CN1122783A - 制造石英玻璃板的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

为提出一种制造具有高光学质量的石英玻璃板的经济制造方法，本发明建议，将石英玻璃粉层连续加到用一种比石英玻璃粉的烧结活性小的石英玻璃粒料铺成的衬底上，并使之连续通过加热区而烧结成石英玻璃带以实现连续制造上述石英玻璃板；实施这个方法所需的设备包括一个适于输送石英玻璃粒料的输送装置，一个把石英玻璃粒料加到输送装置上的加料装置、一个在石英玻璃粒料上产生合成石英玻璃粉层的喷射装置，和一个加热石英玻璃粉层的加热装置。

Description

制造石英玻璃板的方法和设备
本发明涉及一种制造石英玻璃板的方法和设备。
如所周知，石英玻璃板是用以高能耗和高成本制成的石英玻璃块体经锯切而成的板材。锯切出的板材经过对锯切表面的后处理可以满足高的表面光洁度和平度的要求。但锯切所用的刀具十分昂贵。石英玻璃块体的生产和锯切加工本身费时多，材料损耗也大。锯切的板越薄，材料损耗就越大。
英国专利GB-A2184434提出了一种制造石英玻璃板的方法：该方法首先将石英玻璃管沿纵向剖开，然后软化并成型板材。但这样加工出来的板不平，成型后仍有较小的凹凸痕。
德国专利DE-A13226451提出了另一种制造石英玻璃板的方法和装置：此方法是将实心的石英玻璃圆棒放入熔炉，加热到1700℃～1900℃时流入一石墨坩锅。冷却后，便可从石墨坩锅中取出已淌开呈板状的石英玻璃。这样制成的板具有很高的光学均匀性，但制造过程很费时间和能源。
上述两种方法都需要首先制出粗坯，然后以很高的代价将之加工成板。德国专利DE-PS153503提出了一种制造型件例如石英玻璃板的方法：此方法是将石英砂撒在例如用石英砂铺成的衬底上，然后用电孤逐点熔化，从而在石英砂连在一起的范围内形成板材，但这种板的光学质量很差。
此外，美国专利US-PS4,363,647提出了另一种方法和装置：此方法是在载体上，例如在用预烧结的玻璃化的砂或高纯度的石英玻璃做的载体上，用一排水解烧嘴连续将石英玻璃粉分离成平面层，然后用带式烧嘴烧成石英玻璃板。石英玻璃粉层可在它的整个厚度上玻璃化并与载体熔在一起。所以用这种方法可能在玻璃板上产生含TiO2的压应力层。载体也可用机械方法再清除掉，但十分费事，特别是薄玻璃层更成问题。如果要石英玻璃粉层不与载体熔在一起，则在熔体前沿到达载体之前必须停止供热，但熔体前沿不同。熔体前沿的继续前进取决于粉层的局部密度和局部的加热功率。如果在粉层完成熔化之前停止供热，就必须出现非玻璃化的石英粉区，所以即使玻璃板容易从载体上分开，但形成的玻璃板也是不平的。
日本专利JP-A4-55331(日本专利摘要，1992年6月8日，16卷249期)提出了炉料式的SiO2-玻璃板制造方法：此方法将石英玻璃粒料用多孔的SiO2体作隔层相互隔开，重叠在一起进行烧结。由于有隔层，避免了石英玻璃层的熔化，而且颗粒状的石英玻璃层易于除气。但由于上层的重量压实了下面的石英玻璃粒料层，从而使下层烧结较快。这就会出现这样的危险：下面的各隔层与夹在其间的石英玻璃粒料烧结成均匀的块体，而上面的各层则尚未烧结透。
本发明的任务在于提出一种能制造出高光学质量的石英玻璃板的经济的制造方法及其所用的设备。
本发明的方法是这样解决这个任务的：用一种其烧结活性比石英玻璃粉小的石英玻璃粒料作衬底，在衬底上连续加石英玻璃粉层并使之连续通过加热区而烧结成石英玻璃带以达到连续制造石英玻璃板或高硅酸玻璃板的目的。
