全球高纯石英资源开发利用现状及供需分析_张海啟.pdf
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1、石英矿物资源的分离提纯及材料化应用全球高纯石英资源开发利用现状及供需分析张海啟1,2,3,张亮1,2,3,刘磊1,2,3,曹飞1,2,31.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所,河南 郑州 450006;2.国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心,河南 郑州 450006;3.自然资源部高纯石英开发利用工程技术创新中心,河南 郑州 450006中图分类号:TD873+.3文献标识码:A文章编号:10010076(2022)05004906DOI:10.13779/ki.issn10010076.2022.05.008摘要高纯石英物理化学性能优异,应用广泛,是新一代信息产业、新能源、新材料等战
2、略性新兴产业必不可少的关键基础材料。全球高纯石英资源稀少,主要集中在美国、挪威、俄罗斯、印度等国家,我国 4N5 级(SiO2含量99.995%)及以上高纯石英矿石原料基本依赖进口。目前国内高端高纯石英产能有限,供不应求,未来随着光伏、半导体等领域需求的迅速扩张,预计到2025 年我国 4N(SiO2含量99.99%)级及以上高纯石英需求将快速增长到 38 万 t,高纯石英资源供给安全问题突出。通过全面分析全球高纯石英资源现状、市场供需现状、主要生产企业以及消费趋势,结合我国高纯石英产业现状,提出了将高纯石英矿产列入战略性矿产、加强高纯石英战略研究和科技攻关、建立全链条评价体系等对策建议,以保
3、障我国高纯石英资源供给安全。关键词高纯石英;资源概况;开发利用;供需分析 引言高纯石英具有耐高温、耐腐蚀、强度高、透光率高、热膨胀系数低等优异的物理化学特性,广泛应用于半导体、光纤通信、光伏、光学、电光源等领域,是新一代信息产业、新能源、高端装备、新材料等战略性新兴产业的关键基础材料,对于战略性新兴产业健康发展具有重要意义。由于高纯石英资源矿床成因的特殊性以及生产技术封闭等原因,目前高纯石英资源的生产和出口主要集中在世界少数国家和企业,高纯石英资源已经成为世界稀缺、我国短缺的战略性资源,在国家能源资源安全保障、中美博弈等方面具有重要地位。本文系统总结全球及我国高纯石英资源现状、应用领域、供给及
4、消费、市场发展趋势,并提出我国高纯石英产业发展的对策建议,以保障我国高纯石英资源供给安全、促进我国高纯石英产业高质量发展。1高纯石英资源概述1.1高纯石英的定义首先应当明确的是,“高纯石英”是利用相应技术手段对天然形成的石英矿物进行加工提纯而成的一种矿产品而非资源,针对高纯石英的概念和界定,目前行业内还未有共识。Harben1认为高纯石英是指SiO2含量99.995%(4N5)的石英产品;Mller 等2依据石英中有害元素来限定高纯石英,提出经过加工后,石英中有害元素总含量不应高于 50 g/g,且关键元素Al、Ti、Na、K、Ca、Fe 和 P 等均有限定;Flook 根据市场现状,定义高纯
5、石英指 SiO299.95%、总杂质元素含量小于 500 g/g 的石英3;汪灵等人4认为 SiO2含量99.9%的石英产品即可称为高纯石英,并按 SiO2含量将高纯石英分为低端产品(3N)、中端产品(4N)和高端产品(4N8)三个等级;张佩聪等5认为高纯石英是 SiO2含量99.99%、杂质元素含量20 g/g 的石英;李光惠等6将 Al、Fe、Li、Ca、Mg、K、Na、Ti、Cu、Mn、Co、Ni 和 B 等 13 种有害元素总含量50 g/g、SiO2 含量99.99%的石英定义为高纯石英。此外,高纯石英定义在不同领域的标准规范中也有不同体现,中国轻工总会行业标准玻璃用工业石英砂的分级
6、(QB/T 2196)7中规定高纯石英是指 SiO2含量99.98%、Al70 g/g、Ti3 g/g、Cr0.3 g/g、Fe2O3SiO2含量99.9%)、中端高纯石英(99.995%SiO2含量99.99%)和高端高纯石英(99.995%),高端高纯石英除 SiO2含量99.995%外,石英中有害元素含量 Al30 g/g、Ti10 g/g、Na8 g/g、K8 g/g、Li5 g/g、Ca5 g/g、Fe3 g/g、P2 g/g、B1 g/g,且流体包裹体含量达到相关应用要求的石英产品。1.2资源概况石英是自然界最常见的造岩矿物之一,全球石英资源非常丰富,分布广泛,是目前人类开发利用的
