高纯石英的概念及其原料品级划分_汪灵.pdf

石英矿物资源的分离提纯及材料化应用高纯石英的概念及其原料品级划分汪灵成都理工大学,四川 成都 610059中图分类号：TD973+.3；TD985文献标识码：A文章编号：10010076（2022）05005509DOI：10.13779/ki.issn10010076.2022.05.009摘要高纯石英是 SiO2纯度大于 99.9%的石英砂系列产品的总称，其本质是以天然石英矿为原料经提纯加工获得的具有极高 SiO2纯度且具有一定粒度组成的石英晶体原材料，其概念应同时具备纯度、粒度和矿物相三个特征；根据我国高纯石英生产及应用情况，进一步完善了产品等级划分，按 SiO2 纯度将高纯石英产品分为高端（4N8）、中高端（4N5）、中端（4N）和低端（3N）4 个等级；目前能够用作高纯石英原料的石英矿床工业类型有天然水晶、脉石英和花岗伟晶岩石英 3 种，其中脉石英是我国目前高纯石英生产的主要原料；根据天然水晶和脉石英样品的提纯加工试验结果，将高纯石英原料划分为与高纯石英系列产品等级相对应的 4 个品级，它们分别是用于高纯石英高端、中高端、中端和低端产品生产的 A 级矿（优质矿或优质原料）、B级矿（上等矿或上等原料）、C 级矿（中等矿或中等原料）和 D 级矿（下等矿或下等原料）。发现能够稳定满足工业生产需要的优质原料，实现 4N8 高纯石英高端产品的国产化问题，这是我们应当努力的方向。关键词石英；高纯石英；矿物原料；石英材料；矿物功能材料 前言石英（SiO2）是一种架状结构的硅的氧化物，-石英（低温石英，三方晶系）和-石英（高温石英，六方晶系）的总称。-石英和-石英的转变温度为 573，未加说明时，常指-石英。在矿物晶体化学分类中，石英归属于氧化物类、石英族。由于 SiO2是硅酸盐最重要的成分，可将石英视为硅酸盐的端元位置，有时也被归入硅酸盐类架状结构硅酸盐亚族1。SiO2在地壳中的质量分数高达 60%65%，由此决定了石英是一种非常重要的造岩矿物，它在地壳中的分布仅次于长石，是自然界中最常见的矿物之一。石英作为一种传统的重要的工业矿物，广泛应用在玻璃、陶瓷、铸造、建筑、宝玉石装饰等传统行业。20世纪 60 年代以来，计算机、新材料、新能源等新兴产业对石英原材料产品的纯度提出更高要求，产生了高纯石英的概念。高纯石英是石英玻璃、硅材料及相关产业发展的物质基础，广泛应用于电子信息、光伏、光通信和电光源等行业，在新材料、新能源战略性新兴产业中具有重要地位和作用。其中，SiO2纯度99.998%（4N8）的高纯石英高端产品不仅是一种新材料和矿物功能材料，而且是半导体、光伏、电子信息和高端电光源等生产必不可少的关键基础材料，也是我国芯片发展（晶圆制造与芯片封装等）不可或缺的关键材料之一，在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业以及国防军工、国家安全中具有非常重要的作用和地位。目前，我国用于单晶硅生产的石英坩埚通常采用双层或三层结构，其内层砂等必需的高纯石英高端产品仍需要高价从美国、挪威等进口，而质量要求略低的石英坩埚中外层砂，其矿石原料也需要从印度等国进口解决。光伏、半导体、光纤等行业下游需求的持续高景气，带动了石英坩埚产品的旺盛需求，高纯石英砂供应紧俏、价格也不断走高。由于我国的 4N8 高纯石英高端产品一直处于被“卡脖子”状态，高纯石英引起了各界持续高度关注，成为近年来石英行业内外的一个热门话题。那么，什么是高纯石英？高纯石英原料有哪些？原料品级如何划分？这些都是高纯石英产业的基本概念和基本问题。关于高纯石英的概念，尽管前人在相关文献中有所涉及1-5，但仍然缺少专门的研究报道，由于认识模糊，在业内外产生一定的混乱。关于高纯石英原料及其品级划分，目前还未见较深入的研究成果报道。本研究基于作者科研团队已获授权的高纯石英砂提纯加工专利技术以及高纯石英质 收稿日期：2022 09 29基金项目：国家自然科学基金项目（41972039）作者简介：汪灵，男，博士，教授，博士生导师，研究领域为应用矿物学，研究方向为矿物材料学，E-mail:。第 5 期矿产保护与利用No.52022 年 10 月Conservation and Utilization of Mineral ResourcesOct.2022量检测分析方法6，对天然水晶和脉石英等典型高纯石英原料进行了较深入的研究，在高纯石英的概念及其原料品级划分方面取得了新的认识，这对我国高纯石英产业的高质量发展具有重要理论和实际意义。