CN110818245B - 一种气熔连拉石英棒的生产工艺 - Google Patents

一种气熔连拉石英棒的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明特指一种气熔连拉石英棒的生产设备及工艺,属于石英棒生产技术领域，包括炉体、熔池和牵引机，所述熔池设置于炉体内，所述炉体的顶端设置有用于进料的石英灯，所述熔池位于石英灯正下方，所述熔池的底部设置有下料口，所述牵引机位于炉体的下方，且牵引机上设置有引杆，所述引杆上移至下料口，并与下料口对接。实现一步法拉制石英棒，缩短了生产周期，并且通过燃烧控制装置能够将温度的变化控制在合理的范围，减少了重复加热的能源消耗，提高了熔拉石英棒的得料率，节约了成本；避免了对熔池直接加热进行石英砂的熔制，延长了熔池的使用寿命。

Description

一种气熔连拉石英棒的生产工艺
技术领域
本发明属于石英棒生产技术领域，特指一种气熔连拉石英棒的生产工艺。
背景技术
目前气炼石英玻璃工艺是用氢氧焰熔制石英砂，制成直径250-1000mm的石英砣，其主要的方式是将石英砂通过高温加热，使石英砂变成熔融状态的石英玻璃，冷却后形成石英砣。光纤制造业用的石英棒直径主要在10-100mm，这样就需要再将石英砣加热熔拉制备石英棒。此工艺存在以下几个问题：一、需要两道工序，才能实现产品石英棒的生产，周期较长；二、熔拉工序需要耗费大量的电力以及石墨耗材，成本高；三、生产不连续性，以及造成大量的石英制品浪费，因为每次熔拉后，石墨坩埚内的熔融石英玻璃都有残留，成品率仅40%-65%。
根据中国分类号：TK175，文献标志码：A，文章编号：1001-5523（2017）06-0032-05公开的文献了解到，石英砂达到熔融状态的温度为1725℃左右，低于该温度时，熔融状态的石英玻璃粘度过大，会导致出料不畅，影响石英棒的拉制；温度过高时，也会影响石英棒的拉制成型。
发明内容
本发明的目的是提供一种气熔连拉石英棒的生产工艺，使石英棒一步成型。
本发明的目的是这样实现的：一种气熔连拉石英棒的生产设备，包括炉体、熔池和牵引机，所述熔池设置于炉体内，且熔池为氧化锆熔池，其中，所述炉体的顶端设置有用于进料的石英灯，所述熔池位于石英灯正下方，所述熔池的底部设置有下料口，所述牵引机位于炉体的下方，且牵引机上设置有引杆，所述引杆上移至下料口，并与下料口对接。
该方案中石英砂的高温加热直接在石英灯上完成，通过石英灯高温处理的石英砂变成熔融状态的石英玻璃，然后下落到熔池内，然后通过引杆将熔池内的石英玻璃从下料口匀速拉出，制得石英棒，通过对石英砂的熔制量，以及温度的控制，使熔池中收集熔融状态的石英玻璃量处于相对稳定的状态，达到了引杆能稳定拉制石英棒的循环状态。
进一步：所述石英灯的一端为燃烧部，另一端为进料部，所述进料部包括气体输送管和石英砂进料管。
该方案中氢气、氧气以及石英砂从石英灯的进料部进入，并在石英灯的燃烧部对石英砂进行熔制，制得熔融状态的石英玻璃，方便石英玻璃落入熔池后，进行石英棒的拉制，大大缩短了生产周期。
进一步：所述气体输送管由氧气输送管和氢气输送管组成，两者分别与气源连接。
该方案中采用氢气和氧气作为加热的热源，直接与石英砂接触并加热，能够提高加热的效率，避免热量的损失，而且氢气和氧气作为燃料，能够节省成本，防止对环境的污染。
进一步：所述炉体上设置有观察口和测温口。
该方案主要是方便观察炉体内石英玻璃的熔化状态，以及监测炉体内的温度变化。
进一步：所述炉体的下部的设置有吸风口，所述吸风口设置有排风机。
排风机能够降低炉体内的温度，保持炉体内温度及压力的稳定。
进一步：所述炉体上还设置有燃烧控制装置，燃烧控制装置包括点火装置、燃气控制装置和监测装置，三者之间电连接。燃烧控制装置能够控制炉体内的温度，确保温度稳定，利于石英棒的拉制。
