CN101039882A - 用于生产石英玻璃管的方法 - Google Patents

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Abstract

在用于生产石英玻璃管的已知方法中，中空的石英玻璃柱体持续供应到加热区并在其内成区域地软化，并以一定的拉制速度从具有形成的拉制泡的软化区域抽取管丝，并且通过在所希望的分离点分离管丝以管丝件的形式对要生产的管按长度进行切割，并且由于管丝内孔设有流动障碍物，所以在中空柱体的内孔内保持了不同于施加到外包层的外部压力的内部压力。从此开始，为了指出允许以最高精度制造特别大体积的石英玻璃管同时遵守窄公差的简单方法，根据本发明建议流动障碍物应构造为由管丝在变形区的区域内的软化和塑性变形产生的内孔收缩部。

Description

用于生产石英玻璃管的方法
技术领域
本发明涉及一种用于生产石英玻璃管的方法，其中中空的石英玻璃柱体持续供给到加热区并在其内成区域地进行软化，并且从具有形成的拉制泡(drawing bulb)的软化区域以一定拉制速率抽取管丝，并通过在所希望的分离点分离管丝以管丝件的形式将要生产的管按长度进行切割，其中由于管丝的内孔设有流动障碍物，所以在中空柱体的内孔内保持了不同于施加到外包层的外部压力的内部压力。
背景技术
石英玻璃管在化学工业、半导体制造、光学领域以半成品或成品形式使用，并且特别用于制造光纤的预制品。
DE 195 36 960 A1描述了一种用于以竖直拉制工艺制造石英玻璃管的方法。保持在载体上的石英玻璃柱体从其下端开始供给到具有石墨加热元件的环形熔炉并且在其内以区间方式进行软化以形成拉制泡。通过牵引装置从拉制泡竖直向下抽取石英玻璃管。用于在内孔内部产生所需吹气压力的压缩空气引入到石英玻璃柱体的内孔内。通过压力测量装置对吹气压力进行感应，并用于控制抽取的石英玻璃管的壁厚。
为了提高生产率，尝试使用体积日益变大的具有较大壁厚和内径的中空柱体作为竖直拉制工艺的起始物料。由于内径增加，需要更大的气体流来设定必要的吹气压力并确保有效的压力控制。然而，这些增大的气体流一方面因此是值得考虑的成本因素，特别是当使用惰性气体时，并且另一方面它们导致拉制泡区域内的冷却，因而明显减弱了拉制过程。
在公开了上文提到的类型的方法的EP 0 394 640 B1中，建议管丝的下开口端应该利用气体、液体或固体插塞封闭。该插塞作为管丝的内孔内的流动障碍物，由此减小气体流。结果，甚至可以在管丝内孔内的气体流相对较小的情况下也可以观察到预定吹气压力。
当管件按长度进行切割时，在管丝端部所使用的插塞将失去其作用，并且必须引入新的插塞。即使插塞更换得非常快，也将导致压力变化以及几何形状上无法接受的变化。这就是为什么在EP0 394640 B1中建议按长度切割应该在水下或者在其内压力类似于吹气压力的压力舱内进行的原因。
然而，在构造方面这两种方法的变型都是非常复杂的。此外，由于健康原因必须对在这种压力舱内的逗留时间进行限制，并且必要的闸门使得进入变得困难。
作为进一步的实施例，在EP 0 394 640 B1中建议了流出障碍物，从下方将紧固到可望远镜式伸缩的保持管上的密封插塞引入到抽取管丝的内孔内，用于对管丝按长度进行切割的所希望的分离点位于密封插塞的层位的下方。
这种方法也是复杂的，密封插塞的引入以及保持管从分离管件的移除证明是复杂的并且可能损坏要生产的管的内壁。
发明内容
因而，本发明的目的是提供一种允许通过拉制工艺以最高精度制造特别是大体积石英玻璃管同时遵守窄公差的简单方法。
从上述类型的拉制工艺开始，由于将流动障碍物构造成通过管丝在变形区的范围内的软化以及塑性变形产生的内孔的收缩部，实现了本发明的目的。
在本发明的方法中，管丝内孔的收缩部有助于保持内部压力。收缩部部分或者完全减小了内孔的敞流(open flow)截面，即，它还可以导致内孔的完全封闭。
通过管丝在拉制工艺过程中的软化以及塑性变形形成收缩部。因此，可以在没有高结构性作用的情况下减少产生、保持并控制吹气压力所需要的经管丝内孔的气体流。
