DE2845899A1

DE2845899A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines blocks oder barrens

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Publication number: DE2845899A1
Application number: DE19782845899
Authority: DE
Inventors: Lothar Jung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1978-10-21
Publication date: 1979-10-25
Also published as: US4188201A; NL7810470A; IT1160334B; GB2018743B; GB2018743A; IT7830753A0; JPS54138012A; FR2423455A1

Description

LOTHAR JUNG, Millington, New Jersey, VStA

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Blocks oder Barrens '" .

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Blocks oder Barrens und befaßt sich insbesondere mit der Herstellung eines Hohlblocks oder Hohlbarrens aus geschmolzenem Quarz von einer Art, die als Vorform zur Gewinnung von Schmelzquarz hoher Qualität geeignet ist, oder aus geschmolzener Kieselerde.

Nach einem alten herkömmlichen Verfahren werden Schmelzquarzrohre ohne die Herstellung eines zunächst vorgeformten Blocks oder Barrens hergestellt. Bei diesem bekannten Verfahren wird schmelzbares Quarzmaterial in einen senkrechten, hoch hitzebeständigen Metallofen gegeben und allmählich auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Cristobalit (1728 ⁰C) gebracht, oberhalb von dem nur noch amorphes SiC^ existiert. Das geschmolzene und weiche Material wird dann am Boden des Ofens ausgestoßen und in die Form eines Rohres oder einer Stange gebracht, was von der Art der Öffnung oder Ziehdüse der benutzten Anordnung abhängt.

Ein Hauptnachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß der Abmessungsbereich der hergestellten Rohre oder Stangen begrenzt ist. So kann der Maximaldurchmesser der Rohre nicht größer als einige Zentimeter sein. Es gibt aber zahlreiche Anwendungsbereiche, bei denen größere Durchmesser benötigt werden.

Ein weiterer Nachteil des erläuterten bekannten Verfahrens ist in der relativ niedrigen Qualität des

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Schmelzguts zu sehen, die unabhängig von der Qualität des Schmelzquarzmaterials ist, mit dem der Ofen beschickt wird. So weist beispielsweise das unmittelbar hergestellte Schmelzgut einen vergleichsweise hohen Gehalt an offenen und geschlossenen Bläschen auf. Weiterhin findet man an der Außenseite der Rohre oder Stangen des öfteren Ziehriefen. Häufig kommen auch, wenn das Einleiten von inerten Gasen nicht streng gesteuert wird, metallische Verunreinigungen vor, und zwar aufgrund der Tatsache, daß das Ofenfutter dem geschmolzenen Quarz ausgesetzt ist.

Der größte Nachteil der bekannten Anordnung ist allerdings auf die mangelnde Anpassungsfähigkeit im Hinblick auf die Herstellung von unterschiedlichen Arten von Rohren mit unterschiedlichen Abmessungen während eines einzigen Ofenganges zurückzuführen. Sobald der Ofen in Betrieb genommen worden ist, muß er rund um die Uhr weiterbetrieben werden, bis dann irgendwann nach einer kontinuierlichen Betriebsdauer von einigen Wochen unter Herstellung eines Rohres mit stets denselben Abmessungen das kostspielige Ofenfutter so mangelhaft geworden ist, daß selbst ein Rohr oder eine Stange niedriger Qualität nicht mehr hergestellt werden kann. Es ist dann der Zeitpunkt zur Außerbetriebnahme des Ofens gekommen.

Zur Überwindung der Nachteile des erläuterten alten Herstellungsverfahrens und zur Gewinnung von Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser und hoher Qualität ist das folgende zweistufige Verfahren bekannt: (1) Eine geeignete Vor- oder Rohform des Schmelzmaterials wird in Gestalt eines zylindrischen Blocks oder Barrens hergestellt. (2) Der hergestellte Block oder Barren wird in ein Rohr gezogen, dem man nach Wahl unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Wandstärken und andere unterschiedliche Eigenschaften geben kann. Diese Technik ermöglicht auch die Herstellung sowohl von kleinen als auch von großen

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Mengen unterschiedlicher Produkte, da man den Ofen mehrmals kurzzeitig in Betrieb nehmen kann.

Aber auch die herkömmlichen zweistufigen Verfahren haben zahlreiche Nachteile. Der Hohlblock oder Hohlbarren wird nämlich unter Verwendung eines äußerst kostspieligen, hoch hitzebeständigen Metalldorns hergestellt, der entweder vertikal oder horizontal ausgerichtet ist und der mit einem teuren Schmelzquarzrohr bedeckt und durch einen Strom inerter Gase geschützt wird. Nachdem die sich drehende Anordnung erhitzt ist, wird feines kristallines Quarzpulver auf die Außenfläche des Schmelzquarzrohres gegeben. Auf diese Weise werden weitere Schmelzquarzschichten ausgebildet, wobei sowohl der Gasbrenner als auch der Pulverzubringer längs des Rohres bewegt werden, bis der Block oder Barren fertiggestellt ist.

