高纯石英砂研究报告

高纯石英砂研究汇报山东海友工贸有限企业二○一○年六月目录概述……………1高纯石英砂的重要技术指标…………………1高纯石英砂的应用领域和重要用途…………2国内外行业现实状况与发展趋势…………………3单晶硅生产用石英坩埚………51500吨/年高纯石英砂生产线项目建设要点………………5第一章产品方案及生产规模………………5第二章原料、能源及公用设施……………6第三章项目实行单位状况…………………6第四章重要生产设备用途及技术指标……7第五章质量管理与控制……12第六章高纯石英砂生产线的实行方案及工艺阐明………14第七章高纯石英砂生产对环境的影响……16第八章高纯石英砂生产线投资概算及成本分析…………17概述高纯石英砂一般是指SiO2，含量高于99.99%的石英粉，是石英玻璃和石英坩埚的重要原料，其高档产品被广泛应用在大规模集成电路、太阳能电池、光纤、激光、航天、军事等行业中。由于这些行业关系到国家的长远发展，是一种国家高新技术可持续发展的必要条件，因此高纯石英砂的战略地位非常重要，其高端产品的制备技术被美国、德国、俄罗斯等少数国家所垄断、并限制技术和产品出口。我国石英砂的提纯和规模化开采目前仍然处在艰难的探索阶段。高纯石英砂具有极好的化学稳定性、高绝缘耐压能力和极低的体膨胀系数。是电子关键器件、光导通讯材料、太阳能电池等高新技术产业不可缺乏的重要原材料，是生产石英坩埚、制造单晶硅棒容器、芯片的基础原料。高纯石英砂的重要技术指标1、外观为白色和无可见的机械杂质。2、纯度规定：二氧化硅的含量不小于99.99%。3、根据不一样行业的使用，可加工成不一样规格型号系列产品，适应顾客规定。其他杂质含量参照如下：高纯石英砂杂质含量（单位：1×10-6）AlFeCaMgTiNiCuK2.670.230.510.050.230.0040.050.12NaLiBPMnCrSiO20.130.050.110.250.050.0599.99%粒度分布表格用途粒度分布（目）石英管用砂40—100石英坩埚用砂60—160石英砣用砂80--180高纯石英砂的应用领域和重要用途高纯石英砂是石英玻璃的重要原料。石英玻璃被人们成为“玻璃王”，由于它具有一系列特殊的物理、化学性能。它具有优良的耐高温性能，耐温性高达1100～1200℃，比一般玻璃高800℃，其熔点与白金（铂）的熔点相近。热膨胀率极小，在0～1000℃之间的平均热膨胀系数a＝5.4×10-7，相称于陶瓷的1/6，相称于一般玻璃的1/20，石英玻璃中掺入一定量的钛，可克制成膨胀系数靠近零的超低膨胀石英玻璃。石英玻璃具有极佳的光谱特性，不仅可以透过可见光，并且可以透过红外线、紫外线。石英玻璃是良好的耐酸材料，相称于耐酸陶瓷的30倍，相称于不锈钢（镍铬合金）的150倍。石英玻璃是极好的电绝缘材料，它的电阻相称于一般玻璃的1万倍，20℃时电阻率为1018Ω·cm，绝缘强度为250KV/㎝,真空度可达（10-6Mpa）。石英玻璃属脆性材料，耐压强度很好，但抗张强度要小某些，石英玻璃不耐氢氟酸，高温条件下（1000℃以上）会转变成方石英，这是它的两个缺陷。石英玻璃可石英玻璃的重要产品包括：大规模集成电路用高纯耐高温石英玻璃管、电弧法石英坩埚（太阳能级和半导体级）、光通讯用石英玻璃、电光源用石英玻璃。石英玻璃的品种和用途是亲密有关的，顾客根据石英玻璃的特性、规定制造不一样的石英玻璃，便产生了石英玻璃的品种，新的品种又提高了石英玻璃的性能和质量，增进了石英玻璃行业的发展。各行各业几乎都用石英玻璃，不过由于石英玻璃制品工艺复杂，原料价格贵，导致石英玻璃的价格也贵，限制了石英玻璃的大量使用。