CN107098571A - 用于生产光学玻璃的熔炼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于玻璃熔炼设备领域，具体公开了一种用于生产光学玻璃的熔炼装置，旨在解决现有的玻璃熔炼装置所生产的光学玻璃无法满足高精度光学仪器对玻璃透过率的要求的问题。该用于生产光学玻璃的熔炼装置，包括熔炼容器、加热机构和鼓泡机构，熔炼容器内设有熔炼腔；熔炼腔的底面和侧壁均由石英玻璃制作的玻璃砖砌筑而成；加热机构包括框形架和全氧燃烧器。熔炼容器内围成熔炼腔的内壁由石英玻璃制作的玻璃砖砌筑而成，基本避免了因内壁受高温玻璃液侵蚀而引起玻璃着色，保证了光学玻璃的透过率；而且，该熔炼装置取消了电极加热结构，避免了因电极受高温玻璃液侵蚀使得电极材料中的着色杂质污染玻璃液而引起的玻璃着色。

Description

用于生产光学玻璃的熔炼装置
技术领域
本发明属于玻璃熔炼设备领域，具体涉及一种用于生产光学玻璃的熔炼装置。
背景技术
光学玻璃作为一种光传输的介质，除了对其内部的气泡、结石、条纹有严格的要求外，还对其透过率有更高的要求。光学玻璃的透过率是反映光通过玻璃能力的指标，光线进入玻璃，大部分光线将通过玻璃，其中有一部分光被玻璃内部吸收，还有一部分光被玻璃表面反射掉。因此，光线在玻璃中的光吸收量和光反射量越小，玻璃的透过能力就越强。一般来说，使用透射材料的光学仪器，大都要求材料具备较高的透过率。
研究表明，光学玻璃的透过率首先与其化学组成密切相关，其次与制造过程工艺、技术密切相关。一种光学玻璃材料研发完成后，其透过率水准就基本确定，若想要进一步提升其透过率，制造过程的工艺、技术将起关键作用。
一般来说，玻璃对光的吸收突出表现为选择性吸收，主要是由于玻璃内部的着色元素所引起的；一些在玻璃中以离子状态存在的多价态过渡金属元素易产生电子跃迁，产生价态变化，从而对可见光产生选择性吸收，影响玻璃的透过率。常见的着色元素有：Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ce、Pr、Nd等。
玻璃熔炼装置是生产光学玻璃的关键设备之一，现有的玻璃熔炼装置，包括内部具有熔炼腔的熔炼容器、竖直设置在熔炼腔中的加热电极以及设置在熔炼容器上部的燃烧器；熔炼容器上设有投料口，投料口的出料端与燃烧器的烧嘴相对应；加热电极由氧化锡或钼制成。采用现有的玻璃熔炼装置熔化玻璃原料的过程如下：玻璃原料由投料口连续投入熔炼容器的熔炼腔中，投入的玻璃原料由上部空间的燃烧器喷射的燃烧火焰加热初熔，将玻璃原料熔化为液态，通过氧化锡或钼电极对玻璃液直接通电加热，使玻璃液熔化。电极加热熔化玻璃的过程中，伴随有盐类分解、固液相转变、复盐产生等复杂的物理化学变化，部分区域的粉状玻璃原料和玻璃液共存，气体释放和吸、放热反应，引起玻璃液的强对流，对熔炼容器、电极的侵蚀较为严重，熔炼容器材料和电极材料中的杂质很快会随侵蚀进入玻璃液中，引起玻璃着色，影响玻璃的透过能力。
目前，熔炼容器多为电熔氧化铝制品、锆刚玉制品、莫来石制品或氧化锆制品；除此之外，还有电熔铸镁铬等碱性电熔铸制品；而熔炼装置又普遍采用全电极加热或气电混合加热的结构。其中，熔铸氧化铝制品和莫来石制品的气孔率较高，抗侵蚀能力差，抗热震稳定性差，该类熔炼容器很容易出现材质剥落，导致玻璃内部产生耐火材料结石，同时，大量的侵蚀物中的着色杂质引入，会导致玻璃的透过率下降，因此该种材料的熔炼容器很难生产出高品质的光学玻璃产品。电熔铸镁铬砖虽然具备很好的抗钠钙玻璃侵蚀能力，熔点高，但其材料中含有大量的Fe杂质，本身组分中的铬作为变价元素，对玻璃具有着色能力，该类熔炼容器适合工业、电子玻璃及有色玻璃的生产。锆刚玉制品杂质含量极低，几乎不含有基质玻璃相，具有优良的对玻璃液的低污染性能，体积密度大，气孔率小，具有较强的抗玻璃液侵蚀能力，产生气泡、结石、条纹的倾向小，微量的着色杂质引入对光学玻璃的透过率影响较小，是目前主流的光学玻璃熔炼容器材料，适用于绝大多数无铅环保玻璃和含铅非环保光学玻璃的生产。
