连熔法生产大尺寸石英筒工艺、石英筒及其应用的制作方法

本发明涉及石英筒加工技术领域，尤其涉及一种连熔法生产大尺寸石英筒工艺、石英筒及其应用。

背景技术：

石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英。

作为一种重要的石英制品，石英筒的传统工艺是首先生产石英铸碇，再进行切割生产石英筒。上述工艺材料利用率低，成本高，并且由于石英铸碇生成过程中内部会产生气泡，因此质量较差。尤其是大尺寸的石英玻璃管，生产难度极大，质量也无法保证。

业内连熔法目前还没有成熟的生产大尺寸的石英筒，即石英大筒的先例。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种连熔法生产大尺寸石英筒工艺，以解决上述技术问题。

一种连熔法生产大尺寸石英筒工艺，包括如下步骤：

连熔炉预热，给加热机构供电，使连熔炉的坩埚内形成梯级的加热区域；

添加原材料，通过加料口向所述连熔炉的坩埚内连续加入石英砂；

石英筒成型，石英砂经所述加热区域充分熔化，排出气体后，经成型器成型，并由炉口输出；

拉制石英筒，由所述连熔炉输出的石英筒靠重力下移，进入设置于所述连熔炉下方的石英筒承接机构，所述石英筒通过设置在石英承接机构通过石英筒轴向向上的支撑力和石英筒侧面的挤压摩擦力，使所述石英筒被缓慢匀速拉出；

石英筒尺寸调节，通过调整所述石英筒承接机构与石英筒之间的向上的支撑力和挤压摩擦力，改变所述石英筒的拉出速率，获得所需尺寸的所述石英筒；

石英筒切割，对输出稳定的所述石英筒进行切割。

进一步地，所述石英筒的直径为300-600mm，壁厚为20-100mm。

进一步地，所述梯级的加热区域是指在连熔炉内形成由上到下形成三个区域，分别为预热区，熔融区和成型区，所述预热区温度为1300-1750℃，所述熔融区温度为1800-2450℃，所述成型区温度为1750-2150℃。

进一步地，所述石英筒的拉出速率为5-30mm/min。

进一步地，控制切割设备在切割所述石英筒的同时，与所述石英筒保持相同的速率下降，所述切割设备持续被冷却。

进一步地，所述石英筒向下移动的速率为v＝(d²-d²)/(k*t)，其中v为石英筒移动速率，单位为cm/min，所述，d为石英筒外径，单位为mm，d为石英筒内径，单位为mm，t为成型区温度，单位为℃，k为系数，单位为(mm²*min)/(cm*℃)，其中k＝0.12-18。

进一步地，所述k(mm²*min)/(cm*℃)＝d²*s/q，其中d为石英筒外径，单位为mm，s为石英筒壁厚，单位为mm，q为平衡系数，等于1800000(cm*mm*℃/min)。

进一步地，所述石英筒的尺寸通过调整口模与芯模来改变。

进一步地，提供一种石英筒，所述石英筒为采用上述的生产工艺制备而成。

进一步地，石英筒的直径为300-600mm，壁厚为20-100mm，长度为10mm-2000mm。

进一步地，本申请涉及上述石英筒在半导体及光伏领域的石英玻璃法兰、石英舟的应用或在光学镀膜领域用作靶材。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：

(1)本发明的生产工艺对连熔炉生产普通石英筒的工艺进行了改革创新，通过连熔炉能够连续生产出大尺寸的石英筒，一次成型，突破了现有的二次加工成型，采用的连续熔融的生产方法，使得原大尺寸石英筒生产工艺的生产效率得到了极大的提高，节约了生产成本。

(2)本发明的生产工艺通过对预热，熔化，成型的温度设置，使得大尺寸石英筒能够连续生产，成型过程中不会因为温度过高变形，也不会因为温度过低，大尺寸石英筒内产生缺陷，如气泡，孔洞等。；

(3)本发明的生产工艺将生产普通石英的熔融区最大温度由2200℃提高到了2450℃，使石英砂在熔融区融化时，气体充分排出，避免了石英筒内出现微气泡的质量缺陷；

(4)本发明的生产工艺在连熔炉下方设置石英筒承接机构，尤其是对石英筒侧面施加摩擦力，保证了速度的控制以及横向变形的避免，同时在石英筒最下方设置轴向向上的承接力，保证了石英筒不会因石英筒重力过大而产生的严重变形，同时通过两个方向力的控制，控制石英筒的成型速度，与温度设定协同配合，保证了石英筒的连续生产，并且优化了石英筒的生产效率。

