濕法磨礦制備電工級硅微粉試驗(yàn)研究

李佩悅，謝恩俊

（蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院，蚌埠 233018）

石英原料經(jīng)選礦處理后，將會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品和石英尾砂，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境污染，分級細(xì)砂因其粒度細(xì)、雜質(zhì)含量較高，用途受到很大限制，給選礦廠環(huán)境造成巨大壓力。為綜合利用礦產(chǎn)資源，變廢為寶，可利用石英尾砂作為原料，通過非礦球磨機(jī)及分級設(shè)備制備出多種粒度規(guī)格、不同用途的硅微粉產(chǎn)品。硅微粉因其具有耐高溫和抗輻射性能，是一種優(yōu)質(zhì)的中性無機(jī)填料，廣泛應(yīng)用于塑料、高級油漆、橡膠、涂料、國防、電子及高科技產(chǎn)品等行業(yè)。尤其是現(xiàn)代電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件封裝材料中所需要大量的使用環(huán)氧塑封料等，相對于分級細(xì)砂的直接應(yīng)用具有更高的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。

利用分級細(xì)砂制備各種不同用途的硅微粉產(chǎn)品，既為石英尾砂的綜合利用指明了方向，解決了石英產(chǎn)品的深加工問題，同時減少了石英尾砂直接堆存帶來大氣揚(yáng)塵等的環(huán)境污染問題，推廣價值大，工業(yè)化前景廣闊，將是石英行業(yè)現(xiàn)在乃至未來發(fā)展的方向。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料及性質(zhì)

試驗(yàn)用原料取自某地石英巖礦經(jīng)選礦提純深度處理后的分級細(xì)砂，分級細(xì)砂粒度組成為：0.2～0.125mm＝31.33%，0.125～0.074mm＝39.34%，－0.074mm＝29.33%。分級細(xì)砂的化學(xué)成份含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：SiO299.55%，Al2O30.033%，F(xiàn)e2O30.004 7%，CaO 0.036%，L.O.I 0.26，分級細(xì)砂的白度指標(biāo)為：85.4。

1.2 試驗(yàn)指標(biāo)

結(jié)合樣品性質(zhì)及《中華人民共和國電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10675—2002電子及電器工業(yè)用二氧化硅微粉》［1］中電工級硅微粉規(guī)格的要求，制定以下質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)：

1）化學(xué)成分：SiO2≥99.50%、Al2O3≤0.15%、Fe2O3≤0.010%；

2）粒度組成：累積粒度φ≤45μm且所占比重≥95%；

3）白度指標(biāo)：90.0；

4）水萃取液電導(dǎo)率（μs·cm－1）≤20。經(jīng)深度提純分級細(xì)砂原料的化學(xué)指標(biāo)已經(jīng)滿足硅微粉的質(zhì)量要求，此次試驗(yàn)的目的主要是通過磨礦及清洗工藝，最終使硅微粉的粒度、白度及電導(dǎo)率指標(biāo)滿足電工級硅微粉的質(zhì)量要求。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

1）試驗(yàn)設(shè)備：XMCQ 180×200瓷襯球磨機(jī)，武漢探礦機(jī)械廠；XTLZ－φ260/φ200多用真空過濾機(jī)，武漢探礦機(jī)械廠。

2）主要儀器：WSB－2A白度計，上海昕瑞儀器儀表有限公司；LS－900型激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器有限公司，METTLER TOLEDO FE30電導(dǎo)率儀，梅特勒－托利多。

1.4 試驗(yàn)方法

將分級細(xì)砂作為入磨物料進(jìn)行硅微粉濕法磨礦作業(yè)，以電工級硅微粉的粒度和白度指標(biāo)為判定依據(jù)，考察磨礦時間、礦介比、介配比以及磨礦濃度對磨礦效果的影響。最后采用“清洗－過濾”工藝流程處理，去除水萃取液中游離的離子雜質(zhì)，有效降低電導(dǎo)率，從而提高硅微粉的純度，最終使其滿足電工級硅微粉對電導(dǎo)率的指標(biāo)要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磨礦試驗(yàn)

為有效將分級細(xì)砂研磨至電工級硅微粉所需粒級，采用XMCQ 180×200瓷襯球磨機(jī)對分級細(xì)砂進(jìn)行磨礦作業(yè)。影響硅微粉質(zhì)量的因素較多，此次試驗(yàn)主要探討磨礦時間、礦介比、介配以及磨礦濃度對硅微粉粒度及白度指標(biāo)的影響。濕法磨礦試驗(yàn)流程，見圖1。

