Диоксид кремния является основным структурным компонентом стекла. Он помогает стеклу иметь высокую прочность и хорошую химическую устойчивость. Вот почему Кварцевый песок является важнейшим промышленным сырьем в стекольной промышленности.. Он используется в листовом стекле, тарном стекле, сверхпрозрачном стекле, фотоэлектрическом стекле, кварцевом стекле и т. д.
Согласно статистике, производство листового стекла в Китае в 2023 году составило 969,418 млн весовых коробок. Потребление кварцевого песка составило около 32,47 млн тонн.
Также в 2023 году Китай произвел 24,783 млн тонн фотоэлектрического прокатного стекла. Для производства 1 тонны фотоэлектрического стекла требуется около 0,71 тонны кварцевого песка с низким содержанием железа, поэтому общее потребление кварцевого песка составило около 17,6 млн тонн.
Исходя из этих цифр, в 2023 году Китаю потребуется более 50 миллионов тонн кварцевого песка только для производства листового стекла и фотоэлектрического стекла.
Требования к качеству кварцевого песка в стекольной промышленности в основном сосредоточены на трех вещах: химический состав, стабильность и размер частиц. Для разных типов стекла требуются разные типы кварцевого песка.
Основные виды стеклянной продукции включают листовое стекло, тарное стекло, закаленное стекло, фотоэлектрическое стекло и электронное стекло.
В настоящее время в Китае более низкие требования к кварцу, используемому в обычных стеклянных изделиях, таких как плоское и закаленное стекло. Эти типы кварца могут поступать из крупных, легко добываемых источников, таких как кварцевый песчаник и кварцит.
Для сверхчистого стекла с низким содержанием железа, такого как фотоэлектрическое стекло, кварцевый песок должен быть немного более высокого качества. Его можно изготовить из высококачественного кварцевого песчаника, жильного кварца, кварцита или природного кварцевого песка.
Для производства кварцевого стекла необходим кварцевый песок высокой чистоты.
1. Плоское стекло
С 1988 года Китай уже 35 лет подряд является крупнейшим в мире производителем листового стекла. Другие страны пока не догнали его.
Ожидается, что в 2024 году объем производства листового стекла в Китае на крупнейших предприятиях достигнет 1 млрд весовых коробок, что на 2,91 т/3 т больше, чем в предыдущем году.
Листовое стекло — это основной материал, используемый для дальнейшей обработки стекла. Обычно это обычное листовое стекло, также известное как оригинальное или прозрачное стекло. Это наиболее широко используемый тип стекла.
Изделия из листового стекла включают армированное стекло, узорчатое стекло, стеклоблоки, стеклопакеты и другие.
Различные виды плоского стекла имеют различные требования к кварцевому песку. В зависимости от химического состава и размера частиц кварцевый песок, используемый в плоском стекле, делится на два сорта:
Класс I: пониженное содержание оксида алюминия (Al₂O₃)
Класс II: повышенное содержание оксида алюминия
Отраслевой стандарт JC/T 529-2000 «Силикатное сырье для листового стекла» устанавливает требования к химическому составу, размеру частиц и другим свойствам кварцевого песка, используемого в листовом стекле.
