Poglobljena analiza: Kaj je tehnologija kremena visoke čistosti?

Kremen visoke čistosti se nanaša na izdelke iz serije kremena s čistostjo SiO2 nad 99,9%. Je materialni temelj vrhunskih izdelkov v industriji silicija, ki se pogosto uporablja v panogah, kot so fotovoltaika, elektronske informacije, optične komunikacije in elektroluminiscenčni viri. Ima pomemben položaj in vlogo v strateški nastajajočih panogah novih materialov in nove energije.

Glede na čistost SiO2 ga lahko razvrstimo v:

• Nizki razred s SiO2 ≥ 99,9% (3N)
• Srednji del s SiO2 ≥ 99,99% (4N)
• Vrhunski s SiO2 ≥ 99,998% (4N8)

Na podlagi skupne količine elementov nečistoč, kot so Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni itd., ga lahko razvrstimo v:

• Nizki razred ≤ 1000×10^-6
• Srednji konec ≤ 100×10^-6
• Vrhunski ≤ 20×10^-6

Vsako stopnjo čistosti kremena visoke čistosti lahko razdelimo na sorte, kot so 40-80 mesh, 80-140 mesh, 80-200 mesh, 80-300 mesh itd.

Tehnologija kremena visoke čistosti je sistematičen inženirski projekt, ki vključuje tehnologijo izbire surovin kremena visoke čistosti, tehnologijo predelave, tehnologijo opreme za obdelavo in tehnologijo nadzora kakovosti. Ti vidiki so neodvisni in med seboj povezani ter tvorijo celovito tehnološko celoto.

Sprva je bil kremen visoke čistosti predelan iz naravnih kristalov prvega in drugega razreda. Naravni kristali običajno nastanejo v okoljih kristalnih votlin pod določenimi geološkimi pogoji. Specifičnost njihove geneze ima za posledico dve inherentni pomanjkljivosti:

1. Majhne zaloge in slabi pogoji rudarjenja, ki po letih razvoja in uporabe neizogibno vodijo v pomanjkanje virov, visoke cene in nezmožnost zadovoljevanja potreb velike industrijske proizvodnje.

2. Kemična sestava mineralnih kristalov je nestabilna in nanjo vplivajo spremembe v kristalnem okolju. To vodi do znatnih nihanj kemične sestave surovin v obsežnih industrijskih aplikacijah, kar otežuje standardizacijo surovin in ne more izpolniti potreb visokokakovostne proizvodnje kremenčevih izdelkov visoke čistosti.

Zato je treba začeti z drugimi mineralnimi viri kremena, da bi temeljito rešili problem surovin kremena visoke čistosti, kar je osnovni tehnični pristop doma in v tujini.

V devetdesetih letih prejšnjega stoletja je Japonska obdelovala prozorni kremen visoke čistosti z uporabo drobnozrnatega kvarcita kot surovine.

Rusija in Nemčija sta predelali kremen visoke čistosti z uporabo žilnega kremena in metamorfnega kvarcita kot surovin.

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je ameriško podjetje PPCC predelovalo kremen visoke čistosti z granitom iz območja Foxdale na severozahodni obali Anglije kot surovino za zahodnoevropsko kremenčevo steklo. Čistost SiO2 izdelka je bila 4N, vsebnost Fe < 1×10^-6 in vsebnost drugih nečistoč < 5×10^-6.

Od leta 1990 je ameriško podjetje Unimin začelo razvijati in učinkovito uporabljati pegmatit granit na območju Spruce Pine v Severni Karolini. Razvil je izdelke iz kremenčeve serije visoke čistosti, kot so IOTA-STD (standardni razred), IOTA-4, IOTA-6 in IOTA-8, ki so skoraj monopolizirali mednarodni trg in postali mednarodni standard.

Očitno je, da so mineralni viri kremena poleg naravnega kristala, žilnega kremena in granitnega kremena med šestimi zgoraj navedenimi genezami idealne surovine za predelavo kremenčevih izdelkov srednjega in visokega razreda visoke čistosti.

Vsega žilnega kremena in granitnega kremena ni mogoče predelati v kremen visoke čistosti glede na trenutno raven tehnologije obdelave. Le zelo redke, tudi izjemno redke, je mogoče predelati v vrhunske izdelke.

To pomeni, da je izbira žilnega kremena ali granitnega kremena le prava splošna smer; ne rešuje ključnega vprašanja izbire specifične surovine.

Glavni razlog je obstoj različnih razdeljenih geneznih vrst žilnega kremena in granita, na katere vplivajo geološke razmere za nastajanje rude. Obstajajo tudi pomembne razlike v mineralogiji, petrologiji in značilnostih nahajališč žilnega kremena in granita iste vrste geneze.

