基于稀土摻雜功能玻璃專用高溫一體爐的設計

李忠利，董繼先

LI Zhong-li1, DONG Ji-xian2

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學院，德陽 61800；2.陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

稀土摻雜功能玻璃是一種新型光學功能材料(如發(fā)光玻璃陶瓷、激光材料、磁光材料等)，隨著高新科技的發(fā)展，高性能的稀土摻雜功能玻璃已成為國內(nèi)外廣大學者研究的熱點之一。目前，國內(nèi)對稀土離子摻雜功能玻璃的研究包括傳統(tǒng)的硅酸鹽系統(tǒng)玻璃和硼酸鹽系統(tǒng)玻璃，也有磷酸鹽系統(tǒng)和鍺酸鹽系統(tǒng)玻璃。潘毓[1]在氟硅酸鹽玻璃中研究與分析了鉺鐿共摻雜稀土離子的納晶玻璃陶瓷在太陽能電池方面有巨大的潛在應用價值。Honma等[2]將Sm3＋、La3＋、Er3+等稀土離子引入到鉍硼酸鹽玻璃中，發(fā)現(xiàn)稀土摻雜鉍硼酸鹽玻璃具有良好的非線性光學特性，是最有希望的全光學裝置候選材料之一。成茵[3]采用熔融法制備了RE2O3摻雜鉍硼酸鹽玻璃，其摻雜玻璃具有穩(wěn)定性高、拋光性能好和折射率高等特點，在光信息處理、光電子、傳感等領域中獲得廣泛應用。牛春暉[4]研究摻Tm3+、Yb3+亞碲酸鹽玻璃的激光材料在遠紅外發(fā)光的性能，提出稀土離子摻雜玻璃激光材料在現(xiàn)代光通訊技術(shù)的廣泛應用。張希艷等[5]研究了稀土離子摻雜氟磷酸鹽微晶玻璃的制備與發(fā)光性能，指出其在醫(yī)療和激光通訊等方面的廣闊應用前景。唐彬等[6]研制的摻鉺氧氟鍺酸鹽微晶玻璃是一種綜合性能優(yōu)異的主動光學材料，在光纖通訊、激光器和三維立體顯示方面有廣闊的應用前景。祈學孟等[7,8]研究Tb3+摻雜磁光玻璃發(fā)現(xiàn),稀土離子濃度與V值近似成直線關系，但稀土離子濃度過會使得玻璃的綜合性能下降。殷海榮等[9]指出磁光玻璃被廣泛應用于各種激光系統(tǒng)中，如磁光隔離器、磁光調(diào)制器、光纖傳感器和高能武器等。綜上所述，稀土離子摻雜已成為國內(nèi)學者對玻璃材料研究的熱點方向之一。稀土摻雜功能玻璃已作為新型功能材料，被廣泛的應用于光學、通信、醫(yī)學、航空、制導和衛(wèi)星測控等領域，對我國國防、科技、醫(yī)療等事業(yè)有重大影響。

高溫熔爐是高溫行業(yè)制定工藝參數(shù)是重要的依據(jù)之一。稀土摻雜功能玻璃的制備中，制定合理的制備工藝參數(shù)需要借助先進的高溫爐設備，而高溫爐設備對高性能特殊功能玻璃的研究有著十分重大的影響。當前市場上的高溫爐設備結(jié)構(gòu)單一，以常用的馬弗爐較多，已經(jīng)不能滿足高性能稀土摻雜功能玻璃制備工藝的需要。然而，市場上還沒有一種較為理想的稀土摻雜功能玻璃的熔化爐。主要有以下兩個方面原因：首先，稀土摻雜功能玻璃與普通玻璃不同，其熔制溫度高、熔制工藝要求嚴，這要求熔化爐設備結(jié)構(gòu)與工藝相適應。其次，特殊高性能稀土摻雜玻璃受應用領域的限制，市場需求量相對少，國內(nèi)只有少量的科研單位承擔該功能玻璃的研究和生產(chǎn)，導致高溫爐廠家對這方面投資少。本文從稀土摻雜功能的特性以及制備工藝入手，設計一套稀土摻雜功能玻璃專用的高溫爐設備，對國內(nèi)稀土摻雜功能玻璃的研究有重要的理論和實踐指導意義。

