熔融石英行业现状与发展前景
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作者:蒋丽微 池海龙 徐艳艳 陶慧敏
[摘 要]文章主要介绍熔融石英行业的发展现状和熔融石英的应用，以东海县为例介绍熔融石英生产过程中面临的难题。熔融石英因其一系列优良的物理和化学性能，在各行业中被广泛应用，随着科学技术的发展，其运用前景必将更广阔。
[关键词]熔融石英;石英玻璃;节能控制
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.14.083
1 熔融石英行业发展概况
熔融石英又称石英玻璃，是以天然石英，包括硅石、水晶为原料，经高温熔融而制得的一种过冷液体[1]，我国的石英玻璃产业随着我国国防科技和军事工业的发展而快速发展，石英玻璃的产量和质量得到很大提高。我国石英玻璃行业引进国外先进技术与技术创新并举，产品品种和产量快速增加，但與国外先进技术水平相比，在石英玻璃的高纯度、熔制设备和节能控制方面还有较大差距。
熔融石英的制造工艺特殊，与一般玻璃制品不同。生产熔融石英有两大难点：一是熔化温度高、黏度大，气泡很难排除;二是熔融石英要获得优良性能必须提高纯度，杂质总量小于万分之一。
江苏省东海县的石英原料储量大，纯度高，是中国的硅材料产业基地。东海县作为我国的熔融石英原料生产基地，年产优质熔融石英原料20万余吨，国内市场占有率达80%以上。目前，东海县熔融石英原料生产企业普遍采用的生产工艺为：将精选的优质硅石原料（SiO2含量>99%），如脉石英等破碎成小颗粒，在石墨棒加热炉（用优质钢板卷制成一定容积的圆柱形炉体）内熔融，直接冷却后破碎、分级成块状。在熔融石英熔制设备方面，我国大部分企业仍在沿用单碳棒电阻加热的初级生产设备，在控制上仍是恒功率加热，熔制过程中的能耗较高。
熔融石英行业是一个高能耗产业[2]，对电能需求大，能源消耗占熔融石英生产成本的50%以上。2009年东海县工业用电量69789万千瓦时，2010年1月至4月全县工业用电量26833万千瓦时。以熔融石英产业为例，全县50余家熔融石英企业石英熔炼炉350余台，装机容量97040kVA。电力能源供需矛盾日益加剧，熔融石英生产企业的生产成本不断增加，导致利润空间减少，行业发展受阻。提高产品品质，降低能耗，成为提高企业经济效益的重要途径。
SiO2熔融温度高，容易与其他物质反应生成硅酸盐，因此选择保温效果好且不与熔融石英反应和选择设计研究不影响熔融石英质量的耐火材料是主要技术难题。目前，我国熔融石英生产所采用的保温方式主要是自保温，即用部分不熔融的石英保温、隔热，以避免耐火材料污染熔融石英。自保温工艺在实际生产中保温效果较差，经常出现炉壳发红等现象。自保温工艺不仅能源浪费多，熔融石英出品率低，品质也不易保证。国内对熔融石英生产用耐火材料的报道几乎为零，极少数的报道也主要是针对石英玻璃管连熔炉用耐火材料方面进行的研究。
2 熔融石英的分类
熔融石英一般包括透明石英玻璃和不透明石英玻璃两种[3]。透明石英玻璃中SiO2含量大于99.95%，是以高纯石英粉或四氯化硅等为原料经高温熔制而成;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为原料高温熔制而成。
近几十年，熔融石英的应用领域越来越宽，促进熔融石英行业迅猛发展，许多新品种被不断开发。如德国HERAEUS公司开发的粉料光学级熔融石英玻璃、不透明熔融石英玻璃、低羟基熔融石英玻璃和合成光学级熔融石英玻璃。美国GEQUARTZ公司开发的掺铈管、掺铁管以及具有超高纯宽紫外线透过能力的熔融石英玻璃等。
电光源用熔融石英玻璃管在国内已大规模生产，一些产品已经达到国外先进水平，因其价格优势极具竞争力。
3 熔融石英的应用
