CN108164125B - 一种石英加工的打砣设备及其打砣方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种石英加工的打砣设备及打砣的方法，在该石英加工的打砣设备中使用了全新的保护气体的流向，其从中心对称分布的两个通气管进入外环流室后，会产生均速转动的环形气流，环形气流之后从外环流室进入内环流室，其间因受到支撑片的阻挡的作用气流旋转能力变弱，在气流上升过程中进一步旋转能力变弱，当气流到达隔热套顶端向下进入平流室时，气流基本上变为均匀的平缓气流。从平流室供向坩埚的拉制嘴时，平缓均匀的气流有利于石英产品的外表面品质。

Description

一种石英加工的打砣设备及其打砣方法

技术领域

本发明涉及石英加工设备领域，特别是一种石英加工的打砣设备及其打砣方法。

背景技术

大尺寸石英棒的生产常规用石英砣作原料。目前生产石英砣的方法是有使用气打砣方法的，即用燃烧的氢气熔化石英砂，熔融的石英流到接料盘中，形成了石英砣。缺点是此方法生产效率低，质量不稳定，成材率低，氢气燃烧给人身和设备带来安全隐患。还有用坩埚的外侧有电极及加热器用来对石英加热的，比如CN103121788A中公开的连熔打砣炉。

在进一步的发展中，电极加热的熔炼炉使用在用于生产具有任意的横断面轮廓的石英玻璃的圆柱形部件的炉拉制法中。横断面的形状由拉制喷嘴的形状来决定。粒状SiO₂物料从上面持续地供应给熔炼炉且在高温（大于2000度）时在起还原作用的保护气体(氢气)下软化，从而构成粘稠的石英玻璃物料，所述石英玻璃物料在熔炼炉的下面区域经由设在炉底部区域中的拉制嘴往下以石英玻璃管的形式拉出。CN102245518B用于在石英玻璃的坩埚拉制法中使用的熔炼坩埚就给出了这样的技术方案，其在石英打砣过程中使用了三种保护气体，第一路气体是直接与石英颗粒接触的，第二路气体在熔炼坩埚外侧，向下运动在拉制嘴处对拉出的熔融玻璃提供气体保护，而第三路气体流延隔离壁的外壁流动。可见，在现有技术中，已经意识到需要用保护气体，特别是用多路保护气体对石英打砣进行过程进行气保护。

但本领域技术人员没意识到或者难以解决以下两个技术问题：1、发明人发现，在石英玻璃的坩埚拉制法中，前述的第二路气体即在熔炼坩埚外侧，向下运动在拉制嘴处对拉出的熔融玻璃提供气体保护的保护气气流的平整性对拉出的熔融玻璃的表面品质至关重要，如果第二路气体在拉制嘴产生湍流气流或旋转气流，熔融玻璃的表面会发生不期望的变形，从而产生自身表面应力降低产品的品质。

2、在CN102245518B中第三路气体即延隔离壁的外壁流动的气体其在流动的同时，也会对位于外部的环状空间的内部设有用于加热熔炼坩埚的电阻加热装置进行强制冷却，在这个过程中，电阻加热装置的热量会被大量带走从而产生极大的能源浪费，更加严重的是，电阻加热装置本身为螺旋线圈式布置，在加热和冷却等无规律的高频变化下，电阻加热装置本身会产生热震效应，电阻加热装置将像弹簧一样在轴线方向上反复伸长和收缩，在径向上反复的扩张和回收，时间一长电阻加热装置将会被损坏。

在此需要强调的是，这两个技术问题的提出是发明人长期在生产实践过程中经过大的案例收集而总结的，该技术问题的提出已经体现了发明人的创造性贡献。

发明内容

本发明的一个目的在于提高石英产品表面的产品表面品质，第二个目的是有效的保护电阻加热装置。

一种用于石英加工的打砣设备，包括熔炼炉，熔炼炉内置使用坩埚拉制法的坩埚，所述坩埚具有用于容纳软化的石英玻璃颗粒的内部空间，坩埚内壁包括钨、钼、铌、钽元素，其中所述内壁限定了坩埚的内部空间，所述内壁覆盖有由不透气的氧化材料组成的保护层，所述氧化材料在20℃至1800℃的温度范围内不发生相变，且坩埚内部空间在石英玻璃颗粒上面具有气体容纳空间，且保护层被限定的设在坩埚内壁与气体容纳空间相应表面上；坩埚的顶部设有第一保护气入口和第一保护气出口，第一保护气入口和第一保护气出口均与气体容纳空间相连通，还包括第二保护气，第二保护气先与熔炼炉的电阻加热装置接触再在坩埚的拉制嘴处形成气体保护区。

