短波红外热像仪赋能石英坩埚电弧炉在线监测 —— 格物优信 YOSEEN-SD-640 高温可视化温控方案

一、引言

全球光伏产业持续推进 N 型高效电池规模化量产，大尺寸、高纯度、长寿命石英坩埚成为直拉单晶硅环节的刚需耗材。电弧熔融成型工艺依靠高压电弧产生高温，将高纯石英砂快速熔融，在模具内一体成型石英坩埚坯体。该工艺生产效率高，适配大规格坩埚量产，但电弧熔炼属于极端非稳态高温过程：电弧放电产生极强可见光与近红外强光，熔融石英液面存在剧烈对流、挥发物烟尘，炉膛内温度梯度大、热环境动态变化剧烈。温度场的均匀性直接决定坩埚坯体的粘度分布、成型壁厚、内部气泡缺陷与残余热应力。一旦熔池局部过热，会加剧石英挥发，形成气泡与结石；熔池区域温差过大，冷却成型阶段极易产生热应力裂纹，坩埚在后续拉晶高温工况下发生爆裂，造成巨额生产损失。

长期以来，国内坩埚制造企业在电弧炉测温环节面临技术瓶颈。传统接触式热电偶探头在 2000℃高温与电弧等离子体侵蚀环境下极易烧损，使用寿命短、更换频次高，只能实现单点间断测温，无法捕捉熔池全域温度分布。红外单点高温测温仪虽属于非接触测量，但电弧强光会造成探测器饱和，读数漂移严重，仅能获取有限点位温度，无法识别大面积温度梯度异常。常规长波红外热像仪（8~14μm）存在底层物理短板：石英材料对长波红外具备高透过性，设备采集到的辐射信号并非熔融石英液面真实温度，而是炉内耐火衬底、炉膛背景的杂散辐射，测量结果严重失真，完全无法通过石英观察窗完成熔池监测。

在此行业背景下，短波红外（SWIR，0.9~1.7μm）技术成为石英坩埚电弧炉超高温面阵测温的最优技术路线。格物优信作为国内具备短波红外整机自研能力的厂商，推出 YOSEEN-SD-640 短波红外热像仪，专门针对电弧炉强弧光、高温烟尘、石英视窗观测等工况进行软硬件定制优化，打破海外进口短波设备价格高昂、交付周期长、底层算法封闭、二次开发困难的行业壁垒，为石英坩埚电弧熔炼工序提供国产化在线热成像监测方案，推动坩埚制造由人工凭经验 “看火调工艺” 向数字化、可视化、闭环温控的智能制造转型。

二、石英坩埚电弧炉工艺特点与传统测温方案局限性

2.1 电弧熔融成型工艺特点

电弧法制备高纯石英坩埚，以高纯结晶石英砂为原料，依靠石墨电极间高压电弧放电产生高温，瞬时炉内温度超过 2000℃，使石英砂快速熔融形成液态石英熔池，依靠旋转模具离心成型，完成坩埚坯体成型。整个熔炼过程持续数十分钟，电弧能量波动、进料速度、电极高度、模具转速都会直接改变熔池的温度分布。

工艺对温度控制有三大核心要求：第一，熔池整体温度维持在石英充分熔融区间，保证石英砂完全熔化，避免未熔颗粒残留；第二，熔池横向与纵向温度梯度需要稳定可控，保障坩埚壁厚均匀，防止局部区域冷却速率差异形成残余热应力；第三，需要实时识别电极附近热点，避免电极过度烧蚀、石英材料大量挥发形成气泡缺陷。

电弧炉内部环境恶劣：电弧产生强烈连续光谱强光，极易造成成像探测器饱和；熔融石英高温挥发形成微小烟尘颗粒，散射辐射信号；炉体预留石英观察窗用于外部观测，普通红外波段无法穿透石英窗口获取液面真实温度。多重干扰叠加，使电弧炉熔池测温成为高温工业监测领域公认难题。

