全球高純石英資源開發利用現狀及供需分析

張海啟，張亮，劉磊，曹飛

1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所, 河南 鄭州 450006；

2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心, 河南 鄭州 450006；

3.自然資源部高純石英資源開發利用工程技術創新中心, 河南 鄭州 450006

引言

高純石英具有耐高溫、耐腐蝕、強度高、透光率高、熱膨脹系數低等優異的物理化學特性，廣泛應用于半導體、光纖通信、光伏、光學、電光源等領域，是新一代信息產業、新能源、高端裝備、新材料等戰略性新興產業的關鍵基礎材料，對于戰略性新興產業健康發展具有重要意義。由于高純石英資源礦床成因的特殊性以及生產技術封閉等原因，目前高純石英資源的生產和出口主要集中在世界少數國家和企業，高純石英資源已經成為世界稀缺、我國短缺的戰略性資源，在國家能源資源安全保障、中美博弈等方面具有重要地位。本文系統總結全球及我國高純石英資源現狀、應用領域、供給及消費、市場發展趨勢，并提出我國高純石英產業發展的對策建議，以保障我國高純石英資源供給安全、促進我國高純石英產業高質量發展。

1 高純石英資源概述

1.1 高純石英的定義

首先應當明確的是，“高純石英”是利用相應技術手段對天然形成的石英礦物進行加工提純而成的一種礦產品而非資源，針對高純石英的概念和界定，目前行業內還未有共識。Harben[1]認為高純石英是指SiO2含量＞99.995%（4N5）的石英產品；Müller 等[2]依據石英中有害元素來限定高純石英，提出經過加工后，石英中有害元素總含量不應高于50 μg/g，且關鍵元素Al、Ti、Na、K、Ca、Fe 和P 等均有限定；Flook 根據市場現狀，定義高純石英指SiO2＞99.95%、總雜質元素含量小于500 μg/g 的石 英[3]；汪靈等人[4]認為SiO2含量＞99.9%的石英產品即可稱為高純石英，并按SiO2含量將高純石英分為低端產品（3N）、中端產品（4N）和高端產品（4N8）三個等級；張佩聰等[5]認為高純石英是SiO2含量＞99.99%、雜質元素含量＜20 μg/g 的石英；李光惠等[6]將Al、Fe、Li、Ca、Mg、K、Na、Ti、Cu、Mn、Co、Ni 和B 等13 種有害元素總含量＜50 μg/g、SiO2含量≥99.99%的石英定義為高純石英。此外，高純石英定義在不同領域的標準規范中也有不同體現，中國輕工總會行業標準《玻璃用工業石英砂的分級》（QB/T 2196）[7]中規定高純石英是指SiO2含量≥99.98%、Al＜70 μg/g、Ti＜3 μg/g、Cr＜0.3 μg/g、Fe2O3＜4 μg/g 的石英砂；湖南省地方標準《高純（SiO2≥99.997%）石英砂》（DB43/T 1167）[8]限定高純石英砂中SiO2含量≥99.997%，且Al、Fe、Li、Ca、Mg、K、Na、Ti、Cu、Mn、Co、Ni 和B 等雜質元素也有相應規定。

綜合前人研究和相關標準規范，本文認為，高純石英是指SiO2含量大于99.9%的石英產品，并且按SiO2純度可分為：低端高純石英（99.99%＞SiO2含量≥99.9%）、中端高純石英（99.995%＞SiO2含量≥99.99%）和高端高純石英（≥99.995%），高端高純石英除SiO2含量≥99.995%外，石英中有害元素含量Al＜30 μg/g、Ti＜10 μg/g、Na＜8 μg/g、K＜8 μg/g、Li＜5 μg/g、Ca＜5 μg/g、Fe＜3 μg/g、P＜2 μg/g、B＜1 μg/g，且流體包裹體含量達到相關應用要求的石英產品。

