Способ получения изотропного кварцевого стекла

Изобретение предназначено для получения монолитных однородных слитков кварцевого стекла, используемых в области приборостроения для изготовления высококачественных кварцевых деталей и кварцевых чувствительных элементов. Способ основан на вакуумной плавке порошкового кварцевого сырья, которое высыпают из прогретого бункера и выполняют плавку послойно с постепенным наполнением плавильного тигля. Для повышения степени очистки от примесей толщину каждого расплавленного слоя выбирают на уровне максимального размера частиц, входящих в состав порошкообразного сырья, а длительность процесса формирования слоя ограничивают продолжительностью его плавления, растекания и обезгаживания. Предлагаемый способ в сравнении с традиционными способами вакуумной тигельной плавки обеспечивает пониженную пузырность кварцевого стекла, а также увеличивает его однородность и коэффициент светопропускания. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение предназначено для получения высокооднородного кварцевого стекла, основной областью применения является приборостроение, в котором используют кварцевые резонаторы, линии задержки, эталоны частоты, гравитационные антенны и другие кварцевые элементы.

Для получения оптически прозрачного кварцевого стекла в промышленности используют газопламенный и плазменный способы, основанные на плавке кварцевой крупки в водородно-кислородном пламени или в плазменном факеле [см. В.К. Леко, О.В. Мазурин. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985, с. 9-11]. В процессе плавки известными способами кварцевая крупка высыпается из бункера и попадает в высокотемпературную зону, где расплавляется и переходит в капельное состояние. Расплавленные капли попадают на поверхность слитка, растекаются и быстро остывают. Плавка происходит в воздушной атмосфере при температуре 2000-2200°C.

Недостатками известных способов являются слоистая структура и радиальная неоднородность кварцевого стекла. Кроме того, однородность получаемого таким образом слитка нарушается повышенным содержанием дефектов, основными из которых являются газовые пузыри. Появление пузырей связано с технологическими особенностями плавки, в том числе с наличием газовых примесей в исходном сырье и влиянием воздушной среды.

Для повышения однородности кварцевого слитка и уменьшения содержания газовых примесей используют различные технологические приемы: предварительную глубокую очистку сырья от примесей, плавку сырья в вакуумном объеме, предплавильное вакуумное обезгаживание кварцевой крупки, компримирование слитка на финишном этапе плавки. Указанные приемы используют, например, при синтезе кварцевого стекла КС-4В, сырьем для которого служит искусственно полученный кристобалит [А.Г. Боганов, B.C. Руденко и др. Способ получения порошкообразного кристобалита, патент RU 2041173, 1995], который подвергают вакуумному переплаву в кварцевой ампуле и получают при этом высокооднородное кварцевое стекло.

Сырье высокой степени чистоты в сочетании с вакуумной плавкой используют также в способе, который можно выбрать в качестве прототипа предлагаемого изобретения [Карелин А.И., Карелин В.А., Шпунт Л.Б., Черемисин И.И., Попов С.А. Способ получения изотропного оптически прозрачного безгидроксильного кварцевого стекла, патент RU 2080308, 1997]. Способ включает получение нанокристаллического порошка тридимита в плазмохимическом реакторе, плавление полученного сырья в кварцевой ампуле в вакууме, высокотемпературную обработку кварцевого расплава при высоком давлении (компримирование), охлаждение и механическую обработку кварцевого слитка.

Основным недостатком прототипа и других известных способов плавки кварцевого стекла в вакуумном объеме является выделение газов из сырья, помещенного в тигель. При подъеме температуры сырья выше точки плавления частицы сырья выделяют растворенные в них газы, которые образуют в расплаве множество мелких пузырей. Наличие вакуумной среды позволяет откачать часть образованных пузырей, но по причине высокой вязкости расплава за время плавки не все пузыри успевают всплыть и раскрыться на свободной поверхности. Нераскрытые пузыри остаются в объеме затвердевшего слитка, при этом внутри пузыря могут находиться продукты высокотемпературной диссоциации диоксида кремния, газовые, минеральные и другие примеси. Обработка расплава высоким давлением на финишном этапе плавки (компримирование) приводит к уменьшению числа и размеров остаточных газовых пузырей, но полностью исключить дефект не позволяет. Кроме того, на начальном этапе плавки может происходить слипание отдельных групп частиц с образованием замкнутых вакуумных микрополостей между слипшимися частицами, которые также сохраняются в слитке и усиливают его дефектность.

