CN1811648A

CN1811648A - 合成石英玻璃中微正压测控方法及系统

Info

Publication number: CN1811648A
Application number: CN 200610000260
Authority: CN
Inventors: 顾真安; 张向锋; 饶传东
Original assignee: China Building Materials Academy CBMA
Current assignee: China Building Materials Academy CBMA
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2006-08-02

Abstract

本发明公开了一种在四氯化硅汽相沉积合成石英玻璃时能够准确测试和控制炉膛内气体与大气压力差压的方法以及可实现上述方法的微正压测控系统，本发明合成石英玻璃炉膛的内压信号依次通过气压传感元件、差压变送开关、信号调理箱一、计算机、信号调理箱二、以及电控柜进行传输和转换，最终由电控柜控制连通炉体的排风风机的工作频率而调整炉膛内压，使压差在1.5～3.0mm水柱范围，以此来提高石英玻璃合成过程中的沉积速率和效率。

Description

合成石英玻璃中微正压测控方法及系统

技术领域

本发明涉及高性能石英玻璃制备过程中的控制方法和系统，特别涉及到用四氯化硅汽相沉积合成III类和IV类高性能特种石英玻璃中的微正压控制。

背景技术

透明石英玻璃在工业上有广泛的用途，主要有以下四种主要类型和制备方法：

I类：以天然水晶或石英砂为原料，用电热法熔制的透明石英玻璃。熔制的气氛有惰性气氛、氢气气氛，也可以是真空。在真空或惰性气氛下熔制的石英玻璃中羟基(-OH)含量低于5ppm(ppm＝1×10^-4％)；在氢气气氛下熔制的石英玻璃中羟基含量可达到150ppm。此类石英玻璃的杂质含量高，Al含量为30～100ppm，碱金属含量5～10ppm。主要应用于电光源，也应用于冶金、化工、半导体等行业。

II类：天然水晶原料在氢--氧火焰中熔制成的透明石英玻璃。此类石英玻璃中羟基含量达到180～250ppm。金属杂质含量低，Al含量少于20ppm，碱金属含量低于5ppm，软化温度较I类石英玻璃低50℃。主要用于半导体，光源行业，也用于化工、冶金等行业。

III类：四氯化硅气体原料在氢-氧火焰中水解、熔制成石英玻璃。此类石英玻璃的金属杂质含量低于1ppm，但羟基含量超过1000ppm，而且含100ppm以上的Cl。III类石英玻璃的软化点比前两类石英玻璃低50～100℃，但杂质含量低，光学均匀性好，透紫外，耐射线辐照，适用于光学材料。

IV类：以四氯化硅气体为原料用高频等离子体作为热源合成石英玻璃，该类石英玻璃中杂质含量低于1ppm，羟基含量低于5ppm，Cl含量200ppm，有较好的光学均匀性，透过光的波长范围宽(0.18～3.5μm)，适用于高质量石英摆片和特种光学材料，如空间技术用激光反射棱镜和光导纤维。

但是，三十多年来，在四氯化硅汽相沉积合成III类和IV类石英玻璃中，一般通过控制下料速度、下料点分布等手段提高石英玻璃的沉积效率，对于炉体内的环境气氛缺乏考虑和控制。

发明创造内容

本发明的目的是提供一种在四氯化硅汽相沉积合成石英玻璃时能够准确测试和控制炉膛内气体与大气压力差压的方法，以提高石英玻璃合成过程中的沉积速率和效率。

本发明另一目的是提供实现上述方法的微正压测控系统。

本发明的微正压测控方法，包括以下步骤：

1)在合成石英玻璃的炉体侧壁设一连通炉体内外的气压传感元件，在合成石英玻璃的过程中，保持所述气压传感元件与炉体外界连通；

2)气压传感元件将炉膛气流压力作用于一差压变送开关，所述差压变送开关将炉膛的气体压力和外界大气的压力进行计算得到压差，经过其中的传感元件产生一个电流信号；

3)所述电流信号传送给信号调理箱一，所述信号调理箱一将电流信号转变成数字信号，经数据总线传送至计算机；

4)计算机将得到的数字信号与其中设定的微正压值进行比较，并将判断结果以数字信号的方式输出至信号调理箱二；

5)信号调理箱二将数字信号转换成电流信号后输出至一电控柜，由该电控柜控制连通炉体的排风风机的工作频率。

本发明合成石英玻璃中微正压测控系统，包括：

一气压传感单元，与合成石英玻璃炉体连通，用于获取炉膛气流压力；

一差压变送开关，与气压传感单元连通，该差压变送开关可将从气压传感单元获取的炉膛气体压力和外界大气的压力进行计算得到压差，并经过其中的传感元件产生一个电流信号；

一控制单元，接收差压变送开关的电流信号，并通过与预设数值的比较，发出控制指令；

一排风风机，与合成石英玻璃炉体连通，接收控制单元的控制指令而调整工作频率，通过工作频率的改变而改变风机排风量。

其中，所述控制单元具体包括：

一信号调理箱一，接收差压变送开关的电流信号，并将电流信号转变成数字信号；

一计算机，接收信号调理箱一的数字信号，将得到的数字信号与其中设定的微正压值进行比较，并将判断结果以数字信号的方式输出；

一信号调理箱二，接收计算机的数字信号，并将该数字信号转换成电流信号后输出；

一电控柜，接收信号调理箱二的电流信号，并通过该电控柜输出脉冲电流而控制排风风机的工作频率。

上述合成石英玻璃中微正压测控系统中，所述气压传感单元为一测试管，所述测试管为耐高温耐腐蚀的石英玻璃管，一端伸入炉膛，另一端的其中一支通过一氮气截止阀连通一氮气管，另一支依次连通一过滤器和通过一软细气管连接到差压变送开关，差压变送开关的另一个口保持与大气连通。

