CN1915875B - 高折射率高色散环保重火石光学玻璃及其生产方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明了提供一种高折射率高色散环保重火石光学玻璃，其重量百分比组成为：SiO2：20-44％、TiO2：22-34％、Nb2O5：5-22％、Na2O：7-18％、BaO：9-17％、K2O：0-9％、CaO：0-3％、ZrO2：0-3％、SrO：0-0.5％、Sb2O3：0-0.5％。高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产方法，该方法包括以下步骤：1)将配制好的原料充分混合，保证其均匀性；2)在1150-1300℃的高温下用池炉熔化成玻璃液，使玻璃液的折射率一致性良好；3)将折射率合格的玻璃液经过澄清和充分均化后，成型为玻璃条料；4)将玻璃条料在退火炉中退火。高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产设备，包括池炉和退火炉，所述池炉的溶化池与自动燃烧控制系统相连。本发明的光学玻璃不含PbO、As2O3和GdO对环境造成污染的组份，采用池炉以一次化料的方式生产光学玻璃，减少了高温熔制次数，提高光学透过性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学玻璃及其生产方法和设备，特别是涉及一种高折射率(Nd)高色散环保重火石光学玻璃及其生产方法和设备。
背景技术
随着人们生活水平的提高，为了满足高档数码产品高像数、小型轻便的要求，具有高折射率、高色散(低阿贝数)、密度小等优点的重火石光学玻璃的需求越来越大，但光学玻璃中含有的PbO、As2O3和GdO对环境造成严重污染，为此，光学设备生产厂商要求具有相同光学特性的玻璃中不含PbO、As2O3和GdO成份。
为了使光学玻璃具有高折射率，玻璃组份中的TiO2和Nb2O5等成分的含量相应也很大，由于这些组份导致生产过程中玻璃液粘度稀、析晶严重、常数波动大和成型困难，使玻璃条纹质量不高，生产难度很大。
目前的光学玻璃生产厂家一般采用池炉以二次化料的方式生产，生产工艺过程是：将配制好的原料经充分混合后用单坩埚在高温下熔化成粒度合适的玻璃渣，测试玻璃渣的折射率，将折射率合格的玻璃渣再投入到高温熔炼池炉中熔制成玻璃液，经过澄清和充分均化后成型成玻璃条料。由于该生产方法经过两次高温，影响了玻璃的光学透过性能，而且工序较多、生产周期长、生产成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高折射率高色散环保重火石光学玻璃，该光学玻璃组份中不含PbO、As2O3和GdO。
本发明还要提供一种上述光学玻璃的生产方法，该方法只经过一次高温，玻璃的光学透过性能好，工序少，周期短。
本发明还要提供一种上述光学玻璃的生产设备。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：高折射率高色散环保重火石光学玻璃，其重量百分比组成为：SiO2：20-44％、TiO2：22-34％、Nb2O5：5-22％、Na2O：7-18％、BaO：9-17％、K2O：0-9％、CaO：0-3％、ZrO2：1.1-3％、SrO：0-0.5％、Sb2O3：0-0.5％。
高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产方法，该方法包括以下步骤：1)将配制好的原料充分混合，保证其均匀性；2)在1150-1300℃的高温下用池炉熔化成玻璃液，使玻璃液的折射率一致性良好；3)将折射率合格的玻璃液经过澄清和充分均化后，成型为玻璃条料；4)将玻璃条料在退火炉中退火。
高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产设备，包括池炉和退火炉，所述池炉的溶化池与自动燃烧控制系统相连。
本发明的有益效果是：本发明的光学玻璃不含PbO、As2O3和GdO对环境造成污染的组份，其Nd为1.7-1.85、Vd(阿贝数)为23.5-28.5，是高折射率高色散环保重火石光学玻璃。本发明采用池炉以一次化料的方式生产光学玻璃，生产流程连贯、简洁，减少了高温熔制次数，在原料质量相同的条件下，能提高光学透过性能，而且工序少，生产周期短，降低了生产成本。
