石英真空脫羥爐是金鹵燈用石英玻璃脫羥工藝的關(guān)鍵設(shè)備。分析了石英脫羥爐的核心部件加熱器、隔熱屏的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)計(jì)算功率進(jìn)行了加熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；闡述了抽真空系統(tǒng)和快速冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路等。結(jié)合現(xiàn)代CAD技術(shù)，進(jìn)行三維建模，可以大大提高設(shè)計(jì)效率和保證設(shè)計(jì)一次成功率，通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，完全可以滿足石英玻璃脫羥工藝的要求。

　　石英玻璃光譜特性優(yōu)良，從短波紫外區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)到紅外區(qū)的寬波段范圍內(nèi)透光性極好，同時(shí)耐高溫(使用溫度達(dá)1100℃以上)，線脹系數(shù)小，化學(xué)穩(wěn)定性高；石英玻璃加入鈰、鈦等元素制成電光源，可將危害人體健康的短波紫外線過(guò)濾掉；石英玻璃制成激光燈可使激光器使用壽命大大延長(zhǎng)。石英玻璃具有很多優(yōu)良的光學(xué)性能，從而使其成為新型電光源的最佳材料。隨著電光源工業(yè)的要求越來(lái)越高，對(duì)優(yōu)質(zhì)石英玻璃的需求量越來(lái)越大。

　　在要求最高的金鹵燈用石英玻璃中，對(duì)羥基的含量要求極為苛刻。羥基會(huì)破壞鹵鎢循環(huán)，嚴(yán)重影響燈的質(zhì)量和使用壽命；在光導(dǎo)纖維中羥基將影響光損耗，因此羥基在石英玻璃中是一項(xiàng)有害雜質(zhì)。金鹵燈用低羥基管要求羥基含量為1×10^-6~5×10^-6，脫羥基工藝要求非常嚴(yán)格。石英玻璃中的羥基穩(wěn)定性很高，脫羥非常困難。石英脫羥有多種方式，目前真空脫羥是金鹵燈用低羥基石英管必須的一種脫羥方式。真空脫羥工藝需要在高真空狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間的保持高溫(約1050℃)，以使羥基順利脫出。為保證細(xì)長(zhǎng)石英管質(zhì)量均勻性，還要保持良好的溫度均勻性，對(duì)于大型的設(shè)備來(lái)說(shuō)難度很大。大型爐尺寸很大，高溫真空狀態(tài)下部件的剛度、強(qiáng)度、變形、耐用等都要充分考慮，同時(shí)要考慮生產(chǎn)成本問(wèn)題，一臺(tái)成本合適的高性能石英脫羥爐是保證脫羥工藝質(zhì)量的前提。

1、石英脫羥爐的設(shè)計(jì)計(jì)算和三維建模

　　1.1、任務(wù)分析

　　根據(jù)石英玻璃的脫羥基工藝和工件的要求，脫羥爐的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

　　有效空間：800mm×800mm×3300mm；最高溫度：1150℃；工作溫度：1050℃；真空度：2×10^-2Pa；溫區(qū)均勻性：±4℃；升溫時(shí)間：按2.5h計(jì)算。

　　此設(shè)備屬于大型的石英真空脫羥爐，爐體容積高達(dá)9000L，每爐處理工件重量高達(dá)600kg，爐內(nèi)可同時(shí)放兩個(gè)1500mm長(zhǎng)的托料盤(pán)，可以加熱長(zhǎng)1500mm的細(xì)長(zhǎng)石英管。

　　根據(jù)脫羥工藝的要求需要保持高溫、高真空狀態(tài)。脫羥工作溫度1050℃可以正常實(shí)現(xiàn)，真空度達(dá)10^-4Pa數(shù)量級(jí)最佳，此爐體容積大，綜合考慮真空泵的抽真空能力和成本，經(jīng)協(xié)商降低真空度指標(biāo)為2×10^-2Pa，靠增長(zhǎng)脫羥時(shí)間達(dá)到脫羥要求，保溫十幾個(gè)小時(shí)使羥基充分?jǐn)U散。大容量的工作空間極大的提高了石英管的熱處理效率，但是溫區(qū)內(nèi)需要保持高溫度均勻性，以保證細(xì)長(zhǎng)石英管各處的質(zhì)量均勻性，在布置加熱器時(shí)要充分考慮，以免溫度均勻性差影響產(chǎn)品質(zhì)量。

　　考慮裝卸方便性，采取雙爐門(mén)打開(kāi)結(jié)構(gòu)，兩端進(jìn)出料。設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮以上要求，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代CAD技術(shù)相結(jié)合來(lái)提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

　　1.2、加熱器設(shè)計(jì)

