石英玻璃工业的发展与展望.docx

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石英玻璃工业的发展与展望

石英玻璃工业的发展与展望

   潘国璋

   １前言

   石英玻璃是二氧化硅（SiO2）单一组分的特种工业技术玻璃，它是用天然二氧化硅含量最高的水晶或经特殊工艺提纯的高纯砂（实际上也是小颗粒水晶）做原料，在2000℃高温下熔制成的玻璃，SiO2含量高达99.995％～99.998%。

石英玻璃具有一系列优良的物理化学性能；它有极良好的透光性能，在紫外、可见、红外全波段都有极高的透过率（90％以上）；它的耐高温性能很好，是透明的耐火材料，使用温度高达1100℃，比普通玻璃高700℃。

它的膨胀系数极低，为5×10-7／℃，相当于普通玻璃的二十分之一，所以热稳定性特别好，3mm厚的石英玻璃加热到1100℃投入到20℃水中不会炸裂。

它的电真空性能也很好，真空度可达10-6帕。

它的电学性能、化学稳定性也特别好，电阻率：

20℃为1×1018欧姆厘米，800℃时为5×106欧姆厘米，是一般玻璃无法比拟的。

因此，石英玻璃被人们誉称为“玻璃王”。

它是新型电光源：

碘钨灯、汞灯、氙灯、金卤灯、杀菌灯和激光泵的良好泡壳材料，它也是半导体工业、光通信工业、激光技术、航天技术和军事工业不可或缺的基础材料。

   石英玻璃在国外已有一百多年历史，中国石英玻璃工业发展较晚，20世纪70年代才形成产业，新型电光源工业和半导体工业的迅速发展促进了石英玻璃工业的发展，反过来石英玻璃工业的发展又促进了电光源工业和半导体工业发展。

30年来，石英玻璃工业取得长足发展。

主要生产技术和装备已达到世界先进水平。

企业生产规模，大中型企业（产量千吨以上，产值亿元以上）已有10余家。

2008年产量15.6万吨，其中电光源用石英玻璃产量3万余吨，比1978年增加170倍，已占世界总产量的70％～80％，信息产业用石英玻璃3700吨……，见表3。

绝大部分产品质量达到世界先进水平，规格品种达50多种。

军工产品，现在国外有的品种，绝大多数我国都能生产，产品大量出口，30年来价格大幅度下降，是原来的1／10左右，低于国际市场价格的20％～40％。

   回顾改革开放30年来我国石英玻璃工业的发展历程，展望未来，可以增强信心，克服目前世界金融危机给石英玻璃企业特别是大量出口的企业带来的困难。

我们要坚持创新，进一步提高质量，节约能源，降低成本，扩大内需，前途是光明的。

   ２石英玻璃工业的发展历程

   1949年新中国成立之前，石英玻璃工业是空白，为了满足国民经济发展和国防的需要，1956年周恩来总理亲自制定12年科技发展规划，石英玻璃被列入规划之中。

因为石英玻璃是特种工业技术玻璃产品，用于国防军工，当时，世界各国都技术保密，对中国进行封锁。

因此生产工艺技术只有依靠自力更生，自行研究，科研任务下达到建材部中国建材研究院。

1957年到1966年，以研究生产工艺为主，参加研究和组织生产的企业有锦州石英玻璃厂、北京605厂、大连石英玻璃厂、上海新沪玻璃厂等。

1967年～1977年各品种相继形成规模生产。

1978年改革开放后，为了加快石英玻璃工业技术进步，改造落后工艺及设备，从国外引进了先进技术和装备，1980年9月建材部组织技术考察组赴英国、德国、日本和美国考察，1985年从日本引进半导体用石英坩埚制造技术和装备，1987年投产。

1986年从法国引进光通信用石英管制造技术和装备，1989年投产。

1987年沈阳石英玻璃仪器厂与美国加利福尼亚石英公司合资建立优耐特石英公司（后变为德国贺利石英公司日本信越石英公司独资企业）以生产石英器件为主。

1991年，从英国CB公司引进电熔连熔技术和装备，以生产电光源石英管为主。

   这些引进技术，大大促进了我国石英玻璃工业的发展。

在引进技术的基础上，不断仿制创新、扩大规模，在较短时间内，达到世界先进水平。

以连熔炉为例，从英国引进时是世界二流技术，拉管直径中16mm～20mm，年产量每台炉50吨，经过十几年的创新提高，技术水平和装备水平大大超过引进水平，产品质量大幅度提高，已达到世界一流水平，拉管直径已达到Φ300mm，l台炉年产量可达200吨，原材料和电力消耗大幅度下降，成本大幅度下降，产品大量出口外销。

