我国石英资源的开发利用特点及应用进展- 大数跨境

石英石网

2024-06-18

我国石英资源的开发利用特点及应用进展

摘要:石英资源是重要的基础性非金属矿产资源，广泛用于玻璃、机械铸造、电子电工、冶金、耐火材料、化工、陶瓷等领域，不同行业对石英砂的技术要求和用量各不相同，宏观了解石英资源的开发利用特点和市场应用对石英资源的高效合理利用意义重大。介绍了我国各类石英资源的资源现状、不同类型矿石的开发利用特点及主要应用方向，详细总结了玻璃、高纯石英、机械、电子电工、冶金、耐火材料、化工、陶瓷、石油、板材等不同领域对石英原料的标准技术要求和产品特点；从石英资源开发利用全领域角度出发，系统梳理了不同领域石英资源的用量及产值，详细分析了高纯石英市场现状及供需发展趋势。结合石英资源开发利用现状，提出了在石英资源的开发利用过程中应分类评价、分级利用等对策建议，以期进一步提高我国石英资源开发利用水平和保障能力。

关键词：石英资源；石英砂；技术特点；市场现状；高纯石英

引言

石英是自然界最常见的造岩矿物之一，是由硅原子（Si）和氧原子（O）组成的、具有架状结构的氧化物矿物，广泛存在于岩浆岩、变质岩、沉积岩及热液脉体中。石英有两种存在形式：一种为高温变体β−石英（六方晶系，一轴晶），一种为低温变体α−石英（三方晶系，一轴晶）。常压下，二者转变温度为573 ℃，通常所说的石英是指在地表环境下能够稳定存在的低温变体α−石英，此外，常见的石英及SiO₂变体还有鳞石英、方石英、柯石英、斯石英等。可以工业开发利用的石英主要为α−石英。天然石英矿物化学性质稳定，质地坚硬（硬度为7），耐磨，半透明～透明，熔融温度1710～1756 ℃，具有优异的光学、电学、热学和力学性质，是一种重要的非金属矿资源，是玻璃、机械铸造、电子电工、冶金、石油、耐火材料、化工、陶瓷、光伏、半导体等多个领域上百种工业产品的基础性原料，对于经济社会的可持续发展具有重要意义。不同的工业产品利用石英的物理化学性质不同（如硬度、透光性、绝缘性等），对石英原料和资源的要求和用量也不同。本文系统梳理了石英资源的开发利用特点，总结了不同行业主要石英原料技术指标和参考标准、市场现状等，以期为全方位了解我国石英产业概况、提高我国石英资源开发利用水平提供参考。

1. 石英的开发利用特点

1.1 石英的储量及分布

目前可以利用的硅质原料的矿石类型主要有脉石英、石英砂岩、石英岩、天然石英砂、粉石英、水晶以及花岗伟晶岩（主要用于加工高纯石英）等。石英岩多分布于四川、安徽、湖南、江苏、浙江及山东等地；石英砂岩和天然石英砂广泛分布于四川、福建、广东、新疆以及广西的南部和海南西北部及山东北部这些沿海地带；脉石英分布于四川、黑龙江、湖北、江苏等地的变质岩区。2022年全国石英岩储量约13.64亿t，石英砂岩13.62亿t，脉石英7927万t，水晶约541 t，粉石英631万t，花岗伟晶岩型高纯石英国内尚未发现相关矿床，目前没有专门的储量统计。按照目前1亿t/a的消耗量，玻璃、冶金、铸造等大宗硅质原料供应充足，但优质的脉石英、水晶资源相对匮乏。

1.2 石英矿石类型及主要应用方向

不同成因岩石类型的石英矿石特点和应用方向并不一样：

（1）脉石英主要由富硅的岩浆热液或变质热液充填于裂隙中形成，通常脉石英原矿SiO₂品位高,可达98%以上，Fe等杂质含量低，矿物组成简单，矿石可加工性强，部分脉石英提纯加工后可以达到高纯石英原料要求，但脉石英硬度大，矿体规模相对较小，因此脉石英多用作生产高端玻璃、硅微粉、工业硅、高纯石英等高附加值产品的原料。

