本發(fā)明涉及玻璃、礦物或渣棉的制造。成型；玻璃。具體涉及一種氣煉石英玻璃砣及其高純石英砂熔制工藝。

背景技術(shù)：

1、石英玻璃被業(yè)內(nèi)稱為“玻璃王”，以天然結(jié)晶石英（水晶或高純硅石）或硅化合物為原料，在潔凈環(huán)境中經(jīng)高溫熔制而成。石英玻璃最早起源于國外，20世紀(jì)50年代隨著半導(dǎo)體技術(shù)和新型電光源對石英玻璃用量的激增，石英玻璃行業(yè)得以開始發(fā)展。石英玻璃具有一系列優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，包括具有極低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的耐溫性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的電絕緣性、低而穩(wěn)定的超聲延遲性、最佳紫外、可見光及近紅外光譜透過率，并擁有高于普通玻璃的機(jī)械性能，利用前述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)可以制作成石英玻璃錠材、管材、棒材、板材、坩堝、各種器皿和器件以及石英玻璃纖維和織物等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于需要提供高溫、潔凈、耐蝕、透光、濾波等各種特定的高新產(chǎn)品生產(chǎn)工藝環(huán)境如航空航天、核能激光、半導(dǎo)體、光通訊、冶金、化工、電光源等行業(yè)。

2、目前半導(dǎo)體行業(yè)是石英玻璃材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域，其他方向主要包括光伏、光纖通信和電光源等。從增速來看，半導(dǎo)體、光伏增速較高，是目前石英玻璃市場主要的增長引擎，預(yù)計(jì)未來市場占比進(jìn)一步擴(kuò)大。對此，石英拉管、石英砣和石英坩堝等石英玻璃材料及制品也迎來了新的發(fā)展空間和機(jī)遇。

3、石英拉管、石英砣和石英坩堝等在高純石英砂熔制上有所不同，對高純石英砂原料的要求則不一。氣煉運(yùn)行熔制透明石英玻璃工藝操作方法是將氣體燃料氫和氧供給氣煉車床石英噴燈點(diǎn)燃成火焰來噴射熔化天然水晶粉料，采用一次氣煉成型的工藝操作制得石英玻璃管材和器皿。氣煉石英玻璃砣也是采用此法制成。石英玻璃砣一般用于低溫區(qū)材料，而低溫區(qū)材料更多考慮氣熔石英玻璃。

4、湖州石英玻璃廠在《玻璃》上發(fā)表的論文《氣煉低壓運(yùn)行熔制石英玻璃工藝簡介》，其要對燃燒器燈頭作了改進(jìn)，采用三氧閥，各通道的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)氣不銹鋼細(xì)管與石英基礎(chǔ)桿尾端用橡膠細(xì)管連接。工藝是先燒基礎(chǔ)桿封頭，吹小泡，加料，反復(fù)燒再加料，小車向后移用托板整形同時(shí)吹氣，再燒再加料…。直至生產(chǎn)出預(yù)定長度和口徑的透明石英玻璃管材或器皿。對于氣煉石英玻璃砣，現(xiàn)有技術(shù)一般采用平面或弧形的沉積基底，與采用在基礎(chǔ)桿上生長并通過小車移動(dòng)托板整形不同?，F(xiàn)有技術(shù)中未見針對石英玻璃砣氣煉熔融制備工藝中的燈頭改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)燃燒均勻的技術(shù)方案。

5、公告號為cn104926088b的專利：高均勻合成石英玻璃砣的制備方法，采用凹型的沉積池，代替現(xiàn)有技術(shù)中平面或弧形的沉積基底，進(jìn)而避免沉積過程要求沉積砣面存在溫度梯度，保證石英玻璃砣的穩(wěn)定形成；在此基礎(chǔ)上，可以提高爐膛及整個(gè)沉積砣面的溫度，特別是提高沉積砣面邊部的溫度，減少或消除砣面溫度梯度，使砣面溫度分布均勻一致，進(jìn)而使化學(xué)氣相合成形成的二氧化硅顆粒沉積在凹形的沉積池中，在更高溫度和更均勻的溫度場下繼續(xù)熔化與擴(kuò)散，進(jìn)而改善石英玻璃中羥基等組分沿徑向與軸向分布均勻，從而提高石英玻璃的結(jié)構(gòu)均勻性。其為了減小沉積過程中沉積面的溫度梯度，同時(shí)控制沉積面的沉積溫度，在沉積爐爐膛內(nèi)圍繞沉積池設(shè)置一圈輔助加熱裝置，但輔助加熱裝置的設(shè)置為了使得沉積砣面邊部的不同位置溫度升溫均勻，其需要再設(shè)置隔離結(jié)構(gòu)（正如其設(shè)置了一圈爐襯），否則很難保證熱量傳遞均勻，但這樣電耗無疑增加了，但如果直接通過電阻加熱絲或其他輔助加熱裝置對玻璃石英砣輔助加熱，難以控制輔助加熱裝置對石英玻璃砣的影響。

