10781
2023-06-20
中国粉体网讯
摘要：高纯石英是世界稀缺和我国短缺的资源，在战略性新兴产业中具有重要地位和作用。我国是高纯石英消费大国，中低端产品自给有余，高端产品依赖进口。但是能够生产高纯石英的矿床极为稀缺。本文梳理了全球高纯石英原料矿床的资源分布和开发现状，分析了高纯石英的需求趋势。
关键词：高纯石英；原料特征；资源开发；脉石英
1前言
石英是自然界中最常见的矿物之一，是一组由二氧化硅（SiO2）组成矿物的学名，广泛应用在玻璃、建筑、宝玉石装饰等传统行业。20世纪60年代以来，计算机、新材料、新能源等新兴技术对石英产品的纯度提出更高要求，诞生了高纯石英的概念。
2高纯石英的概念
石英在自然界中分布非常广泛，但未经加工的天然石英难以达到高纯石英的质量要求。也就是说，高纯石英（highpurity quartz）是以天然石英矿为原料，经过比较复杂的提纯工艺加工获得的SiO2纯度极高的石英及其产品 [1]。
高纯石英是半导体、光伏、光纤、精密光学、照明设备、新型玻璃等产业不可缺少的重要功能材料。严格而言，高纯石英不是一种矿产，而是由水晶、脉石英、石英岩、花岗伟晶岩等矿石作为原料经提纯后的一种产品，因此，将能够提纯生产高纯石英的矿床称为高纯石英原料矿更为适宜[2,3]。
由于不同产业需要不同质量的石英，使得高纯石英没有普适性的质量评价指标。不同的人有不同的定义。早期的研究认为，高纯石英的杂质含量应小于50×10-6，即SiO2纯度大于99.995%的石英为高纯石英。挪威地质调查局则提出更详细的指标，要求不仅杂质总质量要小于十万分之五，而且Al的含量应小于十万分之三，Ti的含量应小于十万分之一，Na和K的含量应小于百万分之八，Li、Ca的含量应小于百万分之五，Fe的含量应小于百万分之三，P的含量应小于百万分之二，B的含量应小于百万分之一。2014年，Flook根据市场产业需求，提出新的质量指标，认为SiO2纯度在99.95%、总杂质含量小于万分之五的石英即为高纯石英，纯度为99.5%~99.8%的石英可满足半导体填料、光纤、液晶屏生产行业的要求，纯度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行业[3]。
我国汪灵专家认为，关于高纯石英的概念，应同时具备纯度、粒度、物相三个特征[1]。
2.1纯度特征
高纯石英产品的第一个特征，即最显著特征是它们的SiO2纯度高。汪灵[1]根根据我国高纯石英产品生产及应用情况，按SiO2纯度将高纯石英产品划分为4个等级，即高端ω(SiO2)≥99.998%（4N8），中高端ω(SiO2)≥99.995%（4N5），中端ω(SiO2)≥99.99%（4N），低端ω(SiO2)≥99.9%（3N）；或以产品中Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13种杂质元素总量进行划分，即高端≤20×10−6，中高端≤50×10−6，中端≤100×10−6，低端≤1000×10−6。
表1高纯石英产品分类与矿石原料品质要求
2.2粒度特征
高纯石英产品第二个重要特征是它们的粒度要求，即加工的产品是砂，是具有一定粒度的产品。粒度作为高纯石英一个重要指标，其粒度范围一般是40~150目，具体粒度应根据工业应用确定。如表2所示，采用真空气氛下电熔工艺制备石英玻璃，粒度要求40~80目；提拉法制备单晶硅的石英坩埚，粒度要求80~140目；以氢气与氧气为能源的气炼工艺制备石英玻璃，粒度要求100~200目。
表2高纯石英砂产品主要粒度范围与工业应用特点
