La quartzite est une roche métamorphique composée principalement de quartz. Loin d'être ordinaire, elle constitue une ressource minérale essentielle pour de nombreux secteurs industriels. Elle se forme par recristallisation métamorphique régionale ou métamorphisme de contact de protolithes tels que le grès quartzeux, d'autres roches siliceuses ou des roches riches en silice proches de corps magmatiques. Le minerai de quartzite est composé de quartz cryptocristallin et possède une texture cristalline granuleuse particulière avec des agrégats cristallins. Son principal composant, le quartz (SiO₂), représente plus de 851 TP3T de sa composition, ce qui constitue une base solide pour ses applications industrielles.
Les gisements de quartzite offrent des avantages industriels considérables. Non seulement ils sont de grande taille, mais ils sont également géologiquement stables et bénéficient de conditions d'exploitation favorables, ce qui les rend particulièrement adaptés à la production industrielle à grande échelle. Cependant, le quartzite présente également des limites notables : il est généralement très dur et sa purification des impuretés est complexe. De ce fait, il n'est généralement pas utilisé pour la production de sable de quartz de pureté moyenne à élevée. Il est plutôt principalement utilisé à grande échelle dans des domaines où une pureté élevée du quartz n'est pas requise, comme le sable de verre, le sable d'impression 3D et les matières premières pour le silicium métallique.
En termes de répartition des ressources, la Chine est riche en quartzite, avec pas moins de 399 zones minières. La répartition des gisements de quartzite varie selon leur utilisation prévue. Parmi eux, on compte 242 gisements de quartzite destinés à la production de verre, principalement concentrés dans le Liaoning, l'Anhui, le Jiangxi, le Shandong et le Fujian. On trouve également des zones minières plus importantes au Qinghai, bien que leur nombre soit relativement faible. On compte 155 gisements de quartzite à usage métallurgique, principalement situés à Pékin, au Ningxia, au Qinghai, au Gansu, au Shaanxi, en Mongolie-Intérieure et au Liaoning.
Présence d'impuretés dans le minerai de quartzite
Les impuretés présentes dans le minerai de quartzite peuvent être classées en trois principaux types : les minéraux de gangue associés, les impuretés d'inclusion, et les défauts et impuretés cristallins. L'impact de ces impuretés sur la valeur industrielle du quartzite varie.
Minéraux de gangue associés
Les minéraux de gangue associés au minerai de quartzite métamorphique dépendent généralement des conditions métamorphiques. Des minéraux comme la chlorite, la muscovite, la séricite ou l'amphibole sont plus fréquents dans les roches métamorphiques de faible degré, tandis que la kyanite, la staurotide ou le grenat se trouvent dans les roches métamorphiques régionales de degré élevé. Les quartzites d'origines métamorphiques différentes contiennent également généralement des minéraux de gangue différents. Lors de l'enrichissement et de la purification, des procédés et des méthodes ciblés doivent être sélectionnés en fonction des caractéristiques du minerai.
Impuretés d'inclusion
Les impuretés d'inclusion peuvent être classées en inclusions minérales, inclusions fondues et inclusions fluides. Les inclusions minérales se forment généralement à proximité des cristaux de quartz, ce qui signifie que les minéraux de la gangue sont enfermés dans ces cristaux. Le type et la quantité d'inclusions minérales ont généralement un impact significatif sur la composition en oligo-éléments du quartz. La séparation des inclusions minérales courantes dans le quartz, telles que le feldspath, l'hématite/limonite, le mica, la kaolinite, la calcite, la tourmaline, le rutile et le zircon, est un véritable défi.
Les inclusions fondues sont généralement constituées de minéraux silicatés fondus provenant de fluides minéralisateurs ou de solutions hydrothermales. Ces minéraux silicatés fondus ne se séparent pas du fluide siliceux avant la cristallisation du quartz et sont piégés dans des fluides riches en silicium ou des solutions hydrothermales. Les inclusions fluides sont généralement classées en inclusions gazeuses, liquides et biphasiques gaz-liquide. Dans les matières premières industrielles à base de quartz, les inclusions fluides affectent souvent la composition chimique et la qualité du quartz, influençant ainsi ses propriétés de fusion. Cependant, dans le quartzite métamorphique, le nombre d'inclusions fluides est généralement faible et ne constitue généralement pas un problème majeur dans les applications de sable de quartz de teneur moyenne à faible.
