El dióxido de silicio es el principal componente estructural del vidrio. Contribuye a su alta resistencia y buena estabilidad química. Por eso... La arena de cuarzo es la materia prima industrial más importante en la industria del vidrio.Se utiliza en vidrio plano, vidrio para envases, vidrio ultratransparente, vidrio fotovoltaico, vidrio de cuarzo y más.
Según las estadísticas, la producción de vidrio plano de China en 2023 fue de 969,418 millones de cajas. El consumo de arena de cuarzo fue de aproximadamente 32,47 millones de toneladas.
También en 2023, China produjo 24,783 millones de toneladas de vidrio laminado fotovoltaico. Se necesitan aproximadamente 0,71 toneladas de arena de cuarzo con bajo contenido de hierro para producir una tonelada de vidrio fotovoltaico, por lo que el consumo total de arena de cuarzo fue de aproximadamente 17,6 millones de toneladas.
Según estas cifras, China necesitará más de 50 millones de toneladas de arena de cuarzo sólo para vidrio plano y vidrio fotovoltaico en 2023.
Los requisitos de calidad de la arena de cuarzo en la industria del vidrio se centran principalmente en tres aspectos: composición química, estabilidad y tamaño de partícula. Cada tipo de vidrio requiere un tipo de arena de cuarzo distinto.
Los principales tipos de productos de vidrio incluyen vidrio plano, vidrio para contenedores, vidrio templado, vidrio fotovoltaico y vidrio electrónico.
Actualmente, China tiene menores requisitos para el cuarzo utilizado en productos de vidrio convencionales, como el vidrio plano y templado. Estos tipos de cuarzo pueden provenir de yacimientos grandes y fáciles de extraer, como la arenisca de cuarzo y la cuarcita.
Para vidrio ultratransparente con bajo contenido de hierro, como el vidrio fotovoltaico, la arena de cuarzo debe ser de una calidad ligeramente superior. Esta puede producirse a partir de arenisca de cuarzo de alta calidad, cuarzo veteado, cuarcita o arena de cuarzo natural.
El vidrio de cuarzo necesita arena de cuarzo de alta pureza.
1. Vidrio plano
Desde 1988, China ha sido el principal productor mundial de vidrio plano durante 35 años consecutivos. Otros países aún no han alcanzado su nivel.
Se espera que en 2024, la producción de vidrio plano de las principales empresas de China alcance los 1.000 millones de cajas de peso, un aumento de 2,91 TP3T respecto del año anterior.
El vidrio plano es el material básico utilizado en el procesamiento posterior del vidrio. Generalmente se refiere al vidrio plano común, también conocido como vidrio original o transparente. Es el tipo de vidrio más utilizado.
Los productos de vidrio plano incluyen vidrio armado, vidrio estampado, ladrillos de vidrio, vidrio aislante y otros.
Los distintos productos de vidrio plano requieren diferentes tipos de arena de cuarzo. Según su composición química y tamaño de partícula, la arena de cuarzo utilizada en vidrio plano se divide en dos grados:
Clase I: menor contenido de óxido de aluminio (Al₂O₃)
Clase II: mayor contenido de óxido de aluminio
La norma industrial JC/T 529-2000 “Materias primas de sílice para vidrio plano” establece requisitos para la composición química, el tamaño de partícula y otras propiedades de la arena de cuarzo utilizada en vidrio plano.
Requisitos de composición química y contenido de humedad de la arena de cuarzo para vidrio plano
| Cuarzo Grado de arena | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| Clase I | ||||
| Grado Premium | ≥98,50 | ≤0,50 | ≤0,05 | |
| ≥98,00 | ≤1,20 | |||
| Primer grado | ≥98,50 | ≤0,70 | ≤0,10 | |
| ≥97,50 | ≤1,20 | ≤5.00 | ||
| Segundo Grado | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,15 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Tercer grado | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,20 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Clase II | ||||
| Primer grado | ≥92,00 | ≤4.00 | ≤0,20 | |
| Segundo Grado | ≥90,50 | ≤4,50 | ≤0,30 |
Requisitos de valores de fluctuación de la composición química en arena de cuarzo para vidrio plano
| Grado de arena de cuarzo | Valor de fluctuación de la composición química % | ||
| SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| Clase I | |||
| Grado Premium | ±0,20 | ±0,10 | ±0,01 |
| Primer grado | ±0,30 | ±0,15 | – |
| Segundo Grado | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Tercer grado | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Clase II | |||
| Primer grado | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Segundo Grado | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Grado de arena de cuarzo | Composición del tamaño de partícula / % | |||
| +1 mm | +710 µm | +500 µm | -100 µm(-125 µm) | |
| Clase I | ||||
| Grado Premium | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| Primer grado | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5.0 (5.0) | ≤10,0 (5,0) |
| Segundo Grado | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20,0 (8,0) |
| Tercer grado | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20,0 (8,0) |
| Clase II | ||||
| Primer grado | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| Segundo Grado | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
Nota:Los valores entre paréntesis son los requisitos para los productos de arena de sílice natural.
