CN115872606B - 一种利用电弧熔制石英管的方法及石英管电弧熔制设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可降低产品的成本、提高生产效率、提升产品品质的利用电弧熔制石英管的方法及石英管电弧熔制设备，包括：利用传动机构使模具旋转，利用离心力保证后续投入并成型的石英砂以及熔制石英管过程中熔融石英和未熔化的石英砂保持在成型所需的位置；S2.向模具内投入石英砂形成管状结构；S3.利用电极夹持机构夹持至少两根电极，启动等离子体电弧，通过电极夹持机构控制电极使电弧沿管状结构做轴向运动，所述轴向运动是利用电弧的高温区域对所述管状结构在轴向上不同区域做先后的高温加热，将石英砂熔融成预先设定结构的石英管。
Description
技术领域
本发明涉及一种石英管的加工方法，尤其是一种利用电弧熔制石英管的方法及石英管电弧熔制设备。
背景技术
石英管由于其具有优秀的力学、热学、光学、化学和电学性能，被广泛应用于工业生产和科学研究中。目前石英管的生产，主要采用以电熔法和气炼法为基础的连熔法。这两种方法分别采用了电阻加热和气体燃烧加热的方式将石英原料熔融到石英熔池当中；利用熔融石英的可塑性，通过塑形器将熔融石英拉制成石英管。这两种方法生产的石英管，由于在拉制过程中，塑形器上的杂质和熔池壁上的杂质以及气体燃烧产生的羟基会转移到石英管中，造成在石英管中金属杂质和羟基含量较高。
气炼法为基础的连熔法生产石英管在未经过脱羟工序前，羟基含量通常为400-600ppm，而脱羟工序虽然可以大幅降低羟基含量，但由于基础羟基含量过高，想要将最终产品的羟基含量降低到40ppm以下是非常困难的，而且脱羟工序会大幅加长工序时间和增加生产成本。同时石英熔池壁以及塑形器与石英直接接触也使石英管在杂质含量上有10％～300％的增幅。较高的羟基和金属杂质含量会影响石英管在高温下的性能，特别是使用时接触高纯材料并且同时又处于高温状态的场合，需要金属杂质和羟基含量都较低的石英管。例如，硅单晶生产过程中的“复投料器”，光伏和电子材料行业生产中的“扩散管”，以及高纯石英砂提纯过程中的“高温氯化管”等。
连熔法通过高温使石英熔化到熔池里面且需要长时间保持这种高温的熔化状态，并将熔融石英通过塑形器缓慢拉出，这个过程中很多电能都以热量的方式散失了，电能的利用率较低，增加了生产成本。由于石英在熔融下通过塑形器拉制成型，拉制过程对石英管壁产生较大作用力，成品石英管管径和厚度尺寸波动非常大，必须经过后续的进一步热加工才能满足客户公差尺寸需求，而这个热加工会大幅增加成本。另外，连熔法在将熔融石英拉长的过程中，熔融石英中存在的一些缺陷尤其气泡或者黑点也会从一个点装缺陷被拉长成几何尺寸更大的一条气线或黑线而形成不良品，进而增加了成本，或者即使满足合格标准要求但在产品中也无法完全避免存在这种拉长类型的缺陷，这种缺陷存在于管体表面附近时就容易产生线装破裂，这种破裂也会成为管体在振动中破碎的导因，影响了石英管的品质。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明是要提供一种利用电弧熔制石英管的方法及石英管电弧熔制设备。
本发明的技术解决方案是：
一种利用电弧熔制石英管的方法，步骤包括：
S1.利用传动机构使模具旋转，利用离心力保证后续投入并成型的石英砂以及熔制石英管过程中熔融石英和未熔化的石英砂保持在成型所需的位置；
S2.向模具内投入石英砂形成管状结构；
S3.利用电极夹持机构夹持至少两根电极，启动等离子体电弧，通过电极夹持机构控制电极使电弧沿管状结构做轴向运动，所述轴向运动是利用电弧的高温区域对所述管状结构在轴向上不同区域做先后的高温加热，将石英砂熔融成预先设定结构的石英管。高温加热时石英砂由管状结构的内表面逐渐向外表面熔化，如果电弧停留在某个轴向位置时间更久则电弧高温区域对应的管状结构的内表面向外表面熔化的距离更大，即更厚，而反之则更薄，以此，可以选择性的熔化管状石英砂结构不同轴向位置和不同径向深度的石英砂的先后顺序，进而制造出满足客户需求的产品。