Другим недостатком прототипа и известных вакуумных способов плавки сырья является необходимость использования тугоплавких тиглей, размер которых превышает размеры получаемого слитка. Разница в размерах связана с тем, что отношение удельного веса кварцевого стекла к насыпному весу кварцевой крупки составляет 1,4-1,45. Ввиду этого для выплавки слитка заданного веса или объема необходимо использовать тигель объемом почти в полтора раза больше объема выплавляемого слитка стекла. В связи с тем, что тигель является одноразовым, изготавливается из дорогостоящего тугоплавкого металла (обычно листового молибдена), себестоимость стекла существенно повышается. Более того, использование тигля большого объема приводит к увеличению габаритов теплового узла с соответствующим увеличением габаритов нагревателя и тепловых экранов, изготовляемых из дорогостоящих тугоплавких материалов.

Целью настоящего изобретения является повышение степени однородности кварцевого стекла, снижение его технологической дефектности, а также уменьшение себестоимости получаемого материала.

Для достижения поставленной цели выполняют следующую последовательность операций (см. чертеж).

1. Порошковое сырье, подготовленное к плавке, размещают в специальном бункере (1), который изготавливают в конической форме, ось конуса размещают вертикально, а вершину конуса располагают под его основанием.

2. Отверстие в вершине конусного бункера соединяют с порошковым питателем (дозатором) (2), который используют для формирования вертикально падающего потока кварцевой крупки.

3. На одной оси с конусным бункером размещают тигель (3), который располагают в центре теплового узла, содержащего электрический нагреватель (4) и многослойные тепловые экраны (5). Объем и форму тигля выбирают равными объему и форме слитка, который необходимо получить в результате плавки.

4. Бункер с исходным сырьем и порошковым питателем, а также тепловой узел с тиглем помещают в вакуумную камеру (6), соединенную с откачной системой.

5. После загрузки кварцевой крупки в бункер включают вакуумный насос и в дальнейшем вакуумную камеру поддерживают под откачкой.

6. Включают нагреватель теплового узла, тигель нагревают до температуры плавления кварцевого стекла, в процессе откачки и нагрева очищают поверхность тигля от окисной пленки и возможных техногенных загрязнений.

7. За счет излучения теплового узла прогревают и обезгаживают крупку в бункере. Длительность обезгаживающего прогрева определяют по продолжительности процесса снижения давления в камере до некоторого предельного значения.

8. Открывают порошковый питатель и начинают насыпать кварцевую крупку в нагретый тигель. При этом поток падающих в вакууме частиц периодически прерывают и делят его на последовательность одинаковых порций. Массу одной порции выбирают таким образом, чтобы она обеспечила слой расплава, толщина которого не превышает максимальный диаметр частиц, входящих в состав крупки. Промежуток времени между порциями выбирают равным длительности процесса плавления и растекания одной порции. Другими словами, обеспечивают режим послойного наполнения и послойного плавления.

9. При малой величине потока, когда небольшая порция быстро переходит в расплавленное состояние, промежуток времени между порциями сокращают до минимума и формируют, таким образом, постоянный по скорости поток кварцевой крупки.

10. Воздействие высокой температуры и вакуума приводит к тому, что поверхность частиц кварца в процессе падения быстро очищается от следов загрязнений и остаточных молекул адсорбированного газа. Это способствует предварительному снижению количества газовых пузырей в расплаве стекла. Далее при попадании в тигель частицы расплавляются и образуют тонкий слой расплава, с поверхности которого интенсивно испаряются газовые и минеральные примеси. Отдельные газовые пузыри диаметром больше вновь образовавшегося слоя расплава вскрываются непосредственно в вакуум, что способствует быстрому удалению их содержимого и обеспечивает эффективную очистку расплавленного слоя от крупных пузырей.

11. После очистки первого слоя расплава поступает следующая порция кварцевой крупки и образует следующий слой, который чистится аналогично. Послойная очистка способствует более эффективному удалению остаточных пузырей и повышает степень однородности стекла в слитке.

12. Для более равномерного заполнения каждого слоя частицы в потоке распределяют равномерно по сечению потока и диаметр потока подбирают не более входного сечения тигля.

13. Постепенно слой за слоем уровень расплава в тигле поднимают до заполнения тигля. После заполнения тигля в плавильную камеру подают аргон высокого давления и реализуют режим компримирования. В результате обработки высоким давлением остаточные газовые пузыри в расплаве схлопываются или значительно уменьшаются в размере.

14. На финишном этапе снижают температуру теплового узла, производят отжиг кварцевого слитка и оставляют слиток в режиме остывания.

15. Остывший слиток достают из вакуумной камеры и обрабатывают механически для придания необходимой формы.

