一种焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置及其扩氧方法

技术领域

本发明涉及焰熔法蓝宝石烧结技术领域，具体是一种焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置及其扩氧方法。

背景技术

蓝宝石因其具有优良的机械性能、光学性能、化学稳定性、耐磨损性、介电性能等，被广泛应用于军事和民用领域中的优良窗口材料、优质光学材料、耐磨轴承材料、热绝缘体、热电偶等。焰熔法烧结蓝宝石生产率高，设备较简单，适用于工业化生产，可生长大尺寸、高熔点的宝石晶体。焰熔法烧结蓝宝石是指γ-Al₂O₃粉末在通过氧气与氢气燃烧形成的高温火焰后熔化，熔滴下落冷却在结晶杆上，逐渐固结生长成晶体。焰熔法蓝宝石烧结机是一种利用焰熔法烧结蓝宝石的烧结设备。

焰熔法蓝宝石烧结机炉膛内的氢氧焰温度的高低主要是由氧气的流量来决定的，因此氧气量的波动直接影响炉膛内温度场的稳定性。接种后的晶体扩大阶段，需要缓慢地增加氧气流量，火焰温度逐渐升高，晶体扩大，如果氧气流量增加过快，则会出现晶体过熔或其他缺陷；晶体均匀生长阶段，氧气流量基本保持稳定不变；晶体缩颈阶段，缓慢降低氧气流量，火焰温度下降，晶体收缩，如果氧气流量下降过快，晶体内形成不熔物、云层等缺陷。由此可见在晶体的整个生长过程中，氧气流量在不同阶段需要进行相应调节，其中，晶体扩大阶段是宝石烧结的关键阶段。目前，国内焰熔法蓝宝石烧结扩氧技术主要采用的方法是人工手动调节阀门、水压自动扩大装置等，人工手动调节生产效率低、调节难度大、易出现误操作；而水压自动扩大装置虽然结构简单，但是操作不方便，不易量化，自动化程度不高，由于车间温度高，稳压瓶内的水分易蒸发，而国外一般都采用机械装置实现扩氧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置及其扩氧方法，能够缓慢地扩大或缩小氧气流量，可通过观察刻度数据对应氧气流量值，氧气气流稳定，能够保证晶体生长的质量，操作方便，机械自动化程度高。

本发明的技术方案为：

一种焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，包括扩氧机座、固定在扩氧机座的前后面上且与扩氧机座的两个侧壁构成密封腔体的前面板和后面板、设置在密封腔体内的螺杆、U型卡块、螺套块和接触开关压块、设置在扩氧机座的锥杆孔内的锥杆、设置在扩氧机座的其中一个侧壁上且上下分布的两个微动开关、设置在螺套块的两侧凹槽内且与扩氧机座的两个侧壁点接触的钢珠、固定在扩氧机座上的第二电机减速器、与第二电机减速器通过第一电机减速器连接的电机以及与扩氧机座的氧气通道的输入/输出端螺纹连接的外螺纹接头；

所述螺杆的首端与第二电机减速器的输出轴紧定连接，所述螺杆的尾端穿过螺套块的螺纹孔插入锥杆的T型首端的盲孔，所述U型卡块插入螺杆的凹槽内且固定在扩氧机座上，所述螺套块与螺杆螺纹连接，所述锥杆的T型首端紧压在接触开关压块的通孔处的台阶上，所述螺套块、接触开关压块和锥杆通过螺钉固定为一体；

在所述电机运转过程中，所述螺杆与螺套块构成螺旋副结构，所述螺套块通过钢珠的滚动实现轴向移动，带动锥杆在扩氧机座的锥杆孔内轴向移动，所述锥杆的轴向移动改变扩氧机座的氧气通道与锥杆的尾端之间的间隙大小，氧气流量大小随之发生改变；当所述接触开关压块接触到微动开关时，所述电机停止运转；所述前面板采用透明材质制备，其上设有刻度量程，所述接触开关压块正对前面板的一侧设有用于指示前面板上的刻度值的三角凹槽。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述螺杆的首端与第二电机减速器的输出轴通过开槽平端紧定螺钉紧定连接。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述锥杆与扩氧机座的锥杆孔之间采用O型橡胶圈密封。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述螺杆上的螺纹为细牙M12×1。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述锥杆的尾端锥度有1°、2°、3°三种，所述锥杆的轴向移动速度为1mm/min。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述钢珠由不锈钢材质制备，所述钢珠共有四个，对称分布在螺套块的两侧凹槽内。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述前面板上的刻度量程为黑色，量程范围为0～40mm，每格表示1mm，所述接触开关压块上的三角凹槽内涂满白色油漆。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述外螺纹接头与扩氧机座的氧气通道的输入/输出端之间采用生胶带密封加固。