进一步：所述点火装置包括点火器和火花塞，火花塞设置于石英灯的燃烧部，且靠近所述氢气输送管的出气口；所述燃气控制装置包括多个气动阀和可以调节开启程度的线性阀门，所述气动阀分别设置在氧气输送管和氢气输送管的管路上，所述线性阀门设置在氢气输送管的管路上；所述监测装置包括设置在测温口的温度传感器。
进一步：所述炉体由三层结构构成，内层为刚玉耐火层，中间层为采用耐火泥砌成的主体层，外层为采用保温棉形成的保温层 。
进一步：所述炉体的底部设置有水冷却循环系统。
进一步，所述燃烧控制装置采用PLC控制，其工艺步骤如下：S1：启动燃烧控制装置，气动阀开启，氢气和氧气在石英灯的燃烧部汇聚后，点火燃烧；
S2：线性阀门调节氢气的输送量；
S3：测温口的温度传感器监测炉体的温度，当温度T＜1725℃时，线性阀门调大氢气的输送量；
S4：当监测炉体的温度T＞2100℃时，吸风口的排风机启动，并进行排风降温；
S5：再次监测炉体的温度，当温度T＞2100℃，返回步骤S2继续执行；
S6：当监测炉体的温度1725℃≤T≤2100℃时，石英砂开始被输送到石英灯的燃烧部加热；
S7：石英砂被加热后形成熔融状态的石英玻璃，并进入到熔池内，引杆与熔融状态的石英玻璃融连后，牵引机带动引杆匀速下降，拉制成石英棒。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：石英棒的生产能够一步成型，减少了重复加热的能源消耗，提高了熔拉石英棒的得料率，缩短了生产周期，节约了成本；避免了对熔池直接加热进行石英砂的熔制，延长了熔池的使用寿命。
附图说明
图1是本发明中生产设备的结构示意图；
图2是本发明中PLC控制的逻辑图；
图3是本发明中燃烧控制装置的主要电路图；
图4是本发明的PWM控制电路图；
图中：10-炉体；101-刚玉耐火层；102-主体层；103-保温层；104-观察口；105-测温口；106-吸风口；107-水冷却循环系统；11-熔池；111-下料口；12-牵引机；121-引杆；13-石英灯；131-燃烧部；132-石英砂进料管；133-氧气输送管；134-氢气输送管；14-整流电路；15-点火器。
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1—4：
一种气熔连拉石英棒的生产设备，包括炉体10、熔池11和牵引机12，炉体10由三层结构构成，内层为刚玉耐火层101，中间层为采用耐火泥砌成的主体层102，外层为采用保温棉形成的保温层103，所述炉体10上设置有观察口104和测温口105；所述炉体10的下部的设置有吸风口106，所述吸风口106设置有排风机（图中未示出）；所述炉体10的底部设置有水冷却循环系统107，防止炉体温度过高。所述熔池11设置于炉体10内，且熔池11为氧化锆熔池，其中，所述炉体10的顶端设置有用于进料的石英灯13，所述石英灯13的一端为燃烧部131，另一端为进料部，所述进料部包括气体输送管和石英砂进料管132。所述气体输送管由氧气输送管133和氢气输送管134组成，两者分别与气源连接。氢气在石英灯13的燃烧部131被点燃，对炉体10内进行加热，当温度达到一定值后，石英砂被送到石英灯的燃烧部，进行高温加热熔制，氢气与氧气的流量比大约为2：1。
所述熔池11位于石英灯13正下方，被熔制的石英砂形成熔融状态的石英玻璃后落入熔池内。所述熔池11的底部设置有下料口111，下料口111的直径决定了所拉制棒材的直径，针对不同尺寸需求的棒材，可以制作下料口直径不同的熔池，所述牵引机12位于炉体的下方，且牵引机上设置有引杆121，所述引杆121上移至下料口111，并与下料口111对接。通过观察口104观察熔池内熔融状态的石英玻璃的生成量，当达到一定量后，牵引机启动，带动引杆匀速下移，由于熔融的石英玻璃与引杆在下料口处融连，所以，当引杆向下移动时，牵引熔融的石英玻璃沿下料口流出，在逐渐的冷却下，拉制成石英棒。