6、公開號為cn113683291a的專利：一種生產(chǎn)大尺寸、高均勻性合成石英玻璃砣的方法，其通過增加燃燒器的數(shù)量及沉積面溫度測試保證沉積面溫度的均勻性，從而保證沉積面的溫度梯度明顯降低(小于等于10℃)。沉積爐內(nèi)壓力通過微負(fù)壓控制減少了頂部燃燒器與爐體粘連風(fēng)險(xiǎn)，爐體內(nèi)的氣流控制相對穩(wěn)定，生產(chǎn)效率明顯提高。通過增加沉積面溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控沉積面的溫度分布情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整燃燒器在不同層數(shù)的氫氣和氧氣的比例，確保沉積溫度的均勻性。但其需要增加燃燒器的數(shù)量，沉積面溫度測試的測試點(diǎn)也需要不少，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種氣煉石英玻璃砣，將原先制備時(shí)石英火焰燃燒器的一個(gè)中心火焰通過燃燒器燈頭的改進(jìn)變成多個(gè)均布火焰，從燃燒器處就實(shí)現(xiàn)均勻以更好實(shí)現(xiàn)沉積均勻，對于減少或消除砣面溫度梯度有很大的幫助作用。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種氣煉石英玻璃砣，氣煉石英玻璃砣制備時(shí)由若干個(gè)均勻布置的火焰通過氫氣、氧氣燃燒與進(jìn)料的石英砂在沉積爐內(nèi)反應(yīng)生成二氧化硅顆粒，二氧化硅顆粒在轉(zhuǎn)動(dòng)的石英玻璃靶片上逐漸沉積形成氣煉石英玻璃砣，所述氣煉石英玻璃砣的平面度小于0.05mm。將原先制備時(shí)石英火焰燃燒器的一個(gè)中心火焰通過燃燒器燈頭的改進(jìn)變成多個(gè)均布火焰，從燃燒器處就實(shí)現(xiàn)均勻以更好實(shí)現(xiàn)沉積均勻，對于減少或消除砣面溫度梯度有很大的幫助作用。

3、進(jìn)一步的技術(shù)方案是，氣煉石英玻璃砣的密度為2.2-2.3g/cm3、軟化點(diǎn)溫度為1700±30℃、可見光透光率在93%以上，在紫外線光譜區(qū)，最大透光率在80%以上、莫氏硬度7、二氧化硅含量99.997%、重量50~80kg、直徑為450~750mm、高100~200mm；光學(xué)均勻性為1.0~4.0×10-6。

4、本發(fā)明還提供的技術(shù)方案是，一種氣煉石英玻璃砣的高純石英砂熔制工藝，由如下依次進(jìn)行的工藝步驟構(gòu)成：

5、s1：啟動(dòng)沉積爐的加熱裝置對沉積爐預(yù)熱，將石英玻璃靶片逐漸上升至設(shè)定高度；

6、s2：將石英砂原料投入原料進(jìn)料口，同時(shí)通過石英火焰燃燒器通入氫氣和氧氣的混合氣體進(jìn)而將石英砂原料帶入沉積爐內(nèi)并沉積在石英玻璃靶片上；

7、s3：在沉積爐中，熔化勻速投入的石英砂原料，使其緩慢沉積于石英玻璃靶片表面，當(dāng)料面由于石英砂熔融沉積生長而升高，石英玻璃靶片逐漸下降，氣煉石英玻璃砣逐漸形成；

8、s4：生長至設(shè)定厚度后，停止進(jìn)料并關(guān)閉石英火焰燃燒器、加熱裝置，保持石英玻璃靶片旋轉(zhuǎn)；

9、s5：自然冷卻后將生長成的氣煉石英玻璃砣移出沉積爐；

10、前述石英火焰燃燒器的進(jìn)氣管設(shè)有若干根且進(jìn)氣管以石英火焰燃燒器桶狀本體的旋轉(zhuǎn)軸線呈環(huán)形陣列布置，每兩根相對設(shè)置的進(jìn)氣管一根作為氧氣進(jìn)氣管另一根作為氫氣進(jìn)氣管；石英火焰燃燒器桶狀本體的中間位置設(shè)有火焰均布板，火焰均布板上環(huán)形陣列設(shè)置貫穿孔；