至少一个这种类型的收缩部在拉制过程中一直起作用。在拉制过程中直接执行或者在拉制工艺之后在单独的方法步骤中执行管丝的按长度切割以便获得所希望的管长度。
管丝的内孔的收缩部通过用于加热并软化中空柱体、同时作为用于产生变形的加热源的加热装置形成在拉制泡内，或者在拉制方向观察时，收缩部通过使用与加热装置分开的加热源形成在拉制泡之后。
优选的，内孔的收缩部产生在拉制泡和所希望的分离点之间。
此时，流出障碍物构造成提供在所希望的分离点上方的内孔收缩部。为了获得在管丝件的按长度切割过程中不减弱或者仅不明显减弱收缩部作为流出障碍物的作用的状况，所希望的分离点位置应进行选择使得至少一个这种类型的收缩部附加地提供在拉制泡和分离点之间。
许多方法适于产生收缩部。在简单的方法变型中，由于在变形区的区域内对管丝进行软化并且通过工具进行变形而产生内孔收缩部。
这样在不需要改变拉制工艺的工艺参数的情况下以特别简单的方式保证了变形的可复制程度。此外，变形区的区域可以保持得非常小，这样减小了材料损失。这种方法变型在高内部压力的情况下特别优选。在通过工具产生的变形的区域内，轻易地形成机械应力，这种应力便于该区域内的管丝分离。产生的变形以例如挤压形式存在。
作为备选方案或者是补充，已经证明在由于在变形区的区域内对管丝进行软化并在变形区两侧的管丝部分之间的相对移动的作用下对管丝进行变形产生内孔收缩部时是有用的。
在根据本发明的方法的变型中，由于在拉制方向上观察时，向软化区域下游延伸的管丝部分相对变形区移动，而产生用于形成收缩部的作用力，所述移动产生了导致内孔收缩部的管丝变形。这种方法的优点在于变形出现在工具通常非常难进入的最热点，例如因为它由加热元件所包围。
向软化区域下游延伸的管丝部分的相应移动例如以扭曲、翻转(upsetting)、短时间快速拉长和/或弯曲操作形式存在。
因而，在最简单情况下的相对移动包括下游管丝部分绕管丝纵轴线的旋转，在管丝纵轴线的方向上以小于或大于拉制速度的速度短时间抽取下游管丝部分，和/或下游管丝部分相对管丝的纵轴线的弯曲(折叠)。
石英玻璃管丝的充分软化需要一些时间，这取决于由加热源输入的能量以及管丝的可能残余热。在这方面，已经证明了当由于在加热源正在拉制方向上沿预定移动路径传送的同时保持加热源在变形区的区域上的热作用而对管丝进行软化时是有利的。
此时，加热源的加热作用在预定区域(也就是管丝以拉制速度移动的变形区)上聚集特定的时间间隔。使得加热源或者其加热作用跟随变形区，跟随移动可能以加热源以变形区的速度移动，或者使移动的变形区的加热火焰或加热束(激光)跟随，或者加热源的单个加热连续激活，每个分别处于变形区的当前层位(位置)的方式存在。
这种加热源或加热作用的跟随移动还在厚壁石英玻璃管的情况下实现小变形区。
已经证明在使加热源在拉制方向上并以拉制速度跟随变形区时特别有用。
该方法的变型证明是特别简单的，其中通过将加热源固定到管丝上实现跟随移动。
固定到管丝上的加热源以拉制速度自动移动并且在不需要单独的传送装置的情况下与变形区同步。例如，加热源通过夹紧到管丝上进行固定。为了避免加热源对拉制工艺的任何作用并避免对牵引装置的附加负载，对作用在拉制泡上的加热源的重量有利地进行平衡。
有利地，内孔收缩部的形成伴随有以使得所希望的分离点到达变形区的区域内的方式对管丝按长度进行切割。
由于通过管丝的塑性变形产生收缩部并且由于塑性变形区域通常意味着材料的浪费，所希望的分离点优选位于所述区域内。此时，压力控制以及管件从管丝分离所需的内孔收缩部的形成优选在一次操作中实现。因而，管丝的按长度切割通过熔断管件完成。
在本工艺中，所希望的分离点在变形区的区域内，使得在其可以轻易移除的分离管的末端产生变形。另一方面，在拉制过程中剩余的管丝的自由端还包括由于变形区内的分离而产生的收缩部内孔，其也作为本发明意义中的流出障碍物。
如果相应分离点的上游仍提供适于作为流出障碍物的内孔收缩部，那么本方法不排除通过例如折断或锯开的纯机械方法的附加的管丝的按长度切割。相反，由于各变形区意味着材料损失，其数量保持尽可能小，使得当在拉制方向上观察时，在内孔收缩部之后提供优选至少一个，特别优选若干个所希望的分离点，通过机械方法在所述分离点执行管丝的按长度切割。
