濕法磨礦制備電工級硅微粉試驗研究

2013-04-15 03:50:04李佩悅謝恩俊

建材世界 2013年2期

李佩悅，謝恩俊

（蚌埠玻璃工業設計研究院，蚌埠 233018）

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

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

1 試驗方法

1.1 試驗原料及性質

試驗用原料取自某地石英巖礦經選礦提純深度處理后的分級細砂，分級細砂粒度組成為：0.2～0.125mm＝31.33%，0.125～0.074mm＝39.34%，－0.074mm＝29.33%。分級細砂的化學成份含量（質量分數）：SiO299.55%，Al2O30.033%，Fe2O30.004 7%，CaO 0.036%，L.O.I 0.26，分級細砂的白度指標為：85.4。

1.2 試驗指標

結合樣品性質及《中華人民共和國電子行業標準SJ/T 10675—2002電子及電器工業用二氧化硅微粉》［1］中電工級硅微粉規格的要求，制定以下質量控制標準：

1）化學成分：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：90.0；

4）水萃取液電導率（μs·cm－1）≤20。經深度提純分級細砂原料的化學指標已經滿足硅微粉的質量要求，此次試驗的目的主要是通過磨礦及清洗工藝，最終使硅微粉的粒度、白度及電導率指標滿足電工級硅微粉的質量要求。

1.3 試驗設備及儀器

1）試驗設備：XMCQ 180×200瓷襯球磨機，武漢探礦機械廠；XTLZ－φ260/φ200多用真空過濾機，武漢探礦機械廠。

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電導率儀，梅特勒－托利多。

1.4 試驗方法

將分級細砂作為入磨物料進行硅微粉濕法磨礦作業，以電工級硅微粉的粒度和白度指標為判定依據，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，有效降低電導率，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率的指標要求。

2 試驗結果與討論

2.1 磨礦試驗

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

2.1.1 磨礦時間影響

將分級細砂加入球磨機中，磨礦介質加入量為1.5kg，其中大球∶中球∶小球＝2∶5∶3（質量比），磨礦濃度為50%。此次試驗主要考察磨礦時間對硅微粉質量指標的影響。根據激光粒度檢測儀讀數的實際情況，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結果見圖2，磨礦時間對磨礦效果的影響條件及結果見表1。

表1 磨礦時間對磨礦效果的影響條件及結果

由圖2及表1可以看出，在一定范圍內，隨著磨礦時間的增加，細粒級含量在不斷增加，產品中－41.8μm粒級的累積產率在不斷增大，白度增加明顯。當磨礦時間延長至2h后，白度增加緩慢，究其原因，主要是因為隨著磨礦時間的增加，微粒直徑在不斷減少，微粒之間的間距在變小，光源在物質表面的漫反射現象就少，即光反射率大，光子損失量小，即光反射率大，則物質白度越高。隨著磨礦時間的進一步延長，磨礦效率相對降低，磨礦細度增加相對緩慢，白度指標增加趨勢不明顯。綜合考慮耗能、粒度及白度指標，選擇磨礦時間為2h，此時磨礦產品的白度為90.5，－41.8μm累積含量為96.39%。

2.1.2 礦介比影響

此次試驗主要考察礦介比對硅微粉質量指標的影響（礦介比是指礦石加入量與磨礦介質總量的比例），磨礦時間為2h，介配比為2∶5∶3。介質是礦石磨礦過程中的能量載體和施力體，它通過磨機內磨礦介質總能量、單個磨礦介質的能量和磨礦介質的比表面積等方面的變化對磨機的生產能力、磨礦效率和產物粒度產生顯著影響［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，隨著礦介比的增大（即磨礦介質添加量在不斷增大），磨礦產品中－41.8μm粒級的累積產率不斷增大，白度也隨之提高，主要原因是隨著磨礦介質質量的增加，礦物與介質之間的接觸面積在增加，磨礦介質碰撞活性能量增加，磨礦效率隨之提高。當礦介比增加到1∶5后，－41.8μm粒級的累積產率增加緩慢，白度指標增加相對緩慢，此時磨礦產品的白度為90.5，－41.8μm累積含量為96.39%。

2.1.3 介配比影響

該文中磨礦介質的配比是按照介質的直徑的不同來計算其占球荷總質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密切相關，即粗級別物料要用大尺寸磨介，細粒級物料要用小尺寸磨介，物料中有粗、細不同的粒級，采用一種尺寸磨介的磨礦效果，遠不如有大、小幾種磨介的效果好。此次試驗主要考察磨礦介質的配比（簡稱介配比）對硅微粉質量指標的影響，磨礦介質為鋯鋁球，硬度大，耐磨性強。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的關系曲線見圖4。

由圖4可以看出，磨礦介質的配比（介配比）對硅微粉的指標有一定影響。當介配比為2∶5∶3及3∶5∶2時，硅微粉粒度和白度指標相對較好，兩者磨礦產品中－41.8μm粒級的累積產率相差不大，結合白度指標來考慮，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，但由于磨礦介質總表面積減少使研磨破碎力降低，從而使磨礦效率降低，導致硅微粉產品粒度和白度指標下降［3］。

2.1.4 磨礦濃度影響

此次試驗主要考察磨礦濃度對硅微粉質量指標的影響，磨礦介質為鋯鋁球，磨礦時間為2h，礦介比為1∶5。磨礦濃度對硅微粉指標的影響結果見表2。

球磨機磨礦濃度的大小，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的分布密度以及礦漿的流動性，進而影響磨礦產品粒度和白度指標。由表2可以看出，當磨礦濃度為50%時，粒度和白度指標相對較好。可能是因為當給水量較少時，即礦漿的濃度較大，它的粘性就越大，礦石在磨機內的流動性減小，礦石在磨礦機的停留時間增長，礦石將被磨得更細；當礦漿濃度較小時，礦漿粘度和比重小，礦粒在磨機內流動速度大，磨介沖擊的機會也減少，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的影響結果

2.2 “過濾－清洗”試驗

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填料廣泛應用于各種電子及高科技產品等行業，其純度是影響產品質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，若其含量過高，將會影響產品的性能［5］。試驗采用去離子水對硅微粉進行“清洗－過濾”工藝流程處理，最終測定水萃取液的電導率來表征硅微粉產品中游離雜質離子的含量。水溶液中的帶電離子的多少與溶液電導率成正比，由于硅微粉雜質的成份大都是可溶性的，其水萃液中離子濃度越高電導率越大，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，有效降低其電導率，試驗中采用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品進行“清洗－過濾”試驗，試驗流程見圖5，試驗結果見表3。