СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КВАРЦА ПРИРОДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Российский патент 2015 года по МПК C01B33/12 

Область применения:

Изобретение относится к способам обогащения и очистки кварцевого сырья природных месторождений, используемого для производства особо чистого прозрачного кварцевого стекла, применяемого в производстве полупроводниковых материалов, электронике, светотехнике, средств волоконно-оптической связи и других областях промышленности [С01В 33/12].

Уровень техники:

Высокочистое кварцевое стекло находит все более широкое применение в наиболее перспективных отраслях современной промышленности - электронике, оптике, светотехнике, получение полупроводниковых материалов, оптоволоконных элементов линий связи.

Вместе с тем сырьевая база производства такого стекла весьма ограничена: месторождений высокочистого природного кварца в мире мало, они истощаются по запасам, а технические требования промышленности к качеству кварцевого концентрата для стекла повышаются как по содержанию основного вещества SiO₂, так и по количеству отдельных химических элементов, минеральных и техногенных включений.

В связи с изложенным, актуальной задачей является использование разновидностей менее качественных месторождений жильного, молочно-белого кварца с содержанием основного вещества SiO₂ в пределах 90-97% вес и разработки эффективных технологий обогащения и очистки концентрата из них до современного требуемого уровня.

В природных разновидностях месторождений кварца основное количество загрязняющих элементов находится в виде минералов, образующихся на границах контакта микрокристаллов монокристаллического кварца или между ними (жильный, молочно-белый кварц). Часть минералов может находиться внутри монокристаллических образований в виде микрокристаллов (горный хрусталь, крупнокристаллический кварц).

При образовании химических связей с кремнеземом примеси находятся внутри всего объема монокристаллического кварца. В данном случае изменяются физические свойства кристалла: цвет частиц, удельный вес, магнитные свойства, поглощение излучения. Основные требования к концентрату кварца, используемого в технологических процессах получения изделий из кварцевого стекла различными методами включают:

- размер фракций - 0,1-0,3 мм;

- содержание основного вещества SiO₂ - 99,99-99,999% вес;

- фиксированное значение отдельных элементов (ppm): Al - 10-25; К - 2-4; Na - 2-5; Са - 10-40; Mg - 1-5; Fe - 0,2-0,5; Mn - 1-3; Ti - 1-10; Cu - 3-5;

- наличие легких и тяжелых фракций минералов и техногенных примесей: не более 6-15 гр/т;

- светопропускание концентрата - 40-70%.

Работы в направлении разработки эффективных методов обогащения концентрата из низкосортных месторождений жильного и молочно-белого кварца ведутся многие годы. Известен способ обогащения кварцевого сырья [Минералургия жильного кварца, М.: Недра, 1990 (стр.243)], включающий механическое дробление и измельчение кускового природного кварца до фракции 0,1-0,4 мм, магнитную и оптическую сепарацию, трехкратную флотацию, кислотное обогащение в растворах HF и HCl. Использование неэффективного механического измельчения, многократной флотации и кислотной обработке приводит к низкому проценту выхода концентрата требуемого качества 15-25%, ухудшению условий эксплуатации оборудования в связи с использованием вредных веществ при флотации и травлении, и как следствие повышению себестоимости конечного продукта.

Другой вариант обогащения кварцевого сырья [Минералургия жильного кварца, М.: Недра, 1990 (стр.240-241)] включает механическое дробление исходного природного кварца, его двух стадийную оптическую сепарацию, термодробление с нагревом до 900°C, охлаждением в воде и измельчением до фракции <0,4 мм в шаровой мельнице, последующей магнитной сепарацией концентрата <0,4 мм, его трех ступенчатой флотацией с магнитной сепарацией между ними, и жидкофазной обработкой в плавиковой кислоте или смеси ее с соляной. Использование многоступенчатой обработки концентрата позволяет увеличить качество конечного концентрата по содержанию химических элементов, снизить количество минеральных и техногенных включений. Наряду с положительным эффектом - увеличение процента выхода до 25-35% готового продукта, имеет место увеличение его себестоимости из-за большого количества промежуточных операций. Остаются также проблемы утилизации вредных техногенных материалов, остатков флотационных жидкостей и кислот.

Из анализа уровня техники известны различные способы повышения качества природного кварца. Известен способ обогащения жильного кварца с целью получения кварцевого концентрата повышенной чистоты. Жильный кварц дробят, трибоэлектризуют при нагреве до 30-50°C и последовательно очищают в поле электростатического и магнитного сепараторов. Толщина потока материала при сепарации не должна превышать 30 средних размеров частиц. Реализация данного технического решения способствует удалению минеральных примесей, представленных темноцветными магнитными и слабомагнитными минералами (магнетит, турмалин, темноцветные слюды и др.) и частично силикатов (патент РФ №2042430, кл. В03С 7/00, 1995).

Недостатком предложенного способа является то, что он не эффективен для извлечения сростков полевого шпата и мусковита, минеральных образований микронных размеров, пленочных и газово-жидких включений, а также структурных примесей. Способ не обеспечивает получение кварца с чистотой менее 100 ppm.

Известен способ очистки кварца, заключающийся в том, что кварц фракционируют при соотношении зерен Dmax/Dmin=2,8…6,0, проводят термообработку при температуре 1650…1700°C в течение 0,5-1,0 часа с последующим охлаждением и измельчением полученного в виде α-кристобалита материала до заданной крупности. Затем осуществляют дополнительную его термообработку до температуры фазового перехода в β-кристобалит, после чего производят химическую обработку этого материала, промывку и сушку. Для кварца с суммарным содержанием элементов-примесей более 51 ppm цикл дополнительной термообработки с последующей химической обработкой, промывкой и сушкой повторяют до получения величины суммарного содержания примесей в обогащаемом материале, равной величине этого показателя в предыдущем цикле. Для химической обработки используют смеси неорганических кислот, состав и соотношение которых определяют в зависимости от состава примесей в исходном кварцевом сырье (патент РФ №2220117, кл. С03С 1/02, 2003).

Недостаток способа заключается в том, что при высокотемпературной термообработке часть примесей может войти в структуру, повышается склонность термообработанного кварца к сорбции, поэтому эта операция весьма специфична и использование ее на начальных стадиях чревато загрязнением кварца дополнительно сорбированными примесями. Кроме того, процесс является энергоемким и длительным по времени, следовательно, технологически и экономически не оптимальным. Необходимость корректировки процесса очистки в зависимости от количества и состава примесей в кварце на каждом этапе усложняет ведение технологического процесса. Использование в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца резко снижает процент выхода в готовую продукцию и как следствие увеличение ее себестоимости. К недостаткам технологии следует отнести наличие вредных веществ, кислот, требуется создание технологии и оборудования для их нейтрализации и улавливания.

Известен способ получения кварцевой крупки, включающий подготовку кварцевого сырья, в качестве которого используют отходы и брак производства гидротермальным методом искусственного кристаллического кварца из жильного кварца. Способ предусматривает предварительную сортировку с выбором для дальнейшей очистки кусков без выраженных включений газово-жидких включений (ГЖВ) и др. примесей, отмывку, дробление, осуществляемое в три стадии (последняя - с контрольной классификацией по размеру 40 и 10 мм). Фракция менее 10 мм в обогащении не участвует. Термообработку фракции 10-40 мм осуществляют при 1000-1100°C с последующим охлаждением водой, трехстадиальным измельчением и пневмоклассификацией, в результате получают фракцию размером 0,28-0,1 мм, которую подвергают магнитной сепарации. Затем крупку обрабатывают в смеси кислот (25-30% HCl и 9-11% HF) в течение 40-45 минут. Далее осуществляют промывку и сушку кварцевой крупки в печи при температуре 300°C, а затем проводят операцию высокотемпературного хлорирования при температуре 1000-1200°C в течение 25-30 мин с последующим охлаждением, промывкой и сушкой. Схема позволяет получать крупку с содержанием примесей не более 15 ppm (патент РФ №2337072, кл. С03С 1/02, 2008).

Использование в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца резко снижает процент выхода в готовую продукцию и как следствие увеличение ее себестоимости. К недостаткам технологии следует отнести наличие вредных веществ, кислот, требуется создание технологии и оборудования для их нейтрализации и улавливания.

