专利名称：高纯石英砂生产中气液包裹体及杂质去除方法
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：
石英玻璃是单一组分S^2组分的特种玻璃，具有化学稳定、光谱透过宽、抗热冲击、耐高温变形、耐射线辐照、电绝缘等优越的物理、化学性能，其为光电源、电子工业、光通讯、SiO2薄膜材料、大规模和超大规模集成电路、激光、航天、军工等领域提供尖端材料，是 21世纪矿物应用的重要方向。随着现代科技的发展，石英玻璃的需求量不断增加，而其原料矿一天然水晶资源已近枯竭，不能满足现代高科技上业发展的需求，促使人们探索替代水晶的石英玻璃原料矿种。在20世纪70年代末，人们开始探索石英矿石代替水晶制造石英玻璃。目前，我国、 美国、日本、俄罗斯、法国、德国均实现石英矿石提纯代替水晶生产石英玻璃原料，但是，美国尤尼明(Unimin)公司在这方面技术领先世界，基本垄断了世界高端石英玻璃原料市场， 自称为“世界标准纯度”。相比之下，我国生产石英矿石提纯只能替代二、三、四级水晶，仅适用于中、低档石英玻璃，高端石英玻璃原料全部从美国尤尼明(Unimin)公司进口，而美国对我国采用的是高价且限量供应的措施。因此，突破技术障碍，摆脱我国处于不得不长期高价购买，并随时可能被“卡脖子”而威胁我国高科技工业发展的不利状况，促使我国高技术产业获得良性发展，其经济与社会效益不可估量。相对于水晶，石英矿含有更多的杂质。其杂质可分为结构组成性杂质和非结构性杂质。非结构性杂质是石英矿晶体之外的杂质，如表面粘附物、伴生矿物。目前杂质清除技术，如水淬、浮选、酸洗、磁选、高温真空处理、氯化、超导选、电选、超声波处理、掺杂提纯等系列手段基本能满足石英玻璃要求。结构性杂质是指在石英矿晶体生长时形成的杂质，也称为微观缺陷，如气液包裹体，现有工艺技术难以消除此类缺陷，这种缺陷能遗传到石英玻璃，导致石英玻璃气泡、羟基缺陷的形成，从而难以制造透明的石英玻璃，故而不能应用到高端石英玻璃生产。因此，气液包裹体的去除是实现提纯石英矿石代替水晶制备高端石英玻璃原料的关键与难点。
发明内容
本发明目的在于提供一种应用于石英玻璃原料一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原料关键质量指标-气液包裹体及其它杂质的清除。采用传统制备提纯技术将普通石英矿石加工成高纯石英砂生产工艺基础上，增加对石英砂微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除(气液包裹体中高介电常数的水含量越高，或杂质的介电常数越高，或杂质的损耗系数越大，则清除效果越好)。本发明的技术解决方案是选用普通石英矿石，要求普通石英矿石中气液包裹体中须含高含量高介电常数物质，如水等。杂质的介电常数与损耗系数要高于SiO2 (越高越好)，从而满足微波选择性加热特征，即使得石英砂中气液包裹体与杂质得到迅速加热升温，而SiO2几乎不被加热；
采用传统制备提纯技术将普通石英矿石加工成高纯石英砂为基础，其提纯工艺包含如下对普通石英矿石进行粗破、人工分选、煅烧、破碎筛分得石英砂，然后对制得石英砂进行磁选、浮选、酸浸、水淬、磁选、高温真空处理、氯化、超导选、电选、超声波处理、掺杂提纯等提纯工艺处理，上述工艺视情况可删减，其顺序也可调整，最终制得杂质与气液包裹体含量相对较少的高纯石英砂。在传统制备提纯技术将普通石英矿石加工成高纯石英砂为基础上，增加了微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除方法，其提纯方法步骤包含如下将石英砂置于微波场中，微波频率范围为300MHZ-300GHZ，其中，以600MHz-30GHz效果为佳， 945MHZ-2. 45GHz效果为最佳，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到1000°C以上(越高越好)，而石英砂中3102几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到200°C -1200°C，保持2-30分钟，然后迅速冷却。然后通过对其施加外加载荷，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。并根据实际情况，将上述步骤重复几次，达到进一步去除气液包裹体与杂质的目的。在传统制备提纯技术将普通石英矿石加工成高纯石英砂为基础上，增加了微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除方法，新增的方法可放在在传统制备提纯工艺之中，或之前，或之后，也可同时在其之中、之前与之后多次实施。微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除方法中，后续外加载荷包含了球磨、研磨、挤压等促使裂纹扩展与断裂的外加动态可静态作用力的方法。本发明具有以下特征通过筛选，石英砂中气液包裹体中含有高含量高介电常数的水，或杂质具有高介电常数与损耗系数，其能被微波迅速加热。而石英砂中SiO2的介电常数非常低，只有3-5，通常在微波场中不被加热。由此在石英砂中形成以气液包裹体或杂质为中心的点热源，其形成温差可达1000°C以上，产生的热应力足以将气液包裹体或杂质界面拉裂而产生微裂纹， 通过外加载荷将裂纹扩展直至断裂，可实现破坏气液包裹体与剥离杂质的目的。