（2）石英砂岩是由各类源岩（如花岗岩、花岗伟晶岩、脉石英等）经过风化剥蚀、搬运、沉积、胶结后形成的一类沉积岩。石英砂岩剥蚀搬运过程中，大多数易风化矿物会被天然风化、剥蚀掉，因此石英砂岩整体原矿SiO₂品位较高，通常>90%。石英砂岩中，石英为岩石主要矿物，云母、长石、金红石、黏土矿物等为次要矿物，由于石英砂岩是由不同品质的源岩剥蚀搬运混合而成，因此不同品质石英颗粒被“混合”到一起，并且在胶结成岩过程中，黏土矿物等也容易被胶结或存在于石英裂隙或凹陷处，不易去除，因此石英砂岩整体加工提纯上限有限很难加工为高纯石英，但其原矿品位高、规模大、易开采，被广泛用于玻璃、陶瓷、冶金、耐火材料、板材等大宗应用行业。

（3）石英岩是石英砂岩或硅质岩经变质重结晶后形成，石英岩原矿SiO₂品位>85%。石英岩中长石、云母、绿泥石、角闪石、红柱石等不同变质级别的矿物常与石英矿物共伴生或包裹于石英矿物中。石英岩硬度往往比石英砂岩更高，具有原矿品位高、规模大、易开采等特点，被广泛用于玻璃、陶瓷、冶金、石油压裂砂、化工、机械铸造等行业。

（4）天然石英砂是海相（或河相、湖相）搬运形成的、未胶结的石英砂粒，原矿SiO₂品位>90%，含少量长石、云母、电气石、岩屑等。天然石英砂具有易开采、粒度适中、角形因数好等特点，主要应用于冶金、陶瓷、铸造砂、石油压裂砂等行业。

（5）粉石英是硅质灰岩或硅质岩等风化残积形成的细粒石英，原矿SiO₂品位>95%。粉石英具有原矿品位高、易粉碎、品质稳定等特点，主要用作耐磨材料、硅微粉、耐火材料、陶瓷、板材等领域。

（6）水晶是一种以SiO₂结晶体形式产出的石英，水晶中往往因含不同离子呈现出不同的颜色（如水晶晶格中Si⁴⁺被Fe³⁺等替代，会呈现出紫色等颜色），水晶矿规模小、开采难度大、矿物成分不稳定，目前主要用作压电水晶、光学、天然装饰品等领域。

（7）花岗伟晶岩主要由岩浆演化晚期富含挥发分的花岗质岩浆形成，由于伟晶岩的开采、破碎加工成本远高于其余硅质原料，目前主要利用特殊条件下形成的伟晶岩中的石英矿物制作高纯石英，是目前全球最重要的高纯石英矿石类型。

1.3 石英的开发利用特点

不同行业对石英砂的成分、粒度、球度等理化指标要求各不相同。整体上，SiO₂含量99.99%以上的石英砂主要用于高纯石英玻璃、高纯硅微粉等产品领域，这些领域对石英砂中Al、Ti、K、Na、Li等各项杂质含量、粒度、包裹体等有严格要求，杂质含量要求通常为10⁻⁶级别，石英砂产品供应受原料矿石原始禀赋条件和加工技术制约，目前原料矿石较为稀缺，供不应求；SiO₂含量99.9%～99.99%的石英砂主要用于高端硅微粉、硅酸钠、光伏玻璃、高档玻璃等领域，这些产品通常仅对Fe、Al等关键元素和粒度有一定要求，石英砂产品供应受原料矿石加工技术条件、加工成本、运距等多重因素影响，目前市场处于“紧平衡”状态；SiO₂含量99.9%以下的石英砂则用于平板玻璃、铸造、冶金、耐火材料、陶瓷、压裂砂、水处理以及建筑材料等大宗领域，这类产品多对粒度、球度、硬度、颜色、耐火度等物理特性有一定要求，对石英原料矿石和技工技术条件要求低，但原料供应受运距影响突出，目前市场供应充足。

