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WO2010149530A1 - Verfahren und vorrichtung zum ziehen eines quarzglaszylinders aus einem schmelztiegel - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ziehen eines quarzglaszylinders aus einem schmelztiegel Download PDF

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Publication number
WO2010149530A1
WO2010149530A1 PCT/EP2010/058359 EP2010058359W WO2010149530A1 WO 2010149530 A1 WO2010149530 A1 WO 2010149530A1 EP 2010058359 W EP2010058359 W EP 2010058359W WO 2010149530 A1 WO2010149530 A1 WO 2010149530A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
crucible
die
quartz glass
center axis
roller
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2010/058359
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Leber
Rainer Berg
Nigel Whippey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Original Assignee
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG filed Critical Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority to EP10724515A priority Critical patent/EP2445843A1/de
Priority to CN201080029079.0A priority patent/CN102471118B/zh
Priority to JP2012516637A priority patent/JP5538533B2/ja
Priority to US13/381,050 priority patent/US20120174629A1/en
Publication of WO2010149530A1 publication Critical patent/WO2010149530A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B17/00—Forming molten glass by flowing-out, pushing-out, extruding or drawing downwardly or laterally from forming slits or by overflowing over lips
    • C03B17/04—Forming tubes or rods by drawing from stationary or rotating tools or from forming nozzles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
    • Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates

Definitions

  • the present invention relates to a method for drawing a quartz glass cylinder from a crucible, which comprises a crucible interior, which extends in the direction of a crucible center axis and is bounded by a side wall and a bottom, by feeding the crucible SiO 2 grain, softened into a viscous quartz glass mass and this deducted by means of a first extraction device through a provided in the bottom of the crucible first die as a cylindrical quartz glass strand vertically downwards and from the quartz glass cylinder is cut to length.
  • the invention relates to a device for drawing a Quarzglaszy- Linders, with a crucible for receiving SiO 2 grain, which comprises a crucible interior, which extends in the direction of a crucible center axis and is bounded by a side wall and a bottom, with a heating device for softening the SiO 2 grain, as well as with a first die nozzle provided in the bottom of the crucible, and with a first removal device for drawing off a quartz glass strand through the first die.
  • Quartz glass melt a relatively high-viscosity quartz glass mass
  • a funnel is usually provided, which protrudes into the crucible, and whose lower end ends above the surface of the viscous quartz glass mass.
  • a bulk cone forms from the granular SiO 2 raw material which floats on the surface of the melt.
  • the SiO 2 -Körnungsteichen on the direct line connecting the Schüttkegelmitte and the die of the crucible a comparatively lower residence time in the melt and a correspondingly lower temperature exposure.
  • This effect is further enhanced by the fact that the axial temperature profile along the crucible center axis by up to 50 0 C lower temperatures than at the edge, which can go so far that SiO 2 grain is not completely melted in the center of the crucible and disturbances in the withdrawn glass strand leads.
  • the "silo flow" is unfavorably noticeable especially in the case of small die dimensions and requires an extension of the mean residence times for the SiO 2 grain in total and limits the efficiency of the melt throughput.
  • a method of this kind describes the DE 1 596 664 A, from which a device of the type mentioned is known.
  • a tungsten nozzle is used, which spans a circular opening into which protrudes from above a mandrel which is held on a hollow shaft of tungsten hanging in the quartz glass melt. The position of the cathedral is changeable.
  • the mandrel has an upper part with a bulge in the form of an hourglass, which is connected via an intermediate ring with a frusto-conical lower part which extends into the nozzle opening while leaving an annular gap which can be changed in its width.
  • the geometry of the upper part deflects the central, colder melt streams and thus homogenizes the temperature within the quartz glass melt.
  • the device used in the known drawing method is relatively complicated in its construction and handling and the method proves to be relatively sensitive to temperature fluctuations in the interior of the crucible.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method which allows the production of homogeneous quartz glass cylinder with high productivity.
  • the invention has for its object to provide a structurally simple and easy-to-use device for performing the method.
  • this object is achieved on the basis of the above-mentioned method according to the invention in that at least one second quartz glass strand is drawn off by at least one further second die nozzle provided in the bottom of the crucible, the first die and the second die being spaced apart from each other and eccentric to the crucible. Center axis are arranged.
  • the aim of the invention is to avoid a pronounced silo flow in the center of the crucible, accompanied by an immediate entry of small homogenized quartz glass mass into the die, and at the same time to increase the productivity of the drawing process.
  • the interaction of several measures is crucial for this:
  • the at least two drawing nozzles generate individual flows which are partially coupled to one another and which interact with one another. This results in a certain mixing effect, which contributes to a homogenization of the quartz glass mass.
  • the same product-specific standard melt performance results in an increase in the residence time in the crucible and, consequently, a higher quality of the withdrawn quartz glass, and vice versa, while maintaining the customary residence times customary hitherto, there is an attributable increase in the melting performance.
  • Quartz glass strand improves or - with constant homogeneity - the temperature load of the crucible can be reduced. These measures also indirectly affect productivity, as explained above.
  • first die and the further, second die have a distance of at least 20 mm, preferably at least 50 mm from each other.
  • the distance is not understood to be the distance of the center axes of adjacent drawing nozzles, but the smallest distance of the respective nozzle openings. The distance thus describes the remaining between the nozzle openings minimum web width in the crucible bottom.
