CN114195368B - 一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，熔铸腔顶部分别安装有传动电机、气压传感器，电机处安装压力杆，压力杆正下方设有样品台，样品台上加工出两端导通的石墨管，石墨管底部与真空室、真空泵相连，石墨管与真空室之间设有阀门，石墨管顶端与模具内相连，坩埚安装在操作台上，镕铸炉壁上的管道上设有气流控制器并与气瓶相连。通过上述设计，本发明装置将气体压力与电机压力相结合，共同作用于高温熔体，促进了高粘度石英熔体的流动成型、减少了熔铸过程中原料的挥发和气泡的形成。解决了传统石英熔铸过程中成型困难的问题，缩短生产周期，节约了生产成本，易于投入工业化生产。

Description

一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置

技术领域

本发明涉及一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，属于材料加工与成型技术领域。

背景技术

熔融石英又称石英玻璃，是以天然石英，包括硅石、水晶为原料，经高温熔融制成。因其具有优良物理和化学性能，被广泛应用于电子、电器、化学工程等领域。石英玻璃内部是由硅氧四面体组成的网络骨架，较大键能的硅氧键使石英玻璃的机械强度很高，为普通玻璃的2-3倍，但同大多玻璃材料一样，石英玻璃具有韧性较差的特点。

常用的石英玻璃器件加工有玻璃吹塑、精密机械加工等工艺。吹塑成型是将石英原料加热熔化形成型胚，通过压缩空气使型胚紧贴在模具内壁、并成型的方法。由于高温下石英熔体粘度较高、流动性较差，导致吹塑成型出的器件一致性较差、无法满足市场对高精度器件的需求。精密机械加工是以切削、打磨、抛光等工序为主的成型方法，由于石英的硬度高、韧性差，切削打磨过程中残次率很高，且切削出的余料难以重复利用，造成大量原料浪费、阻碍产品的工业化生产。熔铸成型是材料成型加工技术之一，具有操作相对简单、原料利用率高、便于批量生产等特点。与一般材料不同，石英熔化温度高、粘度大、气泡排除困难等原因，使得石英玻璃的熔铸制备也存在一定的难度，鉴于此，本发明设计了一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，以解决石英材料的熔铸制备中的成型问题。

发明内容

本发明涉及一种高温熔铸法制备熔融石英制品的压力控制装置，即在高温熔铸设备内设置压力传动装置、压差形成装置，旨在解决石英玻璃熔铸工艺中粘度高所导致的成型困难。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，在镕铸炉的外顶部、侧面部分别安装坩埚操纵杆、传动电机、气压传感器，坩埚水平连接在操纵杆上，坩埚内装载石英原料，传动电机下方连接压力杆，压力杆下端接有防溢结构的原料防溢盖，设置在镕铸炉内部的下方样品台上放置模具和两端导通的石墨管，石墨管上端与模具外管路相连，外管路与模具底部连接的双侧管相连；石墨管下端外通过耐高温管道和阀门与真空室、真空泵依次相连；镕铸炉壁外接通气管道上设有气流控制器并与气瓶相连，传动电机推动压力杆下降，对模具中的石英熔体向下挤压，待石英熔体完全浸没模具下部的模具复杂成型区，进行继续保压，通过温度控制使石英熔体凝固成型。本发明坩埚水平连接在坩埚操纵杆上，炉内下方设有石墨样品台，样品台上放置了熔铸成型所需的模具。针对复杂形状、薄壁的器件的熔铸过程，推动操纵杆使坩埚平移至模具口上方、并倾斜一定角度，可使坩埚中熔化的石英流入下方的模具内；拉动操纵杆将坩埚还原成水平状态、并从模具上方移出，开启传动电机驱动压力杆下降，直至原料防溢设计的模具上盖完全覆盖模具口，期间压力杆持续对熔体顶部施压，以促进其完全进入模具内部成型区，到达压力杆限位最底部时保压一段时间。

优选地，在复杂形状、薄壁的器件的熔铸过程中，推动操纵杆使坩埚倾斜所需角度、并平移至模具上方，坩埚中熔化的石英原料向模具内浇铸，在模具内形成石英熔体，拉动操纵杆将坩埚还原成水平状态、并从模具上方移出，开启传动电机驱动压力杆下降，原料防漏盖连同压力杆一起下降，直至模具上盖完全覆盖模具口，期间压力杆不断对熔体顶部施压，以促进其完全进入模具内部成型区，到达压力杆限位最底部时进行保压；启动传动电机驱动电机压杆对石英原料压制成型；通过传动电机使电机压杆以50～500N的压力、0.1～10mm/min的速度进行伸缩，使石英熔体深入复杂成型区，并进行保压。