Опытная реализация предлагаемого способа выполнялась с использованием высокоочищенной кварцевой крупки SSQ-2KC фракции +0,1-0,315 мм, произведенной Кыштымским горно-обогатительным комбинатом из кварца жилы №175 Кыштымского месторождения. Крупка подавалась через порошковый питатель из бункера в молибденовый тигель диаметром 50 мм и высотой 70 мм, заполнение тигля осуществлялось послойно. Скорость подачи крупки обеспечивала образование одного слоя расплава толщиной от 0,3 до 0,4 мм, поскольку максимальный размер частиц крупки в используемой фракции не превышал 0,315 мм. Продолжительность формирования слоя составляла 60±10 секунд, в течение которых происходило плавление, растекание и обезгаживание одной порции сырья. Послойное наполнение продолжалось до тех пор, тюка расплав в тигле устанавливался на высоте 65 мм. Далее уменьшалась температура нагрева, и тигель с произвольной скоростью охлаждался до температуры 1300°C. Затем в течение одного часа температура равномерно снижалась до 800°C для релаксации термоупругих напряжений в слитке. После отжига нагрев полностью выключался, и охлажденный слиток вынимался из плавильной камеры. Операция компримирования на финишном этапе плавки образца не выполнялась с целью получения более достоверных данных о степени пузырности слитков, полученных по заявляемому способу.

Результаты аттестации показали, что в сравнении с традиционным способом вакуумной плавки количество крупных и мелких пузырей в выплавленном образце уменьшается в 2-3 раза, а светопропускание в ультрафиолетовом и видимом диапазонах увеличивается на 4-5%.

Предлагаемый способ получения кварцевого стекла имеет следующие преимущества:

- позволяет получить высокооднородное по всем направлениям, т.е. изотропное, кварцевое стекло;

- позволяет снизить содержание примесей и дефектов в кварцевом стекле, включая трудно устранимые дефекты пузырности, и повысить тем самым степень однородности оптического материала;

- расширяет спектральный диапазон пропускания в сравнении со способом традиционной тигельной вакуумной плавки;

- снижает расход дорогостоящих тугоплавких тигельных материалов и материалов технологической оснастки;

- позволяет исключить некоторые энергоемкие операции, используемые в традиционной вакуумной обработке, например операцию высокотемпературной кристобалитизации кварцевой крупки, что в конечном итоге уменьшает энергетические расходы, снижает себестоимость получаемой продукции и обеспечивает повышенную производительность плавильного оборудования.

1. Способ получения изотропного кварцевого стекла, включающий получение исходного кварцевого сырья в порошковой форме, вакуумное плавление полученного сырья в тугоплавком тигле, высокотемпературную обработку кварцевого расплава при высоком давлении, охлаждение и механическую обработку кварцевого слитка, отличающийся тем, что в процессе вакуумного плавления кварцевое сырье высыпают из конического бункера в нагретый до температуры плавления тигель послойно, при этом толщину каждого расплавленного слоя выбирают на уровне максимального размера частиц, входящих в состав порошкообразного кварцевого сырья, а длительность процесса формирования слоя ограничивают продолжительностью его плавления, растекания и обезгаживания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность формирования слоя уменьшают до минимально возможного значения за счет уменьшения скорости подачи порошкового сырья и получают плавку с непрерывным потоком кварцевого сырья в тигель.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходное кварцевое сырье выдерживают в коническом бункере и подвергают предплавильному высокотемпературному вакуумному обезгаживанию.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объем и форму тигля выбирают по размерам кварцевого слитка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии изготовления детали из искусственного кварца для применения в качестве оптического элемента для ArF-литографии, подлежащего облучению лазерным светом, имеющим длину волны 200 нм или короче.

Реактор // 2391296
Изобретение относится к устройству для напыления диоксида кремния при изготовлении тиглей из особо чистого кварцевого стекла с малым содержанием микропримесей. .

Изобретение относится к металлургической технике и предназначено для использования при изготовлении тиглей путем высокотемпературного гидролиза тетрахлорида кремния.

Горелка // 2381186
Изобретение относится к металлургической технике и предназначено для использования в качестве устройства при изготовлении тигля из кварцевого стекла. .

Изобретение относится к производству чистого кварцевого стекла, используемого в оптике, электронике, солнечной энергетике и химии получения чистых и сверхчистых веществ.

Изобретение относится к устройствам для непрерывного формования трубок или стержней из кварцевого стекла вытягиванием с помощью вращающихся инструментов. .
Изобретение относится к технологии получения синтетического кварцевого стекла. .