石英玻璃粉层的连续形成和粉层的连续送入加热区而获得了连续制造石英玻璃板的经济方法。用石英玻璃粒料作为石英玻璃粉的衬底，从而保证了在烧结时非晶态石英玻璃粉的良好绝热并防止了烧结好的石英玻璃带附着在衬底上，同时防止了可能从衬底逸出的原子杂质的渗入。
与石英玻璃粉比较起来，石英玻璃粒料具有较小的烧结活性，因此，实现了粉层的烧结只涉及到石英玻璃粉，而不涉及或只在很小范围内涉及衬底。在粉料和粒料的化学成分相同时，例如可通过不同的粒度或颗料内不同结晶相的部分而获得烧结活性的差别。
本发明方法特别适用于连续制造合成石英玻璃板或高硅酸玻璃板。此方法是将合成的石英玻璃粉层加到用预烧结的合成石英玻璃粉作成的石英玻璃粒料衬底上。合成的非晶态石英玻璃粉由于其平均粒度很小一般都具有很高的烧结活性。在烧结时，这种非晶态的石英玻璃粉层会产生收缩，但石英玻璃粉附着在石英玻璃粒料衬底上却阻止了粉层四周尺寸的收缩。因此，在烧结时主要只减小粉层的厚度。
通过合成石英玻璃粉的预烧结形成比粉小的表面积和比粉大的平均粒度，从而减小石英玻璃粒料的烧结活性，这是有益的。这种粒料的粒度分布范围最好为30～350微米。在石英玻璃粒料的粒度小于上述值时，存在着非晶态石英玻璃粉烧结到衬底上的危险；在其平均粒度大于上述值时，则石英玻璃粉层不能充分附着于衬底上。同时，石英玻璃粒料的层厚最好在40～80mm的范围内。
为了保证生产出的石英玻璃板没有光学意义上的气泡和达到光学要求的纯度，使用的石英玻璃粒料的化学成分最好与石英玻璃的相同。
如果直接用气相反应在石英玻璃粒料上分离出层，则本发明的方法特别经济。用一个或多个水解烧嘴来回在衬底上运动就可特别简单地分离出等厚的非晶态硅酸层。
在形成粉层的过程中，最好将石英玻璃粉加热到1000℃～1250℃的范围，以使粉层易于烧结，从而便于非晶态的硅酸层硬化和处理。这样，就可把例如在形成粉料层时可能产生的废气抽走，而不至于将非晶态的硅酸微粒一起抽走。采用水解烧嘴来产生层时，通过烧嘴气体的热反应进行烧结是特别简单的。
石英玻璃粒料最好连续加到输送带上。在通过加热区后，可从输送带上再取下石英玻璃粒料并重新用作衬底。
加热区的烧结温度取决于粉层通过加热区的速度和粉层的厚度。粉层的每个点在加热区的平均停留时间约为一小时。粉层的厚度一般为10～30mm。在这些前提下，烧结温度范围以1300℃～1600℃为宜。
离开加热区后，粉层就成了玻璃化的石英玻璃带而可轻易地分割成板料。本发明方法可制造出的板厚约为10mm。
关于装置方面，本发明的任务是这样完成的，为连续制造石英玻璃板或高硅酸玻璃板设置了一个适于运输石英玻璃粒料用的输送装置、一个把石英玻璃粒料加到输送装置上的加料装置、一个在石英玻璃粒料上产生合成石英玻璃粉层的喷射装置和一个加热粉层的加热装置。
本发明的输送装置可连续工作，特别适合的输送装置是铺有耐热板的输送带或滚道。输送带或滚道最好用耐热材料如Al2O3或石墨作成。所铺的板最好也用这种材料。这种板可防止输送带磨损，必要时易于更换。根据本发明的装置的一个最佳实施例：这种装置相邻的衬板相互连接而成只有很小缝隙的连续的平面。在这个平面上可堆放石英玻璃粒料而不致落到衬板之间。
这种装置具有特别简单的连续工作方式，板与板的相邻端用钩连在一起。这种构形的板可构成几乎是连续的连接在一起的平面而依次铺到连续运转的输送带上。在从加热装置出来后，可将板依次取下、清理并重新铺到输送带上。
这种连续工作的装置还有一个优点：其喷射装置至少具有一个可至少沿一个方向在石英玻璃粒料上方来回运动的水解烧嘴。用这种烧嘴可在石英玻璃粒料上直接分离热解的石英玻璃粉层。如果将多个水解烧嘴布置在垂直于输送装置运动方向来回运动的一个或多个支架上，则水解烧嘴在石英玻璃粒料上分离粉层时也来回运动。这样的装置，工作效率特别高、费用特别低。同时，这个或这些支架结构最好还可用来向水解烧嘴输送反应气体。