Ein Hauptnachteil des bekannten zweistufigen Herstellungsverfahrens besteht darin, daß ein kostspieliger Dorn verwendet werden muß, der oft so stark beschädigt wird, daß er nicht mehr repariert werden kann, und der häufig auch die Schmelze verunreinigt, falls der Strom aus den inerten Gasen nicht in engen Grenzen gesteuert wird.

Ein weiterer Nachteil bei der Herstellung des Hohlblocks nach dem bekannten Verfahren ist darin zu sehen, daß beachtliche Verluste an kristallinem Quarzpulver auftreten können, und zwar aufgrund der durch die Drehbewegung der aufnehmenden Oberfläche hervorgerufenen Gegenwirkung. Die Aufbringrichtung und Aufbringgeschwindigkeit des Pulvers auf die Außenfläche sind daher ebenfalls in engen Grenzen zu steuern, um allzu große Streuverluste bei der Aufbringung des kristallinen Quarzpulvers zu verhindern«,

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Darüberhinaus entsteht beim Erhitzen der Außenfläche eines Zylinders mit Flammen ein ziemlich beachtlicher Wärmeverlust.

Von Nachteil ist auch, daß die Aufbringoberfläche für das Pulver größenmäßig begrenzt ist. Je größer nämlich die aufnehmende Oberfläche des Blocks ist, um so größer ist die gesamte Materialmenge, die pro Zeiteinheit geschmolzen werden muß. Die aufnehmende Oberfläche kann daher nicht beliebig vergrößert werden.

Da ein Block wesentlich schneller gezogen als durch ein Schmelzverfahren hergestellt werden kann, benötigt man im allgemeinen wesentlich mehr Schmelzvorrichtungen als Ziehvorrichtungen, wenn alle Arten von Vorrichtungen stets gleichmäßig ausgelastet sein sollen. Es besteht somit auch ein Bedürfnis nach einer Schmelzvorrichtung, die ein besseres Gleichgewicht zwischen der Anzahl der Schmelzvorrichtungen und der Anzahl der Ziehvorrichtungen herstellt.

Allgemeine Aufgabe der Erfindung ist es, zum Herstellen eines Blocks oder Barrens ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen die oben geschilderten Probleme und Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll der Herstellungsvorgang ohne die Verwendung eines Doms oder ähnlichen Werkzeugs ausgeführt werden, so daß man eine verunreinigungsfreie Innenbohrung erhält, deren Abmessung trotzdem genau gesteuert werden kann. Weiterhin sollen irgendwelche Streuverluste an kristallinem Quarzpulver vollkommen vermieden werden. Schließlich sollen auch die erhitzten Oberflächen, auf denen das kristalline Quarzpulver aufgebracht wird, gegenüber Wärmeverlusten besser abgeschirmt und geschützt sein. Darüberhinaus soll auch die das Quarzpulver aufnehmende Oberfläche im Bedarfsfalle sehr groß ausgebildet werden können. Der Herstellungsvorgang soll auch schnell vonstatten gehen, um ein besseres

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Gleichgewicht zwischen der Schmelzkapazität und den verfügbaren Ziehvorrichtungen herzustellen.

Diese Aufgabe vrlrd nach der Erfindung grundsätzlich dadurch gelöst, daß ein hohlzylindrisches Gehäuse mit einer Innenschicht aus einem körnigen und bzw. oder massiven hitzebeständigen Material gedreht wird, wobei die wärmeisolierende Innenschicht infolge der auftretenden Zentrifugalkraft an ihrem Platz gehalten wird, und mit Hilfe einer Heizelement- und Pulverzubringeranordnung, die in das hohlzylindrische Gehäuse einsetzbar ist, kristallines Quarzpulver über die Innenfläche des hitzebeständigen Materials verteilt und erhitzt wird, so daß in Anbetracht der Drehbewegung des Gehäuses ein hohler Block oder Barren ausgebildet wird.

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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines Hohlblocks,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht eines Verbrennungsgas-Heizelements und eines Quarzpulverzubringers,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung mit dem in der Fig. 2 dargestellten Heizelement, das im Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2 gezeigt ist,

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem elektrischen Heizelement, das in Verbindung mit einem geeigneten Pulvefzubringer verwendet wird,

Fig., 5 eine der Fig. 4 ähnliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem anderen elektrischen Heizelement,

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Vorderansicht des in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels einschließlich eines vakuumdichten Gehäuses und eines Halters für den Hohlblock,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht längs der Linie 7-7 der Fig. 6 und

Fig. 8 eine Vorderansicht des in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiels zur Erläuterung des Entnahmevorganges des hergestellten Hohlblocks aus der Vorrichtung.

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Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein zylindrisches Ofengehäuse 1 auf, das aus einem geeigneten Metall hergestellt ist und von vier Rollen 2 getragen wird. Die Rollen 2 sind an einem Rahmen angebracht, der der besseren Übersicht halber nicht gezeigt ist.