  • the eccentric disposition of the dies with respect to the crucible centerline also includes a technique in which one of the die orifices intersects the crucible centerline. In a particularly preferred procedure, however, it is provided that the drawing nozzles are arranged distributed uniformly around the crucible center axis.
  • a procedure is preferred in which a quartz glass strand is drawn off with a first mass flow through the first die, and a quartz glass strand is withdrawn through the second die with a second mass flow, wherein the first and second mass flow are maximally 100% (based on the smaller of the mass flows).
  • the mass flows are as small as possible. It has proved to be advantageous if the opening cross section of the first and second die is a maximum of 50 cm 2 each.
  • the extraction device is provided for simultaneous removal of several quartz glass strands from the drawing dies.
  • this requires the same geometry of the die openings and the deducted quartz glass strands.
  • the two quartz glass strands can be deducted independently of each other and regulated to their nominal dimensions.
  • the first extraction device preferably has a first roller tractor, which extends over a first extension section along the crucible center axis
  • the second extraction device has a second roller tractor, which extends over a second extension section along the crucible center axis, such that the extension sections of the first and second roller tugs do not overlap.
  • a roller tractor comprises a plurality of tow rollers distributed around the glass strand to be drawn, which are opposite to the glass strand to be drawn off and exert on them a force which is suitable for removing the glass strand.
  • the trigger in the form of a roller tractor allows continuous pulling the glass strand with relatively little design effort.
  • it is preferred that the roller tractors of the first and second extraction device are arranged on different height levels.
  • the above-mentioned object starting from a pulling device of the type mentioned is achieved in that in the bottom of the crucible at least one further, second die is provided, and that first die and second die spaced from each other and arranged eccentrically to the crucible center axis are.
  • the aim of the invention with respect to the device is to avoid a pronounced silo flow in the center of the crucible by means of simple constructional means, and at the same time to increase the productivity of the drawing process.
  • the interaction of several measures is crucial for this:
  • the at least two drawing nozzles generate individual flows, which are partially coupled with each other and act on each other. This results in a certain mixing effect, which contributes to a homogenization of the quartz glass mass and thus also to a reduction of Matehalausschuss.
  • the same product-specific standard melt performance results in an increase in the residence time in the crucible and, consequently, a higher quality of the withdrawn quartz glass, and vice versa, while maintaining the customary residence times customary hitherto, there is an attributable increase in the melting performance.
  • Figure 1 shows an embodiment of a melting furnace according to the invention with a crucible with a plurality of dies in a side view and as a sectional view, and
  • FIG. 2 is a plan view of the underside of the bottom of the crucible of FIG. 1.
  • the drawing furnace according to FIG. 1 comprises a crucible 1 made of tungsten into which SiO 2 grains 3 are continuously introduced from above via a feed neck 2 .
  • the crucible 1 is surrounded by a water-cooled furnace shell 14 to form a protective gas space 10 purged with protective gas, within which a porous insulation layer 8 of oxidic insulation material and a resistance heater 13 for heating the SiO 2 grain 3 are deposited. were brought.
  • the inert gas chamber 10 is open at the bottom and otherwise sealed with a bottom plate 15 and a cover plate 16 to the outside.
  • the crucible 1 encloses a cylindrical crucible interior 5 with an inner diameter of 400 mm, whose cylinder longitudinal axis is coaxial with the crucible center axis 6.
  • the crucible interior 5 is also sealed from the environment by means of a cover 18 and a sealing element 19.
  • Through the cover 18 protrude an inlet 22 and an outlet 21 for a crucible interior gas in the form of pure hydrogen.
  • the inert gas chamber 10 is provided in the upper region with a gas inlet 23 for pure hydrogen.
  • drawing nozzles 4a and 4b are used eccentrically to the central axis 6, each with a circular opening, which also consist of tungsten components 17.
  • the drawing nozzles 4a, 4b are identical in construction and taper from top to bottom first to a minimum inside diameter of 40 mm before they expand again to 70 mm in the region of the lower nozzle opening.
  • the soft quartz glass mass 9 exits via the drawing dies 4a, 4b and is drawn off vertically in the direction of the crucible center axis 6 in the form of two solid cylinder strands 11a, 11b, each with a diameter of 70 mm, by means of roller towers 12a, 12b.
  • the roller tractors 12a, 12b are arranged offset from one another via the height and in each case connected to a control and regulating device (not shown in the figure) for regulating the diameter of the respective solid cylinder section 11a, 11b. Pieces of the desired length are cut to length from the two full-cylinder strands.
  • the quartz glass mass 9 is exposed in the near-edge region of the crucible 1 on average higher temperature than in the central region, it is better homogenized in the two near-edge main mass flows than would be the case for a given crucible temperature in the central region. Silo flow through the central crucible region comprising the crucible centerline 6 is thus completely avoided and the productivity of the draw process is doubled.
  • the SiO 2 grain 3 is heated in the crucible 1 to a temperature of about 2050 0 C to 2150 0 C, ie about 50 0 C less than in Example 1.
  • the quartz glass mass 9 in the main mass flows 20a, 20b is exposed to approximately a temperature load, such as the "silo flow" in a conventional drawing process, and the solid cylinder strands 11a thus obtained, 11 b thus have approximately the same homogeneity as the central strand produced in the conventional drawing process.