2.3物相特征
高纯石英产品第三个重要特征是它们的物相为晶相，即石英矿物晶体。图1是美国和挪威高纯石英砂的X-射线粉晶衍射分析（XRD）谱图，可以看出：它们都是结晶度非常高的石英单矿物晶体。其主要原因是，所有高纯石英原料均来源于天然石英矿。
图1 美国和挪威高纯石英砂的X-射线粉晶衍射分析（XRD）谱图
3高纯石英原料
地壳中SiO2主要以石英等矿物的形式存在，石英在地壳中分布是仅次于长石的矿物，占到地壳质量的12.6%。
石英的成因多种多样，但其矿床工业类型有天然水晶、石英砂岩、石英岩、粉石英、脉石英、天然石英砂和花岗伟晶岩石英等7种。目前，能够用作高纯石英原料的矿床工业类型只有其中的天然水晶、脉石英和花岗伟晶岩石英等3种[4]。
3.1天然水晶[1,4]
高纯石英最初是从一、二级天然水晶中深度提纯得到的。天然水晶是一种无色透明的石英结晶体矿物，主要成分为SiO2。
天然水晶的自然生长环境多是在岩洞、岩石裂缝或节理、断层中，其生长条件比较苛刻，必须同时满足四个条件:充裕的生长空间，能够提供富含二氧化硅的热液，一定的温度和压力，足够生长时间。
天然水晶制备高纯石英砂工艺较为简单，水晶原矿经过粉碎、磁选、浮选、酸浸、干燥、焙烧后得到成品石英砂。
我国的天然水晶分布广泛，但矿床规模小、储量少。
3.2脉石英
脉石英是一种几乎全部由致密石英块体组成的脉体，白色、乳白色，多呈粒状结构，SiO2含量通常在98%左右，是加工高纯石英砂理想的矿物原料之一[1]。
脉石英常与水晶伴生，其形成与热液密切相关。根据已有的研究成果，脉石英是由岩浆作用或变质作用(或混合岩化)产生的富硅的热液充填于裂隙，冷却形成。此外在伟晶岩脉中含有脉石英，并与钾长石、云母伴生[5]。
脉石英矿体呈不规则脉状，长度一般十几米至几百米，宽度一般为几米，厚度一般几米至几十米，一个矿区可由单条矿脉或多条矿脉组成，脉体倾角较陡。矿床规模一般不大，但与天然水晶相比，其资源储量相对较丰富、开采条件较有优势。
我国脉石英矿床分布广泛，以中小型矿床为主，主要分布在江西、四川、安徽、黑龙江、新疆、陕西、浙江7个省份，约占总资源储量的84.74%，其他地区仅占15.26%[5]。
3.3花岗岩石英[1,4]
花岗伟晶岩石英，又叫花岗岩石英或伟晶岩型石英。
美国尤尼明公司和挪威石英公司生产的高纯石英高端系列产品能获得国际垄断地位的根本原因是，拥有世界上迄今为止唯一发现的独特的高纯石英优质原料−花岗伟晶岩石英。美国尤尼明公司采用经过改进的浮选技术，利用花岗伟晶岩中的石英替代了天然水晶，生产出了高纯石英砂。
目前，伟晶岩型石英已引起国内的关注，并在新疆阿尔泰、北秦岭等地区的找矿方面取得初步进展。在开发利用方面，李育彪等以北秦岭伟晶岩石英为原料，采用破碎、筛分、浮选、高温焙烧、水淬和热压酸浸等方法，制备出4N高纯石英砂；王安书等以河南某地花岗伟晶岩为原料，采用粗碎、煅烧水淬、细碎、磁选、浮选和酸浸等方法，制备出4N5高纯石英砂（只检测了Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg等6种元素）。
4高纯石英资源分布及开发现状[2,3]
根据现有资料，全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大等7个国家。除中国外，共有14处矿床，其中，有生产矿山的7处，尚未开采生产的7处。美国斯普鲁斯派恩矿的高纯石英原料资源规模最大，超过1000万吨；资源量最小的是挪威德拉格(Drag)矿，仅有26.7万吨。
