超大尺寸石英锭生产装置发明专利

专利名称：超大尺寸石英锭生产装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410289766.X

专利申请（专利权）人：锦州市士成新材料有限公司
权利人地址：辽宁省锦州市滨海新区黑龙江街二段6#-2

专利发明（设计）人：张海军,张国武,王海亮,徐秀杰,孙亚光,崔超,李建新,张晨,张源,王雅明,雷阳,田月,孙浩龙

专利摘要：本发明涉及石英玻璃生产制备技术领域，尤其涉及一种超大尺寸石英锭生产装置，用以控制石英砂原料的均匀送料过程的自动下料单元、材料成型单元、石英制锭单元，和，根据石英砂原料的粒径和密度确定初始下料速度，并根据石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布确定材料成型单元中旋转机构的初始旋转速度以及根据熔化效果判定是否对旋转机构的初始旋转速度进行调整并在判定需要调整所述初始旋转速度时确定旋转速度的调整量的中枢调节单元；本发明提供的超大尺寸石英锭生产装置提高熔融过程的稳定性和效率、确保产品质量的一致性和精确性，还通过对旋转机构的旋转速度和熔化参数的调整确保石英锭在成型过程中形成更加均匀、平整的表面，提高表面的平整度和质量。

主权利要求：
1.一种超大尺寸石英锭生产装置，其特征在于，包括：
自动下料单元，用以控制石英砂原料的均匀送料过程；
材料成型单元，其与所述自动下料单元相连，包括用以通过可燃气体燃烧产生高温火焰的燃烧部，通过高温火焰将石英砂原料熔融成玻璃态石英的熔化部，以及通过承载熔融状态下的所述玻璃态石英以使石英冷却凝固形成具有设定形状和尺寸的成型部，所述成型部包括成型器和驱动成型器绕设定位置旋转的旋转机构，所述成型部承载的石英锭重量大于等于2300kg；
石英制锭单元，其与所述材料成型单元相连，用以承载所述成型部，调整所述成型部与所述熔化部相对位置，以及将冷却成型的石英锭输送至材料成型单元外部；
尾气处理单元，其与所述材料成型单元相连，用以将石英砂原料在熔融过程中产生的石英砂熔炼废物经废物处理后的气体排入大气，所述石英砂熔炼废物包括尾气、挥发物和石英砂原料，所述废物处理包括对所述石英砂熔炼废物的冷却和过滤；
中枢调节单元，其分别与所述自动下料单元、所述材料成型单元、所述石英制锭单元和所述尾气处理单元相连，用以根据石英砂原料的粒径和密度确定石英砂原料的初始下料速度，并根据石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布确定材料成型单元中旋转机构的初始旋转速度，以及，根据熔化效果判定是否对旋转机构的初始旋转速度进行调整并在判定需要调整初始旋转速度时确定旋转速度的调整量；
所述中枢调节单元根据石英砂原料的粒径和密度确定所述初始下料速度，初始下料速4
度v由以下公式进行计算， ，其中，k为关于速度的经验系数其单位为cm/min，k∈[0.5,2]，d为石英砂原料的平均粒径其单位为cm，ρ为石英砂原料的密度其单位为g/cm³；
所述中枢调节单元根据石英砂原料进入所述成型器中形成的类圆锥体的形状确定所述旋转机构的初始旋转速度，所述中枢调节单元根据图片获取装置拍摄的照片中类圆锥形状的高度和类圆锥圆形底面的直径确定类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α：若类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α大于预设夹角的角度α0，所述初始旋转速度V的计算公式为： ，若根据该公式计算得到的初始旋转速度V大于10rpm，则V取10rpm；
若类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α小于等于预设夹角的角度α0，所述初始旋转速度V的计算公式为： ，其中，Vmin为旋转速度的最小值，Vmin=3rpm，预设夹角的角度α0=15°；
所述中枢调节单元根据旋转过程中熔化的玻璃态石英形成的波纹间距确定是否对所述初始旋转速度进行调整，所述波纹间距的预设范围为[1cm,3cm]，若所述波纹间距在预设范围内，中枢调节单元判定不对初始旋转速度进行调节；
若所述波纹间距不在预设范围内，中枢调节单元判定对初始旋转速度进行调节；
所述中枢调节单元根据所述波纹间距和标准预设值的比值确定旋转速度的速度调整量，包括，若波纹间距＞3cm，则调整后的旋转速度为初始旋转速度与速度调整量之和；
若波纹间距＜1cm，则调整后的旋转速度为初始旋转速度与速度调整量之差；
所述速度调整量ΔV根据以下公式进行计算， ，其中，ΔV为速度调整量，L为波纹间距，L0为标准预设值，所述标准预设值∈预设范围，V为初始旋转速度；