附图说明
图1是现有的二次化料生产方式的流程图。
图2是本发明一次化料生产方式的流程图。
图3是框式搅拌器示意图。
图4是圆盘搅拌器示意图。(其中：图4a是圆盘搅拌器的主视图；图4b是圆盘搅拌器的侧视图；图4c是圆盘搅拌器的局部剖视附视图。)
图5是本发明的生产设备示意图。
具体实施方式
本发明的光学玻璃中含有20-44％的玻璃形成体SiO2，若SiO2的含量过高，则玻璃的折射率、色散指标不能达到要求，同时熔制温度变高，不易熔化；若SiO2的含量比例过低，则会降低结晶性能和化学稳定性，优选的SiO2含量为23-44％，特别优选的SiO2含量为25-37％。
除了玻璃形成体，还需要一定比例的助熔剂用来降低熔制温度较高的高折射率组份，助熔剂的含量过高，则影响玻璃的研磨性能、化学稳定性；助熔剂的含量过低，则高折射率组份难熔。因此玻璃中助熔剂Na2O+K2O的总含量为7-27％，其中Na2O的含量为7-18％，K2O的含量为0-9％；优选的Na2O的含量为10-16％，K2O的含量为0-8％；特别优选的Na2O的含量为12-15％，K2O的含量为0-8％
为了使玻璃的光学指标达到要求，必须含有较高比例的高折射率的组份，因此玻璃形成体SiO2和助熔剂Na2O和K2O的比例就受到限制，优选的SiO2+Na2O+K2O的总含量不超过50％，特别优选的SiO2+Na2O+K2O的总含量不超过45％。
碱土金属氧化物BaO、CaO和SrO可以调整玻璃的微观结构，改善玻璃的化学稳定性，优选的BaO+CaO+SrO的总含量为10-20％，其中，BaO的含量为9-17％，CaO的含量为0-3％，SrO的含量为0-0.5％；特别优选的BaO+CaO+SrO的总含量为12-18％，其中BaO的含量为12-16％，CaO的含量为0-3％，SrO的含量为0-0.5％。
TiO2可以使玻璃具有高折射率，但含量过高会大大降低色散系数并且大大增加析晶倾向；含量过小又无法达到要求的高折射率，因此TiO2含量为22-34％，优选的27-34％，特别优选的28-32％。
Nb2O5可以使玻璃具有高折射率，用适量的Nb2O5替代TiO2可以保证玻璃具有高折射率，同时减少析晶倾向，但过多的Nb2O5含量会使折射率、色散系数不能同时达到要求，因此Nb2O5含量为5-22％，优选10-22％，特别优选12-20％。
ZrO2可以使玻璃具有高折射率，同时改善玻璃化学稳定性能、膨胀性能，可以用ZrO2部分的替代TiO2，使光性指标达到要求，但ZrO2含量过高会增加析晶倾向、降低折射率，因此ZrO2含量为1.1-3％，优选1.1-2％，特别优选1.1-1.5％。
Sb2O3是澄清剂，在玻璃熔制阶段的不同温度区可与其它气体发生可逆的吸收和放出气体，将微小的气体积聚成较大气体，在玻璃液中靠浮力上浮到表面后消除，但Sb2O3含量过多会影响玻璃色度并降低铂金容器的使用寿命，因此Sb2O3含量为0-0.5％，优选0-0.3％，特别优选0-0.15％。
表1是本发明的光学玻璃的9个实施例。
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| SiO<sub>2</sub> | 22.9 | 24.0 | 26.0 | 27.0 | 34.0 | 37.0 | 38.0 | 41.0 | 42.1 |
| TiO<sub>2</sub> | 29.1 | 28.0 | 30.0 | 28.0 | 28.0 | 25.0 | 28.0 | 27.0 | 25.9 |
| Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 19.0 | 19.0 | 14.0 | 13.0 | 11.0 | 10.0 | 9.6 | 8.0 | 8.0 |
| Na<sub>2</sub>O | 12.0 | 12.0 | 13.0 | 9.0 | 12.0 | 14.0 | 14.0 | 15.0 | 15.0 |
| BaO | 16.0 | 16.0 | 15.0 | 13.0 | 12.0 | 14.0 | 10.0 | 9.0 | 9.0 |