虽然，现有的玻璃熔炼装置中使用了电熔锆刚玉(AZS)材料修筑的熔炼容器能够生产出质量合格的光学玻璃，其透过能力能够满足大部分光学仪器的设计要求，但是由于电熔锆刚玉材料仍然含有接近3000ppm的着色杂质Fe和Ti，并且使用的钼电极本身随气氛变化对玻璃液着色，而二氧化锡电极中含有烧结促进剂(如Au、Ag、Cu、Ni等加入量为0.5～2％)和降低电阻添加剂(如As2O3、Sb2O3、Ta2O3、U2O3)，综合较多的着色元素都对制造高透玻璃产生阻碍，因此所生产光学玻璃产品的透过能力对于一些成像要求高的高精度光学仪器而言还是不够，因为高精度光学仪器透过率指标要求往往比普通光学仪器的透过率指标要求高0.5％～5％，如单反相机、太空搜索望远镜、玻导光纤等对光学玻璃的透过率要求。
为了进一步提高玻璃的透过率，一些技术先进的企业也采用铂金制作加热电极对玻璃液加热，虽然玻璃的透过率有一定的提升，但仍然无法解决电熔锆刚玉材料中着色杂质对玻璃的污染，同时，铂金电极也不适用于一些含铅玻璃的生产，主要是含铅玻璃液中极易出现Pb单质会严重腐蚀铂金材料，容易引起铂金杂质或造成铂金电极损坏，污染离子进入玻璃体同样对特定波长的光产生吸收，影响玻璃产品的透过能力。
发明内容
本发明提供了一种用于生产光学玻璃的熔炼装置，旨在解决现有的玻璃熔炼装置所生产的光学玻璃无法满足高精度光学仪器对玻璃透过率的要求的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于生产光学玻璃的熔炼装置，包括熔炼容器、加热机构和鼓泡机构，所述熔炼容器内设有熔炼腔；所述熔炼腔的底面和侧壁均由石英玻璃制作的玻璃砖砌筑而成；所述加热机构包括设置在熔炼容器顶部的框形架以及设置在框形架上的至少两个全氧燃烧器，所述全氧燃烧器的火焰喷嘴位于框形架的内部并倾斜朝下，且由火焰喷嘴所喷射的火焰位于熔炼腔的上方；所述鼓泡机构包括设置在熔炼容器底部并与熔炼腔相通的鼓泡管。
进一步的是，用于制作玻璃砖的石英玻璃的纯度在99.9％以上，着色杂质含量为1～2ppm。
进一步的是，所述熔炼容器呈矩形结构，熔炼容器一面侧壁的上部设有原料投入口，与原料投入口相对应的另一面侧壁的下部设有玻璃液出料口。
进一步的是，所述熔炼腔的底面设有漏斗形结构，所述熔炼容器的底部设有玻璃残液排放孔，所述玻璃残液排放孔的进液端处于漏斗形结构的底部。
进一步的是，所述鼓泡机构还包括与鼓泡管相连的鼓气器。
进一步的是，还包括固定支架，所述固定支架上设置有固定支撑框形架的支板。
进一步的是，所述熔炼容器的外周壁上设置有冷却箱。
进一步的是，所述冷却箱内设有冷却腔，所述冷却腔的底面上间隔设置有至少两块下溢流隔板，冷却腔的顶面上间隔设置有至少两块上溢流隔板，所述下溢流隔板与上溢流隔板交错间隔分布将冷却腔分隔为波浪形的冷却通道。
进一步的是，所述冷却箱的下部设有与冷却通道一端相通的冷却介质入口，冷却箱的上部设有与冷却通道另一端相通的冷却介质出口。
进一步的是，所述冷却介质入口上设置有开度调节阀门。
本发明的有益效果是：
(1)、熔炼容器内围成熔炼腔的内壁由石英玻璃制作的玻璃砖砌筑而成，其具有较高的熔点，较低的导热系数，优良的抗热震性、体积膨胀率小，致密无气孔，含有的实际着色杂质在5ppm以内，有一定的抗高温侵蚀能力等优点，基本避免了因内壁受高温玻璃液侵蚀而引起玻璃着色，保证了光学玻璃的透过率；同时，石英玻璃的主要化学成分为SiO2，即使受侵蚀进入玻璃液中对玻璃的组分影响极小，更有利于生产出优良气泡质量和高透过率的光学玻璃。
(2)、该熔炼装置取消了电极加热结构，仅通过全氧燃烧器喷射的火焰对熔炼容器进行辐射加热，并由鼓泡机构辅以鼓泡均化，从而既保证了对玻璃液加热充分，又避免了因电极受高温玻璃液侵蚀使得电极材料中的着色杂质污染玻璃液而引起的玻璃着色，进一步提升了光学玻璃的透过率。另外，该熔炼装置采用纯燃烧辐射加热，能够适用于各类高透过玻璃的生产，特别适用于含铅高透过玻璃的生产。