Данный способ, обеспечивающий получение кварцевой крупки с суммарным содержанием примесей не более 15 ppm, основан на использовании не природного кварца, а отходов производства синтетического кварца, полученного из уже очищенного природного жильного кварца. Кроме того, из отходов дополнительно отсортированы куски без выраженных включений ГЖВ и других примесей, а для очистки используется двойная термообработка при температуре выше 1000°C с хлорированием во второй, и дважды крупку подвергают сушке, что существенно удлиняет процесс и удорожает технологию за счет высокой энергоемкости процесса.

Использование в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца резко снижает процент выхода в готовую продукцию и как следствие увеличение ее себестоимости. К недостаткам технологии следует отнести наличие вредных веществ, кислот, требуется создание технологии и оборудования для их нейтрализации и улавливания.

Известен способ обогащения кварцевого сырья, по которому исходное сырье предварительно дробят и проводят декрипитацию с последующим термодроблением в жидкой среде. Затем осуществляют окончательное механическое дробление с последующим измельчением, магнитную сепарацию и флотацию. Камерный продукт флотации подвергают ультразвуковой обработке, фильтрации, сушке и прокаливают при температуре 550-700°C с последующей обработкой смесью соляной и плавиковой кислот при температуре не выше 20°C. Флотацию и ультразвуковую обработку камерного продукта флотации осуществляют в пульпе с pH 3,0-4,0. Приготовление пульпы к флотации осуществляют с использованием минеральной кислоты, например серной, а измельчение исходного кварцевого сырья осуществляют до крупности не более 0,4 мм. Данное изобретение позволяет расширить сырьевую базу для получения чистого диоксида кремния (патент РФ №2353578, кл. С01В 33/12, 2009).

Использование в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца резко снижает процент выхода в готовую продукцию и как следствие увеличение ее себестоимости. К недостаткам технологии следует отнести наличие вредных веществ, кислот, требуется создание технологии и оборудования для их нейтрализации и улавливания.

Недостатком способа является высокая насыщенность технологической схемы очистки различными тремя высокотемпературными переделами. Декрипитация при температуре 850-950°C в начале процесса вызывает переход кварца в кристаболит, в результате чего часть примесей может войти в структуру кварца и вызвать загрязнение минералов структурными примесями, трудноудалимыми в последующих операциях очистки. Предварительное разупрочнение кварца (декрипитация) снижает расходы на дробление и измельчение, но не позволяет эти операции исключить из процесса. Использование в способе операции флотации, имеющей своей целью извлечение минеральных примесей, является малоэффективной (на уровне 15-20%). Связано это с тем, что размер предназначенных для извлечения примесей минералов, как правило, составляет менее 0,08-0,1 мм (так называемой флотационной крупности). Известно, что pH 3,0-4,0 не является оптимальным для флотации алюмосиликатов, таких как плагиоклазы, микроклин, ортоклаз, слюды. Указанные примеси при таком реагентном режиме не обладают максимальными гидрофобными свойствами и слабо флотируются, а следовательно, остаются в концентрате, снижая эффективность очистки. Оттирка (скрабирование) пульпы при pH 3,0-4,0, создаваемом серной кислотой, и использование в качестве энергетического воздействия ультразвука позволяет снимать только пленочные примеси гидрооксидов железа, карбонатов, адгезированные частицы и сорбированные реагенты, а в указанном способе примеси, в основном пленочные. Кроме того, ультразвуковая активация малоэффективна для удаления нановключений слюд, рутила, полевых шпатов и др. минералов в кварце. Прокалка, проводимая при температуре 500-700°C, способствует лишь частичной декрипитации газово-жидких включений, т.к. до 900°C вскрываются преимущественно ГЖВ с размером >0,02 мм, количественно составляющие единицы процентов от всей суммы их в кварце, а большинство ГЖВ размером менее 0,005 мм не вскрываются вплоть до температуры 1400-1550°C и остаются в кварце, снижая его чистоту. Таким образом, данный способ ориентирован на очистку кварца с невысоким (не более 175×10^-4%) содержанием примесей, преимущественно представленных примесными пленками на зернах кварца и неэффективен для обогащения сильно загрязненного природного кварца с высоким содержанием минеральных примесей, ГЖВ и нановключений. Введение нагретого до температуры 700°C камерного продукта флотации, без его охлаждения, в смесь соляной и плавиковой кислот приводит к сильному разогреву кислотной смеси, вызывая ее возгонку и, как следствие, экологическое загрязнение окружающей среды и химическую коррозию оборудования. К недостаткам данной операции относится и то, что при высокотемпературном травлении в кислотах увеличиваются потери кварца за счет его растворения, что в целом, делает технологический процесс сложным, энергозатратным, экологически вредным и малоэффективным для обогащения природного кварца с высоким содержанием минеральных примесей и газово-жидких включений. Кроме того, процесс длительный по времени.

Использование в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца резко снижает процент выхода в готовую продукцию и как следствие увеличение ее себестоимости. К недостаткам технологии следует отнести наличие вредных веществ, кислот, требуется создание технологии и оборудования для их нейтрализации и улавливания.

Наиболее близким по качеству получаемого продукта к предлагаемому, является техническое решение на способ обогащения природного кварцевого сырья (патент на изобретение РФ №2483024), включающий дробление, измельчение, магнитную сепарацию, скрабирование, энергетическое воздействие на кварцевую крупку и кислотную обработку, отличающийся тем, что энергетическое воздействие осуществляют СВЧ-полями в 2 стадии, между которыми проводят двухступенчатую магнитную сепарацию при толщине слоя сепарируемого материала 3-5 средних размеров частиц кварцевой крупки, при этом энергетическое воздействие осуществляют на первой стадии СВЧ-полями мощностью 240-360 Вт в течение 1-2 мин, на второй стадии мощностью 540-900 Вт в течение 3-5 мин, первую ступень магнитной сепарации осуществляют в электромагнитном поле напряженностью 460-960 кА/м, а на второй ступени в изодинамическом поле, напряженностью 1020-1450 кА/м, затем немагнитную очищенную фракцию подвергают гашению и скрабированию с последующей отмывкой в жидкой среде, а кислотную обработку осуществляют в 20-30% растворе плавиковой кислоты в течение 50-60 мин, после чего конечный продукт отмывают и сушат в вакууме.

Качество концентрата позволяет использовать его основными мировыми фирмами производителями кварцевого стекла, объем реализации 90% от мирового потребления. Однако требуемое качество, процент выхода в целевую продукцию, получается только при использовании уникальных монокристаллов кварца.

Использование в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца резко снижает процент выхода в готовую продукцию и как следствие увеличение ее себестоимости. К недостаткам технологии следует отнести наличие вредных веществ, кислот, требуется создание технологии и оборудования для их нейтрализации и улавливания.

Технический результат изобретения - получение и обогащение концентрата природных месторождений кварца до фракции 0,1-0,3 мм из исходных кусков 10-60 мм, с обогащением материала по содержанию основного вещества SiO₂>90% (10-60 мм) до 99,99-99,995% вес (0,1-0,3 мм) и удалением минеральных включений в концентрате до 1-5 ед/кг при обеспечении условий:

- возможности использования в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца

- отсутствие в процессе получения концентрата выбросов вредных веществ, кислот, потребности в технологиях и оборудовании для их нейтрализации и улавливания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ обогащения кристаллического кварца природных месторождений, включающий измельчение, сушку, магнитную сепарацию, отличающийся тем, что проводят электроимпульсное измельчение исходного кварца 10-60 мм в деионизованной воде до крупности менее 3 мм с удалением из зоны дробления минеральных включений, причем измельченный продукт рассеивают на сите на узкие классы с коэффициентом разделения частиц 1,2-2, затем кварц сушат и подвергают целевую фракцию оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора, исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке; при необходимости оптическую сепарацию повторяют несколько раз для получения целевой фракции без видимых посторонних включений.

Узкое рассеивание осуществляют на группы: 0,3-0,5 мм, 0,5-0,7 мм, 0,7-1 мм, 1-1,5 мм, 1,5-2 мм, 2-3 мм.

Целевую фракцию 0,1-0,3 мм подвергают гравитационной очистке.

