Блог

Быков В. Н., Кораблев А. Г., Насыров Р. Ш., Черемисин И. И., Белковский А. И.
ПРОБЛЕМА ОСОБО ЧИСТОГО КВАРЦА И РАБОТЫ ИНСТИТУТА МИНЕРАЛОГИИ УРО РАН В ЭТОЙ ОБЛАСТИ

 ПРОБЛЕМА ОСОБО ЧИСТОГО КВАРЦА

И РАБОТЫ ИНСТИТУТА МИНЕРАЛОГИИ УРО РАН В ЭТОЙ ОБЛАСТИ

В. Н. Быков, А. Г. Кораблев, Р. Ш. Насыров, И. И. Черемисин, А. И. Белковский

Институт минералогии УрО РАН, Миасс, Россия

В настоящее время волоконно-оптические технологии являются стратегически важной областью современной техники, и рынок волоконно-оптической продукции постоянно расширяется. При этом в России практически отсутствует производство элементной базы для современных волоконно-оптических систем и микроэлектроники, в частности из-за того, что традиционные технологии обогащения природного кварца и его плавки не обеспечивают получения особо чистого кварцевого стекла, которое может быть использовано в высокотехнологичных отраслях промышленности.

В связи с этим на Миасском машиностроительном заводе внедряется промышленная технология производства особо чистого кварцевого стекла КС-4В, которое по своим свойствам превосходит продукцию ведущих зарубежных фирм: GE Quartz, Heraus, и др. Данное стекло характеризуется предельно низким содержанием примесей и гидроксильных групп, высоким пропусканием в ИК-области спектра и рекордно высокой радиационной устойчивостью. Синтез материала для плавки осуществляется путем получения SiO₂ из органических соединений кремния, поэтому это производство является достаточно трудоемким и дорогостоящим.

Вместе с тем, в России и в первую очередь на Южном и Среднем Урале, имеются большие запасы природного кварцевого сырья, среди которого может быть выделен так называемый особо чистый кварц, который может служить исходным материалом в технологии синтеза кварцевого стекла для микроэлектроники и волоконной оптики.

Актуальность выделения особо чистого кварца на месторождениях России подтверждается созданием государственной программы “Переоценка на ОЧК минерально-сырьевой базы жильного кварца на основе геолого-технологического доизучения разведанных месторождений”, которая финансируется Федеральным агентством по недропользованию.  

В последние десятилетия за рубежом в связи с повышением требований промышленности к качеству кварцевого стекла были проведены масштабные исследования природного кварца и методов его обогащения. К настоящему времени решены проблемы сырья, в качестве которого используется кварц из месторождений, находящихся в корах выветривания в США. Технологии его обогащения успешно внедряются фирмой Юнимен, которая постоянно вводит новые все более высокие стандарты кварцевых концентратов и является мировым монополистом в этой области.

В то же время в России исследования в данной области, проводимые ранее в таких организациях как Государственный научно-исследовательский институт кварцевого стекла, Институт химии силикатов РАН, Государственный оптический институт за последние 10-15 лет резко сокращены или вообще ликвидированы.

Работы Института минералогии в лабораториях экспериментальной минералогии и региональной минералогии проводятся по следующим направлениям.

1.     Геологическое и минералогическое доизучение кварцевых месторождений Южного и Среднего Урала.
2. Исследование строения, состава, примесных и собственных дефектов, газово-жидких и минеральных включений кварца разных структурных типов кварцевых месторождений Южного и Среднего Урала и выделение так называемого особо чистого кварца, пригодного для наплава высококачественного кварцевого стекла.
3. Разработка методов обогащения и очищения природного кварца, разработка эффективных методов наплава кварцевого стекла высокого качества.    
4. Разработка и постановка экспериментальных методов и методик для определения физико-химических характеристик кварцевого стекла.
5. Проведение экспериментальных лабораторных плавок кварцевого стекла из природного кварца с последующим исследованием физико-химических свойств наплавленных стекол.
6. Определение закономерностей поведения примесей и включений в процессе получения кварцевых концентратов и наплава кварцевого стекла, выявление взаимосвязи между характеристиками природного кварца, особенностями синтеза и физико-химическими характеристиками синтезированного кварцевого стекла.

В настоящее время проведены экспедиционные работы на основных кварцевых месторождениях Южного и Среднего Урала: Уфалейский комплекс (Кыштымское, Кузнечихинское месторождения), Сысертско-Ильменогорский кварценосный район(Аргазинское, Вязовское, Иткульское месторождения), Верх-Исетский кварценосный район (месторождения Зеленодольское, Аятское, Придорожное, Дедогорское, Светлореченское, Гора Хрустальная). В результате проведенных работ на месторождениях отобраны образцы, лабораторные и малые технологические пробы кварца разных структурно-технологических типов. Выполнены исследования текстурно-структурных характеристик кварца, получены данные по примесному составу, с помощью спектроскопических методов изучены особенности реальной структуры природного кварца.  

Большая работа проведена по созданию экспериментальной базы для проведения работ по особо чистому кварцу, в частности, создана опытно-лабораторная линия по обогащению и очищению природного кварца от примесей, которая включает в себя термодробление (электронагревательная печь ПКЛ-1.2-12, 1100 °С) электромагнитную сепарацию (сепаратор ЭВС-10/05, 1.7 Тл), кислотную обработку и обработку в особо чистой деионизованной воде (установка ДВС-10 с обратным осмосом и ионнообменными смолами). Это линия была использована для приготовления высокочистых концентратов из кварца разных структурно-технологических типов месторождений Южного и Среднего Урала.

Разработана и создана оригинальная установка по кристобалитизации кварцевого концентрата во вращающихся кварцевых ампулах с возможностью проводить обработку в потоке активных газов. На базе печи СНВЭ создана экспериментальная высокотемпературная установка для плавки природного кварца и отработана методика синтеза кварцевого стекла методом вакуумного наплава. Для дальнейшего развития методов наплава кварцевого стекла разработана экспериментальная установка на базе высокотемпературной печи Гранат-2М, в которой реализованы элементы технологии синтеза стекла КС-4В: использование защитных ампул с индивидуальной системой вакуумирования и наплав в потоке активных газов. 

В Институте минералогии поставлены методы определения физико-химических характеристик кварцевых стекол (пропускание в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, остаточного содержания гидроксильных групп, люминесценции, двулучепреломления, пузырности, включений, мелкозернистой неоднородности). Эти методы используются как для исследовательских целей при анализе свойств стекла, наплавленного из природного кварца, так и для аттестации особо чистого безгидрокисльного кварцевого стекла КС-4В, которое выпускается на Миасском машиностроительном заводе.

В настоящее время выполнены систематические эксперименты по синтезу кварцевого стекла из природного кварца разных месторождений и разных структурно-технологических типов. Подготовка кварцевых концентратов выполнена в лабораторных контролируемых условиях по циклу: электромагнитная сепарация, кислотная обработка и обработка в особо чистой деионизированной воде. Синтез стекол осуществлялся традиционным методом наплава в вакууме в закрытых кварцевых тиглях. Проведено исследование физико-химических характеристик синтезированных кварцевых стекол и установлена взаимосвязь между качеством наплавленного стекла и особенностями состава и реальной структуры гранулированного кварца.

Комплексный подход к проблеме, реализуемый в Институте минералогии, который включает в себя изучение природного кварца как исходного материала для синтеза, разработку новых методов очищения кварцевых материалов от примесей и включений, современных методов плавления позволит создать технологию синтеза кварцевого стекла из природного кварца и получать высококачественное стекло для микроэлектроники и волоконной оптики.