所述的焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，所述电机的控制输入端连接变频器的输出端。

所述的一种焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置的扩氧方法，包括以下步骤：

a、点火阶段，先打开双联阀门，再打开氢气截止阀，在燃烧室内用明火点燃氢气后打开氧气截止阀，并将氧气流量调整到4～6m³/小时；

b、熔种阶段，调整氢气流量，炉膛内温度达到熔晶温度2050℃时开启扩氧装置，缓慢增大氧气流量，直至晶种上部熔为半球状熔体；

接种扩大阶段，开启扩氧装置，氧气流量在20～30分钟内由6～8m³/小时缓慢平稳增加到10～12m³/小时，晶体直径逐渐扩大；

所述熔种阶段与接种扩大阶段均开启扩氧装置的正转按钮，电机的输出轴逆时针旋转，带动螺杆逆时针旋转，螺套块与螺杆相对转动，螺套块通过钢珠的滚动轴向向上移动，带动锥杆在扩氧机座的锥杆孔内轴向向上移动，扩氧机座的氧气通道与锥杆的尾端之间的间隙变大，氧气流量变大；

c、均匀生长阶段，在接种扩大阶段末期开启电机的停止按钮，氧气流量固定在10～12m³/小时，记录扩氧机座的前面板上的刻度值，进入均匀生长阶段，晶体在高温炉膛内均匀生长出来，扩氧装置不运转；

d、缩颈阶段，均匀生长阶段末期开启扩氧装置的反转按钮，电机的输出轴顺时针旋转，带动螺杆顺时针旋转，螺套块与螺杆相对转动，螺套块通过钢珠的滚动轴向向下移动，带动锥杆在扩氧机座的锥杆孔内轴向向下移动，扩氧机座的氧气通道与锥杆的尾端之间的间隙变小，氧气流量变小，晶体顶端直径逐渐缩小；

e、关火阶段，开启电机的停止按钮，扩氧装置不运转，关闭双联阀门后再关闭氢气截止阀和氧气截止阀。

本发明的有益效果为：

（1）利用两个电机减速器和螺旋副结构将电机旋转运动转化为锥杆轴向移动，同时大的减速比使得锥杆轴向移动缓慢，在整个扩氧调节过程中气流平稳增加，能够保证晶体生长的质量。

（2）可通过观察前面板上的刻度数据对应氧气流量值，方便指导每次烧结时接种扩大阶段末期氧气流量的控制。

（3）本发明的扩氧装置中使用微动开关，避免了螺套块过载运动，安全可靠，灵敏度高；设计了几种锥度的锥杆，适用于不同直径蓝宝石晶体的烧结。

（4）本发明的扩氧装置操作方便，机械自动化程度高，利用本发明的扩氧工艺能够生长出大尺寸、高熔点、高品质的蓝宝石晶体。

附图说明

图1是本发明的结构示意主视图；

图2是本发明的结构示意左视图；

图3是图2的I部放大图；

图4是本发明的锥杆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1～图3所示，一种焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置，包括扩氧机座1、前面板2、后面板3、螺杆4、U型卡块5、螺套块6、接触开关压块7、锥杆8、微动开关9、钢珠10、第二电机减速器11、第一电机减速器12、电机13、外螺纹接头14、开槽平端紧定螺钉15和O型橡胶圈16。

前面板2和后面板3分别固定在扩氧机座1的前后面上且与扩氧机座1的两个侧壁构成密封腔体，螺杆4、U型卡块5、螺套块6和接触开关压块7均设置在该密封腔体内。锥杆8设置在扩氧机座1的锥杆孔内。微动开关9有两个，设置在扩氧机座1的其中一个侧壁上且上下分布。钢珠10采用不锈钢材质制备，共有四个，对称分布在螺套块6的两侧凹槽内且与扩氧机座1的两个侧壁点接触。第二电机减速器11固定在扩氧机座1上，电机13通过第一电机减速器12与第二电机减速器11连接，大传动比使得第二电机减速器11的输出轴转速低。

螺杆4上的螺纹为细牙M12×1，螺杆4的首端与第二电机减速器11的输出轴通过开槽平端紧定螺钉15紧定连接，螺杆4的尾端穿过螺套块6的螺纹孔插入锥杆8的T型首端的盲孔。开槽平端紧定螺钉15保证螺杆4与第二电机减速器11的输出轴一起轴向转动。U型卡块5插入螺杆4的凹槽内且固定在扩氧机座1上，对螺杆4在密封腔体内的位置进行定位，同时防止螺杆4轴向窜动。螺套块6与螺杆4螺纹连接。

锥杆8的T型首端紧压在接触开关压块7的通孔处的台阶上，螺套块6和接触开关压块7将锥杆8的T型首端压紧在中间，螺钉将三者连接固定为一体。锥杆8与扩氧机座1的锥杆孔之间采用O型橡胶圈16密封，防止氧气泄露。扩氧机座1的氧气通道的输入/输出端与外螺纹接头16螺纹连接并采用生胶带密封加固。前面板2采用透明有机玻璃材质制备，其上设有黑色的刻度量程，量程范围为0～40mm，每小格表示1mm。接触开关压块7正对前面板2的一侧三角凹槽，三角凹槽内涂满白色油漆，便于观察刻度值，读出锥杆8的轴向移动距离。