进一步，步骤S3所述电极还做径向运动和/或改变所述电极与管状结构轴线夹角的运动，调整电弧在管状结构内径向位置和/或径向尺寸。在刚启动电弧的阶段，管状石英砂结构的内表面还未开始熔化，这时就需要电弧在管状石英砂结构的径向方向尺寸更小或者电弧保持在管状结构轴心位置，否则电弧的振动会石英砂表面走形甚至产生迸溅现象。当电弧已经是石英砂内表面熔化形成一层熔融态的石英薄膜时，需要电弧在管状石英砂结构的径向方向上尺寸更大或者电弧偏离管状结构轴心而距离石英砂表面更近，电弧高温区域更直接更近的作用于相对应位置的石英砂，这可以使轴向区域的加热范围更为精准，便于工艺控制，同时这也提高了石英砂接收电弧热量的效率。电弧在轴向方向上尺寸更大时则有更长距离的石英砂同时受热。电弧的形状、大小、位置的可控制使工艺灵活度更高、更精准、更具有效率，也可降低加工成本。
进一步，在熔制过程中，利用真空系统选择性的向模具内表面施加真空吸附，通过控制真空系统所实现的实际气压大小，控制由石英砂熔化得到的管状结构中的气泡直径分布和/或密度，制得不同气泡富集结构的石英管。
进一步，通过控制真空系统对应石英管体不同区域石英砂熔融时的实际气压大小，来控制该区域的气泡直径分布和/或密度使不同的区域具有不同气泡富集结构；所述不同区域是指沿管状结构上在轴向和径向至少一个方向不同。在石英管熔制过程中，石英砂从管状体内表面开始沿着径向向深层逐渐熔化，在熔化不同深度石英层的过程中，调整整根管压力P的值，就可以制造出径向上透明层或半透明或气泡富集层多层交替的状态石英管，在使用中，该种石英管可以通过调整不同层的透射率以及不同层的厚度和层的数量，来调整整个厚度上的总透射率和辐射吸收能力；在石英管熔制过程中，控制电弧在管状体轴向方向上的长度小于管状体的长度，则可以通过改变熔化不同轴向区域石英砂时相对应的压力P值来形成在轴向方向上透明或半透明或气泡富集的多段交替状态的石英管，该种石英管使用中具有分段不同的透射率，可以满足石英管内物体分区域分段烘烤的需求；综合上述后两种方法，可以制造出在不同径向方向上的层和不同轴向方向上的段分布着透明、半透明、不透明结构的石英管，该石英管同时具有上述两种管的使用特性。
进一步，步骤S2中，当石英砂为单一材料时采取单次投料形成所需的管状结构；当石英砂为多种不同种类时采取多次投料形成所需的管状结构，所述不同种类石英砂为不同粒度分布或者不同石英纯度的石英砂；所述多次投料包括轴向投料、径向投料和轴向径向混合投料；所述轴向投料是指不同种类的石英砂沿着轴向分布多次投料形成管状结构；所述径向投料是指不同种类的石英砂沿着径向分布多次投料形成管状结构；所述轴向径向混合投料是指管状结构的部分区域由不同种类的石英砂沿着轴向分布投料形成，同时其它部分区域由不同种类的石英砂沿着径向分布投料形成。不同纯度的石英砂可以满足客户对于石英管不同轴向区域或者石英管壁不同层的不同纯度的需求；不同粒度分布的石英砂可以满足客户对于石英管不同轴向区域或者石英管壁不同层的气泡大小的需求，石英砂颗粒度大则石英砂颗粒之间的间隙大进而熔化后石英壁内部的微气泡尺度大，石英砂颗粒度小则石英砂颗粒之间的间隙小进而熔化后石英壁内部的微气泡尺度小。
进一步，施加真空时靠近模具内表面的压力P在10～1000mbar的数值范围内，在该数值范围内平均选取3～10个值，以平均选取的压力值熔制石英管，检测石英管内气泡的直径分布和/或密度；根据压力值与气泡直径分布和/或密度的关系，以线性内插的方法，分别得到真空值与气泡直径分布和/或密度的曲线关系，从而利用真空控制气泡的直径分布和/或密度。
进一步，步骤S3中电弧运动的极限位置是电弧的前端移动至管状结构的端口时，并且在轴向方向上继续向外移动一定距离，该距离小于等于管状结构内径×1。
