La cuarcita es una roca metamórfica compuesta principalmente de cuarzo. No es nada común; en cambio, constituye un recurso mineral crucial que sustenta numerosos sectores industriales. Se forma mediante la recristalización metamórfica regional o el metamorfismo de contacto de protolitos como la arenisca de cuarzo, otras rocas silíceas o rocas ricas en sílice cerca de cuerpos magmáticos. El mineral de cuarcita consiste en cuarzo criptocristalino y posee una textura cristalina granular distintiva con agregados cristalinos. Su componente principal, el cuarzo (SiO₂), representa más del 851 TP₂ de su composición, lo que proporciona una base sólida para sus aplicaciones industriales.
Los yacimientos de cuarcita ofrecen importantes ventajas industriales. No solo son de gran escala, sino también geológicamente estables y con condiciones mineras favorables, lo que los hace muy adecuados para la producción industrial a gran escala. Sin embargo, la cuarcita también presenta limitaciones notables: generalmente es muy dura y su purificación de impurezas es difícil. Por ello, no se suele utilizar en la producción de arena de cuarzo de pureza media a alta. En cambio, la cuarcita se aplica principalmente a gran escala en campos donde no se requiere una alta pureza de cuarzo, como la arena para vidrio, la arena para impresión 3D y las materias primas para silicio metálico.
En cuanto a la distribución de recursos, China es rica en recursos minerales de cuarcita, con hasta 399 zonas mineras. La distribución de los yacimientos de cuarcita varía según su uso previsto. Entre ellos, hay 242 yacimientos de cuarcita para la producción de vidrio, concentrados principalmente en Liaoning, Anhui, Jiangxi, Shandong y Fujian. También se encuentran algunas zonas mineras más grandes en Qinghai, aunque su número es relativamente pequeño. Existen 155 yacimientos de cuarcita para fines metalúrgicos, ubicados principalmente en Pekín, Ningxia, Qinghai, Gansu, Shaanxi, Mongolia Interior y Liaoning.
Presencia de impurezas en el mineral de cuarcita
Las impurezas presentes en el mineral de cuarcita se dividen en tres tipos principales: minerales asociados a la ganga, impurezas de inclusión y defectos e impurezas cristalinas. Los diferentes tipos de impurezas tienen un impacto variable en el valor industrial de la cuarcita.
Minerales de ganga asociados
Los minerales de ganga asociados a la mena metamórfica de cuarcita generalmente dependen de las condiciones metamórficas. Minerales como la clorita, la moscovita, la sericita o el anfíbol son más comunes en rocas metamórficas de baja ley, mientras que la cianita, la estaurolita o el granate se encuentran en rocas metamórficas regionales de alta ley. Las cuarcitas de diferentes orígenes metamórficos también suelen contener diferentes minerales de ganga. Durante el beneficio y la purificación, se deben seleccionar los procesos y métodos específicos en función de las características de la mena.
Impurezas de inclusión
Las impurezas de inclusión se pueden clasificar en inclusiones minerales, inclusiones fundidas e inclusiones fluidas. Las inclusiones minerales suelen formarse junto con los cristales de cuarzo, lo que significa que los minerales de ganga están encerrados en ellos. El tipo y la cantidad de inclusiones minerales generalmente tienen un impacto significativo en la composición de oligoelementos del cuarzo. La separación de inclusiones minerales comunes en el cuarzo, como feldespato, hematita/limonita, mica, caolinita, calcita, turmalina, rutilo y circón, es bastante compleja.
Las inclusiones fundidas suelen consistir en minerales de silicato fundido provenientes de fluidos formadores de mena o soluciones hidrotermales. Estos minerales de silicato fundido no se separan del fluido de sílice antes de la cristalización del cuarzo, quedando atrapados en fluidos ricos en silicio o soluciones hidrotermales. Las inclusiones fluidas se clasifican generalmente en inclusiones gaseosas, líquidas y bifásicas gas-líquidas. En las materias primas industriales de cuarzo, las inclusiones fluidas suelen afectar la composición química y la calidad de la materia prima, influyendo en sus propiedades de fusión. Sin embargo, en la cuarcita formada por metamorfismo, la cantidad de inclusiones fluidas suele ser baja y no suelen ser un problema importante en aplicaciones de arena de cuarzo de ley media a baja.
Impurezas por defectos de cristal
Algunas aplicaciones industriales requieren materias primas de cuarzo de alta pureza, lo que convierte las impurezas reticulares en el mineral de cuarzo en un factor crítico. Estas impurezas se producen debido a sustituciones atómicas durante la mineralización o a desequilibrios locales en la relación silicio-oxígeno, lo que provoca defectos cristalinos durante la cristalización. Los defectos cristalinos en el cuarzo generalmente se relacionan con la intrusión de átomos heterogéneos (como Al, Ti, Ge, Fe, H, Ag, Cu, P) en sitios reticulares o intersticiales, así como en vacantes de Si u O.