2. Vaso diario
El vidrio de uso diario incluye botellas, recipientes, cristalería de laboratorio y vidrio farmacéutico. Estos se utilizan para envases en alimento, industrias de bebidas, cervecerías y farmacéuticas, por ejemplo, botellas de cerveza, vasos para bebidas, decoraciones de vidrio y frascos de medicamentos.
El vidrio de borosilicato farmacéutico debe resistir el calor y la corrosión química.
La arena de cuarzo se funde a una temperatura elevada de aproximadamente 1730 °C. El tamaño de las partículas de cuarzo influye en la formación del vidrio.
En la producción real, los granos de cuarzo deben ser angulares y tener una gran superficie, lo que ayuda a evitar la separación de materiales durante la mezcla. El rango ideal de tamaño de partícula es de 60 a 140 mallas.
La norma industrial DZ/T 0207-2002 “Especificaciones para la exploración geológica de materias primas de sílice de vidrio” describe los requisitos de calidad para la arena de cuarzo utilizada en el vidrio para envases.
Requisitos de calidad de la arena de cuarzo para envases de vidrio
| Indicador | Grado 1 | Grado 2 | Grado 3 |
|---|---|---|---|
| w(SiO₂)/% | >99 | >96 | >90 |
| w(Al₂O₃)/% | <1.0 | <2.0 | <4.0 |
| w(Fe₂O₃)/% | <0,05 | <0,10 | <0,35 |
| w(Cr₂O₃)/% | <0,001 | — | — |
| Nota: | Cristalería de laboratorio (excepto cristal) | Vidrio para envases en general y vidrio incoloro | Botellas y frascos de vidrio comunes |
3. Vidrio fotovoltaico
El vidrio fotovoltaico se fabrica a partir de láminas de vidrio ultrablanco mediante un procesamiento profundo.
El vidrio ultrablanco, también conocido como vidrio con bajo contenido de hierro o de alta transparencia, es un nuevo tipo de vidrio con una transmitancia de luz muy alta (≥ 91,5%), bajo contenido de hierro (normalmente 100-150 ppm) y una apariencia extremadamente clara.
Porque el vidrio fotovoltaico debe dejar entrar la mayor cantidad de luz posible, Requiere arena de cuarzo con muy bajo contenido de hierro.El hierro en la arena puede manchar el vidrio y reducir la transmisión de luz.
La norma industrial JC/T 2314-2015 “Materias primas de silicio para vidrio fotovoltaico” establece estrictos requisitos de calidad para la arena de cuarzo utilizada en este tipo de vidrio.
| Parámetro | Grado 1 | Grado 2 |
|---|---|---|
| SiO₂/% | ≥99,5 | ≥99.0 |
| Al₂O₃/% | ≤0,20 | ≤0,50 |
| TiO₂/(mg/kg) | ≤10 | ≤20 |
| Fe₂O₃/(mg/kg) | ≤60 | ≤80 |
| Cr₂O₃/(mg/kg) | ≤2 | ≤5 |
| Residuo de tamiz de 1,0 mm/% | – | 0 |
| Residuo de tamiz de 0,6 mm/% | ≤1,5 | ≤1,5 |
| 0,1 mm de tamaño inferior/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
| Humedad adsorbida/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
La pureza de la arena de cuarzo se mide principalmente por su contenido de dióxido de silicio (SiO₂). Para el vidrio fotovoltaico, el contenido de SiO₂ requerido es al menos 99,99% (llamado nivel 4N), y algunos productos de alta gama incluso requieren 99,998% (nivel 4N8).