这里简要简介的重要品种和用途。国内外行业现实状况与发展趋势行业发展现实状况：最初超高纯石英砂是由一、二级水晶加工而成，伴随一、二水晶资源的逐渐枯竭，自上世纪70年代，发达国家开始探索用一般石英替代水晶制备高纯石英砂，到20世纪90年代，Kemmochi和Stato用一般石英加工成了高档石英玻璃使用的石英粉。国外早在20世纪70年代就开始研究运用一般石英制备高纯石英砂的技术，目前美国处在领先水平，其特点是工业化产量大、制备专业化、自动化程度高、检测水平高、产品质量稳定。从天然岩石矿物直接提取高纯石英砂是目前世界上生产高纯石英砂的最先进技术。俄罗斯、日本和德国等基本上可以实现自给自足，除了巴西出口未经加工的水晶原矿外，世界高纯石英砂出口市场基本被美国尤尼明（UNIMINCorporation）企业控制。我国从20世纪80年代末开始研究石英玻璃的一般石英原料，已经获得一定进展，所研究的产品可以到达二、三、四级水晶的水平，不过只适合于中、低级石英玻璃，高纯低羟基石英原料的技术距离世界先进水平尚有一定的距离，还没有形成具有自主创新、自主知识产权的技术，工业化生产的石英玻璃原料纯度不能到达高纯石英砂玻璃原料的规定，高品质石英玻璃原料基本依赖进口，制约了我国石英砂玻璃行业的发展，这已引起国内石英玻璃及原料生产企业和有关科研单位的关注。我国是石英储量最为丰富的国家之一，已开采运用石英矿很好的有江苏东海、安徽凤阳、湖北红安、江西修水、内蒙乌海等地，这些石英矿储量大、品位高、易开采，但目前开采的大多数石英矿均用做生产低级的石英制品：如硅微粉、玻璃、耐火材料、碳化硅、硅铁、熔融石英、石英玻璃管等。能用于高纯石英砂的矿源诸多，不过由于加工处理手段落后，产品不能到达高纯石英砂原料的规定，从而使高端矿石用做低品味产品，导致了资源的严重挥霍。我国是石英玻璃生产和应用大国，但高档石英原料基本依托进口，据海关记录我国从美国进口的高纯石英砂有3万多吨，我国石英玻璃行业所用的高纯石英砂原料重要是美国尤尼明企业生产的IOTA石英砂，其原则砂价格目前在国内市场已高达6.5万元/吨，IOTA-4、IOTA-6价格更大。每年从国外进口大量高纯石英砂，价格昂贵不说，石英行业的生命线掌握在国外企业的手里，受制于人，对我国石英玻璃产业及后继产业的发展都极为不利。我国国内石英玻璃制品生产消耗石英原料为12万多吨，绝大部分是中低级产品，其中高档的电光源用石英砂、石英坩埚（多晶、单晶硅）用石英砂、半导体及光纤通讯用石英原料还是以进口石英原料为主。近十年来，我国的某些石英玻璃生产厂、石英玻璃原料生产厂和部分院校、科研单位开始重视对高纯石英原料的提纯工艺和提纯技术的研究，并重视厂校和厂所的联合攻关，获得了某些突破性进展，使我国高纯石英原料的生产技术有了很大的提高。总体来说，目前我国从事石英砂生产的企业有诸多家，但大多都集中在生产附加值较低的一般石英砂，纯度在2N、3N；能生产可供高品质石英玻璃生产的原料不多。亿元3025亿元30252015100近年来，伴随中国电子信息产业、电光源产业的迅速发展，尤其是太阳能光伏产业的爆发式增长，我国石英玻璃行业工业总产值-的增长速度均在20%以上。-石英玻璃行业销售额增长如右图：伴随国内太阳能电池产业的迅猛发展，估计未来五年内我国石英玻璃行业将保持15-20%以上的速度持续增长，我们预测至我国石英玻璃用石英原料用量将到达20万吨，其中高档石英原料将占的比重越来越大。估计至我国石英玻璃行业的总体市场规模将超过70亿元，其中高纯石英砂的缺口市场规模约在21亿元左右。这对我国高纯石英砂行业来说是一种机遇也是一种挑战。