生产检测单元，其与所述中枢调节单元相连，用以确定石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布和玻璃态石英的熔化效果。
2.根据权利要求1所述的超大尺寸石英锭生产装置，其特征在于，所述燃烧部包括设置在所述熔化部顶部的若干燃烧器；
所述燃烧器包括一只主燃烧器和若干副燃烧器，所述主燃烧器位于所述熔化部顶部中心，所述副燃烧器以主燃烧器为中心的预设半径处环形均匀分布；
所述主燃烧器与所述副燃烧器结构相同，单个所述燃烧器包括设置为圆形的燃烧器火焰喷出口、位于燃烧器火焰喷出口中心位置的若干下料管、设置在下料管周围的若干氧芯管以及容纳下料管和氧芯管的空腔：所述下料管设置于对应燃烧器的中心且下料管位置根据下料管数量均匀分布；
各所述氧芯管的氧气出口端向对应的燃烧器火焰喷出口中心倾斜用以使燃烧火焰聚焦在设定位置；
各所述氧芯管的氧气出口端均内缩于对应燃烧器的最外侧圆管端面；
所述空腔内通有可燃气体，包括氢气。
3.根据权利要求2所述的超大尺寸石英锭生产装置，其特征在于，所述熔化部设置为上下分体的钟罩形，包括形状设置为类半球形的顶部和位于顶部下端并与顶部相连的成型侧壁；
所述顶部、所述成型侧壁以及闭合状态的插板组成石英锭成型腔，插板设置在成型侧壁下端；
所述顶部设置有若干通孔以装配所述燃烧器，所述成型侧壁下部设置有引风口，在所述顶部和所述成型侧壁设置若干热电偶，所述成型侧壁设置有观察口，所述成型侧壁下部设置有废气排出口与所述尾气处理单元相连。
4.根据权利要求3所述的超大尺寸石英锭生产装置，其特征在于，所述生产检测单元包括确定石英砂原料在所述材料成型单元中形状分布的形状分析部和确定玻璃态石英熔化效果的熔化分析部；
所述形状分析部包括设置在成型侧壁的图片获取装置，用以获取石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布；
所述熔化分析部包括设置在观察口处的视频获取装置，用以监控石英砂原料的熔化过程。
5.根据权利要求4所述的超大尺寸石英锭生产装置，其特征在于，所述成型器包括矩形成型器和圆形成型器，所述成型器的高度大于300mm；
所述矩形成型器的底面矩形的对角线大于2000mm；
所述圆形成型器的底面圆直径大于2000mm；
所述旋转机构包括电机、旋转主轴，支撑杆、齿轮组和旋转台，所述旋转台通过圆柱体连接处与所述成型器相连，用以带动所述成型器在石英砂熔融时在所述石英锭成型腔内进行旋转以使成型器内的石英砂原料熔融均匀。
6.根据权利要求4所述的超大尺寸石英锭生产装置，其特征在于，所述石英制锭单元包括用以调整所述成型部与所述熔化部相对位置高度的升降部，其中，升降部包括两个相同结构的支撑立臂、位于两个所述支撑立臂之间的升降移动平台、驱动升降移动平台升降的升降机构和设置在两个支撑立臂外部的两个相同的配重块：所述支撑立臂位于成型侧壁下端，其上端通过插板与成型侧壁相连且其下端与水平设置的底部相连，所述支撑立臂包括设置在升降移动平台两侧用以提拉升降移动平台的第一立臂和第二立臂，所述第一立臂和所述第二立臂的结构和尺寸均相同；
所述支撑立臂与所述底部以及闭合状态的插板组成石英锭冷却腔；
所述升降移动平台位于所述支撑立臂之间，且其中心处设置有圆形通孔以使所述旋转机构的旋转主轴通过；
所述配重块包括第一配重块和第二配重块，单个配重块与对应立臂远离地面的一端通过滑轮组和铰链相连；
其中，所述第一立臂位于所述第二立臂和所述尾气处理单元之间。 说明书 : 超大尺寸石英锭生产装置技术领域[0001] 本发明涉及石英玻璃生产制备技术领域，尤其涉及一种超大尺寸石英锭生产装置。背景技术[0002] 时值目前国家能源紧缺、大力提倡生产过程的节能降耗的关键时期，同时也是国家半导体、大规模集成电路等行业处于加大力度发展的关键时期，对新材料的需求量不断增加，尤其是大尺寸和高纯新材料。石英玻璃作为一种工业基础材料，被广泛的应用于上述行业；半导体技术的飞速发展为石英玻璃行业创造了良好的发展环境，我国石英玻璃行业一半以上的产值要靠半导体行业的需求来保证。总体来看，我国半导体用石英玻璃较之国际先进水平仍然有较大差距。例如，美国的Momentive石英玻璃公司(即原GEquartz)用电熔技术制造直径2米、重达4000kg的超大型石英玻璃坨，切割成石英玻璃大板是极好的制造大型石英玻璃容器的材料，至今尚无其他企业可以比拟；随着薄膜晶体管液晶显示器（TFT‑LCD）光掩模基板的快速发展，目前已到G10.5代，对角线尺寸3200mm，同时要求较高的透过率和应力。[0003] 现有通过电熔法和气炼法制作的大尺寸石英材料，均有其弊端：电熔法虽规格容易做大，但透过率低、能耗高；气炼法目前技术难以将尺寸做大、能效较低，纯度也有较大差距。