根据权利要求所述的用于石英加工的打砣设备，熔炼炉包括圆柱壳体和隔热套，从外到内壳体、隔热套和坩埚同轴线设置，隔热套与坩埚之间为平流室，隔热套与壳体之间为内环流室，电阻加热装置位于内环流室内，在壳体底部外侧还设有环形壳，环形壳内限定为外环流室；熔炼炉包括多个均匀布置的支撑片，支撑片一端固定在壳体的内壁，支撑片另一端用于固定螺旋状的电阻加热装置，支撑片包括多个固定位和多个避让位，固定位与避让位间隔设置，电阻加热装置的螺旋状结构在支撑片固定位处被固定并在避让位悬空设置；环形壳上设有两个以环形壳截面圆心为中心的中心对称设置的通气管；通气管、外环流室、内环流室、平流室依次连通并组成供气通路。

根据权利要求所述的用于石英加工的打砣设备，支撑片向坩埚方向凸起形成固定位，两个固定位的凸起之间的间隔为避让位，支撑片由耐热绝缘材料制成。

根据权利要求所述的用于石英加工的打砣设备，熔炼炉还包括稳流器，稳流器包括第一文丘里管组件和第二文丘里管组件，第一文丘里管组件和第二文丘里管组件呈对称设置并分别与环形壳上的两个通气管连接，第一文丘里管包括第一进气管和第一供气管，在第一进气管和第一供气管之间设有第一喉管，第一喉管连接第一控制腔，第二文丘里管组件包括第二给文丘里管，第二给文丘里管包括第二进气管和第二供气管，在第二进气管和第二供气管之间设有第二喉管，第二喉管连接第二控制腔，第一控制腔与第二控制腔之间由柔性片隔开，第一稳流管与第一控制腔相连，第二稳流管与第二控制腔相连，第一稳流管与第二稳流管共同连接到稳流气源上。

一种用于石英加工方法，其使用如权前述的用于石英加工的打砣设备，S1、启动熔炼炉的电阻加热装置；向第一保护气入口供入第一保护气；向稳流器的第一进气管和第二进气管供入等流量的第二保护气；稳流气源同时向第一稳流管和第二稳流管供入等流量的第二保护气；S2、向坩埚内加入石英玻璃颗粒，并从坩埚下部的拉制嘴得到熔融的石英产品；S3、判断稳流器的柔性片是否发生形变，如果是，进入S4；如果否，进入S5；S4、调整第一进气管或第二进气管的进气量，返回S3；S5、保持第一进气管和第二进气管的第二保护气流量，预定时间后执行S3；S6、石英加工结束。

本发明的有益效果是：1）本申请中使用了第二保护气体，特别是改变了第二保护气体的流向，其从中心对称分布的两个通气管进入外环流室后，会产生均速转动的环形气流，环形气流之后从外环流室进入内环流室，其间因受到支撑片的阻挡的作用气流旋转能力变弱，在气流上升过程中进一步旋转能力变弱，当气流到达隔热套顶端向下进入平流室时，气流基本上变为均匀的平缓气流。从平流室供向坩埚的拉制嘴时，平缓均匀的气流有利于石英产品的外表面品质。

2）由于第二保护气先接触到电阻加热装置再经过坩埚的外侧最后到达拉制嘴，被气流携带的热量参与了坩埚外壁保温和最终产品的保温，防止石英产品在拉制嘴处快速降温从而产生过大的应力。

