CN107827336B - 一种氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为一种氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置及制造方法。属于光学玻璃制造技术领域。它主要是解决现有氟磷酸盐光学玻璃熔化不充分及易产生异物的问题。它主要由铂金或铂强化材料制作的熔化坩埚、通气装置、热交换器、烟囱、连通管几部分组成，利用该装置并辅助特定的工艺方法可将氟磷酸盐配合料充分熔化成玻璃后，再经澄清、均化，制造出合格的光学玻璃产品。

Description

一种氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置及制造方法

技术领域

本发明属于光学玻璃制造技术领域。具体涉及一种用于氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置及制造方法。

背景技术

氟磷酸盐光学玻璃是一种综合了氟化物玻璃和磷酸盐玻璃优点的新型光学材料，具有低折射率、低色散、低软化点、透紫外等特性，在光学系统中可以消除二级光谱的特殊色散，提高分辨率，改善光学系统的成像质量，因此被广泛地应用于各种光学成像系统。由于该类玻璃配方中含有大量的氟化物及偏磷酸盐，其形成玻璃能力较弱，玻璃的粘度小，析晶能力强，易产生铂金等异物，导致该类玻璃的生产难，因此需要特殊的熔化装置。

氟磷酸盐光学玻璃配方中的偏磷酸盐容易被还原成单质的磷，与铂金质坩埚作用，会让铂金器皿发生中毒，造成铂金坩埚龟裂，大颗粒的铂金粒片剥落或铂磷合金进入玻璃液中会形成异物。氟磷酸盐光学玻璃原料熔解时气、固、液三相共存，对铂金具有极强的侵蚀性和破坏性，导致铂金微粒进入玻璃液内部，大量铂金微粒的存在造成光的漫散射，形成“丁达尔效应”，会降低玻璃的内透过率，造成光学玻璃的内部缺陷。氟磷酸盐光学玻璃配方中含有大量的氟化物，高温下该类氟化物极易挥发，熔化坩埚上部空间内壁上粘附的玻璃液会因为氟化物的挥发，组分发生变化，形成高熔点玻璃组分，而此类组分的粘附物进入氟磷酸盐玻璃液中不容易溶解，从而产生结石类异物，形成光学玻璃缺陷。

现有专利技术包括：专利文献1：特開2007-186421；专利文献2：CN 1590325A。

发明内容

本发明目的就是针对上述情况提出的一种适用于氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置及制造方法。

本发明氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置的技术解决方案是：一种氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置，包括由铂金或铂强化材料制作的熔化坩埚、投料口和连通管，其特征在于：还包括通气装置、热交换器和烟囱；所述的熔化坩埚为除投料口、烟囱外的其余部分形成与外界空气隔离的相对密闭空间；所述热交换器设置于坩埚内液面上、下位置区间内的熔化坩埚内壁上；所述通气装置包括设置于坩埚内玻璃液下方的环形鼓泡管，并与热交换器相通；所述烟囱设置于熔化坩埚液面的上方；所述连通管设置于熔化坩埚侧壁底部。

本发明氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置的技术解决方案中所述的通气装置还包括进气管、出气管；进气管与热交换器的进气口连接，热交换器的出气口分别与出气管和环形鼓泡管连接。

本发明的氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置的技术解决方案中所述的热交换器呈带状贴于熔化坩埚内壁，热交换器中心高度位置与玻璃液面线齐平，且与坩埚内壁牢固固定。目的是在液面部位形成铂金器皿的保护，对玻璃熔化最恶劣环境部位进行局部降温，增加该部位的玻璃液粘度，使该处玻璃液长期滞留于热交换器表面，防止新形成的玻璃液与铂金直接接触，这样就可以防止新形成玻璃液中含有的磷单质与铂金接触，防止该部位铂金与单质磷反应，产生铂金中毒；同时该处大粘度的玻璃液包裹在铂金表面，阻止了铂金微小碎片的向玻璃液内扩散，降低了氟磷酸盐玻璃液内铂金粒子的浓度，而铂金粒子一旦进入玻璃液内就不容易去除，会形成结石存在于玻璃内，明显降低氟磷酸盐玻璃的品质；该处热交换器沉浸在氟磷酸盐玻璃液内，热交换器内的气体因吸收热量，气体温度大幅上升，可以防止鼓泡器出口处玻璃液因气体过冷却出现降温，由于氟磷酸盐玻璃属于易析晶玻璃，过冷的温度极易产生析晶，造成鼓泡器出口的阻塞，使鼓泡工艺不能稳定工作。