Целевую фракцию 0,1-0,3 мм подвергают магнитной сепарации в однослойном распределении концентрата кварца с использованием предварительного намагничивания шихты SiO₂ путем прохождения рассеиваемого материала через элементы постоянных магнитов, установленных между ситом вибродозатора и лентой магнитного сепаратора, а также последующего намагничивания переменным магнитным полупериодным полем с частотой 50 Гц, устройством расположенным под транспортной лентой в зоне прямого движения, причем снятие статистического заряда с ленты транспортера осуществляют с помощью озонатора воздуха и механического отделения частиц кварцевого концентрата вакуумным транспортированием под разряжением 100-250 мм вод. ст.

Термооптическое сепарирование осуществляют нагревом удаляемых частиц излучением 0,2-4,0 мкм, до температуры нагрева удаляемых частиц 120-150°C, и последующего разделения целевой фракции кварца при изменении направления движения ленты через цилиндрический вал на обратное.

Термооптическую сепарацию проводят до трех последовательных циклов.

В зависимости от степени чистоты исходного материала электроимпульсное измельчение осуществляется в три стадии (90-95% SiO₂), в две стадии (95-97% SiO₂), в одну стадию (>97% SiO₂). При выполнении вышеуказанных операций и их последовательности обеспечивается повышение исходного содержания вещества в кварце от >90% вес до 99,99-99,995% вес, допустимые фиксированные значения отдельных элементов, минеральных включений, легких и тяжелых фракций минералов и техногенных примесей, светопропускание концентрата в пределах, указанных в требованиях к конечному продукту.

Данный способ включает только физические методы обогащения, дополнительные химические вещества не применяются, что значительно повышает качество условий эксплуатации оборудования, не требует участка нейтрализации и, как следствие, снижает себестоимость продукции при общем выходе в целевой продукт 50-65%.

Осуществление изобретения.

Заявленный способ обогащения кварца включает электроимпульсное измельчение кускового кварца, сушку, оптическую, гравитационную, магнитную и термооптическую сепарацию. Способ может быть реализован, например, с использованием технологической схемы, где показано использование трех последовательных циклов оптической сепарации, приведенной на Фиг. 1, где 1 - аппарат электроимпульсного измельчения, 2 - фракционный рассев (механические сита), 3 - гравитационная сепарация, 4 - сушка, 5 - оптическая сепарация, 6 - воздушно-струйный помол, 7 - магнитная сепарация, 8 - термооптическая сепарация, 9 - готовый продукт.

Электроимпульсное измельчение кварца можно производить в электроимпульсной дробилке (1) в физических условиях, когда электрическая прочность куска кварца становится ниже прочности внешней среды (вода с высоким омическим сопротивлением), выполняющей роль агента, способствующего электрическому пробою в твердом теле, а также удаления из зоны измельчения готового продукта.

Электроимпульсное измельчение кварца осуществляется каналом разряда, образующегося в результате электрического пробоя кусков по имеющимся минеральным включениям, расположенным по границам монокристаллов кварца (жильный, молочно-белый кварц).

В случае крупнокристаллического кварца и горного хрусталя пробой возникает по внутренним минералам и дефектам структуры кварца, а также областям с высоким содержанием химически связанных загрязняющих элементов.

Во всех приведенных случаях инородные минеральные включения оказываются на вскрытой поверхности и при последующих разрядах в большей степени переизмельчаются до фракции менее 1 мм (0,1 мм) и удаляются с потоком выходящей пульпы при разделении на ситах на кварц более 3 мм, и грязную воду с фракцией <1 мм (0,1 мм), подвергающуюся фильтрации (отделение примесных частиц) и последующей мембранной очистки до сопротивления 16 МОм и возврату в начало процесса. Частицы кварца <1 мм рассеиваются на фракции 0,3-0,4; 0,4-0,6; 0,6-1,0 мм, проходят оптическую сепарацию и поступают на последующее измельчение до 0,1-0,3 мм.

Процесс электроимпульсного получения концентрата протекает постадийно. Количество стадий зависит от процента содержания основного вещества в исходном кварце: 90-95% - три стадии; 95-97% - две стадии; 97,0% - одна стадия.

Производительность процесса определяется степенью падения сопротивления воды (пульпы) на выходе из аппарата от 10 МОм (исходное сопротивление воды) до 50 кОм (сопротивление пульпы, определяется датчиком) и автоматически изменяется количество исходного материала, проступающего на измельчение.

В случае резкого снижения сопротивления пульпы до 1-10 кОм, электроимпульсный процесс переходит в электрогидравлический, что значительно снижает эффективность измельчения и очистки получаемого продукта.

Постадийное измельчение фракции 10-60 мм до 0,1-0,3 мм осуществляется в режиме, представленном в таблице 1: п. I, II в зависимости от исходного содержания SiO₂ в кусковом кварце (10-60 мм). (Повышение содержания SiO₂ от 90% до 97% вес). Измельченные фракции 0,3-3 мм подвергается сушке до 1% влажности и оптической сепарации, что позволяет увеличить процент содержания основного вещества от 90-97% до 99,99% вес.

Таблица 1 - Параметры работы электроимпульсного измельчителя, сопротивление воды 15 МОм № стадии измельчения Содержание SiO2 в исход. материале, % Ток разряда, кА Частота импульса, Гц Мощность, КВт Напряжение импульса, кВ Энергия импульса, Дж Длительность полуволны тока Размер фракции, мм исходный конечный I стадия 90-95 14-16 4-6 3 140-160 100-110 1 мкс 10-60 3-7; 1-3; 0,3-

                  1,0 II стадия 95-97 14-16 8-12 3 150-170 100-110 1 мкс 3-7 1-3; 0,3-1,0 III стадия >97 28-32 18-22 5 450-500 110-120 50 нс 1-3 0,1-0,3

Оптической сепарации (5) подвергается материал с коэффициентом разделения (отношение максимального размера частицы к минимальной) 1,2-1,65 (фракция 0,3-1,0 мм), 1,3-1,5 (фракция 1-3 мм).

Отличительные признаки магнитной сепарации (7):

- использование объемного предварительного однослойного (малослойного) рассева крупки на транспортную ленту магнитного сепаратора;

- использование предварительного намагничивания шихты путем прохождения рассеиваемого материала через элементы постоянных магнитов индукцией 1,0-1,2 Тл, устанавливаемых между ситом вибродозатора и лентой магнитного сепаратора (пластинчатый картридж из магнитного материала, частичное улавливание частиц, предварительное намагничивание);

- использование предварительного намагничивания слабомагнитных минералов переменным магнитным полем полупериодного варианта с частотой 50 Гц. Элемент намагничивания расположен под транспортной лентой в зоне прямого движения (верхняя часть непрерывной ленты);

- использование снятия статического заряда с ленты транспортера после сепарации с помощью ионизатора воздуха и механического отделения их с вакуумным транспортированием.

Отличительные признаки термооптической сепарации (8).

Основой для разработки явились патенты по лазерной сепарации кварцевой шихты, основанные на сканировании поверхности материала монохромным пучком лазера (10,2 µ; 4,5 µ,), селективным повышенным поглощением минералами излучения, их плавления и агрегации с частицами кварцевого концентрата, охлаждение агрегатов и их последующего разделения при механическом рассеве.

Разработанный вариант отличающийся тем, что в качестве излучателя используется источник света (ксеноновая кварцевая лампа) с длиной волны от 0,2 до 4,0 µ. В зависимости от химического состава загрязняющих минералов и их концентрации поглощаются различные длины волн указанного диапазона, что приводит к их перегреву на 120-150°C в сравнении с пропускающим излучения чистого кварца (30-50°C). Нагретые частицы минералов находятся на полимерной ленте, прозрачной для используемого диапазона излучений. Происходит локальный нагрев полимера теплопроводностью от разогретой частицы и ее фиксация при охлаждении. При изменении движения направления транспортной полимерной ленты через цилиндрический вал на обратное происходит сепарация - целевой материал ссыпается в емкость, а минеральные частицы, оставшиеся на подложке, удаляются с поверхности механическим путем. В данном процессе происходит удаление как оставшихся после оптической, магнитной и гравитационной очистке минералов фракцией 0,1-0,3 мм, техногенных загрязнений (металл, органика), так и частиц с загрязняющими структурными элементами, химически связанными с кварцем.