3）对于电阻加热装置来说，由于被支撑片固定，不容易发生变形和产生热震损伤。特别是支撑片的固定位与避让位间隔的设置，使得电阻加热装置在发生变形时，被一系列的固定位整体上保持了原有的形状，但螺旋结构在避让位处又可以有一点量的胀缩调整空间，防止热变形产生的应力过于集中在固定位处。这对于电阻加热装置有很好的保护作用。

4）本申请的稳流器可以根据两个作为主供气路的供气管的流量变化情况，使用文丘里管的特性来自动调整气流的供应流量，从而产生更稳定的第二保护气的气流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的石英打砣设备；图2为本发明实施例提供的石英打砣设备的图1的局部放大图；图3为本发明实施例提供的石英打砣设备的图1的剖面图；图4为本发明实施例提供的石英打砣设备的保护气流流路图；图5为本发明实施例提供的石英打砣设备立体示意图。

其中，熔炼炉1，坩埚2，第一保护气入口201，第一保护气出口202，加料管203，隔热套204，支撑片205，固定位2051，避让位2052，环形壳206，外环流室2061，内环流室2062，平流室入口2071，平流室出口2072，进气管208，209，电阻加热装置3，稳流器4，第一文丘里管401，第一混合区402，第一进气管403，稳流气源404，第一稳流管405，第一供气管406，第二文丘里管411，第二混合区412，第二进气管413，第二稳流管415，第二供气管416，柔性片407，第一控制腔4072，第二控制腔4071。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

石英玻璃的坩埚拉制法打砣在CN102245518B已经有详细的描述，对于降低石英产品杂质等技术手段已经在该文件中解决，本申请提出一种用于石英加工的打砣设备主要目的在于提高石英产品表面的品质，该打砣设备包括熔炼炉1，熔炼炉1内置使用坩埚拉制法的坩埚2，所述坩埚2具有用于容纳软化的石英玻璃颗粒的内部空间，坩埚内壁包括其由钨、钼、铌、钽或上述金属的耐高温合金，其中所述内壁限定了坩埚2的内部空间，所述内侧覆盖有由不透气的氧化材料组成的保护层，所述氧化材料在20℃至1800℃的温度范围内不发生相变，且坩埚内部空间在石英玻璃颗粒上面具有气体容纳空间，且保护层被限定的设在坩埚内侧与气体容纳空间相应表面上；坩埚2的顶部设有第一保护气入口201和第一保护气出口202，第一保护气入口201和第一保护气出口202均与气体容纳空间相连通，其特征在于：还包括第二保护气，第二保护气先与熔炼炉1的电阻加热装置3接触再在坩埚2的拉制嘴处形成气体保护区。

熔炼炉1包括圆柱壳体和隔热套204，坩埚2也为圆柱体，从外到内壳体、隔热套204和坩埚2同轴线设置，隔热套204与坩埚2之间为平流室，隔热套204与壳体之间为内环流室2062，电阻加热装置3位于内环流室2062内，在壳体底部外侧还设有环形壳206，环形壳206内限定为外环流室2061。

熔炼炉1还包括多个支撑片205，支撑片205一端固定在壳体的内壁，支撑片205另一端用于固定螺旋状的电阻加热装置3，支撑片205包括多个固定位2051和多个避让位2052，固定位2051与避让位2052间隔设置，电阻加热装置3的螺旋状结构在支撑片205固定位2051处被固定并在避让位2052悬空设置。环形壳206上设有两个以环形壳截面圆心为中心的中心对称设置的通气管；通气管、外环流室2061、内环流室2062、平流室依次连通并组成供气通路。

支撑片205向坩埚2方向凸起形成固定位2051，两个固定位2051的凸起之间的间隔为避让位2052，支撑片205由耐热绝缘材料制成。

在使用时，熔炼炉1内只使用了两种保护气体，一种是通入坩埚2内部的第一保护气，另一种是第二保护气，从通气管进入外环流室2061、内环流室2062、平流室再对坩埚2下的拉制嘴处进行气体保护。

