專利名稱：微正壓控制合成石英玻璃反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高性能石英玻璃的制備設備，特別涉及到制備III類和IV類高性能特種石英玻璃中的反應器。
背景技術：
透明石英玻璃在工業(yè)上有廣泛的用途，主要有以下四種主要類型和制備方法I類以天然水晶或石英砂為原料，用電熱法熔制的透明石英玻璃。熔制的氣氛有惰性氣氛、氫氣氣氛，也可以是真空。在真空或惰性氣氛下熔制的石英玻璃中羥基(-OH)含量低于5ppm(ppm＝1×10-4％)；在氫氣氣氛下熔制的石英玻璃中羥基含量可達到150ppm。此類石英玻璃的雜質含量高，Al含量為30～100ppm，堿金屬含量5～10ppm。主要應用于電光源，也應用于冶金、化工、半導體等行業(yè)。
II類天然水晶原料在氫-氧火焰中熔制成的透明石英玻璃。此類石英玻璃中羥基含量達到180～250ppm。金屬雜質含量低，Al含量少于20ppm，堿金屬含量低于5ppm，軟化溫度較I類石英玻璃低50℃。主要用于半導體，光源行業(yè)，也用于化工、冶金等行業(yè)。
III類四氯化硅氣體原料在氫-氧火焰中水解、熔制成石英玻璃。此類石英玻璃的金屬雜質含量低于1ppm，但羥基含量超過1000ppm，而且含100ppm以上的Cl。III類石英玻璃的軟化點比前兩類石英玻璃低50～100℃，但雜質含量低，光學均勻性好，透紫外，耐射線輻照，適用于光學材料。
IV類以四氯化硅氣體為原料用高頻等離子體作為熱源合成石英玻璃，該類石英玻璃中雜質含量低于1ppm，羥基含量低于5ppm，Cl含量200ppm，有較好的光學均勻性，透過光的波長范圍寬(0.18～3.5μm)，適用于高質量石英擺片和特種光學材料，如空間技術用激光反射棱鏡和光導纖維。
但是，三十多年來，在四氯化硅汽相沉積合成III類和IV類石英玻璃中，采用臥式或立式沉積爐，如中國專利CN03244051.0介紹的一種立式合成石英玻璃沉積爐，包括爐體，設置于爐體中的基礎桿，及基礎桿端頭的沉積砣面，還有置于爐體上向沉積砣面下料的燃燒器，以及用于排出爐體內煙氣的煙囪。此類沉積爐，一般通過控制下料速度、下料點分布等手段提高石英玻璃的沉積效率，對于爐體內的環(huán)境氣氛缺乏考慮和控制。
發(fā)明創(chuàng)造內容本發(fā)明的目的是提供一種用于提高合成石英玻璃過程中的沉積速率和效率的設備，具體提供一種在四氯化硅汽相沉積合成石英玻璃時能夠準確測試和控制爐膛內氣體與大氣壓力差壓的微正壓控制合成石英玻璃反應器。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種微正壓控制合成石英玻璃反應器，包括一封閉爐體，置于爐體中的基礎桿和基礎桿端頭的沉積砣面，所述爐體上部設向沉積砣面投料的燃燒器，下部設排風通道，其中，所述排風通道中設有閘板，排風通道連接排風風機；所述爐體上部還設一連通爐體內部和外界的測試管，所述測試管爐外端的一支通過閥門連通氮氣管，另一支依次連通一過濾器和通過一軟細氣管連通一差壓變送器，所述差壓變送器電連接一控制單元，控制單元電控制所述排風風機。
上述反應器中，所述控制單元包括依次電連接的信號調理箱一、控制計算機、信號調理箱二、以及一電控柜，差壓變送器接收三通導管的壓力信號，經其中的傳感元件把壓力差轉換成電流信號傳送至信號調理箱一，信號調理箱一將調理信號輸入控制計算機，經控制計算機計算得到一數(shù)字信號再輸出給信號調理箱二，再由信號調理箱二將數(shù)字信號轉變?yōu)殡娏餍盘杺魉徒o電控柜，由電控柜控制排風風機轉速從而控制閘板開口的大小來保持爐膛內恒定的差壓。
上述反應器中，所述排風通道、閘板、和排風風機為多個，并分別用電控柜控制。
上述反應器中，所述排風通道在爐體下部間隔排列，所有排風通道風口保持在同一水平面；上述反應器中，所述排風通道在爐體下部分層間隔排列，并且上下排風通道的風口依次錯開。
本發(fā)明采用上述技術方案，其優(yōu)點如下能實時檢測爐膛的微正壓值，并且能根據工藝需要實時控制入口和出口氣體的流量和流速，使爐膛內能保持一個相對恒定的微正壓值。
使爐膛氣氛保持微正壓，用于提供氫氣和氧氣流量的準確控制的依據，提高熱能的使用效率，以提高沉積效率和沉積速率，減少料的損耗，提高合成石英玻璃錠的產品質量，降低能耗。