1.2 資源概況

石英是自然界最常見的造巖礦物之一，全球石英資源非常豐富，分布廣泛，是目前人類開發利用的最重要的非金屬礦產之一，其可開發的礦床類型主要有石英砂巖、石英巖、天然石英砂、粉石英、花崗巖石英、天然水晶、脈石英等。雖然全球石英資源豐富，但可以加工為高純石英的石英資源卻非常稀少，全球高純石英礦床主要分布于美國、澳大利亞、挪威、俄羅斯、印度、加拿大、巴西和馬達加斯加等國家，礦床類型包括白崗巖型（花崗偉晶巖型）、熱液脈型、水晶巖等。目前，全球可加工成3N 級及以上高純石英資源約7 000萬t，高純石英資源分布相對集中，主要分布在巴西（2 111萬t）、美國（1 822 萬t）、加拿大（1 000 萬t）等國家[9]。可以加工4N5 級及以上質量的高端高純石英資源量約2 000 萬t，90%集中在美國（1 822 萬t），此外，挪威、俄羅斯和印度等國的高純石英資源在全球也占有一定比例，這些國家高純石英資源雖然在全球占比不高，但礦產資源品質很好，是除美國外生產高端高純石英原料和產品的重要國家。目前，全球可以加工成4N8級及以上高端高純石英原料主要來自于美國Spruce Pine 地區的花崗偉晶巖型石英資源。

我國目前還沒有高純石英資源儲量統計，之前國內制備高純石英砂主要利用水晶資源和脈石英資源，但水晶資源接近枯竭（資源量僅為0.69 萬t），脈石英是高純石英加工生產的主要原料。根據自然資源部全國礦產資源儲量統計表[10]，截至2019 年，我國玻璃用脈石英資源儲量3 020.07 萬t，脈石英礦床的規模小、數量多，脈石英主要分布在江西（1 681.5 萬t）、四川（561.1 萬t）、湖南（325.9 萬t）、新疆（133.39 萬t）、黑龍江（86.29 萬t）和浙江（168.4 萬t）等省（自治區），上述六省脈石英資源約占全國總儲量的97%以上。國內脈石英可以加工為高純石英產品的比例極低，品位較高的代表性礦床有湖北省蘄春縣靈虬山脈石英礦、江蘇省東海縣水晶礦區、安徽旌德縣龍川脈石英礦等[11]，經過多年的開發利用，這些地區資源也基本開采殆盡，尋找高品質高純石英替代資源尤為重要。

2 高純石英主要應用

高純石英中雜質元素和流體包裹體含量極低，具有耐高溫、耐腐蝕、強度高、透光率高、熱膨脹系數低、絕緣性好等優異的物理化學性質，是制造石英坩堝、石英管、石英法蘭、石英鐘罩、石英錠、光學器件、光纖等石英玻璃制品、電子級工業硅（多用3N 級左右石英制造）和電子級硅微粉的重要原料。高純石英玻璃制品作為原材料或者輔助生產材料廣泛用于電光源、光纖通信、光伏、半導體和光學玻璃行業等高新技術領域。電子級工業硅是制造單晶硅、多晶硅的原料，單晶硅多晶硅被廣泛用于電子、半導體等領域。此外，高純石英的另一應用方向是生產高純度球形硅微粉用于高端覆銅板、芯片封裝材料等領域，目前高純度球形硅微粉生產技術由日本住友、日立、松下等企業壟斷。鑒于文章篇幅，本文重點論述高純石英玻璃市場情況。

不同應用領域的高純石英玻璃，對高純石英的雜質元素配型、粒度、折射率、力學性能、熱學性能等要求不同，全球各高純石英生產公司都有自己相應的高純石英產品標準，如美國尤尼明的IOTA 系列標準（表1）、挪威TQC 公司的NW 標準、太平洋石英的PQ 系列標準等。目前全球公認的高純石英砂標準產品為美國尤尼明公司的IOTA-STANDARD 等級石英砂，該產品各項雜質元素指標被當作高純石英砂的“國際標準純度”。IOTA 系列其他產品也是生產石英玻璃的優質原料，如IOTA STD、IOTA CG 等石英砂可生產低膨脹系數、高透光度的石英玻璃，是電光源、照明設備的主要原料，可以用來生產汽車疝氣燈、高壓汞燈、鹵素燈、高強度氣體放電燈、特種光源用石英管棒等；IOTA CG 等石英砂制成的石英坩堝非常適合長時間拉絲和多錠拉絲；IOTA 4、IOTA 6 等石英砂中B 元素和過渡金屬元素含量低，可用來生產半導體級石英坩堝、CZ 坩堝、擴散管等，可以保證晶圓加工過程中維持較高的純度，此外 IOTA 6 還可做UHP光源玻璃；IOTA 8 石英砂產品純度高、性質穩定，是生產大尺寸（12 寸或更大）單晶硅等過程中大尺寸坩堝內層涂料的必備原料。當前全球半導體用高純石英砂基本由美國尤尼明壟斷。

