CN103043898B

CN103043898B - 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料及其生产方法

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Publication number: CN103043898B
Application number: CN201210518045.9A
Authority: CN
Inventors: 金小宁; 洪璐; 李廷华
Original assignee: DONGHAI JINFU QUARTZ PRODUCTS Co Ltd
Current assignee: DONGHAI JINFU QUARTZ PRODUCTS Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: CN103043898A

Abstract

本发明针对现有技术中所选用的原料无法产出高机械强度石英玻璃的技术问题，提供一种石英玻璃原料，即把原料石英颗粒中钙氧化物的含量控制在0.0003%~0.001%，铝氧化物的含量为钙氧化物的10~20倍；本发明还提供一种改进，即同时控制锂氧化物的含量为钙氧化物的2~10倍。本发明同时提供上述原料的生产方法，即在普通石英玻璃原料生产工艺中添加改性处理步骤，即对原料石英颗粒进行铝、钙、锂氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙和/或铝和/或锂氧化物，至钙、铝、锂氧化物的含量符合产品要求。本发明在不影响现有生产工艺，不影响石英玻璃已有的物理和化学性能的基础上产出一种新型的石英玻璃原料，用这种石英玻璃原料生产的石英玻璃能显著提高石英玻璃的机械强度。

Description

能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料及其生产方法

技术领域

本发明属于玻璃制造领域，具体涉及一种能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料及其生产方法。

背景技术

高机械强度石英玻璃用于高压力的复杂恶劣环境中，如高压器皿的监控窗口，可以承受1100MPa以上的压力；高温、高压环境中的观察窗口，可以承受明火的烧烤而不变形，不炸裂。它的致命缺陷是抗拉强度和抗弯强度低，只有抗压强度的二十分之一。

石英玻璃是用纯度达到99.99%以上的二氧化硅原料，经1713摄氏度以上的高温条件下熔制而成的，它具有耐高温、耐高压力、耐腐蚀、低膨胀系数、热震性好等其它玻璃无法比对的优点；而石英玻璃的耐机械强度不高，在一些对机械强度要求高的场合中不能做大规格使用，我国目前使用的石英玻璃窗口、镜片因为耐机械强度不够，只能用作小规格的石英玻璃窗口和镜片，大规格的石英玻璃窗口和镜片要求石英玻璃具有较高的机械强度。而我国目前生产石英玻璃的工艺主要有真空加压电熔法、连续电熔法、氢氧气熔制法、等离子熔制法、化学合成法等生产工艺，这些工艺生产得到的石英玻璃的物理性能基本是一致的，不能得到理想的功能性高机械强度石英玻璃。只有调整生产石英玻璃所用的原料，才能获得高机械强度石英玻璃。

在现有技术中已有在传统石英玻璃原料生产工艺的基础上，利用石英原矿的物理和化学性能，进行有目的掺入能提高石英玻璃机械强度的化学元素的报道，如掺入了铝元素的石英玻璃原料，但用此种原料产出的石英玻璃机械强度仍然不够。而我国现有石英玻璃原料生产企业生产的石英玻璃用原料也均不能满足高机械强度石英玻璃的性能要求。

发明内容

本发明针对现有技术中所选用的原料无法满足高机械强度石英玻璃的生产要求的技术问题，提供能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料及其生产方法，其具体方案如下：

本发明提供一种能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料，其特征在于：原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.0003%~0.001%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约10~20倍。

作为本发明的一种改进，上述铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约15倍。

上述石英玻璃原料可用如下生产工艺流程完成：包括以下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装；其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003%~0.001%，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

作为本发明的进一步改进，同时控制原料石英颗粒中锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约2~5倍。

作为一种优选的方案，锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约3倍。

上述石英玻璃原料可用如下生产工艺流程完成：包括以下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装；其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙、锂氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003%~0.001%，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数，锂氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

本发明同时还提供上述能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料的生产方法，包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装，其特征在于：其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003%~0.001%，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

作为本发明进一步改进，在掺入钙和/或铝氧化物时，把铝和/或钙氧化物溶解成水溶液后加入石英颗粒原料中进行搅拌。

作为本发明的另一种改进，上述石英玻璃原料的生产方法中的改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙、锂氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003%~0.001%，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数，锂氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

作为本发明的更进一步改进，在掺入钙和/或铝氧化物和/或锂氧化物时，把钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物溶解成水溶液后加入石英颗粒原料中进行搅拌。

本发明所提供的石英玻璃原料的生产方法，除了改性处理步骤外，其他步骤具体方法同专利申请号为201110407110.6的专利申请文件《一种石英玻璃原料的提纯方法》。

