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等離子熔融工藝:生產高純度熔融石英玻璃圓筒

高純度熔融石英圓筒等離子熔融工藝研究-真空度(壓力)控制系統

摘要:等離子熔融工藝是目前國際上生產高純度熔融石英玻璃圓筒最先進的工藝之一,在產品的低羥基濃度、低缺陷濃度、成品率、生產效率和節能環保等方面具有非常突出的優勢。本文針對石英玻璃等離子熔融工藝成型設備,設計并提出了一種真空過程實現方案,可進行等離子加熱過程中的爐內真空度(氣壓)實時控制和監測,以滿足高純度熔融石英等離子工藝過程中的不同需要。

1. 簡介

等離子熔融工藝是目前生產透明和不透明熔融石英空心圓筒坯件最先進的工藝技術,通過此工藝可以一次完成高純度熔融石英圓筒胚件的制造,在成品率、生產效率和節能環保等方面具有獨到的優勢。

在等離子熔融工藝過程中,將高純石英砂注入到旋轉爐中,依靠離心力控制成品尺寸。在熔融工藝過程中,旋轉爐中的高純保護氣體使得電極間能夠激發等離子電弧,所產生的等離子電弧使晶態石英砂熔化為熔融石英。

目前全球唯一采用此獨特工藝生產熔融石英空心圓筒的廠家是德國昆希(Qsil)公司,如圖 1所示,昆希公司使用這種獨有的“一步法”等離子加熱熔融工藝生產透明和不透明熔融石英空心圓筒(坯)。

高純度熔融石英圓筒等離子熔融工藝研究-真空度(壓力)控制系統

圖1. 德國昆希(Qsil)公司等離子熔融工藝石英玻璃成型設備

熔融石英玻璃在生產過程中,熔融態的石英玻璃將發生極其復雜的氣體交換現象,此時氣體的平衡狀態與加熱溫度、爐內氣壓、氣體在各相中的分壓及其在玻璃中的溶解、擴散速度有關。因此,為獲得羥基濃度小于50ppm且總缺陷(直徑小于20um的氣泡和夾雜物)濃度小于50個/立方厘米的高純度熔融石英玻璃錠,需要根據加熱溫度選擇不同的氣體和真空工藝。本文提出了一種真空工藝實現方案,可進行等離子加熱過程中的爐內氣壓實時控制和監測,以滿足高純度熔融石英等離子熔融工藝過程中的各種不同需要。

2. 真空度(氣壓)控制和監測方案

與等離子熔融工藝石英玻璃成型設備配套的真空系統框圖如圖 2所示,可實現成型設備加熱桶內的真空度(氣壓)在0.1~700Torr范圍內的精確控制,控制精度可達到±1%以內。

如圖2所示,真空系統的設計采用了下游控制模式,也可根據具體工藝情況設計為上游和下游同時控制模式。整個真空系統主要包括氣源、進氣流量控制裝置、真空度探測器、出氣流量控制和真空泵等部分。

高純度熔融石英圓筒等離子熔融工藝研究-真空度(壓力)控制系統

圖2. 真空系統框圖

來自不同氣源的氣體通過可控閥門形成單獨或混合氣體進入歧管,然后通過一組質量流量控制器和針閥來控制進入成型設備的氣體流量,由此既能實現設備中的真空度快速控制和避免較大的過沖,又能有效節省某些較昂貴的惰性氣體。

成型設備內真空度的形成主要靠真空泵抽取實現,抽取的工藝氣體需要先經過濾裝置進行處理后再經真空泵排出。

工藝氣體的真空度(氣壓)通過兩個不同量程的真空計來進行監測,由此來覆蓋整個工藝過程中的真空度控制和測量。

真空度的精確控制采用了一組質量流量控制器、調節閥控制器和閥門,可以實現整個工藝過程中任意真空度設定點和變化斜率的準確控制。

整個真空系統內的傳感器、裝置以及閥門,采用計算機結合PLC進行數據采集并按照程序設定進行自動控制。

3. 說明

上述真空系統方案僅為初步的設計框架,并不是一個成熟的技術實施方案,還需要結合實際工藝過程和參數的調試來對真空系統方案進行修改完善。

真空度控制與其他工程參數(如溫度、流量等)控制一樣,盡管普遍都采用PID控制技術,但對真空度控制而言,則對控制器的測量精度和PID控制算法有很高的要求,而進口配套的控制器往往無法達到滿意要求。

另外,如在真空度控制過程中,真空容器中的真空度會發生改變,系統的時間常數 也隨之改變,這意味著具有固定控制參數的控制器只能最佳地控制一個壓力設定值。如果壓力設定值改變,控制器的優化功能將不再得到保證。必須對控制參數進行新的調整,通常是手動進行。

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

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