Esto es mucho más alto que el vidrio normal, que generalmente necesita SiO₂ ≥ 99,5%, porque incluso las impurezas más pequeñas pueden reducir la transmitancia de luz del vidrio y reducir la eficiencia de los paneles solares.
Algunos requisitos clave:
• Hierro (Fe): El Fe₂O₃ es un indicador crítico, ya que el hierro afecta el color y la transparencia.
La norma JC/T 2314-2015 requiere Fe₂O₃ ≤ 100 ppm, pero muchos fabricantes lo controlan por debajo de 50 ppm.
Para el vidrio ultrablanco, Fe₂O₃ debe ser ≤ 0,015% (150 ppm) y los productos de alta gama a menudo requieren ≤ 80 ppm.
• Titanio (Ti): TiO₂ ≤ 300 ppm. Un exceso de titanio puede amarillear el vidrio y bloquear la luz.
• Aluminio (Al) y calcio (Ca): Al₂O₃ ≤ 100 ppm, CaO ≤ 0,11 TP3T. Cantidades elevadas pueden provocar la formación de cristales a altas temperaturas o afectar la fusión del vidrio.
• Metales alcalinos (K, Na): El total de K₂O + Na₂O debe ser ≤ 2,5 μg/g para evitar la acumulación de álcali en la superficie y problemas de conductividad.
• Oligoelementos: B ≤ 5 μg/g, Mn ≤ 1 μg/g. Los minerales pesados como Cr y Ni deben tener una concentración ≤ 5 ppm para evitar defectos o afectar el rendimiento eléctrico.
El tamaño de las partículas de arena de cuarzo también es importante. Afecta la uniformidad con la que se funde el vidrio y la cantidad de luz que puede atravesar.
La arena de cuarzo para vidrio fotovoltaico debe tener un tamaño de partícula de entre 70 y 350 μm, y al menos el 90% de la arena debe estar dentro de este rango. Si las partículas son demasiado pequeñas (<100 μm), se funden demasiado pronto y reducen la transferencia de calor.
Si las partículas son demasiado grandes (>300 μm), es posible que no se fundan completamente y produzcan burbujas o piedras en el vidrio.
Requisitos de clasificación típicos para arena de cuarzo para vidrio fotovoltaico:
• 0,1–0,25 mm (100–250 μm): 5%–20%
• 0,25–0,5 mm (250–500 μm): 20%–35%
4. Vidrio electrónico
El vidrio electrónico incluye el vidrio de sustrato para pantallas, el vidrio de cubierta de alta resistencia y el vidrio ultrafino para pantallas táctiles. Algunos ejemplos son las fundas para teléfonos móviles, las pantallas táctiles y las pantallas de tabletas. La mayoría de los vidrios de cubierta para pantallas táctiles actuales están hechos de vidrio de silicato con alto contenido de alúmina.
Por ejemplo, el vidrio utilizado en los sustratos de las pantallas TFT-LCD (pantallas de cristal líquido con transistores de película fina) no debe contener óxidos de metales alcalinos. Para garantizar la estabilidad química y evitar impurezas nocivas, la materia prima de cuarzo debe someterse a un proceso de beneficio y purificación para controlar los niveles de Fe, K y Na.
La norma Q/245400 KS02-2020 de Kaisheng Quartz Materials (Huangshan Co., Ltd.) proporciona requisitos específicos para el tamaño de partícula y la composición química del polvo de cuarzo de alta pureza utilizado en sustratos de vidrio TFT-LCD.
Tabla 1: Requisitos de distribución del tamaño de partículas (análisis de tamiz)
| Parámetro | +150μm (+100 mallas) | -150 μm ~ +106 μm (malla de -100 ~ +140) | -75 μm ~ +45 μm (malla de -200 ~ +325) | -45 μm ~ +20 μm (malla de -325 ~ +635) | -20 μm (malla -635) |
| Estándar | 0 | ≤2,5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
Tabla 2: Requisitos del análisis del tamaño de partículas láser
| Parámetro | D₁₀ (μm) | D₅₀ (μm) | D₉₀ (μm) |
| Estándar | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
Tabla 3: Especificaciones de composición química
| Parámetro | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | SO₃ | TiO₂ | Cr+Ni+Co+Mn |
| Límite/% | ≥99,8 | ≤0,05 | ≤0,01 | ≤0,02 | ≤0,03 | ≤0,002 | ≤0,001 |
| Parámetro | CaO | Cl | MgO | Cu | F | Zr | Carta de intención |
| Límite/% | ≤0,02 | ≤0,001 | ≤0,003 | ≤0,001 | ≤0,001 | ≤0,001 | <0,1 |
5. Vidrio de cuarzo
El vidrio de cuarzo se considera la “joya de la corona” de los materiales de vidrio.