1高纯石英的概念石英在自然界中分布非常广泛，但未经加工的天然石英难以达到高纯石英的质量要求。也就是说，高纯石英（high purity quartz）是以天然石英矿为原料，经过比较复杂的提纯工艺加工获得的 SiO2纯度极高的石英砂产品。同时，高纯石英产品还对产品粒度和矿物相等都有严格的要求。关于高纯石英的概念，应同时具备纯度、粒度、物相三个特征。1.1纯度特征高纯石英产品的第一个特征，即最显著特征是它们的 SiO2纯度高。实际上，石英砂的工业应用和价格都与 SiO2的纯度有着密切的关系。汪灵1根据石英SiO2纯度及其工业应用特点，将石英及相关产品归纳为 三 大 类：w(SiO2)99%产 品，w(SiO2)99%99.9%产品，w(SiO2)99.9%产品。高纯石英中，除 SiO2以外的其他任何成分都是有害杂质。杂质含量或者 SiO2纯度是高纯石英产品质量分类的主要依据，如英国工业矿物手册定义高纯石英杂质总含量50106，挪威地调局提出高纯石英杂质总含量应50106、Al30106、Ti99.9%大类产品，它是 SiO2纯度大于 99.9%的石英砂系列产品的总称4。如表 1 所示，根据我国高纯石英产品生产及应用情况，按 SiO2纯度将高纯石英产品划分为 4 个等级，即高端(SiO2)99.998%（4N8），中高端(SiO2)99.995%（4N5），中 端(SiO2)99.99%（4N），低 端(SiO2)99.9%（3N）；或以产品中 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等 13 种杂质元素总量进行划分，即高端20106，中高端50106，中端100106，低端1 000106 1。表 1 高纯石英产品分类与矿石原料品质要求Table 1 Product classification of high purity quartz and quality requirement of ore raw materials高纯石英分类高端产品中高端产品中端产品低端产品SiO2纯度w(SiO2)99.998%,4N8w(SiO2)99.995%,4N5w(SiO2)99.99%,4Nw(SiO2)99.9%,3N杂质含量2010-65010-610010-61 00010-6粒度大小4080目、80140目、100200目、80300目等技术现状主要从美国、挪威等进口基本国产化国产化国产化矿石原料品级A级矿优质矿或优质原料B级矿上等矿或上等原料C级矿中等矿或中等原料D级矿下等矿或下等原料注:(1)杂质含量指 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等13种痕量杂质元素总量;(2)据参考文献1。表 2 和 表 3 是 美 国 尤 尼 明 公 司(Unimin Corp)IOTA 系列高纯石英高端产品的质量指标，这些指标已成为公认的国际标准。IOTA 标准只有杂质元素含量或 SiO2纯度要求，其特征是：在 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等 13 种（表 2）或 15种（表 3）杂质元素中，除了 Al 和 Ti 含量1106分别为（716.2）106和（1.11.4）106外，其余含量均1106。近年来，美国尤尼明公司公布的数据增加了上述产品的 Ti、P 和 Zn 含量，其 SiO2 纯度有一定的变化；同时，新增了 IOTA-CG（坩埚级）、IOTA-STD-SV 和 IOTA-6-SV 等三种产品（表 3）。目前，美国尤尼明公司 IOTA 系列高纯石英产品主要应用于半导体级熔融石英坩埚、单晶硅生长用石英坩埚和石英照明设备等高技术领域。需要说明的是，在高纯石英的各种工业应用中，气液包裹体是危害较大的杂质。尽管美国高纯石英质量指标中没有对气液包裹体提出明确要求，但作者科研团队大量的样品检测结果表明，如果能够达到表 2和表 3 的杂质元素含量或 SiO2纯度要求，样品中的气液包裹体也必然是很少的。也就是说，杂质元素含量指标中已包含了对气液包裹体的要求。目前，高纯石英 SiO2的纯度检测方法主要采用ICP-OES6。其实，它是一种间接法，即根据高纯石英的国际标准，先检测出样品 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等 13 种（表 2）或 15 种（表 3）痕量杂质元素含量，SiO2的纯度或含量是通过减去这13 种或 15 种痕量杂质元素的总量后得到的差值。