En función de estas características, se suelen clasificar en centros de defectos intrínsecos y centros de defectos extrínsecos. En el mineral de cuarzo, el aluminio (Al) es una de las impurezas reticulares más comunes. En el mineral de cuarzo de menor calidad, el contenido de Al puede superar los 1000 μg/g. Para la producción de arena de cuarzo de alta pureza, que exige una calidad extremadamente alta, las impurezas reticulares son cruciales. Sin embargo, en el caso de la arena de vidrio común o la arena de cuarzo utilizada en el vidrio fotovoltaico, las impurezas reticulares no suelen ser un problema importante.
Principales aplicaciones industriales de la cuarcita
Gracias a sus propiedades físicas y químicas únicas, la cuarcita desempeña un papel irreemplazable en múltiples sectores industriales, siendo las industrias del vidrio y la metalurgia sus principales campos de aplicación.
Cuarcita para vidrio
La industria del vidrio es el mayor consumidor de recursos de cuarzo. El cuarzo se utiliza ampliamente en la construcción, la automoción, las nuevas energías y otros sectores. Entre los principales productos de vidrio se incluyen el vidrio plano, el vidrio para envases, el vidrio templado, el vidrio fotovoltaico y el vidrio electrónico.
En China, los recursos de cuarzo utilizados para la fabricación de productos de vidrio convencionales, como el vidrio plano y el vidrio templado, presentan requisitos relativamente bajos. Estos pueden obtenerse de recursos de cuarcita a gran escala, de fácil extracción y procesamiento. En cambio, la arena de cuarzo para vidrio ultratransparente con bajo contenido de hierro, como el vidrio fotovoltaico, requiere una pureza ligeramente superior y otros indicadores. Esto puede obtenerse mediante el procesamiento profundo de recursos de cuarcita de alta calidad.
El vidrio fotovoltaico ultraclaro presenta mayor transparencia que el vidrio convencional, lo que hace que el contenido de hierro sea un factor crítico. El TiO₂ puede mejorar la absorción ultravioleta, reducir la transmitancia de la luz UV y visible, e interactuar con impurezas de Fe³⁺, lo que provoca una coloración intensa y afecta el rendimiento del vidrio fotovoltaico ultraclaro. Por lo tanto, al producir vidrio fotovoltaico ultraclaro, es especialmente importante seleccionar mineral de cuarcita en bruto con bajo contenido de impurezas de TiO₂ y Fe₂O₃ y reducir la reducción de óxido de hierro en la materia prima de cuarcita.
Cuarcita para metalurgia
En el campo metalúrgico, la cuarcita es igualmente indispensable. Es la principal fuente de silicio en la producción industrial. Sin embargo, en la producción real, debido a las diferencias en el origen y la formación de la cuarcita, incluso cuarcitas con composiciones químicas similares pueden presentar variaciones en sus propiedades físicas y químicas, como el punto de fusión, la estabilidad térmica y la resistencia a la explosión. La estructura y la densidad de la cuarcita también afectan sus propiedades de fusión y reducción, lo que, en última instancia, influye en las condiciones del horno y la calidad del silicio industrial.
Durante la fundición industrial de silicio, el proceso de transformación de la fase cristalina del cuarzo varía, lo que provoca diferentes cambios estructurales. Dadas las altas temperaturas que se alcanzan en la fundición industrial de silicio, el uso de materias primas de cuarzo inadecuadas puede reducir la reactividad y la permeabilidad de la carga del horno. Esto, en última instancia, reduce la tasa de recuperación de silicio, aumenta los costos de producción y empeora los indicadores de rendimiento. Por lo tanto, al seleccionar yacimientos de cuarcita, es necesario no solo realizar un análisis de la composición química del mineral en bruto, sino también realizar pruebas físicas y químicas esenciales.
Además, la cuarcita para metalurgia es una de las principales materias primas para la fundición de ferrosilicio. Su contenido de SiO₂ debe ser superior a 97%. Cuanto menor sea el contenido de SiO₂, mayor será la temperatura requerida durante la fundición. Además, la cuarcita debe poseer buenas características termogravimétricas y de capacidad térmica, lo que permite la formación eficiente de carburo de silicio con agentes reductores carbonosos, minimizando al mismo tiempo la pérdida de peso. De lo contrario, se consumirá más agente reductor y electricidad, lo que reducirá la tasa de recuperación de elementos.
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