今年坩埚产业将迎来大丰收,你知道坩埚都是哪些材料制成的吗?

材变 2023-07-07
2587 字丨阅读本文需 7 分钟

金属熔化后的温度通常都在几千度以上,也被赋予了极强的可塑性,可以被用来制作合金,以及各种不同的用具。但这,什么东西才能装住这些金属还不被“烧坏”呢?

那就是坩埚。

坩埚到底有什么本事,可以“胜任”这份工作呢?

其实,人人家里都有坩埚

坩埚是一种被广泛用来加热或融化固体材料的一种仪器。在化学实验室里,它是供实验材料加热、反应的器皿;在工厂里,它是熔化和精炼金属液体的工具,可用于熔炼金属、烧制陶瓷、化工反应等等。

别听说得那么高大上,其实,我们人人家里都有“坩埚”。

如果在网上搜索和坩埚有关的实验,有很大概率你会看到一种令人匪夷所思的坩埚——土豆坩埚。没错,就是菜市场就能买到的那种可以吃的土豆。看到这是不是就觉得更不可思议了,刚刚说坩埚是用来熔炼金属的,意思这日常做菜的土豆也可以用来加热并承装几千度的金属吗?

不要怀疑,土豆的确可以。

抖音有一位博主曾经就用土豆坩埚熔化过金属,操作十分简单。首先,拿出一个土豆在它上面凿一个洞;接着放入铜丝,直接用火焰喷枪对其进行加热。

可以看到,随着土豆接触火焰的一面被烧黑、烧焦,放入其中的铜丝也一并熔化了,熔化了的铜也并没有灼穿土豆,而是被好好装在了底部。

坩埚为什么不怕烧?古往今来都有这些材料可以用来制作它

人类与坩埚一起度过的历史真的很长。

目前发现最早的坩埚,是土耳其中部发现的,公元前第 7 千纪左右使用的的一口坩埚。目前已知最早的用坩埚进行过冶炼的地方是遗址是东欧和伊朗的部分地区,年代大致在公元前第 6 千纪晚期到第 5 千纪早期。

在中国坩埚的使用历史可以追溯到几千年前,比如在河南商周铸铜遗址中就曾出土过三种形制的坩埚。一种以灰陶缸或大口尊改制而成,内外涂较厚的草拌泥。

另一种为厚壁、大口,下有长尾便于插置和倒转,形如头盔,俗称“将军盔”,上面粘有铜渣。

还有一种壁胎全用草拌泥条盘筑而成,形较大,内壁有烧痕,粘有铜渣,陶胎呈灰黑色,外壁红褐色。

可以看出,那时我们的坩埚主要以陶土制的为主,不为别的,就是因为陶土更加耐烧,主要用来对铜进行熔炼。当时没有火焰喷枪,且坩埚为了具备高耐火性,都是做得很厚的,如果用火在坩埚外加热的话热效率就很低。

于是为了提高热效率,聪明的古人在冶炼铜时,会将铜和木炭一起放入坩埚中,点燃之后往内部鼓风,也就相当于可以让铜直接接触火,从而得到更好的熔炼效果。这也是这些出土的坩埚,内壁会有灼烧痕迹的原因。

往后的坩埚也一直沿用着这种“内加热”的原理,只是在形制和材料上会有所变化。形制的变化就是奔着提升鼓风技术,从而达到并维持更高的炉温去的;材料除了陶之外,也运用过砂、石英、黏土等的材料混合,主要目的就是为了提升坩埚耐高温的属性。

这种冶炼方式一代代传承下来,曾一度让国内很多地区成为冶炼大省,比如山西,就有延续了延续二千多年的“坩埚冶铁”的历史。

到了近现代,坩埚的材质变得更加多样,用途也更加广泛了。按材质分类,主要可以分为石墨坩埚、粘土坩埚和金属坩埚三大类。

石墨坩埚,是指以石墨、粘土、硅石和腊石为原料烧制而成的一类坩埚,耐高温至1800℃。这类坩埚,化学性质稳定,具有良好的抗腐蚀性能,耐高温且热膨胀系数小。内壁平滑,不易渗漏或粘附熔化材料,因此常被用于有色金属及其合金的冶炼。