1 設計思想

熔化爐設計的指導思想：設計一種實驗或試件生產(chǎn)專用的稀土摻雜功能玻璃的高溫爐設備。該高溫爐集熔化和退火為一體，上部熔化爐工作溫度為1600℃，要求爐膛溫度均勻、可控氣氛、機械攪拌和隨爐澆注等特點；下部退火爐，能夠保證嚴格的退火工藝。高溫一體化爐具有計算機遠程監(jiān)控與操作，爐溫可多段編程控制等特點。該高溫一體化爐可用于各種稀土摻雜功能玻璃（如激光玻璃、磁光玻璃和聲光玻璃等）的熔制。

1.1 高溫爐設備狀況及存在問題

目前市場上的加熱設備主要有箱式爐、管式爐、感應式爐等。對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有加熱爐設備主要存在以下問題：1)無攪拌功能。玻璃熔制過程無法攪拌；2)不能隨爐澆注。澆注時需要取出坩堝，高溫玻璃液容易受到空氣的污染，影響玻璃性能，操作過程危險等；3)爐溫均勻性差。加料時需打開爐門加料，引起爐膛溫度波動大。

1.2 高溫一體爐的設計參數(shù)

實驗室以制備稀土摻雜磁光玻璃為例，要求熔制出Verdet常數(shù)≥-0.4min/Oe·cm，體積為300×300×700的磁光玻璃。根據(jù)要求設計熔化爐爐膛尺寸為420×420×320，退火爐爐膛尺寸為340×340×260（單位：mm）。熔化爐最高工作溫度為1600℃，退火爐最高溫度為1200℃，溫控精度為 ±2 ℃。熔化爐中設計攪拌裝置，可通氣氛；退火爐有滑動澆注模具。熔制某些特殊功能玻璃時，可通保護氣氛。例如制備高性能磁光玻璃，一般選還原性保護氣氛（如氬、氖等氣氛），使稀土離子取低價狀態(tài)，有利于Verdet常數(shù)的提高。

2 設計結(jié)構(gòu)

2.1 高溫一體爐結(jié)構(gòu)的設計

設計的高溫一體爐集熔化和退火為一體，主要有爐體、加熱口和測溫元件、通氣系統(tǒng)、攪拌裝置、坩堝、滑動模具和爐門等部分組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

該高溫一體爐的上部熔化爐，下部為退火爐，爐體的外形采用傳統(tǒng)的箱式結(jié)構(gòu)。上部熔化區(qū)的結(jié)構(gòu)主要有通氣孔、測溫孔、加料口、硅鉬棒孔、攪拌裝置安裝孔、坩堝和爐門等；退火區(qū)的主要結(jié)構(gòu)有測溫孔、滑動模具、電阻絲和爐門等部分。熔化爐的爐膛選用優(yōu)質(zhì)的電熔鋯剛玉磚或致密鋯做內(nèi)衫，選擇氧化鋁空心球磚材料做背衫，爐門分別選擇氧化鋁空心磚和氧化鋁纖維做耐火材料層和保溫層。

熔化爐的頂部前面開有加料口，其與水平面呈48°～55°傾角，便于加玻璃料。熔化爐的爐門采用嚴格密封，在玻璃熔化期間，從加料口加料，避免多次打開爐門造成的爐溫驟降，保證爐膛溫度的均勻性。退火爐設有滑動澆注模具。在澆注時，移開料管端處的剛玉塞磚，進行澆注。由于熔化爐和退火爐存在著溫度差，澆注管道中的玻璃液一時無法流出時，可用火焰加熱器加熱，直到玻璃液流出。在澆注的過程中，移動滑動模具，實現(xiàn)均勻澆注，有利于玻璃性能的提高。

圖1 加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

熔化爐加熱元件采用U型硅鉬棒豎直向下安裝，熱端裸露在爐膛內(nèi)，冷端在爐頂外利用專用夾頭固定。硅鉬棒在間隙工作時其表層會形成致密的SiO2保護膜，可以提高硅鉬棒的壽命。退火區(qū)加熱元件選擇電阻絲，水平多層排列安裝，電阻絲嵌在退火爐側(cè)墻內(nèi)，與爐膛間保留明顯間隙，電阻絲兩端與電極板固定連接；硅鉬棒和電阻絲分別先串聯(lián)再并聯(lián)連接，利用共同的三相動力電源供電。測溫元件采用鉑銠熱電偶。