图2 全球高纯石英原料矿床分布（引自：王九一，2021）
4.1美国
4.1.1斯普鲁斯派恩矿床
斯普鲁斯派恩高纯石英原料矿位于美国，采矿区有超过100年的悠久采矿历史。该矿供给了全球90%以上的高纯石英砂需求量，在相当长时间内甚至是唯一的来源地。
图3 斯普鲁斯派恩矿床
该矿区矿石的主要造岩矿物为斜长石、钾长石、石英、白云母，几乎不含镁铁质矿物。石英的杂质元素含量极低，经机械和化学提纯后，制得的高纯和超纯石英主要用于半导体晶圆、精密光学玻璃以及光伏、照明等产业。
4.1.2博维尔矿床
博维尔矿位于爱达荷州北部拉塔县博维尔镇。经电子探针分析，该矿石中石英晶体的纯度大于99.9%。2010年，艾矿产股份公司(I-Minerals，Inc.)完成预可行性研究，研发出SiO2纯度为99.9%~99.997%的高纯石英砂产品。矿床钾长石和石英的探明资源量437.8万吨，控制资源量885.7万吨，共计1323.5万吨。
近年来，由于美国光伏产业逐渐移至他国，对钾长石和高纯低铁石英的需求下降，艾矿产公司在预研报告中，将埃洛石和高岭石作为采矿重心，暂无开采钾长石和高纯石英的计划。但是，博维尔高纯石英资源量巨大，采用传统、类似斯普鲁斯派恩矿的浮选提纯工艺，即可生产高纯石英砂，矿石的提纯加工难度较低。
4.2挪威
挪威的石英资源非常丰富，并且拥有TQC、埃肯股份等全球石英产业巨头。挪威地质调查局根据境内石英矿石的测试数据，还提出一套基于晶格杂质元素含量的高纯石英质量评价指标。当前，北部的德拉格矿床和南部的内索登矿床是挪威主要的高纯石英原料产地。
4.2.1德拉格矿床
德拉格矿区位于挪威北部，由分布在方圆5km2的数十个伟晶岩型的石英矿体组成。石英晶体纯净，粒径平均6mm，Al、Ti、Li、B等晶格杂质元素均达到高纯石英原料的质量要求。德拉格矿区的开采始于1907年。早期的矿山以露天方式开采伟晶岩中的钾长石，到了1996年开始采矿生产用于光学、照明设备、光伏的高纯石英砂。
图4 德拉格矿区地质简图
4.2.2内索登矿床
内索登矿(Nesodden)矿体长约580m，宽15m，延伸150m，矿石中的石英晶体较大。截至目前，尚未开采内索登高纯石英矿。但是，该矿对高纯石英砂及制品行业具有相当大的影响。矿床的资源量大且矿区高纯石英的后备资源相当丰富。在断裂带北段也发现了克瓦维克(Kvalvik)热液脉石英矿，推断资源量70万吨，其矿石质量与内索登矿类似，可用作高纯石英原料。
4.3俄罗斯
在俄罗斯乌拉尔山脉的东侧，有2处高纯石英矿床，分别是亚极地乌拉尔的萨兰保尔矿床和南乌拉尔的克什特姆矿床。其中，克什特姆矿的规模较大，开发程度高，其高纯石英产品质量优，在国际市场占有一定比例。
4.3.1克什特姆矿床
克什特姆矿床为热液脉石英型。矿区总长15km，宽1~3km，面积20km2，石英储量136万吨。矿床开发始于20世纪60~70年代，至今已超过50年。早期采矿主要用于建筑材料、玻璃等传统行业。2011年之后开始开采生产高纯石英砂。
4.3.2萨兰保尔矿床
萨兰保尔矿床为热液脉石英型。矿石呈半透明－透明状，玻璃光泽。根据2014年矿区的勘探报告，可用作高纯石英的资源量为33万吨。此外，在矿区范围外发现有多条尚未勘探的石英脉，远景资源量可能更为可观。
4.4澳大利亚
澳大利亚的石英资源非常丰富，主要分布于昆士兰州北部、维多利亚州和西澳大利亚州。其中，昆士兰州北部为主要的高纯石英原料矿来源地，目前已发现灯塔、糖袋山、白泉、石英山等多处矿床。
4.4.1灯塔矿床