2. 石英资源市场

2.1 不同领域石英消费量及产值

2021年，我国消费石英砂总量约为1.17亿t（不含砂石骨料），矿石初步加工而成的石英砂原料总产值约390亿元（不含下游产业延伸），其中4N5级以上高纯石英砂产量8万t，产值约32～40亿元，约占整个石英产业总产值的8.4%。在石英的各个应用领域中，石英砂消费量较大的领域有玻璃（约3400万t）、铸造（约3300万t）、硅铁冶炼（约1050万t）、压裂砂（超过1500万t）、工业硅（约582万t）以及陶瓷（约500万t）等，累计消耗量超过了整体用量的88%，见图1。石英砂产值较大的消费领域有玻璃用石英砂（约114亿元）、高纯石英砂（32亿元）、铸造石英砂（约49.5亿元）、压裂砂（约45亿元）、工业硅用石英砂（约34.92亿元）以及硅铁冶炼用石英砂（约31.47亿元）等，累计产值超过整体产值的80%，见图2。其中，高纯石英砂在整个石英产业中，产量占比不到1%，产值却达到了14.9%，高纯石英砂体现出产量小、产值大、附加值高的特点。

图1 2021年中国不同领域石英砂产量分布

图2 2021年中国不同领域石英砂产值分布

2.2 主要应用领域产业现状分析

2.2.1 玻璃行业

玻璃行业是石英资源消费量最大的领域，广泛应用于建筑、汽车、新能源等领域，2021年我国玻璃产量为101665万重量箱，合计石英砂消耗约3406万t。玻璃行业主要产品类型有平板玻璃、器皿玻璃、钢化玻璃、光伏玻璃、电子玻璃等。目前我国制造平板玻璃、钢化玻璃等常规玻璃所用石英资源要求较低，可从规模大易开采加工的石英砂岩、石英岩等资源中获得，不同用途玻璃用砂价格并不一致。

制作光伏玻璃等低铁超白玻璃的石英砂要求较常规玻璃稍高，可以通过对部分优质的石英砂岩、脉石英、石英岩、天然石英砂等资源加工获取，光伏玻璃用砂价格500～700元/t。玻璃下游需求主要来自于房地产、汽车、家电、光伏、日用器皿和电子等行业，其中地产以及与地产相关的需求占到了玻璃下游需求的75%，受房地产等行业需求不振的影响，未来常规玻璃需求增长缓慢。

2.2.2 铸造

铸造砂是除玻璃外石英资源的第二大消费领域，石英砂年消耗约3300万t，主要资源来源为石英砂岩、天然石英砂等。铸造用石英砂要求价廉易得、铸型制造简便、具有高的耐火度和热稳定性，通常要求铸造砂中含泥量低，SiO₂含量在90%以上（较大的铸钢件则要求SiO₂含量在97%以上），适宜的颗粒形状和颗粒组成，不易被液态金属润湿。3D打印砂为铸造型砂中较为特殊的型砂，随着3D打印技术快速发展，是目前铸造砂中用量增长较快的新类型，3D打印砂通常要求石英颗粒强度高，SiO₂≥90%，Al₂O₃≤10%，CaO+MgO<0.6%，Na₂O+K₂O<0.4%，含泥量≤0.2%，粒度0.053～0.3 mm。

2.2.3 工业硅

工业硅是由硅石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼而成的产品，位于硅基新材料产业链的初始端，通过工业硅可以加工制造单晶硅、多晶硅、有机硅、铝合金等基础材料，是光伏、半导体、有机硅、硅合金等下游产业的重要原料（图3）。由于利用化学冶炼方法获得，因此工业硅可以从各类品质石英资源获得，2021年我国工业硅产量达到261万t，消耗石英砂580万t，主要从石英砂岩、石英岩、石英砂、脉石英等资源获取。

图3 工业硅产业链示意图

2.2.4 硅微粉

硅微粉是由天然石英或熔融石英经破碎、球磨、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等工序加工而成的微粉，具有硬度大、导热系数低、耐高温、绝缘和化学性能稳定等优点，广泛用于覆铜板、环氧塑封料、涂料、建筑、电路板、陶瓷等领域。大部分硅微粉可以利用石英砂岩、石英岩、脉石英、天然石英砂以及粉石英等资源加工制得；优质的高纯球形硅微粉多用于半导体、电子等封装材料，这些产品要求纯度高、放射性低、绝缘等特点，通常需要利用纯度>99.99%的高纯石英加工制备，并且对Th、U等要求严格，通常利用优质的脉石英加工制得。2021年我国各类型硅微粉产量达到60万t（含混凝土、耐火材料等领域用硅微粉），结晶硅微粉、熔融硅微粉、球形硅微粉等中高端产品也达到了近30万t。