单晶硅生产用石英坩埚伴随能源日益紧缺和环境保护的压力促使各国都掀起了开发、运用太阳能和可再生能源的热潮，开发和运用太阳能已成为各国可持续发展战略的重要构成部分，太阳能运用技术在研发、产业化、市场开拓方面都获得了长足的发展，成为世界迅速、稳定发展的新兴产业之一。石英坩埚是拉制单晶硅的消耗性器皿，每生产一炉单晶硅就用掉一只石英坩埚，由于单晶硅是生产大规模集成电路和太阳能电池的重要原料，因此对石英坩埚的规定十分苛刻，按照使用范围不一样，石英坩埚可分为：太阳能级硅单晶坩埚和集成电路级硅单晶坩埚。石英坩埚的几何尺寸和外观是生产工艺确定的，而纯度是由原料确定的。石英坩埚用的原料规定纯度高、一致性好、粒度分布均匀，有害成分高时会影响坩埚的熔制，影响其耐温性，还会出现气泡、色斑、脱皮等现象，严重影响石英坩埚的质量。生产高质量的石英坩埚，不仅工艺技术要先进，并且原料纯度要高，为了生产高质量的产品我国生产高纯石英坩埚的原料基本所有是由进口美国UNIMIN(尤尼明)企业的高纯石英砂，虽然其原料质量好，但价格却一再上涨。因此提高石英坩埚产品质量和产量，增进高纯硅材料的工业发展，到达石英坩埚原料国产化，是我国高纯石英原料生产企业刻不容缓的事情。1500吨/年高纯石英砂生产线项目建设要点第一章产品方案及生产规模一、产品方案1、产品名称：高纯石英砂。2、重要技术指标：（1）外观为白色和无可见的机械杂质。（2）SiO2含量一级不得少于99.99%，二级不得少于99.95%，三级不得少于99.90%。（3）根据不一样行业的使用，可加工成不一样粒度规格的系列产品以适应顾客需求。二、生产规模1、1500吨/年高纯石英砂。2、销售价格按18000.00元/吨计。3、年销售收入2700万元。第二章原料、能源及公用设施一、原料1、SiO2含量不小于99.80%的天然石英矿石，外形尺寸为不不小于50×50mm的块石。原矿重要分布于安徽、湖北、湖南、江西等地。2、专用助剂，由企业自己配制，助剂原料当地购置。二、能源1、电力：装机容量630KW，当地处理。2、燃气：用于生活。三、公用设施1、供水：40m2、排水：工业废水经特殊处理后循环使用，生活废水按环境保护规定排放。3、消防：按消防法设计配置。4、通讯：固话、计算机网络、无线通讯网络。5、道路：厂区道路保证大型货车和消防车辆直通车间、库房。第三章项目实行单位状况一、实行单位具有一定投资实力的企业或个体。二、厂址项目建设地点应考虑公路运送条件和电力配套条件，周围环境应考虑不扰民、无污染性企业。三、厂房（1）选矿、预处理车间面积不小于500m2（2）煅烧与粉碎车间不低于500m2（3）超纯水设备应单独安顿隔离，不低于300m2（4）提纯车间、检测室需按净化车间原则装修。面积不得不不小于1000m2（5）助剂罐及有关配套设施应单独安顿，面积300m2厂房总体高度应不小于6米，罐洗车间（提纯）应考虑不低于8米。四、基础配套原料堆放场地、冲洗池等应避雨淋排水好。原料、半成品、产成品库房应防潮，干燥通风，面积不低于1000m2其他应满足上述规定。第四章重要生产设备用途及技术指标表1：高纯石英砂生产线重要设备明细表序号设备名称型号功率（KW）处理能力1氧化锆颚式破碎机QHPE125×1503＞500kg/h2氧化锆对辊磨机QHZPG200×1253＞500kg/h3石英持续烧结炉φ3100-92590＞250kg/h4双级反渗透+EDI超纯水系统＜2210m35石英烧结水淬烘干系统＜456搅拌反应釜＜117清洗搅拌系统＜108离心机（液固分离）＜119干燥系统CF-C-IV10010强磁选211分级系统＜22＞300kg/h一、氧化锆颚式破碎机1、用途：属矿石粉碎设备，用于石英块石粉碎。