优选地，本发明在高温熔铸设备中应用的压差形成装置，主要包括：在镕铸炉外接的气体管路中设有气流控制器并与惰性气体瓶相连，石墨样品台上的模具二侧设有与模具内腔相连的双侧管，并通过模具外管路、石墨管上下端与外部设置的真空室、真空泵相连，石墨管与真空室之间设有阀门。熔铸前通过外接的气体管路往炉内通入惰性气体，可调控熔铸过程的惰性气氛，熔铸开始、高温石英熔体进入模具内部后，打开石墨管与真空室之间的阀门，抽取模具底部残留的气体、使熔体上下形成压力差，促进熔体深入模具内部、与复杂形状内壁紧密贴合，确保产品形状、尺寸及品质一致性。

优选地，石墨模具内设有多重管路，样品台上的石墨管下端通过耐高温管道、阀门与真空室相连，上端与模具外管路相连通，外管路与模具内的双侧管连通，双侧管的设计保证了真空室抽气地均匀性；模具双侧管、外管路、样品台上的石墨管组成的多重管道设计可储纳溢出的高温熔体。熔化的石英原料从坩埚中浇铸至模具，真空室抽取熔体下方空间内的气体，造成熔体上下方产生压力差，借助形成的压力差推动高粘度熔体向底部复杂成型区流动，使石英熔体与内壁紧密贴合，完成石英器件的熔铸成型。

优选地，通过传动电机使电机压杆以50～500N的压力、0.1～10mm/min的速度进行伸缩，启动传动电机驱动电机压杆对石英原料压制成型。

优选地，所述气体采用Ar或其他惰性气体。

优选地，气瓶与镕铸炉通过输气管路相连接，输气管路之间安装有气压阀及气体质量流量计控制气体流速与流量，可实现镕铸炉内气体压力大小的调控，减少原料挥发。

本发明与现有工艺设备相比较，具有如下的特点和优点：

1.本发明熔铸过程中，调节气流控制器，充入惰性气体可减少高温下石英原料向炉内的挥发，避免挥发物对炉体机械部件造成破坏；样品台上的石墨管下端通过管道、阀门与真空室相连，上端与模具外管路相连通，外管路还与模具内双侧管连通，双侧管的设计保证了抽气地均匀性；模具双侧管、外管路、石墨管的多重管道设计可储纳溢出的高温熔体；

2.模具底部通过双侧管、模具外管路、石墨管、阀门与真空室相连，熔化的石英原料从坩埚中浇铸至模具，形成的石英熔体与内壁紧密贴合，使熔体上下方形成两个空间，通过真空室抽取下方的空气，形成熔体上下方压力差，借助形成的压力差推动高粘度熔体向底部复杂成型区流动，完成石英器件的熔铸成型；同时，真空室可吸收熔铸过程石英熔体中的气泡以及模具内的热气流，避免了高温气体地直接排防，确保安全的工业生产；

3.本发明可促进高温下石英的流动成型，缩短生产周期，解决熔融石英成型时间长的问题，缩短生产周期，降低生产成本；

4.本发明适合加工10～1000g石英玻璃制品，电机压杆以50～500N的压力、0.1～10mm/min的速度缓慢下降，熔铸腔温度涵盖25～2200℃，加热速率可调可控；本发明装置结构简单，操作方便且安全可靠。

附图说明

图1为本发明优选实施例装置的设计示意图。

图2为本发明优选实施例装置的模具内外压差装置示意图。

图3为本发明优选实施例装置的浇铸过程与外加压力装置示意图。

具体部件如下：

1-气瓶，2-气压阀，3-气流控制器，4-冷却水循环机，5-样品台，6-坩埚操纵杆，7-传动电机，8-温度传感器，9-镕铸炉，10-压力杆，11-坩埚，12-模具，13-石英原料(石英熔体，14-模具双侧管，15-模具外管路，16-石墨管，17-真空室，18-真空泵，19-阀门，20-模具复杂成型区，21-气压传感器，22-原料防溢盖。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图进行详细描述。

