体内旋转、滚动，将颗粒状石英砂加工成高固化流动性物料，固化流动性达到120g/s，从而实现制备出来的石英陶瓷坩埚微观结构应力小、机械强度大、耐热性能佳，确保石英陶瓷坩埚在使用过程中的耐热冲击强度，提高石英陶瓷坩埚的成品率；
(4)普通热液成因的脉石英矿石，按照上述方法可获得SiO2含量99.99%以上，Al、Li、 Na、K、Fe、Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni等元素杂质总量20ppm以下的优质高纯石英砂，将石英资源利用率从50%提高到80%左右；
(5)采用本发明方法，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。
具体实施例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、对热液型脉石英矿石采用锤式破碎机破碎至1 3cm大小之间；利用水洗和分级脱泥的方法针对性去除石英原矿石上附着物杂质，晾干后，人工分选以肉眼能够容易识别将非石英杂质分拣丢弃；
2、清理后的1 3cm的石英矿进行静电除杂，静电除杂的滚筒转速选定为lOOr/min， 电压为1. 8万伏特，每吨静电除杂周期2小时，对l-3cm的石英矿继续进行细碎，细碎至80 目，采用磁场强度达到IOOOOOe高梯度磁选机进行磁选，每吨磁选周期1小时；
3、对磁选出来的石英矿采用化学除杂，先用质量浓度15%盐酸与磁选石英矿液固比 1. 5 1进行第一次酸浸，酸浸时间12h ；接着再用质量浓度10%硫酸液固比2 1进行第二次酸浸，酸浸时间12h ；然后将二次酸浸后的石英砂水洗，至清洗液pH值为中性；最后水选过的石英砂按20%的固体质量分数配成浆料放入装有机械搅拌器的容器中，加入质量浓度 5%盐酸溶液和质量浓度5%氟硅酸溶液，盐酸与氟硅酸的量比1:1，酸液与石英砂的液固比2 :1，在30°C搅拌2h，静置IOh ；对化学除杂后的石英砂用水清洗数次，直至清洗液pH值为中性，制备出纯净石英砂；
4、对纯净石英砂进行高温熔炼，首先纯净石英砂在熔融石英连续式电炉中煅烧，煅烧温度为1000°C，熔炼时间50分钟，同时通入O2调节热处理，活性气体量控制在0. 2立方米 /分钟，通入时间30分钟，制备出高纯熔融石英块，高纯熔融石英块中的Al、Li、Na、K、Fe、 Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni十三种金属元素杂质总量30ppm以下；
5、对高纯熔融石英块采用氮化硅锤头破碎机破碎成0.5 0. 8mm粗颗粒，并把粗颗粒投入滚球破碎机内进行破碎，破碎至80%固化含量流动性达到120g/s，制备出高纯熔融石英粉体材料。实施例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2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、清理后的1 2cm的石英矿进行静电除杂，静电除杂的滚筒转速选定为lOOr/min， 电压为1. 8万伏特，每吨静电除杂周期2小时，对l-2cm的石英矿继续进行细碎，细碎至110 目，采用磁场强度达到IOOOOOe高梯度磁选机进行磁选，每吨磁选周期1小时；
3、对磁选出来的石英矿采用化学除杂，先用质量浓度15%盐酸与磁选石英矿液固比 1. 5 1进行第一次酸浸，酸浸时间12h ；接着再用质量浓度10%硫酸液固比2 1进行第二次酸浸，酸浸时间12h ；然后将二次酸浸后的石英砂水洗，至清洗液pH值为中性；最后水选过的石英砂按50%的固体质量分数配成浆料放入装有机械搅拌器的容器中，加入质量浓度 10%盐酸溶液和质量浓度10%氟硅酸溶液，盐酸与氟硅酸的量比1:1，酸液与石英砂的液固比2 :1，在40°C搅拌1. 5h，静置IOh ；对化学除杂后的石英砂用水清洗数次，直至清洗液PH值为中性，制备出纯净石英砂；
4、对纯净石英砂进行高温熔炼，首先纯净石英砂在熔融石英连续式电炉中煅烧，煅烧温度为1150°C，熔炼时间40分钟，同时活性气体调节热处理，活性气体量控制在0. 2立方米 /分钟，通入时间25分钟，制备出高纯熔融石英块，高纯熔融石英块中的Al、Li、Na、K、Fe、 Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni十三种金属元素杂质总量30ppm以下；
5、对高纯熔融石英块采用氮化硅锤头破碎机破碎成0.5 0. 8mm粗颗粒，并把粗颗粒投入滚球破碎机内进行破碎，破碎至85%固化含量流动性达到120g/s，制备出高纯熔融石英粉体材料。 实施例3: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，用锤式或鄂式破碎机将石英砾石带水破碎至2cm以下，用2毫米孔径的筛机进行筛分，2毫米筛下物废弃，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；
2、清理后的1 2cm的石英矿进行静电除杂，静电除杂的滚筒转速选定为lOOr/min， 电压为1. 8万伏特，每吨静电除杂周期2小时，对l-2cm的石英矿继续进行细碎，细碎至140 目，采用磁场强度达到IOOOOOe高梯度磁选机进行磁选，每吨磁选周期1小时；