本发明的氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置的技术解决方案中所述的进气管、出气管上分别设有进气调节阀、出气调节阀；环形鼓泡管与投料口同中心轴布置，环形鼓泡管上表面均匀分布钻孔，环形鼓泡管与坩埚底间距30~80mm。进气调节阀用于调节进入气体的压力与流量，出气调节阀用于调节热交换器内气体的压力与鼓泡管内气体流量，环形鼓泡管保证所加的玻璃配合料在鼓泡柱面的中心。

本发明氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置的技术解决方案中所述的烟囱位于熔化埚的上部侧向位置，用于原料熔解时废气和配合料扬尘的排出。

本发明利用上述熔化装置制造氟磷酸盐光学玻璃方法的技术解决方案包括以下步骤：

⑴在750℃～1100℃高温状态下，从投料口投入氟磷酸盐光学玻璃配合料，配合料落入玻璃液表面，处于坩埚内玻璃液面的中心部位；投料口与玻璃液面的距离不宜过高，过高时玻璃配合料的势能过高，落入玻璃液表面时会导致液面波动过大，不利于玻璃液的稳定流动；同时过高的距离引起的配合料扬尘会增加，容易在铂金器皿的内表面形成附着物，附着物由于长期滞留在高温环境下，其组分挥发严重，会形成难溶物，掉入玻璃液内不易熔解，形成玻璃液内的结石；高扬尘也会在烟囱出口处凝结，长期的凝结会造成烟囱的阻塞，加大了烟囱的清理频率，造成烟囱处的损坏；

⑵从进气管（2）通入经过干燥的氧化性气体或含惰性气体的氧化性气体，露点小于-65℃；由于所通入的气体是氧化性气体，该气体在高温下可以防止配合料中偏磷酸根被还原成单质磷；鼓入的气体由环形鼓泡器出口鼓出并上浮，在玻璃液内形成一个环形对流柱面，将配合料圈在环形对流柱面的中心，防止生料层沿径向向外扩散与玻璃液表面部位的铂金接触；由于鼓泡气体的鼓动，气体上升的过程中，会带动玻璃液上下对流，在环形的鼓泡柱面圈，离鼓泡柱面近处玻璃液上升，远处玻璃液下降，内圈中玻璃配合料向下流动，向下流动的配料与高温的完全熔解的玻璃液相遇而熔化，因此鼓动的气体加快了配合料熔融成玻璃相，由于玻璃液面深度足够，配合料在向下流动过程中逐步被熔化为玻璃态，到达底部与铂金接触时已完全呈玻璃态，有利于铂金的保护。环形的鼓泡柱面形成了一个配合料的保护层，将未熔解的生料层圈在柱面内，使玻璃配合料的熔解在远离铂金器皿的部位进行，减少了铂金使用的风险。由于加料管口设计比较小，加入的粉料会在加料口下部的液面处形成堆积，该堆积层浮于液面中心部，对加入的原料起了缓冲作用，防止有一定速度的配合料直接冲击进入玻璃液底部，有利于配合料的熔解稳定；

⑶通过分别调节进气调节阀、出气调节阀的开合程度，调节气体在热交换器内滞留时间、气压及鼓泡流量，使进气管进气量、出气管出气量、环形鼓泡管鼓泡量三者达到工艺所要求的固定平衡状态。当进气管阀门调节、出气量阀门调节、鼓泡气鼓泡量三者形成工艺要求的固定平衡状态时，热交换器外壁的玻璃液因热量被流动的气体导走而冷却，形成粘度较大的玻璃包裹层，隔绝与生料层的接触，保护铂金不进入玻璃液内。同时通过热交换器作用，进入热交换器内的气体被加热至高温，在鼓泡器出口处的气体温度高于玻璃液析晶温度，鼓泡器出口的玻璃液不会析晶，不会造成鼓泡器出口阻塞；

