高纯石英生产温度监测方案

2021-12-10
来源：中国粉体网

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[导读] 高纯石英生产温度监测方案

温度控制是高纯石英生产的重中之重，精确的温度控制可以减少杂质、提高纯度；也能降低生产能耗和用电成本。因为要对工艺温度持续监测，使用热电偶损耗快、成本高，而且热电偶本身会产生杂质，不太适用于高纯石英测温。

在这一工艺上，非接触式的红外测温方案已经逐渐成为技术趋势，本文将详述这一方案。

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简介

熔融石英又称石英玻璃，是以天然石英，包括硅石、水晶等为原料，经高温熔融而制得的一种无机非金属材料。石英材料由于具备耐高温、耐腐蚀、热稳定性好、透光性好和绝缘性能好的特性，被制作成石英坩埚、光掩膜版、光学器件、石英舟、石英支架、石英炉管、石英笼、石英法兰、石英槽、石英盖板、石英窗口等多种石英器件，应用领域遍及半导体、太阳能、光源电子、电器、军事、航天航空、光通讯、电光源、化学工程、冶金等行业，成为支撑相关产业向前推进的幕后功臣。

产业现状

近年来受到国家宏观政策的刺激和影响，以及半导体光通讯行业等高技术产业的发展，对石英材料特别是对高纯石英材料的需求，使石英行业受到关注的程度显著提高，直接推动了该石英行业近年来良好的市场行情。同时与西方工业发达国家在整体技术水平上的差距正在快速缩小，特别是近年来，受到国内政策和市场需求的推动，在半导体光通讯、以及光伏等新能源行业强劲增长，推动了石英行业的发展和生产技术水平的大幅度提升。

2018年石英行业总体规模为317亿元，其中半导体领域为206亿元，占比高达65%。全球晶圆代工和半导体设备均维持稳定增长，在此拉动下2022年半导体用石英市场规模将上升至264亿元。另外预计2022年光伏和光纤领域的增长分别拉动43亿元和68亿元石英产品需求。预计2022年石英总体市场规模达到421亿元。全球高端石英玻璃市场（尤其是以半导体、光通讯为主的电子级石英玻璃市场），大部分还是由海外龙头企业掌握。但是，随着电子信息，航空航天等高科技行业对石英材料需求的增长，国内石英制品行业在工艺水平，设备制造方面均取得了大幅提升。国内石英制品行业正从能源密集型行业向技术密集型，资金密集型方向转变，涌现出一批优秀石英企业。

技术路线

在石英的制备路线中，主要有气熔法，电熔法与合成法，其杂质和羟基含量因生产工艺的不同而差别较大。其中电熔法的优点是效率较高，且羟基含量低，所以是目前的高纯石英制品的主流工艺。也是本文中的重点。

合成法：合成石英是指在氢氧焰中水解四氯化硅生成高纯石英玻璃，生产周期较长，对环境洁净度、温度稳定性要求较高，该方法生产的石英玻璃几乎不含有铝纳钾元素，但是羟基含量较高。

气炼法工艺，可细分为一次成型的一步法及气炼制砣、电熔加工的两步法等，一步法的工艺特点是粉料玻璃化的程度偏低，缺点是外观较差，可见明显的沟渠样环纹，且对氢气气源依赖较大。此外，由于采用氢氧焰作为热动力，气炼法制取材料的羟基含量普遍较高（只可以适用于半导体低温领域）。而石英体内的羟基杂质含量过高，将会直接影响石英制品的高温表现，使其在高温下软化变形，最终影响半导体工艺制程。

电熔法工艺，又可以分为真空电熔、连熔法等具体方法。其原理是通过电为动力来源，通过电阻、电弧、中频感应等方式加热，熔融粉料而制取石英玻璃的工艺，优点是效率较高，且羟基含量低。羟基含量低和析晶速度较低是电熔石英玻璃材料的主要特性。羟基含量较低可提升红外光透过率和粘度。粘度越高则使用温度越高，同时析晶速度较低。析晶速度还与熔融时的中性/还原性气氛有关。这将导致材料缺氧，从而抑制析晶作用。

真空电熔法：指在真空或者惰性气体环境下对高纯石英砂进行电熔炼制备石英玻璃，该方法熔制的石英材料含有一些铝元素和钠元素杂质，但其优点在于羟基含量较低。此外由于一次成型，比较适合大尺寸以及超大尺寸的石英制品。

连熔电熔法：连熔石英玻璃的生产属于电熔法的一种，是指采用机械自动投料，石英砂在炉内被不断熔融，石英管、棒、板等从下料口被连续拉出，通过控制一系列工艺参数生产出特定规格的石英玻璃制品。生产效率较高，适合形状一致的适应制品进行批量生产。

技术工艺

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，但与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。

另一方面，国内釆用连续熔化工艺制造电光源用熔融石英玻璃管已经形成规模，一些产品已经赶上国外先进水平，且由于价格较低具有很强的竞争力。

因此，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，是我国石英玻璃行业亟待解决的问题。

下面以石英连熔工艺为例，对熔融石英生产工艺的流程，关键因素和设备进行进一步的深入探讨。

流程

连熔工艺指采用机械自动投料，石英粉料从上炉口进料，在炉内熔化后，在下料口处连续拉出石英玻璃。连熔工艺一般使用钨加热器，钼材料的坩埚，因此需要气体保护。国外采用He气作为保护气体，生产的产品外观好且羟基含量低。由于He气价格太高，也可采用H2作为保护气体，但是羟基含量高，外观相对差一些。

连熔工艺机械自动化程度高，生产周期长，有生产成本低的优点。适合大批用量的电光源照明和电加热行业。具体流程如下图：

关键工艺因素

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。纯度对绝大多数工业应用和生产工艺都是至关重要的。高纯度熔融石英是制造高科技产品必不可少的材料。即使杂质含量并不高，也会造成非常严重的影响。纯度主要是由原材料本身、制造工艺及后续的加工流程共同决定的。在生产的每一个环节的温度都必须采取特殊的预防措施以保持高纯度。

另外，熔融石英行业是一个高能耗产业，对电能需求大，能源消耗占熔融石英生产成本的50%以上。随着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。通过对各个流程的温度进行监控，把温度控制在合理的范围之内，将会是一个节能的有效手段。

除了能耗问题，另一主要技术难题是各个流程的工艺温度方案，这也是石英生产企业核心的技术；基本不可能通过技术分享完成，只能是各个企业独自根据自己的产品，设备，原材料慢慢摸索。由于受诸多条件制约，摸索困难。再加上国内大多数企业的主要手段还是以经验为主，与国外企业差距较大。我们注意到已经有国内的企业已开始红外测温为手段监控工艺参数，结合后期质量检测，尝试优化原有的工艺温度方案。这将会形成一个技术方展趋势。