   2.1生产工艺

   石英玻璃的制造工艺非常特殊，与一般玻璃制品截然不同，生产石英玻璃有很多难点。

第一，熔化温度高、粘度大，气泡很难排除。

石英玻璃的原料为水晶单一成分，不能加任何熔剂，水晶熔点1740℃，即便已熔化，仍是固体（软硬程度如20℃的沥青），当温度升高到1900℃时，才能成形（软硬程度如面团），直到2200℃气化时，粘度仍很高，气泡不能排除。

第二个难点，要获得优良性能的石英玻璃必须是高纯度，杂质总量小于万分之一，因此熔化石英玻璃的容器，只有高纯钨和高纯石墨两种材料，钨和石墨高温要被氧化，因此熔化石英玻璃必须在真空或氢气保护下进行。

   制造石英玻璃热源有两种，电和氢氧气，用电做热源制造的石英玻璃称电熔石英玻璃，用氢氧气做热源制造的石英玻璃称气炼石英玻璃。

   20世纪60年代开始研究成功的第一个电熔工艺是采用大型高频炉，感应加热石墨坩埚，当温度达到1950℃时，将坩埚内水晶粉熔化到可成形的熔块。

为了减少气泡，熔化时炉内抽真空，成形时炉内常压，该工艺可以生产石英管、石英棒等产品。

因为高频炉功率有限，造价昂贵，后改为将石墨坩埚通电，用大电流、低电压电阻加热，称该工艺为真空常压电阻炉工艺，到70年代，又改进为真空加压工艺，即熔化时抽真空，熔化好后，再提高温度，使熔体更软一些，在高温下向炉内充25kg／cm2氮体，通过微气泡溶入玻璃体内来消除熔体内的微小气泡，从而提高透明度（大气泡不能消除，只能压小）称该工艺为真空加压电阻炉工艺。

在1993年以前我国电光源用石英玻璃都是用这两种工艺生产的。

真空常压炉和真空加压炉只能间断生产，1炉只能生产5～6公斤，l台炉年产量为5～6吨，生产效率低，成本高，产品质量差。

1976年研究成功连熔工艺，该工艺采用高纯钨做熔化坩埚，用钨棒加热，水晶粉在炉子上口由料仓连续慢慢加入，炉子下口连续拉石英管，因此称连熔炉。

消除气泡的办法是，水晶粉料仓内通H2或He气，置换掉孔隙中的空气，因为H2和He在高温下能透过石英熔体扩散掉，所以可以熔化出几乎无气泡的全透明石英玻璃。

该工艺的特点，炉子寿命长（1～2年），可以连续生产，产量高，Φ200mm钨坩埚，每台年产50吨，是电阻炉的10倍，2007年钨坩埚已扩大到Φ500mm，每台炉年产150～200吨，1993年以后，电阻炉逐渐被连熔炉所代替。

   气炼生产工艺：

以氢氧气为热源，清洁无污染，可以生产高纯度石英玻璃。

采用分层加料方法排除气泡，气炼法生产的石英玻璃主要用于半导体工业，电光源产品，只有球形氙灯（用于火车头前照灯）用气炼石英玻璃制造。

气炼工艺，70～80年代为一步法，以后学习日本改为二步法，先制锭再用锭加工成管、棒及各种石英器件。

   2.2电光源用石英玻璃产量

   我国电光源用石英玻璃产量见表1。

   表1　历年电熔石英玻璃产量

   1975年以前，产量由建材部统计，1975年以后就没有人统计了，1990年以后由建筑玻璃和工业玻璃协会统计，1975年全国有58台电阻炉，年产量172吨，2008年我国已拥有各种型号连熔炉240台，（钨坩埚Φ250mm、Φ360mm、Φ450mm、Φ500mm四种型号连熔炉），总产量3万吨，比1975年增加174倍。