⑷从连通管导出的初熔玻璃液经过后续流程中的澄清、均化，获得氟磷酸盐光学玻璃。

本发明利用上述熔化装置制造氟磷酸盐光学玻璃方法的技术解决方案中第⑴步骤中所述的氟磷酸盐光学玻璃配合料投入坩埚前造粒成丸状或片状，减少配合料尘因飞扬粘附于坩埚壁及顶部内壁，防止配合料中偏磷酸根被还原为单质磷，与铂金接触造成铂金中毒，也可以减少飞扬的料尘阻塞烟囱。

本发明利用上述熔化装置制造氟磷酸盐光学玻璃方法的技术解决方案中第⑴步骤中所述的高温状态为750℃～850℃高温。

本发明利用上述熔化装置制造氟磷酸盐光学玻璃方法的技术解决方案中第⑴步骤中所述的高温状态为850℃～950℃高温。

本发明利用上述熔化装置制造氟磷酸盐光学玻璃方法的技术解决方案中第⑴步骤中所述的高温状态为950℃～1100℃高温。

附图说明

图1是本发明氟磷酸盐光学玻璃熔化装置的示意图。

图中：1. 投料口；2. 进气管；3. 出气管；4. 进气调节阀；5. 出气调节阀；6. 熔化坩埚；7. 烟囱；8. 液面；9. 配合料堆；10. 热交换器；11. 玻璃液；12. 环形气泡圈；13.环形鼓泡管；14. 连通管。

具体实施方式

如图1所示。本发明一种氟磷酸盐光学玻璃熔化装置结构包括：投料口1、进气管2、出气管3、进气调节阀4、出气调节阀5、熔化坩埚6、烟囱7、热交换器10、环形鼓泡管13和连通管14。熔化坩埚6除投料口1、烟囱7与外界空气相通外，其余部分与外界空气隔离形成相对密闭空间。熔化坩埚6侧部靠近底面有一连通管14，用于熔化充分的玻璃液11导出。除进气调节阀4、出气调节阀5外，该装置是由铂金或强化铂材料制成，通过焊接将投料口1、通气装置（进气管2、出气管3、环形鼓泡管13）、熔化坩埚6、烟囱7、热交换器10、连通管14组合成熔化装置。连通管14再与其他部位的铂金制品连接，完成玻璃的澄清、均化等工艺过程。

投料口1呈圆管状，直径为φ80~200mm，上端处于熔化坩埚6外，下端深入熔化坩埚6内部，距离液面8有一定的高度，以配合料堆9高度不接触下部管口且留有一定的空间距离为佳。当向投料口1加入氟磷酸盐光学玻璃配合料时，配合料沿管内落入玻璃液11表面并沿径向向外扩散，由于管口直径限制，扩散后的配合料堆9扩散直径受到一定限制。因为熔化坩埚6较投料口1管径大，扩散的配合料堆9不易接触到坩埚壁。投料口1下端与液面8保持一定的距离，确保配合料堆9在液面8铺开，不会在投料管内形成阻塞。

热交换器10呈带状贴于熔化坩埚6内壁，其中心高度位置与玻璃液面线齐平，通过悬挂或焊接与坩埚内壁牢固固定，在液面8部位形成铂金坩埚壁的保护。由于玻璃熔化时，气、固、液三相共存，反应激烈，温度波动频繁，对铂金制品的破坏严重。首先，设置热交换器10可对玻璃熔化最恶劣环境部位进行局部降温，增大熔化坩埚6壁液面8处玻璃液11的粘度，使该处玻璃液11长期滞留于热交换器10表面，防止新形成的玻璃液11与铂金直接接触，这样就可以防止新形成玻璃液11中含有的磷单质与铂金接触，阻止铂金与单质磷反应，产生铂金中毒；其次，液面坩埚壁处大粘度的玻璃液包裹在铂金表面，阻止了铂金微小碎片的向玻璃液11内扩散，降低了氟磷酸盐玻璃液内铂金粒子的浓度，而铂金粒子一旦进入玻璃液11内就不容易去除，会形成结石存在于玻璃内，明显降低氟磷酸盐玻璃的品质；其三，该处热交换器10沉浸在氟磷酸盐玻璃液内，热交换器10内的气体因吸收热量，气体温度大幅上升，可以防止环形鼓泡管13出口处玻璃液因气体过冷却出现降温，由于氟磷酸盐玻璃属于易析晶玻璃，过冷的温度极易产生析晶，造成环形鼓泡管13出口的阻塞，使鼓泡工艺不能稳定工作。