[0004] 中国专利公开号CN112624579B公开了一种一体集成法生产大直径透明石英锭的制备方法及装置，该发明采用连熔、中频、气炼一体集成技术生产大直径透明石英锭：即直接将石英粉体加入连熔炉内，通过一层低温非熔融、二层高温熔融拉制石英棒，再引入中频炉二次加热排除气体杂质，然后进行气炼沉积，形成高纯度石英锭，直径可达1000mm，连续生产和切割。由此可见，所述一体集成法生产大直径透明石英锭的制备方法及装置存在以下问题：该发明提供的石英锭制备方法步骤多、能耗高、尺寸不够大且精度低。发明内容[0005] 为此，本发明提供一种超大尺寸石英锭生产装置，用以克服现有技术中制备的锭料尺寸较小且制备的石英锭精度低，难以制备大尺寸高精度石英锭的问题。[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种超大尺寸石英锭生产装置，包括：[0007] 自动下料单元，用以控制石英砂原料的均匀送料过程；[0008] 材料成型单元，其与所述自动下料单元相连，包括用以通过可燃气体燃烧产生高温火焰的燃烧部，通过高温火焰将石英砂原料熔融成玻璃态石英的熔化部，以及承载熔融状态下的所述玻璃态石英以使石英冷却凝固形成具有设定形状和尺寸的成型部；[0009] 石英制锭单元，其与所述材料成型单元相连，用以承载所述成型部，调整所述成型部与所述熔化部相对位置，以及将冷却成型的石英锭输送至材料成型单元外部；[0010] 尾气处理单元，其与所述材料成型单元相连，用以将石英砂原料在熔融过程中产生的石英砂熔炼废物经废物处理后的气体排入大气；[0011] 中枢调节单元，其分别与所述自动下料单元、所述材料成型单元、所述石英制锭单元和所述尾气处理单元相连，用以根据石英砂原料的粒径和密度确定石英砂原料的初始下料速度，并根据石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布确定材料成型单元中旋转机构的初始旋转速度，以及，根据熔化效果判定是否对旋转机构的初始旋转速度进行调整并在判定需要调整初始旋转速度时确定旋转速度的调整量；[0012] 生产检测单元，其分别与所述中枢调节单元相连，用以确定石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布和玻璃态石英的熔化效果；[0013] 其中，所述石英砂熔炼废物包括尾气、挥发物和石英砂原料，所述废物处理包括对所述石英砂熔炼废物的冷却和过滤；[0014] 所述成型部承载的石英锭重量大于等于2300kg。[0015] 进一步地，所述燃烧部包括设置在所述熔化部顶部的若干燃烧器；[0016] 所述燃烧器包括一只主燃烧器和若干副燃烧器，所述主燃烧器位于所述熔化部顶部中心，所述副燃烧器以主燃烧器为中心的预设半径处环形均匀分布；[0017] 所述主燃烧器与所述副燃烧器结构相同，单个所述燃烧器包括设置为圆形的燃烧器火焰喷出口、位于燃烧器火焰喷出口中心位置的若干下料管、设置在下料管周围的若干氧芯管以及容纳下料管和氧芯管的空腔：[0018] 所述下料管设置于对应燃烧器的中心且下料管位置根据下料管数量均匀分布；[0019] 各所述氧芯管的氧气出口端向对应的燃烧器火焰喷出口中心倾斜用以使燃烧火焰聚焦在设定位置；[0020] 各所述氧芯管的氧气出口端均内缩于对应燃烧器的最外侧圆管燃烧端的端面；[0021] 所述空腔内通有可燃气体，包括氢气。[0022] 进一步地，所述生产检测单元包括确定石英砂原料在所述材料成型单元中形状分布的形状分析部和确定玻璃态石英熔化效果的熔化分析部；[0023] 所述形状分析部包括设置在成型侧壁的图片获取装置，用以获取石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布；[0024] 所述熔化分析部包括设置在观察口处的视频获取装置，用以监控石英砂原料的熔化过程。[0025] 进一步地，所述熔化部设置为上下分体的钟罩形，包括形状设置为类半球形的顶部和位于顶部下端并与顶部相连的成型侧壁；[0026] 所述顶部、所述成型侧壁以及闭合状态的插板组成石英锭成型腔，插板设置在成型侧壁下端；[0027] 所述顶部设置有若干通孔以装配所述燃烧器，所述成型侧壁下部设置有引风口，在所述顶部和所述成型侧壁设置若干热电偶，在所述成型侧壁设置有观察口，所述成型侧壁下部设置有废气排出口与所述尾气处理单元相连。