Está hecho completamente de SiO₂ y tiene excelentes propiedades mecánicas, térmicas, ópticas y eléctricas.
El vidrio de cuarzo se utiliza ampliamente en semiconductores, dispositivos ópticos, fibra óptica, energía solar y más.
Tiene una excelente transmisión de luz en longitudes de onda ultravioleta, visible e infrarroja (160–4500 nm), lo que lo hace importante para la iluminación industrial.
En instrumentos ópticos, el vidrio de cuarzo se utiliza en espectrómetros, cámaras infrarrojas, prismas y lentes.
Puede soportar temperaturas muy altas, normalmente entre 800 y 1000 °C.
El vidrio de cuarzo óptico también se utiliza en equipos de fotografía de alta temperatura, como ventanas de observación, telémetros y telescopios grandes.
El vidrio de cuarzo se fabrica utilizando arena de cuarzo de alta pureza, procesada mediante métodos de fusión eléctrica o refinación de gas.
Comparación de los procesos de producción de materiales de cuarzo
| Material | Arena de cuarzo/cristal natural | Arena de cuarzo/cristal natural | Tetracloruro de silicio | Tetracloruro de silicio |
| Proceso | Fusión eléctrica: calentamiento por resistencia a la presión del arco o del vacío | Fusión de llama de gas: Fusión por llama de oxígeno e hidrógeno | MCVD: Hidrólisis en llama de oxígeno e hidrógeno | PCVD: Oxidación a alta temperatura en llama de plasma sin hidrógeno |
| Propiedades | – Contenido de OH: 150 ppm – Todo el contenido: 30-100 ppm – Metales alcalinos: 5-10 ppm | – Contenido de OH: 180-250 ppm – Contenido de Al: <20 ppm – Metales alcalinos: <5 ppm | – Contenido de OH: >1000 ppm – Contenido de H: >100 ppm – Impurezas metálicas: <1 ppm | – Contenido de OH: <5 ppm – Impurezas: <1 ppm – Contenido de N: <200 ppm – Rango de transmisión: 0,18-3,5 μm |
| Ventajas | Contenido de OH más bajo que la fusión a la llama Punto de ablandamiento 50-100 °C más alto que otros métodos | – Alta eficiencia térmica – Baja pérdida de material – Pocas burbujas – Mejor transmisión de rayos UV – Resistencia superior a la cristalización – Mayor vida útil – Menor costo de producción | – Impurezas ultrabajas – Excelente homogeneidad óptica – Transmisión UV – Resistencia a la radiación | – Pureza: >99,9999% – Contenido de OH extremadamente bajo -Excelente homogeneidad óptica |
| Desventajas | Mayor contenido de metal | Mayor contenido de OH Punto de ablandamiento más bajo que los productos de fusión eléctrica | Contenido excesivo de OH Alto costo de la materia prima | Altos costos de materia prima y producción |
Por ejemplo, los productos de arena de cuarzo de alta pureza de Sibelco (anteriormente Unimin), como las series IOTA6, IOTASTD e IOTACG, son materiales clave para fabricar equipos de iluminación como lámparas de xenón para automóviles, lámparas halógenas, lámparas de descarga de alta intensidad y lámparas de rendimiento ultra alto.
Requisitos de elementos de impureza para la arena de cuarzo en la fabricación de vidrio de cuarzo
| Aplicación industrial | Origen | Elementos principales de impurezas y contenido (ppm) | |||||||
| Alabama | Fe | Ti | California | B | K | N / A | Li | ||
| Fuente de luz eléctrica | Porcelana | Total: 50-100 ppm | |||||||
| Industria química | checo | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| Semiconductor | Porcelana | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| Semiconductor (de alto grado) | EE.UU | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| Rusia | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| Tubos de fibra óptica | Brasil | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| Lentes ópticas | EE.UU | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