Die Welle von einer der vier Rollen 2 trägt eine Scheibe 3, die über einen Riemen 4 mit einer Scheibe 5 verbunden ist. Die Scheibe 5 ist auf der Antriebswelle eines Elektromotors 6 befestigt. Mit Hilfe des Elektromotors 6 kann das Ofengehäuse 1 hinreichend schnell um seine horizontale Achse in der Richtung eines in der Fig. 3 eingezeichneten Pfeils B gedreht werden.

Eine zylindrische Schicht 7 aus einem körnigen und/oder massiven hitzebeständigen Material, das hohen Temperaturen standhalten kann und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird infolge der Zentrifugalkraft, die durch die Drehbewegung des Ofengehäuses verursacht wird, an seinem Platz gehalten. Ein hohler Barren oder Hohlblock 8 erstreckt sich innerhalb der Schicht 7 in Richtung auf den Mittelpunkt des Gehäuses. In dem freien Raum in der Mitte des Hohlblocks 8 befindet sich ein langgestrecktes Verbrennungsgas-Heizelement 9.

Das Heizelement 9 wird von zwei feststehenden zylindrischen Ständern 10 auf dem Außenkörper eines luft- oder fluidbetätigten Zylinders 11, der unmittelbar unter dem sich drehenden Ofengehäuse angeordnet ist, getragen. Aus dem Außenkörper des luft- oder fluidbetätigten Zylinders 11 erstreckt sich eine Kolbenstange 12, die ihrerseits zur Halterung eines Pulverzubringers dient.

Der Pulverzubringer weist ein in Längsrichtung gespaltenes Rohr 13 auf, das genau in die Innendurchmesseröffnung des hohlen Heizelements 9 eingepaßt ist. Das Ende

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des Rohres 13 ist an einer massiven Stange 14 befestigt. Die Stange 14 trägt eine Scheibe 15 und endet nach Durchlaufen eines Drehlagers 16 in einem Ketten- oder Zahnrad 17. Auf der Antriebswelle eines Elektromotors 19 ist ein weiteres Ketten- oder Zahnrad 18 befestigt, das in geeigneter Weise mit dem Ketten- oder Zahnrad 17 verbunden ist bzw. in dieses eingreift.

Wie es aus der Fig. 1 hervorgeht, weist die Scheibe 15 längs ihres Uafangs an zwei einander gegenüberliegenden Stellen Einschnitte oder Kerben 15a und 15b auf, die zur genauen Definition von zwei Positionen dienen, bei denen ein Stift 20 eines Topf- oder Tauchmagneten 21 in die Kerben eingreift.

Ein Behälter 22 mit einem Düsenröhrchen oder Mundstück 23 enthält Schmelzquarzpulver und ist in passender Weise über dem offenen Schlitz des Pulverzubringerröhres 13 aufgehängt.

Die Gesamtanordnung wird von einer Platte 24 getragen, die am Außenkörper des Zylinders 11 befestigt ist. Ein Spindelantrieb 25 arbeitet mit einer Kupplung und einem Elektromotor 27 zusammen, um die Flammen 28 des Heizelements 9 auf die Innenfläche des hohlen Schmelzquarzblocks 8 zu fokussieren.

Das Heizelement 9 weist Einlasse 28' und 29 für die Verbrennungsgase auf. Ferner ist am einen Ende des Heizelements 9 ein Einlaß 30 für Kühlwasser vorgesehen, und am anderen Ende des Heizelements 9 befindet sich ein Auslaß für das Kühlwasser.

Das langgestreckte Heizelement 9 und das Pulverzubringerrohr 13 sind im einzelnen in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

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Bei der Darstellung nach der Fig. 2 ist das Heizelement 9 teilweise in der Schnittansicht gezeigt. Man kann zwei voneinander getrennte und gegeneinander abgedichtete ringförmige Räume erkennen: (1) eine von Rohren 32 und 33 begrenzte Verbrennungsgaskammer und (2) eine ' von dem Rohr 33 und einem Rohr 34 begrenzte Kühlwässerkammer. Die Verbrennungsgaskamtner steht über ein Verbindungsstück 35 und darin vorgesehene Auslaß öffnungen 38 für die Flammen- 28 mit der Atmosphäre in Verbindung. Der Schlitz 37 in dem Pulverzubringerrohr 13 ist über ein mit einem Schlitz 36 versehenes Abstandsstück mit der Außenatmosphäre verbunden, wenn sich das Rohr 13 in einer solchen Drehstellung befindet, daß der Schlitz 37 nach unten gerichtet ist.

Um Quarzpulver in das Zubringerrohr 13 zu füllen und damit den Ofen zu beschicken, wird das leere Zubringerrohr 13 vollkommen aus dem Inneren des langgestreckten Heizelements 9 herausgenommen und in geeigneter Feise unter das Mundstück 23 des Behälters 22 gebracht, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Unter der Einwirkung der Schwerkraft gelangt das Quarzpulver über den offenen Schlitz 37 in das Zubringerrohr 13, wobei ein Schüttwinkel 39 gebildet wird, der für das verwendete Quarzpulver typisch ist.

