高純石英原料作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的分析及建議

李光惠，王超峰，詹建華，陳正國(guó)，張 徐，郝文俊，胡 甦

(1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心安徽總隊(duì)，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心，北京 100035)

當(dāng)前，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能制造和5G 為代表的新一代信息和通信科學(xué)技術(shù)(ICT)的發(fā)展，加快催生了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)是解決當(dāng)今中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題的關(guān)鍵[1]。高純石英與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中新一代信息技術(shù)、新材料產(chǎn)業(yè)等九大領(lǐng)域中的八大領(lǐng)域具有密切的關(guān)聯(lián)性[2]，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中重要的支撐材料。但由于生產(chǎn)原料的特殊性和技術(shù)保密等原因，高純石英及其原料的生產(chǎn)和出口高度集中在世界少數(shù)國(guó)家和企業(yè)中，其中高端的加工提純技術(shù)和產(chǎn)品主要被美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，我國(guó)的高端高純石英主要依靠進(jìn)口。

隨著中國(guó)制造2025 的逐步推進(jìn)以及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)高純石英的需求不斷增加[3]。自2018 年以來，中美貿(mào)易摩擦不斷升級(jí)，以美國(guó)為首的西方國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖不斷加劇，我國(guó)獲取境外資源的外部風(fēng)險(xiǎn)正在聚集。當(dāng)前我國(guó)對(duì)高純石英原料的勘查評(píng)價(jià)工作不多，至今尚未有高純石英原料的資源儲(chǔ)備，無法為生產(chǎn)企業(yè)提供質(zhì)量穩(wěn)定的高純石英原料礦產(chǎn)。我國(guó)高純石英的產(chǎn)能并不能滿足市場(chǎng)的需求，供需矛盾將逐步凸顯?；谶@樣的背景，本文從高純石英應(yīng)用、供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中地位等方面進(jìn)行了分析，最后給出了將其作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)并加強(qiáng)勘查評(píng)價(jià)的建議，以供相關(guān)部門決策參考。

1 高純石英及其原料的概念

高純石英雖然有較長(zhǎng)的研究歷史，但當(dāng)前對(duì)高純石英的概念尚未形成統(tǒng)一的共識(shí)。國(guó)外學(xué)者主要根據(jù)石英中的有害元素含量對(duì)高純石英進(jìn)行分類。如Harben[4]認(rèn)為高純石英是有害元素含量在50μg/g以下的石英；Müller 等[5]在Harben 的分類基礎(chǔ)上根據(jù)市場(chǎng)上現(xiàn)有高純石英產(chǎn)品的品質(zhì)對(duì)高純石英的概念進(jìn)行了完善，他們認(rèn)為高純石英中的9 種有害 元 素Na、K、Li、Al、Ca、Fe、Ti、B、P 的 含量總和應(yīng)＜50μg/g，且每個(gè)有害元素應(yīng)不超過最高的限值，如Al、Ti 的最高限值應(yīng)＜30μg/g 和10μg/g 等。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高純石英的分類則分為了兩個(gè)陣營(yíng)。一部分學(xué)者僅基于SiO2的純度對(duì)高純石英進(jìn)行分類，如王澤杭[6]、申保磊[7]等；另一部分學(xué)者則基于SiO2的純度和有害雜質(zhì)元素含量的上限對(duì)高純石英進(jìn)行分類，如牛福生[8]、丁亞卓[9]、朱平華[10]、張佩聰[11]、鐘樂樂[12]、汪靈等[13]。從分類來看，他們對(duì)有害元素的總含量形成了統(tǒng)一的共識(shí)，認(rèn)為高純石英有害元素的總量應(yīng)＜50μg/g，但對(duì)區(qū)分普通石英與高純石英的SiO2純度的下限、有害元素的類別及含量上限的確定尚具有分歧。丁亞卓[9]、朱平華[10]、汪靈[13]、鐘樂樂[12]等學(xué)者認(rèn)為SiO2純度的下限在99.90%～99.95%，而牛福生[8]、王澤杭[6]、申保磊[7]、張佩聰[11]等學(xué)者則認(rèn)為SiO2純度的下限應(yīng)為99.99%，且指出SiO2≥99.99%是普通石英和高純石英在純度方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)。本文認(rèn)為高純石英分類應(yīng)基于當(dāng)前的市場(chǎng)需求，首先需要考慮有害元素的含量，還需要考慮SiO2純度。由于不同用途對(duì)高純石英中有害元素的含量要求不一樣，很難統(tǒng)一給定單一有害雜質(zhì)元素的上限，但可以考慮綜合當(dāng)前市場(chǎng)上高品質(zhì)石英制品領(lǐng)域?qū)τ泻υ氐囊蠼o出有害元素總和的最高上限。