2.2 传统测温方案短板分析

（1）热电偶接触式测温

热电偶属于接触式测量，探头需要伸入炉膛高温区域。在电弧等离子体、2000℃高温腐蚀环境下，热电偶保护套管快速氧化烧蚀，使用寿命短，频繁更换会造成生产线停机，增加耗材成本。同时热电偶仅为单点测量，一个测点仅代表局部温度，熔池从中心到边缘温度梯度可达上百摄氏度，单点数据无法表征整个熔池的温度分布，局部过热、冷区缺陷无法被提前捕捉。另外，探头插入熔池会对高纯石英熔体造成污染风险，影响坩埚纯度。

（2）红外单点高温测温仪

单点高温红外测温仪采用非接触测量，无耗材污染风险，但是只能采集单一位置的温度数值，缺少二维温度场图像。电弧放电产生强光会造成探测器饱和，测量读数剧烈漂移，在电弧起弧、功率波动阶段数据可靠性大幅下降。工艺人员无法直观看到熔池高温区域、低温区域的位置与范围，只能依靠离散数据推测整体热场，属于 “盲人摸象” 式的工艺调控。

（3）长波红外热像仪

长波红外波段 8~14μm，适合常温、中低温工业设备巡检，但在石英电弧炉场景存在物理层面的致命缺陷。石英材料在长波红外波段具有高透射特性，长波红外辐射穿过石英熔液，探测器接收到的是熔池下方耐火材料、炉膛内壁的辐射能量，测量数值并非熔融石英液面真实温度，温度误差可达数百摄氏度。同时火焰、高温烟尘对长波红外衰减严重，电弧强光极易造成画面大面积饱和，无法用于熔池在线监测。

综上，传统各类测温手段均无法同时满足面阵全域测温、穿透石英观察窗、抑制电弧强光干扰、适应高温烟尘工况四大需求，制约石英坩埚工艺迭代与良率提升。

三、短波红外测温技术原理及 YOSEEN-SD-640 产品技术特性

3.1 短波红外适配石英电弧炉的底层物理逻辑

短波红外波段 0.9~1.7μm，介于可见光与中波红外之间，InGaAs 铟镓砷探测器是该波段主流探测器件，非常适配 600℃~1900℃超高温目标测温。相比长波红外，短波红外具备三大核心优势，完美匹配石英坩埚电弧炉场景：

第一，可穿透石英观察窗。石英材料在 0.9~1.7μm 短波红外波段具备良好透过率，热像仪可以隔着炉体石英视窗采集熔融石英液面的红外辐射信号，不会像长波红外那样穿透熔体采集底层背景辐射，解决隔着石英窗口测温失真难题。

第二，抗烟尘穿透能力强。短波红外波长更短，高温烟尘、蒸汽、挥发颗粒物对短波辐射的散射衰减远弱于长波红外，在电弧炉充满熔融石英挥发烟尘的工况下，依然可以稳定成像，降低烟雾造成的信号衰减。

第三，高温下发射率敏感度更低。600℃以上高温熔融材料，表面状态波动（氧化、液面流动、杂质）会造成发射率变化；短波红外测温受被测目标发射率波动影响更小，高温下测温稳定性显著优于长波红外。同时通过专用算法与滤光设计，抑制电弧等离子体强光，避免探测器饱和溢出。

3.2 格物优信 YOSEEN-SD-640 核心硬件与算法能力

YOSEEN-SD-640 是格物优信面向高温工业场景自研的非制冷短波红外热像仪，探测器采用 InGaAs 阵列，工作波段 0.9~1.7μm，配套自研光学镜头、嵌入式采集固件、高温测温校正算法与强光抗饱和图像处理模块。

成像与测温性能：面阵成像，实时输出二维温度场图像，测温区间覆盖 300~1800℃，可通过标定扩展适配电弧炉 2000℃瞬时高温工况；测温精度可达 ±1% 或 ±1℃（取较大值），高动态范围算法抑制电弧强光，解决电弧起弧瞬间画面饱和发白问题，保留电弧周边熔池的温度细节，区分熔池中心高温区、边缘低温区、电极局部热点。

工业环境防护设计：整机可搭配水冷护罩、吹扫防尘组件，安装在电弧炉观察窗外侧，隔绝炉膛辐射热与粉尘污染，保护相机内部光学与探测器组件，满足 24 小时连续在线不间断监测。压缩空气吹扫装置持续清洁石英观察窗，避免挥发物在视窗结垢影响成像质量。