[0028] 进一步地，所述成型部包括成型器和驱动成型器绕设定位置旋转的旋转机构；[0029] 所述成型器包括矩形成型器和圆形成型器，所述成型器的高度大于300mm；[0030] 所述矩形成型器的底面矩形的对角线大于2000mm；[0031] 所述圆形成型器的底面圆直径大于2000mm；[0032] 所述成型器的宽度大于1800mm，长度大于2000mm，高度大于300mm；[0033] 所述旋转机构包括电机、旋转主轴、支撑杆、齿轮组和旋转台，所述旋转台通过圆柱体连接处与所述成型器相连，用以带动所述成型器在石英砂熔融时在所述石英锭成型腔内进行旋转以使成型器内的石英砂原料熔融均匀。[0034] 进一步地，所述石英制锭单元包括用以调整所述成型部与所述熔化部相对位置高度的升降部，其中，升降部包括两个相同结构的支撑立臂、位于两个所述支撑立臂之间的升降移动平台、驱动升降移动平台升降的升降机构和设置在两个支撑立臂外部的两个相同的配重块：[0035] 所述支撑立臂位于成型侧壁下端，其上端通过插板与成型侧壁相连且其下端与水平设置的底部相连，所述支撑立臂包括设置在升降移动平台两侧用以提拉升降移动平台的第一立臂和第二立臂，所述第一立臂和所述第二立臂的结构和尺寸均相同；[0036] 所述支撑立臂与所述底部以及闭合状态的插板组成石英锭冷却腔；[0037] 所述升降移动平台位于所述支撑立臂之间，且其中心处设置有圆形通孔以使所述旋转机构的旋转主轴通过；[0038] 所述配重块包括第一配重块和第二配重块，单个配重块与对应立臂远离地面的一端通过滑轮组和铰链相连；[0039] 其中，所述第一立臂位于所述第二立臂和所述尾气处理单元之间。[0040] 进一步地，所述中枢调节单元根据石英砂原料的粒径和密度确定所述初始下料速度，初始下料速度v由以下公式进行计算：[0041] ，[0042] 其中，k为关于速度的经验系数，d为石英砂原料的平均粒径，ρ为石英砂原料的密度。[0043] 进一步地，所述中枢调节单元根据石英砂原料进入所述成型器中形成的类圆锥体的形状确定所述旋转机构的初始旋转速度：[0044] 若类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α大于预设夹角的角度α0，所述初始旋转速度V的计算公式为： ；[0045] 若类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α小于等于预设夹角的角度α0，所述初始旋转速度V的计算公式为： ；[0046] 其中，Vmin为旋转速度的最小值。[0047] 进一步地，所述中枢调节单元根据旋转过程中熔化的玻璃态石英形成的波纹间距确定是否对所述初始旋转速度进行调整，[0048] 若所述波纹间距在预设范围内，中枢调节单元判定不对初始旋转速度进行调节；[0049] 若所述波纹间距不在预设范围内，中枢调节单元判定对初始旋转速度进行调节。[0050] 进一步地，所述中枢调节单元在判定对初始旋转速度进行调节时根据所述波纹间距和标准预设值的比值确定旋转速度的调整量。[0051] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的一种超大尺寸石英锭生产装置能实现高效、精确、可持续地生产大尺寸的石英锭，通过自动下料单元中的分散部、载气配送部和振动部，确保均匀供应石英砂原料以避免石英锭生产过程中由于不均匀或存在杂质导致的生产效率和生产质量不高的问题，有助于提高成品的质量和一致性。[0052] 进一步地，通过材料成型单元中燃烧部产生的高温火焰，将石英砂原料熔融成玻璃态石英，并通过与中枢调节单元和生产检测单元的配合确保熔融过程中石英砂能充分熔融以形成高纯度的玻璃态石英，成型部承载熔融状态下的玻璃态石英通过石英制锭单元的升降部以使成型部的位置进行调整，以使其远离熔化部冷却后形成所需的形状和尺寸。[0053] 进一步地，中枢调节单元根据石英砂原料的粒径和密度确定初始下料速度，并根据成型部中石英砂原料的形状分布确定旋转机构的初始旋转速度，还根据熔化效果对旋转速度进行调整；生产检测单元与中枢调节单元相连以确定石英砂原料在材料成型单元中的形状分布和玻璃态石英的熔化效果，通过这两个单元的配合能实时监测和分析石英石的熔融和冷却过程，以便及时调整生产参数，提高熔融过程的稳定性和效率，从而确保产品质量的一致性和精确性。[0054] 进一步地，本发明通过中枢调节单元的调节和控制根据石英砂原料的粒径和密度确定初始下料速度，从而使得石英砂原料在材料成型单元中形成更加均匀和稳定的熔化状态，有助于减少石英锭在冷却过程中的不均匀收缩现象，提高石英锭的整体质量和稳定性，改善大尺寸石英锭冷却过程的回缩问题。[0055] 进一步地，本发明中生产检测单元与中枢调节单元相连还能实时监测和确定石英砂原料在材料成型单元中的形状分布和玻璃态石英的熔化效果，并通过及时调整旋转机构的旋转速度和熔化参数，可以确保石英锭在成型过程中形成更加均匀、平整的表面，提高表面的平整度和质量。