從前文分析不難發(fā)現(xiàn)，高純石英是天然石英原料經(jīng)過一定的加工提純以后所獲得的產(chǎn)品。而在《地質(zhì)大辭典》[14]中礦產(chǎn)泛指一切埋藏在地下或分布于地表的可供人類利用的天然礦物資源，它包含了“天然”的內(nèi)涵。本文中高純石英原料是指在當(dāng)前技術(shù)條件下能夠加工出Al、Fe、Li、Ca、Mg、K、Na、Ti、Cu、Mn、Co、Ni、B 等13 種有 害 元素總含量＜50μg/g，SiO2含量≥99.99%(即≥4N)的天然石英原料，如水晶、脈石英等。

2 重要性分析

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位

半導(dǎo)體、光通訊、光伏、光學(xué)、電光源等行業(yè)和領(lǐng)域是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域，是建設(shè)重大工程、改善民生、鞏固國(guó)防軍工的重要保障，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位，高純石英被廣泛應(yīng)用在這些行業(yè)和領(lǐng)域中[15]，是這些領(lǐng)域所需求的稀缺類共性高增值礦物資源[11]。在半導(dǎo)體晶圓制程工藝、刻蝕領(lǐng)域，太陽能電池片制程擴(kuò)散、PE 工藝，電光源中的超高壓投影燈、毛細(xì)管燈及影院燈等特種照明材料，航天航空領(lǐng)域等，均需要用到以高純石英為原料生產(chǎn)的石英玻璃坩堝、錠材、管材、棒材、板材、各種器皿和器件以及石英玻璃纖維和織物等產(chǎn)品[16-17](表1)。

表1 高純石英制品主要應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)(WSTS)數(shù)據(jù)[18]，2019 年中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為1 547 億美元，占全球半導(dǎo)體36.98%的市場(chǎng)份額。2015 ～2019 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的平均增幅接近6%(表2)，按此推測(cè)，到2025 年中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將近2 200 億美元。若按照平均每1 億美元的半導(dǎo)體銷售額需要消耗價(jià)值50 萬美元的高純石英材料計(jì)算[3]，2019 年中國(guó)半導(dǎo)體用高純石英材料的市場(chǎng)規(guī)模為7.7億美元，至2025 年國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)空間近11 億美元。另外，單晶硅是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路和太陽能電池的主要原材料，而每生產(chǎn)一爐單晶硅就會(huì)消耗一只石英坩堝[17]，在太陽能電池和集成電路行業(yè)快速增長(zhǎng)的帶動(dòng)下，高純石英單晶硅石英坩堝的原料市場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。除半導(dǎo)體所屬的新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)外，新能源、新型電光源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)在未來5 年的發(fā)展過程中也需要消耗大量的高純石英。未來高純石英及其原料的需求預(yù)計(jì)將以6%以上的增幅逐年上漲，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位也愈發(fā)重要。

表2 2015 ～2019 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模

2.2 其他材料替代性

由高純石英生產(chǎn)的石英坩堝是光伏行業(yè)及半導(dǎo)體不可或缺的重要支撐材料，目前尚無法用其他材料替代。另外，高純石英產(chǎn)品質(zhì)量受高純石英原料資源質(zhì)量控制。我國(guó)尚沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)模大、質(zhì)量穩(wěn)定的高純石英原料礦床，供給高純石英生產(chǎn)企業(yè)的石英原料礦產(chǎn)資源質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致所生產(chǎn)的高純石英產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)出來的石英坩堝軟化點(diǎn)低、使用壽命短。國(guó)產(chǎn)高純石英及原料仍無法替代由美國(guó)矽比科公司生產(chǎn)的IOTA 系列高純石英及原料。