需要特别指出的是，对于高纯石英这类特殊产品来说，这 13 种或 15 种杂质元素对产品质量都有直接的不利影响。因此，对于高纯石英的 SiO2纯度一定是这 13种或 15 种杂质元素全部都检测后得到的纯度，在检测内容上不能有人为取舍。否则，其检测结果对研究与应用都不具有参考价值。需要说明的是，汪灵4曾按 SiO2纯度将高纯石英产品划分为 3 等级，即高端(SiO2)99.998%（4N8），中端(SiO2)99.99%（4N），低 端(SiO2)99.9%（3N）。后来，汪灵1又增加了一个等级，即中高端(SiO2)99.995%（4N5）。这是对高纯石英产品的一 56 矿产保护与利用2022 年个新认识，也是对产品品级划分的进一步完善。其主要原因是，脉石英是目前我国加工高纯石英的主要原料，有的可用作加工 4N5 高纯石英产品的原料。更重要的是，4N5 产品不仅用于石英玻璃拉管材料的制备，而且在芯片封装用球形硅微粉方面大有作为。因为，尽管球形硅微粉最终产品的 SiO2纯度在 3N 左右，但这是最终产品，其制备有超细、分级、球化、分级等若干道工序，或多或少会产生一些新的杂质。所以，若要保证最终的产品在 3N 左右，原料没有 4N5 以上是很难做到的，因为污染是不可避免的。1.2粒度特征高纯石英产品第二个重要特征是它们的粒度要求，即加工的产品是砂，是具有一定粒度组成的产品（图 1）。粒度作为高纯石英一个重要指标，其粒度范围一般是 40150 目，具体粒度应根据工业应用确定。如表 4 所示，采用真空气氛下电熔工艺制备石英玻璃，粒度要求 4080 目；提拉法制备单晶硅的石英坩埚，粒度要求 80140 目；以氢气与氧气为能源的气炼工艺制备石英玻璃，粒度要求 100200 目。显然，高纯石英的主要工业应用产品并不是“超细粉”，更不是“纳米”颗粒。即使是用作加工包括球形硅微粉在内的各种超细的硅微粉原料，也是先提纯加工成具有一定粒度组成的石英砂，然后进行超细粉碎和分级加工。表 2 美国尤尼明公司（Unimin Corp）IOTA 系列高纯石英高端产品的质量指标/106Table 2 Quality indicators of high grade high purity quartz of USA Unimin Corps IOTA series products名称IOTA-STDIOTA-CG*IOTA-4IOTA-6IOTA-8Al16.2148.008.007.0B0.080.100.040.040.035Li0.900.50.150.150.02Na0.901.00.900.080.03K0.600.70.350.070.04Ca0.50.60.60.60.5Mg0.050.040.050.050.02Ti*1.11.21.41.41.3Fe0.230.30.30.150.03Mn0.050.0290.050.050.02Cu0.050.0190.050.050.02Cr0.050.0070.050.050.02Ni0.050.0010.050.050.02过渡性金属元素0.450.450.170.05痕量元素总量19.6618.5010.599.3499.99899.99899.99999.999 199.999 2注:(1)SiO2单位为%，痕量元素(杂质元素)采用ICAP(感应耦合氩气等离子)检测;(2)所有数据均为平均值，其中*根据官网资料增加的数据,其他数据引自7;(3)表中的过渡金属元素包括Fe,Mn,Cu,Cr,Ni;(4)IOTA-STD(标准料)是美国尤尼明公司主打产品，IOTA-CG是光伏坩埚行业的标准。表 3 美国尤尼明（Unimin Corp）IOTA 高纯石英系列产品（2019）的化学成分/106Table 3 Quality indicators of high grade high purity quartz of Unimin Corps IOTA series