Результат:

- содержание SiO₂ - 99,99-99,995% вес;

- суммарное содержание минералов и техногенных включений - не более 5 ед/кг.

Технологические параметры термооптического сепарирования:

1. удельный расход электроэнергии - 4,9 кВт/кг;

2. остаточное количество минералов - не более 5 ед/кг. Содержание SiO₂ - 99,99-99,997% вес;

3. по эффективности очистки может заменить магнитную, гравитационную сепарацию, флотацию, жидкофазное травление (100% при двух-, трехкратной термооптической сепарации);

4. процент выхода в готовую продукцию - ~90% (1-2 кратная) (после всех предварительных операций), при замене (по п. 3) (2-3 кратная) - 60%;

5. температура нагрева минералов - 120-150°C (ксеноновая лампа), нагрев кварца до 30-50°C;

6. производительность - 2,75-4,6 кг/час;

7. мощность излучателя - 10 кВт;

8. исходное содержание минералов - 20-30 ед/кг;

9. скорость передвижения частиц на ленте - 0,7-0,9 м/сек;

10. количество энергии облучаемой частицы - 1,1-2,0 Вт·мин/см².

Обогащение исходного кварца в технологической линии может проходить в несколько этапов:

1. Кварц 10-60 мм с содержанием SiO₂ 90-95%.

Удаление минералов, находящихся по границам моно- и мультикристаллов кварца при электроимпульсном измельчении до 3-7; 1-3; 0,1-0,3 мм, с потоком пульпы кварца и ее разделении на сите. Масса минералов <3, <1 мм отсекается при рассеве на сите 3,1 мм. Оптическая сепарация в фиксированных фракционных составах - удаление цветных минералов и частиц кварца с равномерным распределением примесей по объему и имеющих цветность, отличную от чистого кварца. Последующее электроимпульсное измельчение фракции 1-3 мм после сепарации, удаление минералов сростков, единичных микрокристаллов, находящихся внутри кварца.

Определение химического состава концентрата кварца при данном уровне минералов химико-спектральным методом невозможно, так как попадание минералов в пробу 10 гр, используемую для раствора в кислоте, может содержать включения с возможностью 1,2·10^-3-1,2·10^-5% вес.

Однако, для качества концентрата, применяемого в производстве кварцевого стекла введен регламент по содержанию минералов, наличие которых приведет к локальному снижению физико-механических свойств изделий. Так для производства тиглей для выращивания монокристаллов Si; Ge и других элементов ограничено их количество до 5 ед/кг (~0,6·10^-5% вес).

Удаление отдельных минералов из концентрата кварца с содержанием основного вещества 99,99-99,995% вес возможно только дополнительными физико-химическими методами: магнитная, гравитационная сепарация, химическое обогащение в кислотах.

В данных технологических процессах основным методом контроля может служить только определение количества минеральных включений и как дополнительное - химико-спектральный анализ.

2. Удаление оставшихся магнитных и немагнитных частиц минералов между частицами кварца, а также техногенных примесей методом магнитной и гравитационной сепарации.

3. Удаление оставшихся частиц кварца с химически связанными элементами и техногенных примесей за счет повышенного поглощения излучения в диапазоне 0,2-4,0 мкм, их нагреву до 120-150°C и фиксации на полимерной подложке.

Комплекс вышеприведенных операций позволяет получить и провести очистку концентрата от минеральных частиц, техногенных примесей и химически связанных элементов, без использования сложных процессов флотации и химической жидкофазной обработки на уровне материала lota standart - lota 4 фирмы Unimin.

Перспективным является вариант обогащения исходного концентрата 0,1-0,3 мм от инородных включений, минералов и химически связанных элементов без предварительной магнитной и гравитационной сепарации.

При содержании SiO₂ в исходном кварце 10-60 мм 95-97% возможно две стадии электроимпульсного помола: до фракции 1-3 мм; оптическая сепарация, измельчение.

С целью повышения чистоты конечного продукта исходный кварц 10-60 мм, содержащий 95-97%, проходит трех стадийное электроимпульсное измельчение, что позволит получить целевой продукт на уровне 99,999% вес.

При получении конечного продукта с содержанием SiO₂ на уровне 99,99% вес на третьем этапе измельчения возможно использование вместо электроимпульсного измельчения воздушно-струйного, позволяющего увеличить производительность процесса.

Изобретение подтверждается следующими примерами.

Пример 1

Проводили измельчение, магнитную сепарацию, электроимпульсное измельчение исходного кварца 10-60 мм. Содержание SiO₂ - 90-95%. Электроимпульсное измельчение вели в деионизованной воде в три стадии до 3-7 мм; 1-3 мм; 0,1-0,3 мм. Затем кварц сушили и подвергали целевую фракцию оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора, исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке.

Ниже показаны технические характеристики процесса:

а) параметры процесса: напряжение разряда изменяется по градации - 120; 140; 160; 180 кВ.

Постоянные параметры:

- ток - 16 кА;

- частота разрядов - 5 Гц;

- энергия импульса - 100 Дж;

- длительность импульса разряда - 1 мкс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 2:

Таблица 2 Напряжение, кВ Содержание SiO₂, % Производительность, кг/час Процент выхода в заданную фракцию 120 97,5 185 80 140 98,2 200 83 160 98,3 210 83 180 98,5 210 81

Оптимальное значение напряжения - 140-160 кВ.

б) параметры процесса: ток разряда изменяется по градации - 12; 14; 16; 18 кА.

Постоянные параметры:

- напряжение - 150 кВ;

- частота разрядов - 5 Гц;

- энергия импульса - 100 Дж;

- длительность импульса разряда - 1 мкс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 3:

Таблица 3 Ток разряда, кВ Содержание SiO₂, % Производительность, Процент выхода в заданную

    кг/час фракцию 12 97,3 175 81 14 98,0 195 83 16 98,1 205 82 18 98,1 205 80

Оптимальное значение тока разряда - 14-16 кА.

в) параметры процесса: частота импульсов изменяется по градации - 2; 4; 6; 8 Гц.

Постоянные параметры:

- напряжение - 150 кВ;

- ток разряда - 15 кА;

- энергия импульса - 100 Дж;

- время импульса разряда - 1 мкс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 4:

Таблица 4 Частота импульса, Гц Содержание SiO₂, % Производительность, кг/час Процент выхода в заданную фракцию 2 97,0 180 80 4 98,1 203 84 6 98,2 205 83 8 98,3 210 81

Оптимальное значение частоты импульсов - 4-6 Гц.

г) параметры процесса: энергия импульса изменяется по градации - 90; 100; 110; 120 Дж.

Постоянные параметры:

- напряжение - 150 кВ;

- ток разряда - 15 кА;

- частота импульсов - 5 Гц.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 5:

Таблица 5 Энергия импульса, кВ Содержание SiO₂, % Производительность, кг/час Процент выхода в заданную фракцию 90 97,0 190 78 100 98,0 200 82

110 98,3 205 83 120 98,4 207 84

Оптимальное значение энергии импульса - 100-140 Дж.

Параметры процесса электроимпульсного измельчения фракции 10-60 мм до 3-7 мм с исходным содержанием 90-95% SiO₂ составляют:

- напряжение - 140-160 кВ;

- ток разряда - 14-16 кА;

- частота импульсов - 4-6 Гц;

- энергия импульса - 100-110 Дж;

- длительность импульса - 1 мкс.

Конечный продукт фракции 3-7 мм содержит 98,0-98,3 SiO₂, производительность - 200-205 кг/час; процент выхода в заданную фракцию - 81-83%.

Пример 2

Проводили измельчение, магнитную сепарацию, электроимпульсное измельчение исходного кварца 10-60 мм. Содержание SiO₂ - 98,0-98,3%. Электроимпульсное измельчение вели в деионизованной воде до фракции в 1-3 мм. Затем кварц сушили и подвергали целевую фракцию оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора, исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке.

Ниже показаны технические характеристики процесса:

а) параметры процесса: напряжение разряда изменяется по градации - 140; 150; 160; 170 кВ.

Постоянные параметры:

- ток - 16 кА;

- частота разрядов - 10 Гц;

- энергия импульса - 100 Дж;

- время импульса разряда - 1 мкс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 6:

Таблица 6 Напряжение, кВ Содержание SiO₂, % Производительность, кг/час Процент выхода в заданную фракцию 140 99,0 210 75

150 99,3 215 81 160 99,5 217 83 170 99,4 220 86

Оптимальное значение напряжения - 150-170 кВ.