附图说明
现在将参照实施例和附图对本发明进行详细解释，附图作为唯一附图是示意性图示。
图1是用于执行本发明的方法的设备的示意图。
具体实施方式
根据图1的拉制装置包括竖直配置的熔炉，该熔炉可以加热到2300℃以上的温度，并包括环形电阻加热元件1、气体供给系统以及牵引装置22。
在拉制过程中，具有竖直定向的纵轴线3的合成石英玻璃(阴影显示)的中空柱体2从上方持续供给到加热元件1，并在其间以区间方式加热，并且从具有形成的拉制泡26的软化区域抽取管丝。
中空柱体2和管丝21具有接合内孔4。所述孔向下开放并向上由插塞5封闭。吹净气体线路6经插塞5突入内孔4，吹净气体由具有由氧气和氮气组成的混合气体的处理容器7供给。处理容器7经可通过切断阀15关闭的混合气体线路8连接到混合容器10。氮气线路11和氧气线路12终止在混合容器10内。氮气线路11和氧气线路12分别设有流量计以及控制装置15。方向箭头23标记氮气流，而方向箭头24标记氧气流。
经控制阀门13连接到真空泵14的处理容器7用于缓冲混合气体线路内可能的压力变化。为了补偿压力变化，处理容器7还设有可以打开并关闭的旁路阀门25。在打开状态下，部分气体持续流出处理容器7以便由控制干预或其它原因引起的流动状态的突然改变仅对处理容器7内的压力改变产生部分影响。
在拉制过程中，由纯氮气以及纯度等级2.6(99.96％)的氧气组成的混合气体流(23；24)经吹净气体线路6从上方引入到内孔4。由于由经氮气线路11的纯度等级4.0(99.99％)的氮气以及经氧气线路12的氧气对该容器10进行给料，在混合容器10中产生了混合气体流(23；25)。氮气和氧气的给料速率设定为使得在整个拉制阶段形成由80％的氮气和20％的氧气组成的混合气体流(23；24)。
现在将参照图1更详细地描述本发明的方法的典型工序：
中空柱体2具有150mm的外直径以及50mm的壁厚。在加热元件1已经加热到大约2300℃的所需温度后，中空柱体2由下端19以18mm/min的下降速度下降，并且通过牵引装置22以1800mm/min的速率对在加热元件1内软化的端部19进行抽取以便获得内径为6mm而外直径为8mm的管丝21。
具有80％的氮气和20％的氧气的以上成分的混合气体经吹净气体线路6供给到内孔4。通过流量计和控制装置15将氮气流23的流速调节到大约100m3/l，而氧气流24调节到大约24m3/h。在内孔4内获得1.5mbar的基本恒定的过压(吹气压力)。对吹气压力进行持续测量，并对氮气流23的流速进行相应调整(压力控制的操纵变量)。混合气体流(23；24)同时用于以操纵变量形式控制抽取管丝21的尺寸(外直径、内径、壁厚)，以便在尺寸改变的情况下，通过控制单元以近似恒定的混合速率调节混合气体流(23；24)的量。
在拉制过程中，旁路阀门25打开，使得部分混合气体流(23；24)经阀门流到外侧并没有进入玻璃管21的内孔4。通过这种方式缓冲内孔4内的压力变化。这种情况还可以由现在更详细描述的本发明的方法支持。
为了减小混合气体流(23；24)经内孔4的流速并因而防止拉制泡26的过度冷却，抽取管丝21的内孔4设有收缩部28，29。收缩部28、29通过管丝21的塑性变形在牵引装置的平面下方产生。
在本实施例中，内孔4的收缩部29存在于管丝21的端部的变形平面Vu内。为了在变形平面Vu上方产生其它收缩部28，装配有在其周边上分布的八个氢氧燃烧器31的水冷加热载体环30夹紧到管丝21上，氢氧燃烧器31的火焰32导引到管丝21的外覆层周围的接合周向线上，该线定位在加热载体环30的夹紧点下方并且在图1中指定为“Vo”。由虚线“Vo”显示的塑性变形的最大值位于该周向线的区域内。变形产生几厘米长度的内孔4的收缩部。由于通过氢氧燃烧器31对周向线“Vo”周围的区域加热长到使得其可以塑性变形的时间而产生了变形。因而，所需时间间隔取决于由氢氧燃烧器31输入的能量，也取决于管丝21的壁厚，并且在本实施例中为大约30秒。在该时间间隔中，连同向下移动的管丝21一起运载加热载体环30。一旦已经获得足够的塑性变形，通过绕纵轴线3旋转半圈而扭曲管丝21的下端19，导致形成内孔4的收缩部28。
