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石英砂问答

石英砂厂家及生产流程(高纯石英砂的壁垒、供需与格局)

发布时间:2023-02-23  人气: 68

 纯度标准严苛,各应用领域有明显梯度

物化特性优异,各纯度标准产品应用领域不同,价格差异大

高纯石英砂物化特性优异,应用领域广泛。高纯石英砂通常是指w(SiO2 )>99.9%的石英粉体,一般由高品位的天然石英矿物经过提纯技术生产。高纯石英砂独特的晶体结构和晶格变化规律,使其具有耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀等特点。

低、中端高纯石英砂已实现国产化,高端以海外进口为主。国内学术界当前将高纯石英砂定义为:SiO2含量>99.9%,Fe2O3 含量<10ppm,Al2O3含量<25ppm的石英产品。按产品标准可细分为低端(3N)、中端(4N) 、高端(4N8)产品,低、中 端产品已实现国产化,而高端产品则主要从海外进口。

高纯石英砂纯度高,杂质含量低于20ppm

高纯石英砂纯度高,杂质含量低于20ppm。高纯石英砂中的高端产品是以尤尼明(北美)公司的IOTA-STD为标准, 十二种元素杂质的含量小于20ppm,其中碱金属(K,Na,Li)分别小于1ppm的高技术产品。尤尼明公司生产的高纯 石英砂系列产品占据全世界大部分市场,其石英产品纯度被称为“高纯石英砂世界标准纯度”。

单晶坩埚用高纯石英砂标准较光伏玻璃石英砂更严苛

坩埚生产环节用高纯石英砂标准较光伏玻璃石英砂更严苛。光伏坩埚用石英砂纯度需达到99.998%,光伏生产环节用 (如清洗环节)石英制品纯度要求为99.99%以上,均高于光伏玻璃石英砂98.55%的纯度要求,且对杂质含量要求标准也 远高于光伏玻璃。

坩埚环节为保证坩埚熔制效果,严格控制各金属杂质含量。若高纯石英砂纯度不足:1)熔制过程造成坩埚本身形变,导 致坩埚使用寿命降低;2)影响拉制单晶硅的纯度,从而导致硅棒良品率的降低。

2 “原矿”资源属性+“提纯”工艺筑行业壁垒

可用于高纯石英砂生产的矿品类有限

高纯石英砂矿源以花岗岩石英、脉石英为主。天然水晶纯度较高、包裹体少,曾是高纯石英原料,现在主要用作水晶 工艺原料;天然水晶储量少且分布不均匀,我国高品位水晶较少。目前花岗岩石英和脉石英为生产高纯石英砂主要原料,其中花岗岩石英矿床规模大,石英纯度高,但石英含量较低,伟晶岩含有大约40%的更长石、25%石英、20%微 斜长石(一般为条纹长石)和15%的白云母;脉石英矿床分布广泛,但规模相对较小。

全球高纯石英矿储量、品质分布不均

全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大、印度、巴西等9个国家。

美国斯普鲁斯派恩矿拥有独特的白岗岩型高纯石英原料矿,曾提供全球90%的高纯石英砂,尤尼明公司也垄断了IOTA超纯 石英的生产和销售,其他国家难以发现类似的矿床。但近年来各国加大勘查找矿力度,已发现10多处可用作高纯石英原 料的矿床,生产低-中档高纯石英砂,逐渐打破斯普鲁斯派恩矿在高纯石英砂产业的垄断格局。

原矿优劣与纯度、包裹体特征、元素存在形式有关

原矿要求高:质量优劣与杂质元素含量高低不是简单的对应关系,而与原料包裹体特征、元素的赋存状态和存在形式 有关。

高纯石英砂生产方式主要采用矿物提纯法

高纯石英砂提纯法主要工艺流程为:原矿硅石经洗矿机洗去泥 沙 , 破 碎 机 粗 破 后 , 将 合 格 石 英 料 投 入 焙 烧 炉 中 , 在 850℃~980℃温度下焙烧6个小时,焙烧后将石英料拖入清水中 进行水淬,再经人工拣选出去除杂质后送入破碎机进行破碎并 过筛,再将通过筛网的石英砂送入磁选机,磁选后石英砂投入 到配有HCl和HF混合酸的酸缸中浸泡一周,再经浮选、脱水、烘 焙、冷却、包装,制得高纯石英砂。

化学合成法:包含气相合成法、液相合成法、氟硅酸法等

化学合成法技术路线包含气相合成法、液相合成法、氟硅酸法等。合成石英具有纯度更高(6N)、光学性能更优等特 性,正逐步成为 7 纳米以下的半导体产品生产中的替代材料。

气相法:以SiCl4等为原料,在氢-氧气流高温下(1200-1600℃)水解制得烟雾状的SiO2,经冷却、分离、脱酸等过程 后即得到成品的SiO2颗粒。通过控制温度、分两步的气相水解方法制备合成SiO2粉,但其技术工艺较复杂,效率低, 技术还不成熟,目前也仅适于实验室的研制,大规模工业化生产困难。(报告来源:未来智库)

提纯检测:国外领先,国内企业追赶

海外巨头拥有更完整的研发、检测体系,在产品稳定批量供应方面具备领先优势。

检测技术:试剂纯度、加工环节的材料、生产环境对产品品质有影响,每个环节的在线检测可以有效把控产品品质。对于IOTA标准的高纯石英,化学分析法和X射线荧光光谱法(XRF)检测难以满足其质量检测要求。目前ICP-OES 已经成为检测高纯物料微量化学成分的有效方法。