在电机13运转过程中，螺杆4与螺套块6构成螺旋副结构，相对转动，钢珠10在螺套块6的两侧凹槽面、扩氧机座1的两个侧壁面上滚动，与扩氧机座1的两个侧壁面点接触，阻止螺套块6的转动，螺套块6只能通过钢珠10的滚动实现轴向移动，而由于螺套块6、接触开关压块7和锥杆8固定为一体，螺套块6的轴向移动会带动锥杆8在扩氧机座1的锥杆孔内轴向移动。锥杆8的轴向移动改变扩氧机座1的氧气通道与锥杆8的尾端之间的间隙大小，氧气流量大小随之发生改变。当接触开关压块7接触到微动开关9时，电机13停止运转，避免了螺套块6的过载运动，安全可靠。电机13的控制部分使用变频器，可在其调速范围内任意变频调速。

如图4所示，锥杆8的T型首端的盲孔用于螺杆4与螺套块6相对转动时螺杆4的轴向插入，锥杆8的尾端锥度A°有1°、2°、3°三种，适用于不同直径蓝宝石晶体的烧结，锥杆8的轴向移动速度为1mm/min。

一种焰熔法蓝宝石烧结机的扩氧装置的扩氧方法，包括以下步骤：

a、点火阶段，先打开双联阀门，再打开氢气截止阀，在燃烧室内用明火点燃氢气后打开氧气截止阀，并将氧气流量调整到4～6m³/小时；

b、熔种阶段，调整氢气流量，炉膛内温度达到熔晶温度2050℃时开启扩氧装置，缓慢增大氧气流量，直至晶种上部熔为半球状熔体；

接种扩大阶段，开启扩氧装置，氧气流量在20～30分钟内由6～8m³/小时缓慢平稳增加到10～12m³/小时，晶体直径逐渐扩大；

熔种阶段与接种扩大阶段均开启扩氧装置的正转按钮，电机13的输出轴逆时针旋转（面对电机13的输出轴端面），带动螺杆4逆时针旋转，螺套块6与螺杆4相对转动，螺套块6通过钢珠10的滚动轴向向上移动，带动锥杆8在扩氧机座1的锥杆孔内轴向向上移动，扩氧机座1的氧气通道与锥杆8的尾端之间的间隙变大，氧气流量变大；

c、均匀生长阶段，在接种扩大阶段末期开启电机13的停止按钮，氧气流量固定在10～12m³/小时，记录扩氧机座1的前面板2上的刻度值，进入均匀生长阶段，晶体在高温炉膛内均匀生长出来，扩氧装置不运转；

d、缩颈阶段，均匀生长阶段末期开启扩氧装置的反转按钮，电机13的输出轴顺时针旋转，带动螺杆（4）顺时针旋转（面对电机13的输出轴端面），螺套块6与螺杆4相对转动，螺套块6通过钢珠10的滚动轴向向下移动，带动锥杆8在扩氧机座1的锥杆孔内轴向向下移动，扩氧机座1的氧气通道与锥杆8的尾端之间的间隙变小，氧气流量变小，晶体顶端直径逐渐缩小；

e、关火阶段，开启电机13的停止按钮，扩氧装置不运转，关闭双联阀门后再关闭氢气截止阀和氧气截止阀。

实施例：

在焰熔法蓝宝石烧结机料斗内装入γ-Al₂O₃粉末，打开双联阀门，然后打开氢气截止阀，在燃烧室中用明火点燃氢气后打开氧气截止阀，并将氧气流量调整到6m³/小时；熔种阶段，调整氢气流量，炉膛内温度达到熔晶温度2050℃时开启扩氧装置的正转按钮，缓慢增大氧气流量，氧气流量调整到7m³/小时，晶种上部熔为半球状熔体；接种扩大阶段，启动敲打电机，开始下料，调整各部位后开启扩氧装置的正转按钮，氧气流量在25分钟内由7m³/小时缓慢平稳地增加到11m³/小时，晶体直径逐渐扩大，接种扩大阶段末期扩氧装置上的刻度值是32mm，锥杆的锥度选用1°；在接种扩大阶段末期关闭电机，氧气流量固定在11m³/小时，晶体在高温炉膛内均匀生长出来，扩氧装置不运转；均匀生长阶段末期开启扩氧装置的反转按钮，缓慢减小氧气流量，晶体顶端直径逐渐缩小；关闭电机，扩氧装置不运转，关闭双联阀门后关闭氢气截止阀、氧气截止阀。通过上述扩氧装置烧结出的一批蓝宝石晶体尺寸规格为Φ40×150mm，外形规整，通过对该规格的晶体进行测试，该晶体基本不含不熔物、微观气泡和宏观气泡。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。