圖1為本發(fā)明反應器結構和工作示意圖。
圖2為本發(fā)明控制單元工作程序框圖。
圖3A為本發(fā)明反應器中排風通道一種排列示意圖；圖3B為本發(fā)明反應器中排風通道另一種排列示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在四氯化硅汽相沉積合成石英玻璃過程中，爐膛內的環(huán)境氣氛對于石英玻璃的沉積有一定影響，其中，當爐膛中保持微正壓(1.5-3mm水柱)時，能提高石英玻璃沉積的效率和速率，并且能更好的穩(wěn)定爐膛中的氣流場，溫度場和濃度場?；诖耍l(fā)明人設計了一種可以使爐膛氣氛保持微正壓的反應器。
參見圖1，本發(fā)明提供的微正壓控制合成石英玻璃反應器，包括一封閉爐體4，在該爐體4中，垂直設有基礎桿和基礎桿端頭的沉積砣面5，(基礎桿隨爐體4外設的電機轉動)爐體4外側設保溫層6，在爐體4上部還設有向沉積砣面5投料的燃燒器3，在爐體4下部設有排風通道10，以上幾大部件和現(xiàn)有石英玻璃沉積爐結構相似，工作時，由燃燒器3從爐體4頂部向旋轉狀態(tài)的沉積砣面5上端投料，分散在爐腔內的二氧化硅顆粒在高溫下逐漸沉積到沉積砣面5上形成使用玻璃，爐腔內的煙氣通過排風通道10排出爐體4。
本發(fā)明中，為了隨時監(jiān)控爐體4內的壓力情況，在爐體4靠近沉積砣面5的部位設一連通爐體4內部和外界的測試管2，該測試管2為耐高溫耐腐蝕的石英玻璃管，該測試管另一端其中一支通過一氮氣截止閥17連通一氮氣管，另一支依次連通一過濾器15和通過一軟細氣管連接到一差壓變送器16，差壓變送器16的另一個口保持與大氣連通；差壓變送器16有一差壓傳感元件，該元件可以將測得的爐膛內的壓力信號轉變?yōu)殡娦盘栞敵鼋o置于爐體4外部的控制單元；另外，在排風通道10中設有可調節(jié)開口尺寸的閘板8，在排風通道10端部設排風風機7，排風風機7與一電控柜11電連接。
參見圖1，在本發(fā)明中，控制單元包括依次電連接的信號調理箱一14、控制計算機12、信號調理箱二14’、以及一電控柜11，差壓變送器接收測試2的壓力信號，經其中的傳感元件把壓力差轉換成電流信號傳送至信號調理箱一14，信號調理箱一14再將電流信號轉為計算機可接受的數(shù)字信號輸入控制計算機12，經控制計算機12將該數(shù)值與計算機內設置的微正壓值進行比較，將比較結果以數(shù)字信號的形式輸出給信號調理箱二14’，由信號調理箱二14’將該數(shù)字信號轉換為模擬電流信號后傳送給電控柜11；由電控柜11控制排風風機7的轉速從而控制閘板8開口的大小來保持爐體4內恒定的差壓。
參見圖1和圖2，上述結構的反應器工作流程如下關閉原料流量控制器1，開啟氮氣截止閥17往測試管2中的一支通入氮氣，沖洗管路中的二氧化硅粉末，然后關閉截至閥17；開始打開原料流量控制器1，往爐體4中通入氧氣、氫氣和四氯化硅蒸汽，氫氧氣在燃燒器3口燃燒，從爐體4上部投料，形成的二氧化硅微粒隨爐體4內氣流沉積到沉積砣面5上；爐膛內反應進行過程中，爐膛內氣體進入測試管2中，該氣體的氣氛與爐膛內氣氛相同，氣氛中的HCl氣體被過濾吸收器15吸收，二氧化硅粉塵被過濾吸收器15過濾(保護差壓變送器16不受腐蝕)，氣流經過過濾吸收器15后沒有差壓，氣流壓力作用于差壓變送器16，差壓變送器16將爐膛的氣體壓力和外界大氣的壓力進行計算得到壓差，再經過差壓變送器16中的傳感元件產生一個電信號傳送給信號調理箱一14，經過信號調理箱一14轉變成調理信號，調理信號經數(shù)據總線13傳送至控制計算機12，計算機12將得到的調理信號與其中設定的微正壓值進行比較，若在1.5-3mm水柱的范圍，則判斷維持爐膛內壓力，此時將一調理信號輸出至信號調理箱二14’，經信號調理箱二14’轉換為電信號輸送至電控柜11，由電控柜11控制排風風機7保持原有工作頻率；若計算機12判斷結果為差壓小于1.5mm水柱，則輸出另一組調理信號(模擬信號來減少風機的頻率)，經信號調理箱二14’和電控柜11控制排風風機7減小頻率，關小閘板8，使爐膛出氣量減小，增大壓力；若計算機12判斷結果為差壓大于3mm水柱，則通過信號調理箱二14’和電控柜11控制排風風機7增大頻率，開大閘板8，以增加爐膛排氣量，使壓力減小。如此重復循環(huán)上述過程，就可以把爐膛的微正壓控制在需要的范圍內。