Der Füllvorgang wird im einzelnen wie folgt vorgenommen. Mit Hilfe des luft- oder fluidbetätigten Zylinders 11 wird das zunächst vollständig herausgenommene Pulverzubringerrohr 13 zurück in die Innenseite des Rohres 32 und damit zurück in das Innere des Heizelementes 9 bewegt, wie es durch einen Pfeil A in der Fig. 2 angedeutet ist, und gleichzeitig wird das Zubringerrohr 13 mit dem Schmelzquarzpulver beschickt. Gegen Ende der Bewegung des Zubringerrohres 13 wird die Pulver zufuhr beendet, wenn die massive Stange 14 unter das Mundstück 23 gelangt und dieses verschließt.

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Der Elektromotor 19 beginnt dann das Zubringerrohr 13 in der Richtung des in der Fig. 2 eingezeichneten Pfeils B zu drehen, bis der Schlitz 37 des jetzt innerhalb des langgestreckten Heizelements 9 befindlichen Zubringerrohres 13 direkt über den im Abstandsstück vorgesehenen Schlitz 36 gelangt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. In dieser Drehstellung des Rohres 13 wird der Motor 19 durch den Tauchmagneten 21 abgeschaltet, und zwar aufgrund dessen, daß der Stift 20 in die Kerbe 15b der Scheibe 15 eingreift. Dadurch wird das Zubringerrohr 13 in der entsprechenden Drehstellung verriegelt. Nachdem das Quarzpulver langsam durch den Schlitz 36 im Abstandsstück gelaufen und mit der sich drehenden Oberfläche des Hohlblocks 8 verschmolzen ist, wird der Tauchmagnet 21 von einem (nicht dargestellten) Takt- oder Zeitgeber betätigt.

Die Folge davon ist, daß sich das Zubringerrohr 13 zurück in seine obere Ausgangsstellung bewegt und in dieser Stellung verriegelt wird. Dies geschieht derart, daß beim Erreichen der oberen Drehstellung der Stift 20 jetzt in die Kerbe 15a der Scheibe 15 eingreift.

Als nächstes erfolgt die Linearbewegung des Zubringerrohres 13 mit Hilfe des luft- oder fluidbetätigten Zylinders 11, der ebenfalls von dem Zeitgeber angesteuert wird.

Sobald das Rohr 13 aus dem langgestreckten Heizelement 9 gezogen ist, beginnt das Quarzpulver über das jetzt von der Stange 14 freigegebene Mundstück 23 durch den Schlitz 37 in das Rohr 13 zu rinnen. Der erläuterte Gesamtvorgang wiederholt sich dann so oft, wie es zur Fertigstellung eines Hohlblocks erforderlich ist.

In der Fig. 3 ist auch die Schicht 7 aus dem gekörnten und/oder massiven hitzebeständigen Material dargestellt, auf dem der Hohlblock 8 geschmolzen wird. Es ist erwünscht,

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die Flammen 28 auf den aufgebrachten Flächen an einer Stelle 40 zu fokussieren, um das Heizvermögen der Vorrichtung möglichst vollständig auszunutzen. Die Fokussierung geschieht mit Hilfe des Spindelantriebs 25 und des Motors 27, mit dessen Hilfe der Zylinder 13 angehoben oder abgesenkt werden kann.

In den Fig. 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Herstellung des Hohlblocks 8 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 wird Kieselerde- oder Quarzpulver über eine Öffnung oder einen Schlitz 36 auf der Innenfläche des sich drehenden Hohlblocks 8 aufgebracht, und zwar in ähnlicher Weise, wie es bereits oben erläutert wurde. Die Einführung des Pulvers geschieht wiederum über den Schlitz 37 des Zubringerrohres 13, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die Erhitzung des Hohlblocks geschieht allerdings nicht mit einer Gasflamme, sondern mit einem Heizelement 41, das sich parallel zu dem Rohr 13 durch das Gehäuse 1 erstreckt. Bei dem Heizelement 41 kann es sich um eine Stange oder einen Stab passender Gestalt handeln, der aus einem geeigneten Material hergestellt ist, beispielsweise Graphit.

Um zu verhindern, daß das Schmelzquarzpulver in dem Rohr 13 vorzeitig schmilzt, wird in ähnlicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 von Rohren 42 und 43 eine Kühlwasserkammer begrenzt. Auf der Außenfläche der Kühlwasserkammer kann zur zusätzlichen Isolierung eine Isolierschicht 44 aufgebracht sein, beispielsweise aus Graphit.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 ist anstelle des getrennten Heizelements 41 ein Heizelement 45 vorgesehen, das konzentrisch mit dem Zubringerrohr 13 ausgebildet ist. Das Zubringerrohr 13 weist wiederum den Schlitz 37 auf, durch den das Schmelzquarzpulver unter der

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Einwirkung der Schwerkraft nach dem Durchtritt durch die Öffnung oder den Schlitz 36 auf den Hohlbarren oder Hohlblock 8 gelangt. Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 befindet sich zwischen den Rohren 42 und 43 ein Wasserkühlmantel. Das Heizelement 45 ist durch die Isolierschicht 44 vom Wasserkühlmantel getrennt. Die Isolierschicht 44 kann aus einem Material wie Kohlen- oder Graphitfilz gebildet sein.

