超大尺寸石英锭生产装置的制作方法

本发明涉及石英玻璃生产制备，尤其涉及一种超大尺寸石英锭生产装置。

背景技术：

1、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moment ive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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、自动下料单元，用以控制石英砂原料的均匀送料过程；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、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；

10、所述成型部承载的石英锭重量大于等于2300kg。

11、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；

12、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；

13、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：

14、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；

15、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；

16、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；

17、所述空腔内通有可燃气体，包括氢气。

18、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；

19、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；

20、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。

21、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；

22、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；

23、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。

24、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；

25、所述成型器的宽度大于1800mm，长度大于2000mm，高度大于300mm；

26、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。

27、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：

28、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；

29、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；

30、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；

31、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；

32、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。

33、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：

34、

35、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。

36、进一步地，所述中枢调节单元根据玻璃态石英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：

37、若圆锥体母线与圆锥底面的夹角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：

38、

39、若圆锥体母线与圆锥底面的夹角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：v＝vmin(α≤α0)；

40、其中，vmin为旋转速度的最小值。

41、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，

42、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；

43、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。

44、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。

45、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。

46、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。

47、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。

48、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。

49、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。