本发明中掺入铝氧化物和钙氧化物的目的是增强石英玻璃的机械强度，其中钙氧化物的添加对铝氧化物在高温熔融时有补充增强作用，其作用并非硬度增加的简单叠加。但其含量必须控制在一定范围内，当低于最小量时增强性能不够，而总量超过最大量时又会影响石英玻璃的其它性能。

本发明中加入锂氧化物的目的是调整因掺入铝氧化物和钙氧化物造成的石英玻璃高温难熔，增强高温元素的易熔性和排气性，提高石英玻璃的透明度。

有益效果：本发明在传统石英玻璃原料生产工艺的基础上，利用石英原矿的物理和化学性能，进行有目的掺入能提高石英玻璃机械强度的化学元素，使之在不影响现有生产工艺生产，不影响石英玻璃已有的物理和化学性能的基础上产出一种新型的石英玻璃原料，而用这种石英玻璃原料生产的石英玻璃，抗拉强度达到约100~110 MPa，抗压强度达到约1150 MPa；而用常规石英玻璃原料生产的石英玻璃的抗拉强度仅约为50MPa，抗压强度约为1120 MPa。由此看出，用本发明提供的新型石英玻璃原料生产石英玻璃，能显著提高石英玻璃的机械强度。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，但不是对本技术方案的限制。

实施例1 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.0003%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:3

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.0003%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约15倍，即0.005%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约3倍，即0.0009%。

用此石英玻璃原料生产的石英玻璃机械强度显著增强，其抗拉强度约为110MPa，抗压强度约为1150 MPa。

实施例2 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.0005%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:3

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.0005%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约15倍，即0.0075%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约3倍，即0.0015%。

用此石英玻璃原料生产的石英玻璃机械强度显著增强，其抗拉强度约为105MPa，抗压强度约为1150 MPa。

实施例3 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.001%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:3

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.001%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约15倍，即0.015%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约3倍，即0.003%。

实施例4 实施例1中所述石英玻璃原料的生产工艺流程

根据钙氧化物的质量含量范围为0.0003%~0.001%，且且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:3，计算得知铝氧化物和锂氧化物在原料石英玻璃中的含量范围见表1。

表1 原料石英玻璃种各金属氧化物质量含量范围

序号	种类	质量含量范围
			1	钙氧化物	0.0003%~0.001%
2	铝氧化物	0.005%~0.015%
			3	锂氧化物	0.001%~0.003%

石英玻璃原料的生产工艺流程包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装（除了改性处理步骤外，其他步骤具体方法同专利申请号为201110407110.6的专利申请文件《一种石英玻璃原料的提纯方法》）；

其中改性处理步骤如下：

①　对原料石英颗粒进行钙、铝、锂氧化物含量分析，得钙、铝、锂氧化物含量分别为0.0002%，0.005%，0.0005%；

②　由分析数据得知，此时铝氧化物的含量已接近其下限值但在其应允范围之内，而其他氧化物的含量偏低，均在其最小含量以下（见表1），那么以铝氧化物的含量为基准，以钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:3的配比计算，得到钙氧化物的总量应约为0.0003%，锂氧化物的总量应约为0.0009%；

③　于是，添加钙氧化物0.0001%，添加锂氧化物0.0004%。即把规定量的钙氧化物和锂氧化物溶解成水溶液后加入石英颗粒原料中进行搅拌。

实施例5 实施例2中所述石英玻璃原料的生产工艺流程：其他步骤同实施例4。

改性处理步骤如下：

①　对原料石英颗粒进行钙、铝、锂氧化物含量分析，得钙、铝、锂氧化物含量分别为0.0005%，0.005%，0.001%；

②　由分析数据得知，此时钙氧化物的含量在其应允范围内，而铝氧化物与锂氧化物的含量偏低，其中铝的含量已趋于其下限值，锂氧化物的含量低于其下限值（见表1），那么以钙氧化物的含量为基准，以钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:3的配比计算，得到铝氧化物的总量应约为0.0075%，锂氧化物的总量应约为0.0015%；

③　于是，添加铝氧化物0.0025%，添加锂氧化物0.0005%。即把规定量的铝氧化物和锂氧化物溶解成水溶液后加入石英颗粒原料中进行搅拌。

实施例6 实施例3中所述石英玻璃原料的生产工艺流程：其他步骤同实施例4。

改性处理步骤如下：

① 对原料石英颗粒进行钙、铝、锂氧化物含量分析，得钙、铝、锂氧化物含量分别为0.0001%，0.001%，0.0001%；

② 由分析数据得知，此时三种金属氧化物的含量低于其下限值（见表1），那么添加钙氧化物至其总含量为0.001%，然后以钙氧化物的含量为基准，以钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:3的配比计算，得到铝氧化物的总量应约为0.015%，锂氧化物的总量应约为0.003%；