   ３品种和质量

   石英玻璃有50多个品种，电光源用石英玻璃有10多个品种，它们是：

碘钨灯用石英管、汞灯用石英管、无臭氧石英管、截紫外石英管（UV管）、金卤灯用石英管、低熔点石英管、加热器用乳白石英管、彩色石英管、超高压球形汞灯（UHP灯）用石英管、汽车HID氙灯用石英管、大口径石英管、石英棒及石英板等。

下面分别简述电光源用各种石英管质量和优秀生产企业。

   3.1碘钨灯用石英管

   碘钨灯用石英管是最普通的标准型石英管，产品质量已达到美国GE公司相同产品水平，规格尺寸：

Φ3mm～Φ30mm；壁厚：

0.5mm～1mm，直径公差：

外径的±1.5％。

中国生产的碘钨灯管一般不脱羟，这与国外不相同，原因是降低成本降低售价。

如果用户要求轻度脱羟，封压不产生气泡，可以将石英管800℃煅烧半小时，羟基由150ppm降到30ppm以下。

杂质含量A1、Fe、Ca、Mg、Ti五种元素杂质量总量小于100ppm。

   3.2汞灯用石英管（其他气体放电灯都可用）

   该产品的特点羟基含量为8ppm～10ppm，是中度脱羟产品，1995年以前都采用真空加压炉生产，尺寸公差大，杂质含量高、气泡气线多，1998年研究解决了连熔石英管脱羟技术后，逐步淘汰了真空加压炉产品，价格由每公斤200元降到每公斤20元～25元。

质量提高了，价格大幅度下降了，这是技术进步的结果。

汞灯用石英管质量，杂质含量：

A1、Fe、Ca、Mg、Ti五种元素总量小于50ppm，气泡气线、尺寸公差，均达到美国GE公司同类产品水平。

   3.3无臭氧石英管

   无臭氧石英管用于制造杀菌灯。

各种玻璃唯有石英玻璃透过紫外线最高，所以紫外杀菌灯都采用石英玻璃做泡壳。

但是短波紫外线（波长220mm以下的短波紫外线）会激发空气中的氧原子为臭氧，浓度太大有害健康，因此医院用杀菌灯必须用不产生臭氧的石英管制造。

石英玻璃中加入150ppm～200ppm的钛，能截除220nm以下的紫外线，就不再会产生臭氧了，我国生产的无臭氧石英管，波长210nm以下透过率为0％，波长220nm<2％，波长253.7nm透过率高达84％，这是汞的谱线，是杀菌谱线，比例越高越好。

大部分杀菌灯，使用时人员可以离开使用场地，所以不需要用无臭氧管，用普通石英管就行。

无臭氧石英管壁厚最好薄一些，可提高紫外透过率。

优秀生产企业：

连云港市宏伟石英制品厂，生产无臭氧管历史最久、质量最好、最稳定，达到美国GE公司同类产品水平。

   3.4截紫外石英管（又称UV管）

   1996年欧洲国家立法，家庭和集会场所用的石英泡壳灯，为防止皮癌的产生，要求采用全波段截紫外石英管，截除350nm以下的全部紫外线。

截紫外石英管是原料中掺入少量钛和铈吸收全部紫外线。

美国CE公司的牌号为“254”，中国产品质量与GE公司相同水平。

根据掺入杂质不同，UV管又分UV1、UV2、UV3。

UV3为掺铕（Eu），用于制造激光光泵。

   3.5金卤灯用石英管

   要求高纯度低羟基，相当于美国GE公司的214A牌号石英管。

石英管中的羟基严重影响灯的质量和使用寿命，它破坏卤钨循环，使灯泡中的卤化物变质，电极氧化中毒，严重时造成熄弧，点不起来。

提高石英管纯度，并真空脱羟，真空度10-4帕，脱羟温度1050℃、经过长时间处理，可以降低石英管中的羟基达到<1ppm。

为了降低石英管的成本，减少脱羟时间，产品中羟基含量分为<3ppm和

为了达到脱羟目的，石英管纯度必须提高，要求Fe<0.5ppm，Na<2ppm。

否则产品质量不稳定。

我国低羟基管水平已达到美国GE公司水平。

优秀生产企业：

东海县太平洋石英制品公司，脱羟设备最先进，产品质量最好，一致性最好，最稳定，产品大量出口。

   3.6低熔点石英玻璃

   由于石英玻璃耐温性能高，制灯封接要用氢氧气，增加了制灯成本，适当的降低石英玻璃的软化温度，并保持石英玻璃的特性，将制灯封接温度降低100℃～150℃，在1580℃～1630℃就可以进行封接加工（采用天然气或石油液化气加氧气就可以封接）。