2、重要特点：破碎比大，产物粒度构成均匀，调整以便接料以便，粉尘少，大大改善劳动条件。破碎齿板根据不一样物料需要可进行特殊加工制造。3、重要技术指标：进料口尺寸：125×150mm排料口调整范围：8-30mm最大进料粒度：140mm处理量（产能）：500-1000kg/h电机功率：3kw二、氧化锆对辊破碎机1、用途：该机重要由机座、扎辊与安全弹簧等部分构成，工作时由电动机经三角皮带轮、齿轮传动，两个轧辊按相反方向回转，挤压破碎物料。2、特点：轧辊间隙可以在规定的范围内合适调整，以控制出料粒度大小，针对不一样的物料及用途，双辊可选择特殊材质加工制造。该机密封式运行，无污染，操作以便。3、重要技术指标：双辊尺寸：200×125mm最大给料粒度：12mm出料粒度0.2-0.4mm（可调）处理量（产能）：500-1000kg/h电机动率：3kw三、石英持续烧结炉（煅烧炉）1、用途：石英矿石煅烧专用，使石英矿石便于粉碎和除杂。2、特点：可持续生产，加热元件均匀的布置在炉膛内，加热快，时间短。温控、加热时间及出炉时间均编入程序由电脑控制，以保证培（煅）烧过程的质量可靠稳定。炉室由含硅99.99%石英玻璃制作，可保证在生产过程中不对石英石有任何污染。节省能源，电动上料，自动出料，可减少操作人员减少劳动强度。3、重要技术指标：炉体直径：φ3100mm装机加热功率：90kw使用温度：925生产方式：间断式持续生产控制系统：PLC持续调整温控：PID持续调整处理能力：250-300kg/h保温效果：炉体侧面温度不超过室内温度20℃四、石英水淬烘干系统1、用途：煅烧后的石英石经水急冷（水淬）后需及时干燥。2、特点：简易、以便、安全、可靠3、重要技术规定：网孔板框料斗尺寸：根据出料量定做网孔板框料斗材质：316L不锈钢干燥炉加热功率：＜45kw冷却水淬箱体尺寸：根据出料量定做冷却水进出口：下进上出水淬液流量：有足够的散热能力冷却水余热：充足运用五、双级反渗透+EDI超纯水系统1、用途：使一般水获得超纯，综合膜技术、紫外、离子互换、超滤等技术，有效满足产品对有机物、金属离子、电阻率、细菌、溶解氧指标等特殊规定。2、反渗透：反渗透（ReverseOsmosis）即RORO双级设备是运用第一级的纯水进入第二级内作为二级反渗透使用，以便制取的纯水到达更高的品质，合用于高纯水生产的需要，亦可用于原水电导率较高的场所。3、电去离子：电去离子（electrodeionization）即EDIEDI是由电渗析和离子互换有机结合形成的一种新型膜分离技术，由于不需要酸碱化学再生而能持续制取高纯水，技术先进，操作简便，具有优秀的环境保护特性，是清洁的生产技术。在电子、电力、医药、冶金、化工、生物技术等领域得到日趋广泛的应用。4、重要技术指标：超纯水水质：电阻率18.25MΩ.cmTOC：＜10PPb颗粒物：1/mc（＜0.22um）微生物：＜1CFU/ml硅：＜3ppbCu2+：＜0.02ppbNH-：＜0.1ppbCL-4：＜0.05ppb处理能力：10m3功率：＜22kw六、搅拌清洗系统1、用途：用于石英砂清洗除杂。2、构成与特点：搅拌清洗系统由平台支架、搅拌装置超纯水供应装置，助剂输送装置，清洗液排放装置，砂浆输送装置。该系统重要特点：搅拌罐内表面和搅拌器表面做防腐特殊处理以防污染。系统中的管泵阀均采用耐酸碱防腐蚀无金属成分的特殊材料最大程度地减少了杂质混入。