③ 于是，添加钙氧化物0.0009%；铝氧化物0.014%，添加锂氧化物0.0029%。即把规定量的钙氧化物、铝氧化物和锂氧化物溶解成水溶液后加入石英颗粒原料中进行搅拌。

实施例7 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.0003%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:10:2

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.0003%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约10倍，即0.003%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约2倍，即0.0006%。其生产工艺流程原理同实施例4~6中任一例。

用此石英玻璃原料生产的石英玻璃机械强度显著增强，其抗拉强度约为100MPa，抗压强度约为1150 MPa。

实施例8 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.001%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:20:5

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.001%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约20倍，即0.02%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约5倍，即0.005%。其生产工艺流程原理同实施例4~6中任一例。

用此石英玻璃原料生产的石英玻璃机械强度显著增强，其抗拉强度约为105MPa，抗压强度约为1130 MPa。

实施例9 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.001%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:15:5

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.001%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约15倍，即0.015%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约5倍，即0.005%。其生产工艺流程原理同实施例4~6中任一例。

用此石英玻璃原料生产的石英玻璃机械强度显著增强，其抗拉强度约为90MPa，抗压强度约为1150 MPa。

实施例10 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.001%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:20:3

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.001%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约20倍，即0.02%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约3倍，即0.003%。其生产工艺流程原理同实施例4~6中任一例。

用此石英玻璃原料生产的石英玻璃机械强度显著增强，其抗拉强度约为90MPa，抗压强度约为1120 MPa。

实施例11 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.001%，且钙氧化物：铝氧化物：锂氧化物=1:10:2

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.001%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约10倍，即0.01%；锂氧化物的质量含量为钙氧化物的约2倍，即0.002%。其生产工艺流程原理同实施例4~6中任一例。

实施例12 能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料

——钙氧化物含量0.001%，且钙氧化物：铝氧化物=1:15

原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.0005%，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的约15倍，即0.0075%；其生产工艺流程原理与实施例4~6中任一例所不同的是不用分析锂氧化物的含量也同时不添加锂氧化物。

用此石英玻璃原料生产的石英玻璃其抗拉强度约为40MPa，抗压强度约为1100 MPa，但其透明度不如实施例1~3或7~11中任一项所述的添加了锂氧化物的石英玻璃原料。

Claims

1.一种能够提高石英玻璃机械强度的石英玻璃原料，其特征在于：原料石英颗粒中钙氧化物的质量含量控制在0.0003％～0.001％，且铝氧化物的质量含量为钙氧化物的10～20倍。

2.如权利要求1所述的石英玻璃原料，其特征在于：所述铝氧化物的质量含量为钙氧化物的15倍。

3.如权利要求1或2所述的石英玻璃原料，其特征在于：其生产工艺流程包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装；其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003％～0.001％，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

4.如权利要求1或2所述的石英玻璃原料，其特征在于：同时控制所述原料石英颗粒中锂氧化物的质量含量为钙氧化物的2～5倍。

5.如权利要求4所述的石英玻璃原料，其特征在于：所述锂氧化物的质量含量为钙氧化物的3倍。

6.如权利要求4所述的石英玻璃原料，其特征在于：其生产工艺流程包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装；其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙、锂氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003％～0.001％，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数，锂氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

7.如权利要求5所述的石英玻璃原料，其特征在于：其生产工艺流程包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装；其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙、锂氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003％～0.001％，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数，锂氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

8.权利要求1或2所述石英玻璃原料的生产方法，包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装，其特征在于：其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003％～0.001％，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

9.如权利要求8所述石英玻璃原料的生产方法，其特征在于：在掺入钙和铝氧化物时，把铝和钙氧化物溶解成水溶液后加入石英颗粒原料中进行搅拌。

10.权利要求4所述石英玻璃原料的生产方法，包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装，其特征在于：其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙、锂氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003％～0.001％，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数，锂氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

11.权利要求5所述石英玻璃原料的生产方法，包括如下步骤：破碎→筛分→磁选→整形→浮选→纯化→物理选→改性处理→清洗→干燥→检验→包装，其特征在于：其中改性处理步骤为对所述原料石英颗粒进行铝、钙、锂氧化物含量分析，根据分析结果掺入钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物，至钙氧化物的质量含量为0.0003％～0.001％，同时铝氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数，锂氧化物的质量含量为钙氧化物的规定倍数。

12.如权利要求10或11所述石英玻璃原料的生产方法，其特征在于：在掺入钙和/或铝氧化物和/或锂氧化物时，把钙氧化物和/或铝氧化物和/或锂氧化物溶解成水溶液后加入石英颗粒原料中进行搅拌。