СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ ПРИРОДНОГО КВАРЦА
METHOD OF PRODUCING HIGHLY PURE CONCENTRATE FROM NATURAL QUARTZ

Изобретение относится к способам очистки природного кварца от минеральных и газожидкостных включений для получения высокочистого кварцевого концентрата.
Об актуальности разработки новых способов и технологий получения высокочистых кварцевых концентратов, используемых для нужд современных наукоемких отраслей производства, свидетельствует включение этой проблемы в перечень особо важных, приоритетных направлений развития науки и техники России. Высокочистый кварцевый концентрат применяется для выплавки особо чистого кварцевого стекла, используемого в самых передовых областях науки и техники - это производство полупроводников, космонавтика, авиация, химия высокочистых веществ, средства волоконно-оптической связи, приборостроение, оптические инструменты, атомная промышленность, медицина и т.п. Ценность такого стекла в неизменности его физических и химических свойств в широком интервале температур. Оно обладает высокой оптической прозрачностью от инфракрасной до ультрафиолетовой области длин волн, термической и радиационной стойкостью, механической прочностью. Другой областью использования высокочистого кварцевого концентрата является синтез особо чистого поликремния для промышленного выращивания кремниевых монокристаллов. Они используются преимущественно при производстве полупроводниковых приборов, устройств для преобразования солнечной энергии в электрическую и т.д. Одним из путей решения проблемы производства высокочистого кварцевого концентрата является оптимизация существующих и разработка новых способов обогащения природного кварцевого сырья для повышения уровня чистоты концентрата и снижения его себестоимости.
Известен способ обработки кварцсодержащего сырья для производства стекла и волоконной оптики, включающий дробление, измельчение, электромагнитную сепарацию, оттирку, флотацию и термообработку конечного продукта, отличающийся тем, что кварцсодержащее сырье крупностью -60+10 мм подвергают декрепитации при нагреве до температуры 850-950°С с последующим быстрым охлаждением в жидкой среде с температурой 6-20°С, затем направляют на дробление и измельчение до крупности -0,5+0,1 мм и подвергают электромагнитной сепарации, далее из немагнитной части продукта сепарации и активированной воды с рН 4,0-5,5 готовят пульпу с Ж:Т=1,8-3:1, пульпу подвергают оттирке в среде с рН 4,0-5,5 в две стадии, между которыми проводят флотацию, при этом мощность энергетического воздействия на второй стадии оттирки поддерживают в два раза ниже, чем на первой, а температуру на обеих стадиях поддерживают соответствующей максимальной плотности пульпы для усиления воздействующих факторов процесса оттирки, после оттирки пульпу промывают водой при Ж:Т=10:1, обезвоживают, подвергают прокалке при температуре более 800°С (см. патент РФ №2182113 с приоритетом от 4 декабря 2000 года).
Недостатком указанного способа является необходимость двойной оттирки в контролируемой среде с заданной температурой и кислотностью, промежуточной флотации, а также двойного нагрева очищаемого кварцевого сырья. Множественность операций удорожает стоимость кварцевого концентрата вследствие материальных и энергетических затрат, усложняет технологию обогащения из-за необходимости контроля их параметров.
Известен также способ получения высокочистого кварцевого концентрата из природного сырья, разработанный Институтом «Уралмеханобр» для Кыштымского горно-обогатительного комбината. Способ включает в себя цикл рудоподготовки и цикл обогащения кварцевого порошка. Исходный кварц дробят в щебень размерами 15-40 мм, промывают, отделяют чистый кварц от других минералов и загрязненного щебня. Чистый щебень измельчают в порошок метрической фракции 0,1-0,4 мм. Для облегчения процесса измельчения высокопрочного щебня, его прокаливают до температур 850-950°С и резким охлаждением в воде создают в нем микротрещины, облегчающие последующее истирание щебня в порошок заданной метрической фракции. Механическое обогащение кварца выполняется в три стадии чередованием коллективной флотации примесных минералов с магнитной сепарацией на полиградиентных сепараторах. Затем порошок подвергают кислотной обработке в среде 10-15% плавиковой кислоты или в смеси плавиковой и соляной кислот вышеуказанной концентрации. Соотношение плавиковой и соляной кислот 2:1. После кислотной обработки кварц отделяют от отработанной кислоты и промывают деионизированной водой на кислотостойком вакуум-фильтре, а затем сушат до влажности менее 1% на сушильно-охладительном агрегате виброкипящего слоя, упаковывают (см. книгу «Минералургия жильного кварца»/ Кыштымский горно-обогатительный комбинат; под ред. В.Г. Кузмина, Б.Н. Кравца. - М.: НЕДРА, 1990, 294 с.).