具体实施例方式实施例1 本实施例以筛选的石英矿(气液包裹体中水含量为90%以上)为原料，按以下程序加工(1)将筛选的石英矿用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够识别的非石英杂质分拣出去；(2)将块状石英矿石置入电炉中，在950°C下煅烧2小时，出炉冷却，用对辊破碎机或者球磨机粉碎至0. 50mm左右；(3)对石英砂进行磁选、浮选、酸浸、清洗、烘干得到纯净石英砂；(4)将石英砂在置入石英玻璃容器载体中，在微波烧结炉中进行微波处理，微波频率为2. 45GHz,并用去离子水清洗，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到 IOOO0C以上(越高越好)，而石英砂中SiO2几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到500°C，保持20分钟，然后迅速冷却。(5)将微波处理的石英砂进行球磨，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。(6)通过酸浸、清洗、烘干，得到去除气液包裹体及其它杂质的石英砂。实施例2 本实施例以筛选的石英矿(气液包裹体中水含量为80%以上)为原料， 按以下程序加工(1)将筛选的石英矿用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够识别的非石英杂质分拣出去；(2)将块状石英矿石置入电炉中，在950°C下煅烧2小时，出炉冷却，用对辊破碎机或者球磨机粉碎至0. 40mm左右；(3)对石英砂进行浮选、水淬、酸浸、磁选、清洗、烘干得到纯净石英砂；(4)将石英砂在置入石英玻璃容器载体中，在微波烧结炉中进行微波处理，微波频率为2. 45GHz，并用去离子水清洗，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到 IOOO0C以上(越高越好)，而石英砂中SiA几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到700°C，保持30分钟，然后迅速冷却。(5)将微波处理的石英砂进行球磨，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。(6)通过酸浸、清洗、烘干，得到去除气液包裹体及其它杂质的石英砂。实施例3 本实施例以筛选的石英矿(气液包裹体中水含量为70%以上)为原料， 按以下程序加工(1)将筛选的石英矿用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够识别的非石英杂质分拣出去；(2)将块状石英矿石置入电炉中，在950°C下煅烧2小时，出炉冷却，用对辊破碎机或者球磨机粉碎至0. 50mm左右；(3)对石英砂进行浮选、水淬、酸浸、磁选、清洗、烘干得到纯净石英砂；(4)将石英砂在置入石英玻璃容器载体中，在微波烧结炉中进行微波处理，微波频率为2. 45GHz,并用去离子水清洗，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到 IOOO0C以上(越高越好)，而石英砂中SiO2几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到800°C，保持30分钟，然后迅速冷却。(5)将微波处理的石英砂进行球磨，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。(6)酸浸、清洗、烘干后，高温真空处理、氯化处理，再酸浸、清洗、烘干得到去除气液包裹体及其它杂质的石英砂。实施例4 本实施例以筛选的石英矿(气液包裹体中水含量为70%以上，有较高 Fe元素杂质含量)为原料，按以下程序加工(1)将筛选的石英矿用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够识别的非石英杂质分拣出去；(2)将块状石英矿石置入电炉中，在950°C下煅烧2小时，出炉冷却，用对辊破碎机或者球磨机粉碎至0. 50mm左右；(3)对石英砂进行浮选、水淬、酸浸、超声波处理、磁选、清洗、烘干得到纯净石英砂；(4)将石英砂在置入石英玻璃容器载体中，在微波烧结炉中进行微波处理，微波频率为2. 45GHz,并用去离子水清洗，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到 IOOO0C以上(越高越好)，而石英砂中SiA几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到800°C，保持40分钟，然后迅速冷却。(5)将微波处理的石英砂进行球磨，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。(6)酸浸、清洗、烘干后，高温真空处理、氯化处理，再酸浸、清洗、烘干得到去除气液包裹体及其它杂质的石英砂。实施例5 本实施例以筛选的石英矿(气液包裹体中水含量为50%以上，有较高 Fe元素杂质含量)为原料，按以下程序加工(1)将筛选的石英矿用锤式破碎机、鄂式破碎机或人工破碎至5公分以下，将其中肉眼能够识别的非石英杂质分拣出去；(2)将块状石英矿石置入电炉中，在950°C下煅烧2小时，出炉冷却，用对辊破碎机或者球磨机粉碎至0. 50mm左右；(3)将石英砂在置入石英玻璃容器载体中，在微波烧结炉中进行微波处理，微波频率为2. 