加热装置最好设计成沿粉层整个宽度延伸的向下打开的烧结室，并采用电阻加热。这样，在整个宽度上粉层都可达到均匀的玻璃化。此外，在通过烧结室的时间内，这种烧结室能保证粉层每个点保持大致相同的温度。这一温度与点状加热比较由于在烧结室中的加热时间较长而可低一些。从而达到均匀和完好的玻璃化。
下面结合附图来详细说明本发明的方法和设备的实施例。这些附图是：
图1：本发明设备的示意侧视图。
图2：喷射室垂直于输送装置的运动方向的示意截面图。
在图1所示装置中，1表示用Al2O3做成的链式输送带，输送带上铺有Al2O3做成的耐高温的衬板2。钩形的板端3相互钩紧。衬板2的前端4相互构成一个几乎是连续的堆料面5(除了一很小的间隙外)。
在堆料面5上方有一个加料斗6把热解的硅酸石英玻璃粒料8的连续粒料层7加到堆料面5上。刮板9将粒料层7刮到均匀的层厚和平面。
输送带1用驱动装置10沿箭头方向11运行，从而将粒料层7运送到喷射室12。喷射室中垂直于输送方向11布置有几个分别装有多个水解烧嘴14的支架13。支架13是空心的，所以可用作所需燃烧气体16(如SiCl4蒸汽、H2和O2)的供气管15。如图2所示，支架13两端用适当的支座17支承。用柱塞式驱动装置18使支架13垂直于输送方向11产生如运动箭头19所示的摆动运动。用水解烧嘴14在粒料层7上分离非晶态的硅酸层20。
水解烧嘴14对面布置一个烟囱21把分离硅酸层20所产生的废气以及多余的非晶态硅酸抽到图中没有画出的净化装置中。
从输送方向11看，烟囱21后面是一个向下开着的烧结室22。烧结室22用电阻丝23加热并用耐火材料衬砌四壁24。烧结室22保证硅酸层20在整个宽度上的均匀加热和硅酸层20通过烧结室22时各点的恒定烧结温度。非晶态硅酸层20通过烧结室22形成的石英玻璃带26被送到切割装置(图中未示出)的托辊25上。
在用上述设备的情况下，下面描述本发明的石英玻璃板制造方法。用加料斗6把热解制成的和预烧结的石英玻璃粒料8的粒料层7加到每小时大约1米速度的输送带1上，并用刮板9把粒料层7调整到大约60mm的厚度。然后在输送方向11用水解烧嘴14在粒料层7上分离非晶态的硅酸薄层20。另一排烧嘴把薄层20加厚到15mm。成排布置在共同支架13上的水解烧嘴14与输送方向11的粒料层7的表面成一倾斜角度。通过水解烧嘴14产生的摆动运动19而达到均匀的层结构。燃烧热把硅酸层20加热到1100℃，从而易于烧结和硬化。分离时产生的废气通过烟囱21从喷射室12中抽走。石英玻璃粒料8的化学成分与作为层20分离出的非晶态硅酸层相同。
这样被分离出来的非晶态硅酸层20随后由输送带1送入烧结室22并在此于1400℃玻璃化。同时玻璃化前沿在从上至下通过非晶态硅酸层20的整个层宽上均匀推进。在非晶态硅酸层20玻璃化时，由于层20附着在粒料层7上而避免了层的长度和宽度尺寸的收缩。由于粒料层7对输送带1是绝热的，所以容易在整个层宽上实现非晶态硅酸层20的均匀烧结。此外，粒料层7防止了烧结后的石英玻璃带26附着在衬板2上。非晶态硅酸层20经过烧结后形成的板状石英玻璃带26的厚度约为5mm，相当于非晶态硅酸层20原来层厚的30％。
离开烧结室22后，衬板2下降，石英玻璃带26悬空，可引导到切割装置的托辊25上并在那里按要求长度切割。这样制成的石英玻璃板按已知的方法进行研磨、清洁和最后做成产品。

Claims (19)