б) параметры процесса: ток разряда изменяется по градации - 12; 14; 16; 18 кА.

Постоянные параметры:

- напряжение - 160 кВ;

- частота разрядов - 10 Гц;

- энергия импульса - 100 Дж;

- время импульса разряда - 1 мкс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 7:

Таблица 7 Ток разряда, кВ Содержание SiO₂, % Производительность, кг/час Процент выхода в заданную фракцию 12 99,0 205 80 14 99,2 215 83 16 99,3 217 84 18 99,2 219 82

Оптимальное значение тока разряда - 14-16 кА.

в) параметры процесса: частота импульсов изменяется по градации - 8; 10; 12; 14 Гц.

Постоянные параметры:

- напряжение - 160 кВ;

- ток разряда - 15 кА;

- энергия импульса - 100 Дж;

- время импульса разряда - 1 мкс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 8:

Таблица 8 Частота импульсов, Гц Содержание SiO₂, % Производительность, кг/час Процент выхода в заданную фракцию 8 99,1 185 79 10 99,3 200 82 12 99,3 210 83

14 99,4 215 80

Оптимальное значение частоты импульсов - 10-12 Гц.

г) параметры процесса: энергия импульса изменяется по градации - 90; 100; 110; 120 Дж.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 9:

Таблица 9 Энергия импульса, кВ Содержание SiO₂, % Производительность, кг/час Процент выхода в заданную фракцию 90 99,0 200 81 100 99,2 205 83 110 99,4 207 85 120 99,3 210 82

Оптимальное значение энергии импульса - 100-110 Дж.

Оптимальные параметры процесса электроимпульсного измельчения кварца фракции 3-7 мм до 1-3 мм с исходным содержанием 98,0-98,35% SiO₂ составляют:

- напряжение - 150-170 кВ;

- ток разряда - 14-16 кА;

- частота импульсов - 10-12 Гц;

- энергия импульса - 100-110 Дж;

- время импульса - 1 мкс.

Конечный продукт содержит 99,2-99,5% SiO₂, производительность - 200-215 кг/час; процент выхода в заданную фракцию - 82-85%.

Пояснения по результатам примеров 1 и 2.

Оптическая сепарация, используемая в данном патенте, позволяет разделять минералы размером 0,4-3,0 мм по их цветности в сравнении с чистым кварцем. Для эффективной очистки от минералов необходимо определить оптимальный коэффициент разделения концентрата для различных групп фракций. По полученным данным наиболее оптимальным является разделение по фракциям 0,3-0,4 мм (к=1,33); 0,4-0,6 мм (к=1,5); 0,6-1,0 мм (к=1,66); 1,0-1,5 мм (к=1,5); 1,5-2,0 мм (к=1,33); 2,0-3,0 мм (к=1,5).

Оптическая сепарация концентрата проведена с коэффициентом разделения 1,33-4,0, результаты приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Определение оптимального коэффициента разделения Исходный концентрат Конечный концентрат

фракция, мм К_р Σ SiO₂, % n_минер., ед/кг Σ SiO₂, % n_{ост.минер.}, ед/кг Производительность, кг/час % выхода % удаления минералов 0,3-0,4 1,33 99,1 960 99,93 52 185 89,0 94,5 1,0-1,5 1,5 99,2 510 99,92 35 205 92,5 93,1 1,5-3,0 2,0 99,1 375 99,91 93 210 83,2 75,0 1,0-3,0 3,0 99,3 345 99,90 165 220 91,5 57,1 0,5-2,0 4,0 99,3 457 99,89 251 200 90,3 45,1

Оптимальный коэффициент разделения 1,3-1,5.

Результаты оптической сепарации концентрата 0,6-3,0 мм с коэффициентом разделения 1,33-1,66 (в зависимости от градации размера отверстий разделяемых сит) приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Определение оптимального коэффициента разделения Исходный концентрат Конечный концентрат фракция, мм К_р Σ SiO₂, % n_минер., ед/кг Σ SiO₂, % n_{ост.минер.} ,ед/кг Производительность, кг/час % выхода % удаления минералов 0,3-0,4 1,33 99,93 980 99,991 63 190 90,5 93,5 0,4-0,6 1,5 99,91 720 99,990 53 203 92,3 92,7 0,6-1,0 1,66 99,90 560 99,992 51 207 93,5 90,8 1,0-1,5 1,5 99,91 520 99,990 37 210 91,5 92,9 1,5-2,0 1,33 99,93 430 99,992 41 215 92,7 90,5 2,0-3,0 1,5 99,92 325 99,991 25 227 91,8 92,3

По полученным данным наиболее оптимальным является разделение по фракциям 0,3-0,4 мм (к=1,33); 0,4-0,6 мм (к=1,5); 0,6-1,0 мм (к=1,66); 1,0-1,5 мм (к=1,5); 1,5-2,0 мм (к=1,33); 2,0-3,0 мм (к=1,5).

Оптическая сепарация с коэффициентом разделения 1,33-1,66 позволит при производительности 190-227 кг/час м выходе в целевой продукт 90,5-93,5% удалить 90,5-93,5% цветных минеральных включений.

Снижение цветных минералов до требуемого уровня будет осуществляться на последующих методах сепарации.

Пример 3

Проводили измельчение, магнитную сепарацию, электроимпульсное измельчение исходного кварца 1-3 мм и 0,4-1,0 мм, уже прошедшего оптическую сепарацию. Содержание SiO₂ - 99,0-99,1% и 99,989-99,991% после оптической сепарации. Электроимпульсное измельчение вели в деионизованной воде до фракции в 0,1-0,3 мм. Затем кварц сушили и подвергали целевую фракцию оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора, исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке.

Ниже показаны технические характеристики процесса:

а) параметры процесса:

- напряжение разряда - 425-500 кВ.

- ток разряда - 30 кА;

- частота разрядов - 20 Гц;

- энергия импульса - 110 Дж;

- длительность импульса разряда - 50 нс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 12:

Таблица 12 Исходный концентрат Конечный концентрат Σ SiO₂, % n_минер., ед/кг Напряжение, кВ Σ SiO₂, % Производительность, кг/час n_минер., ед/кг % выхода 99,99 45 425 99,995 215 35 78 99,989 43 450 99,994 220 34 82 99,991 44 475 99,995 223 36 83 99,99 46 500 99,996 225 37 82

Оптимальное значение напряжения - 450-500 кВ.

б) параметры процесса: ток разряда изменяется по градации - 26; 28; 30; 32 кА.

Постоянные параметры:

- напряжение - 500 кВ;

- частота разрядов - 20 Гц;

- энергия импульса - 110 Дж;

- время импульса разряда - 50 нс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 13:

Таблица 13 Исходный концентрат Конечный концентрат Σ SiO₂, % n_минер., ед/кг Ток разряда, кА Σ SiO₂, % Производительность, кг/час n_{ост.минер.}, ед/кг % выхода 99,99 43 26 99,991 210 33 77 99,98 45 28 99,994 215 36 80 99,99 40 30 99,995 215 32 81 99,98 42 32 99,997 220 33 80

Оптимальное значение тока разряда - 28-32 кА.

в) параметры процесса: частота импульсов изменяется по градации - 16; 18; 20; 22 Гц.

Постоянные параметры:

- напряжение - 500 кВ;

- ток разряда - 30 кА;

- энергия импульса - 110 Дж;

- время импульса разряда -50 нс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 14:

Таблица 14 Исходный концентрат Конечный концентрат Σ SiO₂, % n_минер., ед/кг Частота импульса, Гц Σ SiO₂, % Производительность, кг/час n_{ост.минер.}, ед/кг % выхода 99,99 46 16 99,994 190 36 79 99,99 47 18 99,995 205 37 80 99,991 45 20 99,995 215 37 82 99,989 47 22 99,995 210 39 83

Оптимальное значение частоты импульсов - 18-22 Гц.

г) параметры процесса: энергия импульса изменяется от 100 до 120 Дж.

Постоянные параметры:

- напряжение - 500 кВ;

- ток разряда - 30 кА;

- частота импульсов - 20 Гц;

- время импульса - 50 нс.

