En tant que matière première minérale industrielle importante, quartz Le quartz est largement utilisé dans les secteurs industriels traditionnels (verre, céramique, matériaux réfractaires) et de haute technologie (militaire, électronique, télécommunications). Sa pureté, c'est-à-dire sa teneur en SiO₂, influe directement sur les performances et les applications des produits finaux. Les industries traditionnelles, comme celles du verre ordinaire et des matériaux de construction, ont des exigences relativement faibles en matière de pureté des matières premières. En revanche, les produits de précision et de haute performance, tels que les matériaux de télécommunications et les creusets en quartz, requièrent des matières premières de quartz de haute pureté, voire d'ultra-haute pureté. De plus, ces applications exigent un contrôle précis de la teneur en certains éléments traces dans le quartz.
| Nom du produit | Spécifications (maille) | Fraction massique w(SiO2)% | Fraction massique w(Fe2O3)×10−6 | Principales applications |
| Sable de quartz d'ultra-haute pureté | 40~70 70~140 | 99.99 | <2 | Verre de quartz de haute qualité |
| Sable de quartz de haute pureté | 40~70 70~140 | 99.98 | 2 | 1. Matériaux isolants pour composants électroniques 2. Encapsulation pour circuits intégrés à grande échelle (poudre de silice) |
| Sable de quartz de haute pureté | 40~70 70~140 | 99.96 | <5 | 3. Verre de quartz opaque, etc. 4. Verre optique de haute qualité |
| Sable de quartz de haute pureté | 40~70 70~140 | 99.90 | <10 | 5. Matières chimiques telles que le silicate de potassium, le silicate de sodium, etc. |
| Sable de quartz raffiné | Complet / Toutes tailles | 99.6 | <200 | Verre optique, verre pour instruments, etc. |
| Sable de quartz ordinaire | Complet / Toutes tailles | >96 | <500 | Verre ordinaire, fonderie, matériaux réfractaires |
Produits et spécifications du sable de quartz
Industrie du verre
L'industrie verrière est une grande consommatrice de quartz. Ce dernier confère au verre silicaté et à ses produits dérivés d'excellentes propriétés, telles que la transparence, la résistance mécanique et la stabilité chimique. La teneur en SiO₂ de la matière première influe considérablement sur les performances des produits en verre silicaté. Dans la composition du verre silicaté ordinaire, le SiO₂ représente généralement entre 65 et 75 % (TP3T). Le verre flotté moderne exige généralement que la matière première de quartz contienne plus de 96 % (TP3T) de SiO₂, moins de 2 % (TP3T) d'Al₂O₃, entre 0,01 et 0,1 % (TP3T) de Fe₂O₃ et que la granulométrie soit d'environ 0,4 mm. La proportion de particules supérieures à 0,5 mm et inférieures à 0,1 mm ne doit pas dépasser 5 % (TP3T).
Les verres haut de gamme, tels que les verres spéciaux, les verres plats de haute qualité et les verres optiques de précision, sont soumis à des exigences plus strictes quant à la composition chimique des matières premières en quartz. La teneur en SiO₂ doit être supérieure à 991 TP3T, celle en Fe₂O₃ inférieure à 0,051 TP3T–0,11 TP3T, et celles en Al₂O₃ et TiO₂ inférieures respectivement à 0,51 TP3T–2,01 TP3T et à 0,051 TP3T.
Les exigences de pureté des matières premières en quartz utilisées dans différents produits verriers varient d'un pays à l'autre, et même d'une entreprise à l'autre au sein d'un même pays.
Exigences de pureté des matières premières de quartz pour la fabrication du verre dans les principaux pays du monde :
| Pays | Type de verre | SiO2 | Fe2O3 | Cr2O3 | TiO2 | Al2O3 |
| USA | Optique | 99.8 | 0.02 | <0,1 | ||
| Plat | >98,5 | <0,35 | <0,2 | <0,5 | ||
| Japon | Optique de grade 1 | 99.8 | 0.02 | 0.1 | ||
| Plat | >97 | <0,06 | >0,1 | |||
| ROYAUME-UNI | Optique haut de gamme | 99.5 | 0.008 | 0.0001 | 0.03 | |
| Plat | >98,5 | <0,03 | <0,0005 | <0,5 | <0,5 | |
| Chine | Verre spécial | >99,5 | >0,05 | <0,001 | <0,05 | <0,5 |
| Plat | >98,5 | <0,1 |
Le verre de quartz utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs est d'une grande pureté et transparent. Sa matière première est du dioxyde de silicium extrêmement pur. Le principal type est constitué de cloches en verre de quartz de grand format, principalement utilisées pour la fabrication de l'enveloppe extérieure des fours à silicium polycristallin.