Wenn man, wie es bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4 und 5 der Fall ist, ein elektrisches Heizelement verwendet, kann man ein hydroxylfreies Schmelzquarzmaterial optischer Qualität herstellen. Zu diesem Zweck wird der Hohlblock entweder unter Vakuum hergestellt, oder während seiner Herstellung wird ein trockenes inertes Gas durch das Gehäuse geleitet.

In den Fig. 6 und 7 ist der Aufbau eines vakuumdichten Gehäuses gezeigt, das man für das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 zusammen mit einem elektrischen Heizelement verwenden kann. Das zylindrische Ofengehäuse 1 besteht aus zwei getrennten Gehäuseteilen, die jeweils zwei ebene Flansche 46 aufweisen, die durch Schrauben 47 miteinander verbunden sind. Um eine richtige Ausfluchtung zu erzielen, sind Paßstifte 48 vorgesehen.

Weiterhin weist das Gehäuse 1 einen kreisförmigen Flansch 49 auf, der mit einem kreisförmigen Flansch 50 einer Verlängerung 51 des Gehäuses 1 verbunden ist. Die kreisförmigen Flansche 49 und 50 werden durch Schrauben 52 zusammengehalten und zwischen ihnen befindet sich eine Vakuumdichtung in Form eines O-Ringes 52a. Am Außenende der Gehäuseverlängerung 51 ist eine Stirnplatte mit einem Flansch 52· angebracht, der mit Hilfe einer Dichtung in Form eines O-Ringes 54 eine vakuumdichte Durchführung für einen wassergekühlten Elektrodenhalter 53 vorsieht. Wenn

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man für den Elektrodenhalter 53 einen hoch hitzebeständigen Werkstoff verwendet, kann man den Wassermantel weglassen. Zwischen der Gehäuseverlängerung 51 und der Stirnplatte befindet sich ebenfalls ein O-Ring 54a, der für einen vakuumdichten Verschluß sorgt. Die erläuterte Art der Dichtungsflansche, die eine vakuumdichte Durchführung bereitstellen, können im einzelnen beispielsweise so ausgebildet sein, wie es aus den US-Patentschriften 3 895 174, 3 674 904 und 3 652 245 bekannt ist. Der Elektrodenhalter 53 besteht aus einem leitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer, um dem Heizelement 45 Strom zuführen zu können. Der Elektrodenhalter 53 steht zusammen mit dem Heizelement 45 still, wohingegen das Gehäuse 1 zusammen mit der Gehäuseverlängerung 51 gedreht wird.

Wie es aus der Fig. 6 hervorgeht, ist auf der Gehäuseverlängerung 51 eine Laufschulter 55 an einer solchen Stelle befestigt, daß die Laufschulter 55 in die Rolle 2 eingreift. Eine Antriebswelle 56 für die Rolle 2 wird von Lagerböcken 57 getragen. Die Lagerböcke 57 befinden sich auf Stützen 58, die ihrerseits an einem Rahmen 59 befestigt sind. Mit Hilfe der Antriebswelle 56, der Rolle 2 und der Laufschulter 55 wird das Gehäuse 1 zur Durchführung des erläuterten Schmelzblockvorganges gedreht.

Ein zylindrischer Halter 60 ist innerhalb der Gehäuseverlängerung 51 angeordnet und besteht aus Schmelzquarz oder Schmelzhartglas. Der Halter 60 wird durch eine Reihe von Einstellschrauben 61 an seinem Platz gehalten. Der Halter 60 hat einen Durchmesser, der gleich oder kleiner als derjenige des Hohlblocks ist, und kann aus Kieselerde geringerer Qualität unter Anwendung des hier erläuterten oder eines anderen Verfahrens hergestellt sein. Die Wandstärke des Halters 60 hängt von der geforderten Festigkeit des Halters ab. Wie es in der Fig. 6 dargestellt ist, ragt der Halter 60 so in das Gehäuse 1, daß er mit dem

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Ende des ausgebildeten Hohlblocks verschmilzt. Der Halter dient dazu, um den Hohlblock bei nachfolgenden Zieh- und bzw. oder Formgebungsvorgängen zu haltern.

Wenn bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb des Gehäuses 1 ein Vakuum aufrechterhalten werden soll, kann an einen Einlaß 62 eine Vakuumpumpe angeschlossen werden. Ein Einlaß 63 dient zum Einführen und ein Auslaß 64 zum Abführen von Kühlwasser. Wenn anstelle der Aufrechterhaltung eines Vakuums ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, durch das Gehäuse zirkuliert werden soll, kann es über den Einlaß 62 zugeführt und über Auslaßöffnungen 65 abgeführt werden. Der vakuumdichte Durchführungsflansch 52 kann dann entfallen. Das Gas verhindert, daß Feuchtigkeit in das Innere des sich drehenden Gehäuses gelangt.