附图说明[0056] 图1为本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置的连接图；[0057] 图2为本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置的结构示意图；[0058] 图3为本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置中燃烧器的结构示意图；[0059] 图4为本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置的使用步骤图；[0060] 图中：1，自动下料单元；2，燃烧器；3，冷风进口；4，观察口；5，测温孔；6，自动插板；7，尾气处理单元；8，旋转机构，91，第一立臂；92，第二立臂；10，升降部；11，下料管；12，氢气进气口；13，氧气进气口；14，分料器；15，分料管；16，聚焦点；171，第一配重块；172，第二配重块。具体实施方式[0061] 为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。[0062] 下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。[0063] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0064] 此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0065] 请参阅图1和图2所示，其分别为本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置的连接图和本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置的结构示意图。本发明提供一种超大尺寸石英锭生产装置，包括：[0066] 自动下料单元1，用以控制石英砂原料的均匀送料过程；[0067] 在实施中，自动下料单元1包括分散石英砂原料的分散部、使用氢气或氧气载送石英砂原料的载气配送部和将石英砂原料振动均匀的振动部，通过这三个部分的相互配合完成对石英砂原料的均匀下料过程：[0068] 首先，石英砂原料通过分散部进行均匀分散，类似于将堆积在一起的石英砂原料进行松散处理，以确保原料能够顺畅地进入后续的工艺流程；其次，分散后的石英砂原料通过载气配送部进行输送，可以选择使用氢气或氧气作为载气（优选地，选择氢气载送石英砂原料），以便将石英砂原料输送到下一个工艺单元；最后，经过载气配送部输送的石英砂原料进入振动部将石英砂原料进行振动以确保其在输送过程中保持均匀分布，避免出现堵塞或不均匀下料的情况。[0069] 即，分散部将石英砂原料进行均匀分散后，输送到载气配送部，载气配送部利用氢气或氧气作为载气，将石英砂原料输送到振动部，振动部对石英砂原料进行振动处理，确保石英砂原料在输送过程中始终保持均匀状态，为后续的材料成型单元提供均匀的原料供给，通过分散部、载气配送部和振动部的配合，自动下料单元1能够有效地控制石英砂原料的均匀下料过程，为后续工艺提供了良好的原料基础。[0070] 材料成型单元，其与所述自动下料单元1相连，包括用以通过可燃气体燃烧产生高温火焰的燃烧部，通过高温火焰将石英砂原料熔融成玻璃态石英的熔化部，以及承载熔融状态下的所述玻璃态石英以使石英冷却凝固形成具有设定形状和尺寸的成型部；[0071] 石英制锭单元，其与所述材料成型单元相连，用以承载所述成型部，调整所述成型部与所述熔化部相对位置，以及将冷却成型的石英锭输送至材料成型单元外部；[0072] 尾气处理单元7，其与所述材料成型单元相连，用以将石英砂原料在熔融过程中产生的石英砂熔炼废物经废物处理后的气体排入大气；[0073] 中枢调节单元，其分别与所述自动下料单元1、所述材料成型单元、所述石英制锭单元和所述尾气处理单元7相连，用以根据石英砂原料的粒径和密度确定石英砂原料的初始下料速度，并根据石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布确定材料成型单元中旋转机构8的初始旋转速度，以及，根据熔化效果判定是否对旋转机构8的初始旋转速度进行调整并在判定需要调整初始旋转速度时确定旋转速度的调整量；[0074] 生产检测单元，其分别与所述中枢调节单元相连，用以确定石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布和玻璃态石英的熔化效果；[0075] 其中，所述石英砂熔炼废物包括尾气、挥发物和石英砂原料，所述废物处理包括对所述石英砂熔炼废物的冷却和过滤；[0076] 所述成型部承载的石英锭重量大于等于2300kg，即制备的超大尺寸石英锭的重量大于等于2300kg。