2.2 坩堝和攪拌器的設計

圖2 坩堝結(jié)構(gòu)示意圖

熔化爐坩堝的設計。坩堝是玻璃熔化的一個重要容器，在稀土玻璃融化的過程中直接與熔融玻璃相接處。以實驗室制備的磁光玻璃為例，稀土離子濃度與磁光玻璃Verdet常數(shù)成正比，而高濃度的稀土離子對氧化鋁坩堝具有強腐蝕性[10]。所設計時坩堝應采用鉑金材料，有專門的坩堝底座配合使用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。使用時將鉑金坩堝放進坩堝底座中，將少量的硼酸粉粒研磨后撒入坩堝縫隙，高溫加熱后，鉑金坩堝和坩堝底座會很牢固的粘結(jié)在一起。實驗中發(fā)現(xiàn)鉑金坩堝防腐效果很好。

圖3 攪拌器螺旋式結(jié)構(gòu)及其攪拌效果

攪拌器的設計。攪拌是制備稀土摻雜功能玻璃的重要工藝，攪拌器安裝在熔化爐頂部，攪拌器葉片采用螺旋式或矩形螺紋結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在玻璃熔制的熔化和澄清階段，攪拌器下降，侵入玻璃液的3/4深處進行低速攪拌，提高其介質(zhì)的均勻性。葉片采用鉑金材料，可以有效防止稀土離子的腐蝕。工作時，攪拌速度不能過高，一般選取經(jīng)驗值5～12r/min。

攪拌時采用順時針攪拌，玻璃液順著螺旋齒面向上移動，在攪拌器附近形成了一個負壓區(qū)，周圍的玻璃液在負壓力的作用下向攪拌器附近移動，并形成一個上下對流環(huán)，可有效均化物料、減少玻璃液中的氣泡，提高玻璃性能。需要注意，攪拌器下端面會形成一個死區(qū)（虛三角形區(qū)域），其大小與攪拌器直徑和攪拌深度有關。

3 電氣工作原理

高溫一體爐的溫度采用PID閉環(huán)系統(tǒng)控制，由XM808P溫控儀、手自動可控硅觸發(fā)器、加熱元件、檢測元件，溫度補償電路等部分組成，如圖4所示，其溫度控制的閉環(huán)反饋系統(tǒng)如圖5所示。

工作時，設定值為目標溫度值，反饋值為熱電偶測量的溫度值。按玻璃熔制工藝，將設定的溫度和需要的時間分多段設定，經(jīng)多段編程處理，直接輸入溫控儀XM808P中，由溫控器進行比較、特定的專家PID控制算法，并向外輸出0～10mA的可移動電流觸發(fā)脈沖信號到可控硅上，以控制可控硅的導通角，導通角大小可改變變壓器原邊所加電壓的高低，從而控制變壓器的輸出電壓，調(diào)節(jié)硅鉬棒的輸出功率。通過補償電路的不斷反饋作用，直到熱電偶的測量值達到設定的溫度值，最終使溫度穩(wěn)定在設定的值上[11,12]。

圖4 高溫爐的控制原理示意圖

圖5 溫度控制閉環(huán)反饋系統(tǒng)

熔化爐的溫控系統(tǒng)主要有以下六個特征：1）溫控系統(tǒng)有控制面板、XM808P系列的溫控儀、可控硅觸發(fā)器、一組測溫電阻、反饋補償電路組成的主要控制模塊，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)對溫度進行自動調(diào)節(jié)。2）溫控儀采用專家PID調(diào)控方式，控制精確，保證系統(tǒng)無超調(diào)，無欠調(diào)，提高設定溫度曲線的擬合精度；多達50段可編程溫度設置。3）電流表主要監(jiān)視的是流過硅鉬棒的電流值，在升溫的過程中，根據(jù)反饋值，調(diào)節(jié)可控硅的導通角大小來改變硅鉬棒上面的電壓，由于硅鉬棒在升溫時其電阻受溫度的影響而不斷變化，防止輸出電流過大而損壞硅鉬棒。4）變壓器是根據(jù)硅鉬棒的規(guī)格型號、升溫能力進行選擇,并通過對其加載過程中原邊電壓進行調(diào)節(jié),是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分。5）可編程控制器與RS轉(zhuǎn)換器連接，隨時把高溫爐運行的各種數(shù)據(jù)傳送給計算機，可對整個高溫一體爐進行監(jiān)控、觀察、記錄相關數(shù)據(jù)。6）溫控系統(tǒng)選擇北京金立石儀表公司生產(chǎn)的XM808P系列的溫控儀。