太平洋石英公司研究成功低熔点排气管，可降低软化温度300℃，保证排气口可以烧平，满足了用户的要求，产品大量出口。

   3.7彩色石英玻璃

   根据特殊用户的要求试制成功6种彩色石英玻璃，目前能够生产的有红、黄、棕、紫、和黑6种颜色。

   3.8红外加热器用石英玻璃

   红外加热器用石英玻璃，有6个品种：

（1）白色透明石英管；

（2）白色乳白石英管；（3）珠光乳白石英管；（4）二步法乳白石英管；（5）红色透明石英玻璃；（6）粉红色乳白管。

加热器生产工艺与碘钨灯生产工艺基本相同，有一些小型灯泡厂同时也做加热器。

加热器应用范围很广，如烤漆、烘干、食品烘烤、家电配件等大量使用红外加热器。

太平洋石英公司新生产的乳白管是新工艺，乳白度好，质量达到世界先进水平，产品大量出口。

   3.9汽车HID氙灯用石英管

   汽车前照灯性能要求愈来愈高。

氙灯，光色与太阳光近似，最早用于火车头照明，称球形氙灯，一直延用至今，功率大、亮度强，它是一种高压气体放电灯。

现在用于汽车前灯，是最新型的汽车前灯。

一只35W的氙灯能发出3200流明的白光，比卤素灯提高了3倍，寿命长，比卤素灯长6倍，而且比卤素灯节电40%。

连云港福东正佑照明电器公司（原福东石英制品公司）大量生产汽车氙灯石英管，纯度高、耐温性好，质量达到美国GE公司水平，受到广大用户欢迎。

   3.10超高压球形汞灯（UHP灯）用石英管

   它是石英管中性能最高的石英玻璃，要求耐高压，超高纯度，超高抗折晶，工艺上要求熔化温度高，Na离子含量小于0.1ppm，金属元素杂质总量小于8ppm，羟基含量小于0.5ppm。

   3.1l大口径石英管

   灯用石英管通常直径小于Φ60mm，LED灯是用半导体发光二极管制造，如果电光源行业，要生产LED灯，就需要大量大口径石英管（扩散管用Φ300mm石英管），而且要求高纯度。

连云港市宏伟石英制品公司2008年已能用直接法生产Φ300mm大口径石英管，金属杂质总量小于20ppm。

石英管直径分三档：

小直径Φ3mm～60mm，中等直径：

Φ6lmm～200mm，大口径：

中201mm～400mm，连熔炉直接法生产的大口径石英管价格便宜50％，是世界先进水平。

国外Φ250mm以上都采用扩管法，价格昂贵。

   3.12石英棒和板

   连熔工艺不但可以生产管材也可以生产棒和板材，东海县海盛石英制品公司是我国唯一生产板材的公司。

   ４管理与价格

   4.1管理

   石英玻璃工业是靠军工起家，为两弹一机等军工项目试制了很多军工产品，满足二一七机部需要的军品，1963年国家计委决定石英玻璃为部管计划产品，归口建工部统一管理，产品为计划统配产品，1965年归口建材部管理，军品由军工处负责，民品由生产司负责组织生产，统一销售，统一制订价格。

1985年首批下放，由企业自由订价，走向市场经济。

1988年5月成立石英玻璃协会协调企业间互动、技术交流和出版石英杂志等工作。

军品方面的研究和生产工作。

军品虽然重要，但品种多，需求量少，产值较小。

石英玻璃工业发展主要依靠电光源和半导体工业的发展而带动起来的。

最早蔡祖泉在中国试制出汞灯，需要大量石英管，促进了电熔石英管的发展，20世纪60年代到70年代，电熔产品主要用于电光源，以后半导体工业发展需要大量高纯度石英玻璃，促进了气炼石英制品的发展，气炼产品价格昂贵，主要供半导体部门使用。