[0077] 在实施中，石英砂原料包括天然石英砂和颗粒度为50～200目的合成石英砂。[0078] 请参阅图3所示，其为本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置中燃烧器2的结构示意图。所述燃烧部包括设置在所述熔化部顶部的若干燃烧器2；[0079] 所述燃烧器2包括一只主燃烧器2和若干（3只～8只）副燃烧器2，所述主燃烧器2位于所述熔化部顶部中心，所述副燃烧器2以主燃烧器2为中心的预设半径处环形均匀分布；在实施中，副燃烧器2的作用为供氢氧气燃烧辅助加热；[0080] 所述主燃烧器2与所述副燃烧器2结构相近，单个所述燃烧器2包括设置为圆形的燃烧器2火焰喷出口、位于燃烧器2火焰喷出口中心位置的若干下料管11、设置在下料管11周围的若干氧芯管以及容纳下料管11和氧芯管的空腔：[0081] 所述下料管11设置于对应燃烧器2的中心且下料管11位置根据下料管11数量均匀分布；可以理解的是，下料管11若是一根就设置在中心处，下料管11若是大于一根就以燃烧器2中心为圆心周向（均匀）分布；[0082] 各所述氧芯管的氧气出口端向对应的燃烧器2火焰喷出口中心倾斜用以使燃烧火焰聚焦在设定位置（图3中的聚焦点16）；可以理解的是，氧芯管呈环状分布；[0083] 各所述氧芯管的氧气出口端均内缩于对应燃烧器2的最外侧圆管端面；[0084] 所述空腔内通有可燃气体，优选的，通入氢气。[0085] 在实施中，主燃烧器2的直径为120mm～250mm，下料管11数量为3个～6个，氧芯管的环数为4环～8环，氧芯管数量为152根～348根；副燃烧器2的氧芯管的环数为3环～5环，氧芯管数量为48根～128根，副燃烧器2可单管下料即下料管11为一根。[0086] 具体而言，所述生产检测单元包括确定石英砂原料在所述材料成型单元中形状分布的形状分析部和确定玻璃态石英熔化效果的熔化分析部；[0087] 所述形状分析部包括设置在成型侧壁的图片获取装置，用以获取石英砂原料在所述材料成型单元中的形状分布；[0088] 可以理解的是，设置在材料成型单元的侧壁上的图片获取装置与中枢调节单元相连，图片获取单元可以是摄像头、照相机或其他类型的图像采集设备，用于实时捕获石英砂原料在成型过程中的形状，然后将采集到的图像照片传输到中枢调节单元进行处理，中枢调节单元根据图像照片中石英砂原料的形状确定其形状分布（类圆锥形状的高度和类圆锥圆形底面的直径）。[0089] 所述熔化分析部包括设置在观察口4处的视频获取装置，用以监控石英砂原料的熔化过程；[0090] 可以理解的是，设置在两个观察口4正下方的视频获取装置为耐高温的高清摄像头以拍摄石英砂原料的整个熔融过程和冷却过程。[0091] 在实施中，图片获取装置和视频获取装置均耐高温，且均与中枢调节单元相连。[0092] 具体而言，所述熔化部设置为上下分体的钟罩形，包括形状设置为类半球形的顶部和位于顶部下端并与顶部相连的成型侧壁；[0093] 所述顶部、所述成型侧壁以及闭合状态的插板组成石英锭成型腔，插板设置在成型侧壁下端与支撑立臂之间；[0094] 所述顶部设置有若干通孔以装配所述燃烧器2，顶部还设置多个进气孔，所述成型侧壁下部设置有引风口，在所述顶部和所述成型侧壁设置若干（3只～6只）热电偶，且在所述成型侧壁设置有观察口4（在实施中设置两个大小相同且竖直排列的观察口4），所述成型侧壁下部设置有与所述尾气处理单元7相连的废气排出口。[0095] 所述插板与所述熔化部下部滑动连接，用以防止所述熔化部底部冷风进入和防止熔化部向下的热辐射；可以理解的是，中枢调节单元在熔融开始时控制自动插板6成闭合状态，以防止冷风从熔化部底部进入和熔化部底部向下产生热辐射；在熔融过程中，根据图片获取装置和视频获取装置确定熔融的状态，根据熔融高度判定是否将成型器向下移动，并将两个自动插板6向各自对应的两边打开（两插板之间的距离大于成型器的长度），以允许成型器通过的同时保证石英锭成型腔的封闭状态。[0096] 在实施中，熔化部从内至外分为内膛、中间层、外层和最外层，并根据内外顺序确定各层使用的材料，内膛采用耐高温材料，中间层采用中密度保温材料，外层采用低密度保温材料，最外层设置为中空隔热层。[0097] 在实施中，熔化部成型侧壁为圆柱体形，底部尺寸为Ø2690mm～Ø3000mm，高度800mm～1500mm，壁厚500mm～800mm。