通气装置与热交换器10焊接相通，由进气管2、出气管3、环形鼓泡管13三部分组成，主要用于控制鼓泡量和气体的温度。进气管2入口部（炉体外）安装有进气调节阀4，用来调节进入气体的压力与流量。出气管3出口部（炉体外）安装有出气调节阀5，用于调节热交换器10内气体的压力与环形鼓泡管13内气体流量。环形鼓泡管13浸入玻璃液内部并接近坩埚底，间距约30~80mm，这样底部玻璃液尽可能少参与玻璃液11的上下对流，保证了连通管14流出的玻璃液11不夹带生料。环形鼓泡管13绕成与坩埚底平行的环形，环形部朝上表面均匀分布钻孔用于鼓泡，环形部与加料管呈同轴布置，保证所加的玻璃配合料在鼓泡柱面的中心，形成环形气泡圈12。

烟囱7位于熔化坩埚6的上部侧向位置，用于原料熔解时废气和配合料扬尘的排出。

利用本发明上述熔化装置制造氟磷酸盐光学玻璃的方法包括以下步骤：

⑴氟磷酸盐光学玻璃配合料投入坩埚前，需进行原料造粒，使投入配合料呈丸状或片状，减少配合料扬尘粘附于坩埚壁及顶部内壁，也可以减少扬尘在烟囱口造成阻塞，防止配合料中偏磷酸根被还原为单质磷与铂金接触造成铂金中毒；氟磷酸盐光学玻璃配合料为常规配合料，如：Al(PO₃)₃ 0~20, Ba(PO₃)₂ 0~15, AlF₃ 0~20, BaF₂ 0~15, SrF₂ 0~20,CaF₂ 0~20, MgF₂ 0~20, NaF 0~4, LaF₃ 0~5。

⑵设定工艺要求的高温，在850℃～950℃之间的某一温度下，从投料口1投入氟磷酸盐光学玻璃配合料，配合料落入玻璃液11表面，处于坩埚内玻璃液面8的中心部位；配合料落入液面时，由于液面8尚有未熔化的料堆承接，势能较高的配合料不会直接接触玻璃液，冲入玻璃液的内部，而是覆盖于配合料堆9的上表面，沿径向向外扩散，与玻璃液接触的配合料堆9向四周扩散，高温下反应生成玻璃相；加料时尽可能减少配合料扬尘，因为扬尘容易在铂金器皿的内表面形成附着物，附着物由于长期滞留在高温环境下，其组分挥发严重，可形成难溶组分，掉入玻璃液内不易被熔解而形成玻璃液内的结石；扬尘也会在烟囱出口处凝结，长期凝结会造成烟囱的阻塞，加大了烟囱的清理频率，造成烟囱处的损坏；

⑶从进气管2通入经过干燥的氧化性气体或含惰性气体的氧化性气体，露点小于-65℃；由于所通入的气体是氧化性气体，该气体在高温下可以防止配合料中偏磷酸根被还原成单质磷；鼓入的气体由环形鼓泡管13出口鼓出并上浮，在玻璃液11内形成一个环形对流柱面，将配合料圈在环形对流柱面的中心，隔断了生料层直接沿径向向外扩散与与玻璃液表面部位的铂金接触；由于鼓泡气体的鼓动，气体上升的过程中，会带动玻璃液上下对流，在环形的鼓泡柱面圈，离鼓泡柱面近处玻璃液上升，远处玻璃液下降，内圈中玻璃配合料向下流动，向下流动的配料与高温的完全熔解的玻璃液相遇而熔化，因此鼓动的气体加快了配合料熔融成玻璃相，由于玻璃液面深度足够，配合料在向下流动过程中逐步被熔化为玻璃态，到达底部与铂金接触时已完全呈玻璃态，有利于铂金的保护；环形的鼓泡柱面形成了一个配合料的保护层，将未熔解的生料层圈在柱面内，使玻璃配合料的熔解在远离铂金器皿的部位进行，减少了铂金使用的风险；

