CN109336365A - 一种旋转式石英玻璃熔炉 - Google Patents

Abstract

本发明属于石英玻璃制备领域，并公开了一种旋转式石英玻璃熔炉。该熔炉包括炉壳、坩埚、加热器、搅拌器，炉壳呈封闭壳体状，坩埚设置在炉壳中，加热器用于加热并熔融坩埚中的石英原料，坩埚的底部设置有自旋转驱动机构，用于驱动坩埚自旋转，以此引发坩埚中熔融的石英玻璃垂直截面的对流；搅拌器上下运动使得该搅拌器进入和退出熔融的石英玻璃，另外，当搅拌器进入熔融的石英玻璃后，其上下和旋转运动用于增强熔融的石英玻璃中垂直截面的对流强度，通过搅拌器和坩埚的配合运动，带动熔融的石英玻璃中的气泡从内部运动到表面，以此实现气泡的排出。通过本发明，提供结构简单，成本低廉的熔炉，有效解决石英玻璃中的气泡问题。

Description

一种旋转式石英玻璃熔炉

技术领域

本发明属于石英玻璃制备领域，更具体地，涉及一种旋转式石英玻璃熔炉。

背景技术

石英玻璃属于特种玻璃的一种，其具有优异的光学、机械、热学和电学性能，被广泛应用于航空航天、激光、半导体、电光源、精密光学仪器等领域。石英玻璃的纯度是衡量其品质的重要指标，极其微量的杂质都会显著降低石英玻璃的光学性能和使用寿命。工业界制备高纯石英玻璃主要有两种方法，一种是采用纯净的天然石英为原料(如水晶或硅石)熔制而得；另一种是采用含硅化合物，如四氯化硅(SiCl₄)、有机硅等通过化学气相沉积(CVD)方法制得，也称为合成石英玻璃。CVD方法根据沉积温度的不同又可分为两种，一种是在高温下直接沉积得到石英玻璃，称为一步法；另一种是在较低的温度下沉积得到二氧化硅疏松体，然后将疏松体在高温熔炉中熔制得到石英玻璃，称为两步法。采用两步法可以制得低羟基或者羟基含量可控的石英玻璃，因此更为重要。

无论是采用天然原料熔制还是采用两步法合成，熔制过程都需要在高度真空的环境中进行以排出该过程中产生的气泡，得到高纯的石英玻璃。然而，随着熔制过程的进行，石英原料或者疏松体大部分熔化，抽气条件逐渐恶化，往往导致气体不能完全排除。这种情况下，在原料最后熔化的地方会聚集大量的气泡。由于熔融石英的粘度非常大(比普通玻璃熔体的粘度高出几个数量级)，其在静置时几乎没有对流产生，所以内部的气泡不能通过澄清等传统的方式进行排出。此外，石英在高温下会挥发，通过升温的方式排出气泡在实际应用中也受到很大限制。

专利CN105463565A一种石英玻璃熔化炉，公开了一种上装料、下取料的全密闭式石英玻璃熔炉，该设计能够在炉内实现石英熔体的升降和旋转过程，成型过程中洁净度高，适用于各类大尺寸的光学石英玻璃的二次成型处理。但是该熔化炉针对的是石英玻璃的二次成型处理，无法去除石英玻璃制备过程中产生的气泡；目前熔融玻璃采用的搅拌器多为螺旋形叶片。如专利CN205461991U一种玻璃熔炉用搅拌器，公开了一种由两根旋向相反的螺旋叶片组成的熔融玻璃搅拌器，其能够对熔融玻璃中的气泡起到剪切作用，有利于气泡的上升和去除；同时能够打散熔融玻璃中的结块，提高其均匀性。但是采用螺旋形或者其他复杂形状叶片的缺点在于，叶片的制造较为困难，对工艺提出了很高的要求。另外，复杂形状的叶片对流场的扰动难以预测，容易在熔融玻璃液中形成多个回流区，增加气泡的排除时间，难以实现对流场的有效控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种旋转式石英玻璃熔炉，通过对其关键组件坩埚和搅拌器的结构设计和位置布局，其目的在于通过坩埚和搅拌器配合运动，引发和增强坩埚中熔融的石英玻璃的垂直截面的对流，从而使得熔融的石英玻璃中的气泡从其内部运动至表面，进而排除，由此解决熔融的石英玻璃中内部存在气泡的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种旋转式石英玻璃熔炉，所述熔炉包括炉壳、坩埚、加热器、搅拌器，其特征在于，