表1 美國尤尼明IOTA 系列典型產品標準部分元素含量要求[12] /（μg·g-1） Table 1 The impurity element requirements for the IOTA high purity quartz of Unimin

3 全球高純石英市場供應情況

3.1 市場供應

目前全球可以加工為中高端高純石英的石英資源主要來自花崗偉晶巖型、熱液脈型以及水晶。以往主要利用優質水晶粉磨加工生產高純石英（如巴西、我國江蘇東海等），隨著水晶資源的逐漸枯竭，各國開始利用花崗偉晶巖、脈石英等資源深度加工提純生產高純石英（如美國花崗偉晶巖、俄羅斯脈石英、印度脈石英等）。由于資源限制，我國可以加工為4N5 級及以上高純石英的石英礦石原料基本依賴進口。

隨著新能源、信息化、新材料等戰略性新興產業快速發展，全球高純石英產量快速增長，據聯合國統計司數據，2019 年全球SiO2含量≥99.9%的高純石英產量123.62 萬t；SiO2含量≥99.99% 的各類高純石英42.58 萬t[9]；相較中低端高純石英產量，全球高端高純石英產量更低，SiO2含量≥99.995%的高端高純石英產量約14 萬t，僅占所有等級高純石英產量的11%；SiO2含量≥99.998%的超高純石英產量僅約6 萬t。

目前，國內高純石英生產企業主要集中在江蘇連云港、東海等地區，產能規模較大的企業主要有石英股份和福東正佑公司，其余企業產量均小于1 000 t。近年來，國內高純石英生產擴張迅速，2019 年我國4N5 級及以上高純石英產量約1.6 萬t（圖1），2020 年4N5 級及以上高純石英產量約3 萬t，伴隨太平洋股份、福東正佑公司的一系列新上項目，預計2022 年國內4N5 級及以上高純石英產量將擴張到6 萬t 以上。

圖1 2018—2023 國內高純石英生產統計Fig. 1 High purity quartz production statistics for 2018—2023 in China

3.2 高純石英主要生產企業

全球高純石英產能集中，主要生產企業有美國尤尼明、挪威TQC、中國石英股份、俄羅斯Russian Quartz LLC 等。

3.2.1 美國尤尼明

2018 年美國尤尼明的高純石英砂業務被整合至比利時Sibelco 集團，由Sibelco 位于美國的公司負責石英礦開發及高純石英砂生產，公司高純石英業務延續了尤尼明公司高純石英業務。長期以來，美國尤尼明公司的產品一直壟斷著國際高端高純石英砂市場，其生產的IOTA STD、IOTA 4、IOTA 6、IOTA 8 系列產品是優質高純石英砂，廣泛應用于電光源、光伏、半導體、光纖、光學等各個領域。

尤尼明高純石英砂原料產自北卡羅來納州Spruce Pine 地區的花崗偉晶巖，該地區內有數百條偉晶巖體，整個偉晶巖帶長約16 km，寬32 km。單個偉晶巖體長度幾米～幾百米，寬度1 米～幾十米。圍巖為角閃石片巖和片麻巖，主要礦物為長石和石英，石英含量25%～35%，次要礦物為白云母、石榴石和綠簾石。該礦山最初是用來生產長石和白云母，少部分品質好的石英砂用作建筑用砂，大部分石英砂被丟棄，后來在全球水晶資源枯竭各國尋找水晶替代資源的背景下，尤尼明公司通過改進技術，利用花崗質偉晶巖中的石英生產出了高純石英，成為全球最重要的高純石英供應商。目前，尤尼明公司高純石英砂產量約3.5 萬t。

3.2.2 挪威TQC

挪威 The Quartz Corp （TQC），是法國ImerysSAS公司和挪威Norsk Mineral AS 公司于2011 年合資成立的公司，兩家公司各占50%股權。公司生產高純石英砂主要應用于半導體、光伏、光學等領域[13]。