  • a temperature load such as the "silo flow" in a conventional drawing process
  • the solid cylinder strands 11a thus obtained, 11 b thus have approximately the same homogeneity as the central strand produced in the conventional drawing process.
  • the temperature load of the crucible wall 1 and the crucible bottom 7 is lower, there is less input of abrasion from the crucible and other impurities into the softened quartz glass mass and a longer service life of the crucible. The scrap is thus lower and the maintenance interval greater, resulting in higher productivity.

Landscapes

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Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Ziehen eines Quarzglaszylinders aus einem Schmelztiegel, der einen Tiegel-Innenraum umfasst, der sich in Richtung einer Tiegel-Mittelachse erstreckt und von einer Seitenwand und einem Boden begrenzt ist, wird dem Schmelztiegel SiO2-Körnung zugeführt, darin zu einer viskosen Quarzglasmasse erweicht und diese mittels einer ersten Abzugseinrichtung durch eine im Boden des Schmelztiegels vorgesehene erste Ziehdüse als zylinderförmiger Quarzglasstrang vertikal nach unten abgezogen und daraus der Quarzglaszylinder abgelängt. Um hiervon ausgehend ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung homogener Quarzglaszylinder bei gleichzeitig hoher Produktivität ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mindestens ein zweiter Quarzglasstrang durch mindestens eine weitere im Boden des Schmelztiegels vorgesehene zweite Ziehdüse abgezogen wird, wobei die erste Ziehdüse und die zweite Ziehdüse beabstandet voneinander und exzentrisch zur Tiegel-Mittelachse angeordnet sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglaszylinders aus einem Schmelztiegel
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Quarzglaszylinders aus einem Schmelztiegel, der einen Tiegel-Innenraum umfasst, der sich in Richtung einer Tiegel-Mittelachse erstreckt und von einer Seitenwand und einem Boden begrenzt ist, indem dem Schmelztiegel SiO2-Körnung, zugeführt, darin zu einer viskosen Quarzglasmasse erweicht und diese mittels einer ersten Abzugseinrichtung durch eine im Boden des Schmelztiegels vorgesehene erste Ziehdüse als zylinderförmiger Quarzglasstrang vertikal nach unten abgezogen und daraus der Quarzglaszylinder abgelängt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglaszy- linders, mit einem Schmelztiegel zur Aufnahme von SiO2-Körnung, der einen Tiegel-Innenraum umfasst, der sich in Richtung einer Tiegel-Mittelachse erstreckt und von einer Seitenwand und einem Boden begrenzt ist, mit einer Heizeinrichtung zum Erweichen des der SiO2-Körnung, sowie mit einer im Boden des Schmelztiegels vorgesehenen ersten Ziehdüse, und mit einer ersten Abzugsein- richtung zum Abziehen eines Quarzglasstrangs durch die erste Ziehdüse.
Stand der Technik
Vertikal-Tiegelziehverfahren werden zur kontinuierlichen Herstellung zylinderförmiger Bauteile aus Quarzglas, wie Stäbe, Rohre oder Platten mit beliebigem Querschnittsprofil eingesetzt. Dabei wird SiO2-Körnung als Glasausgangsstoff in einem Schmelztiegel zu einer relativ hochviskosen Quarzglasmasse erschmolzen (im Folgenden auch als „Quarzglasschmelze" bezeichnet) und über eine axialsymmetrisch, eine für das Zielprodukt ausgelegte Ziehdüse am Tiegelboden als Glasstrang abgezogen. Aus dem Glasstrang werden Teilstücke abgelängt, aus denen das gewünschte Quarzglas-Bauteil als Fertigprodukt oder als Halbzeug gefertigt wird.
Dabei liegt ein besonderes Augenmerk darauf, Inhomogenitäten im abgezogenen Glasstrang zu vermeiden und im Tiegel-Innenraum möglichst gleiche und kon- stante Schmelzbedingungen zu schaffen. Infolge ihrer hohen Temperatur und Viskosität kann eine Quarzglasschmelze jedoch nicht mittels der Techniken homogenisiert werden, wie sie bei niedrigviskosen Glasschmelzen, wie beispielsweise Borosilikatglas- oder Kalk-Natron-Glasschmelzen, üblich sind. Insbesondere sind zum Läutern derartiger Glasschmelzen eingesetzte Rühreinrichtungen für die Homogenisierung einer Quarzglasschmelze nicht geeignet, da beim Rühren erzeugte Blasen wegen der hohen Viskosität im Verlauf des Ziehprozesses nicht mehr beseitigt werden können.
Für die Zufuhr der SiO2-Körnung ist in der Regel ein Schütttrichter vorgesehen, der in den Schmelztiegel hineinragt, und dessen unteres Ende oberhalb der Oberflä- che der zähflüssigen Quarzglasmasse endet. Es bildet sich dabei ein Schüttkegel aus dem auf der Schmelzoberfläche aufschwimmenden, körnigen SiO2- Rohmatehal aus. Diese Ziehverfahren sind durch ein Strömungsverhalten der Quarzglasschmelze mit einer ausgeprägt höheren Strömung im Mittelachsenbereich des Schmelztiegels als im Randbereich charakterisiert, die als „Siloströmung " be- zeichnet werden kann.