1991以后，大力发展连熔工艺，产品可用于电光源工业，也可以用于半导体工业。

   石英玻璃工业的高速发展应归功于改革开放后从国外引进了大量的新工艺、新装备，在引进的基础上结合国情不断创新、仿制、扩大生产才取得今天的成就。

   4.2价格

   石英玻璃的价格有天翻地覆的变化，它得益于工艺技术装备先进，得益于技术创新，得益于使用低价原料和节电等措施。

气炼制品得益于氢氧气综合利用（利用氯碱厂废氢价格可下降90％）。

表2是电熔石英玻璃1981年与2008年价格对比。

从表2可以看出，27年来价格平均下降了93％，促进了电光源和半导体工业的发展。

   表2　电熔石英玻璃1981年与2008年价格对比

   ５发展方向和展望

   5.1发展方向

   改革开放30年来，石英玻璃工业取得很大成绩，特别是电光源用石英玻璃，在发展过程中企业也遭受了二次大冲击。

1993年～1998年，先进的连熔工艺代替落后的电阻炉工艺过程中，95％石英企业由于电阻炉产品质量差、成本高，受不了价格冲击，被迫关门下马，随之新建连熔企业如雨后春笋增加，造成产大于销，无序竞争，价格降到几乎无利润。

部分连熔企业又被迫关门下马。

石英玻璃的大降价，促进了电光源工业大发展。

国外一些大照明公司纷纷来中国办厂，利用中国的便宜石英管，促进了电光源工业的发展，需要石英玻璃多了，又转回来促进石英玻璃工业的发展，从1995年开始连熔炉石英管产量每年以20％～30%的速度增加，通过市场竞争优胜劣汰，经济效益不好的关门，经济效益好的发展，起到企业重组的效果。

形成了几家大企业，产品大量出口。

   但是也要看到，石英玻璃的发展是极不平衡的，电光源用石英玻璃是快速发展了，但信息产业用石英玻璃（半导体为主）发展缓慢。

2007年统计，信息产业用石英玻璃营销额占全行业的43％，而电光源用石英玻璃仅占全行业的34％，其他工业用石英玻璃占23％，如表3所示，而信息产业用石英玻璃的生产技术，产销业务都掌控在外国跨国公司手中，1990年以后国外几家主要石英跨国公司纷纷进入中国建工厂、争夺市场，2007年统计中国10大石英企业，产值占全行业的65.6％，如表4所示。

这10大企业，外国企业主要生产信息产业用石英玻璃，产值占84％，中国生产信息产业用石英玻璃只有2家产值仅占16％，通过表3和表4可以看出，我国石英玻璃工业发展极不平衡。

价格贵、利润大的半导体用产品并没有抓住。

今后发展方向应重点发展半导体用石英玻璃，特别是连熔炉，要大力发展大口径石英管，发展高纯度，耐高温石英管，减少进口，扩大内需。

要大力发展石英加工产品（石英器件）光通信用石英管等产品。

   表3　2007年各主要工业部门石英玻璃制品使用量及营销额分布

   表4　2007年石英玻璃行业部分重点企业

   5.2企业结构问题

   中国石英玻璃企业虽然已几乎全部转变为民营企业（只有1家国营企业），但是多数企业规模非常小，资金不足，多数企业技术装备差竞争力小，近几年来虽然出现了几家较大规模的企业，但远远不够。

   5.3技术创新和营销策略

   总结行业中先进企业，发展快的企业，他们都是很抓创新，提高质量，改进装备，不断吸收国内外、各行各业的先进技术为我所用，发展自己。

在今后，不但要抓住产品外销，更要扩大内需，例如：

信息产业用石英器件加工用原材料（石英管、棒、板）绝大多数是进口的，外围人只是利用我们的劳动力，从国外拿来先进加工设备，生产石英器件，我们既没有高质量的石英材料，又不掌握营销市场，所以信息产业用石英玻璃一直发展不起来。

近年来，电光源用石英玻璃企业已发现了这个问题，注意到在发展电光源用石英玻璃的同时，加强发展半导体工业用石英玻璃，现在行业都有相互交差，例如，LED光源，它是半导体固体发光管，生产LED灯就需要大量大口径、高纯度、耐高温石英管。

两者同时发展没有矛盾。