An Hand der Fig. 8 wird erläutert, wie man einen hergestellten Hohlblock aus der Vorrichtung nach den Fig. 6 und 7 entfernen kann. Die Verbindung zwischen den Flanschen 46 wird gelöst, und das eine der beiden Gehäuseteile wird entfernt, wie es dargestellt ist. Die Einstellschrauben 61, die den Halter 60 an seinem Platz haltern, werden gelöst, und der mittige Heiz- und Pulverzubringermechanismus wird herausgenommen. Anschließend kann der Hohlblock dem Gehäuse entnommen werden. Der herausgenommene Hohlblock kann dann weiteren üblichen Behandlungen unterzogen werden, beispielsweise Eingabe in einen lichtbogengeheizten Drehofen, um den Block erneut zu schmelzen und ihn der Gestalt einer Kokille anzupassen. Der Hohlblock kann auch gezogen oder maschinell bearbeitet werden. Falls das Isoliermaterial körnig ist, kann es durch Ablesen entfernt werden, beispielsweise unter Verwendung eines Vakuums. Handelt es sich bei dem Isoliermaterial um ein massives hitzebeständiges Rohr, kann man dieses Rohr auftrennen oder teilen, und die voneinander getrennten Teile können vor der Heraus-

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nähme des Gußblocks der Vorrichtung entnommen werden.

Als Material zur Herstellung des Hohlblocks kann man beispielsweise Sand aus Kieselerde oder Quarzpulver verwenden. Das Material kann man dotieren oder chemisch behandeln, um die optischen und bzw. oder chemischen Eigenschaften des hergestellten Blocks zu verändern. Eine Art der Materialbehandlung besteht darin, daß man die Materialkörner beispielsweise mit einem üblichen Dotier- oder Legierungsmittel überzieht, wie Titandioxid, Cerdioxid oder Verbindungen aus Natrium oder Chlorid. Andererseits kann man dem Sand oder Pulver ein oder mehrere Additive beimengen, um ein Zubringergemisch bereitzustellen. Auf diese Weise können Hohlblöcke aus Quarz gewonnen werden, die mit geeigneten oder passenden Komponenten legiert sind.

Mit der erläuterten Vorrichtung ist es ohne die Verwendung eines aufwendigen Doms, der beschädigt oder mit dem geschmolzenen Quarz verunreinigt werden kann, einen hohlzylindrischen Schmelzquarzblock hoher Reinheit zu gewinnen. Das gesamte Schmßlzquarzpulver, das auf den Block gestreut wird, wird zu. seiner Herstellung benutzt, so daß ein unnötiger Materialabfall nicht auftritt. Die erläuterte Vorrichtung arbeitet äußerst effizient, da die Wärme ohne Isolierung oder thermische Abschirmung direkt demjenigen Teil des Hohlblocks zugeführt wird, auf dem das Schmelzquarzpulver aufgebracht wird. Auf diese Weise wird eine Überhitzung der Schmelze vermieden, da die Wärme nicht über die Schmelze übertragen wird (wie es bei den obengenannten US-Patentschriften 3 895 174, 3 674 904 und 3 652 245 der Fall ist). Da die Aufnahmeoberfläche des Hohlblocks relativ groß ist, wird der Block mit maximaler Effizienz ausgebildet.

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Claims

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Beicliel _g228 Dipl-tag. Wclfeang fiöicliei

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Patentansprüche

JyL Verfahren zum Herstellen eines Blocks, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein Gehäuse mit einer Innenfläche, die eine durch das Gehäuse gehende Öffnung begrenzt, und mit einer Schicht aus Isoliermaterial zwischen der Gehäuseinnenfläche und der Gehäuseaußenfläche gedreht wird,

b) daß teilchenförmiges Material auf der Gehäuseinnenfläche aufgebracht wird, und

c) daß das teilchenförmige Material bis auf eine oberhalb seines Schmelzpunktes liegende Temperatur erhitzt wird, wobei infolge der durch die Drehbewegung des Gehäuses verursachten Zentrifugalkraft das geschmolzene teilchenförmige Material auf der Gehäuseinnenfläche gehalten wird, um den Block auszubilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen des teilchenförmigen Materials auf der Gehäuseinnenfläche ein Zubringerrohr in die Gehäuseöffnung eingebracht wird, das entlang seiner Oberseite eine Öffnung aufweist und mit dem teilchenförmigen Material gefüllt ist, und daß das eingebrachte Zubringerrohr so gedreht wird, daß das teilchenförmige Material unter der Einwirkung der Schwerkraft durch die Öffnung im Zubringerrohr auf die Innenfläche des Gehäuses fällt.

