基于稀土掺杂功能玻璃专用高温一体炉的设计

李忠利，董继先

LI Zhong-li1, DONG Ji-xian2

（1.四川工程职业技术学院，德阳 61800；2.陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021）

0 引言

稀土掺杂功能玻璃是一种新型光学功能材料(如发光玻璃陶瓷、激光材料、磁光材料等)，随着高新科技的发展，高性能的稀土掺杂功能玻璃已成为国内外广大学者研究的热点之一。目前，国内对稀土离子掺杂功能玻璃的研究包括传统的硅酸盐系统玻璃和硼酸盐系统玻璃，也有磷酸盐系统和锗酸盐系统玻璃。潘毓[1]在氟硅酸盐玻璃中研究与分析了铒镱共掺杂稀土离子的纳晶玻璃陶瓷在太阳能电池方面有巨大的潜在应用价值。Honma等[2]将Sm3＋、La3＋、Er3+等稀土离子引入到铋硼酸盐玻璃中，发现稀土掺杂铋硼酸盐玻璃具有良好的非线性光学特性，是最有希望的全光学装置候选材料之一。成茵[3]采用熔融法制备了RE2O3掺杂铋硼酸盐玻璃，其掺杂玻璃具有稳定性高、抛光性能好和折射率高等特点，在光信息处理、光电子、传感等领域中获得广泛应用。牛春晖[4]研究掺Tm3+、Yb3+亚碲酸盐玻璃的激光材料在远红外发光的性能，提出稀土离子掺杂玻璃激光材料在现代光通讯技术的广泛应用。张希艳等[5]研究了稀土离子掺杂氟磷酸盐微晶玻璃的制备与发光性能，指出其在医疗和激光通讯等方面的广阔应用前景。唐彬等[6]研制的掺铒氧氟锗酸盐微晶玻璃是一种综合性能优异的主动光学材料，在光纤通讯、激光器和三维立体显示方面有广阔的应用前景。祈学孟等[7,8]研究Tb3+掺杂磁光玻璃发现,稀土离子浓度与V值近似成直线关系，但稀土离子浓度过会使得玻璃的综合性能下降。殷海荣等[9]指出磁光玻璃被广泛应用于各种激光系统中，如磁光隔离器、磁光调制器、光纤传感器和高能武器等。综上所述，稀土离子掺杂已成为国内学者对玻璃材料研究的热点方向之一。稀土掺杂功能玻璃已作为新型功能材料，被广泛的应用于光学、通信、医学、航空、制导和卫星测控等领域，对我国国防、科技、医疗等事业有重大影响。

高温熔炉是高温行业制定工艺参数是重要的依据之一。稀土掺杂功能玻璃的制备中，制定合理的制备工艺参数需要借助先进的高温炉设备，而高温炉设备对高性能特殊功能玻璃的研究有着十分重大的影响。当前市场上的高温炉设备结构单一，以常用的马弗炉较多，已经不能满足高性能稀土掺杂功能玻璃制备工艺的需要。然而，市场上还没有一种较为理想的稀土掺杂功能玻璃的熔化炉。主要有以下两个方面原因：首先，稀土掺杂功能玻璃与普通玻璃不同，其熔制温度高、熔制工艺要求严，这要求熔化炉设备结构与工艺相适应。其次，特殊高性能稀土掺杂玻璃受应用领域的限制，市场需求量相对少，国内只有少量的科研单位承担该功能玻璃的研究和生产，导致高温炉厂家对这方面投资少。本文从稀土掺杂功能的特性以及制备工艺入手，设计一套稀土掺杂功能玻璃专用的高温炉设备，对国内稀土掺杂功能玻璃的研究有重要的理论和实践指导意义。

1 设计思想

熔化炉设计的指导思想：设计一种实验或试件生产专用的稀土掺杂功能玻璃的高温炉设备。该高温炉集熔化和退火为一体，上部熔化炉工作温度为1600℃，要求炉膛温度均匀、可控气氛、机械搅拌和随炉浇注等特点；下部退火炉，能够保证严格的退火工艺。高温一体化炉具有计算机远程监控与操作，炉温可多段编程控制等特点。该高温一体化炉可用于各种稀土掺杂功能玻璃（如激光玻璃、磁光玻璃和声光玻璃等）的熔制。