Glede na poročila je ameriško podjetje Unimin zelo izbirčno glede kremenčevih surovin visoke čistosti in ima stroge zahteve.

Merila za izbiro surovin Unimin Quartz: eno je kremen z najmanj nečistočami v kristalni strukturi, kot je vsebnost aluminija IOTA-STD (14-18)×10^-6, vsebnost aluminija IOTA-4 (8-10)×10^ -6; drugi je kremen z manj plinsko-tekočimi vključki, kot sta pegmatit granit in kristal.

Dokazano je, da vsebnost nečistoč v surovini ne ustreza le njeni kakovosti. Namesto tega se nanaša na selektivnost nečistoč, ki jo določajo procesne mineraloške značilnosti surovine. Na primer, kljub visoki vsebnosti elementov nečistoč v vzorcih pegmatitnih kamnin Spruce Pine v Združenih državah se ti uporabljajo kot surovine za vrhunske izdelke IOTA.

Trenutno glavne tehnologije predelave za kremen visoke čistosti vključujejo sortiranje, čiščenje, kemično kislinsko izpiranje, flotacijo (tako flotacijo, ki vsebuje fluor, kot tudi brez fluora), gravitacijsko ločevanje, magnetno ločevanje, praženje s kloriranjem in mikrobno izpiranje. Uporabljene surovine vključujejo žilni kremen, pegmatit granit, kvarcit in kremenčev peščenjak.

Žilni kremen je granitu sorodna magmatsko-hidrotermalna žila, večinoma v nepravilnih žilnih oblikah. Žilni kremen je čisto bel z mastnim leskom in visoko čistostjo, njegova vsebnost SiO2 pa presega 99%. Na Kitajskem se rudniki žilnega kremena večinoma nahajajo na območjih, kot so Jiangsu Donghai, Sichuan, Heilongjiang, Hubei itd. Okrožje Qichun v provinci Hubei ima zaloge kremenčevega kamna, ki presegajo 100 milijonov ton, z vsebnostjo silicija več kot 99,98%, kar je prvo mesto v država.

Kvarcit nastane iz silikatnih kamnin ali kremenovih peščenjakov skozi niz metamorfoz in termičnega stika, pri čemer vsebnost kremenovih mineralov na splošno presega 85%. Pogosto ga povezujejo s turmalinom, cirkonom, sljudo, glinencem in glinenimi minerali, s trdoto in gostoto večjo kot pri kremenčevem peščenjaku. Rudniki kvarcita so razdeljeni v Qinghai, Anhui, Liaoning, Shaanxi itd. in so eden glavnih virov silikatnih mineralnih surovin na Kitajskem.

Kremenčev peščenjak je konsolidirana klastična kamnina z vsebnostjo drobcev kremena več kot 95%. Pogosto ga povezujejo s turmalinom, rutilom, magnetitom, sljudo, glinencem in minerali gline. Na Kitajskem so rudniki kremenčevega peščenjaka razdeljeni v Sečuan, Hunan, Jiangsu, Zhejiang, Yunnan, Shandong itd. So glavne surovine za predelavo stekla, keramike, litja in drugih kvarčnih industrijskih mineralov in materialov.

Surovina za kremenčev pesek visoke čistosti ameriške serije Unimin TOTA je pegmatit granit. Vendar pa bi lahko bile raziskave na tem področju na Kitajskem močnejše, pri predelavi kremenčevega peska visoke čistosti iz pegmatitnega granita pa ni bilo nobenih poročil o dosežkih.

V primerjavi s splošnim inženiringom za predelavo mineralov ima oprema za obdelavo kremenčevega peska visoke čistosti naslednje značilnosti:

Kislinsko izpiranje in izpiranje z vodo sta pomembna člena v tehnologiji predelave kremenčevega peska visoke čistosti. Zaradi izjemno visokih zahtev glede čistosti SiO2 in nizke vsebnosti nečistoč v kremenu visoke čistosti mora čistost uporabljenih kislin in vode ustrezati ustreznim zahtevam; sicer je težko proizvajati ustrezne izdelke.

Izpiranje z vročo kislino ima ključno vlogo pri čiščenju kremena visoke čistosti. Ena izmed pomembnih kemijskih lastnosti kremena je odlična kislinska odpornost (razen HF), medtem ko imajo druge kovinske nečistoče v rudi na splošno slabo kislinsko odpornost. Ta učinek je bolj izrazit pri določenih temperaturnih pogojih.

Tehnologija izluževanja s kislino obdelave kremena visoke čistosti uporablja to načelo za doseganje kemičnega čiščenja. Študije so pokazale, da lahko uporaba ustrezne kislinske formule glede na značilnosti mineralnih surovin bolje odstrani kovinske minerale, minerale, ki vsebujejo železo, karbonatne minerale in tankoplastno železo med delci kremena v surovinah.