进一步，所述电极与管状结构轴线的夹角为0-45度。
进一步，所述模具旋转时角速度值大于X，单位为rpm，其中r为模具内表面到轴线的最小距离，单位为米，θ为模具轴线与水平面夹角。
本发明所涉及的石英管电弧熔制设备，包括：
模具，采用耐高温材料，且其内部结构形状用于石英管外轮廓成型；
传动机构，使模具绕模具轴线旋转；
电极夹持机构，所述电极夹持机构用来承载至少二根电极并沿着模具内腔轴向运动、径向运动和与模具轴线夹角可变的运动；
供电系统，为电极的电弧提供电源；
控制系统，控制模具的旋转、电极夹持机构承载的电极的运动、供电系统提供的功率和熔制的时间，控制系统包括但不限于PLC系统、单片机系统和微型计算机系统，其特殊之处是：
还包括一个由控制系统控制工作状态的真空系统，所述真空系统的真空管路与模具内腔相通，为模具内表面的石英砂和/或熔融状态的石英提供真空吸附和在石英砂熔融过程中将石英砂颗粒之间的气体抽走。
进一步，所述模具本体由透气性材料制成；或者模具本体上分布有多个透气孔且所述透气孔内塞入透气材料，所述真空管路通过透气孔与与模具内腔相通。
进一步，模具本体设有环形空腔，所述透气孔的外孔口与所述环形空腔相通，所述真空管路通过环形空腔、透气孔与与模具内腔相通。
进一步，模具外侧包置采用刚性耐高温高导热材料制成的外壳，为模具提供支撑和冷却的作用；外壳对模具的支撑作用是指在使用过程中外壳使模具保持完整并使模具绕石英管的轴线旋转；外壳对模具的冷却作用是指外壳将熔制过程中产生并由模具传递出来的热量再传递出去，实现这种冷却作用的是利用外壳的高导热，将模具的热量传到外壳的外表面，再通过自然风冷，将外壳外表面的热量传递给周围环境，或利用嵌入外壳中的额外水循环冷却系统，将模具的热量用冷却水传递给外部环境，所述刚性耐高温高导热材料为石墨、金属、陶瓷、或者这几种材料的复合材料。
本发明利用电弧熔融石英砂制作石英管，在高温下石英管的内表面不与任何材料直接接触，石英管外表面又有一层不融化的石英砂做为浮料层使石英管与模具隔绝。同时热源为电弧，没有材料与石英直接接触，也不会像气体燃烧那样产生的羟基，所以利用本发明方法所制作的石英管产品具有高纯度的优势，其羟基含量通常为25ppm左右。同时由于电弧产生两千至六千摄氏度的高温，可以在非常短的时间高效率的将石英熔化，大大提升了电能的热效率，节省了电能。该产品可以在熔制工序后，对外壁进行简单的低成本机械加工无需二次热加工就可以满足客户公差尺寸需求。同时，但本发明所阐述的方法不存在类似连熔法的石英材料被拉长而产生的狭长缺陷(如气线、黑线等)问题，因此综合产品合格率也要高于连熔法，并且连熔法石英管即使合格的产品也无法避免产品中或多或少存在这种拉长类型的缺陷，这种缺陷存在于管体表面附近时就容易产生线装破裂，这种破裂也会成为管体在振动中破碎的导因，因此本发明中的产品在这个品质点上也优于连熔法产品。综合以上，在相同石英砂原料使用的前提下本发明中的产品与连熔法的产品相比具有更高的品质、更高生产效率以及非常显著的成本优势，且可以根据客户需要通过调整模具就可以任意改变产品结构形状。
本发明降低了产品的成本、提高了生产效率、提升了产品品质。本发明可以通过电极夹持机构以及至少两个电极来控制电弧在轴向上按照工艺要求运动，这就给电弧熔制带来了工艺上极大的灵活性，可以选择性的熔化管状结构不同轴向位置的先后顺序，可以专门针对石英管状结构的两个端口进行更长时间的加热用于解决端口热量散失快而与其它管体区域相比受热不够的问题，同时本发明中的方法可以很好的解决细长且不能移动电弧在轴向上的温度分布不均而造成的石英管体的尺寸分布不均尤其在轴向上电弧两端温度比中间区域温度低进而造成石英管体两端外径不够而不得不切割材料浪费的问题。也可避免细长电弧对应的两根电极相距较远，电弧容易不稳定或者时常断弧的问题产生不良品的问题。
附图说明
