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光纤预制棒及相关电子气体使用问题

更新时间:2008-8-15 19:07:00

随着30年光通信产业的迅速发展,我国光纤预制棒产业取得了较大发展,但是,在生产效率、原创技术、制造成本等方面与国际领先水平还有很大差距。为此,我们约请业内专家及企业代表从行业的角度审视国内光纤预制棒产业发展现状,存在的瓶颈,并给出企业突破瓶颈的办法,以期推动整个行业的发展。

    华伦集团高级顾问朱君灏
    如果不考虑人民币升值因素,光纤预制棒未来价格走势取决于国内厂商是否能成功掌握低成本的预制棒生产技术,这一点也给我们指出了光纤预制棒产业的突破方向。 原材料本地化是降低生产成本主要因素

    目前,几乎所有用外部气相沉积工艺(OVD)、气相轴向沉积工艺(VAD)制造光纤芯棒的生产厂家都用了SOOT(套管)外包层技术(如江苏法尔胜、杭州富通)。由于SOOT外包层技术和设备已经有商品,许多用化学气相沉积工艺(MCVD)制造芯棒的厂家也纷纷用SOOT代替了套管。长飞用微波等离子体化学气相沉积工艺(PCVD)/大套管真空拉丝(RodInCylinder,RIC),套筒(Cylinder)也是SOOT外包层技术生产的。即气态卤化物(SiCl4等)通过氢氧焰或甲烷焰进行反应,生成大量的“粉末”,随着棒体沿着燃烧器的来回运动,而逐渐一层一层沉积在芯棒的外表面。SiCl4是外包层技术生产中的主要原材料,占制造光纤预制棒成本的30%左右,其次是H2(氢气),O2(氧气)和可以循环使用的HCl(氯化氢气),Cl2(氯气)反应链。
    光纤用高纯四氯化硅特性(SiCl4)在常温、常压下呈无色透明液体,具有极佳的流动性。目前,通常使用改良的西门子法技术生产,将三氯氢硅(SiHCl3)生产为多晶硅,生产中产生的副产物SiCl4经过二级精馏和全循环“充装管阀系统”提纯为光纤用的高纯SiCl4。
    随着太阳能光伏产业和集成电路的迅猛发展,多晶硅在我国发展很快,截至2008年3月全国共有16个省市自治区投资33个多晶硅建设项目,按这些项目计划产能统计,如果全部建成投产后,其产量为14.6万吨,笔者认为其中只有极少数项目已经投产,如果我们取其10%计算的话,几年后,实现1.5万吨多晶硅产量是可行的。根据生产数据显示,生产1公斤多晶硅可产出8公斤四氯化硅(SiCl4)那么,每年有12万吨四氯化硅。当然其中一部分四氯化硅在高温,氢气气氛下能(铜催化)把四价硅还原为三价硅—三氯氢硅,那么,每年有数万吨以上四氯化硅可作为光纤生产用,这种粗料SiCl4经过二级精馏严格提纯,以除去有害的过渡金属离子、含氢化合物和碳氢化合物等有害杂质。
    还有一个值得借鉴的方法,德国德固萨公司是世界上专业生产SiCl4产品的企业,光纤和半导体用四氯化硅产品的年生产能力达到15万吨。他们的工艺是利用在生产气相白炭黑过程中产生的氯化氢气体与硅粉反应,通过反应温度的控制生成85%SiCl4,15%的SiHCl3。生成的SiCl4一部分用于生产气相白炭黑,另一部分经提纯后用于生产石英玻璃和作为光纤预制棒原料。生成的SiHCl3用于生产有机硅。生产气相白炭黑和有机硅过程产生的HCl气体又回到与硅粉反应的工序中,形成整个生产过程中的闭路循环,既降低了生产成本又保护了生产环境。
    目前,我国主要有两三家企业在进口德国德固萨公司产品,数量在1000吨左右,随着光纤市场的快速增长,以去年进口970吨预制棒计算的话,如果采用德国的Heraeus公司的技术生产石英圆筒,采用长飞RIC的规模化生产,估计需要15000吨—18000吨四氯化硅,大约耗费几千万美元以上。这里应说明一下:使用VAD或OVD工艺制造预制棒外包层,其SiCl4耗量大约要少10%以上。如果高纯SiCl4全部本地化后并争取几年后是进口价格的30%—50%,至少降低了安全储运和灌装租用的费用,作者认为是可行的。
    氦气回收和再利用亦很关键
    氦气在光纤制造工艺中被广泛应用:在光纤预制棒沉积工艺中作为载气,在预制棒脱水烧积工艺中用氦气清除多孔体中的残留杂质(去氢);在光纤高速拉丝工艺中作热转移气体等。由于氦气在自然界中是稀有气体,价格很高,最近几年来又上涨了两倍多,占制造光纤预制棒成本的25%以上。氦气和高纯SiCl4是预制棒成本的55%-60%。因此,想方设法通过氦气的回收,再生系统的处理,重新投入使用,这可大大提高氦气利用率,是降低预制棒成本。