Če se kombinaciji kislinske formule doda določena količina HF kisline, ima boljši učinek na odstranjevanje sledi sljude in glinenca v surovinah. Zato se pogosto uporabljajo močni korozivni reagenti, kot sta vroča kislina in HF kislina.

Praksa je dokazala, da pri čistilni obdelavi kremena visoke čistosti vsi materiali, ki so v stiku s surovinami, kot so posode, pomembno vplivajo na kakovost vzorcev. Stroga kontrola materialnih standardov v vseh procesnih povezavah kremenčevega peska visoke čistosti je ključ do zagotavljanja kakovosti.

Značilnosti kremena SiO2 visoke čistosti zagotavljajo, da med proizvodnim procesom ne more priti do onesnaženja. Vendar pa zaradi dolgega procesa obdelave in zapletene tehnologije kremenčevega peska visoke čistosti ni lahko popolnoma zapreti proizvodnega procesa.

Da bi preprečili onesnaževanje zraka s prahom, je treba uvesti stroge zahteve za zračno okolje za proizvodnjo, pakiranje, skladiščenje itd.

Visoke varnostne zahteve: Proizvodna linija, sestavljena iz močnih korozivnih reagentov, strupenih plinov (če se uporablja praženje s kloriranjem), visokih temperatur itd., mora imeti višja jamstva za varnost proizvodnje.

Posebna narava zgornjih procesnih pogojev določa visoke zahteve za proizvodno opremo za obdelavo kremena visoke čistosti. Razvoj varne, okolju prijazne, energetsko varčne in učinkovite proizvodne opreme je ključni pogoj za doseganje obsega in industrializacije.

Skupna vsebnost elementov nečistoč, kot so Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni itd., v izdelkih American Unimin IOTA-STD je običajno < 20× 10^-6, z največjo vrednostjo < 22×10^-6. Za snovi tako visoke čistosti metode kemijske analize in rentgenska fluorescenčna spektroskopija (XRF) težko izpolnjujejo njihove zahteve glede kakovosti.

Za detekcijo kovinskih elementov, zlasti kovinskih elementov v sledovih, ima največ prednosti optično emisijska spektrometrija z induktivno sklopljeno plazmo (ICP-OES) z dobrimi mejami detekcije, visoko natančnostjo detekcije, kratko porabo časa in visoko občutljivostjo. Trenutno je ICP-OES postal učinkovita metoda za odkrivanje kemičnih komponent v sledovih materialov visoke čistosti.

Tehnologija zaznavanja ICP je pomembna podpora in sestavni del tehnologije kremena visoke čistosti, ki ima praktični in teoretični pomen za spodbujanje razvoja kitajske tehnologije kvarca visoke čistosti.

Kremen visoke čistosti ima stabilne fizikalne in kemijske lastnosti z značilnostmi, kot sta nizka vsebnost nečistoč in težko raztapljanje rude. V procesu raztapljanja in izpiranja vzorcev za detekcijo kremena visoke čistosti so glavni vključeni dejavniki teža vzorca, kombinacija reagenta, odmerek reagenta, čistost reagenta itd.

Ta tehnologija vključuje pripravo vzorcev in detekcijo instrumentov, ki sta dva glavna dela. Ključna tehnologija je priprava raztapljanja in luženja vzorca.

Poskusi so pokazali, da bodo v postopku priprave vzorca teža vzorca, kombinacija reagenta, odmerek reagenta in čistost uporabljenega reagenta pomembno vplivali na rezultate detekcije ICP.

Količina uporabljenega kremena visoke čistosti ≥2000 mg; čistost reagenta je visoka čistost (MOS ali BV-III), kombinacija reagenta je HF+HNO3; koncentrirana HNO3 se uporabi trikrat, s skupno količino ≥5 ml; HF odmerek je 25 ml.

Glede na značilnosti tehnologije predelave in zahteve glede čistosti kremenčevega peska visoke čistosti se jeklena sita ne smejo uporabljati v celotnem postopku priprave vzorca, da bi se izognili kontaminaciji z železom.

Poleg tega bo izvajanje raztapljanja in priprave kremenčevega vzorca visoke čistosti v ultra čistih laboratorijskih pogojih pomagalo preprečiti onesnaženje zraka z nečistočami in zmanjšalo napake pri odkrivanju.

Podjetje GlobalQT je specializirano za kremenove cevi in grelnike kremenovih cevi ter zagotavlja prilagodljive rešitve za industrijo kremena visoke čistosti po vsem svetu. Zavezani smo kakovosti, konkurenčnim cenam in izpolnjevanju posebnih potreb naših strank. Za zanesljive storitve in strokovno znanje sodelujte z GlobalQT. Kontaktirajte nas na contact@globalquartztube.com.