Указанное техническое решение как наиболее близкий аналог может быть принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является необходимость прокалки щебня до высоких температур и последующего резкого охлаждения в воде для эффективного измельчения, что требует энергетических затрат и усложняет технологический процесс. Кроме того, при прокалке щебня эффект декрепитации газожидкостных включений (ГЖВ) в кварце понижен вследствие большой механической прочности массивного индивида и увеличения пластичности кварца.
В известном способе получения кварцевого концентрата из природного сырья флотационная очистка кварцевого порошка от минеральных включений производится в химических реагентах заданного состава для каждого этапа флотации и по операционному регламенту. Это усложняет технологию очистки, увеличивает ее длительность, удорожает себестоимость продукции, является дополнительным источником загрязнения продукции, производственной и окружающей среды.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение чистоты кварцевого концентрата, упрощение технологии очистки, снижение вредных факторов процесса обогащения, уменьшение себестоимости конечного продукта за счет снижения энергетических и трудовых затрат.
Согласно заявке на изобретение указанная задача решается новыми режимами операций очистки кварцевого сырья.
Природный кварц дробят в щебень, промывают в воде, отделяют чистый кварцевый щебень от минеральных включений и загрязненных индивидов. Отобранный щебень в холодном состоянии измельчают в порошок фракции 0,1-0,4 мм.
Затем в течение двух-трех минут порошок в пластиковой посуде прогревают в микроволновой печи при частотах резонансных колебаний молекул воды 2,3-2,5 ГГц. Жидкость ГЖВ практически мгновенно вскипает, но кварцевое зерно остается холодным и хрупким. В результате содержимое ГЖВ кварцевых зерен легко вскрывается и может быть удалено последующими операциями очистки. Для кварцевых порошков из сырья различных месторождений эффективность микроволновой декрепитации выше термической на 10-55% (см Насыров Р.Ш. СВЧ декрепитация газожидкостных включений в кварцевых зернах. Журнал «Обогащение руд», С.-Петербург, 2009, №2, с.26-27).
Удаление из порошка техногенных и природных ферромагнитных включений проводят однократной магнитной сепарацией. Очистку поверхности кварцевых зерен от остатков техногенных и природных минеральных и органических загрязнений производят оттиркой порошка 5%-ным раствором «царской водки» при температуре 80-90°С длительностью 20-30 минут.
Порошок, промытый чистой водой для удаления следов кислотного раствора, обезвоживают и прокаливают до температуры 1350±10°С и выдерживают при этой температуре 5-10 минут. Большинство минеральных включений в кварцевом порошке и примесей на границе между зернами в объеме и на поверхности кварцевого зерна имеют низкие, порядка 900-1350°С, температуры плавления и могут образовывать с кварцем легкоплавкие стекла (см. Н.А. Торопов, В.П. Барзаковский, В.В. Лапин и др. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник, вып.3. Тройные силикатные системы. Л.: Наука, 448 с., 1972). Тугоплавкие минеральные включения также могут образовывать агломераты с кварцевыми зернами вследствие образования эвтектических расплавов в контактной зоне примесь-кварц (см. Справочник по производству стекла, т.1, под ред. Китайгородского И.И., Сильвестровича С.И. М.: Госстройиздат, 1963 г., 1026 с.). Расплавы минеральных включений или стеклофазы на поверхности кварцевого песка способствуют сплавлению соседних песчинок, образуя агломераты. Большинство из них имеют размеры больше верхнего значения фракционного состава песка. Они легко удаляются ситовым рассевом, что приводит к удалению примесных минералов из кварцевого порошка без флотации. Прогрев всего объема кварцевого порошка до (1350±10)°С обеспечивает дополнительную декрепитацию ГЖВ в кварцевых индивидах. Такой нагрев способствует полиморфному превращению α-кварца в тридимит и β-кристобалит, в результате которого также могут вскрываться ГЖВ и оттесняться примеси из объема кварцевого индивида на его поверхность (см. Дубинчук В.Т., Исаев В.А., Орешникова Н.Г. Новые технологии переработки непрозрачных разновидностей кварца. Журнал "Разведка и охрана недр", 1999, №3, с.24-26). Это, в свою очередь, способствует агломерации минеральных включений и поверхностных примесных загрязнений с зернами кварца.