矿床位于昆士兰州北部的乔治敦区。灯塔矿床由东、西两座状似灯塔、高出地表约440m的石英山峰组成，因此得名。该矿区矿石纯净、呈半透明或乳白色、块状，近直立状充填于断层中。经测试东、西矿体的矿石纯度＞99.9%，主要杂质元素Al、Ti、Fe、P、Ca等含量均较低，经过简单机械提纯后，纯度即可达99.95%以上，证明灯塔矿床为优质的高纯石英原料矿。
图5 灯塔矿
4.4.2糖袋山矿床
矿床位于乔治敦区，矿石质量极为优质，原位SiO2纯度可达99.99%以上。2016年普查结果表明，矿体长约600m，平均厚度20m，钻孔揭示矿体深度60~80m(Alper，2019)。经取样测试和选矿提纯实验，可制得高纯石英砂纯度达99.995%~99.999%，满足太阳能和半导体产业的质量要求。目前，糖袋山矿床尚未开采和生产高纯石英砂，但其探明和控制的资源量规模可观，可露天开采。
4.4.3白泉和石英山矿床
白泉和石英山矿的矿床为热液石英脉型。白泉矿的矿石质量优异，原料SiO2纯度达99.99%以上，被推断高纯石英的资源量150万吨。石英山矿石原料纯度大于99.5%，预测高纯石英资源量达1400万吨，资源规模巨大。白泉矿可生产的高纯石英砂纯度涵盖99.99%~99.999%，年产高纯石英砂3万吨，应用于光伏和半导体产业领域。目前，石英山矿床尚未进入开采期。
4.4.4克雷西克矿床
该矿床为金矿尾矿型，由19世纪淘金热开采金矿废弃后的尾矿组成。矿石是尾矿中6～200mm的石英砾石，质量优异，杂质元素含量低，尤其是B和P含量很低，可用于液晶显示器、光伏、半导体、光学玻璃等产业。经澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)采用传统机械和化学提纯工艺处理后，制得的高纯石英砂SiO2纯度可达99.995%。
4.5毛里塔尼亚
4.5.1乌姆阿奎尼纳矿床
该矿床为热液脉石英型。矿石呈浅灰色的半透明状、光滑透明状，部分采样矿石的SiO2含量大于99.8%。地表出露的矿体表现为破碎的大块脉石英砾石，其上覆盖少量红土。石英的推断资源量为500~1000万吨，但因缺少钻孔验证和测试分析以及必备的选矿实验，可用作高纯石英原料的资源量不明。截至目前未进行有效的采矿活动。
图6 乌姆阿奎尼纳矿床
4.5.2查米矿床
查米矿床距乌姆阿奎尼纳矿20km。矿床成因、矿石类型、围岩、赋存特征与乌姆阿奎尼纳矿类似，矿石呈半透明状、光滑透明状，矿石SiO2含量为98%~99.9%。表层2.7m以上矿体的高纯石英原料探明储量72.5万吨；2.7m以下矿体可延伸至8m，探明储量有进一步扩大的空间。
4.6加拿大
在加拿大魁北克省东南部约翰比兹湾的海岸带，10条北东－南西向的热液脉石英矿体出露地表，即约翰比兹高纯石英原料矿。结果显示矿石的SiO2含量为98.7%~99.6%，杂质元素B和P的平均含量分别低于0.25×10-6和0.2×10-6，可用来生产光伏石英坩埚。在计入采矿损失后，2号脉和9号脉地表矿体的高纯石英控制资源量分别为174.3万吨和50.7万吨，合计225万吨。
4.7中国
近年来，我国一些石英砂矿山企业正努力研发高纯石英的提纯工艺，取得了突破性进展。湖北蕲春、江苏东海、安徽旌德和太湖等地的优质热液脉石英可能具有高纯石英原料的潜力。灵虬山脉石英矿位于湖北省蕲春县西北约20km的横车镇。钻孔取样分析结果表明，矿石几乎全由石英组成，晶体粒径1~2mm。矿石SiO2纯度＞99.35%，Al2O3＜0.22%，Fe2O3＜0.02%。目前，灵虬山石英矿采用露天开采，其设计矿山规模为年采1.5万吨矿石。
5高纯石英砂需求趋势