products（2019）产品编号AlBLiNaKCaMgTiFeMnCuCrNiPZnSiO2IOTA-STD140.100.510.70.60.041.20.30.0390.0280.0060.0010.10.011999.9981IOTA-CG140.100.510.70.60.041.20.30.0290.0190.0070.0010.10.011999.9981IOTA-STD-SV140.100.50.050.10.30.011.10.10.0070.0030.0040.0010.10.011699.9984IOTA-480.050.2140.70.071.40.30.0130.0040.0070.0020.10.011299.9988IOTA-680.050.20.10.10.70.071.40.20.0080.0010.0030.0020.10.011199.9989IOTA-6-SV80.050.20.050.10.50.021.30.10.0040.0010.0020.0010.050.011099.9990IOTA-880.050.050.050.050.40.011.30.050.0010.0010.0010.0010.050.011099.9990注:SiO2单位为%；数据引自美国尤尼明公司官网http:/。第 5 期汪灵：高纯石英的概念及其原料品级划分 57 1.3物相特征高纯石英产品第三个重要特征是它们的物相为晶相，即石英矿物晶体。图 2 是美国和挪威高纯石英砂的 X-射线粉晶衍射分析（XRD）谱图，可以看出：它们都是结晶度非常高的石英单矿物晶体。其主要原因是，所有高纯石英原料均来源于天然石英矿，而且实践表明，石英的密度、硬度和表面平整度等物化性质以及由此决定的产品使用效能更适合以上工业应用。鉴于高纯石英高端产品的制备难度，有人提出采用其他方法制备非晶态 SiO2粉体进行替代的技术路线8。事实是，即使 SiO2粉体的纯度能达标，但其粒度、密度和硬度等也难以达到与高纯石英及其加工产品（如球形硅微粉）一致的质量要求，因而并不具有高纯石英及其加工产品相应的使用效能（如流动性和机械强度等）。根据化学反应式（1）和（2），可采用人工合成方式制备纯度更高的石英玻璃9。目前，这类石英玻璃大量用于光纤制造等。除此之外，在高纯石英用量更大的其他工业应用领域中（如石英坩埚），人工合成石英玻璃不仅没有价格优势，而且由于采用 SiCl4为原料和/或氢气为燃料，在制备工艺中会产生羟基等杂质，限制了它在一些领域的应用。SiCl4+O2 SiO2+2Cl2（1）SiCl4+2H2+O2 SiO2+4HCl（2）因此，从粒度特征、物相特征和使用效能上讲，人工合成的非晶态 SiO2粉体和石英玻璃都不属于高纯石英。2高纯石英原料地壳中 SiO2主要以石英等矿物的形式存在，石英在地壳中分布是仅次于长石的矿物，占到地壳质量的12.6%。石英的成因多种多样，但其矿床工业类型有天然水晶、石英砂岩、石英岩、粉石英、脉石英、天然石英砂和花岗伟晶岩石英等 7 种。目前，能够用作高纯石英原料的矿床工业类型只有其中的天然水晶、脉石英和花岗伟晶岩石英等 3 种4。2.1天然水晶高纯石英最初是以一、二级天然水晶为原料，再经精选提纯加工而成。天然水晶成因的特殊性决定了它存在两个先天不足：一是储量小，开采条件差，资源匮乏，价格昂贵，难以满足大规模工业生产的需要；二是受到形成环境变化的影响，矿物晶体化学成分不 表 4 高纯石英砂产品主要粒度范围与工业应用特点Table 4 Main particle size range and industrial application characteristics of high purity quartz products粒度/目粒度/mm工业应用羟基含量/10640800.420.178石英玻璃真空气氛下电熔工艺110801400.1780.104石英坩埚提拉法制备单晶硅1002000.150.074石英玻璃以氢气与氧气为能源的气炼工艺150400（a）IOTA-STD 为美国 Unimin Corp 生产的 4N8 标准级高纯石英砂，粒度 40-80 目；（b）NC4AF 为挪威 The Quartz Corp 生产的 4N8 高纯石英砂，粒度 80-200 目图 1美国和挪威高纯石英砂的体视镜照片Fig.1 Stereomicroscopic images of high purity quartz sand from USA and Norway 10203040506070800.22340.21250.14520.16710.19780.13710.22790.15410.18170.33380.4247石英NC4AFIntensity2/()IOTA-STD0.24540.1381IOTA-STD 为 美 国 Unimin Corp 生 产 的 4N8 标 准 级 高 纯 石 英 砂；NC4AF 为挪威 The Quartz Corp 生产的 4N8 高纯石英砂图 2美国和挪威高纯石英砂的 X-射线粉晶衍射分析（XRD）谱图Fig.2 XRD patterns of high purity quartz from USA and Norway 58 矿产保护与利用2022 年稳定，在大批量的工业应用中导致原料化学成分波动较大，原料标准化困难，难以满足大批量、稳定化高纯石英高端产品生产的需要。