(3)、通过在熔炼容器的外周壁上设置冷却箱，利用在冷却箱内循环流动的冷却介质对熔炼容器的周壁进行冷却，一方面能够进一步提高石英玻璃制作的玻璃砖的抗侵蚀能力，另一方面能够提高该熔炼装置的使用温度，以满足绝大部分光学玻璃的生产要求。
附图说明
图1是本发明的实施结构示意图；
图2是冷却箱展开的剖视结构示意图；
图中标记为：熔炼容器100、玻璃砖101、熔炼腔110、漏斗形结构111、玻璃液出料口120、玻璃残液排放孔130、加热机构200、框形架210、全氧燃烧器220、鼓泡管310、固定支架400、支板410、冷却箱500、冷却腔501、冷却介质入口502、冷却介质出口503、下溢流隔板510、上溢流隔板520。
图2中的箭头方向为冷却介质的流向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，用于生产光学玻璃的熔炼装置，包括熔炼容器100、加热机构200和鼓泡机构，熔炼容器100内设有熔炼腔110；熔炼腔110的底面和侧壁均由石英玻璃制作的玻璃砖101砌筑而成；加热机构200包括设置在熔炼容器100顶部的框形架210以及设置在框形架210上的至少两个全氧燃烧器220，全氧燃烧器220的火焰喷嘴位于框形架210的内部并倾斜朝下，且由火焰喷嘴所喷射的火焰位于熔炼腔110的上方；鼓泡机构包括设置在熔炼容器100底部并与熔炼腔110相通的鼓泡管310。
经发明人研究发现，高纯石英玻璃具有较高熔点，较低的导热系数，优良的抗热震性、体积膨胀率小，致密无气孔，几乎无着色杂质，有一定的抗高温侵蚀能力等优点；与电熔锆刚玉材料的相比，唯有熔点和抗高温侵蚀能力略弱，致密无气孔的特性更优，最主要的是着色杂质含量比电熔锆刚玉材料至少低2500ppm；因此，用于制作玻璃砖101的石英玻璃通常为高纯石英玻璃，其着色杂质含量在5ppm以下；优选为纯度在99.9％以上，着色杂质含量为1～2ppm的石英玻璃。由于熔炼容器100内围成熔炼腔110的内壁由石英玻璃制作的玻璃砖101砌筑而成，因此基本避免了因内壁受高温玻璃液侵蚀而引起玻璃着色，保证了光学玻璃的透过率；另外，由于石英玻璃的主要化学成分为SiO2，即使受侵蚀进入玻璃液中对玻璃的组分影响极小，更有利于生产出优良气泡质量和高透过率的光学玻璃。
石英玻璃的熔点一般在1700℃以上，相对于绝大部分光学玻璃不高于1300℃的熔化温度，完全满足生产要求。由于石英玻璃在1200℃以上会发生内部晶像结构的转变，其高温抗侵蚀能力会逐渐下降，为使该熔炼装置达到理想的使用条件，优选对熔化温度小于1250℃的光学玻璃进行生产；由于含铅玻璃的熔化温度较低，大约在1000～1200℃，因此该熔炼装置更适宜于含铅光学玻璃的熔炼；当然，熔化温度位于1250℃-1300℃也可以生产，但熔炼容器100的侵蚀将加快，使用寿命也将缩短。
该熔炼装置取消了电极加热结构，仅通过全氧燃烧器220喷射的火焰对熔炼容器100进行辐射加热，并由鼓泡机构辅以鼓泡均化，从而保证了对玻璃液加热充分。加入到该熔炼装置中的玻璃原料由全氧燃烧器220提供的热量熔化为玻璃态，熔化过程由鼓泡管310鼓入一定量的气体，增加玻璃液扩散、对流，使玻璃液达到一定程度的均化，并且使玻璃液受到的辐射热量快速传递，以被充分加热。如图1所示，加热机构200中的全氧燃烧器220优选为等间隔布置的四个，各全氧燃烧器220的火焰喷嘴所喷射的火焰通常保持一致。由于没有电极，避免了因电极受高温玻璃液侵蚀，使得二氧化锡或钼等材质的电极中的着色杂质污染玻璃液，引起的玻璃着色；也避免了铂金电极在熔炼过程中对含铅光学玻璃的污染，进一步提升了光学玻璃的透过率。
熔炼容器100为该熔炼装置的主体，其可以为多种结构；熔炼容器100上一般设有用于投加玻璃原料的原料投入口和用于玻璃液输出的玻璃液出料口；优选的，熔炼容器100呈矩形结构(俯视外形呈矩形)，原料投入口设于熔炼容器100的其中一面侧壁的上部，玻璃液出料口120设于与原料投入口相对应的熔炼容器100的另一面侧壁的下部。