[0098] 具体而言，所述成型部包括成型器和驱动成型器绕设定位置旋转的旋转机构8；[0099] 所述成型器包括矩形成型器和圆形成型器，所述成型器的高度大于300mm；[0100] 所述矩形成型器的底面矩形的对角线大于2000mm；[0101] 所述圆形成型器的底面圆直径大于2000mm；[0102] 所述成型器的宽度大于1800mm，长度大于2000mm，高度大于300mm；[0103] 所述旋转机构8包括电机、旋转主轴、支撑杆、齿轮组和旋转台，所述旋转台通过圆柱体连接处与所述成型器相连，用以带动所述成型器在石英砂熔融时在所述石英锭成型腔内进行旋转以使成型器内的石英砂原料熔融均匀。[0104] 在实施中，电机带动齿轮组中与电机相连的第一齿轮转动，第一齿轮带动与第一齿轮垂直啮合的第二齿轮一同转动，以带动旋转主轴和旋转台一起转动，从而带动支撑杆与成型器转动。[0105] 具体而言，所述石英制锭单元包括用以调整所述成型部与所述熔化部相对位置高度的升降部10，其中，升降部10包括两个相同结构的支撑立臂、位于两个所述支撑立臂之间的升降移动平台、驱动升降移动平台升降的升降机构和设置在两个支撑立臂外部的两个相同的配重块（包括第一配重块171和第二配重块172）：[0106] 所述支撑立臂位于成型侧壁下端，其上端通过插板与成型侧壁相连（在实施中，连接的结构也可以如图2所示的支撑立臂上端悬空，自动插板位于两个水平平台（楼板）之间，上方平台（楼板）的上面安装融化部）且其下端与水平设置的底部相连，所述支撑立臂包括设置在升降移动平台两侧用以提拉升降移动平台的第一立臂91和第二立臂92，所述第一立臂91和所述第二立臂92的结构和尺寸均相同，所述第一立臂91平行于所述第二立臂92且第一立臂91和第二立臂92均垂直于水平面；[0107] 所述支撑立臂与所述底部以及闭合状态的插板组成石英锭冷却腔，自动插板6通过滑动分隔成型侧壁内腔与制锭侧壁内腔（可以理解的是，本发明提供的石英制锭单元为是敞开系统、没有封闭内腔，主要由两个立臂和上下移动的平台组成）；[0108] 所述升降移动平台位于所述支撑立臂之间，且其中心处设置有圆形通孔以使所述旋转机构8的旋转主轴通过（可以理解的是，支撑杆与升降移动平台滑动连接，随升降移动平台同步移动）；[0109] 所述配重块包括第一配重块和第二配重块，单个配重块与对应立臂远离地面的一端通过滑轮组和铰链相连；[0110] 其中，所述第一立臂91位于所述第二立臂92和所述尾气处理单元7之间。[0111] 在实施中，升降部10中升降移动平台的净负载为8000kg，上下净行程为1200mm，升降速度范围5mm/h～15mm/h；上下移动采用光栅尺精确定位。[0112] 在实施中，升降移动平台中部设置有由石英或耐火材料砌筑的支撑杆，直径为1000mm～1500mm，支撑杆顶部放置成型器。[0113] 具体而言，所述中枢调节单元根据石英砂原料的粒径和密度确定所述初始下料速度，初始下料速度v由以下公式进行计算：[0114] ，[0115] 其中，k为关于速度的经验系数，d为石英砂原料的平均粒径，ρ为石英砂原料的密度。[0116] 在实施中，k∈[0.5,2]；k越大表示需要较高的初始下料速度；优选地，k取41.05cm/min。[0117] 可以理解的是，石英砂原料的粒径范围包括2mm～4.75mm的粗砂，0.425mm～2mm的中砂，0.075mm～0.425mm的细砂，以及，小于0.075mm的粉砂；石英砂原料的密度范围通常为2.65g/cm³～2.75g/cm³（在实施中，实际生产中石英砂原料的粒径多为200～80目，即粒径30.075mm～0.18mm，大块石英矿石密度为2.7g/cm左右，但加工后的石英砂的密度一般小于32g/cm），在实施中，多使用加工后的石英砂原料，即粒径0.075mm～0.18mm，密度一般小于32g/cm。[0118] 在实施中，计算初始下料速度v时，不带量纲进行计算；例如，石英砂原料粒径为0.15mm，密度为1.95g/cm³，k=1.05，则v=20×1.05×1.95÷0.015＝2730g/min＝2.73kg/min。[0119] 具体而言，所述中枢调节单元根据石英砂原料进入所述成型器中形成的类圆锥体的形状确定所述旋转机构8的初始旋转速度：[0120] 若类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α大于预设夹角的角度α0，所述初始旋转速度V的计算公式为： ；[0121] 若类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α小于等于预设夹角的角度α0，所述初始旋转速度V的计算公式为， ；[0122] 其中，Vmin为旋转速度的最小值，Vmin=3rpm。[0123] 可以理解的是，预设夹角的角度α0=15°。[0124] 在实施中，中枢调节单元根据图片获取装置拍摄的照片中类圆锥形状的高度和类圆锥圆形底面的直径确定类圆锥体母线与类圆锥底面的夹角α；若根据公式计算得到的初始旋转速度V大于10rpm，则V取10rpm。