Industrie de la fonderie mécanique
Dans l'industrie de la fonderie mécanique, le quartz est largement utilisé comme sable de moulage, noyaux de fonderie et moules. En effet, outre son point de fusion élevé, le sable de quartz joue un rôle dans le chauffage, la désulfuration et la désoxydation lors du processus de fusion. La quantité de sable de quartz utilisée en fonderie est relativement importante. En général, la production d'une tonne de pièce moulée nécessite une tonne de sable de moulage et d'argile. Avec l'augmentation de la précision des pièces moulées, les exigences relatives à la pureté des matières premières de quartz sont de plus en plus élevées. Par exemple, les procédés de moulage au sable résineux les plus avancés requièrent un sable de quartz avec une teneur en SiO₂ supérieure à 971 TP3T et une granulométrie comprise entre 40 et 320 mesh. L'industrie de la fonderie mécanique utilise environ 331 TP3T de la production mondiale totale de sable de quartz.
Exigences de qualité pour le sable de quartz dans l'industrie de la fonderie :
| Application | Catégorie / Niveau | teneur en minéraux | ||
| SiO₂ (%) | Fe₂O₃ (%) | Al₂O₃ (%) | ||
| Industrie de la fonderie | Niveau I | >97 | <0,75 | |
| Grade II | >97,5 | <1.0 | ||
| Niveau III | >94 | <1,5 | ||
| Niveau IV | >90 |
Industrie de la céramique
Matière première feldspathique, le quartz permet de moduler la plasticité et la cohésion des pâtes céramiques. Lors de la cuisson, il compense le retrait de la pâte et réagit avec l'alumine pour former la structure du matériau. Il améliore la résistance mécanique des produits céramiques tout en augmentant leur translucidité et leur blancheur.
| teneur en minéraux | |||
| Taper | SiO2 (%) | Fe2O3 (<%) | Al2O3 (%) |
| Céramiques de construction et sanitaires | 98.5 | <0,02 | <0,5 |
| Radio-céramique | 98.5 | <0,05 | <2.0 |
Exigences de qualité pour le sable de quartz dans les produits céramiques :
Le quartz est le principal composant responsable de la nature vitreuse des émaux céramiques. Il confère à la surface de l'émail d'excellentes propriétés physico-chimiques (telles que résistance, brillance, résistance à l'usure, dureté et résistance à la corrosion chimique). De plus, l'augmentation de la teneur en SiO₂ dans l'émail permet d'élever sa température de fusion et sa viscosité.
Les céramiques en quartz fondu sont des pièces frittées produites à partir de quartz fondu ou de verre de quartz. Le procédé comprend le broyage des matières premières, suivi d'un calibrage. broyage à billes La fabrication de la céramique de quartz fondu commence par la formation d'une barbotine, puis se poursuit par un processus de frittage. Cette céramique possède de nombreuses propriétés remarquables, notamment un faible coefficient de dilatation thermique, une excellente résistance aux chocs thermiques, une bonne isolation électrique et une résistance à la corrosion acide et alcaline. Depuis son invention, elle a connu une diffusion et une utilisation rapides à travers le monde.
Initialement, les céramiques de quartz fondu étaient utilisées uniquement comme matériau réfractaire de qualité inférieure dans les industries traditionnelles telles que la métallurgie et la verrerie. Grâce aux efforts inlassables des scientifiques, leurs performances se sont rapidement améliorées et elles sont désormais largement utilisées dans des secteurs de pointe comme le nucléaire, l'aérospatiale et la défense.
Dans l'industrie solaire, les creusets en céramique de quartz fondu sont des récipients indispensables et très sollicités, utilisés pour la coulée des lingots de silicium polycristallin. Du fait de leur utilisation prolongée à des températures supérieures à 1 500 °C en une seule opération, ils sont soumis à des exigences extrêmement strictes en matière de pureté, de résistance et de précision dimensionnelle. Par conséquent, des paramètres clés tels que la pureté, taille des particuleset la teneur en impuretés de la matière première de quartz doit être strictement contrôlée.