3 供需有望保持紧平衡,价格仍有提升空间

石英坩埚是拉制单晶硅的耗材

石英坩埚:是光伏单晶炉的关键部件,是拉制大直径单晶硅的消耗性器皿,主要用于盛装熔融硅并制成后续工序所需晶 棒。1978-1988年,我国的电弧法石英坩埚、高纯涂层坩埚同激光用石英玻璃、高纯耐高温石英玻璃管等石英制品已完成 研制并实现规模化生产。1989-2000年,此阶段主要是在引进国外先进技术吸收消化的基础上实现国有化。2000年以后, 随着技术进步,坩埚尺寸从12英寸一直发展到32英寸,少数企业已达到40英寸。

石英坩埚分为内中外三层,中内层占比约30%-40%

坩埚结构:石英坩埚分为外层(不透明层)、中内层(真空透明层)。外层(不透明层)内部含有大量气泡,受热均 匀,保温效果好;中内层(透明层)均匀致密、表面光滑,可以增强坩埚的强度(抗变形),降低内表面的温度(防 失透)。根据每家坩埚厂商配方差异,中内层砂占比30%-40%不等。

石英坩埚中内层对高纯石英砂高纯、低铝、低碱、抗析晶的要求更高

石英坩埚中内层对高纯石英砂高纯、低铝、低碱、抗析晶的要求更高。坩埚最内表层是指透明层中最靠近内表面1- 2mm的部分。坩埚对硅液起作用的机理是,由于与硅液接触的内表面不断向硅液中熔解,并且伴随着透明层中的微气 泡不断的长大,靠近最内表面的气泡破裂,伴随着硅液释放石英微颗粒以及微气泡。而这些杂质会以微颗粒以及微气 泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体,直接影响到硅的成晶(整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等)以及单 晶硅的质量(穿孔片、黑芯片等)。

石英坩埚尺寸大型化,寿命不断提升

石英坩埚尺寸大型化:根据欧晶科技招股说明书,单只28英寸单晶坩埚重量超40kg。硅片大型化趋势下,石英坩埚尺 寸不断增大,重量也相应增加。同时考虑到在相同尺寸下,坩埚厚度、高度等也有差异,我们预计32英寸坩埚重量约 70-80kg,36英寸坩埚重量约90-100kg。

全球装机量提升+N型占比提升驱动需求快速增长

N型硅片占比提升:N型单晶电池效率更高,预计2030年占比有望提升至50%。而N型硅片对于多晶硅原料以及部分辅材 的纯度要求更高,N 型硅片更换石英坩埚频率更高,进而对高纯石英砂的需求量更高。因此,除了光伏下游总量的提升, 结构升级望贡献高纯石英砂行业增量。

测算22-24年全球高纯石英砂需求为6.2、8.2、9.9万吨

预计22-24年全球高纯石英砂需求为6.2、8.2、9.9万吨。我们预计22-24年全球光伏装机容量240、300、375GW;坩埚 使用寿命为380、400、400小时;大型化趋势下单个坩埚平均重量为80、90、90kg;高纯石英砂制造单晶坩埚损耗系数 0.8;中内层砂需求占比40%,外层砂需求占比60%。

22-24年行业供需保持紧平衡,价格有望继续提升

22-24年高纯石英砂供需有望保持紧平衡。预计22-24年高纯石英砂需求约6.2、8.2、9.9万吨,供给约6.0、8.2、9.8万吨, 供需缺口为-0.2、-0.1、-0.1万吨。

石英股份产品价格有望继续提升。一方面,行业供需紧平衡下,行业整体均价有所抬升;另一方面,石英股份中内层砂 占比有望逐步提升,而中内层砂均价更高,有望带动整体均价提升。

4 “两家海外+国内一大”格局,石英股份国产化率提速

“两家海外+国内一大”格局

目前全球仅尤尼明、TQC、石英股份三家企业具备量产高纯石英砂的能力,国内其他有江苏阳山、东海几家小工厂、 辽宁锦州几家小厂、凯盛石英太湖公司等,但无法稳定批量供应。

高纯石英砂国产化进程加快

国产石英砂市占率有望持续提升。石英股份加快产能扩张,2万吨高纯砂项目在22年3月投产(预计22年5-6月达到满产状 态);此外收购的强邦股份有望贡献6000吨增量;我们预计新建1.5万吨项目有望于23H1投产。我们预计22-24年海外合计 扩产有限,一方面受疫情影响,海外产能扩产进度放缓;另一方面,尤尼明/挪威TQC开采的石英矿来自伟晶岩矿床,而 伟晶岩二氧化硅含量约25%,在开采石英矿时会伴随产生大量其他副产品矿石。其他副产品矿石的大量累积,会导致石英 矿开采经济性下降。

外层砂已基本实现国产替代,中内层砂产品和客户认可度提升

外层砂已基本实现国产替代,中内层砂产品和客户认可度逐步提升。目前石英股份的高纯石英砂仍以外层砂为主,我 们预计石英股份在中内层砂质量以及客户认可度上均有提升,并有望逐步提高中内层砂的渗透率。我们预计21年石英股 份外层砂份额约50%,中内层砂份额约8%。

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