solidworks小型石英熔融加热装置设计(2)
3.5.2 保温材料的分类 18
4 石英熔炉加热装置模拟 19
4.1 有限元分析软件ANSYS简介 19
4.2 ANSYS热分析基本原理 19
4.3 模拟过程 20
总结与展望 28
致 谢 31
参考文献32
1 绪论
1.1 熔融石英简介
熔融石英是一种只含有二氧化硅单一成分的玻璃。制造石英玻璃的原料为天然水晶或硅石，这些物质常年在温度很高的地下岩层，裸露到地表后经过环境变化掺入杂质，石英熔融的目的主要是为了剔除杂质，得到纯度较高的二氧化硅晶体。熔融石英具有较高的耐温性能、膨胀系数低、耐热震性强、化学稳定性和电绝缘性良好，并能透过紫外线和红外线，是半导体仪器、光学仪器、电学仪器、医疗仪器等的重要组成成分，在化工、电子、医疗、冶金、建材和国防等方面发挥重要的作用[1-4]。
1.2 常用石英熔融炉加热方式简介
目前比较通用的石英熔融炉主要有电熔炉和气熔炉两种。其中电熔炉逐渐成为主流方向。电熔炉工艺主要分为电阻炉、电弧加热炉和电磁感应炉。
电阻炉是指利用导体通电产生的焦耳热来熔炼石英。一般电极为长圆柱形状的石墨棒，插入石英粉中通电加热，电阻炉是目前比较常用的加热方式。
1.2.1 电阻加热
目前最常用的石英电阻熔炉为真空加热炉。真空加热炉是指把炉内抽成真空后加热。具体操作流程为，将石英装粉入石墨坩埚中，石英粉中间插入石墨电极，盖上炉盖后抽真空，然后接通电源开始加热，石英粉中间的气泡会随着温度的不断上升而从石英中挥发出去。一段时间后，向炉内迅速通入高压气体，将残余在石英溶液中的小气泡压缩[5]。持续一定时间后停止加热，迅速在真空状态下冷却。这样加工生成的熔融石英气泡含量少，透明度很高。
1.2.2 电弧加热
电弧炉装载石英粉的容器为导体（一般用铁桶），石英粉内部插入两根电极（一般为石墨电极），通电后一边旋转导体容器，一边旋转电极，利用产生的电弧将石英粉加热[6]。因为电弧温度极高，这样可以迅速将石英粉加热融化，冷却后生成的石英玻璃硬度高，耐磨损，耐高温，可用来制作石英坩埚。但是电弧加热不能很好的控制电弧的产生区域，因此一般不能均匀加热。
1.2.3 电磁感应加热
电磁感应炉是利用电磁感应现象制成的加热炉，导体线圈通入交流电后产生变化的磁场，将导体坩埚放入线圈中，产生的磁场将在坩埚中产生变化的电场，从而加热坩埚，进而加热石英粉[7]。电磁感应炉加热的好处是，被通电的物体温度并没有上升到很高，这样就有效保护率导体，从而间接提高了石英熔炉的使用寿命。
1.2.4 气炼法
除了电熔炉外，目前还在使用的熔炼方法还有气炼法。气炼法是一种比较古老的方法，是指用温度很高的火焰直接加热石英颗粒，使其一层层融化。随着工艺的进步，现在已经从单喷嘴发展到了多个喷嘴。气炼法使用的燃料有氢气、乙炔和水煤气等。将气体从喷嘴中喷出，点燃气体，火焰喷射到石英上，然后不断旋转石英，使其尽量熔化均匀。石英下面放置一载体，用来承接熔化掉落的石英[8]。气炼法存在着很多问题，首先，其在空气中加热，这就导致烧制而成的石英玻璃中含有大量气泡，影响其透明性；另外，气体中含有大量杂质，可能对石英玻璃造成污染；最后气炼法容易造成能量的大量浪费。