45GHz,并用去离子水清洗，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到 IOOO0C以上(越高越好)，而石英砂中SiO2几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到600°C，保持40分钟，然后迅速冷却。(4)将微波处理的石英砂进行球磨，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。(5)对石英砂进行浮选、水淬、酸浸、超声波处理、磁选、清洗、烘干得到纯净石英砂；(6)酸浸、清洗、烘干后，高温真空处理、氯化处理，再酸浸、清洗、烘干得到去除气液包裹体及其它杂质的石英砂。(7)将石英砂在置入石英玻璃容器载体中，在微波烧结炉中进行微波处理，微波频率为2. 45GHz,并用去离子水清洗，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到 IOOO0C以上(越高越好)，而石英砂中SiA几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到1000°C，保持40分钟，然后迅速冷却。(8)将微波处理的石英砂进行球磨，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。(9)通过酸浸、清洗、烘干，得到去除气液包裹体及其它杂质的石英砂。
权利要求
1.应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中去除气液包裹体和其它杂质的提纯方法， 其特征在于采用传统制备提纯技术经筛选的普通石英矿石加工成高纯石英砂生产工艺基础上，增加对石英砂微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除。
2.根据权利1所述的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法，其特征在于对普通石英矿石筛选条件要求包含如下普通石英矿石中气液包裹体中须含高含量高介电常数物质，如水等。杂质的介电常数与损耗系数要高于SiO2 (越高越好)，从而满足微波选择性加热特征，即使得石英砂中气液包裹体与杂质得到迅速加热升温，而SiO2几乎不被加热。
3.根据权利1所述的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法，其特征在于采用了的传统制备提纯技术将普通石英矿石加工成高纯石英砂，其提纯工艺包含如下 对普通石英矿石进行粗破、人工分选、煅烧、破碎筛分得石英砂，然后对制得石英砂进行磁选、浮选、酸浸、水淬、磁选、高温真空处理、氯化、超导选、电选、超声波处理、掺杂提纯等提纯工艺处理，上述工艺视情况可删减，其顺序也可调整，最终制得杂质与气液包裹体含量相对较少的高纯石英砂。
4.根据权利1或2所述的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法，其特征在于在传统提纯工艺中增加了微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除方法，其提纯方法步骤包含如下(1)将石英砂置于微波场中，微波频率范围为300MHz-300GHz，其中，以600MHz_30GHz 效果为佳，945MHz-2. 45GHz效果为最佳，使得气液包裹体与杂质被选择性加热迅速升温到 IOOO0C以上(越高越好)，而石英砂中SiA几乎不升温，只到最后因气液包裹体与杂质传热效应，石英砂整体温度升温到200°c -1200°c，保温2-30分钟，然后迅速冷却。(2)将步骤(1)制备的石英砂施加外加载荷，进一步破坏气液包裹体或使杂质剥离。(3)根据所需产品要求，可按步骤(1)(2)进行重复，达到进一步去除气液包裹体与杂质的目的。
5.根据权利1或2或3所述的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法， 其特征在权利3所述微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除方法，该方法工艺可放在权利2所述传统制备提纯工艺之中，或之前，或之后，也可同时在之中、之前与之后多次实施。
6.根据权利1所述的应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中的提纯方法，其特征在于后续外加载荷包含了球磨、研磨、挤压等促使裂纹扩展与断裂的外加动态可静态作用力的方法。
全文摘要
本发明涉及一种应用于石英玻璃原料-高纯石英砂生产中气液包裹体与杂质的去除方法在传统制备提纯技术将普通石英矿石加工成高纯石英砂生产工艺基础上，增加对石英砂微波处理-后续外加载荷对气液包裹体及其它杂质去除的方法。该方法对气液包裹体中含有高含量高介电常数的水，或杂质具有高介电常数与损耗系数特征的石英砂特别有效，其利用了微波选择性加热特点，即石英砂中SiO2的介电常数非常低，通常在微波场中不被加热，而具有高介电常或损损耗系数的气液包裹体或杂质则会被迅速加热升温，形成温差可达1000℃以上，产生的热应力足以将气液包裹体或杂质界面拉裂而产生微裂纹，通过外加载荷将裂纹扩展直至断裂，实现了破坏气液包裹体与剥离杂质的目的。
文档编号C03B1/00GK102180584SQ20111004047
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月18日 优先权日2011年2月18日
发明者侯清麟, 银锐明, 陆振荣 申请人:银锐明