石英棒拉至底部后，用于固定引杆的卡盘爪松开，随牵引机迅速上升至炉体底部的位置并卡紧，然后将下方的石英棒切断，重复此操作，实现连续拉制。
为了实现炉体内的温度保持稳定，所述炉体上还设置有燃烧控制装置，燃烧控制装置采用PLC控制，燃烧控制装置包括点火装置、燃气控制装置和监测装置，三者之间电连接。燃烧控制装置能够控制炉体内的温度，确保温度稳定，利于石英棒的拉制。
所述点火装置包括点火器和火花塞，火花塞（图中未示出）设置于石英灯的燃烧部，且靠近所述氢气输送管的出气口；所述燃气控制装置包括两个气动阀和可以调节开启程度的线性阀门，所述气动阀分别设置在氧气输送管和氢气输送管的管路上，所述线性阀门设置在氢气输送管的管路上；所述监测装置包括设置在测温口的温度传感器（图中未示出）。
本发明的燃烧控制装置是将通过电源端L的开关SW1连接到整流电路14的输入端，而将电源端N的开关SW2，SW3连接到整流电路14的另一输入端。 另外开关SW1和整流电路14之间的接触点与电源端N之间连接有点火器 15。点火15是可对火花塞进行点火的装置。本发明的燃烧控制装置还包括连接在整流电路14输出端的多个阀门用线圈。如图3所示，整流电路14的一个输出端直接接地，另一个输出端连接在可开闭向氢气输送管134和氧气输送管133提供氢气和氧气的阀门线圈上。本发明中可开闭向氢气输送管和氧气输送管提供氢气和氧气的阀门由并列设置的三个阀门构成，分别为设置在氧气输送管上的气动阀Ⅰ，设置在氢气输送管上气动阀Ⅱ，以及设置在氢气输送管的管路上的线性阀门。气动阀Ⅰ的开闭动作由连接在整流电路14输出端上的线圈17来控制；气动阀Ⅱ的开闭动作由连接在整流电路14输出端上的线圈16来控制；线性阀门的开闭动作由连接在整流电路14输出端上的线圈18来控制。而线圈18则是根据外加的DC电压大小来控制线性阀门的开启程度。PLC中的控制芯片通过驱动元件19控制线圈17。驱动元件19为开关型晶体管，其可在控制芯片的控制下接通和关闭线圈17的电流支路。所以当控制芯片输出高电平时驱动元件19导通，线圈17所在的电流支路被接通，线圈17就可驱动气动阀Ⅰ打开。另外，与可驱动气动阀的线圈16，17不同的线圈18是根据DC电压的大小来控制线性阀门的开闭程度。整流电路14中的整流电源可为驱动气动阀Ⅱ的线圈16提供电流，线圈16驱动的同时可控制该阀门打开。而且，还为可驱动气动阀Ⅰ的线圈17提供电流。线圈17是由受控制芯片控制的驱动元件19来驱动。此时气动阀Ⅰ和气动阀Ⅱ全部处于开启状态。当这两个阀门打开时，可驱动线性阀门的DC电源向线圈18供电以驱动线圈18。此时，为线圈18提供的电压大小是由受控制芯片控制的脉冲宽度调制(PWM)信号来决定。通过线圈18来控制线性阀门的打开程度过程参见图4。通过上述过程使三个线圈全部驱动后，三个阀门全部打开，氢气和氧气进入石英灯的燃烧部131，并由点火器15驱动火花塞点火燃烧，使炉体内的温度开始上升。图4为本发明的PWM控制电路图。如图4所示，来自控制芯片的脉冲宽度调制(PWM)信号由电阻R1，R2进行分压后成为晶体管Q1的导通信号。脉冲宽度调制(PWM)信号的大小不同，晶体管Q1的导通程度就不同。而晶体管Q1的动作状态又可决定与其相连的另一个晶体管Q2 的导通程度。晶体管Q2直接连接在12伏的直流电源上，并且其动作状态又可决定向线圈18提供的直流电压大小。
如图2所示，结合具体的控制方法，进一步了解本发明的生产工艺。具体步骤如下：
S1：启动燃烧控制装置，整流电路14中的整流电源为驱动气动阀Ⅰ的线圈17和气动阀Ⅱ的线圈16提供电流，当气动阀Ⅰ和气动阀Ⅱ全部处于开启状态时，可驱动线性阀门的DC电源向线圈18供电以驱动线圈18，线圈18来控制线性阀门的打开，上述过程使三个线圈全部驱动后，三个阀门全部打开，氢气和氧气输入石英灯的燃烧部并汇聚后，控制芯片控制点火器15驱动火花塞点火；