目前，由于天然水晶的色彩丰富、晶莹剔透、美丽纯正、寓意美好，主要用作水晶工艺品原料。同时，质地纯净的天然水晶仍然用作生产光学水晶材料（石英晶体旋光料、双折射滤波器）和压电水晶材料的原料。2.2脉石英脉石英是指地质产状呈脉状产出的石英矿产资源的总称。它是以 SiO2纯度高为特色的一种石英矿床工业类型。长期以来，我国脉石英的工业价值一直未引起人们的重视，其主要原因是：与使用量很大的玻璃、陶瓷和铸造型砂等原料相比，由于脉石英储量一般相对较小，开采成本较高，难以作为这些传统用途的工业矿物加以利用。21 世纪以来，由于石英在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业中得到广泛应用，尤其是高纯石英在集成电路和芯片制造中的关键作用，使人们开始重新审视和评价脉石英的工业价值1。我国脉石英矿产资源分布广泛10-12，其矿床主要特点是：（1）脉石英矿产资源优势明显，但由于成因主要与花岗岩岩浆热液作用有关，其矿床规模一般不大，通常为中小型矿床。（2）与其他石英矿床工业类型相比，脉石英开采难度相对较大，开采成本较高。其主要原因是脉石英矿体呈不规则脉状，地质产状较陡，厚度一般几米至几十米，长度一般为十几米至几百米，一个矿区可由一条矿脉或由多条矿脉组成。（3）脉石英矿物成分单一，几乎全部为石英，但矿石中普遍存在气液包裹体、矿物包裹体和类质同象等多种杂质，而且尺寸3N。但根据石英高端产品质量要求，以提纯可选性指标进行评价，不同产地、不同矿区的脉石英在 SiO2纯度上存在很大差别。高纯石英是目前脉石英最具吸引力的应用领域。根据国际成功案例和我国研究实践4，脉石英是加工高纯石英的理想原料之一，其工业价值和应用优势是：（1）高纯石英的附加值高，绝对用量少，过去按传统应用标准，是小矿；而今，按新用途标准，则是大矿。（2）与石英岩和石英砂岩相比，脉石英几乎都由石英组成，SiO2纯度一般都在 3N 及以上，其他杂质含量相对较少，有利于高纯石英的提纯加工。（3）与天然水晶相比，同一矿区的脉石英矿石质量相对比较稳定，为矿物原料均一化加工创造了条件。2.3花岗伟晶岩石英花岗伟晶岩石英，又叫花岗岩石英或伟晶岩型石英。日本于 20 世纪 90 年代，采用细粒伟晶岩为原料加工透明的高纯石英13-14。美国 PPCC 公司于 20 世纪80 年代，采用英国西北海岸 Foxdale 地区花岗岩加工4N 高纯石英，作为西欧石英玻璃的原料。美国尤尼明公司（Unimin Corp）和挪威石英公司（The Quartz Corp）生产的高纯石英高端系列产品能获得国际垄断地位的根本原因是，拥有世界上迄今为止唯一发现的独特的高纯石英优质原料花岗伟晶岩石英。该原料为产自美国北卡罗来纳州 SprucePine 地区的花岗伟晶岩（曾称为白岗岩）7，该特殊类型石英矿床的发现颇具传奇性：20 世纪初，该地区主要的矿物资源目标是伟晶岩质的长石类和云母类矿物，因为晶粒粗大，可以直接通过人工手选的方式进行选矿15。起初，花岗伟晶岩中的石英并未很好利用，作为长石浮选和高岭土回收的尾料，每月产出数千吨的晶体石英砂。一些石英砂被加工后卖给附近的陶瓷工厂用作普通陶瓷原料，而大部分和石榴子石、黑云母以及其他长石、高岭石中的杂质矿物一样被丢弃掉。20 世纪 70 年代，由于石英玻璃原料天然水晶的日渐枯竭，寻找可替代水晶的天然石英成为当时许多国家亟需攻克的目标。在此背景下，美国尤尼明公司采用经过改进的浮选技术，利用 Spruce Pine 地区花岗伟晶岩中的石英替代了天然水晶，生产出了高纯石英砂1,16。目前，伟晶岩型石英已引起国内的关注，并在新疆阿尔泰17、北秦岭18等地区的找矿方面取得初步进展。在开发利用方面，李育彪等19以北秦岭伟晶岩石英为原料，采用破碎、筛分、浮选、高温焙烧、水淬和热压酸浸等方法，制备出 4N 高纯石英砂；王安书等20以河南某地花岗伟晶岩为原料，采用粗碎、煅烧水淬、细碎、磁选、浮选和酸浸等方法，制备出 4N5 高纯石英砂（只检测了 Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg 等 6 种元素）。