Высокотемпературная вакуумная печь для наплава кварцевого стекла
, ,
Институт минералогии УрО РАН
Для установления возможности использования природного кварца в производстве высокочистого кварцевого стекла необходима плавильная установка, позволяющая выплавлять малогабаритные, аттестационные слитки весом до сотен грамм.
Задача была решена путем модернизации плавильной камеры вакуумной электропечи сопротивления марки СНВЭ-1,31/16-ИЗ-УХЛ 4.1. В стандартном исполнении в горизонтальной камере данной печи достигается предельная температура 16000С при потребляемой мощности до 20 кВт. Достижение более высоких (1750-1800)0 температур, необходимых для плавления кварцевого песка [1], ограничено конструктивными особенностями вольфрамовых нагревателей.
Для обеспечения возможности выплавки кварцевого стекла и создания теплового узла была проведена серия экспериментов по изучению стойкости ряда тугоплавких материалов к расплаву диоксида кремния. Это молибден, вольфрам, тантал, ниобий, рений, графит.
По результатам этих исследований был разработан и изготовлен тепловой узел, состоящий из вольфрамового нагревателя и тепловых экранов (рис.1), который обеспечивает температуру в рабочем объеме 1000 см3 до 22000С. Высота нагревамм, диаметр 100 мм. Нагреватель представляет 24 вольфрамовых стержня диаметром 2 мм сгруппированных по 12 штук на двух молибденовых полукольцах и соединенных последовательно через молибденовое же кольцо. Осевой и радиальный температурный градиент в тепловом узле не превышает 70С/см при температуре в рабочем объеме 18000С.
Многослойный тепловой экран, состоящий из двух полуцилиндров, верхней и нижней крышки, изготовлен из молибденовой жести, Тепловой узел позволяет выплавлять в молибденовых тиглях, слитки стекла весом более 150 грамм. Конструкция нагревателя обеспечивает проведение нескольких десятков плавок, длительностью более пяти часов каждой. Потребляемая мощность нагревателя до 9 кВт при токе до 1100 А.
На данной установке были проведены более пятидесяти экспериментальных плавок как природного, так и синтетического кварцевого сырья. По результатам экспериментов была отработана методика плавки сырья, установлены оптимальные технологические параметры процесса. Установлена корреляция между технологией очистки кварцевого песка, его гранулометрическими характеристиками, а также материалами технологической оснастки теплового узла и качеством выплавляемых слитков. Приемлемы к использованию по устойчивости к расплаву кварцевого стекла тигли, изготовляемые из молибденовой жести толщиной 0,2 мм. По химической устойчивости к расплаву кварца было бы предпочтительней использование рениевых тиглей, но очень высока стоимость материала. Для предотвращения загрязнения расплава стекла окисью молибдена плавка производилась в кварцевых стаканчиках с крышкой, устанавливаемых внутри молибденовых тиглей (рис.2).
Выводы:
· Создана экспериментальная высокотемпературная, 2200 оС, высоковакуумная, 6.5 10-4Па (5 10-6 мм рт. ст.) плавильная установка.
· Изучена стойкость ряда тугоплавких металлов к расплаву диоксида кремния
· Отработана технология выплавки кварцевых стекол из различного вида природного и синтетического сырья.
Литература
1. , Мурзин кварцевого стекла. Ленинград. «Наука» 1985.