黏土坩埚,由黏土、石墨、熟料或硅石制作,熔点为3850℃,沸点为4250℃,热膨胀系数小,主要用于溶液的蒸发、浓缩或结晶,灼烧固体物质。

金属坩埚种类很多,有用于熔化合金的铸铁坩埚、抗碱性和抗侵蚀能力较强的镍坩埚、用于加热非金属材料的白金坩埚等等。

还有特别的石英坩埚,这种坩埚在近年比较紧缺,这是因为它具有的高纯度、耐温性强、尺寸大、精度高、保温性好、节约能源、质量稳定等众多优点,可在1450℃的温度下使用。使它可以被用于半导体与太阳能拉制大直径单晶硅,同时它也是国内发展光伏等大规模集成电路,所必不可少的基础材料。

硅料降价,利润被硅片和坩埚产业吸走

3月组件厂商订单排满,进入4月组件排产量装机仍会小幅提升,年内装机开启加速模式。对于产业链而言,高纯石英砂紧缺程度持续加剧,价格持续上涨,且顶部难测,硅料降价后,头部硅片以及坩埚企业,仍是今年光伏产业链最大受益方。

根据最新的报价进展看,现在硅料已经正式进入下降通道。今年1-2月的装机数据就大超预期,同比增长87.6%。在一季度的传统淡季却不淡,不仅不淡,还创了历史新高,可以说开了个好头,而现在已经进入四月份,随着硅料价格持续走低,下游组件出货和终端装机也明显开始加速了。

与去年大家预判的硅料降价后会流向组件和电池片环节不同的是,今年随着石英砂紧缺度的持续提升,大家重新对硅片环节给予了重视,所以硅片、坩埚、高纯石英砂成为了今年光伏行业中最核心的细分。

高纯石英砂的紧缺情况持续加剧,所以价格也涨的比较疯狂,之前已经说最高价涨到18万/吨了,但是现在还在继续升高,4月底就有可能涨到24万/吨都止不住。类比去年的硅料,当今年的石英砂疯狂涨价且看不到头的时候,对于硅片和坩埚企业,自然有极大的驱动力会在紧缺时期提价,所以虽然全部吃掉利润不至于,但是在中内层砂持续涨价的形势下,受益最多的仍然是硅片和坩埚环节。当然这必然是结构性的,比如二三线硅片企业伴随着高纯砂涨价,坩埚涨价,其非硅成本会大幅上升,很难和头部竞争。

但是,除了硅料、硅片,主产业链中的电池片和组件环节,伴随硅料降价也会受益,但受益可能没此前预期那么大。对于组件企业而言,虽然目前价格1.7元/W左右,无论对于国内外都能全面促进装机,成本也会随着硅料降价而降低,但是因为高纯石英砂价格能涨到什么程度很难说,所以重要的利润还是会坩埚和头部硅片企业吸走。

石英坩埚产业链

石英坩埚属于中游行业,其盈利能力受到上下游格局的影响。

石英坩埚行业上游主要为高纯石英砂行业、坩埚设备制造、化工等行业,其中高纯石英砂是石英坩埚的关键原材料。

目前高纯石英砂由于石英矿源的紧缺性,处于高度垄断的阶段,高纯石英砂的价格主要受市场供需关系的影响。

石英坩埚相关的硅材料清洗、切削液处理行业上游主要为设备和化工供应商,以上行业内企业数量较多,市场竞争充分,议价能力较弱。

下游行业为单晶硅材料制造行业,该行业受光伏、半导体领域应用的影响较大,其中光伏级单晶硅片行业主要呈现隆基及TCL中环的双寡头格局,基本实现国产替代。

石英坩埚竞争格局

目前石英坩埚环节竞争格局较为分散,头部坩埚厂商大部分与下游主流单晶硅片企业建立了稳定的合作关系。

单晶硅生产企业倾向于选择行业内口碑较好的供应商,并与其保持长期稳定的合作关系。

由于石英坩埚的下游硅片行业双寡头企业占据着市场绝大部分市场份额,并且近年来为了将来抢占更多的市场份额,隆基股份及中环股份两家公司凭借着巨大的资金优势仍在进行逆周期产能扩张,两家公司仍占据大部分的市场份额。

在此背景下,单晶硅石英坩埚行业仅有少数几家企业分享到下游行业产能扩充的红利,其余的大量中小企业被迫激烈地争夺剩余的市场份额。

文章来源: 知识TNT,华尔街见闻,乐晴行业观察

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