3、重要技术指标：搅拌清洗罐容积：500L×4内表面材质：高温搪瓷玻璃搅拌器表面材质：高温搪瓷玻璃搅拌器转速：80-100r/min电机功率：4kw×4助剂输送泵：0.75kw洗液排送泵：0.75kw清水泵：0.75kw砂浆泵：3kw×2管道阀门材质：ABS七、离心机脱水系统（SS1000）1、用途：用于石英砂清洗液的脱水。2、特点：SS型为三足上部人工卸料间歇操作的离心机，该机具有构造简朴，性能可靠，操作维修以便，过滤时间可随意掌握，滤渣能充足洗涤，固相颗粒不易被破坏等长处。3、重要技术指标：转鼓直径：1000mm转鼓有效高度：400mm装料限量：200kg转速：1000r/min工作容积：140L电机功率：7.5kw分离原因：560外形尺寸：×1540×980机器重量：1500kg八、干燥系统1、用途：用于清洗后的石英砂干燥脱水。2、特点：CT-C型系列热风循环烘箱配用低噪音耐高温轴流风机和自动温控系统，整个循环系统全封闭，使烘箱的热效率从老式烘房3-7%提高至40%，最高热效率可达50%。3、重要技术指标：行业原则型号：RXH-54-B每次干燥量：400kg散热面积：100m2风量：9800m3/h上下温差：±2外形尺寸：4460×2200×mm配用4门不锈钢烘车8辆配用烘盘：192只加热方式：电加热（镍铬丝）加热功率：84kw进出口高效过滤器：8台高温热风轴流风机：0.45kw×4九、振动筛筛分系统1、用途：S49-A系列振动筛是一种高精度细粉筛分机械，其噪音低，效率高，迅速换网需3-5分钟，全封闭构造，合用粒、粉等物料的筛分过滤。2、构造原理：S49-A系列旋振筛由直立式电机做振源，电机上下两端安装有偏心重锤，将电机内旋转运动转变为水平、垂直、倾斜的三次元运动，再把这个运动转速传给筛面。调整上、下两端的相位角，可以变化物料在筛面上的运动轨迹。3、重要技术指标：型号：S49-A1200有效筛面直径：φ1100mm有效筛分面积：0.9499m2筛网规格：2-500目/层数：2功率：1.1-1.5kw外形尺寸：1200×1200×850mm第五章质量管理与控制一、质量指标1、原料指标：白度、结晶度、纯度、杂质、块石大小尺寸、包装物2、产品指标：白度、粒度、纯度、杂质、水份、灼烧失量、水萃取液、熔点、包装3、助剂指标：比重、浓度、纯度、杂质二、质量控制原则与措施1、纯度：SJ3228-E89SJ3228-4-892、杂质：GB602-88SN/T0483-1995-33、水份：GB6284-864、灼烧失量：SJ3228、3-895、水萃取液：GB6908-86GB9724-866、密度：GB/T15344-19947、PH值：SJ/T10675-GB9724-868、包装：GB191-三、高纯石英砂重要技术指标1、外观为白色和无可见的机械杂质2、纯度规定：SiO2的含量一级不得少于99.99%，二级不得少于99.95%，三级不得少于99.90%。3、根据不一样行业的使用，可加工成不一样规格型号系列产品，适应顾客规定。其他杂质含量参照如下：表2：高纯石英砂成分规定（%）一级二级三级铁（Fe）0.000150.0002-0.00050.0005-0.0008铜（Cu）0.0000050.000020.00005铅（Pb）0.00050.0005氯（Cl）0.00150.002烧矢量0.050.05SiO2（总含量）≥99．99%≥99.95%≥99.90%Fe2O3＜1.5；Na＜1.5；K＜1.5；Li＜1.5；Mg＜0.5；Ca＜1.5；Cu＜1.5；Al＜1.5；P＜1.5；B＜0.1；C＜0.5；Ni＜0.5；Zr＜0.5以上13种有害杂质含量应＜50ppm。