图1是本发明的设备结构示意图；
图2是实施例1石英管结构示意图；
图3是实施例1电极布置示意图；
图4是实施例1模具内部结构示意图；
图5是实施例1石英砂播撒示意图；
图6是实施例1石英砂层刮料示意图；
图7是实施例2石英管结构示意图；
图8是实施例2电极布置示意图；
图9是实施例3石英管结构示意图；
图10是实施例3电极布置示意图。
具体实施方式
以下为描述本发明的实施例，但除非所附权利要求另有指明，并不意味着对本发明的限制。
一种利用电弧熔制石英管的方法，其步骤包括：
S1.利用传动机构使模具旋转，利用离心力保证后续投入并成型的石英砂以及熔制石英管过程中熔融石英和未熔化的石英砂保持在成型所需的位置；
S2.向模具内投入石英砂形成管状结构；
S3.利用电极夹持机构夹持至少两根电极，启动等离子体电弧，通过电极夹持机构控制电极使电弧沿管状结构做轴向运动，所述轴向运动是利用电弧的高温区域对所述管状结构在轴向上不同区域做先后的高温加热，将石英砂熔融成预先设定结构的石英管。
步骤S3所述电极还做径向运动和/或改变所述电极与管状结构轴线夹角的运动，调整电弧在管状结构内的径向位置和/或径向尺寸。
在熔制过程中，利用真空系统选择性的向模具内表面施加真空吸附，通过控制真空系统所实现的实际气压大小，控制由石英砂熔化得到的管状结构中的气泡直径分布和/或密度，制得不同气泡富集结构的石英管。
通过控制真空系统对应石英管体不同区域石英砂熔融时的实际气压大小，来控制该区域的气泡直径分布和/或密度使不同的区域具有不同气泡富集结构；所述不同区域是指沿管状结构上在轴向和径向至少一个方向不同。
步骤S2中，当石英砂为单一材料时采取单次投料形成所需的管状结构；当石英砂为多种不同种类时采取多次投料形成所需的管状结构，所述不同种类石英砂为不同粒度分布或者不同石英纯度的石英砂；
所述多次投料包括轴向投料、径向投料和轴向径向混合投料；所述轴向投料是指不同种类的石英砂沿着模具轴向分布多次投料形成管状结构；所述径向投料是指不同种类的石英砂沿着模具径向分布多次投料形成管状结构；所述轴向径向混合投料是指管状结构的部分区域由不同种类的石英砂沿着模具轴向分布投料形成，同时其它部分区域由不同种类的石英砂沿着模具径向分布投料形成。
施加真空时靠近模具内表面的压力P在10～1000mbar的数值范围内，在该数值范围内平均选取3～10个值，以平均选取的压力值熔制石英管，检测石英管内气泡的直径分布和/或密度；根据压力值与气泡直径分布和/或密度的关系，以线性内插的方法，分别得到真空值与气泡直径分布和/或密度的曲线关系，从而利用真空控制气泡的直径分布和/或密度。
步骤S3中电弧运动的极限位置是电弧的前端移动至管状结构的端口时沿在轴向方向上继续向外移动一定距离，该距离小于等于管状结构内径×1。
所述电极与管状结构轴线的夹角变化范围为0-45度。
所述模具旋转时角速度值大于X，单位为rpm，其中r为模具内表面到轴线的最小距离，单位为米，θ为模具轴线与水平面夹角。
一种石英管电弧熔制设备，包括：
模具，采用耐高温材料，且其内部结构形状用于石英管外轮廓成型；
传动机构，使模具绕模具轴线旋转；
电极夹持机构，用来承载；
供电系统，为电极的电弧提供电源；
控制系统，控制模具的旋转、电极夹持机构承载的电极的运动、供电系统提供的功率和熔制的时间；
所述电极夹持机构夹持电极沿着模具内腔轴向运动或在轴向运动的基础上做径向运动和改变所述电极与模具轴线夹角的运动中至少一种运动。
由控制系统控制工作状态的真空系统，所述真空系统的真空管路与模具内腔相通，为模具内表面的石英砂和/或熔融状态的石英提供真空吸附和在石英砂熔融过程中将石英砂颗粒之间的气体抽走。
所述模具本体由透气性材料制成；或者模具本体上分布有多个透气孔且所述透气孔内塞入透气材料，所述真空管路通过透气孔与与模具内腔相通。
模具本体设有环形空腔，所述透气孔的外孔口与所述环形空腔相通，所述真空管路通过环形空腔、透气孔与与模具内腔相通。