7、最重要的非金属矿产之一,其可开发的矿床类型主要有石英砂岩、石英岩、天然石英砂、粉石英、花岗岩石英、天然水晶、脉石英等。虽然全球石英资源丰富,但可以加工为高纯石英的石英资源却非常稀少,全球高纯石英矿床主要分布于美国、澳大利亚、挪威、俄罗斯、印度、加拿大、巴西和马达加斯加等国家,矿床类型包括白岗岩型(花岗伟晶岩型)、热液脉型、水晶岩等。目前,全球可加工成 3N 级及以上高纯石英资源约 7 000万 t,高纯石英资源分布相对集中,主要分布在巴西(2 111万 t)、美国(1 822 万 t)、加拿大(1 000 万 t)等国家9。可以加工 4N5 级及以上质量的高端高纯石英资源量约 2 000 万
8、t,90%集中在美国(1 822 万 t),此外,挪威、俄罗斯和印度等国的高纯石英资源在全球也占有一定比例,这些国家高纯石英资源虽然在全球占比不高,但矿产资源品质很好,是除美国外生产高端高纯石英原料和产品的重要国家。目前,全球可以加工成 4N8级及以上高端高纯石英原料主要来自于美国 SprucePine 地区的花岗伟晶岩型石英资源。我国目前还没有高纯石英资源储量统计,之前国内制备高纯石英砂主要利用水晶资源和脉石英资源,但水晶资源接近枯竭(资源量仅为 0.69 万 t),脉石英是高纯石英加工生产的主要原料。根据自然资源部全国矿产资源储量统计表10,截至 2019 年,我国玻璃用脉石英资源储量 3
9、 020.07 万 t,脉石英矿床的规模小、数量多,脉石英主要分布在江西(1 681.5 万 t)、四川(561.1 万 t)、湖南(325.9 万 t)、新疆(133.39 万 t)、黑龙江(86.29 万 t)和浙江(168.4 万 t)等省(自治区),上述六省脉石英资源约占全国总储量的 97%以上。国内脉石英可以加工为高纯石英产品的比例极低,品位较高的代表性矿床有湖北省蕲春县灵虬山脉石英矿、江苏省东海县水晶矿区、安徽旌德县龙川脉石英矿等11,经过多年的开发利用,这些地区资源也基本开采殆尽,寻找高品质高纯石英替代资源尤为重要。2高纯石英主要应用高纯石英中杂质元素和流体包裹体含量极低,具有耐
10、高温、耐腐蚀、强度高、透光率高、热膨胀系数低、绝缘性好等优异的物理化学性质,是制造石英坩埚、石英管、石英法兰、石英钟罩、石英锭、光学器件、光纤等石英玻璃制品、电子级工业硅(多用 3N 级左右石英制造)和电子级硅微粉的重要原料。高纯石英玻璃制品作为原材料或者辅助生产材料广泛用于电光源、光纤通信、光伏、半导体和光学玻璃行业等高新技术领域。电子级工业硅是制造单晶硅、多晶硅的原料,单晶硅多晶硅被广泛用于电子、半导体等领域。此外,高纯石英的另一应用方向是生产高纯度球形硅微粉用于高端覆铜板、芯片封装材料等领域,目前高纯度球形硅微粉生产技术由日本住友、日立、松下等企业垄断。鉴于文章篇幅,本文重点论述高纯石英
11、玻璃市场情况。不同应用领域的高纯石英玻璃,对高纯石英的杂质元素配型、粒度、折射率、力学性能、热学性能等要求不同,全球各高纯石英生产公司都有自己相应的高纯石英产品标准,如美国尤尼明的 IOTA 系列标准(表 1)、挪威 TQC 公司的 NW 标准、太平洋石英的PQ 系列标准等。目前全球公认的高纯石英砂标准产品为美国尤尼明公司的 IOTA-STANDARD 等级石英砂,该产品各项杂质元素指标被当作高纯石英砂的“国际标准纯度”。IOTA 系列其他产品也是生产石英玻璃的优质原料,如 IOTA STD、IOTA CG 等石英砂可生产低膨胀系数、高透光度的石英玻璃,是电光源、照明设备的主要原料,可以用来生
12、产汽车疝气灯、高压汞灯、卤素灯、高强度气体放电灯、特种光源用 表 1 美国尤尼明 IOTA 系列典型产品标准部分元素含量要求12/(gg1)Table 1 The impurity element requirements for the IOTA high purity quartz of Unimin元素种类AlBCaKNaTiZnPFeMgIOTA CG140.10.60.711.20.010.10.30.04IOTA 480.050.70.411.40.01010.30.07IOTA 680.050.70.20.11.40.010.10.20.07IOTA 880.050.40.050
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