序号序号设备名称型号功能1FWS-1000ICP-AES扫描电感耦合等离子体发射光谱仪化学成分2T6型紫外/可见分光光度计化学成分3K、Na分析仪化学成分4MS-70水份测定仪含水量5分样筛（激光粒度分布测试仪）粒度及分布61g/1000000电子天平、分析天平样品秤量7电导率仪DDS-11A型电导率83-starPH计/ORP测量仪PH值9偏光显微镜包括体检测表3：高纯石英砂生产线重要检测仪器明细表第六章高纯石英砂生产线的实行方案及工艺阐明分选分析选分选分析选矿煅烧酸洗酸洗超纯水系统水淬超纯水系统水淬粉碎粉碎强磁选分机强磁选分机高纯水清洗高纯水清洗一、工序的设定1、选矿将矿石整顿分选，块石尺寸为30mm×30mm大小的块状，透明及半透明和白色不透明依次为一级、二级、三级，选出杂质含量较多的为废品。将选出的各级次矿块分别堆放或装入临时包装袋或周转箱中（网格箱）待冲洗处理。2、洗矿（1）将选好的矿石放入网格箱中，再置入清洗池中清水浸泡用高压水冲洗。（2）表面杂质多的需单独除杂。（3）清洗冲洗洁净，以表面肉眼观测无明显杂质为准，滤水待下一工序处理。3、煅烧（1）将洁净的块石倒入煅烧炉进料料斗。（2）将煅烧炉炉温设置为二区860℃，一区900（3）炉温到达设定值时启动提高机将块石倒入炉中。（4）设定好环形加热炉旋转时间、旋转行程和推杆出料时间以及进料量、进料间隔时间，出料时以块石煅烧发红为准。4、水淬（1）将煅烧发红的块石由出料推杆推出，经出料通道落入冷却水池中急冷，使其（矿石）构造变得疏松以利于下道工序粉碎。（2）冷却后将块石及时取出倒入网格箱中滤水，运用余热自然干燥。5、粉碎（1）将煅烧后的块石经颚式破碎机粉碎至8-10mm粒度大小，以便下道工序进料，被粉碎的物料由不锈钢料盒接装。（2）将8-10mm的粒石经对辊磨机粉碎至0.4-0.1mm的砂粒（石英砂）。被粉碎的物料由尼龙周转箱接装转运至振动筛或搅拌清洗系统。6、筛分将粉碎后的石英砂分为20目以上、20目-50目、50目-100目、100目-160目、160目-200目等若干粒度规格。此工序也可在搅拌清洗干燥后进行，完毕后精选包装。7、石英砂清洗石英矿石经浸泡、冲洗、煅烧、水淬、粉碎、筛分形成砂后需进入搅拌冲洗系统，进行二次清洗和多次高纯水清洗，以到达除杂和提高纯度。二、石英砂搅拌清洗系统的操作程序：（1）检查水系统和水源与否正常，与否有充足的超纯水。（2）依次启动搅拌器电机，观测运转与否正常。（3）向1#罐加入超纯水250L-350L（4）向1#罐加入石英砂，按水注入数量30%~40%加入石英砂，重量为85-140kg（根据详细状况）。（5）向1#罐注入高纯度盐酸，按水溶液的5-8%加入（根据状况或加入一定量的氢氟酸，盐酸与氢氟酸比例7：3）。（6）启动1#罐电加热器调至60℃（7）搅拌反应20分钟-30分钟，沉淀。（8）由1#罐排水口排去酸溶液，加超纯水适量，搅拌清洗。（9）将1#罐砂浆料由于1#砂浆泵输送至2#、3#、4#……清洗罐清洗。（10）清洗1#罐，进行第2轮作业，以此周而复始。2#罐清洗完毕由2#砂浆泵输送至离心机进行液固分离。3#罐清洗完毕由2#砂浆泵输送至离心机进行液固分离。4#罐清洗完毕由2#砂浆泵输送至离心机进行液固分离。……8、液固分离将清洗洁净的石英砂浆料由2#砂浆泵输送至离心机脱水。离心机开机程序：（1）启动离心机使其运转平稳。（2）启动2#砂浆泵将2-4#……清洗罐内的石英砂浆料输送至离心机。（3）经离心机液固分离的石英砂装盘送入烘箱干燥清除水份。9、干燥将石英砂装入烘盘，将烘盘放置车架上推进烘箱干燥。烘箱温度设定为180℃10、磁选将被烘干物均匀到入磁选机进行磁选。11、磁选后的物料再经人工精细