CN101565266A - 一种石英连熔炉超声脱气方法 - Google Patents

Abstract

一种石英连熔炉超声脱气方法，通过超声传导棒将超声波换能器的能量传导至坩锅内部的石英熔浆，所述超声传导棒设有A、B两段，A段为中空的、内填充耐高温硅油的导管，B段为实芯棒体，B段的实芯棒体的内端与坩埚固连为一体，A段的导管的外端与超声波换能器相连接，在A段的导管外设有循环冷却装置。利用超声波特殊的机械能和谐波特性，分别对石英连熔炉中石英熔浆中的气泡进行超声排气和超声气泡击碎、消融，从而达到脱气的目的。是一种简便，高效，易行的脱气方法，高效的脱气方式意味着废品率的降低，不但可以尽可能高的利用矿石原料，为企业节省成本，更可以减轻废品的处理工作，真正体现出了节能减排的生产主旨。

Description

一种石英连熔炉超声脱气方法

技术领域

本发明涉及一种石英制品的生产加工技术，特别是一种石英连熔炉超声脱气方法。

背景技术

连熔炉生产石英玻璃材料的气泡缺陷，是石英玻璃材料生产过程中技术难题之一。连熔炉石英玻璃材料中气泡的形成，主要来自于三个方面：一、石英原料内部所含气体；二、石英原料内部所含液体在高温熔融状态下气化成为气体；三、原料颗粒之间的空隙带入的气体形成的气泡。所有以上这些气泡，在生产过程中的高温熔融状态下，均有不同程度的排出。但是，总有一少部份气泡残留于石英玻璃中，进入成形流，形成石英玻璃材料产品的缺陷，降低了石英制品的机械性能、光性能、电性能。

目前国内外的生产工艺中气泡的排除可以分为两种：化学工艺排除和机械搅拌排除。

在化学工艺的排气过程中，可以针对特定矿源矿石，添加相应的物质进行反应去泡，如一般加入氢气、氦气等。但是不同的矿石品相也不同，这就需要用不同的方法来脱气。因此企业需要根据具体的矿藏来源的品质优劣来调整工艺流程，这对企业来说需要调整现有的工艺流程和生产线结构，甚至可能需要较大的资金投入，将会加大企业的负担和风险。

对于机械搅拌去泡，由于石英玻璃熔制生产过程，熔融温度极高，一般金属的耐温高度都不能满足1900～2200℃的温度；如铂的熔点为1773℃，熔点最高的金属单质是钨，熔点为3410℃。用钨金属材料做为石英玻璃生产过程中的搅拌系统，在理论上是可行的，例如：芯轴在坩埚中作位移搅动，而在实际生产工作中是不可行的。原因分析存在着以下因素：1、芯杆在坩埚中处于中心位置，是石英产品生产的成形装置，不能用于搅拌。2、石英玻璃生产所用钨坩埚内空间狭小，不足以放置搅拌机械系统。3、石英玻璃生产设备为封闭式独立系统，如放置机械搅拌系统，密闭问题十分突出。4、在石英炉内放置搅拌机械系统，将会影响炉内玻璃液的压力平衡，从而影响石英玻璃产品的规格尺寸等因素。5、机械搅拌系统会影响炉内玻璃液熔融的温度梯度与工艺制度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种简便、高效、易行的石英连熔炉超声脱气方法。使用超声波分别对石英连熔炉中石英熔浆中的气泡进行超声排气和超声气泡击碎、消融，从而达到脱气的目的。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种石英连熔炉超声脱气方法，其特点是：通过超声传导棒将超声波换能器的能量传导至坩锅内部的石英熔浆，所述超声传导棒设有A、B两段，A段为中空的、内填充耐高温硅油的导管，B段为实芯棒体，B段的实芯棒体的内端与坩埚固连为一体，A段的导管的外端与超声波换能器相连接，在A段的导管外设有循环冷却装置。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，超声传导棒与连熔炉的坩埚侧壁垂直设置，超声传导棒设有上下两层，每层均匀设置至少两根。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，超声传导棒竖向从坩埚底部的料台穿过，超声传导棒分为两组，每组至少均匀设置两根，两组传导棒的上端分别设置在坩埚内的均化澄清层和成形层内。