2.1.1 磨礦時間影響

將分級細(xì)砂加入球磨機(jī)中，磨礦介質(zhì)加入量為1.5kg，其中大球∶中球∶小球＝2∶5∶3（質(zhì)量比），磨礦濃度為50%。此次試驗(yàn)主要考察磨礦時間對硅微粉質(zhì)量指標(biāo)的影響。根據(jù)激光粒度檢測儀讀數(shù)的實(shí)際情況，以41.8μm作為－45μm的近似值判斷。磨礦時間對磨礦效果的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖2，磨礦時間對磨礦效果的影響條件及結(jié)果見表1。

表1 磨礦時間對磨礦效果的影響條件及結(jié)果

由圖2及表1可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著磨礦時間的增加，細(xì)粒級含量在不斷增加，產(chǎn)品中－41.8μm粒級的累積產(chǎn)率在不斷增大，白度增加明顯。當(dāng)磨礦時間延長至2h后，白度增加緩慢，究其原因，主要是因?yàn)殡S著磨礦時間的增加，微粒直徑在不斷減少，微粒之間的間距在變小，光源在物質(zhì)表面的漫反射現(xiàn)象就少，即光反射率大，光子損失量小，即光反射率大，則物質(zhì)白度越高。隨著磨礦時間的進(jìn)一步延長，磨礦效率相對降低，磨礦細(xì)度增加相對緩慢，白度指標(biāo)增加趨勢不明顯。綜合考慮耗能、粒度及白度指標(biāo)，選擇磨礦時間為2h，此時磨礦產(chǎn)品的白度為90.5，－41.8μm累積含量為96.39%。

2.1.2 礦介比影響

此次試驗(yàn)主要考察礦介比對硅微粉質(zhì)量指標(biāo)的影響（礦介比是指礦石加入量與磨礦介質(zhì)總量的比例），磨礦時間為2h，介配比為2∶5∶3。介質(zhì)是礦石磨礦過程中的能量載體和施力體，它通過磨機(jī)內(nèi)磨礦介質(zhì)總能量、單個磨礦介質(zhì)的能量和磨礦介質(zhì)的比表面積等方面的變化對磨機(jī)的生產(chǎn)能力、磨礦效率和產(chǎn)物粒度產(chǎn)生顯著影響［2］。不同礦介比對磨礦效果的影響曲線見圖3。

由圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著礦介比的增大（即磨礦介質(zhì)添加量在不斷增大），磨礦產(chǎn)品中－41.8μm粒級的累積產(chǎn)率不斷增大，白度也隨之提高，主要原因是隨著磨礦介質(zhì)質(zhì)量的增加，礦物與介質(zhì)之間的接觸面積在增加，磨礦介質(zhì)碰撞活性能量增加，磨礦效率隨之提高。當(dāng)?shù)V介比增加到1∶5后，－41.8μm粒級的累積產(chǎn)率增加緩慢，白度指標(biāo)增加相對緩慢，此時磨礦產(chǎn)品的白度為90.5，－41.8μm累積含量為96.39%。

2.1.3 介配比影響

該文中磨礦介質(zhì)的配比是按照介質(zhì)的直徑的不同來計算其占球荷總質(zhì)量的百分率來確定比例。裝入磨介直徑的大小以及所占比例與被磨物料性質(zhì)密切相關(guān)，即粗級別物料要用大尺寸磨介，細(xì)粒級物料要用小尺寸磨介，物料中有粗、細(xì)不同的粒級，采用一種尺寸磨介的磨礦效果，遠(yuǎn)不如有大、小幾種磨介的效果好。此次試驗(yàn)主要考察磨礦介質(zhì)的配比（簡稱介配比）對硅微粉質(zhì)量指標(biāo)的影響，磨礦介質(zhì)為鋯鋁球，硬度大，耐磨性強(qiáng)。磨礦時間為2h，礦介比為1∶5，磨礦濃度為50%，介配比與硅微粉指標(biāo)的關(guān)系曲線見圖4。

由圖4可以看出，磨礦介質(zhì)的配比（介配比）對硅微粉的指標(biāo)有一定影響。當(dāng)介配比為2∶5∶3及3∶5∶2時，硅微粉粒度和白度指標(biāo)相對較好，兩者磨礦產(chǎn)品中－41.8μm粒級的累積產(chǎn)率相差不大，結(jié)合白度指標(biāo)來考慮，介配比2∶5∶3比3∶5∶2高出0.3%。這可能是由于大球加入量過多，雖然增加了沖擊破碎能力，但由于磨礦介質(zhì)總表面積減少使研磨破碎力降低，從而使磨礦效率降低，導(dǎo)致硅微粉產(chǎn)品粒度和白度指標(biāo)下降［3］。

2.1.4 磨礦濃度影響

此次試驗(yàn)主要考察磨礦濃度對硅微粉質(zhì)量指標(biāo)的影響，磨礦介質(zhì)為鋯鋁球，磨礦時間為2h，礦介比為1∶5。磨礦濃度對硅微粉指標(biāo)的影響結(jié)果見表2。

