摘要：等離子熔融工藝是目前國(guó)際上生產(chǎn)高純度熔融石英玻璃圓筒最先進(jìn)的工藝之一，在產(chǎn)品的低羥基濃度、低缺陷濃度、成品率、生產(chǎn)效率和節(jié)能環(huán)保等方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)石英玻璃等離子熔融工藝成型設(shè)備，設(shè)計(jì)并提出了一種真空過(guò)程實(shí)現(xiàn)方案，可進(jìn)行等離子加熱過(guò)程中的爐內(nèi)真空度（氣壓）實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)，以滿足高純度熔融石英等離子工藝過(guò)程中的不同需要。

1． 簡(jiǎn)介

等離子熔融工藝是目前生產(chǎn)透明和不透明熔融石英空心圓筒坯件最先進(jìn)的工藝技術(shù)，通過(guò)此工藝可以一次完成高純度熔融石英圓筒胚件的制造，在成品率、生產(chǎn)效率和節(jié)能環(huán)保等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

在等離子熔融工藝過(guò)程中，將高純石英砂注入到旋轉(zhuǎn)爐中，依靠離心力控制成品尺寸。在熔融工藝過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)爐中的高純保護(hù)氣體使得電極間能夠激發(fā)等離子電弧，所產(chǎn)生的等離子電弧使晶態(tài)石英砂熔化為熔融石英。

目前全球唯一采用此獨(dú)特工藝生產(chǎn)熔融石英空心圓筒的廠家是德國(guó)昆希（Qsil）公司，如圖 1所示，昆希公司使用這種獨(dú)有的“一步法”等離子加熱熔融工藝生產(chǎn)透明和不透明熔融石英空心圓筒（坯）。

圖1． 德國(guó)昆希（Qsil）公司等離子熔融工藝石英玻璃成型設(shè)備

熔融石英玻璃在生產(chǎn)過(guò)程中，熔融態(tài)的石英玻璃將發(fā)生極其復(fù)雜的氣體交換現(xiàn)象，此時(shí)氣體的平衡狀態(tài)與加熱溫度、爐內(nèi)氣壓、氣體在各相中的分壓及其在玻璃中的溶解、擴(kuò)散速度有關(guān)。因此，為獲得羥基濃度小于50ppm且總?cè)毕荩ㄖ睆叫∮?0um的氣泡和夾雜物）濃度小于50個(gè)／立方厘米的高純度熔融石英玻璃錠，需要根據(jù)加熱溫度選擇不同的氣體和真空工藝。本文提出了一種真空工藝實(shí)現(xiàn)方案，可進(jìn)行等離子加熱過(guò)程中的爐內(nèi)氣壓實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)，以滿足高純度熔融石英等離子熔融工藝過(guò)程中的各種不同需要。

2． 真空度（氣壓）控制和監(jiān)測(cè)方案

與等離子熔融工藝石英玻璃成型設(shè)備配套的真空系統(tǒng)框圖如圖 2所示，可實(shí)現(xiàn)成型設(shè)備加熱桶內(nèi)的真空度（氣壓）在0．1～700Torr范圍內(nèi)的精確控制，控制精度可達(dá)到±1％以內(nèi)。

如圖2所示，真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了下游控制模式，也可根據(jù)具體工藝情況設(shè)計(jì)為上游和下游同時(shí)控制模式。整個(gè)真空系統(tǒng)主要包括氣源、進(jìn)氣流量控制裝置、真空度探測(cè)器、出氣流量控制和真空泵等部分。

圖2． 真空系統(tǒng)框圖

來(lái)自不同氣源的氣體通過(guò)可控閥門形成單獨(dú)或混合氣體進(jìn)入歧管，然后通過(guò)一組質(zhì)量流量控制器和針閥來(lái)控制進(jìn)入成型設(shè)備的氣體流量，由此既能實(shí)現(xiàn)設(shè)備中的真空度快速控制和避免較大的過(guò)沖，又能有效節(jié)省某些較昂貴的惰性氣體。

成型設(shè)備內(nèi)真空度的形成主要靠真空泵抽取實(shí)現(xiàn)，抽取的工藝氣體需要先經(jīng)過(guò)濾裝置進(jìn)行處理后再經(jīng)真空泵排出。

工藝氣體的真空度（氣壓）通過(guò)兩個(gè)不同量程的真空計(jì)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由此來(lái)覆蓋整個(gè)工藝過(guò)程中的真空度控制和測(cè)量。

真空度的精確控制采用了一組質(zhì)量流量控制器、調(diào)節(jié)閥控制器和閥門，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝過(guò)程中任意真空度設(shè)定點(diǎn)和變化斜率的準(zhǔn)確控制。

整個(gè)真空系統(tǒng)內(nèi)的傳感器、裝置以及閥門，采用計(jì)算機(jī)結(jié)合PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并按照程序設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)控制。

3． 說(shuō)明

上述真空系統(tǒng)方案僅為初步的設(shè)計(jì)框架，并不是一個(gè)成熟的技術(shù)實(shí)施方案，還需要結(jié)合實(shí)際工藝過(guò)程和參數(shù)的調(diào)試來(lái)對(duì)真空系統(tǒng)方案進(jìn)行修改完善。

真空度控制與其他工程參數(shù)（如溫度、流量等）控制一樣，盡管普遍都采用PID控制技術(shù)，但對(duì)真空度控制而言，則對(duì)控制器的測(cè)量精度和PID控制算法有很高的要求，而進(jìn)口配套的控制器往往無(wú)法達(dá)到滿意要求。

另外，如在真空度控制過(guò)程中，真空容器中的真空度會(huì)發(fā)生改變，系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù) 也隨之改變，這意味著具有固定控制參數(shù)的控制器只能最佳地控制一個(gè)壓力設(shè)定值。如果壓力設(shè)定值改變，控制器的優(yōu)化功能將不再得到保證。必須對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行新的調(diào)整，通常是手動(dòng)進(jìn)行。