熔融石英行業現狀與發展前景

蔣麗微 池海龍 徐艷艷 陶慧敏

[摘 要]文章主要介紹熔融石英行業的發展現狀和熔融石英的應用，以東海縣為例介紹熔融石英生產過程中面臨的難題。熔融石英因其一系列優良的物理和化學性能，在各行業中被廣泛應用，隨著科學技術的發展，其運用前景必將更廣闊。

[關鍵詞]熔融石英;石英玻璃;節能控制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.14.083

1 熔融石英行業發展概況

熔融石英又稱石英玻璃，是以天然石英，包括硅石、水晶為原料，經高溫熔融而制得的一種過冷液體[1]，我國的石英玻璃產業隨著我國國防科技和軍事工業的發展而快速發展，石英玻璃的產量和質量得到很大提高。我國石英玻璃行業引進國外先進技術與技術創新并舉，產品品種和產量快速增加，但與國外先進技術水平相比，在石英玻璃的高純度、熔制設備和節能控制方面還有較大差距。

熔融石英的制造工藝特殊，與一般玻璃制品不同。生產熔融石英有兩大難點：一是熔化溫度高、黏度大，氣泡很難排除;二是熔融石英要獲得優良性能必須提高純度，雜質總量小于萬分之一。

江蘇省東海縣的石英原料儲量大，純度高，是中國的硅材料產業基地。東海縣作為我國的熔融石英原料生產基地，年產優質熔融石英原料20萬余噸，國內市場占有率達80%以上。目前，東海縣熔融石英原料生產企業普遍采用的生產工藝為：將精選的優質硅石原料（SiO2含量>99%），如脈石英等破碎成小顆粒，在石墨棒加熱爐（用優質鋼板卷制成一定容積的圓柱形爐體）內熔融，直接冷卻后破碎、分級成塊狀。在熔融石英熔制設備方面，我國大部分企業仍在沿用單碳棒電阻加熱的初級生產設備，在控制上仍是恒功率加熱，熔制過程中的能耗較高。

熔融石英行業是一個高能耗產業[2]，對電能需求大，能源消耗占熔融石英生產成本的50%以上。2009年東海縣工業用電量69789萬千瓦時，2010年1月至4月全縣工業用電量26833萬千瓦時。以熔融石英產業為例，全縣50余家熔融石英企業石英熔煉爐350余臺，裝機容量97040kVA。電力能源供需矛盾日益加劇，熔融石英生產企業的生產成本不斷增加，導致利潤空間減少，行業發展受阻。提高產品品質，降低能耗，成為提高企業經濟效益的重要途徑。

SiO2熔融溫度高，容易與其他物質反應生成硅酸鹽，因此選擇保溫效果好且不與熔融石英反應和選擇設計研究不影響熔融石英質量的耐火材料是主要技術難題。目前，我國熔融石英生產所采用的保溫方式主要是自保溫，即用部分不熔融的石英保溫、隔熱，以避免耐火材料污染熔融石英。自保溫工藝在實際生產中保溫效果較差，經常出現爐殼發紅等現象。自保溫工藝不僅能源浪費多，熔融石英出品率低，品質也不易保證。國內對熔融石英生產用耐火材料的報道幾乎為零，極少數的報道也主要是針對石英玻璃管連熔爐用耐火材料方面進行的研究。

2 熔融石英的分類

熔融石英一般包括透明石英玻璃和不透明石英玻璃兩種[3]。透明石英玻璃中SiO2含量大于99.95%，是以高純石英粉或四氯化硅等為原料經高溫熔制而成;不透明石英玻璃中SiO2含量大于99.80%，是以普通石英粉和石英砂為原料高溫熔制而成。

近幾十年，熔融石英的應用領域越來越寬，促進熔融石英行業迅猛發展，許多新品種被不斷開發。如德國HERAEUS公司開發的粉料光學級熔融石英玻璃、不透明熔融石英玻璃、低羥基熔融石英玻璃和合成光學級熔融石英玻璃。美國GEQUARTZ公司開發的摻鈰管、摻鐵管以及具有超高純寬紫外線透過能力的熔融石英玻璃等。