(5)本发明的工艺生产出的石英大管产品，质量稳定，并且尺寸规范，完全满足各种应用需要。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为连熔法生产大尺寸石英筒工艺的流程框图；

图2为炉体与石英筒承接机构的结构示意图；

图3为滚轮的结构示意图；

图4为裁切机构的结构示意图；

图5为裁切机构的侧视结构示意图；

图6为锯盘架的结构示意图。

图中标号：11、石英筒；12、炉体；13、加热机构；14、石英筒承接机构；15、裁切机构；16、冷却机构；17、冷却水装置；18、排烟装置；

21、炉盖；22、坩埚；23、芯杆；24、控气装置；25、成型器；26、加料口；27、炉口；28、高温砖；29、保温砂；

31、加热网；32、主电极；33、辅助加热环；34、辅助电极；

41、安装架；42、滚轮组；43、基板；44、第一驱动气缸；45、第一活塞杆；46、轨道杆；47、滚轮；48、抱紧凹槽；49、防滑层；

51、滑杆；52、支撑板；53、第二驱动气缸；54、第二活塞杆；55、移动板；56、套筒；57、连接板；58、第三驱动气缸；59、第三活塞杆；510、安装板；511、锯盘架；512、电动转轴；513、切割锯盘；

61、冷却水箱；62、出水管；63、调节阀；64、出水孔；65、伸缩水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种连熔法生产大尺寸石英筒工艺，包括如下步骤：

s11连熔炉预热，给加热机构供电，使连熔炉的坩埚内形成梯级的加热区域。加热机构包括加热网以及辅助加热环，加热网以及辅助加热环分别独立供电，使坩埚内由上至下，位于加热网上方的区域形成预热区，位于加热网覆盖的区域形成熔融区，位于辅助加热环包围的区域形成成型区。通过调节加热网的输出功率，控制熔融区的温度处于1800-2450℃，通过调节辅助加热环的输出功率，控制成型区的温度为1800-2450℃。具体地，成型区的温度控制可根据熔融区的温度进行调整，保证低于熔融区的温度，达到有效的降温成型作用，可控制为熔融区和成型区，所述预热区温度为1300-1750℃，所述熔融区温度为1800-2450℃，所述成型区温度为1750-2150℃。

s12添加原材料，通过加料口向连熔炉的坩埚内连续加入石英砂；添加原料的速度和重量保证生产过程中石英熔融液面高度保持不变。

s13石英筒成型，石英砂经加热区域充分熔化，排出气体后，经成型器成型，经成型器成型，并由炉口输出，具体的石英筒的直径和厚度由芯模和口模的尺寸和位置来改变；并结合后续拉制速度最终得到成品的尺寸要求。

s14拉制石英筒，由所述连熔炉输出的石英筒靠重力下移，进入设置于所述连熔炉下方的石英筒承接机构，所述石英筒通过设置在石英承接机构通过石英筒轴向向上的支撑力和石英筒侧面的挤压摩擦力，使所述石英筒被缓慢匀速拉出；

所述轴向向上支持力可以是动态液压机构，其支撑石英筒向下运动，并且可以连续作业，可以设置单独的向上支撑装置，支撑装置为套管，套管上部设置有平板结构，平板支撑石英筒；

所述支撑机构还可以是液压平台，所述液压平台上设置有剪切板，所述液压平台运动过程中于石英筒拉动方向同步，当石英筒按照需要进行剪切后，剪切片上也可以设置支撑装置，剪切后剪切片作为支撑装置与石英筒同步运动，剪切片对石英筒提供向上支撑力。所述剪切片可以为两个，支撑装置也是两个，交替进行。

同时，也可以是现有的可以实现连续支撑的装置。

所述石英筒侧面的挤压摩擦力可以是在炉体的下方设置有侧面挤压摩擦机构；侧面挤压摩擦机构可以是2个以上的夹住石英筒外壁并与石英筒外壁同步运动的夹持块，夹持辊，或者夹持环。

侧面挤压摩擦机构还可以是固定的可以旋转的辊，设置在石英筒外壁上，所述辊可以旋转，石英筒向下运动，所述辊给与石英筒横向的力，石英辊位置不变，进行滚动，形成对石英筒的侧面的挤压摩擦力。