Высокотемпературная прокалка приводит к увеличению магнитной восприимчивости ряда примесных минералов (см. Кобранова В.Н. Петрофизика. М.: Недра, 1986, 392 с.). Поэтому кварцевый порошок после прокалки и удаления агломератов подвергают магнитной сепарации для удаления минеральных включений и отдельных малоразмерных агломератов с рудными включениями.
После магнитной сепарации кварцевый порошок очищают химическим травлением в растворе 10-15%-ной смеси равных объемов плавиковой и соляной кислот при температуре (80-90)°С в течение (40-60) минут. Во время травления плавиковая кислота в первую очередь растворяет остекловавшиеся мелкие, не отсеявшиеся агломераты, а соляная кислота препятствует образованию нерастворимых солей примесных минералов и растворяет металлические техногенные загрязнения, в частности, от магнитного сепаратора. Заключительной операцией является промывка порошка высокочистой водой до удаления следов кислот, сушка порошка и упаковка.
Предложенный способ получения высокочистого концентрата из природного кварца был апробирован на образцах Кыштымских месторождений гранулированного кварца и месторождения «Желанное». Аттестационным критерием чистоты кварцевых концентратов из этих месторождений, полученных по способу заявки на изобретение и по способу прототипа, было структурное и оптическое качество вакуум-плавленых кварцевых стекол из этих концентратов. Стекла из кварцевых концентратов, полученных по способу заявки, имели большую оптическую прозрачность и меньшее количество дефектов по сравнению с концентратами, полученными традиционным способом, как в промышленности, так и лабораторных условиях.
На фиг.1 приведены теневые фотографии слитков стекол, выплавленных из кварцевых концентратов, полученных из одного и того же образца кварца жилы № 175 Кыштымского месторождения по способу промышленной технологии и по способу формулы изобретения, а фиг.2 показывает спектры оптического пропускания указанных слитков стекол в области видимой и ультрафиолетовой длин волн. Чертежи иллюстрируют лучшее качество стекол, полученных из кварцевых концентратов, приготовленных по способу формулы изобретения.
Предложенный способ получения высокочистого концентрата из природного кварца имеет следующие преимущества.
- Способ исключает из цикла обогащения природного кварцевого сырья операцию прокалки кварцевого щебня, что сокращает количество и длительность технологических операций, материальные и энергетические затраты.
- Высокочастотная электромагнитная декрепитация быстро и эффективно вскрывает ГЖВ в кварцевых зернах, способствуя более полной очистке порошка.
- Оттирка порошка после магнитной сепарации 5%-ным раствором «царской водки» очищает его от поверхностных техногенных загрязнений, продуктов вскрытых ГЖВ, окисных и органических загрязнений.
- Прокалка кварцевого порошка, удаление из него агломератов, последующая магнитная сепарация позволяют исключить из технологии очистки операцию флотации. Это сокращает количество технологических операций, длительность процесса обогащения, снижает энергетические затраты, повышает чистоту производства, уменьшает экологическую нагрузку на окружающую среду.
- Химическое травление кварцевого порошка в кислотном растворе на заключительном этапе очистки обеспечивает его глубокую очистку.