3 供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 對(duì)外依存度

根據(jù)聯(lián)合國(guó)商品貿(mào)易數(shù)據(jù)庫[19]及中國(guó)海關(guān)總署數(shù)據(jù)[20]統(tǒng)計(jì)(表3)，2015 ～2019 年，我國(guó)進(jìn)口高純石英(≥4N)的平均單價(jià)為1.47 萬美元/t。根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體用高純石英材料的市場(chǎng)規(guī)模的保守測(cè)算，到2025 年中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將需要消耗近8 萬t 高純石英(≥4N)。另外，有數(shù)據(jù)顯示[3]，半導(dǎo)體在整個(gè)石英玻璃下游市場(chǎng)占65%左右的份額，據(jù)此推算，到2025 年國(guó)內(nèi)整個(gè)石英玻璃市場(chǎng)將需要消耗近12萬t 的高純石英。

表3 2015 ～2019 年我國(guó)進(jìn)口高純石英(≥4N)

據(jù)公告披露[15]，國(guó)內(nèi)高純石英的龍頭企業(yè)，唯一通過TELL 認(rèn)證且具備生產(chǎn)高純石英技術(shù)的江蘇太平洋石英股份有限公司目前高純石英的產(chǎn)能在6 萬t/年左右，正在建設(shè)的2 萬t/年的生產(chǎn)線需要到2021 年3 月才能投產(chǎn)，其生產(chǎn)的高純石英僅能滿足電光源和光伏行業(yè)要求。在高純石英及其原料呈寡頭式發(fā)展的形勢(shì)下，即使該公司的兩條高純石英生產(chǎn)線全部達(dá)產(chǎn)，其2.6 萬t/年高純石英的產(chǎn)能距離石英玻璃市場(chǎng)需求的12 萬t 高純石英仍有較大的缺口。另外，石英坩堝對(duì)高純石英的純凈度、規(guī)格精度、質(zhì)量穩(wěn)定性要求高，國(guó)內(nèi)高純石英原料所生產(chǎn)的產(chǎn)品并不能滿足其要求，石英坩堝內(nèi)涂層用的高純石英(4N8)只能從美國(guó)等國(guó)家進(jìn)口?？傮w來看，高純石英對(duì)外依存度極高。

3.2 國(guó)外生產(chǎn)集中度

目前，全球范圍內(nèi)可以供應(yīng)高純石英的主要有美國(guó)矽比科公司[21]、挪威TQC 公司[22]、德國(guó)的ANZAPLAN 公司[23]、俄羅斯石英公司[24]以及中國(guó)江蘇太平洋石英股份有限公司[15]等為數(shù)不多的幾家公司。其中美國(guó)矽比科公司、挪威TQC 公司所用的高純石英原料主要產(chǎn)于美國(guó)北卡羅來納州SprucePine 地區(qū)，俄羅斯石英公司所用的高純石英原料主要產(chǎn)于烏拉爾山脈的Kyshtym地區(qū)175號(hào)脈，中國(guó)江蘇太平洋石英股份有限公司的高純石英原料主要來源于江蘇東海。美國(guó)為高純石英的主要生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，世界上4N8 及以上的高純石英產(chǎn)品幾乎被美國(guó)矽比科公司一家壟斷。由此來看，我國(guó)生產(chǎn)的高純石英及其原料所占比例極低，高純石英及其原料主要集中在美國(guó)、挪威、德國(guó)及俄羅斯聯(lián)邦等國(guó)家。