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3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das entleerte Zubringerrohr in seine ursprüngliche Stellung zurückgedreht wird, daß das zurückgedrehte Zubringerrohr aus der GehäuseÖffnung gezogen wird, daß das aus der Gehäuseöffnung herausgezogene Zubringerrohr mit teilchenförmigem Material gefüllt wird, daß das gefüllte Zubringerrohr in die Gehäuseöffnung geschoben wird und daß der Vorgang des Aufbringens des teilchenförmigen Materials auf der Gehäuseinnenfläche wiederholt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeich η e t , daß zum Füllen des Zubringerrohres das teilchenförmige Material von einem feststehenden Fülltrichter aus über die RohrÖffnung in das Zubringerrohr gegeben wird.
5· Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermaterialschicht ein gekörntes hitzebeständiges Material enthält, das durch die Zentrifugalkraft an seinem Platz gehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen des teilchenförmigen Materials ein feststehendes Heizelement vorgesehen ist, das durch die Gehäuseöffnung ragt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Zubringerrohr beim Einbringen in die Gehäuseöffnung in axialer Richtung durch eine Öffnung in dem Heizelement geschoben wird und daß das Heizelement und das Zubringerrohr durch Isoliermittel voneinander getrennt sind.

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8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zubringerrohr beim Einbringen in die Gehäuseöffnung durch die Gehäuseöffnung längs einer Bahn geschoben wird, die parallel zum Heizelement verläuft.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des teilchenförmigen Materials mit Hilfe einer Gasheizung erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des teilchenförmigen Materials mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material Sand aus Kieselerde ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material Quarzpulver ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß Körner des teilchenförmigen Materials mit einem Dotiermaterial überzogen sind.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ausbildung des Blocks im Gehäuse im wesentlichen ein Vakuum aufrechterhalten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ausbildung des Blocks ein inertes Gas durch das Gehäuse zirkuliert wird.

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16. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus dem Isoliermaterial ein aus einem hitzebeständigen Material gebildetes Rohr ist und daß dieses Rohr zur Erleichterung der Herausnahme des hergestellten Blocks in wenigstens zwei Teile getrennt werden kann.
17. Vorrichtung zum Herstellen eines Blqcks, gekennzeichnet durch

a) ein drehbares Gehäuse (1) mit einer Innenfläche, die längs der Gehäusedrehachse eine durch das Gehäuse gehende Öffnung begrenzt,

b) Mittel (2 bis 6, 55 bis 57) zum Drehen des Gehäuses um seine Drehachse, ·

c) eine Schicht (7) aus Isoliermaterial zwischen der Gehäuseinnenfläche und der Gehäuseaußenfläche,

d) Mittel (11 bis 21, 36, 37) zum Aufbringen des teilchenförmigen Materials längs der Gehäuseinnenfläche während der Drehbewegung des Gehäuses (1), und

e) Mittel (9; 41; 45) zum Erhitzen des teilchenförmigen Materials auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes während der Drehbewegung des Gehäuses (1), wobei infolge der durch die Drehbewegung des Gehäuses verursachten Zentrifugalkraft das geschmolzene teilchenförmige Material auf der Gehäuseinnenfläche an seinem Platz gehalten wird, um den Block auszubilden.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) eine zylinderförmige Gestalt hat.

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19. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (7) aus dem Isoliermaterial eine Schicht aus gekörntem hitzebeständigen Material enthält, das durch die Zentrifugalkraft an seinem Platz gehalten wird, und daß die Innenfläche des gekörnten hitzebeständigen Materials die Gehäuseinnenfläche definiert.
20. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Drehen des Gehäuses (1) Mittel (2) zum Angreifen an einem Außenflächenabschnitt (55) des Gehäuses und Antriebsmittel (3 bis 6) aufweisen, die veranlassen, daß die Angriffsmittel (2) das Gehäuse (1) drehen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mittel zum Aufbringen des teilchenförmigen Materials auszeichnen durch ein hohles Zubringerrohr (13) mit einer Öffnung (37) auf der Oberseite in Längsrichtung des Rohres, Mittel (1f£, 12) zum selektiven Bewegen des Zubringerrohres (13) in die Gehäuseöffnung und aus der Gehäuseöffnung heraus, Mittel (22, 23) zum Einbringen des teilchenförmigen Materials in das Zubringerrohr (13) durch seine Öffnung (37) bei aus der GehäuseÖffnung herausgezogenem Zubringerrohr und Mittel (14 bis 21) zum Drehen des Zubringerrohres (13) im Anschluß an das Einbringen des Zubringerrohres in die GehäuseÖffnung in eine solche Stellung, daß das teilchenförmige Material unter der Einwirkung der Schwerkraft auf die Gehäuseinnenfläche fällt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bewegen des Zubringerrohres (13) einen hydraulisch betätigten Zylinder (11) aufweisen, der außerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist und an dem einen Ende des Zubringerrohres (13) angreift.

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23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (11) unterhalb des Zubringerrohres (13) parallel zu diesem verläuft und über eine Halterung mit dem Zubringerrohr verbunden ist, die die Mittel (14 bis 21) zum Drehen des Zubringerrohres (13) trägt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Drehen des Zubringerrohres (13) Stopp- und Startmittel (15, 20, 21) aufweisen, die das Zubringerrohr (13) nach dem Einbringen in die Gehäuseöffnung selbsttätig drehen und die das Zubringerrohr (13) im Anschluß an das Aufbringen des teilchenförmigen Materials auf die Gehäuseinnenfläche zurück in seine Ausgangsstellung drehen.
25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einbringen des teilchenförmigen Materials in das Zubringerrohr (13) einen feststehenden Vorratsbehälter (22) mit einem Düsenröhrchen (23) aufweisen, das mit der Öffnung (37) des Zubringerrohres (13) zusammenarbeitet, um das Zubringerrohr mit dem teilchenförmigen Material zu füllen, wenn es in die Gehäuseöffnung bewegt wird, und daß am Zubringerrohr (13) ein Stoppglied (14) vorgesehen ist, das die Materialzufuhr durch das Düsenröhrchen (23) unterbindet, wenn das Zubringerrohr (13) gefüllt ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungsmittel ein Gasflammen-Heizelement (9) aufweisen, das sich in Längsrichtung durch die Gehäuseöffnung erstreckt.