Dabei erfahren die SiO2-Körnungsteichen auf der direkten Verbindungslinie zwischen der Schüttkegelmitte und der Ziehdüse des Schmelztiegels eine vergleichsweise geringere Verweilzeit in der Schmelze und eine dementsprechend geringere Temperaturbeaufschlagung. Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass das axiale Temperaturprofil entlang der Tiegel-Mittelachse um bis zu 50 0C niedrigere Temperaturen als am Rand aufweist , was so weit gehen kann, dass SiO2-Körnung in der Tiegelmitte nicht vollständig aufgeschmolzen wird und zu Störungen im abgezogenen Glasstrang führt. Die „Siloströmung" macht sich insbesondere bei kleinen Ziehdüsenabmessungen ungünstig bemerkbar und erfordert eine Verlängerung der mittleren Verweilzeiten für die SiO2-Körnung insgesamt und begrenzt die Effizienz des Schmelzdurchsatzes.
Man versucht daher, ein möglichst gleichmäßiges Einschmelzen der Glasaus- gangsstoffe mit Hilfe eines besonders angepassten axialen Temperaturverlaufs im Ziehofen zu erreichen (DE 22 17 725 B2) oder gleiche und konstante Einschmelzbedingungen über eine reproduzierbare Verteilung und Verdichtung der einzuschmelzenden SiO2-Körnung auf der Schmelzoberfläche (US 3,249,417 A; WO 2006/015763 A1 ) zu gewährleisten.
Es ist auch vorgeschlagen worden, die Strömungen der zähflüssigen Quarzglasschmelze zwecks Homogenisierung der Temperatur zu lenken. Ein Verfahren dieser Art beschreibt die DE 1 596 664 A, aus der auch eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt ist. Zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs aus einem Schmelztiegel wird hierbei eine Wolfram-Düse eingesetzt, die eine kreisförmige Öffnung aufspannt, in die von oben ein Dorn hineinragt, der an einem Hohlschaft aus Wolfram hängend in der Quarzglasschmelze gehalten wird. Die Position des Doms ist veränderbar. Der Dorn weist ein Oberteil mit einer Ausbuchtung in Form eines Stundenglases auf, das über einen Zwischenring mit einem kegelstumpfförmigen Unterteil verbunden ist, das sich unter Belassung ei- nes in seiner Weite veränderbaren Ringspalts bis in die Düsenöffnung erstreckt. Durch die Geometrie des Oberteils werden die zentralen, kälteren Schmelzströme auslenkt und so eine Homogenisierung der Temperatur innerhalb der Quarzglasschmelze bewirkt.
Die beim bekannten Ziehverfahren eingesetzte Vorrichtung ist in ihrer Konstrukti- on und Handhabung relativ aufwändig und das Verfahren erweist sich gegenüber Temperaturschwankungen im Tiegelinnenraum als vergleichsweise empfindlich. Technische Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung homogener Quarzglaszylinder bei gleichzeitig hoher Produktivität ermöglicht.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache und einfach zu handhabende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein zweiter Quarzglasstrang durch mindestens eine weitere im Boden des Schmelztiegels vorgesehene zweite Ziehdüse abgezogen wird, wobei die erste Ziehdüse und die zweite Ziehdüse beabstandet voneinander und exzentrisch zur Tiegel- Mittelachse angeordnet sind.
Ziel der Erfindung ist es, eine ausgeprägte Siloströmung in der Tiegelmitte, ein- hergehend mit einem unmittelbaren Eintritt gering homogenisierter Quarzglasmasse in die Ziehdüse, zu vermeiden, und gleichzeitig die Produktivität des Ziehverfahrens zu erhöhen. Hierzu ist das Zusammenspiel mehrerer Maßnahmen entscheidend:
1. Statt nur einer einzigen Ziehdüse sind im Boden des Schmelztiegels zwei oder mehr Ziehdüsen vorgesehen, durch die jeweils ein Quarzglasstrang aus dem
Schmelztiegel abgezogen wird. Es liegt auf der Hand, dass diese Maßnahme die Produktivität des Ziehverfahrens erhöht.
2. Wichtig dabei ist aber auch, dass keine der Ziehdüsen exakt in der Tiegelmitte angeordnet ist. Die exzentrische, außermittige Anordnung der Ziehdüsen vermei- det oder vermindert die schmelztechnisch ungünstige Mittelströmung und bewirkt eine eher randnähere Strömung. Damit einhergehend ergibt sich ein axiales Temperaturprofil mit im Mittel höheren Temperaturen im Vergleich zu dem axialen Temperaturprofil in der Tiegel-Mittelachse. Dies ermöglicht eine Reduzierung der zuzuführenden Schmelzenergie, was wiederum zu einer Energieerspar- nis und insbesondere zu einer Verminderung der thermischen Belastungen des Schmelztiegels führt und somit der Einbringung von Kontaminationen in die Schmelze entgegenwirkt.
3. Die mindestens zwei Ziehdüsen erzeugen Einzelströmungen, die teilweise mit- einander verkoppelt sind und die aufeinander einwirken. Dadurch ergibt sich ein gewisser Durchmischungseffekt, der zu einer Homogenisierung der Quarzglasmasse beiträgt.