Требования к химическому составу и влажности кварцевого песка для листового стекла
| Кварц Песок сорт | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| Класс I | ||||
| Премиум класс | ≥98,50 | ≤0,50 | ≤0,05 | |
| ≥98.00 | ≤1.20 | |||
| Первый класс | ≥98,50 | ≤0,70 | ≤0,10 | |
| ≥97,50 | ≤1.20 | ≤5.00 | ||
| Второй класс | ≥98.00 | ≤0,70 | ≤0,15 | |
| ≥96,50 | ≤1.50 | |||
| Третий класс | ≥98.00 | ≤0,70 | ≤0,20 | |
| ≥96,50 | ≤1.50 | |||
| Класс II | ||||
| Первый класс | ≥92.00 | ≤4.00 | ≤0,20 | |
| Второй класс | ≥90,50 | ≤4.50 | ≤0,30 |
Требования к значению колебания химического состава кварцевого песка для листового стекла
| Кварцевый песок | Значение колебания химического состава % | ||
| SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| Класс I | |||
| Премиум класс | ±0,20 | ±0,10 | ±0,01 |
| Первый класс | ±0,30 | ±0,15 | – |
| Второй класс | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Третий класс | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Класс II | |||
| Первый класс | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Второй класс | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Кварцевый песок | Гранулометрический состав / % | |||
| +1 мм | +710 мкм | +500 мкм | -100 мкм(-125 мкм) | |
| Класс I | ||||
| Премиум класс | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
| Первый класс | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤10,0 (5,0) |
| Второй класс | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤20,0 (8,0) |
| Третий класс | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤20,0 (8,0) |
| Класс II | ||||
| Первый класс | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
| Второй класс | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
Примечание: Значения в скобках представляют собой требования к продуктам из природного кварцевого песка.
2. Ежедневный стакан
Стекло для ежедневного использования включает бутылки, контейнеры, лабораторную посуду и фармацевтическое стекло. Они используются для упаковки в еда, производство напитков, пивоварение и фармацевтика — например, пивные бутылки, стаканы, стеклянные украшения и флаконы для лекарств.
Фармацевтическое боросиликатное стекло должно быть устойчивым к теплу и химической коррозии.
Кварцевый песок плавится при высокой температуре около 1730℃. Размер частиц кварца влияет на то, как формируется стекло.
В реальном производстве кварцевые зерна должны быть угловатыми с большой площадью поверхности, что помогает предотвратить разделение материалов во время смешивания. Идеальный диапазон размеров частиц составляет 60–140 меш.
Отраслевой стандарт ДЗ/Т 0207-2002 «Технические условия на геологическую разведку стекольного кремнеземистого сырья» устанавливает требования к качеству кварцевого песка, используемого в производстве тарного стекла.
Требования к качеству кварцевого песка для тарного стекла
| Индикатор | 1 класс | 2 класс | 3 класс |
|---|---|---|---|
| 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 | — | — |
| Примечание: | Лабораторная посуда (кроме хрусталя) | Стекло тарное общее и бесцветное | Обычное бутылочное и стеклянное стекло |
3. Фотоэлектрическое стекло
Фотоэлектрическое стекло изготавливается из листов ультрабелого стекла путем глубокой обработки.
Ультрабелое стекло, также известное как стекло с низким содержанием железа или стекло с высокой прозрачностью, представляет собой новый тип стекла с очень высоким коэффициентом пропускания света (≥ 91,5%), низким содержанием железа (обычно 100–150 ppm) и чрезвычайно прозрачным внешним видом.
Поскольку фотоэлектрическое стекло должно пропускать как можно больше света, требуется кварцевый песок с очень низким содержанием железа. Железо в песке может оставлять пятна на стекле и снижать светопропускание.
Отраслевой стандарт JC/T 2314-2015 «Кремниевое сырье для фотоэлектрического стекла» устанавливает строгие требования к качеству кварцевого песка, используемого в этом типе стекла.
| Параметр | 1 класс | 2 класс |
|---|---|---|
| SiO₂/% | ≥99,5 | ≥99,0 |
| Al₂O₃/% | ≤0,20 | ≤0,50 |
| TiO₂/(мг/кг) | ≤10 | ≤20 |
| Fe₂O₃/(мг/кг) | ≤60 | ≤80 |
| Cr₂O₃/(мг/кг) | ≤2 | ≤5 |
| Остаток на сите 1,0 мм/% | – | 0 |
| Остаток на сите 0,6 мм/% | ≤1,5 | ≤1,5 |
| 0,1 мм меньшего размера/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
| Адсорбированная влага/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
Чистота кварцевого песка определяется в основном содержанием в нем диоксида кремния (SiO₂). Для фотоэлектрического стекла требуемое содержание SiO₂ составляет не менее 99,99% (так называемый уровень 4N), а для некоторых высококачественных изделий требуется даже 99,998% (уровень 4N8).