需要指出的是，我国并不缺少中低端高纯石英生产的原料，极为稀缺的是能够加工 4N8 高纯石英高端产品的优质原料。根据本文作者研究结果，尽管天然水晶和脉石英可作为加工高纯石英的原料，但是能够提纯加工 4N8 高纯石英高端产品的优质原料也只是其中的极个别。据此可以推断，能够成为 4N8 高纯石英高端产品的花岗伟晶岩石英优质原料，也应当是众多矿床或矿点中的极个别。3高纯石英原料提纯加工试验与品级划分石英原料品级划分是高纯石英找矿、评价和遴选的重要依据，对于正确认识石英矿产资源价值和高效开发利用都具有十分重要的理论和实际意义。可以说，一个石英矿在开发利用前，如果能够事先知道可加工什么品级的石英原材料产品，对每一个石英矿或企业来说都是十分重要和关键的。为了给高纯石英第 5 期汪灵：高纯石英的概念及其原料品级划分 59 原料的品级划分提供科研依据，作者科研团队开展了天然水晶和脉石英高纯石英原料的提纯加工试验研究。3.1天然水晶提纯加工试验如上所述，天然水晶是最早采用的高纯石英原料，尽管现在已被脉石英和花岗伟晶岩石英所替代，但天然水晶提纯效果试验结果，仍然可为高纯石英优质原料的识别、评价和选择提供借鉴。提纯加工试验的研究对象是采自我国不同产地的 18 件天然水晶典型样品，表 5 是这些天然水晶提纯前后的 SiO2含量和13 种微量元素杂质总量的 ICP-OES 检测结果，可以看出：（1）提纯前，我国天然水晶的 SiO2含量在 99.9%以上，具体地说，优质、上等、中等和下等天然水晶，其 平均 SiO2含 量 分 别 为 99.976 01%、99.971 01%、99.979 50%和 99.954 37%。由此可见，不同品质水晶原矿的化学成分差别并不明显，而且有的上等或优质原料样品的(SiO2)并不一定都是最高的。（2）提纯后，试验样品出现了明显分化，可根据提纯加工效果和高纯石英系列产品的等级，将我国天然水晶原料分为 4 个品级：A 级矿（优质矿或优质原料），提纯后 SiO2平均含量为 99.998 51%；B 级矿（上等矿或上等原料），提纯后 SiO2平均含量 99.996 51%；C 级矿（中等矿或中等原料），提纯后 SiO2平均含量为99.992 96%；D 级矿（下等矿或下等原料），提纯后 SiO2平均含量 99.992 64%。3.2脉石英提纯加工试验如上所述，我国脉石英矿产资源分布广泛，也是我国目前高纯石英生产的主要原料。为此，对采自我国不同产地的矿床或矿点的 100 多件脉石英样品开展了提纯加工试验研究。表 6 是我国脉石英 20 件典型样品提纯前后的 SiO2含量和 13 种微量元素杂质总量的 ICP-OES 检测结果，可以看出：（1）提纯前，我国脉石英原矿的(SiO2)含量通常 表 5 我国天然水晶典型样品提纯前后的 SiO2含量(wB/%)和杂质元素总量(106)的 ICP-OES 检测结果Table 5 ICP-OES detection results of SiO2 contents(wB/%)and total amounts of 13 trace element impurities(106)of natural quartzcrystals from China before and after purification品质分类编号水晶颜色产地提纯前(原矿)提纯后杂质元素降低含量w(SiO2)杂质元素总量w(SiO2)杂质元素总量优质水晶YJ01烟色江苏东海99.963 35366.599.998 9210.8355.7DH02烟色江苏东海99.983 83161.799.998 5914.1147.6DH03烟色江苏东海99.980 84191.699.998 0119.9171.7平均值99.976 01239.999.998 5114.9225.0上等水晶LNY01烟色辽宁义县99.977 23227.799.996 9031.0196.7TC01无色海南屯昌99.983 83161.799.996 6133.9127.8GXN01无色广西南宁99.951 97480.399.996 0339.7440.6平均值99.971 01289.999.996 5134.9255.0中等水晶YJ02烟色江苏东海99.990 3796.399.994 