Je nach Anzahl der Ziehdüsen ergibt sich bei derselben produktspezifischen Standardschmelzleistung eine Erhöhung der Verweilzeit im Schmelztiegel und damit ein- hergehend eine höhere Qualität des abgezogenen Quarzglases, und umgekehrt, bei Einhaltung der bisher üblichen spezifischen Verweilzeiten, ergibt sich eine zuorden- bare Erhöhung der Schmelzleistung.
Somit ermöglicht die Erfindung nicht nur unmittelbar eine Erhöhung der Produktivität gegenüber dem herkömmlichen Ziehverfahren, sondern gleichzeitig kann - bei gleichbleibender Tiegeltemperatur - die Homogenität des abgezogenen
Quarzglasstrangs verbessert, oder - bei gleichbleibender Homogenität - die Temperaturbelastung des Schmelztiegels verringert werden. Diese Maßnahmen wirken sich mittelbar ebenfalls auf die Produktivität aus, wie oben erläutert.
Die positiven Wirkungen der oben unter 2. und 3. erläuterten Maßnahmen hän- gen von der örtlichen Verteilung der Ziehdüsen über dem Tiegelboden und dabei insbesondere vom Abstand der Ziehdüsen voneinander ab. Diese Wirkungen sind in erster Näherung umso ausgeprägter, je größer der Abstand zwischen den Ziehdüsen ist. Im Hinblick hierauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Ziehdüse und die weitere, zweite Ziehdüse einen Abstand von mindestens 20 mm, vorzugsweise von mindestens 50 mm voneinander haben.
Unter dem Abstand wird hierbei nicht der Abstand der Mittelachsen benachbarter Ziehdüsen verstanden, sondern die kleinste Entfernung der jeweiligen Düsenöffnungen. Der Abstand beschreibt somit die zwischen den Düsenöffnungen verbleibende minimale Stegweite im Tiegelboden. Die exzentrische Anordnung der Ziehdüsen in Bezug auf die Tiegel-Mittelachse umfasst auch eine Verfahrensweise, bei der eine der Ziehdüsenöffnungen die Tiegel-Mittelachse schneidet. Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise ist jedoch vorgesehen, dass die Ziehdüsen um die Schmelztiegel-Mittelachse gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Hierbei schneidet keine der Ziehdüsen-Öffnungen die Schmelztiegel-Mittelachse, so dass die Mittelströmung weitgehend vermieden wird. Die gleichmäßige Verteilung der Ziehdüsen um die Schmelztiegel-Mittelachse trägt zu einer reproduzierbaren und gleichmäßigen Verteilung der eingeschmolzenen Quarzglasmasse in die jeweiligen Quarzglasstränge bei.
In dem Zusammenhang hat es sich auch als günstig erwiesen, wenn genau zwei Ziehdüsen vorgesehen sind, die sich an der Tiegel-Mittelachse gegenüberliegen.
Es hat sich gezeigt, dass bei mehr als zwei Ziehdüsen der konstruktive Aufwand, insbesondere für das geregelte Abziehen der jeweiligen Quarzglasstränge, über- proportional zunimmt. Bei der bevorzugten Verfahrensweise sind daher nur zwei Ziehdüsen vorgesehen. Deren Ziehdüsen-Öffnungen liegen an der Tiegel- Mittelachse gegenüber, wobei sie die Mittelachse nicht schneiden. Aus dem oben bereits erläuterten Grund (gleichmäßigen Verteilung der eingeschmolzenen Quarzglasmasse) haben die Ziehdüsen-Öffnungen vorzugsweise den gleichen Abstand zur Mittelachse.
Es wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der durch die erste Ziehdüse ein Quarzglasstrang mit einem ersten Massenstrom abgezogen wird, und bei der durch die zweite Ziehdüse ein Quarzglasstrang mit einem zweiten Massenstrom abgezogen wird, wobei sich erster und zweiter Massenstrom um maximal 100 % (bezogen auf den kleineren der Massenströme) unterscheiden.
Wenn sich die aus den Ziehdüsen abgezogenen Massenströme überaus deutlich unterscheiden, kann infolge der Rückkopplung der jeweiligen Strömungen innerhalb des Schmelztiegels eine geringfügige Änderung bei der stärkeren Strömung (und dem größeren Massenstrom) zu einer ungewollt deutlichen Veränderung bei der schwächeren Strömung (und dem kleineren Massenstrom) führen und sich auf die Produktqualität ungünstig auswirken.
Insbesondere im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Ziehdüsen-Öffnungsquerschnitte, eine möglichst geringe gegenseitige Beeinflussung und eine möglichst geringe Auswirkung bei Unterbrechung oder Änderung beim Abziehen von einem der Quarzglasstränge sind die Massenströme möglichst klein. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Öffnungsquerschnitt von erster und zweiter Ziehdüse maximal jeweils 50 cm2 beträgt.
Bei einem konstruktiv besonders einfachen Sonderfall ist die Abzugseinrichtung zum gleichzeitigen Abziehen mehrerer Quarzglasstränge aus den Ziehdüsen vorgesehen. Dies setzt jedoch gleiche Geometrie der Ziehdüsenöffnungen und der abgezogenen Quarzglasstränge voraus.