| K<sub>2</sub>O | 0 | 0 | 0 | 7.5 | 3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CaO | 0 | 0 | 0.1 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ZrO<sub>2</sub> | 0 | 1.1 | 2.0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| SrO | 0.3 | 0.3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Nd | 1.8535 | 1.8469 | 1.8452 | 1.8056 | 1.7852 | 1.7558 | 1.7620 | 1.7286 | 1.7210 |
| Vd | 23.62 | 23.77 | 23.85 | 25.51 | 25.80 | 27.60 | 26.58 | 28.40 | 28.46 |
表1
从表1可以看出：本发明的光学玻璃不含PbO、As2O3和GdO对环境造成污染的组份，其光性指标为：Nd为1.7-1.85、Vd为23.5-28.5。
图1是现有的二次化料生产方式的流程图，该生产方法包括以下几步：配料；在单坩埚中熔制玻璃渣；检验常数并组批；合格玻渣在池炉熔制玻璃液；澄清；均化；成型；退火炉退火。
图2是本发明一次化料生产方式的流程图，该生产方法的具体步骤是：
一：将配制好的原料充分混合，保证其均匀性。
1)采用快速水分测试仪，加强原料尤其是易吸潮原料的水分监控，符合光学玻璃原料标准的才能使用，不合格禁用；2)配料采用少量多次称量方法，每次秤量不大于30千克玻璃的粉料；称量设备使用高精度称量设备(如电子秤)，精度为0.01kg；3)采用搅拌器混合均匀；4)为了防止原料分层严重，采用少量装箱，每次装箱的玻璃粉料不超过30千克；5)由于是人工定时加料，为减少运输、存放过程的分层，每次加料前再采用手工搅拌。
二：用本发明的池炉在1150-1300℃的高温下熔化成玻璃液，使玻璃液的折射率一致性良好。
1)增加熔化池的鼓泡器，从1只变为2-4只鼓泡器；2)采用自动燃烧控制系统，保持燃烧火焰的氧化气氛并自动调节温度，保证熔化温度和气氛符合工艺要求的稳定性；3)增加测试熔化池玻璃液的折射率次数，每4小时一次，必要时及时校正。采用折射率不同的同系列玻璃牌号或原料校正，保证校正料不引入被校正玻璃中没有的成份；4)用圆盘状搅拌器代替框式搅拌器。图3是框式搅拌器示意图，框式搅拌器的搅拌原理是依靠边框1来搅动和切割，边框1的宽度较小。图4是圆盘搅拌器示意图，圆盘2通过轴连接在一起，边框3设置在圆盘2的外边缘两侧，并呈楼梯状上升。圆盘状搅拌器的搅拌原理是通过圆盘2来改变玻璃液的流向，边框3来切割，边框3的宽度较大。因为玻璃粘度很小，对转动的搅拌器阻力很小，相对来说边框宽度较大的圆盘状搅拌器受到的阻力大些，搅拌能力强，能更好的对稀粘度玻璃进行搅拌。
三：将折射率合格的玻璃液经过澄清和充分均化后，成型为玻璃条料。
四：将玻璃条料在退火炉中退火。
一次化料的生产方法相对于二次化料的生产方法的优点在于：取消了单坩埚熔制玻璃渣环节，此环节的主要目的是保证玻璃液折射率一致性。采用池炉一次化料的生产方法的关键是，从配制原料到熔制环节采取有效措施保证原料的均匀性，并在熔制玻璃液环节增加辅助装置提高玻璃液折射率的一致性。
采用本发明的生产方法生产出来的高折射率高色散环保重火石光学玻璃的各项技术指标均达到产品技术指标，而且光学透过性能更优。用同样的原料，采用二次化料的生产方法生产的H-ZF52A色度、内透都在OHARA标准的上限，采用本发明的生产方法生产的H-ZF52A色度、内透都在标准值的下限(+10nm)；用同样的原料，采用二次化料的生产方法生产的H-ZF7LA条料色度、内透比采用本发明的生产方法生产的H-ZF7LA色度、内透高约10nm，在标准值的下限(-10nm)。