3.3 貿(mào)易通道安全性

據(jù)中國(guó)海關(guān)總署[20]2017 年1 月至2020 年6 月進(jìn)口數(shù)據(jù)分析，當(dāng)前我國(guó)主要從美國(guó)、韓國(guó)、日本、德國(guó)、挪威、俄羅斯聯(lián)邦及中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)進(jìn)口高純石英，其中最主要的進(jìn)口國(guó)家和地區(qū)為美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣。韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣本身并不生產(chǎn)高純石英及原料，其資源大部分也需要從美國(guó)等國(guó)家進(jìn)口。由此看來，我國(guó)的高純石英及其原料的主要貿(mào)易國(guó)為美國(guó)、德國(guó)、挪威和俄羅斯聯(lián)邦。

中美經(jīng)貿(mào)摩擦以來，經(jīng)濟(jì)政治上的競(jìng)合關(guān)系直接影響著雙方各領(lǐng)域的重大制度安排，貿(mào)易的安全性也變得越來越不可琢磨。自2018 年以來我國(guó)從美國(guó)進(jìn)口高純石英(≥4N)的進(jìn)口數(shù)量逐年下降(表4)。2020 年上半年美國(guó)直接出口中國(guó)的高純石英(≥4N)僅為5.62t。

表4 2018 ～2020 年6 月從美國(guó)進(jìn)口的高純石英(≥4N)

除美國(guó)外，我國(guó)高純石英及其原料在俄羅斯聯(lián)邦和挪威等國(guó)家的貿(mào)易通道安全也存在不確定性。俄羅斯總統(tǒng)普京最近簽署總統(tǒng)令[25]，要求不再公開高純石英原料等戰(zhàn)略礦產(chǎn)的開采量和使用量，其必然會(huì)影響到高純石英原料的出口政策，我國(guó)想要從俄羅斯聯(lián)邦獲取高純石英及其原料資源也將更加困難。挪威TQC 公司所生產(chǎn)的高純石英及其原料，其資源大部分來自于美國(guó)SprucePine 地區(qū)，以當(dāng)前美國(guó)制裁華為和中芯國(guó)際的形勢(shì)來看，未來我國(guó)想要從挪威進(jìn)口高純石英及其原料將面臨風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，隨著國(guó)際政治局勢(shì)的不斷變化，未來我國(guó)高純石英及其原料的貿(mào)易通道將面臨巨大的不安全性，獲取境外的高純石英資源將越來越困難。

3.4 國(guó)內(nèi)資源潛力

通過對(duì)美國(guó)矽比科公司[21]、挪威TQC 公司[22]以及俄羅斯石英公司[23]的高純石英原料礦床的地質(zhì)條件進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，它們的成礦地質(zhì)背景具有一些共性的特點(diǎn)：它們均產(chǎn)在造山帶中，且大部分高純石英原料礦床所處的地質(zhì)環(huán)境為變質(zhì)條件。比如，矽比科公司和TQC 公司的主要高純石英原料礦床就產(chǎn)在阿樂漢尼(alleghanian)綠片巖中，俄羅斯石英公司的Kyshtym175 號(hào)脈也產(chǎn)在烏拉爾山脈的變質(zhì)巖中。

從我國(guó)目前已開展的高純石英原料地質(zhì)調(diào)查工作來看，我國(guó)也有與此類似的成礦地質(zhì)環(huán)境，秦嶺—大別—蘇魯造山帶是其中最具潛力的造山帶，目前在該造山帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)了一些具有潛力的高純石英原料發(fā)育地段。太平洋石英公司所用的石英原料資源就位于大別—蘇魯造山帶中的江蘇東海地區(qū)。據(jù)張佩聰?shù)萚8]學(xué)者的推測(cè)，在已勘查的水晶、脈石英等礦產(chǎn)資源中高純石英原料資源一般占10%左右，而我國(guó)水晶查明資源量約為6 877t，玻璃用脈石英查明資源量約為9 204 萬t[10]。以此推測(cè)，當(dāng)前我國(guó)高純石英資源潛力在920 萬t 左右。由此看來，我國(guó)高純石英原料礦具有較大的資源潛力。