Eine größere Variabilität beim Einsatz von Ziehdüsen unterschiedlicher Querschnittsgeometrien und beim Profil und der radialen Abmessung der abgezoge- nen Quarzglasstränge ergibt sich, wenn eine zweite Abzugseinrichtung eingesetzt wird, mittels der der aus der zweiten Ziehdüse austretende Quarzglasstrang abgezogen wird.
Dabei können die beiden Quarzglasstränge unabhängig voneinander abgezogen und auf ihre Soll-Abmessungen geregelt werden.
Vorzugsweise weist dabei die erste Abzugseinrichtung einen ersten Rollenschlepper auf, der sich über einen ersten Erstreckungsabschnitt entlang der Tiegel-Mittelachse erstreckt, und die zweite Abzugseinrichtung weist einen zweiten Rollenschlepper auf, der sich über einen zweiten Erstreckungsabschnitt entlang der Tiegel-Mittelachse erstreckt, derart, dass sich die Erstreckungsabschnitte von erstem und zweitem Rollenschlepper nicht überschneiden.
Ein Rollenschlepper umfasst mehrere um den abzuziehenden Glasstrang verteilte Schlepperrollen, die sich am abzuziehenden Glasstrang gegenüberliegen, und auf diesen eine Kraft ausüben, die zum Abziehen des Glasstrangs geeignet ist. Der Abzug in Form eines Rollenschleppers ermöglicht ein kontinuierliches Ziehen des Glasstrangs mit vergleichsweise geringem konstruktivem Aufwand. Aus Platzgründen ist es dabei bevorzugt, dass die Rollenschlepper von erster und zweiter Abzugseinrichtung auf unterschiedlichen Höhenebenen angeordnet sind.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von einer Ziehvorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Boden des Schmelztiegels mindestens eine weitere, zweite Ziehdüse vorgesehen ist, und dass erste Ziehdüse und zweite Ziehdüse beabstandet voneinander und exzentrisch zur Tiegel-Mittelachse angeordnet sind.
Ziel der Erfindung in Bezug auf die Vorrichtung ist es, durch einfache konstruktive Gestaltungsmittel eine ausgeprägte Siloströmung in der Tiegelmitte zu vermeiden, und gleichzeitig die Produktivität des Ziehverfahrens zu erhöhen. Hierzu ist das Zusammenspiel mehrerer Maßnahmen entscheidend:
1. Statt nur einer einzigen Ziehdüse sind im Boden des Schmelztiegels zwei oder mehr Ziehdüsen vorgesehen, durch die jeweils ein Quarzglasstrang aus dem Schmelztiegel abgezogen wird. Auf diese Weise wird die Produktivität des Ziehverfahrens erhöht.
2. Keine der Ziehdüsen ist exakt in der Tiegelmitte angeordnet. Die exzentrische, außermittige Anordnung der Ziehdüsen vermeidet oder vermindert die schmelztechnisch ungünstige Mittelströmung und bewirkt eine eher randnähere Strö- mung. Damit einhergehend ergibt sich ein axiales Temperaturprofil mit im Mittel höheren Temperaturen im Vergleich zu dem axialen Temperaturprofil in der Tiegel-Mittelachse. Dies führt nicht nur zu einer Energieersparnis durch Reduzierung der benötigten Schmelzenergie, sondern auch zu einer Verminderung der thermischen Belastungen des Schmelztiegels, was der Einbringung von Kontami- nationen in die Schmelze entgegenwirkt und somit den Matehalausschuss vermindert, außerdem die Wartungsintervalle verlängert und sich somit insgesamt auf die Produktivität vorteilhaft auswirkt.
3. Die mindestens zwei Ziehdüsen erzeugen Einzelströmungen, die teilweise miteinander verkoppelt sind und die aufeinander einwirken. Dadurch ergibt sich ein gewisser Durchmischungseffekt, der zu einer Homogenisierung der Quarzglas- masse und damit ebenfalls zu einer Verringerung von Matehalausschuss beiträgt.
Je nach Anzahl der Ziehdüsen ergibt sich bei derselben produktspezifischen Standardschmelzleistung eine Erhöhung der Verweilzeit im Schmelztiegel und damit ein- hergehend eine höhere Qualität des abgezogenen Quarzglases, und umgekehrt, bei Einhaltung der bisher üblichen spezifischen Verweilzeiten, ergibt sich eine zuorden- bare Erhöhung der Schmelzleistung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausges- taltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung in schematischer Darstellung zeigt im Einzelnen
Figur 1 eine Ausführungsform eines Schmelzofens gemäß der Erfindung mit einem Schmelztiegel mit mehreren Ziehdüsen in einer Seitenansicht und als Schnittdarstellung, und
Figur 2 eine Draufsicht auf die Unterseite des Bodens des Schmelztiegels von Figur 1.
Der Ziehofen gemäß Figur 1 umfasst einen Schmelztiegel 1 aus Wolfram, in den von oben über einen Zufuhrstutzen 2 kontinuierlich SiO2-Körnung 3 eingefüllt wird. Der Schmelztiegel 1 ist von einem wassergekühlten Ofenmantel 14 unter Bildung eines mit Schutzgas gespülten Schutzgasraums 10 umgeben, innerhalb dessen eine poröse Isolationsschicht 8 aus oxidischem Isolationsmaterial und eine Widerstandsheizeinrichtung 13 zum Erhitzen der SiO2-Körnung 3 unterge- bracht sind. Der Schutzgasraum 10 ist nach unten hin offen und ansonsten mit einer Bodenplatte 15 und mit einer Deckplatte 16 nach Außen abgedichtet.