Это намного выше, чем у обычного стекла, для которого обычно требуется SiO₂ ≥ 99,5%, поскольку даже мельчайшие примеси могут снизить светопропускание стекла и уменьшить эффективность солнечных панелей.
Некоторые ключевые требования:
• Железо (Fe): Fe₂O₃ является критически важным индикатором, поскольку железо влияет на цвет и прозрачность.
Стандарт JC/T 2314-2015 требует содержания Fe₂O₃ ≤ 100 ppm, но многие производители контролируют его на уровне ниже 50 ppm.
Для ультрабелого стекла Fe₂O₃ должен быть ≤ 0,015% (150 ppm), а для высококачественных изделий часто требуется ≤ 80 ppm.
• Титан (Ti): TiO₂ ≤ 300 ppm. Слишком большое количество титана может сделать стекло желтым и блокировать свет.
• Алюминий (Al) и кальций (Ca): Al₂O₃ ≤ 100 ppm, CaO ≤ 0,1%. Большие количества могут вызвать образование кристаллов при высоких температурах или повлиять на процесс плавления стекла.
• Щелочные металлы (K, Na): Общее содержание K₂O + Na₂O должно быть ≤ 2,5 мкг/г, чтобы предотвратить накопление поверхностной щелочи и проблемы с проводимостью.
• Микроэлементы: B ≤ 5 мкг/г, Mn ≤ 1 мкг/г. Тяжелые минералы, такие как Cr и Ni, должны быть ≤ 5 ppm, чтобы предотвратить дефекты или повлиять на электрические характеристики.
Размер частиц кварцевого песка также имеет значение. Он влияет на то, насколько равномерно плавится стекло и насколько много света оно может пропускать.
Кварцевый песок для фотоэлектрического стекла должен иметь размер частиц от 70 до 350 мкм, и не менее 90% песка должны попадать в этот диапазон. Если частицы слишком малы (<100 мкм), они плавятся слишком рано и снижают теплопередачу.
Если частицы слишком крупные (>300 мкм), они могут не расплавиться полностью и привести к образованию пузырьков или камней в стекле.
Типичные требования к классификации кварцевого песка для фотоэлектрического стекла:
• 0,1–0,25 мм (100–250 мкм): 5%–20%
• 0,25–0,5 мм (250–500 мкм): 20%–35%
4. Электронное стекло
Электронное стекло включает в себя подложку дисплея, высокопрочное защитное стекло и ультратонкое сенсорное стекло. Примерами могут служить чехлы для мобильных телефонов, сенсорные экраны и дисплеи планшетов. Большинство защитных стекол сенсорных экранов сегодня изготавливается из высокоалюмосиликатного стекла.
Например, стекло, используемое в подложках TFT-LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display), не должно содержать оксидов щелочных металлов. Для обеспечения химической стабильности и предотвращения вредных примесей кварцевое сырье должно пройти обогащение и очистку для контроля уровней Fe, K и Na.
Стандарт компании Q/245400 KS02-2020 компании Kaisheng Quartz Materials (Huangshan Co., Ltd.) устанавливает особые требования к размеру частиц и химическому составу высокочистого кварцевого порошка, используемого в стеклянных подложках TFT-LCD.
Таблица 1: Требования к распределению размеров частиц (ситовой анализ)
| Параметр | +150мкм (+100 ячеек) | -150мкм~+106мкм (-100~+140 ячеек) | -75мкм~+45мкм (-200~+325 ячеек) | -45мкм~+20мкм (-325~+635 ячеек) | -20 мкм (-635 ячеек) |
| Стандарт | 0 | ≤2.5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
Таблица 2: Требования к лазерному анализу размера частиц
| Параметр | D₁₀ (мкм) | D₅₀ (мкм) | D₉₀ (мкм) |
| Стандарт | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
Таблица 3: Характеристики химического состава
| Параметр | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | SO₃ | TiO₂ | Cr+Ni+Co+Mn |
| Лимит/% | ≥99,8 | ≤0,05 | ≤0,01 | ≤0,02 | ≤0,03 | ≤0,002 | ≤0,001 |
| Параметр | СаО | Кл | МгО | Cu | Ф | Зр | LOI |
| Лимит/% | ≤0,02 | ≤0,001 | ≤0,003 | ≤0,001 | ≤0,001 | ≤0,001 | <0,1 |
5. Кварцевое стекло
Кварцевое стекло считается «жемчужиной» среди стеклянных материалов.