自20 世紀(jì)90 年代至今，我國(guó)已有不少科研機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)在高純石英加工提純和檢測(cè)技術(shù)等方面投入了大量的研究工作[11，13，26]，目前我國(guó)在這兩個(gè)方面取得了一定的成果。但是，由于科研與生產(chǎn)應(yīng)用之間脫節(jié)，基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化之間缺少中間試驗(yàn)研究，這些技術(shù)成果大多僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。除了加工提純和檢測(cè)技術(shù)外，我國(guó)對(duì)高純石英原料的評(píng)價(jià)也存在同樣的問題，所找到的石英資源因?yàn)槿鄙僦虚g試驗(yàn)研究，到目前為止對(duì)什么類型的脈石英是高純石英原料尚未取得統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，也未形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法，對(duì)已知的脈石英礦產(chǎn)資源中能作為高純石英原料的部分尚無法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。導(dǎo)致大量?jī)?yōu)質(zhì)的脈石英資源多被用于制造附加值較低的產(chǎn)品，至今尚無高純石英原料的礦產(chǎn)地。

綜上所述，雖然我國(guó)高純石英原料礦具有較大的資源潛力，但由于缺少相應(yīng)的原料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)潛在的高純石英原料資源尚無法開發(fā)利用。

4 高純石英原料的戰(zhàn)略意義

從前文分析可知，高純石英及其原料的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)較高。一方面，其資源主要集中在國(guó)外生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的比例較低，隨著中國(guó)制造2025 的不斷推進(jìn)，高純石英及其原料的供需矛盾也將愈發(fā)突出；另一方面，由于受政治局勢(shì)的影響，其貿(mào)易通道具有較大的不安全性，未來高純石英及其原料的供應(yīng)將面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。從經(jīng)濟(jì)價(jià)值的角度來看，這一類資源對(duì)我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。雖然所占的比例不高，但如果這一類資源的供應(yīng)受到限制，將直接影響到戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的高效有序發(fā)展。

早在2011 年，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要(2011 ～2020 年)》[27]就明確將高純石英等作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)所需的礦產(chǎn)。在2017 ～2019 年版《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》[28]中也多次提到高純石英及其原料。最近四部委聯(lián)合出臺(tái)的《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長(zhǎng)點(diǎn)增長(zhǎng)極的指導(dǎo)意見》(發(fā)改高技〔2020〕1409號(hào))[29]中，也明確要求聚焦重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，加快重點(diǎn)材料、關(guān)鍵芯片、高端元器件等核心技術(shù)的攻關(guān)。高純石英及其原料與這些領(lǐng)域息息相關(guān)，目前與高純石英有關(guān)的部分核心技術(shù)尚未取得突破，有必要將高純石英相關(guān)的核心技術(shù)上升到國(guó)家戰(zhàn)略的角度進(jìn)行攻關(guān)。

5 建議

對(duì)于高純石英及其原料的核心技術(shù)突破，我國(guó)未來還有很多工作需要做。一方面，需要國(guó)家從政策的角度予以支持；另一方面，也需要集中各行業(yè)的技術(shù)力量進(jìn)行集中的攻關(guān)。

(1)把高純石英原料列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄清單，從政策法規(guī)和國(guó)家戰(zhàn)略層面進(jìn)行高純石英資源安全戰(zhàn)略研究。同時(shí)，在高純石英原料找礦勘查、加工提純、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面加強(qiáng)資源配置、資金投入等支持力度。

(2)以問題為導(dǎo)向，加強(qiáng)協(xié)同攻關(guān)?？辈閱挝?、生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)應(yīng)相互協(xié)作、資源共享，形成產(chǎn)學(xué)研一體化專業(yè)人才團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。

(3)目前尚沒有針對(duì)高純石英原料礦產(chǎn)的評(píng)價(jià)方法體系(規(guī)范)，不能滿足當(dāng)前高純石英原料評(píng)價(jià)的需要，建議盡快建立高純石英原料評(píng)價(jià)方法體系，對(duì)現(xiàn)有脈石英礦地質(zhì)資料進(jìn)行有針對(duì)性的梳理再評(píng)價(jià)。

(4)公益性基礎(chǔ)性地質(zhì)調(diào)查也應(yīng)加強(qiáng)脈石英區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，優(yōu)選出找礦靶區(qū)，加大勘查投入力度，實(shí)現(xiàn)高純石英原料的找礦突破。