所述模具外侧包置采用刚性耐高温高导热材料制成的外壳，为模具提供支撑和冷却的作用；外壳对模具的支撑作用是指在使用过程中外壳使模具保持完整并使模具绕石英管的轴线旋转；外壳对模具的冷却作用是指外壳将熔制过程中产生并由模具传递出来的热量再传递出去。
实施例1
如图1所示，石英管电弧熔制设备由外壳a，模具b，传动机构c，电极夹持机构d，真空系统e，供电系统f，和控制系统g组成；真空系统e由与外壳连接的真空管路和真空泵组成。外壳a为不锈钢制成，内嵌水路，通循环水以散热。
如图2所示，以一种直管形石英管为例。外径381mm，厚度7.5mm，长度3500mm，两种原料，全透明。
如图3，电极夹持机构d夹持的电极为两根且在模具两侧各分布一根，电弧在两根电极间产生。
如图4所示，模具b采用刚性耐高温高导热材料如石墨、金属、陶瓷或者这几种材料的复合材料制成，本实施例为由高纯石墨制成，模具内径384mm，且模具b为多孔结构，模具b和外壳a之间设有环形空腔1，模具b外壁与外壳a内壁之间的距离为3mm。所述空腔1通过真空管路连接真空泵，模具b上的透气孔2均匀分布，透气孔2内填充多孔金属透气塞3，模具b上透气孔2与空腔1连通。
上料时，模具b水平放置，并以180RPM的速度旋转。同时通过控制真空系统e向模具b内表面施加真空，模具b与外壳a之间的空腔内的气压值维持在200mbar。
原料使用高纯石英砂(杂质含量为15ppm)和高铝石英砂(除Al含量之外的杂质含量和为20ppm，Al含量为60ppm)，采用多次投料径向投料。如图5和图6所示，投料时，先在在模具内表面铺洒一层3mm～5mm厚的高铝石英砂，用不锈钢棒将该层石英砂刮到4mm厚。然后在高铝石英砂层之上，铺洒一层12mm～16mm厚的高纯石英砂层，用石英刮板4将该层石英砂刮到14mm厚。然后启动电弧熔制石英管h，熔制步骤和工艺下表1给出。
表1：
左半部：
右半部：
然后将石英管毛坯外壁浮砂做喷砂处理，此时测量外径为381.5±1mm，再经机械加工打磨到381±0.5mm。然后对石英管的两端做机械打磨处理，每一端的打磨长度在1cm以下，然后经过氢氟酸酸洗和高纯水喷淋，即得到成品。
该实例中成品石英管的内层总杂质含量为16ppm，外层除Al含量之外的杂质含量和为21ppm，羟基含量16ppm，全部管体透明。
该实例中管体含有较高铝含量的外石英层可以增强石英管的整体高温强度，低杂质含量的内石英层提高了内层的使用性能；传统方法无法生产这种结构的石英管。
而同样尺寸，以电熔法为基础的连熔法生产的石英管，在石英砂杂质含量22ppm的情况下，毛坯的杂质含量就达到了39ppm，羟基含量达到了60ppm。而且外经尺寸波动很大具有±4mm的公差，需要经过热加工整修。在经过氢氧焰高温整形后外经公差降到±0.5mm，但杂质含量增加到42ppm，羟基含量增加到90ppm；再经过脱羟工序，羟基降到30ppm。
对于同样尺寸的气炼法石英管，同样22ppm杂质含量的石英砂，毛坯的杂质含量达到了30ppm，羟基含量高达300ppm。同样外经尺寸波动很大具有±4的公差，需要经过热加工修整，在经过气体燃烧高温整形后，外经公差降到±0.5mm，但杂质含量增加到32ppm，羟基含量增加到370ppm；再经过脱羟工序，羟基降到35ppm。
电弧法熔制的石英管与电熔法和气炼法生产的石英管相比，工序简单，生产效率高，电能利用率高，成本大幅降低，杂质和羟基含量也有明显优势，同时也不具有连熔法石英管特有的由于存在将熔融石英通过塑形器拉长的过程而将点缺陷拉长成几何尺寸更长的线型的大缺陷的问题。
实施例2
如图7所示，以多段多层石英管为例。外径400mm，长度1000mm，厚度80mm。采用两种原料。