本发明的生产设备如图5所示，包括池炉和退火炉，池炉的溶化池与自动燃烧控制系统相连，其中自动燃烧控制系统的连接关系依次为：天燃气进气口、过滤调压稳压自动截止系统、天燃气流量测量控制系统、比例调节系统；助燃风进气口、调压稳压自动截止系统、助燃风流量测量控制系统、比例调节系统；其中天燃气流量测量控制系统与池炉的熔化池之间还有温控仪，所述比例调节系统与溶化池的烧咀相连。
本发明的生产设备工作时的工作原理是：在比例调节系统上设定好天燃气和空气的比例来保证天燃气的充分燃烧，温控仪测量池炉的熔化池的实际温度值并与设定温度值对比，发出控制指令到天燃气流量测量控制系统来调节天燃气的流量，同时天燃气流量变化的信号通过比例调节系统传输到助燃风流量测量控制系统，助燃风流量测量控制系统将助燃风流量调节到与天燃气流量相匹配，使二者流量达到设定值，最终使温度保持在设定温度，维持工艺的稳定。
Claims (10)
1.高折射率高色散环保重火石光学玻璃，其特征在于：其重量百分比组成为：SiO2：20-44％、TiO2：22-34％、Nb2O5：5-22％、Na2O：7-18％、BaO：9-17％、K2O：0-9％、CaO：0-3％、ZrO2：1.1-3％、SrO：0-0.5％和Sb2O3：0-0.5％。
2.如权利要求1所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃，其特征在于：所述SiO2、Na2O和K2O的重量百分比之和≤50％，BaO、CaO和SrO的重量百分比之和为10-20％。
3.如权利要求1所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃，其特征在于：其重量百分比组成为：SiO2：23-44％、TiO2：27-34％、Nb2O5：10-22％、Na2O：10-16％、BaO：12-16％、K2O：0-8％；CaO：0-3％、ZrO2：1.1-2％、SrO：0-0.5％和Sb2O3：0-0.3％。
4.如权利要求1所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃，其特征在于：其重量百分比组成为：SiO2：25-37％、TiO2、28-32％、Nb2O5：12-20％、Na2O：12-15％、BaO：12-16％、K2O：0-8％、CaO：0-3％、ZrO2：1.1-1.5％、SrO：0-0.5％和Sb2O3：0-0.15％。
5.如权利要求4所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃，其特征在于：所述SiO2、Na2O和K2O的重量百分比之和≤45％，所述BaO、CaO和SrO的重量百分比之和为12-18％。
6.权利要求1所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1)将配制好的原料充分混合，保证其均匀性；2)在1150-1300℃的高温下用池炉熔化成玻璃液，使玻璃液的折射率一致性良好；3)将折射率合格的玻璃液经过澄清和充分均化后，成型为玻璃条料；4)将玻璃条料在退火炉中退火。
7.如权利要求6所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产方法，其特征在于：进行所述步骤1时，采用快速水分测试仪对光学玻璃原料进行水分监控，符合光学玻璃原料标准的才能使用，不合格禁用。
8.权利要求1所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产设备，包括池炉和退火炉，其特征在于：所述池炉的溶化池与自动燃烧控制系统相连。
9.如权利要求8所述的高折率高色散环保重火石光学玻璃的生产设备，其特征在于：所述自动燃烧控制系统的连接关系依次为：天燃气进气口、过滤调压稳压自动截止系统、天燃气流量测量控制系统、比例调节系统；助燃风进气口、调压、稳压、自动截止系统、助燃风流量测量控制系统、比例调节系统；其中天燃气流量测量控制系统与池炉的熔化池之间还有温控仪；所述比例调节系统与溶化池的烧咀相连。
10.如权利要求8所述的高折射率高色散环保重火石光学玻璃的生产设备，其特征在于：所述池炉的搅拌器采用圆盘状搅拌器，圆盘(2)通过轴连接在一起，边框(3)设置在圆盘(2)的外边缘两侧。
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