S2：线性阀门调节氢气的输送量；
S3：测温口的温度传感器监测炉体的温度，并把测量后的信号发送至控制芯片，当温度T＜1725℃时，控制芯片控制的脉冲宽度调制(PWM)信号增大为线圈18提供的电压，线圈18来控制线性阀门的打开程度，从而调大氢气的输送量，用以提高石英灯燃烧部的温度；
S4：当监测炉体的温度T＞2100℃时，控制芯片控制吸风口106的排风机启动，并进行排风降温；
S5：再次监测炉体的温度，当温度T＞2100℃，返回步骤S2继续执行；
S6：当监测炉体的温度1725℃≤T≤2100℃时，石英砂开始被输送到石英灯的燃烧部加热；
S7：石英砂被加热后形成熔融状态的石英玻璃，并进入到熔池内，引杆与熔融状态的石英玻璃融连后，牵引机带动引杆匀速下降，拉制成石英棒。
通过上述的生产工艺能够实现一步法拉制石英棒，缩短了生产周期，并且能够将温度的变化控制在合理的范围，通过及时调整温度，使石英砂熔制时始终保持在最合适的温度范围内，而且通过排风机与燃烧控制装置的配合，及时的排放炉体内燃烧的产物，不仅稳定了炉体内的压力，而且解决了氢气燃烧使石英棒中羟基不稳定、游离氢较多，石英棒内容易产生气体溢出、汇聚形成气泡，使产品高温脆性差和使用寿命短的问题。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种气熔连拉石英棒的生产工艺，其生产设备包括炉体、熔池和牵引机，所述熔池设置于炉体内，其特征在于：所述炉体的顶端设置有用于进料的石英灯，所述熔池位于石英灯正下方，所述熔池的底部设置有下料口，所述牵引机位于炉体的下方，且牵引机上设置有引杆，所述引杆上移至下料口，并与下料口对接；
所述石英灯的一端为燃烧部，另一端为进料部，所述进料部包括气体输送管和石英砂进料管；
所述气体输送管由氧气输送管和氢气输送管组成，两者分别与气源连接；
所述炉体上设置有观察口和测温口；
所述炉体的下部的设置有吸风口，所述吸风口设置有排风机；
所述炉体上还设置有燃烧控制装置，燃烧控制装置包括点火装置、燃气控制装置和监测装置，三者之间电连接；
所述点火装置包括点火器和火花塞，火花塞设置于石英灯的燃烧部，且靠近所述氢气输送管的出气口；所述燃气控制装置包括多个气动阀和可以调节开启程度的线性阀门，所述气动阀分别设置在氧气输送管和氢气输送管的管路上，所述线性阀门设置在氢气输送管的管路上；所述监测装置包括设置在测温口的温度传感器；
所述燃烧控制装置采用PLC控制，其工艺步骤如下：S1：启动燃烧控制装置，气动阀开启，氢气和氧气在石英灯的燃烧部汇聚后，点火燃烧；
S2：线性阀门调节氢气的输送量；
S3：测温口的温度传感器监测炉体的温度，当温度T＜1725℃时，线性阀门调大氢气的输送量；
S4：当监测炉体的温度T＞2100℃时，吸风口的排风机启动，并进行排风降温；
S5：再次监测炉体的温度，当温度T＞2100℃，返回步骤S2继续执行；
S6：当监测炉体的温度1725℃≤T≤2100℃时，石英砂开始被输送到石英灯的燃烧部加热；
S7：石英砂被加热后形成熔融状态的石英玻璃，并进入到熔池内，引杆与熔融状态的石英玻璃融连后，牵引机带动引杆匀速下降，拉制成石英棒。
2.根据权利要求1所述的一种气熔连拉石英棒的生产工艺，其特征在于：所述炉体由三层结构构成，内层为刚玉耐火层，中间层为采用耐火泥砌成的主体层，外层为采用保温棉形成的保温层 。
3.根据权利要求1所述的一种气熔连拉石英棒的生产工艺，其特征在于：所述炉体的底部设置有水冷却循环系统。
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