实施例一

参见图1，一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，在镕铸炉9的外顶部、侧面部分别安装坩埚操纵杆6、传动电机7、气压传感器21，坩埚11水平连接在操纵杆6上，坩埚6内装载石英原料13，传动电机7下方连接压力杆10，压力杆10下端接有防溢结构的原料防溢盖22，设置在镕铸炉9内部的下方样品台5上放置模具12和两端导通的石墨管16，石墨管16上端与模具外管路15相连，外管路15与模具底部连接的双侧管14相连；石墨管16下端外通过耐高温管道和阀门19与真空室17、真空泵18依次相连；镕铸炉9壁外接通气管道上设有气流控制器3并与气瓶1相连，传动电机7推动压力杆10下降，对模具12中的石英熔体向下挤压，待石英熔体完全浸没模具12下部的模具复杂成型区20，进行继续保压，通过温度控制使石英熔体凝固成型。

本实施例装置针对复杂形状、薄壁的器件，控制坩埚操纵杆6使坩埚11倾斜，熔化的原料从坩埚11中流入模具12内完成浇铸，拉动坩埚操纵杆6将坩埚11还原成水平状态、并从模具12上方移出，打开传动电机7，推动压力杆10对石英熔体施压，促进其完全进入模具内部复杂成型区20，并保压一段时间。

本实施例将高温熔铸装置与压力传动装置相结合，改善了现有石英玻璃加工与成型技术中大粘度熔体的成型困难的现状。

实施例二

在本实施例中，参见图1-3，设有模具双侧管14和模具外管路15，样品台5上的石墨管16下端通过管道与阀门19、真空室17相连，石墨管16上端与模具外管路15相连通，模具外管路15与模具双侧管14底部连通，熔化的石英原料从坩埚11中浇铸至模具12，形成的石英熔体与模具12内壁紧密贴合，使石英熔体上下方形成两个密闭环境，通过真空室17抽取模具12底部的空气、减少石英熔体下方气压，造成石英熔体上下方压力差，借助形成的压力差推动高粘度石英熔体向底部复杂成型区20流动，完成石英器件的熔铸成型。

在本实施例中，在复杂形状、薄壁的器件的熔铸过程中，推动操纵杆6使坩埚11倾斜所需角度、并平移至模具12上方，坩埚11中熔化的石英原料13向模具内浇铸，在模具12内形成石英熔体，拉动操纵杆6将坩埚11还原成水平状态、并从模具12上方移出，开启传动电机7驱动压力杆10下降，原料防漏盖22连同压力杆10一起下降，直至模具上盖22完全覆盖模具口，期间压力杆9不断对熔体顶部施压，以促进其完全进入模具内部成型区20，到达压力杆限位最底部时进行保压；启动传动电机7驱动电机压杆10对石英原料压制成型；通过传动电机7使电机压杆10以50～500N的压力、0.1～10mm/min的速度进行伸缩，使石英熔体深入复杂成型区20，并进行保压。

本实施例设置两个气瓶1，各气瓶1分别通过气压阀2与连接气流控制器3对外接气体管道进行连通或关闭。

在本实施例中，参见图1，在镕铸炉9外部设置冷却水循环机4，利用冷却水对镕铸炉9壁进行冷却。

在本实施例中，参见图1-3，还设有模具双侧管14和模具外管路15，在样品台5上设置垂直安装的石墨管16，石墨管16下端与真空室17通过管道相连，石墨管16上端与模具外管路15相连通，模具外管路15还与模具12内腔底部连通，通过真空室17形成模具12内腔底部的真空环境，并形成模具12内外压差，借助形成的压力差，实现对高粘度液态石英原料流动成型。