Конечные параметры процесса приведены в таблице 15:

Таблица 15 Исходный концентрат Конечный концентрат Σ SiO₂, % n_минер., ед/кг Энергия импульса, Дж Σ SiO₂, % Производительность, кг/час n_{ост.минер.}, ед/кг % выхода 99,99 45 90 99,992 195 39 81 99,98 48 100 99,992 205 36 83 99,97 47 110 99,995 210 35 82 99,99 44 120 99,995 210 33 83

Оптимальное значение энергии импульса - 110-120 Дж.

Оптимальные параметры процесса электроимпульсного измельчения фракции 0,4-3,0 мм до 0,1-0,3 мм с исходным содержанием Si02 99,99% вес составляют:

- напряжение - 450-500 кВ;

- ток разряда - 28-32 кА;

- частота импульсов - 18-22 Гц;

- энергия импульса - 110-120 Дж;

- время импульса - 50 нс.

Данные параметры позволяют получить производительность - 205-220 кг/час, процент выхода в заданную фракцию - 80-83% с содержанием основного вещества 99,992-99,995% вес, содержание минеральных включений и техногенных частиц - 33-36 ед/кг SiO₂. Однако в концентрате имеются дополнительные включения ниже порога чувствительности оптической сепарации и метода контроля, бесцветные (Аl₂O₃ и др.), удаляемые гравитационной, магнитной и термооптической сепарацией в последующих операциях.

Пример 4

Проводили измельчение, магнитную сепарацию, электроимпульсное измельчение исходного кварца 10-60 мм. Содержание SiO₂-95-97%. Электроимпульсное измельчение вели в деионизованной воде постадийно до фракции 3-7 мм; 1-3 мм; 0,1-0,3 мм. Затем кварц сушили и подвергали целевую фракцию оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора, исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке.

Ниже показаны технические характеристики процесса:

Эксперименты проведены по оптимальным режимам примеров 1, 2, 3. Полученные результаты приведены в таблицах 16, 17.

Таблица 16 Наименование I ст II ст III ст Σ SiO₂, % 98,5 99,9 99,995 Производительность, кг 205 210 212 % выхода в целевую фракцию 80 81 80

В данной серии фракция 10-60 мм измельчалась на II стадии до фракции 1-3 мм с промежуточной оптической сепарацией, далее до 0,1-0,3 мм. Результаты приведены в таблице 17.

Таблица 17 Наименование II ст III ст Σ SiO₂, % 98,0 99,990 Производительность, кг 195 215

% выхода в целевую фракцию 79 82

Сравнение полученных данных показывает, что для исходного сырья с содержанием 95-97% SiO₂ целесообразно использовать двух стадийное измельчение при конечном продукте 99,99% вес.

Пример 5

Проводили измельчение, магнитную сепарацию, электроимпульсное измельчение исходного кварца 10-60 мм. Содержание SiO₂ >97%. Электроимпульсное измельчение вели в деионизованной воде до фракции 0,1-0,3 мм. Затем кварц сушили и подвергали целевую фракцию оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора, исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке.

Ниже показаны технические характеристики процесса:

Измельчение исходного кварца проведено по оптимальным режимам примеров 1, 2, 3 с применением оптической сепарации. Полученные результаты приведены в таблицах 18-20.

Таблица 18 - Параметры III ст. помола Наименование I ст II ст III ст Σ SiO₂, % 99,9 99,95 99,997 Производительность, кг 215 210 205 % выхода в целевую фракцию 79 81 80

Таблица 19- Параметры II ст. помола Наименование II ст III ст Σ SiO₂, % 99,93 99,995 Производительность, кг 205 203 % выхода в целевую фракцию 80 81

Таблица 20 - Параметры I ст. помола Наименование I ст Σ SiO₂, % 99,991 Производительность, кг 195 % выхода в целевую фракцию 83

Полученные результаты показывают, что при использовании исходного материала с содержанием SiO₂ >97% для получения продукта с содержанием SiO₂ 99,99% целесообразно использовать одну стадию помола, с содержанием SiO₂ 99,995% - две стадии помола, с содержанием SiO₂ 99,997% - три стадии помола. Однако увеличение стадий от одной до трех повышает расход электроэнергии на измельчение в три раза.

Пример 6

Проводили измельчение, магнитную сепарацию, электроимпульсное измельчение исходного кварца 0,4-1,0 мм и 1,0-3,0 мм, полученный после двух стадий электроимпульсного измельчения и оптической сепарации. Электроимпульсное измельчение вели в деионизованной воде до фракции 0,1-0,3 мм. Затем кварц сушили и подвергали целевую фракцию оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора, исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке. Ниже показаны технические характеристики процесса:

Установка воздушно-струйного помола включает цилиндрическую камеру стремя соплами диаметром 6-9 мм, расположенными в нижней части под углом 120° относительно друг друга, устройства подачи исходного материала через верхнюю крышку камеры, системы разделения конечного продукта <0,3 мм в виде вертикальных колонн, установленных также на верхней крышке камеры. В качестве энергоносителя используется воздух при давлении 1,5-2,5 атм с расходом 300-450 м³/час, скорость исходящего воздуха из сопел 30-70 м/сек.

После частичного заполнения камеры исходным материалом на 30-40 мм выше сопел подается воздух в три встречных под углом 120° сопла. Истекающий воздух, увлекая частицы кварца, разгоняет их до скорости самоизмельчения при встречном соударении. Измельченные частицы вместе с воздухом поступают в разделительные вертикальные колонны, где происходит возврат частиц >300 мкм в зону помола, а менее 300 мкм выносятся с потоком в накопительную емкость. Оптимальная производительность по конечному продукту 90-100 кг/час.

В таблице 21-23 приведены оптимальные параметры технологического процесса. Влияние расхода воздуха в сопла на технологические параметры процесса приведено в таблице 21.

Оптимальные значения расхода воздуха 350-400 м³/час, производительность по целевой фракции 95-105 кг/час и процент выхода в заданный размер 82-85%.

Таблица 21 Диаметр сопла, мм Расстояние между соплами, мм Расход воздуха в сопла, м³/час 300 350 400 450     Производительность <300 мкм     83,9 111,7 128,1 159,1 7,5 100 Производительность 100-300 мкм     73 95 105 113     Процент заданной фракции     87 85 82 71

Влияние диаметра сопла на технологические параметры процесса приведено в таблице 22.

Таблица 22 Расход воздуха в сопла, м³/час Расстояние между соплами, мм Диаметр сопла, мм 6 7,5 8,0 9,0     Производительность <300 мкм     108 131 123 110 400 100 Производительность 100-300 мкм     80 106 97,7 84,7     Процент заданной фракции     74 81 79 77

Оптимальный диаметр сопла 7,5-8,0 мм.

Влияние расстояния между соплами на технологические параметры процесса приведено в таблице 23.

Таблица 23 Расход воздуха в сопла, м³/час Диаметр сопла, мм Расстояние между соплами, мм 80 100 110 120     Производительность <300 мкм     115 129 124,5 113,7 400 7,5 Производительность 100-300 мкм     95,4 107 101 93     Процент заданной фракции     83 82,9 81,1 81,8

Оптимальное значение расстояния между соплами 100-110 мм.

Оптимальный технологический режим воздушно-струйного помола: расход воздуха - 350-400 м³/час, диаметр сопла - 7,5-8,0 мм, расстояние между соплами - 100-1100 мм, что обеспечивает производительность по фракции 100-300 мкм - 100-107 кг/час при 81,1-82,9% выхода от общего количества измельченного материала.

Пример гравитационной сепарации.

Исходным материалом для гравитационной сепарации служит концентрат 0,1-0,3 мм после конечной стадии электроимпульсного измельчения с содержанием SiO₂ 99,99-99,995% вес и наличием цветных минералов в количестве 35-45 ед/кг SiO₂.

Используемая конструкция сепаратора имеет взаимозависимые технологические параметры, приведенные в таблице 24.

Таблица 24 Число оборотов сепарирующего цилиндра, об/мин Абсолютное значение ускорения, м/сек² Относительное значение ускорения, м/сек² Количество пульсаций, ед/мин 1000 493 50,3 2000 1500 1100 110 3000 2000 1969 201 4000 2500 3023 313 5000 3000 4436 453 6000

Независимые параметры процесса:

- амплитуда колебаний - 2,1-8, 8-20 мм;

- соотношение веса твердого материала и воды - 30:70; 50:50; 70:30.