熔融石英因其具有的优良物理和化学性能，被广泛应用于电子、电器、军事、航天航空、光通讯、电光源、化学工程、冶金、仪器仪表、光学镜头、防腐材料和耐火材料等领域。
熔融石英在高技术领域得到广泛使用：高纯耐高温石英玻璃管、高纯涂层坩埚、光通讯用石英玻璃和激光用石英玻璃等都得到了快速发展[4]。
3.1 电光源行业中的应用[5]
电光源将电能转化为光能，在日常照明、工农业生产、国防和科研等方面被广泛应用。常见的低强度的节能灯、杀菌灯以及高强度的莱灯、钠灯、金属卤化物灯、红外线灯、紫外线杀菌灯都是熔融石英电光源产品，杀菌灯被广泛应用于饮食行业和医疗卫生行业。
3.2 光纤行业中的应用[5]
熔融石英材料不仅是光纤预制棒的重要基础材料，而且光纤生产的全过程也离不开熔融石英制品，好的原材料是生产质量稳定的光纤产品的保障。高纯熔融石英基管作为MCVD、PCVD及其衍生工艺技术中的重要原材料，尺寸和纯度都有严格要求，比如说新层的沉积基管，要求为光导级。目前，虽然我国的部分光纤用石英玻璃制品已达到一定水平，但是仍缺乏如高纯度、高精度的石英玻璃基管、外套管等尖端产品。
3.3 航空航天行业中的应用[5]
熔融石英具有热膨胀系数低、优良的耐辐照性能，因此，在航空航天业中被广泛应用。美国康宁公司研制的代号7971熔融石英在0～200℃范围平均线性热膨胀系数为零，热稳定性好，密度低、刚度好、磨光性能好，用此熔融石英可制作直径3.96m镜坯用于大型天文望远镜。滤紫外线耐辐照熔融石英可以过滤紫外线保护内部传感器，熔融石英作为结构件在太空飞船和航天飞机上被广泛应用。
3.4 电子信息、半导体行业中的应用[6]
随着我国电子信息、半导体、集成电路行业的迅速发展，熔融石英制造业迅速崛起。如在对单晶硅片进行掺杂、扩散、氧化、退火等关键工序中使用的熔融石英扩散管;硅片外延工序使用的石英钟罩;硅片酸洗和超声波清洗工序使用的支架;控制单晶硅工序中使用的石英坩埚等。
3.5 其他行业中的应用[6]
超声信号在熔融石英中的传播速度比金属小，延迟温度系数低，可作为超声延迟玻璃应用在雷达上。超声波经大型多边形熔融石英多次反射可以延迟1微秒以上，通过被反射的雷达信号测定移动目标的方位，具有实际应用价值。
熔融石英具有耐酸、耐高温、化学纯度高等特性，是生产化工设备的理想材料，实验室精馏水制取采用的就是石英玻璃精馏塔。
熔融石英在冶炼行业中是必不可少的材料。熔融石英可抵御300℃的温差，用于生产工业密炉的高温观察窗。
熔融石英化学稳定性好、热膨胀系数低，可用来制造精密仪器，如干涉仪、波长表、陀螺仪、重力仪等高精仪器。
4 结语
熔融石英由于其优越的性能，在各行业中被广泛应用。随着科学技术发展，熔融石英的运用必将更广泛。
石英玻璃生产过程中的能耗和品质问题，特别是能耗问题已成为制约硅材料产业的瓶颈，优化熔融石英生产过程的运行及结构、设计研究耐火材料和对关键设备研制改造，降低生产过程的能耗，提高熔融石英的品质，不仅是实现低碳经济的必然要求，也是我国石英玻璃行业亟待解决的问题。
参考文献：
[1]任夫洋.高纯熔融石英材料纯度控制技术的研究[D].济南：济南大学，2013.
[2]何林.东海硅材料产业竞争力分析及集群化发展对策研究[D].西安：西安理工大学，2007.
[3]张玉，金勇.石英玻璃的发展现状及趋势[J].科技视界，2018（33）：160-162，173.
[4]石钰，张磊，周东站，等.高纯石英砂的制备及应用研究进展[J].中国建材科技，2019，28（4）：73-75.
[5]苑金生.石英玻璃的品种与用途[J].山西建材，1997（1）：32-34.
[6]刘江文.石英玻璃及其在半导体工业中的应用[J].半导体光电，1980（3）：61-66.
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