1.1 高温炉设备状况及存在问题

目前市场上的加热设备主要有箱式炉、管式炉、感应式炉等。对比发现，现有加热炉设备主要存在以下问题：1)无搅拌功能。玻璃熔制过程无法搅拌；2)不能随炉浇注。浇注时需要取出坩埚，高温玻璃液容易受到空气的污染，影响玻璃性能，操作过程危险等；3)炉温均匀性差。加料时需打开炉门加料，引起炉膛温度波动大。

1.2 高温一体炉的设计参数

实验室以制备稀土掺杂磁光玻璃为例，要求熔制出Verdet常数≥-0.4min/Oe·cm，体积为300×300×700的磁光玻璃。根据要求设计熔化炉炉膛尺寸为420×420×320，退火炉炉膛尺寸为340×340×260（单位：mm）。熔化炉最高工作温度为1600℃，退火炉最高温度为1200℃，温控精度为 ±2 ℃。熔化炉中设计搅拌装置，可通气氛；退火炉有滑动浇注模具。熔制某些特殊功能玻璃时，可通保护气氛。例如制备高性能磁光玻璃，一般选还原性保护气氛（如氩、氖等气氛），使稀土离子取低价状态，有利于Verdet常数的提高。

2 设计结构

2.1 高温一体炉结构的设计

设计的高温一体炉集熔化和退火为一体，主要有炉体、加热口和测温元件、通气系统、搅拌装置、坩埚、滑动模具和炉门等部分组成，其主要结构如图1和图2所示。

该高温一体炉的上部熔化炉，下部为退火炉，炉体的外形采用传统的箱式结构。上部熔化区的结构主要有通气孔、测温孔、加料口、硅钼棒孔、搅拌装置安装孔、坩埚和炉门等；退火区的主要结构有测温孔、滑动模具、电阻丝和炉门等部分。熔化炉的炉膛选用优质的电熔锆刚玉砖或致密锆做内衫，选择氧化铝空心球砖材料做背衫，炉门分别选择氧化铝空心砖和氧化铝纤维做耐火材料层和保温层。

熔化炉的顶部前面开有加料口，其与水平面呈48°～55°倾角，便于加玻璃料。熔化炉的炉门采用严格密封，在玻璃熔化期间，从加料口加料，避免多次打开炉门造成的炉温骤降，保证炉膛温度的均匀性。退火炉设有滑动浇注模具。在浇注时，移开料管端处的刚玉塞砖，进行浇注。由于熔化炉和退火炉存在着温度差，浇注管道中的玻璃液一时无法流出时，可用火焰加热器加热，直到玻璃液流出。在浇注的过程中，移动滑动模具，实现均匀浇注，有利于玻璃性能的提高。

图1 加热炉结构示意图

熔化炉加热元件采用U型硅钼棒竖直向下安装，热端裸露在炉膛内，冷端在炉顶外利用专用夹头固定。硅钼棒在间隙工作时其表层会形成致密的SiO2保护膜，可以提高硅钼棒的寿命。退火区加热元件选择电阻丝，水平多层排列安装，电阻丝嵌在退火炉侧墙内，与炉膛间保留明显间隙，电阻丝两端与电极板固定连接；硅钼棒和电阻丝分别先串联再并联连接，利用共同的三相动力电源供电。测温元件采用铂铑热电偶。

2.2 坩埚和搅拌器的设计

图2 坩埚结构示意图

熔化炉坩埚的设计。坩埚是玻璃熔化的一个重要容器，在稀土玻璃融化的过程中直接与熔融玻璃相接处。以实验室制备的磁光玻璃为例，稀土离子浓度与磁光玻璃Verdet常数成正比，而高浓度的稀土离子对氧化铝坩埚具有强腐蚀性[10]。所设计时坩埚应采用铂金材料，有专门的坩埚底座配合使用，其结构如图2所示。使用时将铂金坩埚放进坩埚底座中，将少量的硼酸粉粒研磨后撒入坩埚缝隙，高温加热后，铂金坩埚和坩埚底座会很牢固的粘结在一起。实验中发现铂金坩埚防腐效果很好。

图3 搅拌器螺旋式结构及其搅拌效果

搅拌器的设计。搅拌是制备稀土掺杂功能玻璃的重要工艺，搅拌器安装在熔化炉顶部，搅拌器叶片采用螺旋式或矩形螺纹结构，如图3所示。在玻璃熔制的熔化和澄清阶段，搅拌器下降，侵入玻璃液的3/4深处进行低速搅拌，提高其介质的均匀性。叶片采用铂金材料，可以有效防止稀土离子的腐蚀。工作时，搅拌速度不能过高，一般选取经验值5～12r/min。