3、对磁选出来的石英矿采用化学除杂，先用质量浓度15%盐酸与磁选石英矿液固比 1. 5 1进行第一次酸浸，酸浸时间12h ；接着再用质量浓度10%硫酸液固比2 1进行第二次酸浸，酸浸时间12h ；然后将二次酸浸后的石英砂水洗，至清洗液pH值为中性；最后水选过的石英砂按80%的固体质量分数配成浆料放入装有机械搅拌器的容器中，加入质量浓度 15%盐酸溶液和质量浓度15%氟硅酸溶液，盐酸与氟硅酸的量比1:1，酸液与石英砂的液固比2 :1，在50°C搅拌lh，静置IOh ；对化学除杂后的石英砂用水清洗数次，直至清洗液pH 值为中性，制备出纯净石英砂；
4、对纯净石英砂进行高温熔炼，首先纯净石英砂在熔融石英连续式电炉中煅烧，煅烧温度为1300°C，熔炼时间30分钟，同时通入O2调节热处理，活性气体量控制在0. 2立方米 /分钟，通入时间20分钟，制备出高纯熔融石英块，高纯熔融石英块中的Al、Li、Na、K、Fe、 Ti、Ca、Mg、Mn、Cu、B、Co、Ni十三种金属元素杂质总量30ppm以下；
5、对高纯熔融石英采用氮化硅锤头破碎机破碎成0.5 0. 8mm粗颗粒，并把粗颗粒投入滚球破碎机内进行破碎，破碎至90%固化含量流动性达到120g/s，制备出高纯熔融石英粉体材料。
权利要求
1.应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法，其特征在于该制备方法以普通原生脉石英或者脉石英次生的石英砾石为原料，在综合除杂的基础上增加熔融纯化、滚球破碎制备出适用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融粉体材料；该制备方法包括以下步骤 首先综合除杂，即对石英矿石进行粗破、人工拣选、静电除杂、细碎筛分、梯度磁选、化学除杂、清洗得纯净石英砂；然后熔融纯化，即纯净石英砂在连熔炉中进行高温熔融，通过控制温度、调节热处理气氛和通入活性气体以使难去除的金属杂质生成挥发性的物质除去，得到高纯熔融石英块；最后滚球破碎，即采用氮化硅锤头破碎机或者其他类非金属耐磨破碎设备对高纯熔融石英块进行破碎，破碎机内壁采用氮化硅内衬或者其他类非金属耐磨内衬且破碎系统封闭，破碎下来的高纯熔融石英碎砂进入滚球机内加工，通过高速气流挟带石英砂在腔体内旋转、滚动，将颗粒状石英砂加工成球形，严格分级控制好颗粒粒度，制备出来的粉体材料即为应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料。
2.根据权利要求1所述的应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法，其特征在于综合除杂原矿石英开采出来采用锤式破碎机破碎至1 3cm大小之间，利用水洗和分级脱泥的方法针对性去除石英原矿石上附着物杂质；晾干后，人工分选以肉眼能够容易识别将非石英杂质分拣丢弃；清理后的1 3cm的石英矿进行静电除杂，静电除杂的滚筒转速为lOOr/min，电压为1. 8万伏特，每吨静电除杂周期2小时；对l-3cm的石英矿继续进行细碎，细碎至80 140目；细碎后采用磁场强度达到IOOOOOe高梯度磁选机进行磁选，每吨磁选周期1小时；对磁选出来的石英矿化学除杂先用质量浓度15%盐酸与磁选石英矿液固比1. 5 :1进行第一次酸浸，酸浸时间12h ；接着再用质量浓度10%硫酸液固比2 :1进行第二次酸浸，酸浸时间12h ；然后将二次酸浸后的石英砂水洗，至清洗液pH值为中性；最后水选过的石英砂按20% -80%的固体质量分数配成浆料放入装有机械搅拌器的容器中， 加入质量浓度5%— 15%盐酸溶液和质量浓度5%— 15%氟硅酸溶液，盐酸与氟硅酸的量比1 1，酸液与石英砂的液固比2 1，在30-50°C搅拌1 一2h，静置IOh ；对化学除杂后的石英砂用水清洗数次，直至清洗液PH值为中性，制备出纯净石英砂。
3.根据权利要求1所述的应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法， 其特征在于熔融纯化纯净石英砂在连续式电炉中煅烧，煅烧温度以石英砂的软化温度 1000-130(TC为上限，熔炼时间30-50分钟；同时通入O2或者其他类活性气体调节热处理， 活性气体量控制在0. 2立方米/分钟，通入时间20 30分钟，煅烧形成高纯熔融石英块。
4.根据权利要求1所述的应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法，其特征在于滚球破碎首先采用锤式破碎机对高纯熔融石英块进行粗破，锤式破碎机为氮化硅制内壁及氮化硅制锤头，破碎成0. 5 0. 8mm ；然后进行滚球细磨，滚球细磨机内壁、研磨球采用氮化硅或者其他类高强度耐磨材料，通过滚球破碎机气流高速旋转、滚动，整形颗粒状的高纯熔融石英砂得高纯熔融石英粉体材料，高纯熔融石英粉体材料在80% 90%高固含量条件下保持高流动性120g/S。
全文摘要
本发明公开了应用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融石英粉体材料制备方法，该制备方法以普通原生脉石英或者脉石英次生的石英砾石为原料，在综合除杂的基础上增加熔融纯化、滚球破碎制备出适用于石英陶瓷坩埚的高纯熔融粉体材料；本发明将脉石英资源利用率从50%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，元素杂质总量控制在30ppm范围以内，85%-90%固含量的粉料料浆流动性达120g/s。
文档编号C01B33/12GK102219226SQ20111008469
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者王祥 申请人:中材江苏太阳能新材料有限公司