所述炉壳呈封闭壳体状，所述坩埚设置在所述炉壳中，用于存放石英玻璃，所述加热器设置在所述坩埚的上方，用于加热并熔融所述坩埚中的石英原料，所述坩埚的底部设置有自旋转驱动机构，用于驱动所述坩埚自旋转，以此引发所述坩埚中熔融的石英玻璃垂直截面的对流；

所述搅拌器设置在所述坩埚的上方，该搅拌器上下运动使得该搅拌器进入和退出所述熔融的石英玻璃，另外，当所述搅拌器进入所述熔融的石英玻璃后，其上下和旋转运动用于增强所述熔融的石英玻璃中垂直截面的对流强度，通过所述搅拌器和所述坩埚的配合运动，带动所述熔融的石英玻璃中的气泡从内部运动到表面，以此实现气泡的排出。

进一步优选地，所述搅拌器为呈T型。

进一步优选地，所述熔炉还包括保温层，该保温层设置在所述炉壳和坩埚之间，用于减少所述熔炉内部向外部的热量散失。

进一步优选地，所述熔炉还包括辐射反射板，该辐射反射板设置在所述加热器的上方，以及所述坩埚与加热器之间的侧面，用于阻止所述加热器的热量直接传递给所述炉壳的顶部和侧面。

进一步优选地，所述辐射反射板的材料优选采用钨。

进一步优选地，所述搅拌器的材料优选采用钨或钼，以适应所述炉壳内的环境。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中通过对坩埚和搅拌器的设计，引入坩埚和搅拌器的旋转，显著增强熔融石英垂直方向的流动，有助于气泡从熔融石英的内部运动到表面，从而得到排出；其中，搅拌器的上下运动进一步增强了垂直方向的对流，不仅可以提高排出气泡的效率，还可以显著改善熔融石英的均匀性。

2、本发明提供的熔炉、熔炉中的各个组件以及给个组件的运动连接方式等，均形状简单，便于制造，尤其是搅拌器的形状结构，相比于现有技术，制造简单，且其流场的形态更易于控制。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的熔炉结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的只有坩埚旋转时熔融石英垂直截面的速度场；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的坩埚旋转且搅拌器静止时熔融石英垂直截面的速度场；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的坩埚旋转且搅拌器反向低速旋转时熔融石英垂直截面的速度场。

图5是按照本发明的优选实施例所构建的坩埚静止且搅拌器旋转时熔融石英垂直截面的速度场。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1–炉壳 2–辐射反射板 3–加热器 4–保温层 5–坩埚 6–熔融石英 7–旋转驱动机构 8–搅拌器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种旋转式石英玻璃熔炉，炉体的形状为圆柱形，炉内的加热方式为，由加热器3通过辐射传热直接对熔融石英6进行加热，由于炉内温度较高，为了减少散热损失，在炉壳1内侧加装了保温层4来阻隔热量传递，此外，在加热体上方和侧面放置了辐射反射板2，该反射板由发射率较小的材料制成，如，钨，可以有效地阻止辐射热量直接传递到炉膛顶部和侧面，提高加热效率。

由于熔融石英粘度非常大，其在静置状态下几乎没有内部对流产生，所以不能通过澄清方式排除内部气泡，玻璃均匀性也较差，为了对这一现象进行改进，本发明采用了坩埚5旋转和搅拌器8搅拌相配合的方式对熔融石英的流动状态进行控制，坩埚5由底部的旋转驱动机构7带动旋转，搅拌器8由顶部的旋转机构带动旋转，搅拌器还可以通过升降机构进行上下移动，坩埚5和搅拌器8的转速都是可调节的，搅拌器的形状为圆饼形材料由熔点较高的金属制作，如钨、钼等，以适应石英玻璃熔炉内较高的环境温度。