11、沉積爐包括圓桶狀或方桶狀的桶狀本體，沉積爐爐壁材質(zhì)為隔熱材質(zhì)，沉積爐桶狀本體下半部分的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有凹槽，凹槽其槽深的中間位置設(shè)置作為輔助加熱機(jī)構(gòu)的加熱絲，凹槽的槽口處固定設(shè)置方槽狀巖棉板，方槽狀的巖棉板的槽側(cè)外壁固定連接在沉積爐爐底與沉積爐爐壁

12、方槽狀的巖棉板的中部設(shè)置貫穿的圓形開口，圓形開口處設(shè)置環(huán)形陣列布置呈輻射狀的巖棉框條以及位于輻射狀的巖棉框條之間的環(huán)形巖棉框條，巖棉框條、環(huán)形巖棉框條、圓形開口之間每包圍成的一個(gè)空間內(nèi)固定連接有氣包，氣包的外壁與周圍的巖棉框條、環(huán)形巖棉框條或巖棉板密封相連。對沉積爐爐腔進(jìn)行預(yù)熱的溫度為850℃～1100℃，且預(yù)熱的時(shí)間不少于24h，石英火焰燃燒器中氫氣和氧氣的流速分別為200～400l/min和100～200l/min；沉積面的溫度梯度小于20℃；沉積面溫度為1300℃～1800℃；將沉積爐爐體內(nèi)壁的溫度升高至1200℃～1300℃，所述石英玻璃靶片的溫度升高至1800℃；石英玻璃靶片呈凹槽狀且其側(cè)壁與底壁的角度為90°～150°燃燒器燈頭（即石英火焰燃燒器桶狀本體）采用環(huán)形陣列孔板（也即火焰均布板上環(huán)形陣列設(shè)置貫穿孔），保證氫氣、氧氣混合后從若干個(gè)均布的貫穿孔上噴出，保證氫氣、氧氣燃燒時(shí)產(chǎn)生多個(gè)均布火焰（一方面實(shí)現(xiàn)燃燒均勻，減少供氣的浪費(fèi)；另一方面擴(kuò)大了火焰，減少沉積砣面邊部與中部溫度相差較大的情況，通過燃燒器燈頭的改進(jìn)保證沉積面溫度的均勻性，可以減少現(xiàn)有技術(shù)中燃燒器的數(shù)量的增加數(shù)量以及沉積面溫度測試點(diǎn)的數(shù)量；通過均布的火焰使得沉積而成的氣煉石英玻璃砣的平面度、粗糙度更好，能夠減少后續(xù)針對石英玻璃坯的滾圓、銑磨、平面磨、研磨和拋光的工作量，甚至能夠適當(dāng)減少前述后續(xù)處理工序如平面磨或研磨等）。

13、進(jìn)一步的技術(shù)方案為，加熱裝置由位于石英火焰燃燒器進(jìn)氣口處的主加熱機(jī)構(gòu)和位于沉積爐桶狀本體壁內(nèi)的輔助加熱機(jī)構(gòu)構(gòu)成；輔助加熱機(jī)構(gòu)包括位于沉積爐桶狀本體壁內(nèi)的的加熱絲、沉積爐桶狀本體內(nèi)壁開口處設(shè)置的環(huán)形陣列孔板。主加熱機(jī)構(gòu)可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的加熱線圈和高頻電源柜等。主加熱機(jī)構(gòu)用于對沉積爐開始工作前預(yù)熱，輔助加熱裝置的設(shè)置使得沉積砣面邊部的不同位置溫度升溫均勻，直接通過加熱絲對玻璃石英砣輔助加熱，通過環(huán)形陣列孔板的形式控制輔助加熱裝置對石英玻璃砣的影響，盡可能使得熱量傳遞均勻，在熱量直接向爐腔傳遞的過程中，由于環(huán)形陣列孔板的設(shè)置，部分熱量被擋，部分熱量從環(huán)形陣列孔板的貫穿孔通過直接向爐腔傳遞，因此形成穿過貫穿孔的熱量相互之間有一定的傳遞動(dòng)作，所以熱量相對較為均勻。