本发明与现有技术相比，通过超声传导棒将超声波换能器的能量传导至坩锅内部的石英熔浆，利用超声波特殊的机械能和谐波特性，达到排除石英玻璃中气泡的目的。当气泡在石英玻璃熔融的澄清过程中，将克服石英玻璃粘液的阻力，由小长大，位置由坩埚的下部逐步上升到坩埚的上部排出熔融体外，在得到一个超声波的动能时，气泡会克服临界状态，这种澄清过程会得到加速与工艺优化。这个过程不但可增强石英玻璃熔融下排泡过程的能力，还可以此增加石英玻璃材料密度，增强石英玻璃材料的机械强度等性能。超声波分别对石英连熔炉中石英熔浆中的气泡进行超声排气和超声气泡击碎、消融，从而达到脱气的目的。

本发明公开了一种简便，高效，易行的脱气方法，这不但能够为企业带来更高效的生产方式，增加产品的合格率以获得更高的生产效能，更可以将其应用到其他类似的生产工作和行业内，推动其他行业的发展。此外，高效的脱气方式意味着废品率的降低，不但可以尽可能高的利用矿石原料，为企业节省成本，更可以减轻废品的处理工作，真正体现出了节能减排的生产主旨。

具体实施方式

一种石英连熔炉超声脱气方法，通过超声传导棒将将超声波换能器的能量传导至坩锅内部的石英熔浆，利用超声波的机械能和谐波特性对石英连熔炉中石英熔浆中的气泡进行超声排气和超声气泡击碎、消融，从而达到脱气的目的，所述超声传导棒设有A、B两段，A段为中空的、内填充耐高温硅油的导管，B段为实芯棒体，B段的实芯棒体的内端与坩埚固连为一体，A段的导管的外端与超声波换能器相连接，在A段的导管外设有循环冷却装置。防止超声波在A、B段交接点产生驻波，即应保证超声波在A段的实际传输距离不能等于或者接近1/2波长的整数倍。

超声脱气可以在炉体内第一批石英砂融化后加入；另外因为拉管是一个持续的过程，相对于连熔炉长时间的工作过程相比，即使脱气设备与加温设备同时开始运行也是可行的。按照正常生产工艺进行拉制，即与普通连熔炉的拉制时机相同。在拉制过程中需要持续的对熔浆进行脱气，加入后根据实际生产中产品中气泡情况适当调整超声能量。

超声传导棒竖向从坩埚底部的料台穿过，超声传导棒分为两组，每组至少均匀设置两根，两组传导棒的上端分别设置在坩埚内的均化澄清层和成形层内。石英连熔炉，根据石英玻璃熔融炉的结构和工作过程，可沿坩埚的垂直方向从上至下分为：预热层、熔融层、均化澄清层、成形层，但在实际生产中，没有明显的区域层界限现状。在以上四个温度不同的区域内，均化澄清层温度最高(2300℃)、成形层次之(2000℃)、熔融层(1800℃)、预热层随之递减。

在呈高温熔融状态下，物料呈粘液状胶体时，引入超声波能量。超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，并且可以传递很强的能量。

对均化澄清层以上的熔浆中气泡的作用：石英玻璃在高温熔融状态下，物料呈粘液状胶体时，引入较低频率超声波能量，利用超声波特殊的机械能和谐波特性，达到排除石英玻璃中气泡的目的。当气泡在石英玻璃熔融的澄清过程中，将克服石英玻璃粘液的阻力，由小长大，在得到超声波的动能时，气泡就会克服临界状态，位置由坩埚的下部逐步上升到坩埚的上部排出熔融体外。使用超声波可以使得澄清过程得到加速与工艺优化。这个过程不但可增强石英融浆的排泡能力，还可以增加石英玻璃材料密度，增强石英玻璃材料的机械强度等性能。