　　1.2.1、加熱器結(jié)構(gòu)布置

　　加熱器和隔熱屏是爐體的核心部件，高溫變形問(wèn)題是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，也是研發(fā)難點(diǎn)。本設(shè)備高溫保溫時(shí)間較長(zhǎng)，隔熱屏摒棄易變形的金屬材料，采用方形石墨反射屏；除爐體上下左右裝有加熱器外，增加前后爐門(mén)兩個(gè)加熱器，共分三個(gè)加熱區(qū)六面加熱，保證溫度均勻性和長(zhǎng)久高溫工作。加熱器布置采用三組三相加熱，采用三角形接法，石墨板拼接結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。

圖1 加熱器的布置形式　圖2 石英脫羥爐的三維模型

　　1.2.2、確定隔熱屏尺寸

　　隔熱屏是保溫的重要屏障，其與爐體內(nèi)壁、加熱器的距離直接影響工作區(qū)間的溫度均勻性，有效空間：800mm×800mm×3300mm，根據(jù)布置確定隔熱屏內(nèi)尺寸：1100mm×1200mm×3650mm。

　　1.2.3、確定總加熱功率

　　計(jì)算爐膛表面積：S=19.4m²。根據(jù)表面負(fù)荷法，按最高爐溫1150℃，布置功率約20kW/m²，計(jì)算總加熱功率：P=20×19.4=388kW。

　　1.2.4、校核加熱器

　　選取設(shè)計(jì)功率387kW，校核加熱器。加熱器采用三組三相三角形接法，每相功率為43kW，電極石墨的電阻系數(shù)為9Ω·mm2/m。爐體單根加熱器長(zhǎng)7980mm，則R≈0.0798Ω。計(jì)算工作電壓：

　　表面負(fù)荷計(jì)算：W=2.7W/cm²遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石墨材料的許用表面負(fù)荷值40W/cm2～60W/cm²。經(jīng)校驗(yàn)加熱器符合要求。

　　1.3、真空系統(tǒng)和快冷系統(tǒng)設(shè)置

　　爐體容積大，石墨材料較金屬材料放氣量大很多，對(duì)抽真空時(shí)間和真空度指標(biāo)影響很大，可采用高溫烘烤除氣；抽真空系統(tǒng)采用大口徑擴(kuò)散泵，為了防止擴(kuò)散泵返油現(xiàn)象，考慮在泵口加低溫冷阱，有效阻止油蒸汽進(jìn)入爐體。

　　石墨隔熱屏保溫效果好，冷卻很慢，為了降低單爐生產(chǎn)時(shí)間，需要設(shè)置一套外循環(huán)式快冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，注意風(fēng)道的設(shè)置，使冷風(fēng)能夠正常循環(huán)提高冷卻效果，注意隔熱屏進(jìn)風(fēng)噴嘴的位置，使工件能迅速均勻冷卻，提高冷卻的效率。

　　1.4、三維建模

　　將復(fù)雜的真空爐設(shè)計(jì)方案做好后分為幾個(gè)主要部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要有爐體、爐蓋、加熱器、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等，然后裝配仿真，并對(duì)重要部位進(jìn)行力學(xué)分析，以保證系統(tǒng)的強(qiáng)度。圖2為石英脫羥爐的三維模型(本例用solidworks建模)，并且一些部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，例如真空系統(tǒng)，極大提高了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。

2、石英脫羥爐實(shí)際溫度均勻性測(cè)試

　　圖3為制造完成的石英脫羥爐爐體內(nèi)部照片，采用九點(diǎn)測(cè)量爐內(nèi)溫區(qū)實(shí)際溫度均勻性，示意圖如圖4。

　　在910℃保溫的情況下測(cè)得九點(diǎn)的溫度如表1所示。

圖3 石英脫羥爐爐體內(nèi)部照片　圖4 爐內(nèi)溫區(qū)實(shí)際溫度均勻性測(cè)量示意圖

表1 910℃保溫時(shí)測(cè)得九點(diǎn)的溫度

　　最高最低溫度差異為5℃，完全滿足溫區(qū)均勻性±4℃的要求。

3、結(jié)論

　　對(duì)于大型石英脫羥爐的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析，闡述了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。實(shí)行三個(gè)加熱區(qū)六面加熱全面控制爐體溫度，達(dá)到溫度均勻性的要求；對(duì)于其核心的加熱器、隔熱屏闡述了設(shè)計(jì)的思路和方法，對(duì)加熱器進(jìn)行了可行的布置和設(shè)計(jì)計(jì)算；對(duì)抽真空系統(tǒng)和快速冷卻循環(huán)系統(tǒng)闡述了設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。結(jié)合現(xiàn)代CAD技術(shù)，建成了三維模型，不僅可以大大提高設(shè)計(jì)效率，而且保證設(shè)計(jì)一次成功率，通過(guò)實(shí)踐測(cè)試可以達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，完全可以滿足石英玻璃脫羥工藝的要求。