氧化鐵浸染型天然石英砂制備汽車玻璃原料關(guān)鍵技術(shù)研究

侯軍發(fā),謝恩俊,段樹桐,譚 飛

(1.凱盛石英材料(海南)有限公司，海南 570100；2.中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，蚌埠 233010)

自然界中的水晶、脈石英、石英巖、石英砂巖、石英砂等礦物統(tǒng)稱為硅質(zhì)原料，主要成份為SiO2，廣泛應(yīng)用于玻璃、陶瓷、水泥、鑄造、化工、電工、電子、半導(dǎo)體、航空航天等傳統(tǒng)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是支撐國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，各種硅質(zhì)原料(石英砂)的年需求量在1億噸以上，質(zhì)量較好的硅質(zhì)原料在日益減少，而廣泛存在于江、河、湖、沙漠等地的天然砂，因長期受到水流及風(fēng)力的“淘洗”，其粒度分布集中，圓球度較好，十分符合玻璃、鑄造等傳統(tǒng)行業(yè)的需要，但因為成份復(fù)雜，雜質(zhì)含量嚴(yán)重超標(biāo)而未得以充分利用。該文以深度氧化鐵浸染型天然石英砂為研究對象，經(jīng)特種選礦工藝提純后，將超低品位的天然砂轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的汽車玻璃原料，最終實現(xiàn)了低品位資源的高效綜合利用。

1 試 驗

1.1 原料

試驗原料屬于普遍存在的天然沙漠黃砂系，品位低，礦物組成較為復(fù)雜。結(jié)合鏡下觀察及XRD分析，原砂的礦物組成以石英為主，石英表面鐵質(zhì)包裹嚴(yán)重，含有少量長石、高嶺土、方解石、鈦鐵礦、電氣石等雜質(zhì)礦物，原砂的化學(xué)成份(%)：SiO293.96，Al2O31.02，F(xiàn)e2O30.36、TiO20.11、CaO 0.24、MgO 0.13、K2O 0.21、Na2O 0.55、LOI 0.73。鏡下觀察照片見圖1。

1.2 試驗設(shè)備及試劑

1)試驗設(shè)備 XFG系列擦洗機，武漢探礦機械廠；φ125 mm水力分級機，中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院自制；特種煮浸設(shè)備，中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院自制。

2)主要試劑 硫酸(化學(xué)純)、鹽酸(化學(xué)純)、硝酸(化學(xué)純)、磷酸(化學(xué)純)。

1.3 試驗流程及關(guān)鍵技術(shù)

原砂中鐵雜質(zhì)主要以薄膜鐵形式存在于石英砂表層及裂隙中，還有少量存在于泥質(zhì)及鈦鐵礦中，因此，擦洗作業(yè)必不可少，可有效剝離砂粒表面的膠結(jié)泥質(zhì)，提供新鮮干凈的礦物表面；通過水力分級作業(yè)可將剝離出來的細粒級泥質(zhì)及砂粒去除，嚴(yán)格控制精砂中細粒級的含量，使其粒度滿足玻璃原料的指標(biāo)要求；最后通過煮浸工藝，去除石英砂中、石英砂表面及深層裂隙中的含鐵礦物。

2 結(jié)果與討論

2.1 擦洗—分級試驗

由于原砂中含有高嶺土等泥質(zhì)膠結(jié)物及考慮玻璃原料對石英砂粒度的要求，進行“擦洗—分級”試驗，如表1所示。

表1 “擦洗—分級”試驗條件及結(jié)果

在一定范圍內(nèi)，隨著上升水量的增加，分級沉砂的絕對產(chǎn)率在不斷降低，沉砂中-0.104 mm含量在不斷降低，考慮玻璃原料的粒度指標(biāo)，選擇上升水量為250 L/h，分級沉砂Fe2O3含量為0.28%，粒度組成已經(jīng)滿足玻璃原料的要求。

2.2 煮浸試驗

為有效降低精砂的Fe2O3含量，利用自主研發(fā)的煮浸設(shè)備進行煮浸工藝處理，其作用機理是高溫下利用酸介質(zhì)同石英砂中、石英砂表面和裂隙中的含鐵礦物快速反應(yīng)，形成可溶性的硫酸鐵或硫酸亞鐵

