Industrial Types and Application Characteristics of Quartz Ore Deposits
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摘要:
石英的工业应用十分广泛，使用量和工业产值巨大，尤其是在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业中得到广泛应用，并由于石英是硅产业的物质基础和芯片生产所需关键材料的原料，因此石英是一种战略性非金属矿产。本工作根据石英SiO2纯度及其工业应用特点，将石英及相关产品划分为w（SiO2）99%±、w（SiO2）99%~99.9%、w（SiO2）>99.9%等三大类。其中，SiO2纯度≥99.998%（4N8）的高纯石英高端产品是一种矿物功能材料和关键基础材料，目前还需要从国外高价进口；石英在自然界中的分布广泛，成因多种多样，但目前能够作为工业应用的石英矿物资源主要有天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂和花岗岩石英等7种矿床工业类型；我国石英矿物资源丰富，矿产地遍布全国，但迄今为止尚未发现能够稳定满足工业生产需要的高纯石英优质原料矿产资源；石英的矿床工业类型与工业应用存在密切的关系，如何根据不同矿床工业类型石英的特点有针对性地开发利用，已成为石英原料加工技术及其项目成败的关键点。
Abstract:The industrial application of quartz is very extensive with huge usage and industrial output value, especially in the strategic emerging industries such as electronic information, new materials and new energy. Because the quartz is the material basis of the silicon industry and the raw material of key materials for chip production, it is a strategic non-metallic mineral. According to the purity of silica and its industrial application characteristics, quartz and related products are divided into three categories:w (SiO2) 99%±, w (SiO2) 99%~99.9%, w (SiO2) > 99.9%. Among them, the high grade product of high purity quartz with SiO2 purity ≥ 99.998% (4N8) is a kind of mineral functional material and key basic material, which still needs to be imported from abroad at a high price at present. Quartz is widely distributed in nature with various causes. However, the quartz mineral resources that can be used for industrial applications mainly include 7 industrial types of ore deposits, including natural crystal, quartz sandstone, quartzite, vein quartz, powder quartz, natural quartz sand, and granite quartz. In China, the quartz mineral resources are abundant and spread all over the country. But so far, no high-quality raw material mineral resources of high purity quartz that can meet the needs of industrial production have been found. There is a close relationship between the industrial types of quartz deposits and their industrial applications. And how to develop and utilize quartz in accordance with the characteristics of different industrial mineral types has become the key point for the success of quartz raw material processing technology and its projects.
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图 3 石英矿物原料的SiO2纯度与价格的关系：IOTA-STD为美国尤尼明公司(Unimin Corp.)生产的SiO2纯度≥99.998%(4N8)的高纯石英高端产品
Figure 3.
表 1 硅微粉的分类与品种
Table 1. Classification and varieties of silica powder
硅微粉的分类 硅微粉的品种 按用途和
w(SiO2)纯度(%)普通硅微粉(>99%)，电工级硅微粉(>99.6%)，电子级硅微粉(>99.7%)，半导体级硅微粉(>99.9%)，等 按化学成分 纯SiO2硅微粉，以SiO2为主要成分的复合硅微粉，等 按结晶特点 结晶硅微粉，熔融石英硅微粉(非晶态)，等 按矿物种类 石英硅微粉，方石英硅微粉，鳞石英硅微粉(目前市场未见)，等 按颗粒形态 角形硅微粉，球形硅微粉，等 按粒度大小 300目，400目，600目，800目，1 000目，超细硅微粉(通常＜4 000目)，等 按表面活性[10] 表面改性后则称为活性硅微粉，如电工级活性硅微粉，等 
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表 2 高纯石英的产品分类与技术状况
Table 2. Product classification and technical status of high purity quartz
分类 低端产品 中端产品 高端产品 按SiO2纯度 w(SiO2)≥99.9%(3N) w(SiO2)≥99.9%(4N) w(SiO2)≥99.998%(4N8) 按杂质含量 ≤1 000×10-6 ≤100×10-6 ≤20×10-6 按粒度大小 40~80目、80~140目、80~200目、80~300目，等 技术现状 国产化 国产化 从美国、挪威、日本等进口 注：(1)杂质含量指Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13种痕量杂质元素总量；(2)产品分类根据[14]。
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表 3 美国尤尼明公司IOTA石英系列产品及其主要应用[15]
Table 3. IOTA quartz series products produced by UNIMIN Corp. and their main applications[15]
产品 w(SiO2)% 主要应用 IOTA-STD 99.998 生产低膨胀系数的透明石英玻璃，用于高温封接的汞灯、卤钨灯、低成本半导体石英制品 IOTA-4 99.999 生产透明石英玻璃，用于工艺管、硅片处理、石英块、提单晶硅用的半导体坩埚 IOTA-6 99.9991 生产石英玻璃，用于低碱的石英制品、扩散管及固体内杂质不允许扩散的CZ坩埚 IOTA-8 99.9992 生产超高纯石英玻璃，用于12英寸或更大尺寸硅片，大直径坩埚，改进黏度，坩壁很稳定，高的纯度使对合成衬垫的需求减少 注：w(SiO2)%纯度是根据Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13种痕量杂质元素总量计算得到。
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表 4 石英矿床工业类型与应用特点的关系
Table 4. Relationship between quartz's industrial type of ore deposits and application characteristics
矿床工业类型 矿床与矿石特点 工业应用特点 天然水晶 品质好，美观；储量小，资源少，开采条件差，价格贵，成分不稳定，标准化困难 曾经是高纯石英原料，现主要用作水晶工艺品原料 石英砂岩 规模大，开采条件较好，易于破碎分级和大规模生产；胶结物成分比较复杂，杂质较多 几乎所有w(SiO2) 99%±产品，但受粒度大小、球度、圆度和破碎率等天然影响，一些不适用于型砂、3D打印砂和石油支撑剂 石英岩 矿床规模大，地质产状稳定，开采条件较好，致密均匀，块度好，适合大规模生产；硬度大，破碎加工成本高，杂质提纯困难，缺少天然粒形 金属硅，同时适用于不受粒度大小和角形因数影响的其它w(SiO2) 99%±产品 脉石英 矿床分布广泛，规模相对较小，几乎全部为石英，w(SiO2)通常＞99.9%，质量比较稳定，开采难度相对较大 硅微粉等w(SiO2) 99%~99.9%产品，高纯石英等w(SiO2)>99.9%产品，以及石英板材、金属硅等 粉石英 矿床分布不多，一般规模不大，自然白度高，天然疏松多孔，容易超细粉碎加工；缺少天然块度和粒度 陶瓷原料，硅微粉，等 天然石英砂 矿床规模一般较大，通常具有良好的天然粒度、球度和圆度，杂质成分比较多 铸造型砂，3D打印砂，石油支撑剂，彩色石英砂，如果w(SiO2)达标，适用于w(SiO2) 99%其他产品 花岗岩石英 矿床规模大，石英杂质少 高纯石英，尤其是高纯石英高端产品等
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