这里对第二保护气进行详细的说明，第二保护气体从中心对称分布的两个通气管进入外环流室2061后，会产生均速转动的环形气流，环形气流之后从外环流室2061进入内环流室2062，其间因受到支撑片205的阻挡的作用气流旋转能力变弱，在气流上升过程中进一步旋转能力变弱，当气流到达隔热套204顶端向下进入平流室时，气流基本上变为均匀的平缓气流。从平流室供向坩埚2的拉制嘴时，平缓均匀的气流有利于石英产品的外表面品质。

另一方面，由于第二保护气先接触到电阻加热装置3再经过坩埚2的外侧最后到达拉制嘴，被气流携带的热量参与了坩埚2外壁保温和最终产品的保温，防止石英产品在拉制嘴处快速降温从而产生过大的应力。

对于电阻加热装置3来说，由于被支撑片205固定，不容易发生变形和产生热震损伤。特别是支撑片205的固定位2051与避让位2052间隔的设置，使得电阻加热装置3在发生变形时，被一系列的固定位2051整体上保持了原有的形状，但螺旋结构在避让位2052处又可以有一点量的胀缩调整空间，防止热变形产生的应力过于集中在固定位2051处。这对于电阻加热装置3有很好的保护作用。

进一步，对于供气装置提出优选方案。

熔炼炉1还包括稳流器4，稳流器4包括第一文丘里管组件和第二文丘里管组件，第一文丘里管组件和第二文丘里管组件呈对称设置并分别与环形壳206上的两个通气管连接，第一文丘里管401包括第一进气管403和第一供气管406，在第一进气管403和第一供气管406之间设有第一喉管，第一喉管连接第一控制腔4072，第二文丘里管组件包括第二给文丘里管411，第二文丘里管411包括第二进气管413和第二供气管416，在第二进气管413和第二供气管416之间设有第二喉管，第二喉管连接第二控制腔4071，第一控制腔4072与第二控制腔4071之间由柔性片407隔开，第一稳流管405与第一控制腔4072相连，第二稳流管415与第二控制腔4071相连，第一稳流管405与第二稳流管415共同连接到稳流气源404上。

图2给出了稳流器4的放大图。

对于文丘里管来说，其原理是公知的，即快速通过的流体在喉部产生负压，吸入接到喉部的第三管供入的流体。对于本申请来说，稳流器的作用是尽量保证两个通气管的流量是基本一致的。

在使用时，第一进气管403和第二进气管413供入气体量是基本一致的，则第一、第二文丘里管通过喉部在第一控制腔4072，第二控制腔4071产生的负压也是一致的，从而第一控制腔4072，第二控制腔4071从稳流气源404吸入的气流量也是一致的。

当第一进气管403进气量突然变小，则其在第一控制腔4072产生的负压不足，柔性片407将被吸引偏向第二控制腔4071一侧从而至少部分的减少第二控制腔4071从稳流气源404的吸气量，这样第二文丘里管的供气量也相应减少，使得两个文丘里管的供气量还是基本一致的。当任意一个文丘里管的进气管进气量变化，可能是变大也可能是变小，都会影响到另一个文丘里管做出相应的调整，从而使得供向通气管的气流量基本是一致的，这为在外环流室2061产生匀速的环形气流提供了基础。

进一步，还提出了一种用于石英加工方法，其使用前述用于石英加工的打砣设备，步骤如下：S1、启动熔炼炉1的电阻加热装置3；向第一保护气入口201供入第一保护气；向稳流器4的第一进气管403和第二进气管413供入等流量的第二保护气；稳流气源404同时向第一稳流管405和第二稳流管415供入等流量的第二保护气；S2、向坩埚2内加入石英玻璃颗粒，并从坩埚2下部的拉制嘴得到熔融的石英产品；S3、判断稳流器4的柔性片407是否发生形变，如果是，进入S4；如果否，进入S5；S4、调整第一进气管403或第二进气管413的进气量，返回S3；S5、保持第一进气管403和第二进气管413的第二保护气流量，预定时间后执行S3；S6、石英加工结束。