同时，也可以是现有的，向下运动进行夹住的机构，包括但不限于类似于冶金铸造的结晶器，传动辊等。

s15石英筒尺寸调节，通过调整所述石英筒承接机构与石英筒之间的向上的支撑力和挤压摩擦力，改变所述石英筒的拉出速率，获得所需尺寸的所述石英筒；

s16石英筒切割，对输出稳定的所述石英筒进行切割对输出稳定的石英筒进行切割，控制切割设备在切割石英筒的同时，与石英筒保持相同的速率下降，避免石英筒因下降而造成切割不齐的问题。可选地，将切割下来的石英筒翻转，使其沿水平方向传输。

实施例1

所述石英筒的直径为600mm，壁厚为60mm。

所述梯级的加热区域是指在连熔炉内形成由上到下形成三个区域，分别为预热区，熔融区和成型区，所述预热区温度为1650℃，所述熔融区温度为2200℃，所述成型区温度为1800℃。

选择k＝d²*s/1800000＝12。

石英筒向下移动速率为v＝(600²-480²)/(12*1800)＝6.3cm/min。

上述温度，速率可连续生产直径为600mm，壁厚为60mm石英筒。生产出的石英筒连续以10cm取样取10个小样，进行横截面测量，均未产生偏心，并且10个小样的内径和外径进行比较，偏差在0.01％以内。

实施例2

所述石英筒的直径为300mm，壁厚为30mm。

所述梯级的加热区域是指在连熔炉内形成由上到下形成三个区域，分别为预热区，熔融区和成型区，所述预热区温度为1720℃，所述熔融区温度为2250℃，所述成型区温度为1780℃。

k＝d²*s/1800000＝1

所述石英筒向下移动的速率为v＝(300²-260²)/(1*1780)＝12.58cm/min。

上述温度，速率可连续生产直径为300mm，壁厚为30mm石英筒。生产出的石英筒连续以10cm取样取10个小样，进行横截面测量，均未产生偏心，并且10个小样的内径和外径进行比较，偏差在0.01％以内。

实施例3

所述石英筒的直径为500mm，壁厚为60mm。

所述梯级的加热区域是指在连熔炉内形成由上到下形成三个区域，分别为预热区，熔融区和成型区，所述预热区温度为1730℃，所述熔融区温度为2150℃，所述成型区温度为1795℃。

k(mm²*min)/(cm*℃)＝500²*40/1800000(cm*mm*℃/min)＝5.55

所述石英筒向下移动的速率为v＝(500²-420²)/(5.55*1795)＝7.38cm/min。

上述温度，速率可连续生产直径为500mm，壁厚为60mm石英筒。生产出的石英筒连续以10cm取样取10个小样，进行横截面测量，均未产生偏心，并且10个小样的内径和外径进行比较，偏差在0.01％以内。

从实施例1-3可以看出，本申请开拓性的对大尺寸石英筒的制备工艺进行了优化和披露，同时通过设定速度，温度，尺寸之间的对应关系，保证了大尺寸石英筒生产的连续性。生产的产品效率相比二次成型大大提高，同时质量得到了保证，并且不会产生其他材料损耗，节约了成本。

请参考图2～图6，根据本发明的一个实施例，提供了一种连熔法生产大尺寸石英筒的装置，用于实现上述连熔法生产大尺寸石英筒的工艺，接下来，结合附图2-图6，进一步详细描述上述连熔法生产大尺寸石英筒的工艺。

所述连熔法生产大尺寸石英筒的装置包括：

炉体12以及设置于炉体12顶端的炉盖21，炉体12内设置有坩埚22；坩埚22内设置有中空的芯杆23；芯杆23的顶端伸出炉盖21连接设置有控气装置24；坩埚22的底端设置有成型器25；成型器25上设置有圆形的出料口；炉盖21的上方设置有加料口26；坩埚22的外壁上设置有加热机构13；炉体12的底端对应出料口设置有圆形的炉口27，供成型的石英筒11输出通过；

设置于炉体12下方的石英筒承接机构14；

设置于石英筒承接机构14下方的裁切机构15，裁切机构15可随石英筒11同速率下降。

在本实施例中，采用连熔法加工大尺寸的石英筒11，而大尺寸的石英筒11的管壁较厚，自重较大，加工过程中存在一些技术难点。

首先，大尺寸的石英筒11体积大，容易出现气泡等质量缺陷。本实施例中，提高连熔炉坩埚22内熔融区的温度，将熔融区的最大温度由2200℃提高到2450℃，使石英砂熔化后其内部的气体排出更加充分，避免了石英筒内出现微气泡的质量缺陷；