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27. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch' gekennzeichnet, daß die Erhitzungsmittel ein elektrisches Widerstandsheizelement (41; 45) aufweisen, das sich in Längsrichtung durch die Gehäuseöffnung erstreckt.
28. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungsmittel ein inneres, mittleres und äußeres feststehendes Rohr (32, 33, 34) aufweisen, die konzentrisch zueinander und zum Zubringerrohr (13) sind und die sich in Längsrichtung der GehäuseÖffnung erstrecken, daß das Zubringerrohr (13) und das innere konzentrische Rohr (32) so dimensioniert sind, daß das Zubringerrohr mit dem inneren konzentrischen Rohr in gleitender Berührung steht und gegenüber ihm verschiebbar ist, daß das innere und das mittlere konzentrische Rohr (32, 33) eine Kühlkammer bilden, durch die ein Kühlfluid zirkuliert werden kann, daß das mittlere und äußere konzentrische Rohr (33, 34) eine Gaskammer bilden, der ein brennbares Gas zuführbar ist, daß das äußere konzentrische Rohr (34) in Längsrichtung zahlreiche Öffnungen (38) aufweist, die zur Bildung von Gasflammen dienen, und daß die konzentrischen Rohre (32, 33, 34) an ihrer Unterseite in Längsrichtung einen Schlitz (36) aufweisen, der mit der Öffnung (37) im Zubringerrohr (13) so zusammenarbeitet, daß bei gedrehtem Zubringerrohr das teilchenförmige Material unter der Einwirkung der Schwerkraft durch den Schlitz (36) in den konzentrischen Rohren fallen kann.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (24 bis 27) zum Einstellen der Höhe der Erhitzungsmittel (9; 41; 45) in bezug auf die Gehäuseinnenfläche vorhanden sind.

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30. Vorrichtung nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel eine Einrichtung (25) zum Anheben oder Absenken der Bewegungsmittel (11, 12) des Zubringerrohres (13) aufweisen.
31 · Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungsmittel eine feststehende elektrische Widerstandsheizeinrichtung (41) enthalten, die sich parallel zum Zubringerrohr (13) durch die Gehäuseöffnung erstreckt, und daß das Zubringerrohr (13) rund um seine Außenfläche von einem Isoliermittel (42, 43, 44) umgeben ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermittel angrenzend an das Zubringerrohr (13) eine Kammer (42, 43) aufweist, durch die ein Kühlfluid zirkuliert werden kann, und eine Außenschicht (44) aus einem Isoliermaterial enthält.
33. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungsmittel eine feststehende elektrische Widerstandsheizeinrichtung (45) rund um das sich innerhalb der Gehäuseöffnung befindliche Zubringerrohr (13) aufweisen und daß Isoliermittel (42, 43, 44) das Zubringerrohr (13) von der Heizeinrichtung (45) trennen.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermittel eine Kammer (42, 43) aufweisen, durch die ein Kühlfluid zirkuliert werden kann, und zwischen dieser Kammer und der Heizeinrichtung eine Schicht (44) aus Isoliermaterial enthalten.

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35. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (1) Mittel (51, 52*) vorgesehen sind, die für einen im wesentlichen vakuumdichten Abschluß des Gehäuses dienen.
36. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (62, 65) vorgesehen sind, die dazu dienen, ein inertes Gas durch das Gehäuse (1) zu leiten.
37. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus zwei Gehäuseteilen besteht, die lösbar miteinander verbunden sind, so daß ein hergestellter Block (8) unter Entfernung von wenigstens einem der . beiden Gehäuseteile aus dem Gehäuse genommen werden kann.
38. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem einen Ende des Gehäuses (1) eine Gehäuseverlängerung (51) verbunden ist, daß in der Gehäuseverlängerung ein Blockhalter (60) angeordnet ist, der so in das Gehäuse (1) ragt, daß er bei der Ausbildung des Blocks (8) mit ihm verschmilzt, und daß Mittel (61) vorgesehen sind, die den Blockhalter (60) lösbar an seinem Platz halten.
39. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (7) aus dem Isoliermaterial ein Rohr aus einem hitzebeständigen Material darstellt, wobei die Innenfläche des Rohres die Innenfläche des Gehäuses (1) definiert, und daß das aus dem Isoliermaterial gebildete Rohr zur Erleichterung der Herausnahme des hergestellten Blocks (8) wenigstens in zwei Teile trennbar ist.

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