⑷通过分别调节进气调节阀4、出气调节阀5的开合程度，调节气体在热交换器10内滞留时间、气压及鼓泡流量，使进气管2进气量、出气管3出气量、环形鼓泡管13鼓泡量三者达到工艺所要求的固定平衡状态。当进气调节阀4调节、出气调节阀5调节、鼓泡气鼓泡量三者形成工艺要求的固定平衡状态时，固化鼓泡工艺；热交换器10外壁的玻璃液11因热量被流动的气体导走而冷却，形成粘度较大的玻璃包裹层，隔绝铂金制品与生料层的接触，同样隔绝了单质磷与铂金的接触可能，保护铂金不损坏；大粘度的玻璃液同样也增加了坩埚壁处铂金粒子向玻璃液的扩散难度。同时通过热交换器10作用，进入热交换器10内的气体被加热至高温，在环形鼓泡管13出口处的气体温度高于玻璃液析晶温度，环形鼓泡管13出口的玻璃液不易析晶，不会造成环形鼓泡管13出口阻塞；

⑸从连通管14导出的初熔玻璃液经过后续流程中的澄清、均化，获得高质量的氟磷酸盐光学玻璃。

本发明的装置及制造方法可适用于氟磷酸盐光学玻璃批量化生产，对提升氟磷酸盐光学玻璃的内在品质，延长氟磷酸盐光学玻璃熔炉寿命、降低生产成本具有重要意义。

Claims (8)

1.一种氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置，包括由铂金或铂强化材料制作的熔化坩埚（6）、投料口（1）和连通管（14），其特征在于：还包括通气装置、热交换器（10）和烟囱（7）；所述的熔化坩埚（6）为除投料口（1）、烟囱（7）外的其余部分形成与外界空气隔离的相对密闭空间；所述热交换器（10）设置于坩埚内液面（8）上、下位置区间内的熔化坩埚（6）内壁上；所述通气装置包括设置于坩埚内玻璃液（11）下方的环形鼓泡管（13），并与热交换器（10）相通；所述烟囱（7）设置于熔化坩埚（6）液面（8）的上方；所述连通管（14）设置于熔化坩埚（6）侧壁底部；所述投料口（1）处于坩埚内玻璃液面（8）的中心部位；所述的通气装置还包括进气管（2）、出气管（3）；进气管（2）与热交换器（10）的进气口连接，热交换器（10）的出气口分别与出气管（3）和环形鼓泡管（13）连接；所述的热交换器（10）呈带状贴于熔化坩埚（6）内壁，热交换器（10）中心高度位置与玻璃液面线齐平，且与坩埚内壁牢固固定。

2.根据权利要求1所述的一种氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置，其特征在于：所述的进气管（2）、出气管（3）上分别设有进气调节阀（4）、出气调节阀（5）；环形鼓泡管（13）与投料口（1）同中心轴布置，环形鼓泡管（13）上表面均匀分布钻孔，环形鼓泡管（13）与坩埚底间距30~80mm。

3.根据权利要求1所述的一种氟磷酸盐光学玻璃的熔化装置，其特征在于：所述的烟囱（7）位于熔化坩埚（6）的上部侧向位置。

4.一种利用权利要求1－3任何一种熔化装置制造氟磷酸盐光学玻璃的方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴在750℃～1100℃高温状态下，从投料口（1）投入氟磷酸盐光学玻璃配合料，配合料落入玻璃液（11）表面，处于坩埚内玻璃液面（8）的中心部位；

⑵从进气管（2）通入经过干燥的氧化性气体或含惰性气体的氧化性气体，露点小于-65℃；

⑶通过分别调节进气调节阀（4）、出气调节阀（5）的开合程度，调节气体在热交换器（10）内滞留时间、气压及鼓泡流量，使进气管（2）进气量、出气管（3）出气量、环形鼓泡管（13）鼓泡量三者受到工艺所要求的固定平衡状态；

⑷从连通管（14）导出的初熔玻璃液经过后续流程中的澄清、均化，获得氟磷酸盐光学玻璃。

5.根据权利要求4所述的制造氟磷酸盐光学玻璃的方法，其特征在于：第⑴步骤中所述的氟磷酸盐光学玻璃配合料投入坩埚前造粒成丸状或片状。

6.根据权利要求4所述的制造氟磷酸盐光学玻璃的方法，其特征在于：第⑴步骤中所述的高温状态为750℃～850℃高温。

7.根据权利要求4所述的制造氟磷酸盐光学玻璃的方法，其特征在于：第⑴步骤中所述的高温状态为850℃～950℃高温。

8.根据权利要求4所述的制造氟磷酸盐光学玻璃的方法，其特征在于：第⑴步骤中所述的高温状态为950℃～1100℃高温。

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