通常，为了能够使熔炼后处于熔炼腔110底部的含杂质较多的玻璃残液外排，再如图1所示，熔炼腔110的底面设有漏斗形结构111，熔炼容器100的底部设有玻璃残液排放孔130，玻璃残液排放孔130的进液端处于漏斗形结构111的底部。在玻璃残液排放孔130上一般还设置有堵头或阀门，需要外排玻璃残液时，去除堵头或打开阀门即可。
具体的，鼓泡机构还包括与鼓泡管310相连的鼓气器。鼓气器为气源，通常向鼓泡管310中鼓入氧化性气体。
再如图1所示，该熔炼装置还包括固定支架400，固定支架400上设置有固定支撑框形架210的支板410。加热机构200的框形架210通常安装在支板410上，并处于熔炼容器100的顶部。
作为本发明的一种优选方案，再如图1所示，熔炼容器100的外周壁上设有冷却箱500。冷却箱500通常采用耐高温不锈钢材料制作，冷却箱500是专为针对石英玻璃材质的熔炼腔110内壁而设计的，通过在熔炼容器100的外周壁上设置冷却箱500，利用在冷却箱500内循环流动的冷却介质对熔炼容器100的周壁进行冷却，一方面能够进一步提高石英玻璃制作的玻璃砖101的抗侵蚀能力，另一方面能够提高该熔炼装置的使用温度，以满足绝大部分光学玻璃的生产要求。
为了达到更好的冷却效果，如图2所示，冷却箱500内设有冷却腔501，冷却腔501的底面上间隔设置有至少两块下溢流隔板510，冷却腔501的顶面上间隔设置有至少两块上溢流隔板520，下溢流隔板510与上溢流隔板520交错间隔分布将冷却腔501分隔为波浪形的冷却通道。下溢流隔板510和上溢流隔板520，一方面可以增大冷却箱500与冷却介质的接触面积提高冷却效果，另一方面所分隔形成的冷却通道使冷却介质更具流动性，并且在冷却箱500中的停留时间更长，大大提高了冷却箱500的冷却效果，再一方面冷却通道限制了冷却介质的流动路径，使流速相对稳定，进而使冷却状态稳定，以达到理想的冷却状态。
在上述基础上，为了确保冷却介质在冷却箱500内能够始终保持充满状态，充分与冷却箱500的内壁接触，因此，在冷却箱500的下部设有与冷却通道一端相通的冷却介质入口502，在冷却箱500的上部设有与冷却通道另一端相通的冷却介质出口503。通常，在冷却介质入口502上设置有开度调节阀门，用于控制冷却介质流量。通常选用水作为冷却介质，优选采用软水循环系统分别与冷却介质入口502和冷却介质出口503循环连接在一起。为了能够更好对熔炼容器100的冷却温度进行调控，该熔炼装置还包括控制器，在靠近冷却介质出口503的冷却通道内还设置有温度传感器，开度调节阀门和温度传感器分别与控制器电连接。通过温度传感器实时监控即将流出冷却介质出口503的冷却介质的温度并反馈给控制器，控制器根据预设温度调节开度调节阀门的开度，进而控制冷却介质的流量，以达到更好的冷却效果。
实施例
首先，选择具有以下重量百分比成分的含铅玻璃，各组分及重量百分含量如下：SiO2：30％～40％，PbO：45％～55％，H3BO3：4％～6％，KNO：4％～6％，Na2CO3：2％～5％，Sb2O3：0.1％。
以上玻璃原料均使用高纯原料，纯度≧99.9％；以上原料均含有Fe杂质，含量均≦2ppm；其中SiO2、H3BO3、Na2CO3均含有Cu杂质，含量均≦2ppm；其中SiO2、H3BO3也含有Cr杂质，含量均≦1ppm。
将以上玻璃原料连续加入本发明的熔炼装置中，在1200℃～1250℃熔炼温度下熔炼，获得实施例玻璃，并取样测试透过率指标，与日本OHARA(iline玻璃)的相同牌号高透过率产品进行对比，对比波长选择具有代表性的400nm、420nm,结果如下：
结论：实施例玻璃代表波长的测试指标т(10mm)已经达到并超过了日本的OHARA(iline玻璃)т(10mm)的指标。说明，使用本发明的熔炼装置连续生产获得到的含铅高透光学玻璃的透过率满足高精度光学仪器的要求。
对比例