Impuretés cristallines défectueuses
Certaines applications industrielles requièrent une très grande pureté des matières premières en quartz, ce qui rend les impuretés du réseau cristallin du minerai de quartz critiques. Ces impuretés sont dues à des substitutions atomiques lors de la minéralisation ou à des déséquilibres locaux du rapport silicium/oxygène, entraînant des défauts cristallins lors de la cristallisation. Ces défauts sont généralement liés à l'intrusion d'atomes hétérogènes (tels que Al, Ti, Ge, Fe, H, Ag, Cu, P) dans le réseau cristallin ou les sites interstitiels, ainsi qu'à des lacunes de Si ou d'O.
Sur la base de ces caractéristiques, on les classe généralement en centres de défauts intrinsèques et centres de défauts extrinsèques. Dans le minerai de quartz, l'aluminium (Al) est l'une des impuretés de réseau les plus courantes. Dans le minerai de quartz de moindre qualité, la teneur en Al peut dépasser 1 000 μg/g. Pour la production de sable de quartz de haute pureté, qui exige une qualité extrêmement élevée, les impuretés de réseau ne doivent pas être négligées. En revanche, pour le sable de verre ordinaire ou le sable de quartz utilisé dans le verre photovoltaïque, les impuretés de réseau ne constituent généralement pas un problème majeur.
Principales applications industrielles du quartzite
Grâce à ses propriétés physiques et chimiques uniques, le quartzite joue un rôle irremplaçable dans de nombreux secteurs industriels, les industries du verre et de la métallurgie étant ses principaux domaines d'application.
Quartzite pour le verre
L'industrie du verre est la plus grande consommatrice de quartz. Le quartz est largement utilisé dans la construction, l'automobile, les nouvelles énergies et d'autres secteurs. Les principaux produits verriers comprennent le verre plat, le verre d'emballage, le verre trempé, le verre photovoltaïque et le verre électronique.
En Chine, les ressources en quartz utilisées pour la fabrication de produits verriers conventionnels, tels que le verre plat et le verre trempé, nécessitent relativement peu de ressources. Celles-ci peuvent être obtenues à partir de ressources de quartzite à grande échelle, faciles à extraire et à traiter. En revanche, le sable de quartz utilisé pour la fabrication de verres ultra-clairs à faible teneur en fer, comme le verre photovoltaïque, requiert une pureté et des caractéristiques légèrement supérieures. Ce procédé permet d'obtenir ce type de quartzite de haute qualité grâce à un traitement en profondeur.
Le verre photovoltaïque ultra-clair présente une transparence supérieure à celle du verre ordinaire, ce qui rend la teneur en fer un facteur crucial. Le TiO₂ peut améliorer l'absorption des ultraviolets, réduire la transmission des UV et de la lumière visible, et interagir avec les impuretés Fe³⁺, provoquant une coloration intense et affectant les performances du verre photovoltaïque ultra-clair. Par conséquent, lors de la production de ce verre, il est particulièrement important de sélectionner du minerai de quartzite à faible teneur en impuretés TiO₂ et Fe₂O₃ et de réduire la réduction d'oxyde de fer dans la matière première.
Quartzite pour la métallurgie
Dans le domaine métallurgique, le quartzite est tout aussi indispensable. Il constitue la principale source de silicium pour la production industrielle. Cependant, en production réelle, en raison des différences d'origine et de formation du quartzite, même des quartzites de compositions chimiques similaires peuvent présenter des propriétés physiques et chimiques différentes, telles que le point de fusion, la stabilité thermique et la résistance à l'explosion. La structure et la densité du quartzite influencent également ses propriétés de fusion et de réduction, ce qui influence in fine les conditions du four et la qualité du silicium industriel.
Lors de la fusion industrielle du silicium, le processus de transformation de la phase cristalline du quartz varie, entraînant des modifications structurelles variées. Compte tenu des températures élevées impliquées dans la fusion industrielle du silicium, l'utilisation de matières premières en quartz inadaptées peut entraîner une faible réactivité et une faible perméabilité de la charge du four. Cela réduit le taux de récupération du silicium, augmente les coûts de production et dégrade les indicateurs de performance. Par conséquent, lors du choix des sites d'extraction de quartzite, il est nécessaire non seulement de procéder à une analyse de la composition chimique du minerai brut, mais aussi de réaliser des tests physiques et chimiques essentiels.
De plus, le quartzite est l'une des principales matières premières pour la métallurgie du ferrosilicium. Sa teneur en SiO₂ doit être supérieure à 97%. Plus cette teneur est faible, plus la température de fusion requise est élevée. De plus, le quartzite doit posséder de bonnes caractéristiques thermogravimétriques et de capacité thermique, permettant une formation efficace de carbure de silicium avec des réducteurs carbonés tout en minimisant la perte de poids. Dans le cas contraire, une consommation accrue de réducteurs et d'électricité serait nécessaire, réduisant ainsi le taux de récupération des éléments.
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