球磨機(jī)磨礦濃度的大小，通過影響磨介與被磨的礦石之間的磨削力和沖擊力，影響著磨介在筒體內(nèi)的分布密度以及礦漿的流動性，進(jìn)而影響磨礦產(chǎn)品粒度和白度指標(biāo)。由表2可以看出，當(dāng)磨礦濃度為50%時，粒度和白度指標(biāo)相對較好?？赡苁且?yàn)楫?dāng)給水量較少時，即礦漿的濃度較大，它的粘性就越大，礦石在磨機(jī)內(nèi)的流動性減小，礦石在磨礦機(jī)的停留時間增長，礦石將被磨得更細(xì)；當(dāng)?shù)V漿濃度較小時，礦漿粘度和比重小，礦粒在磨機(jī)內(nèi)流動速度大，磨介沖擊的機(jī)會也減少，同時因礦漿稀，不易夾帶粗礦粒使其得到充分撞擊，從而使磨礦效率降低［4］。

表2 磨礦濃度對硅微粉指標(biāo)的影響結(jié)果

2.2 “過濾－清洗”試驗(yàn)

硅微粉因其具有耐高溫和抗輻射性能，被作為一種中性無機(jī)填料廣泛應(yīng)用于各種電子及高科技產(chǎn)品等行業(yè)，其純度是影響產(chǎn)品質(zhì)量高低和器件性能的重要因素，其中游離的Na＋、K＋等離子是高純硅微粉中常見的雜質(zhì)，若其含量過高，將會影響產(chǎn)品的性能［5］。試驗(yàn)采用去離子水對硅微粉進(jìn)行“清洗－過濾”工藝流程處理，最終測定水萃取液的電導(dǎo)率來表征硅微粉產(chǎn)品中游離雜質(zhì)離子的含量。水溶液中的帶電離子的多少與溶液電導(dǎo)率成正比，由于硅微粉雜質(zhì)的成份大都是可溶性的，其水萃液中離子濃度越高電導(dǎo)率越大，說明硅微粉的純度越低。為去除硅微粉水萃取液中游離的離子，有效降低其電導(dǎo)率，試驗(yàn)中采用1.8L（即礦液比為1∶8）的去離子水（電阻率18MΩ·cm）對濕法磨礦后的硅微粉產(chǎn)品進(jìn)行“清洗－過濾”試驗(yàn)，試驗(yàn)流程見圖5，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 “過濾－清洗”試驗(yàn)條件及結(jié)果

由表3可以看出，采用“清洗—過濾”流程處理后，水萃取液最終的電導(dǎo)率指標(biāo)為16.3μs·cm－1，與未經(jīng)去離子水清洗的硅微粉產(chǎn)品相比較，降低了30.2μs/cm，白度為90.7，硅微粉各項(xiàng)理化指標(biāo)均滿足電工級硅微粉的質(zhì)量要求。

3 結(jié) 論

a.為了綜合利用礦產(chǎn)資源，變廢為寶，利用石英尾砂（分級細(xì)砂）制備各種不同用途的超細(xì)硅微粉，既為石英尾砂的綜合利用指明了方向，又解決了石英產(chǎn)品的深加工問題，推廣價值大，工業(yè)化前景廣闊。

b.通過濕法磨礦條件的探索，可以看出，當(dāng)磨礦時間為2h，礦介比為1∶5，介配比為2∶5∶3，磨礦濃度為50%時，硅微粉產(chǎn)品的累積粒度φ≤41.8μm為96.39%，白度為90.5，滿足電工級硅微粉對粒度和白度指標(biāo)的質(zhì)量要求。

c.試驗(yàn)中采用去離子水對硅微粉進(jìn)行“清洗－過濾”工藝流程處理，最終測定水萃取液的電導(dǎo)率來表征硅微粉產(chǎn)品的游離雜質(zhì)離子的含量，當(dāng)去離子水用量為1.8L時，最終硅微粉的電導(dǎo)率指標(biāo)為16.3μs/cm，－41.8μm含量的累積產(chǎn)率為96.45%，白度為90.7，滿足電工級硅微粉的指標(biāo)要求。

［1］ SJ/T 10675—2002.電子及電器工業(yè)用硅微粉［S］.中華人民共和國電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所發(fā)行.

［2］ 楊華明，譚定橋，陳德良，等.活性粉石英的制備及應(yīng)用［J］.非金屬礦，2002，25（5）：33－34.

［3］ 馬少健，陳建新.球磨機(jī)適宜磨礦介質(zhì)配比的研究［J］.金屬礦山，2000（11）：27－31.

［4］ 萬小金.球磨機(jī)合理裝球計算方法［J］.金屬礦山，2001（11）：23－26.

［5］ 吳永康，劉興利，馬 晨，等.高純硅微粉水萃取液電導(dǎo)率的測定［J］.西南名族學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，29（6）：25－26.