溫度控制是高純石英生產(chǎn)的重中之重，精確的溫度控制可以減少雜質(zhì),、提高純度,；也能降低生產(chǎn)能耗和用電成本。因?yàn)橐獙に嚋囟瘸掷m(xù)監(jiān)測,，使用熱電偶損耗快,、成本高，而且熱電偶本身會產(chǎn)生雜質(zhì),，不太適用于高純石英測溫,。
在這一工藝上，非接觸式的紅外測溫方案已經(jīng)逐漸成為技術(shù)趨勢,， 本文將詳述這一方案,。
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01
簡介
熔融石英又稱石英玻璃,，是以天然石英,，包括硅石、水晶等為原料,，經(jīng)高溫熔融而制得的一種無機(jī)非金屬材料,。石英材料由于具備耐高溫、耐腐蝕,、熱穩(wěn)定性好,、透光性好和絕緣性能好的特性，被制作成石英坩堝,、光掩膜版,、光學(xué)器件、石英舟,、石英支架,、石英爐管、石英籠,、石英法蘭,、石英槽、石英蓋板,、石英窗口等多種石英器件,，應(yīng)用領(lǐng)域遍及半導(dǎo)體、太陽能、光源電子,、電器,、軍事,、航天航空,、光通訊、電光源,、化學(xué)工程,、冶金等行業(yè)，成為支撐相關(guān)產(chǎn)業(yè)向前推進(jìn)的幕后功臣,。
02
產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
近年來受到國家宏觀政策的刺激和影響,，以及半導(dǎo)體光通訊行業(yè)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對石英材料特別是對高純石英材料的需求,，使石英行業(yè)受到關(guān)注的程度顯著提高,，直接推動了該石英行業(yè)近年來良好的市場行情。同時與西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家在整體技術(shù)水平上的差距正在快速縮小,，特別是近年來,，受到國內(nèi)政策和市場需求的推動，在半導(dǎo)體光通訊,、以及光伏等新能源行業(yè)強(qiáng)勁增長,，推動了石英行業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)水平的大幅度提升。
2018年石英行業(yè)總體規(guī)模為317億元,，其中半導(dǎo)體領(lǐng)域?yàn)?06億元,，占比高達(dá)65%。全球晶圓代工和半導(dǎo)體設(shè)備均維持穩(wěn)定增長,，在此拉動下2022年半導(dǎo)體用石英市場規(guī)模將上升至264億元,。另外預(yù)計(jì)2022年光伏和光纖領(lǐng)域的增長分別拉動43億元和68億元石英產(chǎn)品需求。預(yù)計(jì)2022年石英總體市場規(guī)模達(dá)到421億元,。全球高端石英玻璃市場（尤其是以半導(dǎo)體,、光通訊為主的電子級石英玻璃市場），大部分還是由海外龍頭企業(yè)掌握,。但是,，隨著電子信息，航空航天等高科技行業(yè)對石英材料需求的增長,，國內(nèi)石英制品行業(yè)在工藝水平,，設(shè)備制造方面均取得了大幅提升。國內(nèi)石英制品行業(yè)正從能源密集型行業(yè)向技術(shù)密集型,，資金密集型方向轉(zhuǎn)變 ,，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀石英企業(yè)。
03
技術(shù)路線
在石英的制備路線中，主要有氣熔法,，電熔法與合成法,，其雜質(zhì)和羥基含量因生產(chǎn)工藝的不同而差別較大。其中電熔法的優(yōu)點(diǎn)是效率較高,，且羥基含量低,，所以是目前的高純石英制品的主流工藝。也是本文中的重點(diǎn),。
合成法：合成石英是指在氫氧焰中水解四氯化硅生成高純石英玻璃,，生產(chǎn)周期較長，對環(huán)境潔凈度,、溫度穩(wěn)定性要求較高,，該方法生產(chǎn)的石英玻璃幾乎不含有鋁納鉀元素，但是羥基含量較高,。
氣煉法工藝,，可細(xì)分為一次成型的一步法及氣煉制砣、電熔加工的兩步法等,，一步法的工藝特點(diǎn)是粉料玻璃化的程度偏低,，缺點(diǎn)是外觀較差，可見明顯的溝渠樣環(huán)紋,，且對氫氣氣源依賴較大,。此外，由于采用氫氧焰作為熱動力,，氣煉法制取材料的羥基含量普遍較高（只可以適用于半導(dǎo)體低溫領(lǐng)域）,。而石英體內(nèi)的羥基雜質(zhì)含量過高，將會直接影響石英制品的高溫表現(xiàn),，使其在高溫下軟化變形,，最終影響半導(dǎo)體工藝制程。
電熔法工藝,，又可以分為真空電熔,、連熔法等具體方法。其原理是通過電為動力來源,，通過電阻,、電弧、中頻感應(yīng)等方式加熱,，熔融粉料而制取石英玻璃的工藝,，優(yōu)點(diǎn)是效率較高，且羥基含量低,。羥基含量低和析晶速度較低是電熔石英玻璃材料的主要特性,。羥基含量較低可提升紅外光透過率和粘度,。粘度越高則使用溫度越高，同時析晶速度較低,。析晶速度還與熔融時的中性/還原性氣氛有關(guān),。這將導(dǎo)致材料缺氧，從而抑制析晶作用,。
真空電熔法：指在真空或者惰性氣體環(huán)境下對高純石英砂進(jìn)行電熔煉制備石英玻璃,，該方法熔制的石英材料含有一些鋁元素和鈉元素雜質(zhì)，但其優(yōu)點(diǎn)在于羥基含量較低,。此外由于一次成型,，比較適合大尺寸以及超大尺寸的石英制品,。