软件与系统集成能力：配套格物优信自研上位机热成像分析软件，实时显示伪彩热图、熔池最高温、最低温、平均温度、自定义区域温度曲线；支持设置温度阈值，局部超温、温差超标自动声光报警；开放标准化 SDK 开发包，支持 TCP/IP、Modbus 等工业协议，可直接对接车间 DCS、PLC、MES 系统，实现工艺数据上传、历史温度曲线存储、熔炼过程全流程追溯。工艺人员可依据热场数据，闭环调节电弧功率、电极升降位置、石英砂进料速率。

国产化自主可控：探测器选型、光学设计、图像算法、测温标定、嵌入式固件全部由格物优信自主研发，摆脱进口设备底层封闭、二次开发困难、售后响应周期长的痛点，满足国内制造企业国产化替代、信创项目采购要求。

四、YOSEEN-SD-640 在石英坩埚电弧炉的整体部署方案

4.1 系统硬件组成

整套在线监测系统包含：YOSEEN-SD-640 短波红外热像仪、专用高温水冷保护罩、压缩空气吹扫组件、耐高温石英观察窗、工业千兆网线、工控机、声光报警装置。相机固定安装于电弧炉观察窗外侧，镜头对准炉内熔融石英熔池，镜头光轴垂直对准熔池中心区域，保证完整覆盖坩埚成型熔池区域。水冷护罩持续循环冷却水，隔绝炉膛向外辐射的高温热量，防止相机壳体、镜头升温过热；压缩空气吹扫持续吹扫观察窗内表面，抑制熔融石英挥发物沉积在石英窗口，防止窗口结雾、结垢造成图像衰减。

4.2 现场标定与参数校准

系统安装完成后，需要结合电弧炉工艺工况开展现场辐射标定。根据熔融石英材料在 0.9~1.7μm 波段发射率设置参数，扣除观察窗透射损耗、环境背景辐射干扰，使用高温黑体炉完成温度校准，消除烟尘、视窗损耗带来的系统偏差。标定完成后，软件划定熔池感兴趣区域（ROI），实时计算该区域最高温度、平均温度、温度梯度。针对电极附近热点区域单独设置报警阈值，一旦局部温度超过设定上限，系统自动触发报警信号，提示操作工调整电弧功率或电极高度。

4.3 软件功能与工艺闭环逻辑

上位机软件实时同步输出红外热成像画面与温度数据，支持时间轴连续录像存储，完整保存每一次坩埚熔炼全过程热图像，便于后续缺陷溯源与工艺复盘。系统可绘制熔池横向、纵向温度剖面曲线，直观判断熔池温度均匀程度。当熔池中心与边缘温差超出工艺窗口，系统输出信号至 PLC，自动降低电弧功率或者调整电极位置，减少局部过热，实现温控闭环。

工艺人员通过热图可以识别多种缺陷前兆：电极周边局部异常高温，预示电极损耗加剧、石英大量挥发，容易形成内部气泡；熔池边缘存在低温冷区，说明石英熔融不充分，容易残留未熔石英颗粒；熔池大范围温差过大，成型冷却阶段极易产生热应力裂纹。相比传统人工肉眼观察，热成像将定性的 “看火” 转变为定量数字化温度场数据。

五、现场应用成效与价值分析

国内多家高纯石英坩埚制造企业将格物优信 YOSEEN-SD-640 短波红外热像仪部署在电弧熔融产线，经过长期连续生产验证，在良率提升、能耗控制、设备运维、质量追溯等多维度获得明显收益。

第一，提升石英坩埚良品率，减少报废损失。依靠熔池全域温度场实时监测，工艺人员能够快速识别局部过热、温度不均等异常工况，提前干预，有效降低气泡、壁厚偏差、热裂纹等缺陷发生率。在某坩埚生产企业项目落地数据显示，引入短波红外在线监测后，坩埚成型阶段缺陷报废率显著下降，减少原材料与能耗浪费，直接提升单批次产线良率。下游直拉单晶环节，合格坩埚稳定性提升，降低拉晶过程坩埚爆裂风险，保障硅片生产连续性。