该熔炉的工作方式如下：

当石英完全处于熔融状态时，坩埚有两种工作模式可以选择，分别是静止和旋转。

1)当坩埚5旋转时，可以选择不使用搅拌器或者使用搅拌器。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的只有坩埚旋转时熔融石英垂直截面的速度场，如图2所示，当不使用搅拌器时，坩埚旋转可以引发熔融石英垂直截面的对流，坩埚转速50r/min，最大速度为4.16×10^-4mm/s。

当坩埚5旋转引起的对流强度不满足要求时，可以使用搅拌器8。此时通过升降机构将搅拌器缓慢下降，直到其完全浸没在熔融石英中，搅拌器有两种工作模式可以选择，分别为不旋转和与坩埚反向旋转。

当搅拌器8放置于熔融石英内部但不旋转时，图3是按照本发明的优选实施例所构建的坩埚旋转且搅拌器静止时熔融石英垂直截面的速度场，如图3所示，坩埚转速50r/min，最大速度为0.11mm/s，与不使用搅拌器相比，坩埚在相同转速下可以引起更大的对流速度。

当搅拌器与坩埚反向旋转时，图4是按照本发明的优选实施例所构建的坩埚旋转且搅拌器反向低速旋转时熔融石英垂直截面的速度场，如图4所示，坩埚转速50r/min，搅拌器反向旋转，转速为20r/min，最大速度为0.18mm/s，搅拌器在较小的转速下可以进一步提升垂直截面的对流速度。

2)当坩埚静止时，搅拌器需要处于旋转状态。图5是按照本发明的优选实施例所构建的坩埚静止且搅拌器旋转时熔融石英垂直截面的速度场，如图5所示，坩埚静止，搅拌器转速100r/min，最大速度为0.299mm/s，搅拌器引起的强迫对流与坩埚旋转引起的强迫对流方向相反。

在搅拌器水平旋转的同时，还可以进行上下移动，进一步增强垂直方向的对流强度。搅拌器上下移动期间，不能高于熔融石英液面。

上述各种工作方式引起的强迫对流可以带动气泡从熔融石英的内部运动到表面，然后得到排出。等到气泡完全排出，同时熔融石英得到足够的均化后，将搅拌器缓慢升起，离开熔融石英。待炉体降温冷却后，便可得到无气泡、均匀性较高的石英玻璃。

本领域的技术人员容易理解，以上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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋转式石英玻璃熔炉，所述熔炉包括炉壳(1)、坩埚(5)、加热器(3)、搅拌器(8)，其特征在于，

所述炉壳(1)呈封闭壳体状，所述坩埚(5)设置在所述炉壳中，用于存放石英玻璃，所述加热器(3)设置在所述坩埚的上方，用于加热并熔融所述坩埚中的石英原料，所述坩埚(5)的底部设置有自旋转驱动机构(7)，用于驱动所述坩埚(5)自旋转，以此引发所述坩埚中熔融的石英玻璃垂直截面的对流；

所述搅拌器(8)设置在所述坩埚的上方，该搅拌器上下运动使得该搅拌器进入和退出所述熔融的石英玻璃，另外，当所述搅拌器进入所述熔融的石英玻璃后，其上下和旋转运动用于增强所述熔融的石英玻璃中垂直截面的对流强度，通过所述搅拌器(8)和所述坩埚(5)的配合运动，带动所述熔融的石英玻璃中的气泡从内部运动到表面，以此实现气泡的排出。

2.如权利要求1所述的一种旋转式石英玻璃熔炉，其特征在于，所述搅拌器(8)为呈T型。

3.如权利要求1或2所述的一种旋转式石英玻璃熔炉，其特征在于，所述熔炉还包括保温层(4)，该保温层设置在所述炉壳和坩埚之间，用于减少所述熔炉内部向外部的热量散失。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种旋转式石英玻璃熔炉，其特征在于，所述熔炉还包括辐射反射板(2)，该辐射反射板设置在所述加热器的上方，以及所述坩埚与加热器之间的侧面，用于阻止所述加热器的热量直接传递给所述炉壳的顶部和侧面。

5.如权利要求4所述的一种旋转式石英玻璃熔炉，其特征在于，所述辐射反射板(2)的材料优选采用钨。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种旋转式石英玻璃熔炉，其特征在于，所述搅拌器(8)的材料优选采用钨或钼，以适应所述炉壳内的环境。