熔制设备的结构如实施例1所述，模具b由耐高温铸铁制成，模具内径418mm。如图8所示，模具两端(左端和右端)分别布置三根电极，电弧在左端三根电极尖端形成，同时另外一个电弧在右端三根电极尖端形成，共两个电弧同时熔制。模具b与实施例1结构相同，模具b上的透气孔内填充透气石英棉，模具b外壁和外壳a内壁之间距离为5mm。模具b上的透气孔与空腔连通，空腔通过真空管路连接真空泵。
上料时，模具b水平放置，并以240RPM的速度旋转。同时通过控制真空系统e向模具b内表面施加真空，模具b与外壳a之间的空腔内的气压值维持在180mbar。
原料使用人造高纯石英砂(杂质含量和为9ppm)和天然高纯石英砂(杂质含量和为24ppm)，采用多次投料径向投料，先在模具b内表面铺洒一层86mm～92mm厚的天然高纯石英砂，用石英刮板将该层石英砂刮到89mm厚；然后在天然高纯石英砂层之上，铺洒一层77mm～83mm厚的人造高纯石英砂层，用夹持机构把持石英刮板将该层石英砂刮到80mm厚。然后启动电弧熔制石英管h，熔制步骤和工艺在表2-1的表2-2给出。
表2-1
表2-2
最后，将石英管毛坯外壁经机械加工打磨到所需尺寸，然后经过氢氟酸酸洗和高纯水喷淋，即得到成品。该实例中成品管为多层多段石英管，内层总杂质含量为9.4ppm，外层杂质含量和为26ppm，羟基含量14ppm，管体中间段为全透明，两侧段内层为透明层、外层为不透明。
管体上以天然石英砂制作的外石英层可以确保石英管的整体高温强度并且一部分天然石英的使用可以降低产品成本，由人造石英组成的低杂质含量内层确保在使用中与管体内表接触的高纯器件(如电子级器件)不被污染。同时，在管体中间段的全透明和两侧段的透明以及不透明分层结构，在使用中可以满足在同一个管子里同时实现不同器件有不同加热和辐射的需求。实例2中的产品上，在包括连熔法在内的现有其它方法中并无法实现。本发明提供的方法填补了制备多层、多段石英管体的空白。
实施例3
参阅图9，石英管为锥形石英管。直径大的一端外径300mm，直径小的一端外径200mm，厚度8mm，长度1200mm，一种原料，管体不透明。
熔制设备与实施例2相同，熔制管体时真空系统e不开，模具材料为耐高温铸铁，模具b内设有锥形内腔且内径大的一端为314mm，内径小的一端为214mm，外壳为不锈钢制成，内嵌水路，通循环水以散热。如图10所示，模具b内径大的一侧布置两根电极，内径小的一侧布置一根电极，三根电极尖端共同形成电弧。模具b上无真空孔或者透气性材料，为铸铁密闭表面。上料时，模具轴线与水平夹角25度，并以160RPM的速度旋转。原料使用天然石英砂(杂质含量和为29ppm)一次投料。
本实例中，三根电极布局所形成的电弧为左右不对称结构，这种布局具还有几项明显的优势。首先，两个电极位于左侧，可以通过控制电极的开闭，来控制电弧在径向方向上尺寸，而右侧为一根电极，可以通过控制与左侧两根电极的距离来控制电弧在轴向方向上的长短，因此这种电极布局兼顾了实施例1和实施例2中电极布局的优势，但更适合于熔制左右不对称的石英管体。
上述实施例中的石英刮板可用不锈钢刮板或石英棒或不锈钢棒代替。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种利用电弧熔制石英管的方法，其特征是：步骤包括：
S1.利用传动机构使模具旋转，利用离心力保证后续投入并成型的石英砂以及熔制石英管过程中熔融石英和未熔化的石英砂保持在成型所需的位置；
S2.向模具内投入石英砂形成管状结构；
当石英砂为单一材料时采取单次投料形成所需的管状结构；当石英砂为多种不同种类时采取多次投料形成所需的管状结构，不同种类石英砂为不同粒度分布或者不同石英纯度的石英砂；
所述多次投料包括轴向投料、径向投料和轴向径向混合投料；所述轴向投料是指不同种类的石英砂沿着模具轴向分布多次投料形成管状结构；所述径向投料是指不同种类的石英砂沿着模具径向分布多次投料形成管状结构；所述轴向径向混合投料是指管状结构的部分区域由不同种类的石英砂沿着模具轴向分布投料形成，同时其它部分区域由不同种类的石英砂沿着模具径向分布投料形成；