挪威TQC 公司高純石英砂原料主要產自美國的Spruce Pine 地區的花崗偉晶巖（與美國Unimin 公司所用石英原料屬同一礦帶）和挪威的德拉格花崗偉晶巖，石英資源開采出來后都在挪威加工。挪威德拉格花崗偉晶巖帶由數十條偉晶巖礦體組成，偉晶巖呈垂直筒狀產于周邊花崗片麻巖中，偉晶巖中石英顆粒平均粒徑約6 mm[14]，石英中流體包裹體和礦物包裹體含量極少，目前探明資源量約26.7 萬t。在生產過程中，來自美國的石英資源加工成的高純石英產品可以達到半導體用砂和光伏用砂要求，而挪威的產品則更適合光學和電光源領域。2021 年挪威TQC 公司高純石英砂產量約為1.5 萬t。

3.2.3 石英股份

江蘇太平洋石英股份有限公司是一家集科研、生產、銷售為一體的高端石英材料深加工企業，是國內第一家、全球第三家具備規模化生產高純石英砂的企業。公司生產的石英材料廣泛應用于光源、光伏、光纖、光學及半導體等領域，主導產品有高純石英砂、石英管（棒）、大口徑石英擴散管、石英筒、石英錠和石英板等多種石英器件，除此之外每年僅對外出售少量4N 級高純石英砂。石英股份生產高純石英所用石英資源主要來自印度脈石英。2020 年，石英股份高純石英砂產量約1.5 萬t。

3.2.4 俄羅斯Russian Quartz LLC

俄羅斯Russian Quartz LLC 成立于1966 年，公司生產的RQ 系列產品化學純度高、透明度高，可以用于生產各種直徑的石英管、石英坯和石英坩堝，應用于太陽能和半導體工業[15]。

俄羅斯Russian Quartz LLC 公司高純石英砂原料主要產自俄羅斯斯克什特姆脈石英礦床（Kyshtym），該礦床石英礦體賦存于Ufalei 變質雜巖中，礦床總長15 km，寬1.3 km，礦區面積20 km2。礦區用作高純石英原料的主礦體為Kyshtym 175 號脈，脈體呈NE-SE向分布，石英脈中石英晶體流體包裹體含量少，Al 和Ti 等雜質元素含量低，脈石礦物主要有長石、云母、碳酸鹽、鋯石、獨居石等。礦床石英資源儲量超過100 萬t，可加工為高純石英的資源儲量超過50 萬 t。2021年Russian Quartz LLC 公司高純石英產量約為3 500 t。

3.2.5 澳大利亞Creswick Quartz

自1996 年以來，Creswick Quartz 就一直在開展石英業務，公司可以生產雜質含量＜20 μg/g 的高純石英砂，公司產品可以用于光伏、半導體、光學玻璃等行業。澳大利亞Creswick Quartz 公司生產高純石英的原料主要來自澳大利亞Creswick / Smeaton Victoria 金礦廢石，該礦地表尾礦中預測的高純石英資源量可達100 萬t，礦石質量優異，雜質元素尤其是B 和P 含量低。礦石經選礦加工后，形成CQL 系列產品，檔次最高的產品可以達到粒度約6 mm，雜質元素含量Al＜128 μg/g、Ti＜0.7 μg/g、K＜2 μg/g、B＜0.5 μg/g、Ca＜0.5 μg/g 的規格，目前公司正在向全球一流高純石英企業邁進。

4 全球高純石英消費現狀及發展趨勢

根據筆者調研和統計，中高端高純石英主要應用于電光源、半導體芯片、光纖通信、光伏、光學等領域，石英砂價格根據產品純度不同從1 萬元～十幾萬元不等。2019 年，全球各類高純石英消費量約121.44萬t，其中半導體領域高純石英用量占比約65.30%，光纖通信領域用量占比約14.80%，光伏領域用量占比約11.93%，電光源用量占比約3.90%，其他領域用量占比約4.04%[9]。高純石英砂市場規模（不含下游產品）近200 億元，高純石英消費占比和市場規模分布見圖2和圖3。用于高純石英玻璃的4N5 級及以上高端高純石英砂消費量約15 萬t，其中電光源行業用量占比約9.4%（圖4），光纖通信行業用量占比約6.3%，光伏行業用量占比約33.5%，半導體行業用量占比約43,3%，光學玻璃行業用量占比約3%（據PMR 資料整理），高端高純石英砂市場規模約為50 億元。

