2024全国石英大会 2024石英大会 2023-12-20 15:00 发表于山东
高 纯 石 英 砂
High Purity Quartz Sand
众所周知，美国斯普鲁斯派恩矿拥有独特的白岗岩型高纯石英原料矿，提供全球90%的高纯石英砂，矽比科公司也垄断了IOTA超纯石英的生产和销售。
斯普鲁斯派恩高纯石英原料矿坐落于美国北卡罗来纳州西部米切尔县（Mitchell County）的斯普鲁斯派恩镇，其西南距阿什维尔市85km，东南距夏洛特市180km。该矿供给了全球90%以上的高纯石英砂需求量，在相当长时间内甚至是唯一的来源地。2009年BBC称此地为“地球上最具战略价值的平方英亩”。矿床位于阿巴拉契亚山系的蓝岭构造区，分布在斯普鲁斯派恩深成岩系的花岗伟晶岩带中，为白岗岩型高纯石英矿，由泥盆纪3.8亿年前花岗质岩浆侵入前寒武纪Ashe组的云母和角闪石片麻岩、片岩中缓慢结晶而成矿。
矿石的主要造岩矿物为斜长石、钾长石、石英、白云母，几乎不含镁铁质矿物。石英的杂质元素含量极低，经机械和化学提纯后，制得的高纯和超纯石英主要用于半导体晶圆、精密光学玻璃以及光伏、照明等产业。
斯普鲁斯派恩采矿区有超过100年的悠久采矿历史。二战前，当地主要开采云母片岩、伟晶岩中的云母和长石，剩下的石英被认为是垃圾，好一点的用作建筑砂，大部分都与其他尾矿一起被丢弃。1949年，位于阿什维尔市的北卡罗来纳州矿物研究实验室（MRL）与区内2家采矿公司合作，发明了化学浮选工艺，能够从花岗岩、伟晶岩、白岗岩中分选出石英、长石、云母、石榴石等矿物。1970年后，国际市场对高纯石英砂的需求快速增长，MRL实验室改进浮选工艺，对矿区的云母长石矿尾矿开展选矿实验，最终建成一套成熟的高纯石英提纯流程，成为流行世界的标准提纯工艺。
截至2020年8月，该矿床矿业权由挪威的石英股份公司（The Quartz Corp.,TQC）和比利时的矽比科全资子公司矽比科北美公司（Sibelco North America, Inc.）持有，开采白岗岩和伟晶岩中的石英、长石、云母。其中，矽比科北美公司的保有资源量可满足数十年的矿山服务年限，该公司前身为众所周知的尤尼明公司。尤尼明公司自1970年起即在该矿区采矿，其后整合其他公司的石英部门，采用MRL改进的提纯工艺生产高纯石英砂，并建立了超纯石英的IOTA标准，一度垄断了世界高纯石英砂市场。
一、高纯石英砂：光伏、半导体行业关键性原辅材料
高纯石英砂指二氧化硅纯度极高，杂质元素含量极低的石英砂，半导体、光通讯、光伏、光学、电光源等行业和领域是支撑战略性新兴产业发展的重要领域，是建设重大工程、改善民生、巩固国防军工的重要保障，在国民经济建设中占有重要的地位，高纯石英砂是这些领域所需求的稀缺类共性高增值矿物资源。
二氧化硅含量为99.5%-99.99%（2-4N）的石英砂主要用于光源行业，99.99%（4N）以上用于高端光学器件、激光器件，99.995%-99.999%（4-5N）的高纯石英砂多用于光伏、半导体等领域。
表：高纯石英砂产品分类与矿石原料品质要求
注：杂质含量指 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13种痕量杂质元素总量；产品分类根据(汪灵等，2014)；N表示SiO2含量或纯度。
二、高纯石英砂产业链：从原矿到高端制造应用
高纯石英砂行业产业链上游为原材料环节，主要包括石英矿、天然水晶、四氯化硅等；中游为高纯石英砂生产供应环节；下游主要应用于建筑玻璃、航空航天、电光源、光纤通信、光伏、半导体等领域。
图：高纯石英砂产业链概览
上游是原材料环节。高纯石英砂原矿具有稀缺性，根据中国粉体网，全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大等7个国家。除中国外，共有14处矿床，其中，有生产矿山的7处，尚未开采生产的7处。美国斯普鲁斯派恩（Spruce Pine）矿拥有独特的白岗岩型高纯石英原料矿，曾提供全球90%的高纯石英砂，矽比科也垄断了IOTA超纯石英的生产和销售，其他国家难以发现类似的矿床。但近年来各国加大勘查找矿力度，已发现10多处可用作高纯石英原料的矿床，生产低-中档-高纯石英砂，逐渐打破斯普鲁斯派恩矿在高纯石英砂产业的垄断格局。
图：全球高纯石英原料矿床分布
中游是石英砂的检测及制备。高纯石英砂对SiO₂纯度要求极高，纯度依赖于矿源本身的质量特性，因此选矿技术是制备高纯石英砂的前提技术。目前，与国际先进水平（美国尤尼明）相比，我国高纯石英质量的ICP检测效果存在明显差距。高纯石英的制备方法主要有三大类，分别为天然水晶粉磨加工、矿物提纯法及化学合成法。由于天然水晶资源逐渐枯竭，而化学合成法技术较复杂、成本较高，难以大规模工业应用，因此，石英矿物深度提纯技术是制备高纯石英砂的主流技术。
下游是高纯石英砂的应用端。2012-2022年，全球高纯石英砂消费量由73.35万吨增长到150.74万吨，年化复合增速为7.47%。其中，半导体、光伏、光纤、光源等领域对高纯石英砂的需求较大。2022年全球消费高纯石英150.74万吨，其中用于半导体领域消费79.30万吨，占比65.30%；光纤领域消费17.97万吨，占比14.80%；光伏领域消费14.52万吨，占比11.93%；光源领域消费4.74万吨，占比3.90%；其他领域消费4.91万吨，占比4.04%。半导体、光伏、光纤、光源等战略性新兴产业领域约占消费量的96%。
图：高纯石英砂消费结构
三、高纯石英砂竞争格局：矽比科、TQC作用地利，石英股份紧随其后
目前全球仅有三家公司可规模化生产高纯石英砂。高纯石英砂生产难度大，技术保护性强，只有美国矽比科、挪威TQC以及石英股份具备规模化量产高纯石英砂的能力。
美国矽比科的矿源斯普鲁斯派恩矿品质极佳，总储量超1000万吨，矿石性质稳定，掌握优质矿源使其几乎垄断国际市场上4N8及以上高端石英砂产品生产。
挪威TQC依靠与美国矽比科共同开采的斯普鲁斯派恩矿和挪威本地石英矿成为全球第二大高纯石英砂供应商。海外两大巨头凭借优质矿源产出质量极高的产品，部分产品SiO₂含量在5N以上，契合半导体用石英砂的纯度要求，产能优先布局价格更高的半导体领域和光伏内层砂应用。
石英股份2009年通过自主研发高纯石英砂提纯技术，实现了在矿源质量不如海外龙头背景下，大规模量产高纯石英砂能力。由于资源禀赋差异，石英股份优势领域集中于光伏石英砂。随近些年产品质量改进和市场认可度建立，石英股份内层砂渗透率有望持续提高。
表：高纯石英砂行业主要企业矿产来源
图：高纯石英砂竞争格局
四、高纯石英砂准入壁垒：资源与技术两座大山
1. 资源壁垒：优质矿源开发权被三大厂商掌握在手
原料矿床集中度高，资源储量稀缺，优质矿源开发权被三大厂商掌握在手。全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、印度、澳大利亚等国家，在产矿山少且分布集中度极高，储量都相对有限。
市场公认矿源品质排序为美国斯普鲁斯派恩矿＞印度矿＞国产矿，按照品质梯度，海外砂、国产砂当前分别应用在光伏用石英坩埚的内、外层。
（1）全球高纯石英砂两大巨头美国矽比科和挪威TQC的主要矿源是斯普鲁斯派恩矿，该矿床是国际上公认的最好的矿床，属于花岗伟晶岩型/白岗岩型，其形成具备独特属性，目前全球罕见能够与斯普鲁斯派恩矿品质齐肩的矿床。
（2）石英股份原矿主要采购自印度等地区，2022年海外采购占比超90%。石英股份拥有印度石英矿石有限开采权，主要供应商较为稳定，有长期框架协议保障。
（3）我国矿床主要是脉矿石，散发、单处矿石储量较小，品质相对较差。
图：我国石英原料品质
2. 技术壁垒：先进提纯及检验工艺壁垒高筑
提纯工艺根据原矿成分调整，若厂商无法保证矿石品质一致性，则必须具备成熟的提纯与检验技术。不同地质成因岩石中石英质和量不尽相同，提纯工艺和难度千差万别。提纯工艺设计时要匹配原矿的成分与品位，提纯工艺切换也需要磨合期和相应的专用设备，如钠含量较高石英矿需要进行高温煅烧，钙镁较高的碳酸盐矿物需要进行盐酸预处理。因此，提纯工艺流程环节看似简单，实际难点在于如何通过甄别原矿石成分、品位，并通过组合工艺实现晶格杂质的极致化提纯。如果厂商拥有的原矿矿体规模小或内部品质不一、一致性较差，就需要以更先进、更灵活、更全面的提纯和检验技术力来应对，保障产出石英砂质量的稳定性。
国内检测技术与海外技术存在一定差距，这也是制约国内有效供给的重要因素。检测技术不仅用在高纯石英砂的质量检测环节，同样也运用在原矿石的筛选环节。电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）因其检测时间短、灵敏度高、精确度好等优点，是目前主要的检测方法。ICP检测技术的精准程度会很大程度影响高纯石英砂的质量，由于国内起步较晚、技术保密等原因，国内ICP检测效果和国外还存在明显差距。对比运用国内ICP检测技术和美国矽比科高纯石英样品检测结果，我国在低杂质检测技术上仍有较大提升空间，致使深度提纯工艺落后于海外。
五、高纯石英砂：行业发展建议
建立高纯石英砂原矿评价体系。虽然我国石英资源丰富，但是可用于制备高纯石英砂的探明资源匮乏，现阶段难以满足高端产品大规模生产的需要，亟待寻找矿体规模大、矿石品质稳定的新类型资源。对于高纯石英这种纯度要求极高的战略性非金属矿物原料缺乏相关评价标准，未明确什么样的石英矿资源适合制备高纯石英，导致在找矿阶段存在一定的盲目性，建议尽快开展高纯石英原料评价体系课题研究，如加强与国外优质矿床的成因时代、成矿背景、岩石矿物等类比研究，结合优质高纯石英矿床的特征标志，加强同类型矿床的找矿和评价工作，制定相关标准用于指导找矿行动。
加强高纯石英砂提纯技术的基础理论研究。虽然关于高纯石英提纯方面的研究很多，但是不同类型浸出剂配方对高纯石英中特异性杂质的脱除机制、影响高纯石英应用的气液包裹体的去除机理以及高纯石英分离提纯过程中杂质元素随矿相转化而迁移转化的基本规律等基础理论方面的研究还很欠缺。建议加强提纯基础理论方面的研究，揭示高纯石英中杂质元素在不同工艺流程中的去除机制，攻克技术壁垒。
完善高纯石英原料选择与分级分类评价标准。石英原料质量评价体系不完善，至今尚未出台统一产品标准。应对于目前已开发的石英矿床，进行选冶性能、材料性能和加工技术的分类分级评价，加强高纯石英矿物学应用研究，重点查明矿物中杂质赋存状态，为矿床实现工业化生产高纯石英产品提供科学依据，充分发挥资源利用的价值。
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