第二，降低耗材与停机维护成本。传统热电偶频繁烧损，耗材采购与停机更换成本高，YOSEEN-SD-640 属于非接触式在线监测，无探头耗材损耗，搭配水冷护罩与空气吹扫组件，可长期稳定连续运行，减少频繁停机检修。同时通过监测电极热点，提前预判石墨电极烧蚀状态，合理规划电极更换周期，延长电极使用寿命。

第三，工艺数字化沉淀，支撑配方迭代。熔炼全过程温度场数据自动存储归档，建立不同工艺参数下熔池热场数据库。研发人员可以对比不同电弧功率、进料速度对应的温度分布，开展工艺正交试验，持续优化电弧熔炼工艺参数，加速新型大尺寸、超高纯坩埚配方开发，实现工艺知识数字化沉淀，不再依赖少数资深老师傅经验。

第四，安全生产预警。电弧炉超温、电极异常放电会带来设备损坏甚至安全隐患。系统设置多级温度阈值报警，一旦出现极端超温，及时预警，规避炉体耐火衬里烧穿、电极断裂等重大生产安全事故。

六、对比进口短波设备，国产化方案优势

此前国内石英坩埚头部企业若要实现电弧炉熔池短波红外在线监测，大多只能采购海外品牌短波红外设备，存在诸多痛点：设备采购价格昂贵，交付周期长达数月；底层固件封闭，无法根据国内电弧炉工况定制修改图像算法；工业协议适配困难，对接 MES/DCS 系统需要额外开发，二次开发成本高昂；售后技术支持响应慢，海外工程师现场服务周期长，产线停机损失巨大。

格物优信 YOSEEN-SD-640 国产化短波红外热像仪有效解决上述痛点。整机自研，交付周期可控；可根据坩埚电弧炉工况定制强光抑制、测温校正算法；开放 SDK 与主流工业通讯协议，方便产线系统集成；国内本地化技术团队，提供现场安装、标定、调试、售后全周期技术支持，响应速度快，运维成本更低，在性能指标接近进口产品前提下，大幅降低企业项目整体投入。

七、应用拓展与未来展望

除石英坩埚电弧熔融工序之外，YOSEEN-SD-640 短波红外热像仪的技术能力还可拓展至石英制品退火、气炼石英熔融、硅料熔炼、激光熔池监测、增材制造、冶金矿热炉等多个高温工业场景。随着光伏、半导体行业持续向大尺寸、超高纯度方向升级，石英坩埚制造工艺精细化、数字化需求会持续提升，短波红外可视化在线监测将逐步成为高端坩埚产线的标准配置。

未来，格物优信将持续迭代短波红外探测器、光学系统与 AI 热图像识别算法，在现有温度场测温基础上增加 AI 缺陷识别能力，基于热图像自动识别熔池气泡富集区域、未熔颗粒、电极损耗特征，进一步提升智能化水平。依托国产化红外技术持续突破，助力光伏上游材料制造产业实现高端装备自主可控，支撑国内半导体与光伏产业链高质量发展。

八、结语

高纯石英坩埚电弧熔炼工艺的核心瓶颈，在于极端工况下熔池全域温度场的精准感知。传统热电偶、单点测温仪、长波红外热像仪受物理原理限制，无法满足电弧炉强弧光、烟尘、石英观察窗的复杂测温环境。格物优信 YOSEEN-SD-640 短波红外热像仪依托 0.9~1.7μm 波段独有的光学优势与自研强光抗饱和、高温测温校正算法，实现隔着石英视窗对 2000℃级熔融石英熔池进行二维连续温度场在线监测，将电弧炉生产从人工经验调控升级为数字化闭环温控。

这套国产化短波红外监测方案，不仅解决石英坩埚电弧炉长期存在的测温难题，提升坩埚良品率、降低能耗与运维成本，同时打破海外短波红外设备在高端高温工业监测领域的技术垄断，为光伏上游材料、特种玻璃、冶金高温熔制等行业提供一套自主可控、稳定可靠的高温可视化监测装备，助力我国先进材料制造产业数字化转型升级。