圖2 不同應用領域高純石英消費占比Fig. 2 Proportion of high-purity quartz consumption in different application fields

圖3 不同應用領域高純石英市場規模（單位：億元）Fig. 3 Market scale of high purity quartz in different application fields

圖4 4N5 級及以上不同應用領域高純石英砂消費占比Fig. 4 Proportion of 4N5 high-purity quartz consumption in different application fields

我國是高純石英砂的消費大國，2020 年國內中高端高純石英消費量約為21 萬t，4N5 級及以上高端高純石英消費量為6 萬t，國內高純石英尤其是高端高純石英原料供給嚴重不足，每年需要大量從國外進口，主要進口來源國為美國、挪威、日本以及德國，據報道[9]，2019 年全球高純石英進口量20.54 萬t，中國進口量為14.45 萬t，占全球進口總量的70.35%，是全球第一大高純石英進口國。

隨著“雙碳”目標要求、新能源推廣、數字化、5G 通信建設不斷完善，未來我國光伏、半導體、光纖通信等領域將繼續保持高速發展。伴隨著國家大力發展太陽能光伏等清潔能源，光伏產業將繼續保持高速增長，根據中國光伏行業協會數據[16]，預計到2025年全球新增光伏裝機270～330 GW，年復合增長率約15%～18%；半導體領域，國內數字化產品需求將繼續保持高速增長，隨著我國越來越重視芯片半導體國產化生產，我國半導體行業生產規模也將快速擴大，根據CSIA 的數據[17]，預計到2025 年，中國半導體行業規模復合增長率約為15%；光纖通信領域，中國是最大的光纖消費國，過去幾年隨著中國5G 建設等，光纖消費需求增長迅速，近幾年雖然增速有所下降，但未來仍將保持穩定增長，根據CRU 預測[18]，到2025 年中國光纖需求量將達到2.83 億芯公里，年復合平均增長率約為2.9%；此外，除上述領域需求快速增長外，電光源、光學等領域也將保持相對穩定需求。綜合各行業消費增長測算，預計到2025 年我國4N 級及以上高純石英需求將快速增長到38.31 萬t，見圖5，年復合增長率為12.8%，其中4N5 級及以上高純石英需求將超過8 萬t。

圖5 2020—2025 不同領域高純石英用量增長趨勢Fig. 5 Increasing trends of high purity quartz consumption in different fields for 2020-2025

5 我國高純石英產業發展對策建議

（1）高純石英由于其特殊的物理化學特性，廣泛應用于半導體芯片、光纖通信、光伏、光學、電光源等領域，是新一代信息產業、新能源、高端裝備、新材料等戰略性新興產業必不可少的基礎材料，保障高純石英資源供給安全對于未來確保我國在相關戰略性新興產業獲得競爭優勢具有重要意義。雖然高純石英戰略意義重大，但目前高純石英用石英礦產卻仍未納入我國戰略性礦產目錄，因此，建議盡快將高純石英礦產列為我國戰略礦產，開展相關研究和管理，保障我國高純石英資源的戰略供給。

（2）近年來，伴隨著新能源、信息產業、新材料等產業迅速發展，國內高純石英需求增長迅速，整體而言，我國低端高純石英資源供給充足，但高端高純石英國內供給有限，國際上生產主要集中在美國尤尼明等少數企業手中，供需矛盾突出。未來伴隨我國經濟高質量發展，高純石英消費量將進一步提升，預計到2025 年我國4N 級及以上高純石英需求將快速增長到38.31 萬t。下一步應進一步加強高純石英的市場戰略研究，合理引導國內高純石英生產企業有序擴產，鼓勵石英股份、福東正佑等高純石英企業與國內科研院所、高校等進行聯合攻關，突破技術瓶頸，不斷提升企業產品品質。

（3）高純石英資源是世界稀缺、我國短缺的資源，目前國內生產4N5 級及以上高純石英礦物原料基本依賴進口，雖然國內經常有發現高純石英原料地的報道，但能夠真正用于高端領域的高純石英卻極少，高純石英資源保障問題亟待解決。下一步應加大高純石英資源找礦評價投入，聚焦花崗偉晶巖型資源，盡快建立地質找礦—工藝礦物學研究—選冶試驗研究—分析測試—產品質量評價的全鏈條評價體系，形成高純石英資源勘查評價行業標準，真正實現高純石英資源找礦突破。