通过在石英加工过程中的对气流的不断检测，可以尽可能的保证石英产品的外表面不发生不期望的变形，提高产品质量。

步骤S3中使用压力传感器或形变传感器来测量柔性片407是否发生形变。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种石英加工的打砣设备，包括熔炼炉（1），熔炼炉内置使用坩埚拉制法的坩埚（2），所述坩埚具有用于容纳软化的石英玻璃颗粒的内部空间，坩埚内壁包括钨、钼、铌、钽元素，其中所述内壁限定了坩埚的内部空间，所述内壁覆盖有由不透气的氧化材料组成的保护层，所述氧化材料在20℃至1800℃的温度范围内不发生相变，且坩埚内部空间在石英玻璃颗粒上面具有气体容纳空间，且保护层被限定设在坩埚内壁与气体容纳空间相应表面上；

坩埚的顶部设有第一保护气入口（201）和第一保护气出口（202），第一保护气入口（201）和第一保护气出口（202）均与气体容纳空间相连通，其特征在于：还包括第二保护气，第二保护气先与熔炼炉（1）的电阻加热装置（3）接触再在坩埚（2）的拉制嘴处形成气体保护区；

熔炼炉包括圆柱形的壳体和隔热套（204），从外到内壳体、隔热套（204）和坩埚同轴线设置，隔热套（204）与坩埚（2）之间为平流室，隔热套（204）与壳体之间为内环流室（2062），电阻加热装置（3）位于内环流室（2062）内，在壳体底部外侧还设有环形壳（206），环形壳内限定为外环流室（2061）；

熔炼炉包括多个均匀布置的支撑片（205），支撑片一端固定在壳体的内壁，支撑片另一端用于固定螺旋状的电阻加热装置（3），支撑片包括多个固定位（2051）和多个避让位（2052），固定位与避让位间隔设置，电阻加热置的螺旋状结构在支撑片固定位处被固定并在避让位悬空设置；

环形壳（206）上设有两个以环形壳截面圆心为中心的中心对称设置的通气管；

通气管、外环流室（2061）、内环流室（2062）、平流室依次连通并组成供气通路;

支撑片向坩埚方向凸起形成固定位（2051），两个固定位（2051）的凸起之间的间隔为避让位（2052），支撑片（205）由耐热绝缘材料制成;

熔炼炉还包括稳流器（4），稳流器包括第一文丘里管组件和第二文丘里管组件，第一文丘里管组件和第二文丘里管组件呈对称设置并分别与环形壳（206）上的两个通气管连接，第一文丘里管（401）包括第一进气管（403）和第一供气管（406），在第一进气管（403）和第一供气管（406）之间设有第一喉管，第一喉管连接第一控制腔（4072），第二文丘里管组件包括第二给文丘里管（411），第二给文丘里管包括第二进气管（413）和第二供气管（416），在第二进气管（413）和第二供气管（416）之间设有第二喉管，第二喉管连接第二控制腔（4071），第一控制腔（4072）与第二控制腔（4071）之间由柔性片（407）隔开，第一稳流管（405）与第一控制腔（4072）相连，第二稳流管（415）与第二控制腔（4071）相连，第一稳流管（405）与第二稳流管（415）共同连接到相同的稳流气源（404）上。

2.一种石英打砣的方法，其使用如权利要求1所述的石英加工的打砣设备，其特征在于：

S1、启动熔炼炉的电阻加热装置；向第一保护气入口（201）供入第一保护气；向稳流器（4）的第一进气管（403）和第二进气管（413）供入等流量的第二保护气；稳流气源（404）同时向第一稳流管（405）和第二稳流管（415）供入等流量的第二保护气；

S2、向坩埚内加入石英玻璃颗粒，并从坩埚下部的拉制嘴得到熔融的石英产品；

S3、判断稳流器的柔性片（407）是否发生形变，如果是，进入S4；如果否，进入S5；

S4、调整第一进气管（403）或第二进气管（413）的进气量，返回S3；

S5、保持第一进气管（403）和第二进气管（413）的第二保护气流量，预定时间后执行S3；

S6、石英加工结束。

3.根据权利要求2所述的石英打砣的方法，其特征在于：步骤S3中使用压力传感器或形变传感器来测量柔性片（407）是否发生形变。

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