Он полностью изготовлен из SiO₂ и обладает превосходными механическими, термическими, оптическими и электрическими свойствами.
Кварцевое стекло широко используется в полупроводниках, оптических устройствах, волоконной оптике, солнечной энергетике и т. д.
Он отлично пропускает свет в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах (160–4500 нм), что делает его важным для промышленного освещения.
В оптических приборах кварцевое стекло используется в спектрометрах, инфракрасных камерах, призмах и линзах.
Он может выдерживать очень высокие температуры, обычно от 800 до 1000°C.
Оптическое кварцевое стекло также используется в высокотемпературном фотографическом оборудовании, таком как окна наблюдения, дальномеры и большие телескопы.
Кварцевое стекло изготавливается из кварцевого песка высокой чистоты, обработанного методами электроплавки или газовой очистки.
Сравнение процессов производства кварцевого материала
| Материал | Натуральный кристаллический/кварцевый песок | Натуральный кристаллический/кварцевый песок | Тетрахлорид кремния | Тетрахлорид кремния |
| Процесс | Электросварка: дуговой или вакуумный нагрев сопротивлением | Газопламенный синтез: плавление в кислородно-водородном пламени | MCVD: Гидролиз в кислородно-водородном пламени | PCVD: Высокотемпературное окисление в безводородном плазменном пламени |
| Характеристики | – Содержание ОН: 150 ppm – Содержание алюминия: 30-100 частей на миллион – Щелочные металлы: 5-10 частей на миллион | – Содержание ОН: 180-250 ppm – Содержание Al: <20ppm – Щелочные металлы: <5ppm | – Содержание ОН: >1000ppm – Содержание H: >100ppm – Примеси металлов: <1ppm | – Содержание ОН: <5ppm – Примеси: <1ppm – Содержание азота: <200 частей на миллион – Диапазон пропускания: 0,18-3,5 мкм |
| Преимущества | Более низкое содержание ОН, чем при плавке в пламени Температура размягчения на 50–100 °C выше, чем у других методов | – Высокая тепловая эффективность – Низкие потери материала – Несколько пузырьков – Лучшая передача УФ-излучения – Превосходная стойкость к кристаллизации – Более длительный срок службы – Более низкая себестоимость продукции | – Сверхнизкое содержание примесей – Отличная оптическая однородность – УФ-пропускание – Радиационная стойкость | – Чистота: >99,9999% – Крайне низкое содержание ОН - Исключительная оптическая однородность |
| Недостатки | Более высокое содержание металла | Более высокое содержание ОН Более низкая температура размягчения, чем у изделий, полученных электросваркой | Избыточное содержание ОН Высокая стоимость сырья | Высокие затраты на сырье и производство |
Например, изделия из кварцевого песка высокой чистоты от Sibelco (ранее Unimin), такие как серии IOTA6, IOTASTD и IOTACG, являются ключевыми материалами для изготовления осветительного оборудования, такого как автомобильные ксеноновые лампы, галогенные лампы, высокоинтенсивные разрядные лампы и лампы сверхвысокой производительности.
Требования к содержанию примесных элементов в кварцевом песке при производстве кварцевого стекла
| Промышленное применение | Источник | Основные примесные элементы и их содержание (ppm) | |||||||
| Эл | Фе | Ти | Ca | Б | К | На | Ли | ||
| Электрический источник света | Китай | Всего: 50-100 частей на миллион | |||||||
| Химическая промышленность | чешский | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| Полупроводник | Китай | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| Полупроводник (высококачественный) | США | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| Россия | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| Волоконно-оптические трубки | Бразилия | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| Оптические линзы | США | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