可控硅觸發(fā)器選用ZK-03型三相可控硅過零觸發(fā)器，其具備手、自動兩種調(diào)節(jié)方式，提高系統(tǒng)運行可靠性。在正弦波過零時發(fā)出一系列電流脈沖信號列，觸發(fā)小晶閘管，通過小晶閘管對大電流晶閘管強觸發(fā)，快速開通，保護晶閘管。雙向可控硅觸發(fā)電路采用正弦波過零觸發(fā)，可使晶閘管輸出完整的波形，使輻射干擾、傳導干擾及福電流脈沖干涉減到最??；脈沖變壓器將觸發(fā)電路與電網(wǎng)隔離，減少電網(wǎng)波動對觸發(fā)電路的影響。

4 結(jié)束語

所設計的高溫爐一體爐專門用于實驗室稀土摻雜功能玻璃的研究和試制。該高溫爐集熔化爐與退火爐為一體，該高溫爐具備攪拌、隨爐澆注，通氣氛和可遠程控制等特點，在一定程度改變了玻璃的傳統(tǒng)制備工藝。攪拌裝置可以有效均化物料、減少玻璃液中的氣泡；隨爐澆注裝置可減小環(huán)境溫度差，消除玻璃的內(nèi)應力，進而提高了玻璃的性能。高溫一體爐的爐溫控制采用閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，溫控儀采用XM808P，溫控精度高，可實現(xiàn)多段編程，可編程控制器和計算機通過RS轉(zhuǎn)換器連接，實現(xiàn)對高溫爐遠程監(jiān)控和操作，提高了高溫一體爐的智能性、方便性和安全性。

稀土摻雜功能玻璃專用高溫一體爐的設計，推動了新型功能玻璃材料的進一步研究和發(fā)展，為實驗室中稀土摻雜功能玻璃的研究提供了良好的實驗環(huán)境和條件，對新型玻璃材料的發(fā)展有重大意義。

[1]潘毓.稀土摻雜氟硅酸鹽玻璃陶瓷的制備及發(fā)光性能研究[D].浙江大學材料系,2010.

[2]T.Honma,Y.Benino,T.Fujiwara,et al.New optical nonlinear crystallized glasses and YAG laser-induced crystalline dot formation in rare-earth bismuth borate system[J].Opt.Mater.2002,20(1):27–33.

[3]成茵.新型硼酸鹽功能玻璃結(jié)構(gòu)及析晶動力學研究[D].湖南大學,2006.

[4]牛春暉.摻稀土玻璃激光材料發(fā)光特性及其應用的研究[D].中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）,2002.

[5]張希艷,劉全生,季洪雷,等.稀土摻雜氟磷酸鹽微晶玻璃的制備與發(fā)光性能[A].中國硅酸鹽學會特種玻璃分會第四屆全國特種玻璃會議論文集[C].2008:168-170.

[6]唐彬,王政,羊毅,等.摻鉺透明氧氟鍺酸鹽微晶玻璃的制備及發(fā)光性能研究[J].光學學報,2010,08:2344-2349.

[7]祁學孟,盛根強,張邦錄,等.高Verdet常數(shù)的Tb3+鋁硼硅酸鹽玻璃[J].光子學報,1993,22(1):85289.

[8]Kaczmarek SM.Li2B4O7 glass doped with Cr,Co,Eu and Dy[J].Optical Materials,2002,19:189-194.

[9]殷海榮,章春香,劉立營.高Verdet常數(shù)Faraday玻璃磁光理論及其應用[J].硅酸鹽通報,2008,27(4):748-753.

[10]王俊鋒.磁光玻璃高溫爐的設計與研究[D].陜西科技大學,2010.

[11]王磊,洪志全.氣體滲氮爐溫控系統(tǒng)PID控制器的設計及仿真[J].計算機仿真,2004,21(4):47-50.

[12]文麗松,高磊.熱處理爐溫度自動控制系統(tǒng)的設計與改造[J].航空計測技術(shù),2008,28(Z1).