熔融石英行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)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(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和熔融石英的應(yīng)用，以東?？h為例介紹熔融石英生產(chǎn)過程中面臨的難題。熔融石英因其一系列優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，在各行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其運(yùn)用前景必將更廣闊。

[關(guān)鍵詞]熔融石英;石英玻璃;節(jié)能控制

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

1 熔融石英行業(yè)發(fā)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(jīng)高溫熔融而制得的一種過冷液體[1]，我國的石英玻璃產(chǎn)業(yè)隨著我國國防科技和軍事工業(yè)的發(fā)展而快速發(fā)展，石英玻璃的產(chǎn)量和質(zhì)量得到很大提高。我國石英玻璃行業(yè)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)與技術(shù)創(chuàng)新并舉，產(chǎn)品品種和產(chǎn)量快速增加，但與國外先進(jìn)技術(shù)水平相比，在石英玻璃的高純度、熔制設(shè)備和節(jié)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(chǎn)熔融石英有兩大難點(diǎn)：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(yōu)良性能必須提高純度，雜質(zhì)總量小于萬分之一。

江蘇省東?？h的石英原料儲(chǔ)量大，純度高，是中國的硅材料產(chǎn)業(yè)基地。東?？h作為我國的熔融石英原料生產(chǎn)基地，年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熔融石英原料20萬余噸，國內(nèi)市場占有率達(dá)80%以上。目前，東?？h熔融石英原料生產(chǎn)企業(yè)普遍采用的生產(chǎn)工藝為：將精選的優(yōu)質(zhì)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(yōu)質(zhì)鋼板卷制成一定容積的圓柱形爐體）內(nèi)熔融，直接冷卻后破碎、分級(jí)成塊狀。在熔融石英熔制設(shè)備方面，我國大部分企業(yè)仍在沿用單碳棒電阻加熱的初級(jí)生產(chǎn)設(shè)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(yè)是一個(gè)高能耗產(chǎn)業(yè)[2]，對(duì)電能需求大，能源消耗占熔融石英生產(chǎn)成本的50%以上。2009年東?？h工業(yè)用電量69789萬千瓦時(shí)，2010年1月至4月全縣工業(yè)用電量26833萬千瓦時(shí)。以熔融石英產(chǎn)業(yè)為例，全縣50余家熔融石英企業(yè)石英熔煉爐350余臺(tái)，裝機(jī)容量97040kVA。電力能源供需矛盾日益加劇，熔融石英生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本不斷增加，導(dǎo)致利潤空間減少，行業(yè)發(fā)展受阻。提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低能耗，成為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。

SiO2熔融溫度高，容易與其他物質(zhì)反應(yīng)生成硅酸鹽，因此選擇保溫效果好且不與熔融石英反應(yīng)和選擇設(shè)計(jì)研究不影響熔融石英質(zhì)量的耐火材料是主要技術(shù)難題。目前，我國熔融石英生產(chǎn)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(shí)際生產(chǎn)中保溫效果較差，經(jīng)常出現(xiàn)爐殼發(fā)紅等現(xiàn)象。自保溫工藝不僅能源浪費(fèi)多，熔融石英出品率低，品質(zhì)也不易保證。國內(nèi)對(duì)熔融石英生產(chǎn)用耐火材料的報(bào)道幾乎為零，極少數(shù)的報(bào)道也主要是針對(duì)石英玻璃管連熔爐用耐火材料方面進(jìn)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(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域越來越寬，促進(jìn)熔融石英行業(yè)迅猛發(fā)展，許多新品種被不斷開發(fā)。如德國HERAEUS公司開發(fā)的粉料光學(xué)級(jí)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(xué)級(jí)熔融石英玻璃。美國GEQUARTZ公司開發(fā)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(nèi)已大規(guī)模生產(chǎn)，一些產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國外先進(jìn)水平，因其價(jià)格優(yōu)勢極具競爭力。

3 熔融石英的應(yīng)用

熔融石英因其具有的優(yōu)良物理和化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于電子、電器、軍事、航天航空、光通訊、電光源、化學(xué)工程、冶金、儀器儀表、光學(xué)鏡頭、防腐材料和耐火材料等領(lǐng)域。

熔融石英在高技術(shù)領(lǐng)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(fā)展[4]。

3.1 電光源行業(yè)中的應(yīng)用[5]

電光源將電能轉(zhuǎn)化為光能，在日常照明、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科研等方面被廣泛應(yīng)用。常見的低強(qiáng)度的節(jié)能燈、殺菌燈以及高強(qiáng)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(chǎn)品，殺菌燈被廣泛應(yīng)用于飲食行業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)。

3.2 光纖行業(yè)中的應(yīng)用[5]

熔融石英材料不僅是光纖預(yù)制棒的重要基礎(chǔ)材料，而且光纖生產(chǎn)的全過程也離不開熔融石英制品，好的原材料是生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的光纖產(chǎn)品的保障。高純?nèi)廴谑⒒茏鳛镸CVD、PCVD及其衍生工藝技術(shù)中的重要原材料，尺寸和純度都有嚴(yán)格要求，比如說新層的沉積基管，要求為光導(dǎo)級(jí)。目前，雖然我國的部分光纖用石英玻璃制品已達(dá)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(chǎn)品。

3.3 航空航天行業(yè)中的應(yīng)用[5]

熔融石英具有熱膨脹系數(shù)低、優(yōu)良的耐輻照性能，因此，在航空航天業(yè)中被廣泛應(yīng)用。美國康寧公司研制的代號(hào)7971熔融石英在0～200℃范圍平均線性熱膨脹系數(shù)為零，熱穩(wěn)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(yuǎn)鏡。濾紫外線耐輻照熔融石英可以過濾紫外線保護(hù)內(nèi)部傳感器，熔融石英作為結(jié)構(gòu)件在太空飛船和航天飛機(jī)上被廣泛應(yīng)用。

3.4 電子信息、半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用[6]

隨著我國電子信息、半導(dǎo)體、集成電路行業(yè)的迅速發(fā)展，熔融石英制造業(yè)迅速崛起。如在對(duì)單晶硅片進(jìn)行摻雜、擴(kuò)散、氧化、退火等關(guān)鍵工序中使用的熔融石英擴(kuò)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(yè)中的應(yīng)用[6]

超聲信號(hào)在熔融石英中的傳播速度比金屬小，延遲溫度系數(shù)低，可作為超聲延遲玻璃應(yīng)用在雷達(dá)上。超聲波經(jīng)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(dá)信號(hào)測定移動(dòng)目標(biāo)的方位，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

熔融石英具有耐酸、耐高溫、化學(xué)純度高等特性，是生產(chǎn)化工設(shè)備的理想材料，實(shí)驗(yàn)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(yè)中是必不可少的材料。熔融石英可抵御300℃的溫差，用于生產(chǎn)工業(yè)密爐的高溫觀察窗。

熔融石英化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)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(jié)語

熔融石英由于其優(yōu)越的性能，在各行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，熔融石英的運(yùn)用必將更廣泛。

石英玻璃生產(chǎn)過程中的能耗和品質(zhì)問題，特別是能耗問題已成為制約硅材料產(chǎn)業(yè)的瓶頸，優(yōu)化熔融石英生產(chǎn)過程的運(yùn)行及結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)研究耐火材料和對(duì)關(guān)鍵設(shè)備研制改造，降低生產(chǎn)過程的能耗，提高熔融石英的品質(zhì)，不僅是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的必然要求，也是我國石英玻璃行業(yè)亟待解決的問題。

參考文獻(xiàn)：

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