搅拌时采用顺时针搅拌，玻璃液顺着螺旋齿面向上移动，在搅拌器附近形成了一个负压区，周围的玻璃液在负压力的作用下向搅拌器附近移动，并形成一个上下对流环，可有效均化物料、减少玻璃液中的气泡，提高玻璃性能。需要注意，搅拌器下端面会形成一个死区（虚三角形区域），其大小与搅拌器直径和搅拌深度有关。

3 电气工作原理

高温一体炉的温度采用PID闭环系统控制，由XM808P温控仪、手自动可控硅触发器、加热元件、检测元件，温度补偿电路等部分组成，如图4所示，其温度控制的闭环反馈系统如图5所示。

工作时，设定值为目标温度值，反馈值为热电偶测量的温度值。按玻璃熔制工艺，将设定的温度和需要的时间分多段设定，经多段编程处理，直接输入温控仪XM808P中，由温控器进行比较、特定的专家PID控制算法，并向外输出0～10mA的可移动电流触发脉冲信号到可控硅上，以控制可控硅的导通角，导通角大小可改变变压器原边所加电压的高低，从而控制变压器的输出电压，调节硅钼棒的输出功率。通过补偿电路的不断反馈作用，直到热电偶的测量值达到设定的温度值，最终使温度稳定在设定的值上[11,12]。

图4 高温炉的控制原理示意图

图5 温度控制闭环反馈系统

熔化炉的温控系统主要有以下六个特征：1）温控系统有控制面板、XM808P系列的温控仪、可控硅触发器、一组测温电阻、反馈补偿电路组成的主要控制模块，形成一个闭环系统对温度进行自动调节。2）温控仪采用专家PID调控方式，控制精确，保证系统无超调，无欠调，提高设定温度曲线的拟合精度；多达50段可编程温度设置。3）电流表主要监视的是流过硅钼棒的电流值，在升温的过程中，根据反馈值，调节可控硅的导通角大小来改变硅钼棒上面的电压，由于硅钼棒在升温时其电阻受温度的影响而不断变化，防止输出电流过大而损坏硅钼棒。4）变压器是根据硅钼棒的规格型号、升温能力进行选择,并通过对其加载过程中原边电压进行调节,是温度控制系统的重要组成部分。5）可编程控制器与RS转换器连接，随时把高温炉运行的各种数据传送给计算机，可对整个高温一体炉进行监控、观察、记录相关数据。6）温控系统选择北京金立石仪表公司生产的XM808P系列的温控仪。

可控硅触发器选用ZK-03型三相可控硅过零触发器，其具备手、自动两种调节方式，提高系统运行可靠性。在正弦波过零时发出一系列电流脉冲信号列，触发小晶闸管，通过小晶闸管对大电流晶闸管强触发，快速开通，保护晶闸管。双向可控硅触发电路采用正弦波过零触发，可使晶闸管输出完整的波形，使辐射干扰、传导干扰及福电流脉冲干涉减到最小；脉冲变压器将触发电路与电网隔离，减少电网波动对触发电路的影响。

4 结束语

所设计的高温炉一体炉专门用于实验室稀土掺杂功能玻璃的研究和试制。该高温炉集熔化炉与退火炉为一体，该高温炉具备搅拌、随炉浇注，通气氛和可远程控制等特点，在一定程度改变了玻璃的传统制备工艺。搅拌装置可以有效均化物料、减少玻璃液中的气泡；随炉浇注装置可减小环境温度差，消除玻璃的内应力，进而提高了玻璃的性能。高温一体炉的炉温控制采用闭环自动控制系统，温控仪采用XM808P，温控精度高，可实现多段编程，可编程控制器和计算机通过RS转换器连接，实现对高温炉远程监控和操作，提高了高温一体炉的智能性、方便性和安全性。

稀土掺杂功能玻璃专用高温一体炉的设计，推动了新型功能玻璃材料的进一步研究和发展，为实验室中稀土掺杂功能玻璃的研究提供了良好的实验环境和条件，对新型玻璃材料的发展有重大意义。

[1]潘毓.稀土掺杂氟硅酸盐玻璃陶瓷的制备及发光性能研究[D].浙江大学材料系,2010.

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