14、進(jìn)一步的技術(shù)方案為，環(huán)形陣列孔板設(shè)有由內(nèi)至外的兩塊并且兩塊環(huán)形陣列孔板錯(cuò)位設(shè)置。由于內(nèi)外設(shè)置的兩塊環(huán)形陣列孔板錯(cuò)位設(shè)置，所以加熱絲產(chǎn)生的熱量能夠比較均勻地傳遞到沉積爐的爐腔內(nèi)（因?yàn)榧訜峤z產(chǎn)生的熱量先通過外側(cè)的環(huán)形陣列孔板上的通孔向爐腔傳遞，而由于內(nèi)側(cè)錯(cuò)位設(shè)置的環(huán)形陣列孔板，則熱量傳遞方向發(fā)生改變，在改變過程中相互傳遞，使得通過內(nèi)側(cè)環(huán)形陣列孔板上通孔傳遞的熱量較為均勻，避免加熱絲產(chǎn)生熱量直接通過一層環(huán)形陣列孔板上通孔向爐腔傳遞時(shí)熱量不均的問題）。環(huán)形陣列孔板采用耐高溫保溫材料制成，如巖棉等耐高溫的無機(jī)保溫材料，這樣可以使得熱量在通過兩塊環(huán)形陣列孔板傳遞時(shí)先進(jìn)行外側(cè)不同孔位的熱量的傳遞，保證熱量的均勻，再通過內(nèi)側(cè)孔位向爐腔傳遞熱量時(shí)則比較均勻。環(huán)形陣列孔板也可以采用傳熱性好的材料，但環(huán)形陣列孔板僅設(shè)置一塊，設(shè)置在桶狀本體壁內(nèi)的外側(cè)，而桶狀本體壁內(nèi)的內(nèi)側(cè)則設(shè)置同樣材質(zhì)制成的平板，平板與環(huán)形陣列孔板之間的間距設(shè)置比采用耐高溫保溫材料制成的兩塊環(huán)形陣列孔板間距要大很多，這樣通過內(nèi)側(cè)的平板向爐腔傳遞熱量，而設(shè)置于壁內(nèi)的相對外側(cè)的環(huán)形陣列孔板則一方面使得熱量在從外至內(nèi)傳遞的過程中“混合”也即互相傳遞，另一方面采用傳熱性好的材料也減少由于環(huán)形陣列孔板的設(shè)置使得熱量的損耗。

15、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于：將原先制備時(shí)石英火焰燃燒器的一個(gè)中心火焰通過燃燒器燈頭的改進(jìn)變成多個(gè)均布火焰，從燃燒器處就實(shí)現(xiàn)均勻以更好實(shí)現(xiàn)沉積均勻，對于減少或消除砣面溫度梯度有很大的幫助作用。

16、燃燒器燈頭（即石英火焰燃燒器桶狀本體）采用環(huán)形陣列孔板（也即火焰均布板上環(huán)形陣列設(shè)置貫穿孔），保證氫氣、氧氣混合后從若干個(gè)均布的貫穿孔上噴出，保證氫氣、氧氣燃燒時(shí)產(chǎn)生多個(gè)均布火焰（一方面實(shí)現(xiàn)燃燒均勻，減少供氣的浪費(fèi)；另一方面擴(kuò)大了火焰，減少沉積砣面邊部與中部溫度相差較大的情況，通過燃燒器燈頭的改進(jìn)保證沉積面溫度的均勻性，可以減少現(xiàn)有技術(shù)中燃燒器的數(shù)量的增加數(shù)量以及沉積面溫度測試點(diǎn)的數(shù)量；通過均布的火焰使得沉積而成的氣煉石英玻璃砣的平面度、粗糙度更好，能夠減少后續(xù)針對石英玻璃坯的滾圓、銑磨、平面磨、研磨和拋光的工作量，甚至能夠適當(dāng)減少前述后續(xù)處理工序如平面磨或研磨等）。

17、主加熱機(jī)構(gòu)用于對沉積爐開始工作前預(yù)熱，輔助加熱裝置的設(shè)置使得沉積砣面邊部的不同位置溫度升溫均勻，直接通過加熱絲對玻璃石英砣輔助加熱，通過環(huán)形陣列孔板的形式控制輔助加熱裝置對石英玻璃砣的影響，盡可能使得熱量傳遞均勻，在熱量直接向爐腔傳遞的過程中，由于環(huán)形陣列孔板的設(shè)置，部分熱量被擋，部分熱量從環(huán)形陣列孔板的貫穿孔通過直接向爐腔傳遞，因此形成穿過貫穿孔的熱量相互之間有一定的傳遞動(dòng)作，所以熱量相對較為均勻。

18、由于內(nèi)外設(shè)置的兩塊環(huán)形陣列孔板錯(cuò)位設(shè)置，所以加熱絲產(chǎn)生的熱量能夠比較均勻地傳遞到沉積爐的爐腔內(nèi)（因?yàn)榧訜峤z產(chǎn)生的熱量先通過外側(cè)的環(huán)形陣列孔板上的通孔向爐腔傳遞，而由于內(nèi)側(cè)錯(cuò)位設(shè)置的環(huán)形陣列孔板，則熱量傳遞方向發(fā)生改變，在改變過程中相互傳遞，使得通過內(nèi)側(cè)環(huán)形陣列孔板上通孔傳遞的熱量較為均勻，避免加熱絲產(chǎn)生熱量直接通過一層環(huán)形陣列孔板上通孔向爐腔傳遞時(shí)熱量不均的問題）。