在本实施例中，参见图3，通过传动电机7使电机压杆10以350N的压力、1mm/min的速度进行伸缩，启动传动电机7驱动电机压杆10对石英熔体13压制成型。

本实施例中，可选的，气瓶1中的气体可选用Ar作为保护气。

具体操作方式为：

本实施例的工作原理及使用流程：

第一步，将要加工的石英砂原料装入坩埚11中；

第二步，设定熔铸炉9的温度变化曲线；

第三步，打开真空泵18，抽取熔铸炉9与真空室17内的空气，避免炉内加热体在高温环境中与空气发生氧化反应；

第四步，待气压传感器示数降至6～10Pa以内时，关闭真空泵；

第五步，打开Ar气瓶1，调整气流控制器3控制Ar气的流速与流量，保持熔铸炉9内为微正压环境；

第六步，待温度传感器8检测到熔铸炉9内温度达到设定温度时，控制坩埚操纵杆6将坩埚11中熔化的原料浇铸到模具12内；

第七步，打开真空室17与石墨管16之间的阀门19，使管道内气压与真空室一致，开启阀门19的时间为3min；

第八步，控制坩埚操纵杆6，将坩埚11保持水平并从模具12上方移出；启动熔铸炉9顶部的传动电机7推动压力杆10以350N的压力、1mm/min的速度缓慢下降；

第九步，待石英熔体完全深入模具复杂成型区20继续保压5min，保压结束后开启传动电机7将压力杆10从模具12内缓慢抽出；

第十步，模具12在炉9内保温退火12h，消除工件在熔铸过程中压制产生的内应力；

第十一步，待退火完成、炉体冷却后，打开可拆卸式模具12取出成型样品。

上述实施例高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，熔铸腔顶部分别安装有传动电机、气压传感器、坩埚操纵杆，坩埚安装在坩埚操纵杆上，电机底部安装压力杆，压力杆正下方设有样品台，样品台上加工出两端导通的石墨管，石墨管下端与真空室、真空泵相连，石墨管与真空室之间设有阀门，石墨管上端与模具内相连，镕铸炉壁外接通气管道上设有气流控制器并与气瓶相连。通过上述设计，将高温熔铸装置与压力传动装置、熔体上下气压差装置相结合，解决了现有石英玻璃加工与成型技术中原料浪费严重、粘度大导致的生产成本高、成型困难。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，其特征在于：在镕铸炉（9）的外顶部、侧面部分别安装坩埚的操纵杆（6）、传动电机（7）、气压传感器（21），坩埚（11）水平连接在操纵杆（6）上，坩埚（11）内装载石英原料（13），传动电机（7）下方连接压力杆（10），压力杆（10）下端接有防溢结构的原料防溢盖（22），设置在镕铸炉（9）内部的下方样品台（5）上放置模具（12）和两端导通的石墨管（16），石墨管（16）上端与模具外管路（15）相连，外管路（15）与模具底部连接的双侧管（14）相连；石墨管（16）下端外通过耐高温管道和阀门（19）与真空室（17）、真空泵（18）依次相连；镕铸炉（9）壁外接通气管道上设有气流控制器（3）并与气瓶（1）相连，传动电机（7）推动压力杆（10）下降，对模具（12）中的石英熔体向下挤压，待石英熔体完全浸没模具（12）下部的模具复杂成型区（20），进行继续保压，通过温度控制使石英熔体凝固成型；

设有模具双侧管（14）和模具外管路（15），样品台（5）上的石墨管（16）下端通过管道与阀门（19）、真空室（17）相连，石墨管（16）上端与模具外管路（15）相连通，模具外管路（15）与模具双侧管（14）底部连通，熔化的石英原料从坩埚（11）中浇铸至模具（12），形成的石英熔体与模具（12）内壁紧密贴合，使石英熔体上下方形成两个密闭环境，通过真空室（17）抽取模具（12）底部的空气、减少石英熔体下方气压，造成石英熔体上下方压力差，借助形成的压力差推动高粘度石英熔体向底部复杂成型区（20）流动，完成石英器件的熔铸成型。

2.根据权利要求1所述高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，其特征在于：在复杂形状、薄壁的器件的熔铸过程中，推动操纵杆（6）使坩埚（11）倾斜所需角度、并平移至模具（12）上方，坩埚（11）中熔化的石英原料（13）向模具内浇铸，在模具（12）内形成石英熔体，拉动操纵杆（6）将坩埚（11）还原成水平状态、并从模具（12）上方移出，开启传动电机（7）驱动压力杆（10）下降，原料防溢盖（22）连同压力杆（10）一起下降，直至模具原料防溢盖（22）完全覆盖模具口，期间压力杆（10）不断对熔体顶部施压，以促进其完全进入模具内部成型区（20），到达压力杆限位最底部时进行保压；启动传动电机（7）驱动压力杆（10）对石英原料压制成型；通过传动电机（7）使压力杆（10）以50~500 N的压力、0.1~10 mm/min的速度进行伸缩，使石英熔体深入复杂成型区（20），并进行保压。

3.根据权利要求1所述高温熔铸法制备熔融石英制品的控压装置，其特征在于：所述气瓶（1）采用Ar或其他惰性气体。