В серии экспериментов по гравитационной очистке изменяли число оборотов сепарирующего цилиндра с получением зависимых параметров, приведенных в таблице 24. Сепарацию проводили при постоянной амплитуде колебаний - 8,8 мм и соотношении твердого материала и воды - 50:50% вес. Результаты приведены в таблице 25.

Таблица 25 Исходные параметры материала Параметры процесса Конечные параметры процесса % SiO₂ n_вкл., ед/к г n_{оборотов}, об/мин относит, ускорение кол-во импульсов, ед/мин % SiO₂ n_{выдел.вкл.}, ед/кг n_{оставш.вкл.}, ед/кг производительность, кг/час % выхода 99,991 43 1000 50 2000 99,990 35 35 80-85 88 99,994 37 1500 110 3000 99,993 45 32 80-85 90 99,992 39 2000 201 4000 99,994 52 30 80-90 91 99,993 40 2500 313 5000 99,994 66 27 80-90 92 99,992 41 3000 453 6000 99,993 77 23 80-90 91

Полученные результаты показывают, что оптимальное значение числа оборотов сепарирующего цилиндра 2500-3000 об/мин, что обеспечивает относительное ускорение 313-453 g и количество импульсов 5000-6000 ед/мин. Отмечено увеличение общего количества выделенных и оставшихся в концентрате включений от 37-43 ед/кг (исходный концентрат) до 70-101 ед/кг (сумма выделенных и оставшихся).

Оптимальным значением определено: диапазон числа оборотов - 2500-3000 об/мин, относительное ускорение - 313-453 g, количество импульсов - 5000-6000 ед/мин, что позволяет получить конечный продукт с остаточным содержанием минералов 23-27 ед/кг. Дополнительно гравитационная сепарация удаляет 66-78 ед/кг минералов ранее не извлеченных при оптической сепарации, а также техногенные включения после финишной стадии электроимпульсного измельчения до 0,1-0,3 мм.

В серии экспериментов по определению оптимальной амплитуды колебаний ее значение изменяли по градации - 2,1; 8,8; 20 мм при оптимальном значении числа оборотов равным 3000 об/мин. Результаты приведены в таблице 26.

Таблица 26 Исходные параметры материала Значение амплитуды, мм Конечные параметры процесса % SiO₂ n_вкл., ед/кг % SiO₂ n_{выдел.вкл.}, ед/кг n_{оставш.вкл.}, ед/кг производительность, кг/час % выхода 99,992 42 2,2 99,991 55 35 80 89 99,993 39 8,8 99,993 80 25 83 93 99,991 40 20 99,992 85 22 87 93

Представленные данные показывают, что оптимальное значение амплитуды 8,8-20 мм, количество выделенных и оставшихся частиц составляет 80-85 ед/кг и 22-25 ед/кг оставшихся в концентрате.

В серии экспериментов по определению оптимального соотношения твердой и жидкой фазы значение изменяли по шкале 30:70; 40:60; 50:50; 70:30 при оптимальных значениях числа оборотов цилиндра 3000 об/мини амплитуды колебаний 8,8 мм. Результаты приведены в таблице 27.

Таблица 27 Исходные параметры материала Соотношение твердой и жидкой фазы Конечные параметры процесса % SiO₂ n_вкл., ед/кг % SiO₂ n_{выдел.вкл.}, ед/кг n_{оставш.вкл.}, ед/кг производительность, кг/час % выхода 99,990 30 30:70 99,991 72 33 81 85 99,992 25 40:60 99,990 80 21 85 89 99,991 27 50:50 99,992 79 23 83 91 99,993 26 70:30 99,991 47 41 79 87

Полученные данные показывают, что оптимальные значения соотношения твердой и жидкой фазы 40:60-50:50%, при этом выделяется большее количество включений (79-80 ед/кг) с величиной оставшихся минералов в концентрате кварца 21-23 ед/кг SiO₂.

Пример магнитной сепарации.

Эксперименты по магнитной сепарации выполнены на установке с постоянным магнитом из сплава Nd-Fe-B с линейной скоростью движения транспортера до 1 м/сек. В качестве исходного концентрата использовали шихту с 99,992% SiO₂ и содержанием минеральных и техногенных включений в количестве 25 ед/кг (после гравитационной сепарации). Эксперименты проводили по очередности, представленной в таблице 25. Концентрат, полученный в предыдущем опыте, поступал в последующий.

В экспериментах использовали 1-3-слойный рассев на ленту транспортера (1, 2), промежуточный постоянный магнит, расположенный между дозатором и транспортером (2), дополнительным намагничиванием переменным полем, расположенным под транспортером, удаления сепарированных частиц с нижней части ленты транспортера с помощью разряжения и механического устройства.

Полученные результаты приведены в таблице 28.

Таблица 28 № опыта Наименование технологической операции Конечные параметры процесса % SiO₂ n_{оставш.вкл.}, ед/кг производительность, кг/час % выхода 1 Трехслойное разделение на транспортере 99,991 22 120 95 2 Однослойное разделение на транспортере 99,991 19 80 95 3 по п. 2 с применением промежуточного постоянного магнита 99,992 18 82 96 4 по п. 3 с применением подмагничивания переменным магнитным полем 99,993 16 85 96 5 по п. 4 с применением вакуум- механического удаления минералов 99,993 13 85 95

Полученные данные показывают, что наиболее эффективным по удалению магнитных включений является комплексный вариант: однослойное разделение частиц на транспортере, применение промежуточного постоянного магнита, использование последующего предварительного намагничивания в переменном поле, намагничивание на основном Nd-Fe-B цилиндре и разделение целевого концентрата и магнитных включений при изменении движения транспортера на обратное, с удалением с транспортера магнитных частиц вакуум-механическим способом.

Пример термооптической сепарации.

В процессе термооптической сепарации происходит удаление минеральных включений, технологических частиц и химически связанных с диоксидом кремния элементов (структурные примеси), за счет их поглощения излучения в диапазоне 0,2-4,0 мкм, нагреванию до температуры 120-150°C и фиксации на полимерной пленке, имеющей температуру размягчения ниже 120°C. Целевой продукт - кварц прозрачен в данном диапазоне излучения, не нагревается, не фиксируется на пленке и разделяется при ссыпании концентрата.

Исходным материалом служит концентрат после магнитной сепарации с содержанием SiO₂ - 99,991-99,993% вес и минеральных включений 15-25 ед/кг фракционного состава 0,1-0,3 мм. Цель данной сепарации - снижение исходных включений до уровня 1-5 ед/кг.

В примере использовали источник излучения - кварцевую лампу мощностью 10 кВт, расположенную сверху с отражателем, КПД излучения на длине 0,2-0,4 мм ~ 30% (световая мощность 3 кВт по сумме всех длин волн). Находящиеся включения, минералы в обогащенном концентрате поглощают данное излучение и нагреваются. Температура нагрева зависит от степени поглощения минералами и, как следствие процент содержания структурных примесей в частицах, а также времени пребывания в зоне облучения.

Ширина облучаемой зоны - 30 см, длина - 60 см, площадь - 1800 см². Удельная световая мощность ровна - W_уд=3000 Вт/1800 см=1,66 Вт/см².

Облучаемый концентрат непрерывно движется под лампой с отражателем, время нагрева зависит от скорости прохождения участка облучения (60 см).

Количество энергии, облучаемой частицы минерала равна Е=W·τ=1,66 Вт/см²·τ мин

В процессе термооптической сепарации время облучения изменяется от 0,5 до 3 мин. Результаты приведены в таблице 29.