最后通過過濾及清洗將其去除。試驗中主要探討煮浸介質(zhì)種類及濃度、煮浸保溫時間及煮浸溫度對精砂Fe2O3含量的影響[1,2]。

2.2.1 煮浸介質(zhì)種類及濃度試驗

試驗中選擇煮浸介質(zhì)為硫酸、鹽酸、硝酸及磷酸，煮浸溫度70 ℃，升溫時間為5 min，保溫時間為30 min，液固比1∶1，不同煮浸介質(zhì)及濃度對精砂Fe2O3含量的影響趨勢見圖2。

煮浸工藝對精砂中Fe2O3含量的降低有明顯效果，硫酸和鹽酸對精砂質(zhì)量影響較大，鹽酸需在35%以上的濃度時，才可使精砂Fe2O3含量降低至300×10-6以下，考慮經(jīng)濟成本及環(huán)境因素，選擇煮浸介質(zhì)為硫酸。由圖2可知，在一定范圍內(nèi)，隨著煮浸介質(zhì)濃度的增大，精砂中Fe2O3含量逐漸降低，當(dāng)硫酸濃度為30%時，精砂Fe2O3含量為230×10-6，可滿足高檔汽車玻璃用硅質(zhì)原料的質(zhì)量要求。

2.2.2 煮浸保溫時間試驗

煮浸介質(zhì)為硫酸，濃度為30%，液固比1∶1，浸出溫度70 ℃，煮浸保溫時間與精砂Fe2O3含量的關(guān)系曲線圖見圖3。

在一定范圍內(nèi)，隨著煮浸保溫時間的延長，精砂質(zhì)量越好，延長到一定時間后，精砂質(zhì)量將不再變化；同樣保溫時間條件下，介質(zhì)濃度越大，F(xiàn)e2O3含量越低，增大到一定濃度，精砂Fe2O3含量將不再變化，主要是因為介質(zhì)濃度越大，礦粒表面及裂隙與介質(zhì)接觸的表面積越大，活性反應(yīng)點越多，介質(zhì)可快速將鐵質(zhì)氧化物溶解，當(dāng)吸附與反應(yīng)達到最大量后，精砂Fe2O3含量將不再變化[3，4]。

2.2.3 煮浸溫度試驗

液固比1∶1，浸出劑濃度30%，煮浸保溫時間30 min，煮浸溫度對精砂Fe2O3含量的影響試驗結(jié)果見表2。

表2 煮浸溫度對精砂Fe2O3含量的影響試驗結(jié)果

由表2可知，煮浸溫度對精砂Fe2O3含量的降低有明顯效果，在一定范圍內(nèi)，隨著煮浸溫度的增加，F(xiàn)e2O3含量逐漸降至300×10-6以下，這主要是因為，浸出溫度升高，分子運動越劇烈，分子表面活化能越大，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)越充分。當(dāng)溫度為70 ℃時，SiO2含量可達99.35%，Al2O3含量為0.25%，F(xiàn)e2O3含量為230×10-6，可滿足高檔汽車玻璃原料的指標(biāo)要求，煮浸精砂鏡下觀察照片見圖4。

3 結(jié) 論

a.擦洗作業(yè)對沙漠砂中泥質(zhì)膠結(jié)物的剝離有顯著效果。

b.分級作業(yè)可有效控制精砂中細粒級的含量，使其滿足玻璃用硅質(zhì)原料的粒度組成。

c.采用自主研發(fā)的特種煮浸設(shè)備進行煮浸工藝處理，可使石英砂中、石英砂表面及裂隙中的含鐵雜質(zhì)礦物形成可溶性的鹽類去除，當(dāng)煮浸介質(zhì)硫酸濃度為30%、保溫時間為30 min，煮浸溫度為70 ℃時，精砂中SiO2含量可達99.35%，Al2O3含量為0.25%，F(xiàn)e2O3含量為230×10-6，可滿足高檔汽車玻璃原料的指標(biāo)要求。