電光源用熔融石英玻璃管在國內已大規模生產，一些產品已經達到國外先進水平，因其價格優勢極具競爭力。

3 熔融石英的應用

熔融石英因其具有的優良物理和化學性能，被廣泛應用于電子、電器、軍事、航天航空、光通訊、電光源、化學工程、冶金、儀器儀表、光學鏡頭、防腐材料和耐火材料等領域。

熔融石英在高技術領域得到廣泛使用：高純耐高溫石英玻璃管、高純涂層坩堝、光通訊用石英玻璃和激光用石英玻璃等都得到了快速發展[4]。

3.1 電光源行業中的應用[5]

電光源將電能轉化為光能，在日常照明、工農業生產、國防和科研等方面被廣泛應用。常見的低強度的節能燈、殺菌燈以及高強度的萊燈、鈉燈、金屬鹵化物燈、紅外線燈、紫外線殺菌燈都是熔融石英電光源產品，殺菌燈被廣泛應用于飲食行業和醫療衛生行業。

3.2 光纖行業中的應用[5]

熔融石英材料不僅是光纖預制棒的重要基礎材料，而且光纖生產的全過程也離不開熔融石英制品，好的原材料是生產質量穩定的光纖產品的保障。高純熔融石英基管作為MCVD、PCVD及其衍生工藝技術中的重要原材料，尺寸和純度都有嚴格要求，比如說新層的沉積基管，要求為光導級。目前，雖然我國的部分光纖用石英玻璃制品已達到一定水平，但是仍缺乏如高純度、高精度的石英玻璃基管、外套管等尖端產品。

3.3 航空航天行業中的應用[5]

熔融石英具有熱膨脹系數低、優良的耐輻照性能，因此，在航空航天業中被廣泛應用。美國康寧公司研制的代號7971熔融石英在0～200℃范圍平均線性熱膨脹系數為零，熱穩定性好，密度低、剛度好、磨光性能好，用此熔融石英可制作直徑3.96m鏡坯用于大型天文望遠鏡。濾紫外線耐輻照熔融石英可以過濾紫外線保護內部傳感器，熔融石英作為結構件在太空飛船和航天飛機上被廣泛應用。

3.4 電子信息、半導體行業中的應用[6]

隨著我國電子信息、半導體、集成電路行業的迅速發展，熔融石英制造業迅速崛起。如在對單晶硅片進行摻雜、擴散、氧化、退火等關鍵工序中使用的熔融石英擴散管;硅片外延工序使用的石英鐘罩;硅片酸洗和超聲波清洗工序使用的支架;控制單晶硅工序中使用的石英坩堝等。

3.5 其他行業中的應用[6]

超聲信號在熔融石英中的傳播速度比金屬小，延遲溫度系數低，可作為超聲延遲玻璃應用在雷達上。超聲波經大型多邊形熔融石英多次反射可以延遲1微秒以上，通過被反射的雷達信號測定移動目標的方位，具有實際應用價值。

熔融石英具有耐酸、耐高溫、化學純度高等特性，是生產化工設備的理想材料，實驗室精餾水制取采用的就是石英玻璃精餾塔。

熔融石英在冶煉行業中是必不可少的材料。熔融石英可抵御300℃的溫差，用于生產工業密爐的高溫觀察窗。

熔融石英化學穩定性好、熱膨脹系數低，可用來制造精密儀器，如干涉儀、波長表、陀螺儀、重力儀等高精儀器。

4 結語

熔融石英由于其優越的性能，在各行業中被廣泛應用。隨著科學技術發展，熔融石英的運用必將更廣泛。

石英玻璃生產過程中的能耗和品質問題，特別是能耗問題已成為制約硅材料產業的瓶頸，優化熔融石英生產過程的運行及結構、設計研究耐火材料和對關鍵設備研制改造，降低生產過程的能耗，提高熔融石英的品質，不僅是實現低碳經濟的必然要求，也是我國石英玻璃行業亟待解決的問題。

參考文獻：

[1]任夫洋.高純熔融石英材料純度控制技術的研究[D].濟南：濟南大學，2013.

[2]何林.東海硅材料產業競爭力分析及集群化發展對策研究[D].西安：西安理工大學，2007.

[3]張玉，金勇.石英玻璃的發展現狀及趨勢[J].科技視界，2018（33）：160-162，173.

[4]石鈺，張磊，周東站，等.高純石英砂的制備及應用研究進展[J].中國建材科技，2019，28（4）：73-75.

[5]苑金生.石英玻璃的品種與用途[J].山西建材，1997（1）：32-34.

[6]劉江文.石英玻璃及其在半導體工業中的應用[J].半導體光電，1980（3）：61-66.