1.石英玻璃板或高硅酸玻璃板的连续制造方法是通过连续将石英玻璃粉层(20)加到其烧结活性小于石英玻璃粉的石英玻璃粒料(8)的衬底(7)上，并通过将粉层(20)连续输入加热区(22)进行烧结而形成石英玻璃带(26)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，在用预烧结的合成石英玻璃粉制成的石英玻璃粒料(8)的衬底(7)上形成合成的石英玻璃粉层(20)，以实现连续制造合成石英玻璃板或高硅酸玻璃板。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，石英玻璃粒料(8)与石英玻璃粉的化学成分相同。
4.根据权利要求1-3所述的方法，其特征是，石英玻璃粒料(8)的平均粒度范围为30微米～350微米。
5.根据权利要求1-4所述的方法，其特征是，层(20)的形成是用气相反应分离石英玻璃粉来实现的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，通过在衬底(7)上来回运动的一个或多个水解烧嘴(14)来形成层(20)。
7.根据权利要求1-6中一项或多项所述的方法，其特征是，在形成层的过程中，石英玻璃粉加热的温度范围为1000℃～1250℃。
8.根据权利要求1-7中一项或多项所述的方法，其特征是，石英玻璃粒料(8)连续加到输送带(1)上。
9.根据权利要求1-8中一项或多项所述的方法，其特征是，层(20)连续通过烧结室在温度范围为1300℃～1600℃进行烧结。
10.根据权利要求1-9中一项或多项所述的方法，其特征是，粉层(20)离开加热区(22)后形成为玻璃化的石英玻璃带(26)，可按需切割成板件。
11.连续制造石英玻璃板或高硅酸玻璃板的设备，它具有一个输送石英玻璃粒料用的适当输送装置(1、2、10)、一个将石英玻璃粒料(8)分层加到输送装置(1、2、10)上的加料装置(6)、一个在石英玻璃粒料层(98)上产生石英玻璃粉层(20)的喷射装置(12、13、14、15)和一个用来加热粉层(20)的加热装置(22、23、24)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征是，输送装置(1、2、10)包括衬有耐高温板(2)的输送带(1)。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征是，相邻的衬板(2)相互连接成其间只有很小缝隙的连续平面(5)。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其特征是，衬板(2)的相邻端部(4)相互钩紧。
15.根据权利要求12-14中的一项所述的设备，其特征是，衬板(2)用氧化铝或石墨做成。
16.根据权利要求11-15中一项或多项所述的设备，其特征是，喷射装置(12、13、14、15)至少包括一个可至少在一个方向(19)内进行摆动运动的水解烧嘴(14)。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征是，水解烧嘴(14)装在一或多个支架(13)上，它们可在一个垂直于输送装置(1、2、10)的运动方向(11)的方向(19)内摆动运动。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征是，支架(13)用作为水解烧嘴(14)所需反应气体(16)的供气管(15)。
19.根据权利要求11-18中一项或多项所述的设备，其特征是，加热装置(22、23、24)构成一个向下开着的、沿石英玻璃粉层(20)整个宽度延伸的并用电阻丝(23)加热的烧结室(22)。
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