2.2.5 冶金行业

冶金行业是石英的主要消费领域，石英可以作冶炼添加剂、熔剂炼制各种硅铁合金，炼钢时加入硅铁合金，能够节能、去氧等，2021年冶金行业消耗石英砂约1049万t。炼铁用硅石通常要求SiO₂>97%、Al₂O₃<1%、P₂O₅<0.03%、CaO<0.8%，各类杂质中，磷含量是最重要的指标，会对后期钢铁冶炼产生影响，特级硅铁除P外，TiO₂也为必检项目。此外，利用石英制造的碳化硅具有硬度高、化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等特点，广泛用于磨料、耐磨剂、磨具、高级耐火材料等领域。

2.2.6 化工行业

化工领域主要利用纯碱和石英砂为原料制作硅酸钠。硅酸钠又称水玻璃，是制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛、偏硅酸钠、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品的重要原料，广泛应用于轻工业、机械、建筑、石油催化等领域。目前，在硅酸钠各应用领域中，洗涤剂及制皂工业的用量最高，约占33%；其次是白炭黑，用量约为25%；造纸业用量约为13%，黏合剂约占10%（见图4）。生产硅酸钠对石英砂要求纯度较高，至少达到容器玻璃级石英砂标准，通常硅酸钠要求SiO₂≥99.5%、Al₂O₃≤0.01%、Fe₂O₃≤0.03%、ZrO₂≤0.01%。2021年中国硅酸钠产量约为464万t，消耗石英311万t。

图4 硅酸钠下游市场应用占比

石油压裂砂支撑剂是随同高压溶液进入到地层中，充填在岩层裂隙中，以起到支撑裂隙作用的材料，填充支撑剂后油气通道通畅，能够增加油气产量。目前国内外使用的石油压裂支撑剂主要有石英砂、陶粒支撑剂和覆膜支撑剂。与传统的陶粒支撑剂和覆膜支撑剂相比，石英压裂砂具有化学性质稳定、强度高、密度适中、价格低廉、环保等优点，但受运距影响较大。压裂砂支撑剂对石英要求通常为：粒度（各种规格106~3350 μm，各规格压裂砂粒径要求相对均一）、球度（不低于0.6）、酸溶解度（≤5%）、抗破碎度等；石英纯度无要求。中国目前已投入开发的压裂用石英砂主要分布于宁夏青铜峡、河北围场、内蒙古赤峰和通辽等地区，国内重大油田气田附近压裂砂市场供不应求，2021年，我国压裂砂产量约1500万t。

3. 高纯石英

3.1 高纯石英的应用

高纯石英是指SiO₂含量达到99.99%，杂质元素、包裹体、粒度等达到半导体、光纤通信、光伏、光学、电光源等领域要求的石英产品。高纯石英具有耐高温、耐腐蚀、强度高、透光率高、热膨胀系数低等优异的物理化学特性^[4]，利用高纯石英制成的光伏半导体级坩埚、半导体晶圆石英隔热锭、超高功率光源玻璃、光纤、汽车光源玻璃、特种光源玻璃、精密光学仪器、航空玻璃等高技术产品，是新一代信息技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保及航空航天、海洋装备等战略性新兴产业不可或缺的关键基础材料，对于战略性新兴产业健康发展具有重要意义。