再有，大尺寸的石英筒11体积大、自重大，拉拔速率不好控制，拉制难度大。本实施例中，采用石英筒承接机构14控制石英筒11的输出速率，可连续拉拔出满足质量要求的大尺寸石英筒11。

大尺寸石英筒11加工时，通过加料口26连续的将石英砂原材料加入到，炉体12的坩埚22内。为使制作大尺寸石英筒11的原材料石英砂充分熔化，所需温度在1800-2450℃，因此坩埚22、芯杆23及成型器25等部件需承受超高温，可采用钨、钼或钨钼合金材料加工制成。

成型器25设置在坩埚22的底部，熔融的石英通过成型器25的出料口成型输出。针对生产大尺寸的石英筒11，将出料口的内径设置为500-650mm，可生产出外径为300-600mm、壁厚为20-100mm、10-2000mm长的大尺寸石英筒11。

生产外径为600mm、壁厚为60mm的大尺寸石英筒11时，通过石英筒承接机构14控制石英筒11以5-30mm/min的速度输出。生产石英筒11的尺寸减小时，可通过调节石英筒承接机构14，增加石英筒11的下拉速度。石英筒11的成型尺寸与拉出速度成反比关系。

石英筒11向下移动的速率为v＝(d2-d2)/(k*t)，其中v为石英筒11移动速率，单位为cm/min，d为石英筒11外径，单位为mm，d为石英筒11内径，单位为mm，t为成型区温度，单位为℃，k为系数，单位为(mm2*min)/(cm*℃)，其中k＝0.12-18。

进一步地，k(mm2*min)/(cm*℃)＝d2*s/q，其中d为石英筒外径，单位为mm，s为石英筒壁厚，单位为mm，q为平衡系数，等于1800000(cm*mm*℃/min)。

在一优选实施例中，如图1和图2所示，石英筒承接机构14包括对称的设置在石英筒11两侧的安装架41；安装架41上设置有滚轮组42；安装架42远离石英筒11的一侧设置有基板43，基板43可通过螺栓直接与周围设备固定，或通过设置架体固定；安装架41与基板43之间设置有驱动机构，可驱动安装架41沿靠近或远离石英筒11的方向移动。

驱动机构包括固定设置于基板43上的第一驱动气缸44，第一驱动气缸44的第一活塞杆45与安装架41固定连接，安装架41上位于第一驱动气缸44的两侧对称的固定连接有轨道杆46，轨道杆46远离安装架41的一端可滑动的贯通基板43，轨道杆46的长度大于第一驱动气缸44的第一活塞杆45伸长后的最大长度，可避免轨道杆46从基板43上滑脱。

滚轮组12包括沿竖直方向设置于石英筒11一侧的不少于两个的滚轮47，相邻的滚轮47之间通过齿轮组驱动连接，安装架41上设置有驱动滚轮组42转动的驱动电机。

滚轮47的外轮面上沿周向内凹形成抱紧凹槽48，增大了滚轮47与石英筒11的接触面积，提高了滚轮47的抱紧效果，抱紧凹槽48的槽面上设置有一层防滑层49，提高了滚轮47与石英筒11之间的摩擦力。

石英筒承接机构14还包括控制器和显示器，滚轮组42内设置有压力传感器，第一驱动气缸44、压力传感器及显示器均与控制器电连接。控制器通过压力传感器的压力监测，控制驱动机构带动滚轮组42移动，调节两组滚轮组42对石英筒11的抱裹力。

在本实施例中，通过压力传感器与控制器的设置，可实现对滚轮组42对石英筒11之间压力的监测。根据实际生产中的经验数据，得到不同尺寸的石英筒11所对应的下拉速度。通过控制第一活塞杆45的伸缩，从而调节滚轮组42与石英筒11之间的压力，使石英筒11获得对应的下拉速度。

压力传感器可向控制器反馈滚轮组42与石英筒11之间的压力，在显示器上实时显示，进而调节第一活塞杆45的伸缩。有效实现了滚轮组42与石英筒11之间的压力控制。

控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

在一优选实施例中，如图3～图5所示，裁切机构15包括设置于石英筒11一侧的两根竖直的滑杆51，两根滑杆51的顶端固定设置有支撑板52，支撑板52的顶面固定设置有第二驱动气缸53，第二驱动气缸53的第二活塞杆54可滑动的贯通支撑板52竖直向下设置，第二活塞杆54的底端固定连接有水平的移动板55，两根滑杆51上均可滑动的套接有套筒56，移动板55的两端分别与位于其两侧的套筒56固定连接，移动板55靠近石英筒11的一侧固定设置有连接板57，连接板57靠近石英筒11的一侧固定设置有水平的第三驱动气缸58，第三驱动气缸58的第三活塞杆59伸向石英筒11设置，第三活塞杆59靠近石英筒11的一端固定连接有安装板510，安装板510靠近石英筒11的板面上设置有锯盘架511，锯盘架511上通过电动转轴512驱动安装有水平的切割锯盘513。

