專利名稱：一種高性能石英陶瓷燒成控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能石英陶瓷，具體涉及一種該石英陶瓷在間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐中燒成控制的工藝方法，屬于新材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界，常規(guī)能源供應(yīng)短缺危機日益嚴重，環(huán)境問題不斷加劇，太陽能作為新興能源有著無污染、可持續(xù)、總量大、分布廣、應(yīng)用形式多樣等優(yōu)點，世界各國對這一新興能源的利用率及低碳環(huán)保方面競爭異常激烈。高性能石英陶瓷也是用于多晶硅鑄錠用的耐高溫容器，是太陽能多晶硅生產(chǎn)過程中不可替代的關(guān)鍵消耗材料。在高性能石英陶瓷的制備過程中，高性能石英陶瓷的燒成是高性能石英陶瓷生產(chǎn)過程中能耗最大的一部分，約占整個石英陶瓷生產(chǎn)能耗的50%以上。在國家“十二五”規(guī)劃中，非常突出地強調(diào)了一個原則集約節(jié)約地利用各種資源，更進一步地提高各種能源的利用率。為應(yīng)對國際日益增長的能源挑戰(zhàn)，因此縮短石英陶瓷的燒成周期、降低能耗就成了高性能石英陶瓷燒成新型工藝的發(fā)展方向。燒成是高性能石英陶瓷生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它對高性能石英陶瓷的物理化學(xué)性能有很大的影響。熔融高性能石英陶瓷燒結(jié)的工藝過程中，燒成溫度制度(燒結(jié)溫度、保溫時間、升降溫速率)是非常重要的工藝參數(shù)，它不僅影響著石英陶瓷的燒成性能，而且還與胚體中方石英析晶及 晶粒長大密切相關(guān)。傳統(tǒng)的高性能石英陶瓷燒成工藝方法因為溫差的原因，容易產(chǎn)生裂紋，通過增加保溫時間來避免微裂紋的延伸，但是保溫時間一長一是增加能耗，二是熱膨脹系數(shù)顯著增大，高性能石英陶瓷強度下降。高性能石英陶瓷燒成氣氛有氧化氣氛、還原氣氛以及中性氣氛，不同的燒成氣氛下高性能石英陶瓷表現(xiàn)出的析晶能力也不同，由于目前控制系統(tǒng)的局限性，高性能石英陶瓷的燒成氣氛全部都是采用氧化氣氛燒成，氧化性氣體易于與粉體顆粒表面結(jié)合，且較高濃度的氧化性氣體能夠促進其往石英內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透、擴散，從而達到形成方石英所必需的Si/0化學(xué)計量比，進而析晶長大生成方石英，使得燒結(jié)后的高性能石英陶瓷強度下降，熱膨脹系數(shù)急劇升高，力學(xué)性能和抗熱震性惡化。高性能石英陶瓷的燒成受石英陶瓷胚體顆粒級配的影響，石英陶瓷胚體顆粒級配不合理，石英陶瓷胚體在燒成過程中很難達到結(jié)構(gòu)致密，表現(xiàn)為密度下降，強度下降。粉體顆粒過粗，表面能力低，且不利于堆積，成型胚體空隙多，原子擴散難度大，提高了燒成溫度和延長了燒成時間，不利于方石英結(jié)晶的抑制；粉體顆粒過細，增加了燒結(jié)推動力，縮短了原子擴散距離，細顆粒優(yōu)先完成擴散或熔化，同樣容易造成析晶，且冷卻過程容易開裂，另外，顆粒越細，顆粒體系中斷鍵或懸掛鍵就越多，這些處于激發(fā)狀態(tài)的鍵極易與外間滲透進入的02發(fā)生作用，從而促進析晶行為。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述存在的技術(shù)問題，提供一種高性能石英陶瓷的燒成控制方法，使用該種方法可以縮短高性能石英陶瓷燒成周期，降低能耗，確保高性能石英陶瓷的物理化學(xué)性能。有鑒于此，本發(fā)明提供ー種高性能石英陶瓷的燒成方法，主要過程包括
選擇ニ氧化硅含量達99. 00 %以上高純度石英砂塊狀原料和顆粒原料加水進行球磨，
然后進行均化，均化完成后，再加入ニ氧化硅含量達99. 00 %以上另外兩種目數(shù)高純度石英砂原料進行二次顆粒級配，攪拌形成漿料；然后攪拌將動態(tài)槳料注模固化成型，在間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐內(nèi)通過低溫階段(由室溫 300°C)、氧化分解與晶型轉(zhuǎn)變階段(300 950°C)、再次氧化分解與燒成階段(950 1136°C)、高溫保溫階段(1136°C)、冷卻階段(1136 400°C)，再冷卻階段。C (400 室溫)六步法燒制得到高性能石英陶瓷。選擇ニ氧化硅含量達99. 00%以上高純度塊狀石英砂原料和4-20目的高純度石英砂顆粒料按1:2的(質(zhì)量比例)。配加純凈水進行12-13小時球磨，然后轉(zhuǎn)入勻化罐均化，均化6天到15天完成后，達到料漿設(shè)計控制范圍，顆粒大小直徑(D10%)在1. 46-1. 49um之間，密度在1820-1830g/cm3之間，粘度在240-500cPs之間。再按料漿55% - 75% (重量百分比)，50-100目高純度石英砂顆粒料20% - 30%(重量百分比)，100-200目高純度石英砂顆粒料5% -15% (重量百分比)的比率進行二次顆粒級配配比，再加入0. 1% - 1.3% (重量百分比)的膠水進行攪拌，快速、慢速分別攪拌5 - 15分鐘后，測試粘度值達到1800-2600cPs，實現(xiàn)合理的顆粒級配，形成漿料。本發(fā)明通過該控制方法將傳統(tǒng)的高性能石英陶瓷燒成周期從23個小時縮減到了14個小吋，每ー窯減少9個小吋。且提高本發(fā)明產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。


下面結(jié)合附 圖和具體實施方式
對本發(fā)明做更進一歩地具體說明本發(fā)明的上述或其它方面要點會更加清楚。圖1為傳統(tǒng)エ藝石英陶瓷燒成周期。圖2為本發(fā)明的ー種高性能石英陶瓷燒成周期。
具體實施例方式實施例一種多晶硅鑄錠用高性能石英陶瓷燒成控制方法，其主要步驟
選擇ニ氧化硅含量達99. 00%，大小為0-60mm塊狀石英砂原料IlOOKg和4_20目的高
純度石英砂顆粒料2200Kg。配加純凈水1000L進行12小時球磨，然后轉(zhuǎn)入勻化罐均化，均化6天后，達到料漿設(shè)計控制范圍，顆粒大小直徑(D10%)在1. 47um，密度在1825g/cm3之間，粘度260cPs。再按料漿75% (重量百分比)，50-100目高純度石英砂顆粒料20% (重量百分比)，100-200目高純度石英砂顆粒料5% (重量百分比)的比率進行二次顆粒級配配比，再加入0. 1% (重量百分比)的膠水進行攪拌，快速、慢速分別攪拌5分鐘后，測試粘度值達到1800cPs，形成漿料。以下根據(jù)本發(fā)明的圖2溫度曲線，詳細解析各階段高性能石英陶瓷燒成物理化學(xué)性能變化及相應(yīng)的溫度控制方法。低溫階段(由室溫 300°C)，高性能石英陶瓷胚體在間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐內(nèi)進行燒成吋，首先是排除在干燥過程中尚未除去的殘留水分。這些殘余水分主要是吸附水和少量的游離水，其重約為2…5%。隨著水分排除固體顆粒緊密靠攏，少量的收縮。但這種收縮并不能完全填補水分所遺留的空間，因此物料的強度和氣孔率都相應(yīng)的增加。在120…140°C之前，由于坯體內(nèi)顆粒間尚有一定的空隙，水分可以自由的排除，可以迅速升溫，速度為2-10°C /分鐘。隨著溫度進ー步提高，石英陶瓷坯體中毛細管逐漸變小，石英陶瓷坯體內(nèi)汽化加劇，使得開裂傾向増大。例如，當(dāng)加熱至120°C時，一克水占有的水蒸氣容積為22. 4 X (1+120/273)/18=1.79(升)。如果石英陶瓷坯體中含有4…5%的游離水，則100克坯體的水蒸氣體積達7. 16^8. 95升，相當(dāng)于坯體體積的155倍。這些水蒸氣主要由坯體的邊角部位排出。為了保證水分排出不致使坯體開裂，在此階段應(yīng)注意均勻升溫1_2°C /min,速率要慢，時間控制在110分鐘至120分鐘之間，溫度由120_140°C逐漸加溫到300°C。如圖2中O-A段溫度曲線。在此過程中，要求通風(fēng)良好，以便使排出的水蒸氣能迅速排出窯夕卜，避免冷聚在石英陶瓷坯體表面。具體通風(fēng)エ藝參數(shù)如下在此過程中，需要通風(fēng)排濕，排濕的エ藝條件是干燥爐內(nèi)濕度達到60% ；當(dāng)通風(fēng)排濕后濕度降低到30%以下時，停止通風(fēng)排濕。氧化分解與晶型轉(zhuǎn)變階段(300 950°C )，這ー階段高性能石英陶瓷胚體內(nèi)部發(fā)生較復(fù)雜的物理化學(xué)變化，石英晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，這些變化與窯內(nèi)溫度氣氛和升溫速度有夫。石英在573°C時發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變(P_Si02— a- Si02),體積膨脹0. 82%，在920°C時就會出現(xiàn)少量液相，它的形成可起到黏結(jié)顆粒的作用，使石英胚體的機械強度増加。在此階段，從300°C勻速升溫至950°C，時間控制在90分鐘至100分鐘之間，如圖2中A-B段溫度曲線。該階段高性能石英陶瓷胚體中主要發(fā)生了球磨時形成的硅溶膠以及ー些有機添加劑的脫水與分解過程，此時物質(zhì)的傳輸是以表面擴散為主，不改變石英的非晶態(tài)。繼續(xù)氧化分解與燒成階段(950 1136°C)，本階段，燒結(jié)升溫速率也影響石英析晶，該階段升溫速率要慢，時間控制在150分鐘至160分鐘，整個過程為勻速。如圖2中B-C段溫度曲線。本階段不同的エ藝節(jié)點，產(chǎn)品會有相關(guān)的變化，具體如下在950-1020°C繼續(xù)氧化分解反應(yīng)，排除殘留結(jié)構(gòu)水。石英陶瓷胚體加熱到1020 1136°C，物質(zhì)開始通過擴散傳質(zhì)使胚體致密化和顆粒間形成牢固結(jié)合，此時物質(zhì)傳輸主要以體擴散為主，使石英開始從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。如果繼續(xù)升高溫度，則物質(zhì)體擴散更為活躍，導(dǎo)致無定性Si02的原子重新排列而形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，此時的方石英析出，同時，方石英晶粒長大。高溫保溫階段(1136°C)，在此階段適當(dāng)提升燒結(jié)溫度，有利于擴散和燒結(jié)的進行，使燒結(jié)速度加快，促進致密化。但如果溫度過高，高性能石英陶瓷的熱膨脹系數(shù)増大，而強度卻有所降低，這是由于出現(xiàn)結(jié)晶相所造成的，并且溫度過高對于設(shè)備的要求及損傷也較大，因此合理的設(shè)定該燒結(jié)溫度至關(guān)重要，本發(fā)明通過不斷實驗和總結(jié)，提取出比較合理的高溫?zé)Y(jié)溫度1136°C。另外，高溫保溫時間不易太長，高溫保溫時間愈長，其中產(chǎn)生方石英的概率就會愈大，高性能石英陶瓷的熱膨脹系數(shù)值也就愈顯著増大，在其它性能相同的情況下，強度卻有所降低。因此應(yīng)縮短保溫時間，如圖2中C-D段溫度曲線，高溫保溫時間控制在360分鐘左右。本發(fā)明高溫?zé)Y(jié)溫度較傳統(tǒng)エ藝相比溫度升高了 8°C，保溫時間縮短了 150分鐘，在高性能石英陶瓷燒成后其它性能不變的情況下，増加了石英陶瓷強度，節(jié)省了能耗。 冷卻階段(1136 400°C)，冷卻初期，由燒成溫度1136°C冷卻至800°C，這是冷卻過程的重要階段，采取快冷的方法，時間控制在55-60分鐘之間，如圖2中D-E段溫度曲線。該冷卻初期階段，如果冷卻過慢，石英陶瓷胚體黏度不斷増大，細晶減少粗晶增多，結(jié)構(gòu)不均勻，導(dǎo)致機械性能下降。冷卻中期，由800°C冷卻至400°C，這是冷卻的最危險階段，石英由塑性變?yōu)楣虘B(tài)，同時又有殘余石英晶型轉(zhuǎn)變，在573°C時a-Si02— ￠- Si02，體積收縮
0.82%，該階段冷卻速率必須緩慢，時間控制在80-90分鐘之間，如圖2中E-F段溫度曲線。該冷卻中期階段如冷卻速率過快，會產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，內(nèi)部和表面出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力。冷卻后期，由400°C冷卻至室溫，采用自然冷卻エ藝方法，燃燒停止，該冷卻后期階段，熱應(yīng)カ變小，又可以較快速度的冷卻，間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐強制排煙，降溫速度可達100°C以上，極大地降低冷卻階段的燃氣、電能耗損。如圖1和圖2所示，分別是傳統(tǒng)エ藝和本發(fā)明的溫度控制制度。如圖1是ー種傳統(tǒng)エ藝的高性能石英陶瓷燒成周期，整個燒成周期需23小時，最高溫度達到1120°C，升溫所需時間5小時，保溫所需時間12小時，降溫所需時間6小時。本發(fā)明通過不斷實驗，找到與上述本公司原料配比與エ藝下的晶相轉(zhuǎn)化點，如圖2公布一種能降低能耗的高性能石英陶瓷燒成溫度制度。綜上所述，是本發(fā)明公布的ー種高性能石英陶瓷在間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐中的快速燒成方法，與傳統(tǒng)エ藝的燒成方法相比具有以下優(yōu)點。(I)節(jié)約能源，每臺窯爐每天節(jié)省天然氣耗量9000 M3。間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐每臺電功率32KW，每臺窯爐每天降低電耗288KWH。(2)充分利用原料資源，促進高性能石英陶瓷原料、天然氣的開發(fā)利用，有效的控制高性能石英陶瓷燒成溫度曲線，縮短燒成周期9個小時，減少產(chǎn)品生產(chǎn)總エ時，提升平衡率，提高生產(chǎn)效率，促 進企業(yè)朝著高強競爭力方向發(fā)展。( 3)采用此新型燒成エ藝方法，燒結(jié)生產(chǎn)出的石英陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)非常均勻，無燒結(jié)后產(chǎn)生的裂縫，具有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性和抗炸裂能力，有效的保證了石英陶瓷在使用中的穩(wěn)定性和可靠性。(4)運行過程穩(wěn)定，實現(xiàn)了低碳、低污染排放。本發(fā)明提供了ー種高性能石英陶瓷在間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐中燒成的新エ藝方法，以上所述是本發(fā)明新燒成エ藝方法的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，節(jié)省能耗、提升性能、提升效益、低碳減污，應(yīng)視為發(fā)明專利知識保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種高性能石英陶瓷燒成控制方法，其特征在于步驟如下 選擇二氧化硅含量達99. 00%以上高純度塊狀石英砂原料和4-20目的高純度石英砂顆粒料按1:2的質(zhì)量比例混合,配加純凈水進行12-13小時球磨，然后轉(zhuǎn)入勻化罐均化，均化6天到15天完成后，達到石英陶瓷料漿控制范圍，顆粒大小直徑D10%，在1. 46-1. 49um之間，密度在1820-1830g/cm3之間，粘度在240-500cPs之間；再按料漿55% - 75%重量百分t匕，50-100目高純度石英砂顆粒料20% - 30%重量百分比，100-200目高純度石英砂顆粒料5% -15%重量百分比的比率進行二次顆粒級配配比，再加入O. 1% - 1.3%重量百分比的膠水進行攪拌，快速、慢速分別攪拌5 - 15分鐘后，測試粘度值達到1800-2600cPS，實現(xiàn)合理的顆粒級配，形成漿料。
攪拌將動態(tài)槳料注模固化，固化的工藝條件是干燥，排濕。
在間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐內(nèi)通過低溫階段、氧化分解與晶型轉(zhuǎn)變階段、再次氧化分解與燒成階段、高溫保溫階段冷卻階段，再冷卻階段六步法燒制得到高性能石英陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能石英陶瓷燒成控制方法，其特征在于所述低溫階段為溫度由室溫升至300°C ±20°C的過程，該過程份兩步具體如下在室溫-(120 140) °C，迅速升溫，速度為2-10°C /分鐘；在(120-140) °C-300°C，均勻升溫1-2°C /min，時間控制在110分鐘至120分鐘之間，溫度；在此過程中，需要通風(fēng)排濕，排濕的工藝條件是干燥爐內(nèi)濕度達到60% ；當(dāng)通風(fēng)排濕后濕度降低到30%以下時，停止通風(fēng)排濕。
3.權(quán)利要求1所述的一種高性能石英陶瓷燒成控制方法，其特征在于所述氧化分解與晶型轉(zhuǎn)變階段，該階段的溫度為300 950°C ;保溫時間控制在90分鐘至100分鐘之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能石英陶瓷燒成控制方法，其特征在于所述繼續(xù)氧化分解與燒成階段，該階段的溫度控制在950 1136°C之間，保溫時間控制在150分鐘至160分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能石英陶瓷燒成控制方法，其特征在于所述高溫保溫階段，該階段在1136±20°C的溫度下進行燒結(jié)，并高溫保溫360分鐘±10分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能石英陶瓷燒成控制方法，其特征在于所述冷卻階段，該階段的溫度控制在1136 400°C;分冷卻初期由燒成溫度11361冷卻至8001，這是冷卻過程的重要階段，采取快冷的方法，時間控制在55-60分鐘之間；冷卻中期由800°C冷卻至400°C，這是冷卻的最危險階段，石英由塑性變?yōu)楣虘B(tài)，同時又有殘余石英晶型轉(zhuǎn)變，在573°C時a -Si02 — β - Si02,體積收縮O. 82%，該階段冷卻速率必須緩慢，時間控制在80-90分鐘之間；冷卻后期由400°C冷卻至室溫，采用自然冷卻工藝方法，燃燒停止。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高性能石英陶瓷燒成控制方法，選擇99.00%以上高純度石英砂原料和合理的顆粒級配加水進行球磨，然后進行均化，均化完成后，再加入另外兩種原料進行二次顆粒級配，然后攪拌將動態(tài)槳料注模固化，在間歇式窯爐或連續(xù)式窯爐內(nèi)通過低溫階段、氧化分解與晶型轉(zhuǎn)變階段、再次氧化分解與燒成階段、高溫保溫階段、冷卻階段，再冷卻階段六步法燒制得到高性能石英陶瓷。本發(fā)明的燒成方法節(jié)約能源，促進高性能石英陶瓷原料、天然氣的開發(fā)利用，有效的控制高性能石英陶瓷燒成溫度曲線，且燒結(jié)生產(chǎn)出的石英陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)非常均勻，具有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性和抗炸裂能力；運行過程穩(wěn)定，實現(xiàn)了低碳、低污染排放。
文檔編號C04B35/64GK103030405SQ20121048039
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者陳德慧 申請人:江蘇中硅工程材料有限公司