不同应用领域对高纯石英的纯度、杂质元素配比、粒度、力学性能、热学性能等要求和用量不同，需要综合各个要素进行综合判断。目前全球各高纯石英生产公司均有自己相应的高纯石英产品标准，如美国矽比科公司的IOTA系列标准、挪威天阔石公司的NW标准、俄罗斯石英公司的RQ系列标准、太平洋石英的PQ系列标准等。目前全球公认的高纯石英砂标准产品为美国矽比科公司的IOTA−STANDARD等级石英砂，该产品是以美国Spruce Pine地区花岗伟晶岩中天然石英为原料加工制得，高纯石英中各项杂质元素指标被当作高纯石英砂的“国际标准纯度”。IOTA系列其他产品也是目前全球生产石英玻璃的最优质原料，如IOTA STD、IOTA CG等“低等级”石英砂可以作为低膨胀系数、高透光度的电光源、照明设备的主要原料，用来生产高压汞灯、卤素灯、紫外线杀菌灯以及特种光源用石英管棒等；IOTA−4、IOTA−6等石英砂中B元素和过渡金属元素含量低，可以减少析晶和杂质扩散现象，保证单晶硅提拉及后续加工过程中维持较高的纯度环境，主要用来生产小尺寸半导体级石英坩埚、CZ坩埚、半导体扩散管以及UHP光源玻璃等；IOTA 8石英砂产品纯度高、性质稳定、羟基及包裹体等含量极少，为IOTA系列产品的高端产品，是生产大尺寸光伏或半导体坩埚（32英寸或更大）内层涂料的必备原料。当前全球半导体坩埚和大尺寸光伏坩埚内层高纯石英砂基本由美国矽比科公司垄断。

3.2 全球高纯石英市场供需

随着战略性新兴产业的快速发展，全球高纯石英需求量快速增长，2022年，全球4N5级及以上高纯石英需求量约25万t（不含高纯硅微粉）。目前应用于光伏、半导体等领域的天然高纯石英没有替代材料，资源的安全保障直接影响我国相关产业的产业安全。

图5 2022年全球不同领域高纯石英用量分布

矿石中石英矿物天然禀赋特征（如流体包裹体、矿物包裹体、晶格杂质含量等）是影响高纯石英可加工性的最主要因素，全球可加工4N5级及以上质量的高纯石英矿床极为稀少、分布不均，主要分布于美国、挪威、俄罗斯、印度等国家，目前全球开发利用的高纯石英矿床类型主要包括花岗伟晶岩型（包括伟晶状花岗岩）、热液脉型以及水晶等，其中花岗伟晶岩型石英资源品质好、规模大，是目前最重要的矿床类型。

全球高纯石英产能集中，供应有限。2022年全球高纯石英产量约23万t，主要生产企业有美国矽比科、挪威天阔石、中国石英股份、俄罗斯石英等。2022年全球高纯石英市场需求量约25万t，高纯石英市场尤其是高端产品供不应求，国内高纯石英砂价格一路飞涨，例如用于光伏坩埚的内层砂由2023年初的15万元/t暴涨至2023年8月的40万元/t（见图6）。

图6 光伏坩埚用砂价格走势

3.3 我国高纯石英市场现状及预测

我国是全球高纯石英最大消费国，2022年市场需求量约为15万t，约占全球总消费量的60%，但国内高纯石英产量有限，2021年仅为8万t，2022年大约9~10万t。国内高纯石英生产企业主要集中在江苏连云港等地区，虽然我国企业能够生产部分高纯石英砂和高纯石英产品，且近年来国内新上较多高纯石英生产项目，但国内高纯石英生产企业所用原料矿石基本依赖进口，资源对外依存度达到95%以上，如石英股份和福东正佑作为国内最大的两家生产企业，其所用石英原料主要为印度、安哥拉等国家的脉石英资源，大尺寸石英坩埚（>32英寸）所用高纯石英原料全部来自美国Sibelco公司的Spruce Pine花岗伟晶岩型矿床。高纯石英资源已经成为世界稀缺、我国短缺的急需战略性资源，高纯石英资源安全供给迫在眉睫。

我国石英资源储量丰富，优质的石英砂岩、石英岩、脉石英等分布广泛，但是高品质、有规模的高纯石英资源匮乏，严重影响后续高纯石英产业安全。随着信息技术、人工智能、新能源等战略性新兴产业的发展，我国高纯石英需求量将持续增加，光伏和半导体领域将是带动高纯石英消费的最大增长点。预估到2025年，我国集成电路产业规模（设计、制造、封测、设备、材料）将高达4万亿元，随着电子信息行业的不断发展，半导体行业对高端石英产品的需求量有望继续保持较高的增长势头。