從以上介紹可以了解，本發(fā)明是通過控制反應時爐膛氣體氣氛為微正壓來提高石英玻璃沉積的效率和速率。在本發(fā)明提供的反應器中，由控制單元控制爐體4中排風通道10中的閘板8開啟大小，以此調整排風量，從而保持爐膛具有恒定的差壓。本發(fā)明控制單元中所使用的數(shù)值轉換和計算設備均為現(xiàn)有配件，其中所述差壓變送器采用美國Dwyer公司的3000SGT-0產品，信號調理箱可采用研華公司的ADAM8231-1BD60工業(yè)I/O模塊，信號調理箱14將差壓差壓變送器16輸出的4-20mA的直流模擬信號，通過低通濾波、放大，把該模擬信號轉換成0-5V的數(shù)字信號傳送給計算機12。電控柜采用上海施耐德工業(yè)控制有限公司的Himel-CRN/CRS型工業(yè)控制箱，控制計算機設定的比較數(shù)值為1.5-3.0mm水柱。
為了更為精確地控制爐腔壓力，本發(fā)明中的排風通道10可以設多個，對應的，閘板和排風風機也設為多個，每個分別受電控柜11控制。參見圖3A和圖3B，設多個排風通道時，多個排風通道10在爐體4下部間隔排列，所有排風通道10保持在同一水平面，參見圖3A；也可以所有配風通道10分布在爐體下部上下兩層，每一層中的排風通道10間隔排列，并且上下兩層的排風通道10依次錯開。
經實驗驗證，采用同樣的投料方式和進樣手段，利用本發(fā)明的反應器進行微正壓控制后，石英玻璃沉積效率由原來的約6∶1提高到4∶1，沉積速率由原來的約200g/hr提高到約260g/hr。
權利要求
1.一種微正壓控制合成石英玻璃反應器，包括一封閉爐體，置于爐體中的基礎桿和基礎桿端頭的沉積砣面，所述爐體上部設向沉積砣面投料的燃燒器，下部設排風通道，其特征在于，所述排風通道中設有閘板，排風通道連接排風風機；所述爐體上部還設一連通爐體內部和外界的測試管，所述測試管爐外端的一支通過閥門連通氮氣管，另一支依次連通一過濾器和通過一軟細氣管連通一差壓變送器，所述差壓變送器電連接一控制單元，控制單元電控制所述排風風機。
2.根據權利要求1所述微正壓控制合成石英玻璃反應器，其特征在于，所述控制單元包括依次電連接的信號調理箱一、控制計算機、信號調理箱二、以及一電控柜，差壓變送器接收三通導管的壓力信號，經其中的傳感元件把壓力差轉換成電流信號傳送至信號調理箱一，信號調理箱一將調理信號輸入控制計算機，經控制計算機計算得到一數(shù)字信號再輸出給信號調理箱二，再由信號調理箱二將數(shù)字信號轉變?yōu)殡娏餍盘杺魉徒o電控柜，由電控柜控制排風風機轉速從而控制閘板開口的大小來保持爐膛內恒定的差壓。
3.根據權利要求1或2所述微正壓控制合成石英玻璃反應器，其特征在于，所述排風通道、閘板、和排風風機為多個，并分別用電控柜控制。
4.根據權利要求3所述微正壓控制合成石英玻璃反應器，其特征在于，所述排風通道在爐體下部間隔排列，所有排風通道風口保持在同一水平面；
5.根據權利要求3所述微正壓控制合成石英玻璃反應器，其特征在于，所述排風通道在爐體下部分層間隔排列，并且上下排風通道的風口依次錯開。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微正壓控制合成石英玻璃反應器，包括一封閉爐體，置于爐體中的基礎桿和基礎桿端頭的沉積砣面，爐體上部設向沉積砣面投料的燃燒器，下部設排風通道，其中，排風通道中設有閘板，排風通道連接排風風機；爐體上部還設一連通爐體內部和外界的測試管，測試管爐外端的一支通過閥門連通氮氣管，另一支依次連通一過濾器和通過一軟細氣管連通一差壓變送器，差壓變送器電連接一控制單元，控制單元電控制排風風機。本發(fā)明能實時檢測爐膛的微正壓值，實時控制入口和出口氣體的流量和流速，使爐膛氣氛保持1.5－3mm水柱的微正壓，從而提高沉積效率和沉積速率，減少料的損耗，提高合成石英玻璃錠的產品質量，降低能耗。
文檔編號C03B19/14GK1811649SQ20061000026
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月10日 優(yōu)先權日2006年1月10日
發(fā)明者顧真安, 張向鋒, 饒傳東 申請人:中國建筑材料科學研究院