Таблица 29 Исходные параметры материала Параметры процесса Конечные параметры процесса % SiO₂ n_вкл., ед/к г Е, (Вт·мин)/с м² V, м/мин % SiO₂ n_{ост.вкл.}, ед/кг % сепар. производительность, кг/час удельный расход эл. энергии, кВт/кг 99,991 20 1,0 1,0 99,991 14 30 5,6 1,78 99,992 23 2,0 0,5 99,993 6 74 2,75 3,6 99,995 22 3,0 0,34 99,993 2 91 1,7 5,9 99,993 20 4,0 0,26 99,992 н/о 100 1,35 7,4 99,994 25 5,0 0,20 99,994 н/о 100 1,05 9,5

Содержание минеральных включений в концентрате фирмы Unimin (lota-St) до 10 ед/кг. Полученный результат показывает, что при поглощении излучения 2 Вт·мин/см² (скорость 0,5 м/мин) количество оставшихся минералов 6 ед/кг, что соответствует уровню lota-St. Производительность процесса 2,75 кг/час, процесс сепарации - 74%, удельный расход электроэнергии 3,6 кВт/кг SiO₂.

Оптимальные значения процесса составляют: величина энергии облучения 2,0-4,0 Вт·мин/см², влияние метода облучения концентрата осредненно в серии процессов. В условиях оптимального режима термооптической сепарации (Е=2 Вт·мин/см²; V=0,5 м/мин) изменяли направление облучения и количество отражателей излучения.

При верхнем облучении источником с отражателем поток проходит частично через слой частиц кварца, затем через полимерный материал и пластину из кварцевого стекла, по которой движется полимер. Нагрев частицы излучением начинается с верхней части, затем теплопроводностью нагрев нижней части, контактирующей с полимером. При нагреве нижней части до 100-120°C происходит фиксация частицы на полимере в результате его локального размягчения. Использование нижнего отражателя позволяет вернуть часть прошедшего излучения и интенсифицировать нагрев ее нижней части.

При нижнем облучении с отражателем поток излучения проходит через пластину из кварцевого стекла, полимерную пленку и начинает разогревать низ минеральной частицы. Возникает повышение температуры до 110-120°C и фиксация к полимеру. В данном случае исключен механизм нагрева частицы теплопроводностью через нее.

Дополнительное использование верхнего экрана, расположенного в данном случае над концентратом позволяет возвратить часть прошедшего излучения и повысить общую температуру минеральной частицы.

Результаты сепарации при использовании вышеприведенных методов приведены в таблице 30. Полученные результаты подтвердили эффективность облучения концентрата снизу полимерного транспортера, расположенного на пластине из кварцевого стекла. При использовании двух экранов, производительность по целевому продукту увеличивается от 2,75 кг/час до 4,6 кг/час при допустимых 79% сепарации, уменьшении удельных затрат электроэнергии с 3,6 до 2,2 кВт/кг SiO₂. Оптимальными параметрами процесса для различных вариантов поглощения энергии облучения является Е=1,0-2,0 Вт·мин/см².

Проведены эксперименты по оптической сепарации концентрата с повышенным содержанием минералов по режиму: Е=1,1 Вт·мин/см²; нижнее облучение с двумя экранами; скорость передвижения - 0,9 м/мин; содержание частиц минералов - 110; 458; 957 ед/кг. Количество процессов термооптической сепарации - 3. Результаты приведены в таблице 31.

Полученные данные показывают высокую эффективность очистки концентрата 0,1-0,3 мм с содержанием минералов от 110 до 957 ед/кг, что заменит сложные процессы гравитационной, магнитной сепарации, а также жидкофазного травления в кислотах.

Заявленный технологический комплекс позволяет высокоэффективно удалить минералы из месторождений жильного и молочно-белого кварца, получить концентрат на уровне lota-St (Unimin) как по химическому составу, так и по количеству минеральных и техногенных включений.

Влияние электроимпульсного измельчения на светосодержание конечного концентрата 0,1-0,3 мм в зависимости от качества исходного сырья по газово-жидким включениям и метода измельчения приведен в результатах экспериментов, показанных в таблице 32.

В процессе экспериментов измельчали различные месторождения молочно-белого кварца, гранулированного и горного хрусталя механическим методом, струйным помолом, термодроблением при 850-900°C, и электроимпульсным измельчением в оптимальном режиме по предложенному методу. Полученные результаты приведены в таблице 32.

Таблица 32 Наименование месторождения кварца Процент пропускания шихты 0,1-0,3 мм Механическое измельчение Струйный помол Термодробление Электроимпульсное измельчение I ст II ст III ст Молочно-белый 20 22-25 27-30 28-32 40-43 45-47 Гранулированный 45 47 35-40 58-60 60-63 61-65 Горный хрусталь 65 68 70 69 72 75

Разработанный технологический вариант получения концентрата кварца фракции 0,1-0,3 мм с использованием электроимпульсного измельчения позволит за счет воздействия плазменного разряда внутри частиц разрушать газово-жидкие включения, что приведет к повышению светопропускания конечного продукта до требуемого уровня 45-75% при производстве технического кварцевого стекла.

Изобретение касается очистки кварцевого сырья природных месторождений, используемого для производства особо чистого прозрачного кварцевого стекла, применяемого в производстве полупроводниковых материалов, электронике, светотехнике, средств волоконно-оптической связи. Способ включает измельчение кристаллического кварца, сушку, оптическую, магнитную, гравитационную и термооптическую сепарацию, проведение электроимпульсного измельчения исходного кварца 10-60 мм в деионизованной воде до крупности менее 3 мм с удалением из зоны дробления минеральных включений, измельченный продукт рассеивают на сите на узкие классы с коэффициентом разделения частиц 1,2-2, затем кварц сушат и подвергают оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке для получения целевой фракции 0,1-0,3 мм без видимых посторонних включений, при необходимости оптическую сепарацию повторяют несколько раз. Технический результат изобретения - обогащение концентрата природных месторождений кварца до фракции 0,1-0,3 мм из исходных кусков 10-60 мм с получением материала по содержанию основного вещества SiO₂>90% и удалением минеральных включений в концентрате до 1-5 ед./кг, возможность использования в качестве исходного сырья жильного и молочно-белого кварца, отсутствие в процессе получения концентрата выбросов вредных веществ, потребности для их нейтрализации и улавливания. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 32 табл., 6 пр.

1. Способ обогащения кристаллического кварца природных месторождений, включающий измельчение, сушку, оптическую, магнитную, гравитационную и термооптическую сепарацию, в котором проводят электроимпульсное измельчение исходного кварца 10-60 мм в деионизованной воде до крупности менее 3 мм с удалением из зоны дробления минеральных включений, измельченный продукт рассеивают на сите на узкие классы с коэффициентом разделения частиц 1,2-2, затем кварц сушат и подвергают оптической сепарации, в которой используют узкое рассеивание на классы в процессе работы оптического сепаратора, в котором в зависимости от крупности продукта подбирают параметры программы сепаратора исходя из условия, что частицы с близкими размерами одинаково ведут себя при свободном падении в потоке для получения целевой фракции 0,1-0,3 мм без видимых посторонних включений, при необходимости оптическую сепарацию повторяют несколько раз.

2. Способ по п. 1, в котором узкое рассеивание осуществляют на группы: 0,3-0,5 мм, 0,5-0,7 мм, 0,7-1 мм, 1-1,5 мм, 1,5-2 мм, 2-3 мм.

3. Способ по п. 1, в котором целевую фракцию 0,1-0,3 мм подвергают гравитационной сепарации.

4. Способ по п. 3, в котором целевую фракцию 0,1-0,3 мм подвергают магнитной сепарации в однослойном распределении концентрата кварца с использованием предварительного намагничивания шихты SiO₂ путем прохождения рассеиваемого материала через элементы постоянных магнитов, установленных между ситом вибродозатора и лентой магнитного сепаратора, а также последующего намагничивания переменным магнитным полупериодным полем с частотой 50 Гц устройством, расположенным под транспортной лентой в зоне прямого движения, причем снятие статистического заряда с ленты транспортера осуществляют с помощью озонатора воздуха и механического отделения частиц кварцевого концентрата вакуумным транспортированием под разрежением 100-250 мм вод. ст.

5. Способ по п. 1, в котором термооптическую сепарацию осуществляют нагревом излучением 0,2-4,0 мкм до температуры 120-150°С и последующим отделением целевой фракции кварца, находящейся на движущейся полимерной ленте, путем изменения направления ее движения через цилиндрический вал на обратное.

6. Способ по п. 5, в котором термооптическую сепарацию проводят до трех последовательных циклов.

7. Способ по п. 1, в котором электроимпульсное измельчение осуществляют в одну, две или три стадии.