在本实施例中，通过第二活塞杆54的伸长驱动，可控制移动板55沿滑杆51与石英筒11保持相同的速率向下移动。裁切机构15可设置控制系统用以控制其各个部件相互协同作业，优选与石英筒承接机构14共用一套控制系统，节约成本，且两机构之间的协同作业更加准确流畅。

通过第三活塞杆59的伸缩驱动，可完成对石英筒11的裁切。在裁切机构15下方设置承接与传输设备，将裁切下来的石英筒11接住，并翻转使其处于水平状态，然后传输走。

由于移动板55与石英筒11保持相同的速率向下移动，即切割锯盘513在竖直方向上与石英筒11是相对静止的，确保了裁切质量。

在一优选实施例中，如图3～图5所示，裁切机构15上设置有冷却机构16，冷却机构16包括设置于支撑板52上的冷却水箱61，冷却水箱61的一侧底端连通的设置有出水管62，出水管62上设置有调节阀63，锯盘架511上位于切割锯盘513的上方设置有出水孔64，出水孔64均通过伸缩水管65与出水管62相连通。

在本实施例中，为避免切割锯盘513长时间作业产生高温对石英筒11造成损坏，在裁切机构15上设置有冷却机构16，用以降低切割锯盘513的温度。设置在高处的冷却水箱61内的冷却水，经伸缩水管65和出水孔64滴在切割锯盘513上，实现对切割锯盘513的冷却。调节阀63可调节冷却水的流量，调整冷却机构16的冷却效果。

伸缩水管65可随着移动板55的移动及第三活塞杆59的伸缩而进行长短调节，避免被切割锯盘513割破。切割的石英筒11的长度较大时，伸缩水管65的长度相应的也会较长，可将伸缩水管65靠近锯盘的一端用卡扣固定到安装板510上或第三活塞杆59不影响其伸缩的端部，使伸缩水管65的活动部分远离切割锯盘513，避免其被切割锯盘513割破。

在一优选实施例中，如图1所示，加热机构13包括：包裹设置于坩埚22外周上的加热网31，加热网31电连接有主电极32；设置于辅助加热环坩埚22底端的外周上的辅助加热环33，辅助加热环33电连接有辅助电极34。

加热机构13设置有双层加热体制，分别通过主电极32和辅助电极34提供能源，可分别进行输出控制，通过调节各自的输出功率，实现了加热区域的梯级加热。呈梯级加热的加热机构13将坩埚22内的加热区域划分成预热区、熔融区和成型区，石英砂经预热区预热后，进入熔融区熔化，熔融区温度控制在1800-2450℃，使石英砂熔化更加充分，将其内部空气充分排出。熔融石英经成型区适度降温，成型区温度控制在1750-2150℃，有利于产品的成型，分级的加热机构13的加热成型效果更好。

加热机构13的加热网31所覆盖的区域的上方形成预热区，对经加料口26进入坩埚22内的石英砂进行预热；加热网31所覆盖的区域形成熔融区，对进入该区域的石英砂进行熔化；辅助加热环33所覆盖的区域形成成型区，熔化后的石英玻璃熔体进入成型区后有一定的降温，调整熔体的粘度，使其可以成形被拉出，确保了产品的均匀性。

在一优选实施例中，如图1所示，炉体12内位于加热机构13的外周上设置有高温砖28，高温砖28与炉体12的内壁之间填充有保温砂29，对炉体12内进行保温，减少热量损失，增强加热效果。炉体12的底端位于炉口27的外周上设置有冷却水装置17，冷却水装置17的下方设置有排烟装置18。

在本实施例中，冷却水装置17可以是水套，设置在炉口27处，防止炉口27被氧化，同时可在炉口27出形成一个相对低温的区域，对输出的石英筒11进行适当的降温，有利于石英筒11的成型；

排烟装置18可以是高温引风机，设置于炉口27处，可将石英筒11生产过程中产生的杂质通过抽风排出。

本发明的工艺生产出的石英大管产品，质量稳定，并且尺寸规范，完全满足各种应用需要。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。