氧化铁浸染型天然石英砂制备汽车玻璃原料关键技术研究

侯军发,谢恩俊,段树桐,谭 飞

(1.凯盛石英材料(海南)有限公司，海南 570100；2.中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司，蚌埠 233010)

自然界中的水晶、脉石英、石英岩、石英砂岩、石英砂等矿物统称为硅质原料，主要成份为SiO2，广泛应用于玻璃、陶瓷、水泥、铸造、化工、电工、电子、半导体、航空航天等传统与高新技术产业，是支撑国民经济发展的重要基础原材料之一。据不完全统计，各种硅质原料(石英砂)的年需求量在1亿吨以上，质量较好的硅质原料在日益减少，而广泛存在于江、河、湖、沙漠等地的天然砂，因长期受到水流及风力的“淘洗”，其粒度分布集中，圆球度较好，十分符合玻璃、铸造等传统行业的需要，但因为成份复杂，杂质含量严重超标而未得以充分利用。该文以深度氧化铁浸染型天然石英砂为研究对象，经特种选矿工艺提纯后，将超低品位的天然砂转化成高质量的汽车玻璃原料，最终实现了低品位资源的高效综合利用。

1 试 验

1.1 原料

试验原料属于普遍存在的天然沙漠黄砂系，品位低，矿物组成较为复杂。结合镜下观察及XRD分析，原砂的矿物组成以石英为主，石英表面铁质包裹严重，含有少量长石、高岭土、方解石、钛铁矿、电气石等杂质矿物，原砂的化学成份(%)：SiO293.96，Al2O31.02，Fe2O30.36、TiO20.11、CaO 0.24、MgO 0.13、K2O 0.21、Na2O 0.55、LOI 0.73。镜下观察照片见图1。

1.2 试验设备及试剂

1)试验设备 XFG系列擦洗机，武汉探矿机械厂；φ125 mm水力分级机，中建材蚌埠玻璃工业设计研究院自制；特种煮浸设备，中建材蚌埠玻璃工业设计研究院自制。

2)主要试剂 硫酸(化学纯)、盐酸(化学纯)、硝酸(化学纯)、磷酸(化学纯)。

1.3 试验流程及关键技术

原砂中铁杂质主要以薄膜铁形式存在于石英砂表层及裂隙中，还有少量存在于泥质及钛铁矿中，因此，擦洗作业必不可少，可有效剥离砂粒表面的胶结泥质，提供新鲜干净的矿物表面；通过水力分级作业可将剥离出来的细粒级泥质及砂粒去除，严格控制精砂中细粒级的含量，使其粒度满足玻璃原料的指标要求；最后通过煮浸工艺，去除石英砂中、石英砂表面及深层裂隙中的含铁矿物。

2 结果与讨论

2.1 擦洗—分级试验

由于原砂中含有高岭土等泥质胶结物及考虑玻璃原料对石英砂粒度的要求，进行“擦洗—分级”试验，如表1所示。

表1 “擦洗—分级”试验条件及结果

在一定范围内，随着上升水量的增加，分级沉砂的绝对产率在不断降低，沉砂中-0.104 mm含量在不断降低，考虑玻璃原料的粒度指标，选择上升水量为250 L/h，分级沉砂Fe2O3含量为0.28%，粒度组成已经满足玻璃原料的要求。

2.2 煮浸试验

为有效降低精砂的Fe2O3含量，利用自主研发的煮浸设备进行煮浸工艺处理，其作用机理是高温下利用酸介质同石英砂中、石英砂表面和裂隙中的含铁矿物快速反应，形成可溶性的硫酸铁或硫酸亚铁

最后通过过滤及清洗将其去除。试验中主要探讨煮浸介质种类及浓度、煮浸保温时间及煮浸温度对精砂Fe2O3含量的影响[1,2]。

2.2.1 煮浸介质种类及浓度试验

试验中选择煮浸介质为硫酸、盐酸、硝酸及磷酸，煮浸温度70 ℃，升温时间为5 min，保温时间为30 min，液固比1∶1，不同煮浸介质及浓度对精砂Fe2O3含量的影响趋势见图2。

煮浸工艺对精砂中Fe2O3含量的降低有明显效果，硫酸和盐酸对精砂质量影响较大，盐酸需在35%以上的浓度时，才可使精砂Fe2O3含量降低至300×10-6以下，考虑经济成本及环境因素，选择煮浸介质为硫酸。由图2可知，在一定范围内，随着煮浸介质浓度的增大，精砂中Fe2O3含量逐渐降低，当硫酸浓度为30%时，精砂Fe2O3含量为230×10-6，可满足高档汽车玻璃用硅质原料的质量要求。

2.2.2 煮浸保温时间试验

煮浸介质为硫酸，浓度为30%，液固比1∶1，浸出温度70 ℃，煮浸保温时间与精砂Fe2O3含量的关系曲线图见图3。

在一定范围内，随着煮浸保温时间的延长，精砂质量越好，延长到一定时间后，精砂质量将不再变化；同样保温时间条件下，介质浓度越大，Fe2O3含量越低，增大到一定浓度，精砂Fe2O3含量将不再变化，主要是因为介质浓度越大，矿粒表面及裂隙与介质接触的表面积越大，活性反应点越多，介质可快速将铁质氧化物溶解，当吸附与反应达到最大量后，精砂Fe2O3含量将不再变化[3，4]。

2.2.3 煮浸温度试验

液固比1∶1，浸出剂浓度30%，煮浸保温时间30 min，煮浸温度对精砂Fe2O3含量的影响试验结果见表2。

表2 煮浸温度对精砂Fe2O3含量的影响试验结果

由表2可知，煮浸温度对精砂Fe2O3含量的降低有明显效果，在一定范围内，随着煮浸温度的增加，Fe2O3含量逐渐降至300×10-6以下，这主要是因为，浸出温度升高，分子运动越剧烈，分子表面活化能越大，反应速率加快，反应越充分。当温度为70 ℃时，SiO2含量可达99.35%，Al2O3含量为0.25%，Fe2O3含量为230×10-6，可满足高档汽车玻璃原料的指标要求，煮浸精砂镜下观察照片见图4。

3 结 论

a.擦洗作业对沙漠砂中泥质胶结物的剥离有显著效果。

b.分级作业可有效控制精砂中细粒级的含量，使其满足玻璃用硅质原料的粒度组成。

c.采用自主研发的特种煮浸设备进行煮浸工艺处理，可使石英砂中、石英砂表面及裂隙中的含铁杂质矿物形成可溶性的盐类去除，当煮浸介质硫酸浓度为30%、保温时间为30 min，煮浸温度为70 ℃时，精砂中SiO2含量可达99.35%，Al2O3含量为0.25%，Fe2O3含量为230×10-6，可满足高档汽车玻璃原料的指标要求。