Изобретение относится к технологии получения тиглей из синтетического особо чистого кварцевого стекла, которые могут быть использованы в производстве полупроводниковых материалов.

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности, к оборудованию стекольных заводов и может быть использовано для производства заготовок из кварцевого стекла.

Изобретение относится к производству высокочистого гранулированного диоксида кремния, для дальнейшего получения из него кварцевого стекла. Гранулированный диоксид кремния, согласно изобретению, имеет содержание щелочных металлов от 0,01 до 10,0 част./млн, содержание щелочноземельных металлов от 0,01 до 10,0 част./млн, содержание бора от 0,001 до 1,0 част./млн, содержание фосфора от 0,001 до 1,0 част./млн. Определяемый по сорбции азота объем пор составляет от 0,01 до 1,5 мл/г и максимальный размер пор - от 5 до 500 нм. Для получения такого продукта растворимое стекло традиционных дешевых сортов реагирует в сильно кислой среде до диоксида кремния высокочистых типов, с последующей щелочной обработкой. В завершение отделяют фракцию частиц размером от 200 до 1000 мкм и подвергают её спеканию при температуре по меньшей мере 600оС. Технический результат изобретения - получение продуктов с низким содержанием силанольных групп более экономичным способом. 3 н. и 28 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 табл.

Изобретение относится к технологии производства тигля с донным патрубком из кварцевой керамики. Технический результат - получение тигля с донным патрубком из кварцевой керамики с равномерной толщиной стенок. Изготавливают отдельно друг от друга заготовки тигля с донным отверстием и патрубка. В гипсовые формы устанавливают вкладыши с зазором, равным толщине стенок будущей заготовки тигля или патрубка. В зазоры заливают шликер из крупки кварцевого стекла. Формуют заготовки тигля и патрубка. Извлекают вкладыши и высушивают заготовки в гипсовых формах на воздухе не менее 48 часов. Удаляют гипсовые формы. Осуществляют сборку заготовок тигля и патрубка в одно изделие. Закрепляют патрубок в штативе, на который устанавливают опорное кольцо. Сверху подводят тигель таким образом, чтобы часть патрубка выше опорного кольца выступала на небольшое расстояние над внутренней стенкой тигля. Между пустотами, образовавшимися между сопряженными для закрепления частями внешней стенки патрубка и донной части тигля, заливают шликер. Проводят сушку на воздухе не менее 72 часов. Затем обжигают при ступенчатом поднятии температуры от 20 до 1200°C с выдержкой до 2-х часов на каждом температурном интервале, при скорости подъема температуры от 50°C/час до 150°C/час. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области производства кварцевого стекла. Способ получения оптического кварцевого стекла включает приготовление взвеси, содержащей горючий органический растворитель и частицы аморфного SiO2 от 2 до 100 г/л, последующую ее гомогенизацию в течение 0,5-1 ч. Затем гомогенизированную взвесь при непрерывном перемешивании подают при помощи насоса в пламя кислородно-водородной горелки для образования расплавленных частиц SiO2 при расходе взвеси (8-35)⋅10-3 л/мин, расходе кислорода - 20-40 л/мин, расходе водорода - 40-70 л/мин. Пламя кислородно-водородной горелки направляют на поверхность подложки, расположенной в печи и разогретой до 1800-2000°С, осаждая таким образом расплавленные частицы SiO2 на поверхность подложки. Процесс осаждения частиц SiO2 прекращают после достижения расчетной толщины кварцевого слоя, после чего печь инерционно охлаждают. Технический результат – расширение сырьевой базы, повышение прозрачности в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра с высоким коэффициентом пропускания в диапазоне от 270 до 2700 нм. 3 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 ил.

Изобретение предназначено для получения монолитных однородных слитков кварцевого стекла, используемых в области приборостроения для изготовления высококачественных кварцевых деталей и кварцевых чувствительных элементов. Способ основан на вакуумной плавке порошкового кварцевого сырья, которое высыпают из прогретого бункера и выполняют плавку послойно с постепенным наполнением плавильного тигля. Для повышения степени очистки от примесей толщину каждого расплавленного слоя выбирают на уровне максимального размера частиц, входящих в состав порошкообразного сырья, а длительность процесса формирования слоя ограничивают продолжительностью его плавления, растекания и обезгаживания. Предлагаемый способ в сравнении с традиционными способами вакуумной тигельной плавки обеспечивает пониженную пузырность кварцевого стекла, а также увеличивает его однородность и коэффициент светопропускания. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх