新疆阿尔泰地区某花岗伟晶岩型石英深度除杂技术研究

2022-03-28刘广学马亚梦刘磊张宏丽朱黎宽郭理想曹飞

矿产保护与利用 2022年5期

关键词：钠长石伟晶岩脉石

刘广学，马亚梦，刘磊，张宏丽，朱黎宽，郭理想，曹飞

1.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所, 河南郑州 450006；

2.国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心, 河南郑州 450006；

3.自然资源部高纯石英资源开发利用工程技术创新中心, 河南郑州 450006

引言

高纯石英广泛应用于半导体芯片、光纤、光伏、光学、电光源等领域, 是新一代信息产业、新能源等九大战略性新兴产业的关键基础材料[1]，是独一无二、不可或缺的战略性资源。长期以来，欧美实行高纯石英资源垄断及技术封锁，全球高纯石英资源90%在美国，我国每年进口占全球总进口量的70%，4N8 级及以上高端原料全部来自美国[2-3]。国内企业有少量高端石英砂产品，虽然纯度和粒度可达到相关要求，但实际使用效果难与美国尤尼明的产品媲美，性能不能完全满足要求，且原料主要来自巴西、印度、安哥拉等国家的脉石英，在目前复杂的国际政治经济形势下，存在原料受制于人的巨大风险。

为改变我国高纯石英战略关键非金属资源长期受制于人的被动局面，必须提高资源战略安全意识。在国内高品质脉石英资源几近枯竭的情况下，开展花岗伟晶岩石英资源深度除杂核心技术攻关，拓展高纯石英资源找矿方向对于改变当前局面具有重要意义。新疆阿尔泰位于中亚造山带西段，是世界闻名的花岗伟晶岩集中区，区域出露伟晶岩脉10 万余条。受可可托海背斜褶皱带的控制，多数分布于背斜的轴部和南西翼，自南东至北西大致可分为青河阿拉捷克-塔拉特、阿勒泰大哈拉苏-可可西尔、阿勒泰塔尔浪-阿巴宫和布尔津冲乎尔等伟晶岩密集区。该花岗伟晶岩主要形成于古生代，尤其是石炭纪和二叠纪。近几年，我国学者将新疆阿尔泰地区的花岗伟晶岩与美国Spruce Pine 伟晶岩从岩石地球化学特征方面进行了对比研究，显示该地区具有高纯石英成矿潜力[4]。本文以新疆阿尔泰地区某花岗伟晶岩样品为研究对象，进行深度除杂技术研究，制备高纯石英砂，探讨该地区伟晶岩资源高纯化潜力。

1 试验

1.1 试验原料

试验样品采自阿尔泰地区，伟晶岩脉体侵位于黑云斜长片麻岩和二云石英片岩中。脉体走向近东西，长约1 000 m，宽0.5～30 m，侵入于黑云母花岗岩株和二云母花岗岩株的内外接触带。石英粒径大多1～30 mm，呈糖粒状分布，分布较均匀，全透明约占30%，半透明约占5%。

样品中SiO2、 Al2O3和 Na2O 含量分别为84.45%、9.35%和4.78%，三者合计98.58%，其他化学成分含量很低，详见表1。

表1 原矿多元素分析结果/%Table 1 Results of multi-element analysis of raw ore

样品中的主要矿物为石英、钠长石、白云母和石榴子石，其次还有少量的针铁矿、锂辉石和磷灰石等，详细的矿物组成及含量见表2。

表2 原矿矿物组成及相对含量/% Table 2 Mineral composition and relative content of raw ore

石英颗粒多呈半自形至他形粒状分布，粒度分布不均匀，多数在0.5 mm 以上。可见石英颗粒与钠长石、白云母等密切共生。钠长石是样品中的主要脉石矿物，多呈半自形板状产出，主要与石英呈接触共生关系，接触边界较平直。其次是白云母，多呈片状产出，与石英间接触关系较复杂，可见白云母包裹石英颗粒或呈似壳层状环绕在石英周边，也可见石英颗粒中包裹有细小的白云母，原矿背散射照片见图1。

图1 原矿背散射照片Fig. 1 Backscatter photo of the original ore

1.2 试验方法

前期研究中，项目团队在对数十个花岗伟晶岩型石英样品高纯化评价基础上，提出了一套实验室高纯化评价流程，包括磨矿制砂、重选、磁选、浮选、酸浸等多种工艺，原则流程见图2。

图2 高纯化评价原则流程Fig. 2 Principle process of high purification evaluation

本流程中物理除杂过程包括重选、磁选和浮选三种选矿工艺。重选和磁选的主要目的是去除矿石中与石英比重差异大和有一定磁性的微量脉石矿物，同时去除大部分片状和泥化的脉石矿物；浮选的主要目的是将矿石中的主要杂质钠长石分离出来，同时对重选和磁选工艺未能分离出的云母及其他微量脉石矿物进一步去除。故重选和磁选段主要考察产品中K2O、Fe2O3、CaO、MgO 等微量（含量＜1%）杂质成分去除情况，浮选段主要考察主要杂质成分Al2O3和Na2O 的去除情况。

1.3 分析测试

化学分析利用中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所紫外可见分光光度计Specord 200（德国耶拿）和电感耦合等离子体发射光谱仪ICAP 7400 Radial（美国热电），矿物含量和粒度特征分析利用矿物解离度分析仪MLA650,包裹体特征和选矿产品观测利用PL-180 偏光显微镜。

2 结果与讨论

由原矿矿物组成及相对含量分析可知，矿石中石英、钠长石和白云母三种矿物总含量达99.59%，分析这三种矿物在选矿除杂产品中的分布情况，可详细了解各选矿工艺对不同杂质矿物的去除效果。因此，对选矿除杂各产品中的石英、钠长石和云母进行了工艺矿物学分析，结果见表3。

表3 选矿除杂产品中主要矿物含量及分布情况/% Table 3 Content and distribution of major minerals in mineral processing products

2.1 磨矿制砂

磨矿制砂采用XMB-200×240 棒磨机和XMB-70A型三辊四筒棒磨机配合Q20 多功能湿式标准筛旋振筛机完成，制砂过程根据高纯石英产品应用粒度范围控制分级粒度-0.425 mm，采用阶段棒磨阶段分级的形式，将合格粒级尽早分离出来，防止石英颗粒过磨，提高合格粒级成品率。磨矿制砂工艺流程见图3。

图3 磨矿制砂工艺流程Fig. 3 Process flow of grinding and sand making

2.2 重选

重选采用LY2100×1 050 摇床进行，冲程24 mm，冲次300 次/min，根据矿物密度、粒度、形状等特征差异[5]，在床面上截取重矿物、轻矿物和矿泥作为尾矿丢弃，中矿物作为下一步磁选给料。重选工艺流程见图4。

图4 重选工艺流程Fig. 4 Process flow of gravity separation

经对重选产品的工艺矿物学分析可知，磨矿产品中钙铝榴石（ρ=3.6 g/cm3）、磷灰石（ρ=3.2 g/cm3）等因与石英（ρ=2.65 g/cm3）和长石（ρ=2.63 g/cm3）比重差异较大而富集至重矿物中，片状黑白云母等在水流的漂浮下富集至轻矿物中，磨细或泥化的针铁矿、钾钠长石、黑白云母等富集至矿泥中。重选试验结果见表4。

分析表4 可知，重矿物、轻矿物和矿泥三种尾矿（合称重选尾矿，下同）合计Fe2O3、K2O、MgO、TiO2四种化学成分抛除率分别高达85.22%、75.73%、76.99%和75.42%，镜下观察，他们主要分布在针铁矿、白云母、磷灰石和钙铝榴石中。由表3 可知，原矿中主要脉石矿物之一白云母在重选尾矿中的分布率达80.74%，石英矿物在重选尾矿中的损失不大，主要为轻、重矿物中的夹杂损失8.54%和矿泥中的泥化损失3.18%，石英在重选中矿物中的回收率为88.28%。因此摇床重选对于重矿物、片状矿物和矿泥的去除有显著效果。

表4 重选试验结果/% Table 4 Results of gravity beneficiation

2.3 磁选

高梯度磁选是高纯石英制备过程中必不可少的工艺环节，对于去除矿石中的顺磁性和铁磁性脉石矿物具有显著的效果[6-7]。磁选采用SLon-100＜1.75＞周期式脉动高梯度磁选机完成，过程分为两段磁选，一段磁场强度955 kA/m，二段磁场强度1 194 kA/m，2 mm棒状介质充填分选腔，脉动速度25 次/min。磁选工艺流程见图5。

图5 磁选工艺流程Fig. 5 Process flow of magnetic separation

鉴于以除杂为主要目的，高梯度磁选脉动速度较慢，磁性物中夹杂了含量较高的石英和钠长石，但因磁性物产率较低，石英和钠长石在磁性物中的损失均不到2%（见表3）。磁选试验结果见表5。

分析表5 可知，Fe2O3、K2O、MgO、TiO2四种化学成分通过磁选，去除率进一步大幅提高，磁性物中K2O、MgO 和TiO2去除率分别为7.09%、10.31%和8.52%，通过重选和磁选，Fe2O3累计去除率达到96.61%。

表5 磁选试验结果/% Table 5 Results of magnetic separation

2.4 浮选

根据石英与长石、云母等硅酸盐矿物表面性质的差异，可采用浮选工艺实现石英与其他脉石矿物的高效分离，浮选是高纯石英深度除杂工艺中最主要的杂质去除方法[8-11]。浮选采用XFDⅣ型系列实验室单槽浮选机，浮选机转速固定1 992 r/min，浮选温度保持在25～30 ℃之间；因矿石粒度较粗，浮选质量浓度控制在40%～45%之间；云母浮选pH 值控制在3～5，调整剂采用稀硫酸，捕收剂采用十二胺；长石浮选pH 值控制在2～3，调整剂采用氢氟酸，捕收剂采用自有系列胺类阳离子捕收剂KC 和脂肪酸类阴离子捕收剂KA,质量比为1∶2。浮选工艺流程见图6，浮选产品主要化学成分和微量化学成分计算结果分别见表6 和表7。

图6 浮选工艺流程Fig. 6 Process flow of floatation

云母浮选可将重选和磁选未能去除的单体和富连生体云母基本分选出来。分析表3 可知，云母浮选后，其总体去除率已达95.04%，剩余4.96%的云母对长石精矿质量的影响已可忽略不计。工艺矿物学分析表明，细粒云母中含有部分钠长石，致使白云母含量仅为65%，经后期进一步解离和提纯加工，可用于制备白云母粉产品。

由表3 可知，通过长石粗选获得了产率为32.94%、钠长石矿物含量为97.44%、回收率为74.90%的钠长石精矿。该产品在1 200 ℃下烧白度为78.16%，Fe2O3杂质含量仅为0.07%，可作为高品质陶瓷原料进行综合利用。

长石扫选时石英开始上浮。为避免石英对长石精矿质量的影响，后续泡沫单独接出作为长石中矿，镜下观察泡沫中基本无长石作为该作业终点。分析表3 和表7 可知，长石中矿内石英和钠长石含量分别为47.23%和52.33%，Fe2O3含量更低至0.002%，烧白度为79.65%。经分析，该产品化学组成符合陶瓷坯料和釉料质量要求。

对浮选槽内产品进行显微镜观测，发现石英矿物含量在99%以上，但仍含有少量透明度较低的石英矿物和石英与其他脉石矿物的贫连生体。为提高质量，对槽内石英进一步精选，过程采用不同主链结构的阴、阳离子捕收剂交叉用药的方式，尽可能将非石英矿物分选出来。石英精选产出石英次精矿产品，由表6 和表7 可知，其主要化学成分含量分别为SiO299.61%、Al2O30.18%、Fe2O30.002%、TiO20.000 45%，各项指标均满足光伏玻璃用硅质原料的要求，可作为高纯石英的副产品进行梯级利用。经深度浮选除杂，原矿中主要杂质成分Al2O3和Na2O 的去除率分别达到了99.88%和99.92%，除杂效果良好。

表6 浮选产品主要化学成分结果/% Table 6 Main chemical compositions of flotation products

表7 浮选产品微量化学成分结果/% Table 7 Trace chemical compositions of flotation products

针对浮选精矿开展了15 个杂质元素的化学分析，SiO2的含量采用差减的方法获得，分析结果见表8。

分析表8 可知，浮选精矿中杂质含量较高的是Al、Na、Ca、B 四种元素，其含量占杂质元素总量的95.86%，是下一步去除的主要目标。石英浮选精矿中SiO2含量为99.97%，即高纯化等级为3N7。因此，采用物理选矿工艺，从该伟晶岩中可制备出低端高纯石英产品。

表8 浮选精矿杂质元素分析结果 /(μg·g-1)Table 8 Results of elemental analysis of impurities in flotation concentrate

2.5 酸浸

混合酸浸是去除石英中脉石矿物的有效手段之一。采用煅烧-水淬-酸浸工艺对浮选精矿进行化学提纯，可进一步降低石英中的微量杂质。试验条件及过程如图7：将烘干后的浮选精矿置于高纯石英坩埚中（加盖防止污染），在950 ℃下保温1 h 后进行水淬；将水淬后的样品盛于聚四氟烧杯，在HF-HCl-HNO3混酸体系（质量比为2∶5∶1）中，液固比3∶1，保持80 ℃加热浸出6 h，为防止长时间搅拌介质磨损造成二次污染，采用1 h/次间断搅拌方式进行，每次搅拌1 min；去离子水洗涤至pH 值中性，烘干后得高纯石英砂精矿。酸浸工艺流程见图7，酸浸精矿杂质元素分析结果见表9。

图7 酸浸工艺流程Fig. 7 The process flow of acid leaching

对比分析表8 和表9 可知，通过化学浸出，Al 含量由157.66 μg/g 降低至22.79 μg/g，去除率为85.54%；碱金属和碱土金属元素浸出效果较好，Na、K、Ca、Mg 去除率分别为96.43%、90.91%、93.00%、79.74%；Fe 元素因少量矿物包裹体的存在，去除率稍低，为66.34%；微量的P 和Cr 则被完全浸出。