珪岩：重要な産業鉱物

クォーツァイトは、主に石英からなる変成岩です。ありふれた鉱物資源とはかけ離れ、多くの産業分野を支える重要な鉱物資源となっています。クォーツァイトは、石英砂岩、その他の珪質岩、あるいはマグマ岩体近傍のシリカを豊富に含む岩石などの原岩の広域変成再結晶作用または接触変成作用によって形成されます。クォーツァイト鉱石は隠微晶質石英から成り、結晶質の集合体を含む独特の粒状結晶組織を有しています。主成分である石英（SiO₂）は、その組成の85%以上を占め、産業用途の確固たる基盤となっています。

珪岩鉱床は、工業的に大きな利点を有しています。規模が大きいだけでなく、地質学的に安定しており、採掘条件も良好であるため、大規模な工業生産に非常に適しています。しかし、珪岩には顕著な制約もあります。一般的に非常に硬く、不純物の精製が困難です。そのため、中純度から高純度の珪砂の製造にはあまり使用されません。代わりに、珪岩は主にガラス砂、3Dプリンター用砂、金属シリコンの原料など、高い石英純度が求められない分野で大規模に利用されています。

資源分布の観点から見ると、中国は珪岩鉱物資源に恵まれており、その数は399カ所に上ります。珪岩鉱床の分布は、その用途によって異なります。そのうち、ガラス生産用の珪岩鉱床は242カ所あり、主に遼寧省、安徽省、江西省、山東省、福建省に集中しています。青海省にも比較的大規模な鉱床がいくつか存在しますが、その数は比較的少ないです。冶金用途の珪岩鉱床は155カ所あり、主に北京市、寧夏回族自治区、青海省、甘粛省、陝西省、内モンゴル自治区、遼寧省に集中しています。

珪岩鉱石中の不純物の発生

珪岩鉱石中の不純物は、主に3種類に分類できます。すなわち、随伴脈石鉱物、包有物不純物、そして結晶欠陥および不純物です。不純物の種類によって、珪岩の工業的価値には様々な影響が及びます。

介在不純物

包有物不純物は、さらに鉱物包有物、溶融包有物、流体包有物に分類できます。鉱物包有物は通常、石英結晶に付随して形成され、脈石鉱物が石英結晶内に閉じ込められていることを意味します。鉱物包有物の種類と量は、石英の微量元素組成に大きな影響を与えます。長石、ヘマタイト／リモナイト、雲母、カオリナイト、方解石、トルマリン、ルチル、ジルコンといった石英に含まれる一般的な鉱物包有物を分離することは非常に困難です。

溶融包有物は通常、鉱石形成流体または熱水溶液中の溶融ケイ酸塩鉱物から構成されます。これらの溶融ケイ酸塩鉱物は、石英結晶化前にシリカ流体から分離できず、ケイ素を豊富に含む流体または熱水溶液に閉じ込められます。流体包有物は一般的に、気相包有物、液相包有物、および気液二相包有物に分類されます。工業用石英原料において、流体包有物はしばしば石英原料の化学組成と品質に影響を与え、溶融特性に影響を及ぼすことがあります。しかし、変成作用によって形成された珪岩では、流体包有物の数は一般的に少なく、中低品位の石英砂用途では通常、大きな問題にはなりません。

結晶欠陥不純物

一部の工業用途では、石英原料に非常に高い純度が求められるため、石英鉱石中の格子不純物は重要な要素となります。石英格子不純物は、鉱化過程における原子置換、またはシリコンと酸素の比における局所的な不均衡によって発生し、結晶化中に結晶欠陥を引き起こします。石英中の結晶欠陥は、一般的に、格子間サイトまたは格子間サイトへの異種原子（Al、Ti、Ge、Fe、H、Ag、Cu、Pなど）の侵入、およびSiまたはOの空孔に関連しています。

これらの特性に基づき、欠陥中心は一般的に内因性欠陥中心と外因性欠陥中心に分類されます。石英鉱石において、アルミニウム（Al）は最も一般的な格子不純物の一つです。低品質の石英鉱石では、Al含有量が1000μg/gを超えることもあります。極めて高い品質が求められる高純度石英砂の製造においては、格子不純物は無視できません。しかし、一般的なガラス砂や太陽電池用ガラスに使用される石英砂においては、格子不純物は一般的に大きな問題にはなりません。

クォーツァイトの主な産業用途

クォーツァイトは、そのユニークな物理的・化学的特性により、ガラス産業や冶金産業を中心に、さまざまな産業分野でかけがえのない役割を果たしています。

ガラス用クォーツァイト

ガラス産業は石英資源の最大の消費産業です。石英は建設、自動車、新エネルギーなどの分野で広く使用されています。主要なガラス製品には、板ガラス、容器ガラス、強化ガラス、太陽光発電用ガラス、電子ガラスなどがあります。

中国では、板ガラスや強化ガラスといった従来のガラス製品の製造に使用される石英資源の必要量は比較的低く、大規模で採掘・加工が容易な珪岩資源から調達できます。一方、太陽光発電用ガラスなどの低鉄超高透明ガラスに使用される石英砂は、やや高い純度などの基準が求められます。これは、高品質の珪岩資源を高度に加工することで得られます。

太陽光発電用超高透明ガラスは、通常のガラスよりも高い透明度を有するため、鉄含有量が重要な要素となります。TiO₂は紫外線吸収を高め、紫外線および可視光線の透過率を低下させるだけでなく、Fe³⁺不純物と相互作用して強い着色を引き起こし、太陽光発電用超高透明ガラスの性能に影響を与える可能性があります。そのため、太陽光発電用超高透明ガラスの製造においては、TiO₂およびFe₂O₃不純物の含有量が少ない珪岩原石を選択し、珪岩原石中の酸化鉄の還元を抑制することが特に重要です。

冶金用クォーツァイト

冶金分野においても、珪岩は同様に不可欠な材料であり、工業用シリコン生産における主要なシリコン供給源となっています。しかしながら、実際の生産においては、珪岩の起源や生成過程の違いにより、化学組成が類似する珪岩であっても、融点、熱安定性、耐爆発性などの物理的・化学的特性が異なる場合があります。また、珪岩の構造や密度も溶融・還元特性に影響を与え、最終的には炉の状態や工業用シリコンの品質に影響を与えます。

工業用シリコン製錬においては、石英の結晶相変態過程が異なり、様々な構造変化を引き起こします。工業用シリコン製錬は高温で行われるため、不適切な石英原料を使用すると、炉内充填物の反応性や透過性が低下する可能性があります。これは最終的にシリコンの回収率の低下、生産コストの上昇、そしてパフォーマンス指標の悪化につながります。したがって、珪岩の採掘場所を選定する際には、原料鉱石の化学組成分析だけでなく、必要な物理化学試験を実施する必要があります。

さらに、冶金用珪岩はフェロシリコン製錬の主要原料の一つです。そのSiO₂含有量は97%以上である必要があります。SiO₂含有量が低いほど、製錬時に必要な温度が高くなります。さらに、原料となる珪岩は、炭素質還元剤を用いて炭化ケイ素を効率的に生成し、重量減少を最小限に抑えることができる優れた熱重量特性と熱容量特性を備えている必要があります。そうでなければ、還元剤と電力の消費量が増加し、元素の回収率が低下します。