6753.343.0GLD01乳白色贵州罗甸99.970 22297.899.994 3456.6241.2LS02无色四川凉山99.987 74122.699.994 2757.365.3YFN01无色云南富宁99.965 70343.099.994 0359.7283.3TC02无色海南屯昌99.976 78232.299.993 2967.1165.1DH04无色江苏东海99.988 68113.299.992 1378.734.5MG01乳白色四川美姑99.983 64163.699.991 8381.781.9HLJ01烟色黑龙江通河99.966 84331.61499.991 4285.8245.8WS01无色云南文山99.985 57144.399.990 6993.151.2平均值99.979 50205.099.992 9670.4134.6下等水晶DH01无色江苏东海99.980 26197.499.989 30107.090.4FZH01乳白色福建政和99.913 25867.599.980 56194.4673.1ML01无色四川木里99.969 59304.199.975 90241.063.1平均值99.954 37456.399.981 92180.8275.5注:(1)w(SiO2)=(1 w(杂 质 元 素 总 量)100%;(2)杂质元素总量为Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13种痕量杂质元素含量，单位10-6;(3)试验样品粒度为40目。60 矿产保护与利用2022 年都在 99.9%以上，其中优质、上等、中等和下等脉石英 原 矿的(SiO2)平 均 含 量 分 别 为 99.984 44%、99.968 71%、99.957 22%、99.895 63%。由此可见，不同品质脉石英原矿的化学成分差别并不明显，而且优质脉石英原矿的(SiO2)并不一定都是最高的。（2）提纯后，试验样品出现了明显分化，可根据提纯效果和高纯石英产品等级，将我国脉石英原料分为4 个品级：A 级矿（优质矿或优质原料），提纯后 SiO2平均含量为 99.998 56%；B 级矿（上等矿或上等原料），提纯后 SiO2平均含量为 99.996 64%；C 级矿（中等矿或中等原料），提纯后 SiO2平均含量为 99.993 32%；D级矿（下等矿或下等原料），提纯后 SiO2平均含量为99.985 27%。3.3高纯石英原料品级划分以上试验结果表明，不同产地的天然水晶和脉石英高纯石英原料，它们在提纯前的差异并不明显，(SiO2)含量通常都在 99.9%以上。因此，不能简单地根据原矿的化学成分判断高纯石英原料品质的好坏，只有在通过一定杂质提纯工艺试验，方能得到正确结论。提纯后，它们均出现了明显分化，均可根据提纯效果和高纯石英产品等级，将高纯石英原料划分出优质、上等、中等和下等 4 个品级。显然，这些结果为高纯石英原料品级划分提供了试验依据。如表 1 所示，根据天然水晶和脉石英高纯石英原料的提纯加工试验结果，可将高纯石英原料划分为与高纯石英砂系列产品等级相对应的 4 个品级：A 级矿（优质矿或优质原料），可用于提纯加工(SiO2)99.998%（4N8）的高端高纯石英砂产品；B 级矿（上等矿或上等原料），可用于提纯加工(SiO2)99.995%（4N5）的中高端高纯石英砂产品；C 级矿（中等矿或中等原料），可用于提纯加工(SiO2)99.99%（4N）的中 表 6 我国脉石英 20 件典型样品提纯前后的 SiO2含量(wB/%)和杂质元素总量(106)的 ICP-OES 检测结果Table 6 ICP-OES detection results of SiO2 contents(wB/%)and total amounts of 13 trace element impurities(106)of 20 vein quartzsamples from China before and after purification品质分类编号产地提纯前(原矿)提纯后杂质元素降低含量w(SiO2)杂质元素总量w(SiO2)杂质元素总量优质脉石英SHB01南方99.980 22197.899.998 7712.3185.5LHC02北方99.984 44155.699.998 3516.5139.1平均值99.982 33176.799.998 5614.4162.3上等脉石英ALT01新疆99.968 