[0125] 具体而言，所述中枢调节单元根据旋转过程中熔化的玻璃态石英形成的波纹间距确定是否对所述初始旋转速度进行调整，[0126] 若所述波纹间距在预设范围内，中枢调节单元判定不对初始旋转速度进行调节；[0127] 若所述波纹间距不在预设范围内，中枢调节单元判定对初始旋转速度进行调节。[0128] 在实施中，波纹间距的预设范围为[1cm,3cm]中枢调节单元根据视频获取装置拍摄的视频确定熔融石英砂原料的过程中形成的波纹间距。[0129] 具体而言，所述中枢调节单元在判定对初始旋转速度进行调节时根据所述波纹间距和标准预设值的比值确定旋转速度的调整量；[0130] 其中，所述标准预设值∈预设范围，在实施中标准预设值=2cm。[0131] 当波纹间距＞3cm时，调整后的旋转速度＞初始旋转速度，即调整后的旋转速度=初始旋转速度+速度调整量；当波纹间距＜1cm时，调整后的旋转速度＜初始旋转速度，即调整后的旋转速度=初始旋转速度‑速度调整量。[0132] 速度调整量ΔV=|波纹间距‑标准预设值|÷标准预设值×初始旋转速度。[0133] 如图4所示，其为本发明实施例超大尺寸石英锭生产装置的使用步骤图，能够制备Ø2000×500mm的石英锭，步骤包括：[0134] 步骤S1、冷态检查打锭机、氢氧供气柜、自动下料单元、熔化炉、尾气处理系统是否完好；[0135] 步骤S2、将80～150目高纯石英砂装入下料器中；[0136] 步骤S3、将升降移动平台降至最低处，将Ø2000×500mm成型器置于支撑杆顶部居中；[0137] 步骤S4、安装主燃烧器2于熔化炉顶部灯孔处，连接下料管、氢氧气管于燃烧器2对应的管路接口，开启尾气处理系统；[0138] 步骤S5、按下点火按钮点火，逐渐加大气量给熔化炉升温，逐步上升成型器，升过插板时关闭插板且熔化炉开始升温；[0139] 步骤S6、待炉温升至1400℃时（此时成型器升至最高位），启动下料器和载料氢气；[0140] 步骤S7、确定气料量和初始下料速度，使石英锭持续生长；[0141] 步骤S8、计算初始旋转速度，以初始旋转速度旋转成型器，根据波纹间距确定是否调整初始旋转速度并继续旋转成型器，待石英锭生长至600mm高时停料，保持氢氧气量烧料头从观察口4看到料面变得平缓后，停火；[0142] 步骤S9、经过自然冷却24小时后关闭尾气处理系统，打开插板，操控打锭机使成型器下降至最低处；[0143] 步骤S10、用叉车取出成型器并拆开，即得到Ø2000×500mm石英锭。[0144] 实施例1：按照上述步骤S1～S10制备Ø2000×500mm的石英锭，并测量加工后石英锭的表面平整度和表面冷却回缩率。[0145] 实施例2：与实施例1不同之处在于在步骤S8中，以初始旋转速度旋转成型器（不调整初始旋转速度），待石英锭生长值600mm高时停料，保持氢氧气量烧料头从观察口4看到料面变得平缓后，停火；其余步骤均与实施例1相同以制备Ø2000×500mm的石英锭，并测量加工后石英锭的表面平整度和表面冷却回缩率。[0146] 比较实施例1与实施例2中制备的石英锭的表面平整度和表面冷却回缩率。具体数据见下表1。[0147] 表1石英锭的表面平整度和表面冷却回缩率[0148]最大偏差 偏差标准差 冷却回缩率实施例1 10mm 3mm 2.8%实施例2 30mm 10mm 1.4%[0149] 从表1中可以发现，经本发明提供的石英锭生产装置制备的超大尺寸石英锭的表面更加平整，且冷却回缩率更低。[0150] 石英锭的表面平整度通过石英锭表面的高低起伏来描述，计算的步骤包括：（1）确定平面上各测量点的偏差值（即平面各点到某一基准面的距离；在实施中，基准面为水平地面）求平均值，得到平均偏差；（2）找出石英锭平面上的最高点和最低点，然后计算它们之间的垂直距离，记为最大偏差；（3）根据所有测量点的偏差值和平均偏差，计算对应的偏差标准差以描述表面平整度的波动情况。[0151] 可以理解的是，确定石英锭表面各测量点的方法为：根据石英锭表面面积确定测2量点的个数，然后在石英锭表面上随机取点；测量点的个数=石英锭表面面积÷0.3m，若测量点个数为一个小数，则小数部分取1，例如，计算得到的测量点个数为56.36，那么0.36取1后，测量点个数应为57。[0152] 石英锭表面的冷却回缩率=(冷却前石英锭表面积‑冷却后石英锭表面积)÷冷却钱石英锭表面积×100%。[0153] 至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。[0154] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2024-03-14

专利公开日期：2024-09-17

专利公告号：2024-09-17