上述合成石英玻璃中微正压测控系统中，所述差压变送器为美国Dwyer公司的3000SGT-0产品，信号调理箱为研华公司的ADAM8231-1BD60工业I/O模块。

本发明采用上述技术方案，其优点如下：

能实时检测炉膛的微正压值，并且能根据工艺需要实时控制入口和出口气体的流量和流速，使炉膛内能保持一个相对恒定的微正压值。

使炉膛气氛保持微正压，用于提供氢气和氧气流量的准确控制的依据，提高热能的使用效率，以提高沉积效率和沉积速率，减少料的损耗，提高合成石英玻璃锭的产品质量，降低能耗。

附图说明

图1为本发明测控系统的组成示意图。

图2为本发明测控系统工作程序框图。

图3为本发明测控系统信息流示意图。

具体实施方式

本发明发现，在四氯化硅汽相沉积合成石英玻璃过程中会产生HCl气体和SiO₂粉末，还有尾气必须抽走至尾气吸收塔进行尾气处理，避免污染环境。但是，抽风过大，会导致热量和SiO₂粉末的损失，使炉膛温度下降和沉积速率低下，抽风过小，有会导致SiO₂粉末大量沉积在炉膛壁上形成积料，而在炉膛上方的积料，在气流波动的时候，容易掉到砣面上，使石英砣容易粘住，影响生产的进行。本发明研究发现，炉膛内的环境气氛对于石英玻璃的沉积有一定影响，其中，当炉膛中保持微正压时(1.5～3.0mm水柱)，能提高石英玻璃沉积的效率和速率，并且能更好的稳定炉膛中的气流场，温度场和浓度场。基于此，发明人提出一种能够准确测试和控制炉膛内气体与大气压力差压的方法和测试系统。以下以一具体实施例详述本发明。

图1和图3示出本发明微正压控制系统，该系统对炉体4内的气压进行监控。在该炉体4中，垂直设有基础杆和基础杆端头的沉积砣面5，(基础杆随炉体4外设的电机转动)炉体4外侧设保温层6，在炉体4上部设有向沉积砣面5投料的燃烧器3，在炉体4下部设有排风通道10，工作时，由燃烧器3从炉体4顶部向旋转状态的沉积砣面5上端投料，分散在炉腔内的二氧化硅颗粒在高温下逐渐沉积到沉积砣面5上形成使用玻璃，炉腔内的烟气通过排风通道10排出炉体4。

本发明中，为了随时监控炉体4内的压力情况，在炉体4靠近沉积砣面5的部位设一连通炉体4内部和外界的测试管2，该测试管2为耐高温耐腐蚀的石英玻璃管，该测试管另一端其中一支通过一氮气截止阀17连通一氮气管，另一支依次连通一过滤器15和通过一软细气管连接到一差压变送开关16，差压变送开关16的另一个口保持与大气连通；差压变送开关16有一差压传感元件，该元件可以将测得的炉膛内的压力信号转变为电信号输出给置于炉体4外部的控制单元；另外，在排风通道10中设有可调节开口尺寸的闸板8，在排风通道10端部设排风风机7，排风风机7与一电控柜11电连接。

参见图1和图3，在本发明中，控制单元包括依次电连接的信号调理箱一14、控制计算机12、信号调理箱二14’、以及一电控柜11，差压变送器接收测试2的压力信号，经其中的传感元件把压力差转换成电流信号传送至信号调理箱一14，信号调理箱一14再将电流信号转为计算机可接受的数字信号输入控制计算机12，经控制计算机12将该数值与计算机内设置的微正压值进行比较，将比较结果以数字信号的形式输出给信号调理箱二14’，由信号调理箱二14’将该数字信号转换为模拟电流信号后传送给电控柜11；由电控柜11控制排风风机7的转速从而控制闸板8开口的大小来保持炉体4内恒定的差压。

参见图2，本发明微正压检测系统工作流程如下：

1)关闭原料流量控制器1，开启氮气截止阀17往测试管2中的一支通入氮气，冲洗管路中的二氧化硅粉末；

2)关闭氮气截至阀17；

3)开始打开原料流量控制器1，往炉体4中通入反应气，此时，炉膛内气体进入测试管2中，该气体的气氛与炉膛内气氛相同，气氛中的HCl气体被过滤吸收器15吸收，二氧化硅粉尘被过滤吸收器15过滤(保护差压变送开关16不受腐蚀)，气流经过过滤吸收器15后没有差压；