使用与实施例提供的同一玻璃组分的原料，采用现有的玻璃熔炼装置进行熔炼生产，该玻璃熔炼装置的熔炼容器采用电熔锆刚玉材质，加热电极采用二氧化锡材质。将玻璃原料连续加入以上玻璃熔炼装置中，同样在1200℃～1250℃熔炼温度下，获得对比例玻璃，并取样测试透过率指标，与日本OHARA(iline玻璃)的相同牌号高透过率产品进行对比，对比波长选择具有代表性的400nm、420nm,结果如下：
结论：对比例玻璃代表波长的测试指标т(10mm)与日本的OHARA(iline玻璃)т(10mm)的指标差距较大，透过率指标低于OHARA透过率指标1％左右。
可见，采用现有的玻璃熔炼装置所生产的光学玻璃产品，其透过率指标低于采用本发明熔炼装置所生产的光学玻璃产品。

Claims (10)

1.用于生产光学玻璃的熔炼装置，包括熔炼容器(100)、加热机构(200)和鼓泡机构，所述熔炼容器(100)内设有熔炼腔(110)；其特征在于：所述熔炼腔(110)的底面和侧壁均由石英玻璃制作的玻璃砖(101)砌筑而成；所述加热机构(200)包括设置在熔炼容器(100)顶部的框形架(210)以及设置在框形架(210)上的至少两个全氧燃烧器(220)，所述全氧燃烧器(220)的火焰喷嘴位于框形架(210)的内部并倾斜朝下，且由火焰喷嘴所喷射的火焰位于熔炼腔(110)的上方；所述鼓泡机构包括设置在熔炼容器(100)底部并与熔炼腔(110)相通的鼓泡管(310)。
2.如权利要求1所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：用于制作玻璃砖(101)的石英玻璃的纯度在99.9％以上，着色杂质含量为1～2ppm。
3.如权利要求1所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：所述熔炼容器(100)呈矩形结构，熔炼容器(100)一面侧壁的上部设有原料投入口，与原料投入口相对应的另一面侧壁的下部设有玻璃液出料口(120)。
4.如权利要求3所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：所述熔炼腔(110)的底面设有漏斗形结构(111)，所述熔炼容器(100)的底部设有玻璃残液排放孔(130)，所述玻璃残液排放孔(130)的进液端处于漏斗形结构(111)的底部。
5.如权利要求1所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：所述鼓泡机构还包括与鼓泡管(310)相连的鼓气器。
6.如权利要求3所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：还包括固定支架(400)，所述固定支架(400)上设置有固定支撑框形架(210)的支板(410)。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：所述熔炼容器(100)的外周壁上设置有冷却箱(500)。
8.如权利要求7所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：所述冷却箱(500)内设有冷却腔(501)，所述冷却腔(501)的底面上间隔设置有至少两块下溢流隔板(510)，冷却腔(501)的顶面上间隔设置有至少两块上溢流隔板(520)，所述下溢流隔板(510)与上溢流隔板(520)交错间隔分布将冷却腔(501)分隔为波浪形的冷却通道。
9.如权利要求8所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：所述冷却箱(500)的下部设有与冷却通道一端相通的冷却介质入口(502)，冷却箱(500)的上部设有与冷却通道另一端相通的冷却介质出口(503)。
10.如权利要求9所述的用于生产光学玻璃的熔炼装置，其特征在于：所述冷却介质入口(502)上设置有开度调节阀门。
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