    精彩观点

    开发新工艺新设备促进光棒产业发展

    朱君灏

    目前我国的光纤需求量仅次于美国,今后将是世界上需求最大的市场,这为我国光纤及预制棒产业的发展提供了巨大的空间。同时,我们也看到,全世界光纤厂家的目光都注视着中国市场,围绕争夺我国市场的竞争是不可避免的。考虑到当前以及未来的市场竞争,今后我国预制棒的发展特别要注意以下几方面:
    第一,开发节能降耗的预制棒新工艺、新设备。
    美国有关专家研究了预制棒工艺中的原材料和能源消耗问题后指出:当前的光纤预制棒工艺设计方面存在很多不理想的地方,诸如非连续操作,工时和原材料都有浪费,预制棒的棒头棒尾也都很浪费等。
    开发高生产效率、低成本的预制棒技术,开发多组多灯头大长度SOOT沉积设备系统,发展大直径(150毫米—200毫米)或大长度(大于2000毫米—棒棒相接法)光纤预制棒(可拉光纤2000公里—5000公里)技术已成为降低成本的有效方法,这种大预制棒可以减少多根预制棒的头尾损耗,减少工艺运输和安装等非必要生产工时,增加连续生产时间,提高原材料利用率。这里应特别指出,应根据国情和企业现况发展,找出合理的高生产效率、低成本的预制棒生产技术工艺路线。

    第二,增强环保意识,循环利用资源,强调可持续发展。
    在国家支持和企业合作的基础上,在发挥我国专利技术RIC条件下,为了最大限度降低预制棒成本,建立一个合成石英玻璃工厂,专业生产为光纤预制棒用的合成石英玻璃筒(管),类似于HERAEUS公司在德国东部莱比锡建立的合成石英玻璃厂。它是利用食盐作为原料,电解氯、碱生产烧碱产生的副产品HCl与Si硅合成SiCl4,并与另一副产品H2+O2合成石英玻璃,再将其尾气HCl与NaOH(氢氧化钠)中和,合成食盐,形成无废弃物排放的综合利用之典范,既节约了资源、能源,降低了生产成本,又达到环保的目的。
此种工艺符合可持续发展的原则,根据作者的调查和经验认为:实施这个项目的可行性很大,在资源、技术和人才等方面已经基本具备条件。
   
    第三,国家支持,企业合作,再接再厉。
    近几年我国在预制棒领域取得了一些进步,但是,在生产效率、原创技术、制造成本等方面与国际领先水平还有很大差距,自主知识产权的技术有待进一步研究开发,预制棒设备、上游原材料还是薄弱环节,市场竞争力也很脆弱。希望国家有关部门继续支持我国预制棒、光纤、原材料及相关技术/设备的研究攻关,立足“中国制造,中国创造”的精神,建立中国光纤预制棒产业,进一步提升自主创新技术,为光纤产业的做大做强提供必要的资金和政策支持。我们相信,随着光纤到户在全球范围的大发展,长途干线市场也必将很快复苏,光纤年需求量将有大幅度增长,光纤及预制棒产业大有可为。

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    我国光纤预制棒产业发展现状

    “十五”期间,国家大力支持光纤预制棒产业化技术发展,各企业在引进的基础上消化吸收、创新发展,形成了各具特色的“两步法”预制棒工艺。如法尔胜开发了MCVD+OVD和OVD+OVD技术及设备,并基本实现了产业化;富通开发了全合成外沉积(VAD+OVD)技术及设备,并实现了VAD芯棒产业化;长飞开发了PCVD+RIC技术及设备,实现PCVD芯棒产业化和RIC的规模化产能。
    目前我国的预制棒产能约相当于2000万公里单模光纤。但是,我国仍然大量进口光纤预制棒,据海关统计数据:我国2007年进口已经达到970多吨,而全年预制棒总需求量1200吨左右,进口比例达到80%,创历史新高。这样,长期依赖进口的不利局面非但没有改变,反而创历史新高。1995年—2007年期间,我国国产光棒的份额一直徘徊在10%—25%/年水平线上。
    我们在预制棒两步法工艺制棒技术的发展中偏重了第一步———芯棒,它决定预制棒的质量,它具有技术含量高,难度大,掌握周期长的特点。而第二步—外包层技术,是决定预制棒成本的要素,技术单一,大规模低成本生产是它的特征。因此,要用芯棒制造技术加上外包层技术才能全面说明当前光纤预制棒制造工艺的技术和经济特征。
    现以PCVD+套管(RIT/RIC)预制棒技术为例,从工艺上看,PCVD/RIC技术,比较优越和简单,省下了两步法工艺中的生产外套管(筒)的投资,但是,高纯度沉积用石英管和全合成石英套管(筒)需要外购或进口,成本比较高。造成了制棒不如买棒的局面。
    光纤预制棒未来价格走势取决于国内厂商是否能成功掌握低成本的预制棒生产技术,这一点,给我们指出了光纤预制棒产业的突破方向。

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