Industrie des matériaux réfractaires
L'utilisation principale des matières premières de quartz dans l'industrie des réfractaires est la production de briques réfractaires siliceuses, notamment les briques de silice, les briques de silice légères et les produits en quartz fondu. Les briques de silice sont principalement utilisées dans la construction d'équipements thermiques tels que les fours verriers ; leur composition minérale principale est constituée de phosphoquartz et d'orthoquartz. Les produits en quartz fondu sont principalement fabriqués à partir de quartz fondu, et leur composition minérale principale est le verre de quartz. Grâce à ses propriétés telles qu'un faible coefficient de dilatation thermique, le verre de quartz confère aux produits en quartz fondu une excellente résistance aux chocs thermiques.
Exigences de qualité du sable de quartz pour différents matériaux réfractaires :
| Application | Catégorie / Niveau | teneur en minéraux | ||
| SiO2(%) | Fe2O3 (%) | Al2O3(%) | ||
| Matériaux réfractaires | Grade spécial | >98 | <0,5 | <0,5 |
| Niveau I | >97,5 | <1.0 | <1.0 | |
| Grade II | >96 | <1,5 | <1,5 |
Pour garantir que les matériaux réfractaires siliceux présentent une réfractarité supérieure à 1650–1700 °C, une température de ramollissement sous charge supérieure à 1650 °C, ainsi qu'une bonne stabilité thermique et chimique, un faible coefficient de dilatation thermique et des propriétés mécaniques élevées, la teneur en SiO₂ et la granulométrie du quartz brut doivent être rigoureusement contrôlées. Tout manquement à ces exigences compromettra gravement les performances du matériau réfractaire. Généralement, la teneur en SiO₂ du quartz brut doit être de 93% ou plus ; pour les quartz bruts de faible cristallinité, la taille des particules doit être inférieure à 2 mm.
De plus, la cristallinité du quartz utilisé comme matière première influe considérablement sur les performances des matériaux réfractaires (notamment leur réfractarité). Plus la cristallinité du quartz est élevée, plus la réfractarité du matériau réfractaire obtenu est importante.
Industrie des semi-conducteurs
Les produits à base de quartz utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs servent principalement de matériaux d'encapsulation. Associés à des agents de réticulation, des résines époxy et divers additifs, ils permettent de réduire le coût de ces matériaux. Les exigences relatives aux matières premières à base de quartz sont très élevées : la pureté du dioxyde de silicium doit atteindre 99,91 TP3T ou plus, la teneur en fer (Fe) doit être inférieure à 5 ppm et la teneur totale en impuretés ne doit pas dépasser 300 ppm. Auparavant, ces produits étaient principalement importés. Cependant, ces dernières années, grâce à des recherches approfondies sur les matériaux à base de quartz, les techniques de production ont connu une nette amélioration. Aujourd'hui, la production nationale satisfait non seulement la demande du marché intérieur, mais génère également d'importantes exportations vers les marchés étrangers.
Industrie chimique
Comparativement aux applications dans le verre, la céramique et les matériaux réfractaires ordinaires, l'utilisation du sable de quartz dans l'industrie chimique impose des exigences de qualité légèrement supérieures. On le trouve couramment dans des produits tels que le silicate de sodium, le gel de silice et le silicate de sodium. Prenons l'exemple du silicate de sodium : il existe sous forme solide et liquide selon son usage. Le silicate de sodium liquide, utilisé dans les détergents et comme adhésif pour les boîtes en carton, requiert une teneur en SiO₂ supérieure à 981 TP3T, une teneur en Fe₂O₃ inférieure à 0,21 TP3T et une granulométrie comprise entre 0,2 et 2 mm. En revanche, le silicate de sodium solide, utilisé comme catalyseur dans le raffinage du pétrole, est soumis à des exigences plus strictes : une teneur en SiO₂ supérieure à 991 TP3T et une teneur en Fe₂O₃ inférieure à 0,031 TP3T.
Remplisseurs industriels
Le sable de quartz, utilisé comme charge industrielle, est un autre matériau important qui a suscité un vif intérêt. Il est principalement employé dans les matériaux polymères organiques, tels que les plastiques et films plastiques, le caoutchouc, les revêtements, les peintures et les adhésifs, afin d'améliorer leurs propriétés physico-chimiques ou de renforcer certaines caractéristiques. Par exemple, l'ajout de sable de quartz permet d'accroître la résistance à la compression et à la traction des plastiques. Généralement, les exigences de qualité pour le sable de quartz sont très élevées : sa teneur en SiO₂ doit être supérieure ou égale à 991 TP3T et sa teneur en Fe₂O₃ inférieure à 0,051 TP3T. Dans certains cas, ces exigences peuvent même être celles du quartz de haute pureté.
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— Publié par Emily Chen