S3.利用电极夹持机构夹持至少两根电极，启动等离子体电弧，通过电极夹持机构控制电极使电弧沿管状结构做轴向运动，所述轴向运动是利用电弧的高温区域对所述管状结构在轴向上不同区域做先后的高温加热，将石英砂熔融成预先设定结构的石英管；
在熔制过程中，利用真空系统选择性的向模具内表面施加真空吸附，通过控制真空系统所实现的实际气压大小，控制由石英砂熔化得到的管状结构中的气泡直径分布和/或密度，制得不同气泡富集结构的石英管。
2.根据权利要求1所述的一种利用电弧熔制石英管的方法，其特征是：步骤S3所述电极还做径向运动和/或改变所述电极与管状结构轴线夹角的运动，调整电弧在管状结构内的径向位置和/或径向尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种利用电弧熔制石英管的方法，其特征是：通过控制真空系统对应石英管体不同区域石英砂熔融时的实际气压大小，来控制该区域的气泡直径分布和/或密度使不同的区域具有不同气泡富集结构；所述不同区域是指沿管状结构上在轴向和径向至少一个方向不同。
4.根据权利要求1所述的一种利用电弧熔制石英管的方法，其特征是：施加真空时靠近模具内表面的压力P在10～1000mbar的数值范围内，在该数值范围内平均选取3～10个值，以平均选取的压力值熔制石英管，检测石英管内气泡的直径分布和/或密度；根据压力值与气泡直径分布和/或密度的关系，以线性内插的方法，分别得到真空值与气泡直径分布和/或密度的曲线关系，从而利用真空控制气泡的直径分布和/或密度。
5.根据权利要求1或2所述的一种利用电弧熔制石英管的方法，其特征是：步骤S3中电弧运动的极限位置是电弧的前端移动至管状结构的端口时沿在轴向方向上继续向外移动一定距离，该距离小于等于管状结构内径。
6.根据权利要求2所述的一种利用电弧熔制石英管的方法，其特征是：所述电极与管状结构轴线的夹角变化范围为0-45度。
7.根据权利要求1所述的一种利用电弧熔制石英管的方法，其特征是：所述模具旋转时角速度值大于X， X=，单位为rpm，其中r为模具内表面到轴线的最小距离，单位为米，θ为模具轴线与水平面夹角。
8.如权利要求1 所述利用电弧熔制石英管的方法所采用的一种石英管电弧熔制设备，包括：
模具，采用耐高温材料，且其内部结构形状用于石英管外轮廓成型；
传动机构，使模具绕模具轴线旋转；
电极夹持机构，用来承载电极；
供电系统，为电极的电弧提供电源；
控制系统，控制模具的旋转、电极夹持机构承载的电极的运动、供电系统提供的功率和熔制的时间；
其特征是：所述电极夹持机构夹持电极沿着模具内腔轴向运动或在轴向运动的基础上做径向运动和改变所述电极与模具轴线夹角的运动中至少一种运动；
还包括一个由控制系统控制工作状态的真空系统，所述真空系统的真空管路与模具内腔相通，为模具内表面的石英砂和/或熔融状态的石英提供真空吸附和在石英砂熔融过程中将石英砂颗粒之间的气体抽走。
9.根据权利要求8所述的石英管电弧熔制设备，其特征是：所述模具本体由透气性材料制成；或者模具本体上分布有多个透气孔且所述透气孔内塞入透气材料，所述真空管路通过透气孔与模具内腔相通。
10.根据权利要求9所述的石英管电弧熔制设备，其特征是：模具本体设有环形空腔，所述透气孔的外孔口与所述环形空腔相通，所述真空管路通过环形空腔、透气孔与模具内腔相通。
11.根据权利要求8所述的石英管电弧熔制设备，其特征是：所述模具外侧包置采用刚性耐高温高导热材料制成的外壳，为模具提供支撑和冷却的作用；外壳对模具的支撑作用是指在使用过程中外壳使模具保持完整并使模具绕石英管的轴线旋转；外壳对模具的冷却作用是指外壳将熔制过程中产生并由模具传递出来的热量再传递出去。
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