Der Schmelztiegel 1 umschließt einen zylinderförmigen Tiegel-Innenraum 5 mit einem Innendurchmesser von 400 mm, dessen Zylinder-Längsachse koaxial zur Tiegel-Mittelachse 6 verläuft. Der Tiegel-Innenraum 5 ist ebenfalls gegenüber der Umgebung mittels einer Abdeckung 18 und einem Dichtelement 19 abgedichtet. Durch die Abdeckung 18 ragen ein Einlass 22 und ein Auslass 21 für ein Tiegelinnenraum-Gas in Form von reinem Wasserstoff. Ebenso ist der Schutzgasraum 10 im oberen Bereich mit einem Gaseinlass 23 für reinen Wasserstoff versehen.
In den Boden 7 des Schmelztiegels 1 sind exzentrisch zur Mittelachse 6 zwei Ziehdüsen 4a und 4b mit jeweils kreisförmiger Öffnung eingesetzt, die ebenfalls aus Wolfram-Bauteilen 17 bestehen. Die Ziehdüsen 4a, 4b sind baugleich und verjüngen sich von oben nach unten zunächst auf einen minimalen Innendurchmesser von 40 mm bevor sie sich wieder auf 70 mm im Bereich der unteren Dü- senöffnung erweitern.
Über die Ziehdüsen 4a, 4b tritt die weiche Quarzglasmasse 9 aus und wird in Form zweier Vollzylinderstränge 11 a, 11 b mit jeweils einem Durchmesser von 70 mm mittels Rollenschlepper 12a, 12b vertikal nach unten in Richtung der Schmelztiegel-Mittelachse 6 abgezogen. Die Rollenschlepper 12a, 12b sind über die Höhe versetzt zueinander angeordnet und jeweils mit einer (in der Figur nicht dargestellten) Steuer- und Regeleinrichtung für die Regelung des Durchmessers für den jeweiligen Vollzylinderstrang 11 a, 11 b verbunden. Aus den beiden Vollzy- lindersträngen werden Teilstücke der gewünschten Länge abgelängt.
Der besseren Übersicht halber werden in der Draufsicht auf die Unterseite des Tiegelbodens 7 in Figur 2 zur Bezeichnung derselben Bauteile wie in Figur 1 gleiche Bezugsziffern und Schraffuren verwendet (obwohl Figur 2 keine Schnittdarstellung zeigt). Die sich von oben nach unten verjüngenden Ziehdüsen 4a und 4b sind außermittig angeordnet und liegen sich mit einem Abstand von 75 mm an der Tiegel-Mittellinie 6 gegenüber Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Beispiel 1
Über die Zufuhrstutzen 2 wird kontinuierlich SiO2-Körnung 3 in den Schmelztiegel 1 eingespeist und darin auf eine Temperatur von etwa 2100 0C bis 2200 0C erhitzt. Dabei entsteht im unteren Bereich des Schmelztiegels 1 eine weiche Quarzglasmasse 9, auf der eine Körnungsschicht aus SiO2-Körnung 3 aufschwimmt. Es bilden sich zwei etwa gleich große Haupt-Massenströmungen 20a, 20b der erweichten Quarzglasmasse 9 von der SiO2-Körnung 3 aus in Richtung auf die beiden Ziehdüsen 4a, 4b aus. Diese Haupt-Massenströmungen 20a, 20b sind in Figur 1 durch Schraffur und Blockpfeile angedeutet.
Da die Quarzglasmasse 9 im randnahen Bereich des Schmelztiegels 1 einer im Mittel höheren Temperatur ausgesetzt ist als im zentralen Bereich, wird sie in den beiden randnahen Haupt-Massenströmungen besser homogenisiert als dies bei gegebener Schmelztiegel-Temperatur im zentralen Bereich der Fall wäre. Eine Siloströmung durch den zentralen Schmelztiegelbereich, der die Tiegel-Mittellinie 6 umfasst, wird so vollständig vermieden und die Produktivität des Ziehverfahrens wird verdoppelt.
Beispiel 2
Alternativ dazu wird die SiO2-Körnung 3 im Schmelztiegel 1 auf eine Temperatur von etwa 2050 0C bis 2150 0C erhitzt, also um etwa 50 0C weniger als bei Beispiel 1.
Auch hier bilden sich zwei etwa gleich große randnahe Haupt-Massenströmungen 20a, 20b der Quarzglasmasse 9 von der SiO2-Körnung 3 aus in Richtung auf die beiden Ziehdüsen 4a, 4b aus.