4)气流压力作用于差压变送开关16，差压变送开关16将炉膛的气体压力和外界大气的压力进行计算得到压差，经过其中的传感元件产生一个电信号；

5)电信号传送给信号调理箱一14，经过信号调理箱一14转变成调理信号(数字信号)，调理信号经数据总线13传送至控制计算机12；

6)计算机12将得到的调理信号与其中设定的微正压值进行比较，若在1.5-3.0mm水柱的范围，则判断维持炉膛内压力，此时将一调理信号输出至信号调理箱二14’，经信号调理箱二14’转换为电信号输送至电控柜11，由电控柜11控制排风风机7保持原有工作频率完成一个检测循环；若计算机12判断结果为差压小于1.5mm水柱，则输出另一组调理信号(模拟信号来减少风机的频率)，经信号调理箱二14’和电控柜11控制排风风机7减小频率，关小闸板8，使炉膛出气量减小，增大压力；若计算机12判断结果为差压大于3.0mm水柱，则通过信号调理箱二14’和电控柜11控制排风风机7增大频率，开大闸板8，以增加炉膛排气量，使压力减小。

本发明按照上述过程重复循环，就可以把炉膛的微正压控制在需要的范围内。微正压控制范围可以在1.5-3.0mm水柱，优选1.8-2.2mm水柱，由控制计算机设定该数值范围。

从以上介绍可以了解，本发明是通过控制反应时炉膛气体气氛为微正压来提高石英玻璃沉积的效率和速率。在本发明中，控制系统控制炉体4中排风通道10中的闸板8开启大小，以此调整排风量，从而保持炉膛具有恒定的差压。本发明控制系统中所使用的数值转换和计算设备均为现有配件，其中所述差压变送器采用美国Dwyer公司的3000SGT-0产品，信号调理箱可采用研华公司的ADAM8231-1BD60工业I/O模块，信号调理箱14将差压差压变送器16输出的4-20mA的直流模拟信号，通过低通滤波、放大，把该模拟信号转换成0-5V的数字信号传送给计算机12。电控柜采用上海施耐德工业控制有限公司的Himel-CRN/CRS型工业控制箱，控制计算机设定的比较数值为1.5-3.0mm水柱，优选1.8-2.2mm水柱。

经实验验证，本发明的控制方法和系统，能够很好地控制炉膛的微正压气氛。采用同样的投料方式和进样手段，利用本发明进行微正压控制后，石英玻璃沉积效率由原来的约6∶1提高到4∶1，沉积速率由原来的约200g/hr提高到约260g/hr。

Claims

1、一种合成石英玻璃中微正压测控方法，包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述合成石英玻璃中微正压测控方法，其特征在于，其中步骤4)设定的微正压值为1.5～3.0mm水柱。

3、根据权利要求1或2所述合成石英玻璃中微正压测控方法，其特征在于，步骤4)计算机判断标准是：若比较结果在1.5-3.0mm水柱的范围，则判断维持炉膛内压力，此时输出一维持信号，经信号调理箱二进行数据转换后由电控柜控制排风风机保持原有工作频率，完成一个检测循环；若比较结果为差压小于1.5mm水柱，则输出减小信号，经信号调理箱二进行数据转换后由电控柜控制排风风机减小频率；若比较结果为差压大于3.0mm水柱，则输出增大信号，经信号调理箱二进行数据转换后由电控柜控制排风风机增大频率。

4、根据权利要求3所述合成石英玻璃中微正压测控方法，其特征在于，计算机设定的微正压值为1.8～2.2mm水柱。

5、根据权利要求1所述合成石英玻璃中微正压测控方法，其特征在于，所述气压传感元件为一测试管，并且所述测试管通过一过滤吸收器后再将气流压力传送至差压变送开关。

6、根据权利要求1所述合成石英玻璃中微正压测控方法，其特征在于，所述差压变送开关输出的电流信号为4-20mA的直流模拟信号，该电流信号经所述信号调理箱的低通滤波、放大、转换，以0-5V的数字信号传送给所述计算机。

7、一种合成石英玻璃中微正压测控系统，包括：

8、根据权利要求7所述合成石英玻璃中微正压测控系统，其特征在于，所述控制单元具体包括：

一电控柜，接收信号调理箱二的电流信号，并通过该电控柜输出脉冲电流而控制

排风风机的工作频率。

9、根据权利要求7或8所述合成石英玻璃中微正压测控系统，其特征在于，所述气压传感单元为一测试管，所述测试管为耐高温耐腐蚀的石英玻璃管，一端伸入炉膛，另一端的其中一支通过一氮气截止阀连通一氮气管，另一支依次连通一过滤器和通过一软细气管连接到差压变送开关，差压变送开关的另一个口保持与大气连通。

10、根据权利要求7或8所述合成石英玻璃中微正压测控系统，其特征在于，所述差压变送器为美国Dwyer公司的3000SGT-0产品，信号调理箱采用研华公司的ADAM8231-1BD60工业I/O模块。