未来，高纯石英砂在大规模及超大规模集成电路制造、光纤光缆电子通信半导体、LED照明制造封装、软件芯片制造材料、新能源太阳能、电子产品及器件、国防、激光技术、化工合成、精密铸造方面应用前景也非常广阔[5,6]。
5.1半导体行业
半导体石英产品种类繁多，主要用于硅片制造单晶的石英坩埚、硅片承载器具、光掩膜版的基板材料等，是半导体材料生产过程中的关键辅助材料。半导体行业技术门槛高，对石英制品的纯度和性能要求非常高。随着物联网、区块链、汽车电子、无人驾驶、5G、AR/VR及AI等多项技术的创新发展，半导体设备、芯片等增长明显，拉动半导体石英需求前景广阔。
5.2光伏行业
高纯石英砂耐高温性、热稳定性好，可用于制造单晶硅用石英坩埚。高纯石英砂在石英坩埚外层和内层的使用比例为2:1。石英坩埚直接盛装高温硅液体，其质量（杂质含量、高温下的力学性能、使用时长等）直接影响单晶的质量，对石英坩埚的质量要求较高[7，8]。
目前我国光伏行业已经基本掌握了太阳能电池制造、多晶硅生产等关键工艺技术，依托“一带一路”等建设引导产业规模快速提升，拉动对光伏用石英产品的巨大市场需求。
5.3电光源行业
电光源石英制品可用于生产紫外管、高纯石英管、透明管灯，广泛运用于照明及特种光源行业，如卤素灯、HID灯、杀菌设备及半导体行业所用的LED灯等。随着LED对白炽灯的替代加快，LED市场规模和渗透率不断提升，石英管作为LED的制作原料，市场需求也会不断增加。
5.4航天航空领域
石英纤维具有强度高、借点常数和借点损耗小、耐高温、膨胀系数小、耐腐蚀、可设计性能好等一系列特点，是航天航空领域不可或缺的战略材料。航天航空已被列入国家战略性新兴产业和有限发展的高技术产业，石英制品需求前景广阔。
6总结
我国以天然石英为原料加工高纯石英起步较晚，目前，国产高纯石英量尚不能满足高新技术应用领域对其的需求。随着高纯石英在半导体、太阳能光伏和光纤等高新技术应用领域的需求量不断增加，掌握高纯石英加工技术愈发重要。选择合适石英原料是成功加工出高纯石英最为关键的一步，寻找合适的大型优质石英矿床，对石英原料进行工艺矿物学研究，确定有针对性的石英除杂提纯方案极其关键[9]。
参考来源：
[1]汪灵.高纯石英的概念及其原料品级划分[J].矿产保护与利用,2022,42(05):55-63.
[2] 王九一.全球高纯石英原料矿的资源分布与开发现状[J].岩石矿物学杂志,2021,40(01):131-141.
[3]中科院地质地球所.高纯石英从何而来？
[4] 汪灵.石英的矿床工业类型与应用特点[J].矿产保护与利用,2019,39(06):39-47.
[5] 颜玲亚,高树学,陈正国,焦丽香,詹建华,周雯,陈军元,欧阳友和,刘艳飞.我国脉石英矿床类型及成矿规律[J].中国非金属矿工业导刊,2020(05):10-14.
[6] 颜玲亚,刘艳飞,于海军,陈军元,焦丽香.中国高纯石英资源开发利用现状及供需形势[J].国土资源情报,2020(10):98-103.
[7] 郝文俊,冯书文,詹建华,张徐,李光惠.全球高纯石英资源现状、生产、消费及贸易格局[J].中国非金属矿工业导刊,2020(05):15-19.
[8]东方财富证券.高纯石英：皇冠上的明珠.2022.
[9]马超. 马超,冯安生,刘长淼,邵伟华,赵平.高纯石英原料矿物学特征与加工技术进展[J].矿产保护与利用,2019,39(06):48-57.
（中国粉体网编辑整理/星耀）
注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！
手机粉体网