Die Quarzglasmasse 9 in den Haupt-Massenströmungen 20a, 20b ist dabei in etwa einer Temperaturbelastung ausgesetzt, wie die „Siloströmung" bei einem herkömmlichen Ziehverfahren, und die so erhaltenen Vollzylinderstränge 11 a, 11 b haben somit in etwa die gleiche Homogenität wie der beim herkömmlichen Ziehverfahren erzeugte zentrale Strang. Da die Temperaturbelastung der Tiegelwandung 1 und des Tiegelbodens 7 jedoch geringer ist, ergibt sich ein geringerer Eintrag von Abrieb aus dem Tiegel und anderer Verunreinigungen in die erweich- te Quarzglasmasse und eine längere Standzeit des Schmelztiegels. Der Aus- schuss ist somit geringer und das Wartungsintervall größer, was sich in einer höheren Produktivität äußert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ziehen eines Quarzglaszylinders aus einem Schmelztiegel (1 ), der einen Tiegel-Innenraum (5) umfasst, der sich in Richtung einer Tiegel- Mittelachse (6) erstreckt und von einer Seitenwand und einem Boden (7) begrenzt ist, indem dem Schmelztiegel (1 ) SiO2-Körnung (3) zugeführt, darin zu einer viskosen Quarzglasmasse (9) erweicht und diese mittels einer ersten Abzugseinrichtung (12a) durch eine im Boden (7) des Schmelztiegels (1 ) vorgesehene erste Ziehdüse (4a) als zylinderförmiger Quarzglasstrang (11 a) ver- tikal nach unten abgezogen und daraus der Quarzglaszylinder durch Abschneiden erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Quarzglasstrang (11 b) durch mindestens eine weitere, zweite im Boden (7) des Schmelztiegels (1 ) vorgesehene Ziehdüse (4b) abgezogen wird, wobei die erste Ziehdüse (4a) und die zweite Ziehdüse (4b) beabstandet voneinander und exzentrisch zur Tiegel-Mittelachse (6) angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ziehdüse (4a) und die zweite Ziehdüse (4b) einen Abstand von mindestens 20 mm, vorzugsweise von mindestens 50 mm voneinander haben.
3. Verfahren Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Ziehdüsen (4a; 4b) um die Tiegel-Mittelachse (6) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Ziehdüsen (4a; 4b) vorgesehen sind, die sich an der Tiegel-Mittelachse (6) gegenüberliegen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dass durch die erste Ziehdüse (4a) ein Quarz- glasstrang (11 a) mit einem ersten Massenstrom abgezogen wird, und dass durch die zweite Ziehdüse (4b) ein Quarzglasstrang (11 b) mit einem zweiten Massenstrom abgezogen wird, wobei sich erster und zweiter Massenstrom um maximal 100 % (bezogen auf den kleineren der Massenströme) unterscheiden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt von erster und zweiter Ziehdüse (4a; 4b) maximal 50 cm2 beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass eine zweite Abzugseinrichtung (12b) eingesetzt wird, mittels der der aus der zweiten Ziehdüse (4b) austretende Quarzglasstrang (11 b) abgezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abzugseinrichtung (11 a) einen ersten Rollenschlepper aufweist, der sich über ei- nen ersten Erstreckungsabschnitt entlang der Tiegel-Mittelachse (6) erstreckt, und dass die zweite Abzugseinrichtung (11 b) einen zweiten Rollenschlepper aufweist, der sich über einen zweiten Erstreckungsabschnitt entlang der Tiegel-Mittelachse (6) erstreckt, derart, dass sich die Erstreckungsabschnitte von erstem und zweitem Rollenschlepper nicht überschneiden.
9. Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglaszylinders, mit einem Schmelztiegel (1 ) zur Aufnahme von SiO2-Körnung (3), der einen zylinderförmigen Tiegel- Innenraum (5) umfasst, der sich in Richtung einer Tiegel-Mittelachse (6) erstreckt und von einer Seitenwand und einem Boden (7) begrenzt ist, mit einer Heizeinrichtung (13) zum Erweichen der SiO2-Körnung (3), sowie mit einer im Boden (7) des Schmelztiegels (1 ) vorgesehenen ersten Ziehdüse (4a), und mit einer ersten Abzugseinrichtung (12a) zum Abziehen eines Quarzglasstrangs (11 a) durch die erste Ziehdüse (4a), dadurch gekennzeichnet, dass im Boden (7) des Schmelztiegels (1 ) mindestens eine weitere, zweite Ziehdüse (4b) vorgesehen ist, und dass erste Ziehdüse (4a) und zweite Ziehdüse (4b) beabstandet voneinander und exzentrisch zur Tiegel-Mittelachse (6) angeordnet sind.
10.Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ziehdüse (4a) und die zweite Ziehdüse (4b) einen Abstand von mindestens 20 mm, vorzugsweise von mindestens 50 mm voneinander haben.
11.Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziehdüsen (4a; 4b) um die Tiegel-Mittelachse (7) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Ziehdüsen (4a; 4b) vorgesehen sind, die sich an der Tiegel-Mittelachse (7) gegenüberliegen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt von erster und zweiter Ziehdüse (4a; 4b) jeweils maximal 50 cm2 beträgt.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Abzugseinrichtung (12b) zum Abziehen eines aus der zweiten Ziehdüse (4b) austretenden Quarzglasstrangs (11 b) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ab- zugseinrichtung (12a) einen ersten Rollenschlepper aufweist, der sich über einen ersten Erstreckungsabschnitt entlang der Tiegel-Mittelachse (6) erstreckt, und dass die zweite Abzugseinrichtung (12b) einen zweiten Rollenschlepper aufweist, der sich über einen zweiten Erstreckungsabschnitt entlang der Tiegel-Mittelachse (6) erstreckt, derart, dass sich die Erstreckungsabschnitte von erstem und zweitem Rollenschlepper (12a; 12b) nicht überschneiden.
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