超声波对成型层的作用：已有文献论证了在超声波作用下，气泡行为的改变是由于空穴冲击波所产生的定位高温高压。熔浆液在超声波细流作用下能较好地混合，因此在一定时间内辐射到熔浆各部分的能量几乎是相同的。温度对气泡破碎率的影响归因于液体介质与多种因素的相互作用，其中包括熔浆中所溶解的气体浓度、粘度、液体表面张力以及微气泡内的蒸气密度，所有这些都与温度有关。分散液中溶解的空气有两种相反的作用，一方面如果气量增加，能产生气泡的气体量也增加，在几何形状、压力、温度以及粘度固定不变的条件下，将产生大量的微气泡。另一方面，如果要崩溃的微气泡中含大量气体，微气泡的崩溃受内部气压限制，液体介质中的空穴效应由于空气的缓冲而减小。除了溶解的空气外，液体的粘度和表面张力也能起缓冲作用。当微气泡中的气体密度增加时，由于限制了微气泡的生长和崩溃，因此空穴破损作用减小。总的作用被称为空穴热力学效应。当液体温度增加时，溶解的空气量、粘度以及表面张力减小，而微气泡内部的蒸气密度增加。这些作用的综合效果表现为在合适的超声频率和强度下气泡的破碎率达到最大值。

研究及实践生产均发现，石英坩锅中气泡大部分是通过坩锅内壁溢出。这时因为石英融浆粘稠度较大，特别是熔融层粘稠度更大，因此气泡不易克服这种粘稠阻力而溢出。相对来说，坩锅内壁与融浆之间的粘稠度要低得多。

超声传导棒与连熔炉的坩埚侧壁垂直设置，超声传导棒设有上下两层，每层均匀设置至少两根。超声传导棒也可以穿过侧壁到达均化澄清层、成形层。

对均化澄清层、成形层需要加入不同频率和功率的超声波。因为这两层中的熔浆特性和气泡特性都有差异，从而导致各异的流体特性。因此超声波在这两层中的传播不尽形同。

对某批次石英砂在石英连熔炉中脱气效果试验。

分单独加超声波到均化澄清层、单独加超声波到成形层、同时在均化澄清层和成形层加入超声波等3种情况进行了试验，在试验的过程中，超声频率和功率不变，结果如下：

只加超声波到均化澄清层，结果如下：

超声波对均化澄清层气泡的作用

只加超声波到成形层，结果如下：

超声波对成形层气泡的作用

同时加超声波到均化澄清层和成形层

在上面两步试验的基础上，把超声波同时加入均化澄清层和成形层，进了试验，其中均化澄清层加入超声频率为28KHz，成形层加入超声频率为66KHz，改变超声功率，试验结果如下：

超声波对熔融层和均化澄清层气泡的作用

熔融层(KW)	2	2	2	2	4	4	4	4	6	6	6	6
													均化澄清层(KW)	2	3	4	6	2	3	4	6	2	3	4	6
次品率(％)	11	10	9	9	9	9	8	8	8	8	8	7

总体来讲具有以下规律：

1、对均化澄清层，超声功率越大，效果越好，但是此时耗能增加，且不安全因素增加。对均化澄清层，频率较低，则效果较好，这与超声波在低频情况下对液体产生的空化作用越强，产生的力度大有关。我们的试验结果是频率在28KHz时性能较佳。

3、对成形层，一般超声频率较高时，其方向性越好，但是产生的作用力减小。对成形层的作用，应该在方向性和作用力进行折衷。我们的试验结果显示，在66KHz时，作用最好。

因此引入超声能量到石英熔浆是有效果的，并有以下规律：

对成形层，超声功率越大，效果越好，但是此时耗能增加，且不安全因素增加。频率较高，效果较好，这与超声波在较高频情况下对液体作用的方向性越好，对成形层的排气能力增强。对均化澄清层，采用较低的超声频率，散射性越好，作用的范围增大。对均化澄清层的作用，应该在方向性和作用力进行折衷。

Claims (3)

1.一种石英连熔炉超声脱气方法，其特征在于：通过超声传导棒将超声波换能器的能量传导至坩锅内部的石英熔浆，所述超声传导棒设有A、B两段，A段为中空的、内填充耐高温硅油的导管，B段为实芯棒体，B段的实芯棒体的内端与坩埚固连为一体，A段的导管的外端与超声波换能器相连接，在A段的导管外设有循环冷却装置。

2.根据权利要求1所述的石英连熔炉超声脱气方法，其特征在于：超声传导棒与连熔炉的坩埚侧壁垂直设置，超声传导棒设有上下两层，每层均匀设置至少两根。

3.根据权利要求1所述的石英连熔炉超声脱气方法，其特征在于：超声传导棒竖向从坩埚底部的料台穿过，超声传导棒分为两组，每组至少均匀设置两根，两组传导棒的上端分别设置在坩埚内的均化澄清层和成形层内。