47315.399.997 7922.1293.2BH02陕西99.977 83221.799.996 9830.2191.5YN01云南99.935 88641.299.996 7832.2609.0LHC01北方99.964 38356.299.996 1638.4317.8LH01辽宁99.991 4485.699.996 0639.446.2QC01湖北99.974 23257.799.996 0539.5218.2平均值99.968 71312.999.996 6433.6279.3中等脉石英CZ01湖南99.957 67423.399.994 7152.9370.4XN01安徽99.983 17168.399.994 5654.4113.9ZY01湖北99.926 53734.799.994 1858.2676.5JQ02甘肃99.939 51604.999.993 9460.6544.3ZX01湖南99.964 52354.899.992 5075.0279.8TS01甘肃99.971 89281.199.990 0699.4181.7平均值99.957 22427.899.993 3266.8361.0下等脉石英BY01内蒙古99.965 64343.699.988 90111.0232.6LB01黑龙江99.970 73292.799.988 59114.1178.6JQ04甘肃99.850 581 494.299.986 86131.41 362.8BH01陕西99.696 093 039.199.986 24137.62 901.5JH01新疆99.962 02379.899.986 02139.8240.0BTA01山西99.928 74712.699.975 00250.0462.6平均值99.895 631 043.799.985 27147.3896.4注:(1)w(SiO2)=(1-w(杂 质 元 素 总 量)100%;(2)杂质元素总量为Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13种痕量杂质元素含量;(3)试验样品粒度为40目。第 5 期汪灵：高纯石英的概念及其原料品级划分 61 端高纯石英砂产品；D 级矿（下等矿或下等原料），可用于提纯加工(SiO2)99.9%（3N）的低端高纯石英砂产品。尽管目前还缺少不同产地多个花岗伟晶岩石英样品提纯前后试验对比数据，但根据已有的初步研究17,19-20，该类型的高纯石英原料也应当具有与天然水晶和脉石英相同或相似的结果，即仍然存在 A 级矿、B 级矿、C 级矿和 D 级矿 4 个品级。高纯石英技术包括原料选择技术、提纯工艺技术、加工装备技术和质量检测技术等四个方面，它们是既相互独立又相互联系和相互制约的技术整体，其中以高纯石英原料的识别、评价与选择技术最为关键1,3。实践证明，高纯石英高端产品生产必须采用优质原料。我国 4N8 高纯石英高端产品未能国产化的根本原因是，迄今为止还没有找到能够稳定满足工业生产需要的高纯石英优质原料。我们应当努力的方向是，发现能够稳定满足工业生产需要的高纯石英优质原料（A级矿），这是解决我国 4N8 高纯石英高端产品“卡脖子”问题的关键所在。4结论（1）高纯石英是 SiO2纯度大于 99.9%（3N）的石英砂系列产品的总称，其本质是以天然石英矿为原料经提纯加工获得的具有极高 SiO2纯度且具有一定粒度组成范围的石英晶体原材料，其概念应同时具备纯度、粒度和矿物相等三个特征。（2）根据我国高纯石英产品生产及应用情况，进一步完善了高纯石英产品品级划分，即将以前的高端、中端和低端 3 个等级，细化为按 SiO2纯度将高纯石英产品分为 4 个等级：高端(SiO2)99.998%（4N8），中高端(SiO2)99.995%（4N5），中端(SiO2)99.99%（4N），低 端(SiO2)99.9%（3N）。其 中(SiO2)99.998%（4N8）的高纯石英高端产品是一种关键基础材料、新材料和矿物功能材料，目前我国仍需要高价从美国、挪威等国家进口。（3）能够用作高纯石英原料的石英矿床工业类型有天然水晶、脉石英和花岗伟晶岩石英 3 种，其中脉石英是我国目前高纯石英生产的主要原料。（4）根据天然水晶和脉石英样品的提纯加工试验结果，将高纯石英原料划分为与高纯石英砂系列产品等级相对应的 4 个等级：4N8 高端产品生产的 A 级矿（优质矿或优质原料），4N5 中高端产品生产的 B