連熔電熔法：連熔石英玻璃的生產(chǎn)屬于電熔法的一種,，是指采用機(jī)械自動投料，石英砂在爐內(nèi)被不斷熔融,，石英管,、棒、板等從下料口被連續(xù)拉出,，通過控制一系列工藝參數(shù)生產(chǎn)出特定規(guī)格的石英玻璃制品,。生產(chǎn)效率較高，適合形狀一致的適應(yīng)制品進(jìn)行批量生產(chǎn),。
04
技術(shù)工藝
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，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。
另一方面,，國內(nèi)釆用連續(xù)熔化工藝制造電光源用熔融石英玻璃管已經(jīng)形成規(guī)模,，一些產(chǎn)品已經(jīng)趕上國外先進(jìn)水平，且由于價格較低具有很強(qiáng)的競爭力,。
因此,，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)，是我國石英玻璃行業(yè)亟待解決的問題,。
下面以石英連熔工藝為例,，對熔融石英生產(chǎn)工藝的流程，關(guān)鍵因素和設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的深入探討,。
05
流程
連熔工藝指采用機(jī)械自動投料,，石英粉料從上爐口進(jìn)料,，在爐內(nèi)熔化后，在下料口處連續(xù)拉出石英玻璃,。連熔工藝一般使用鎢加熱器,，鉬材料的坩堝，因此需要?dú)怏w保護(hù),。國外采用He氣作為保護(hù)氣體,，生產(chǎn)的產(chǎn)品外觀好且羥基含量低。由于He氣價格太高,，也可采用H2作為保護(hù)氣體,，但是羥基含量高，外觀相對差一些,。
連熔工藝機(jī)械自動化程度高,，生產(chǎn)周期長，有生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn),。適合大批用量的電光源照明和電加熱行業(yè),。具體流程如下圖：
06
關(guān)鍵工藝因素
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。純度對絕大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用和生產(chǎn)工藝都是至關(guān)重要的,。高純度熔融石英是制造高科技產(chǎn)品必不可少的材料,。即使雜質(zhì)含量并不高，也會造成非常嚴(yán)重的影響,。純度主要是由原材料本身,、制造工藝及后續(xù)的加工流程共同決定的。在生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)的溫度都必須采取特殊的預(yù)防措施以保持高純度,。
另外,，熔融石英行業(yè)是一個高能耗產(chǎn)業(yè)，對電能需求大,，能源消耗占熔融石英生產(chǎn)成本的50%以上,。隨著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,。通過對各個流程的溫度進(jìn)行監(jiān)控，把溫度控制在合理的范圍之內(nèi),，將會是一個節(jié)能的有效手段,。
除了能耗問題，另一主要技術(shù)難題是各個流程的工藝溫度方案,，這也是石英生產(chǎn)企業(yè)核心的技術(shù),；基本不可能通過技術(shù)分享完成，只能是各個企業(yè)獨(dú)自根據(jù)自己的產(chǎn)品,，設(shè)備,，原材料慢慢摸索。由于受諸多條件制約,，摸索困難,。再加上國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)的主要手段還是以經(jīng)驗(yàn)為主，與國外企業(yè)差距較大,。我們注意到已經(jīng)有國內(nèi)的企業(yè)已開始紅外測溫為手段監(jiān)控工藝參數(shù),，結(jié)合后期質(zhì)量檢測，嘗試優(yōu)化原有的工藝溫度方案,。這將會形成一個技術(shù)方展趨勢。
07
紅外測溫儀推薦
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多種通信接口（RS-485,、Ethernet,、Profinet）便于訪問
可編程繼電器輸出
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防護(hù)等級 IP65 (NEMA 4)
配合高溫保護(hù)套可抵御高達(dá) 315℃ 的環(huán)境溫度
多種通信接口（RS-485、Ethernet,、Profinet）便于訪問
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關(guān)于福祿克過程儀器
福祿克過程儀器,，由雷泰（Raytek®）、愛光（Ircon®）和Datapaq®三個測溫領(lǐng)域的知名品牌整合成立,，是福祿克(FLUKE)的重要事業(yè)部之一,，致力于為客戶提供全套工業(yè)測溫解決方案。
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聯(lián)系我們
產(chǎn)品咨詢電話：福祿克過程儀器事業(yè)部 010-64384691
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