加热载体环30以及安装于其上的氢氧燃烧器31的重量通过辅助装置(未图示)进行平衡。
对管丝21按长度进行切割，使得收缩部28、29始终以减小流量的方式起作用。为此，存在若干优选操作模式，下文将进行更详细的描述。
由于下端19同时向下抽取再加上软化和扭曲并因而从管丝21熔断，在一次操作中对管丝21按长度进行切割，同时形成收缩部28。如通过图1中的附图标记29示意性显示的，这种熔化过程在此时是自由的管丝21的下端产生类似的内孔4的收缩部。对要进行分离的各管件重复形成收缩部以及熔化的过程。由此确保即使已经刚好切断管件，内孔4也包括收缩部28、29。由此避免了压力变化。
作为备选方案，如以上所描述的，通过塑性变形产生内孔4的收缩部28，但是没有熔断相应管件19。在本情况下，若干管件在收缩部28下方并在变形平面“Vo”和“Vu”之间的区域内在所希望的分离点“T”从下管件29分离。为此，通过刻划首先在所希望的分离点“T”的区域内产生预定断裂点，并且通过锤子在预定断裂点敲掉管件。先前产生的收缩部28在在所希望的分离点“T”处分离管件的过程中防止吹净气体流出内孔4并避免了压力差异。在进一步的拉制过程中，所希望的分离点“T”迟早形成在变形平面Vo的区域内，使得随后到达图1所示的需要重新在管丝21的上区域内产生收缩部的工艺阶段。
变形平面“Vo”和“Vu”之间的分离点“T”的区域内的管丝21还可以在管丝21已经在变形平面“Vo”的区域内分离之后在单独的方法步骤中分离。
已经按长度进行切割的管件用于作为用于制造光纤的预制品的中间产品。这些是例如在MCVD或PCVD工艺中用于SiO2层的内部沉积的所谓衬底管。衬底管通常设有大约50mm的外直径以及从2mm到4mm范围内的壁厚。然而，根据本发明的方法特别适用于生产内径增大的石英玻璃管，如例如用作包层或用于预制品或光纤产品的中间管。在壁厚为10mm时，典型外直径的尺寸为80mm。

Claims (13)

1.一种用于生产石英玻璃管的方法，其中石英玻璃的中空柱体(2)持续供给到加热区(1)并在其中成区域地进行软化，并从具有形成的拉制泡(26)的软化区域以一定的拉制速度抽取管丝(21)，并且通过在所希望的分离点(T，Vu，Vo)分离所述管丝(21)以管丝件的形式对待生产的管按长度进行切割，其中由于所述管丝(21)的内孔(4)设有流动障碍物，在所述中空柱体(2)的内孔(4)内保持不同于施加到外包层的外部压力的内部压力，其特征在于：所述流动障碍物构造成所述内孔(4)的收缩部(28，29)，其通过所述管丝(21)在变形区(Vu，Vo)的区域内的软化以及塑性变形而产生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述内孔的收缩部(28)在所述拉制泡(26)以及所述所希望的分离点(T，Vu)之间产生。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：由于所述管丝(21)在所述变形区(Vu，Vo)的区域内软化并通过工具变形，而产生所述内孔(4)的所述收缩部(28，29)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：由于所述管丝(21)在所述变形区(Vu，Vo)的区域内软化并在所述变形区(Vu，Vo)的两侧的管丝部分之间的相对移动的作用下变形，而产生所述内孔(4)的收缩部(28，29)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述相对移动包括绕所述管丝的纵轴线(3)旋转下游管丝部分(19)。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：所述相对移动包括在所述管丝的纵轴线(3)的方向上以小于或大于所述拉制速度的速度抽取所述下游管丝部分(19)。
7.根据权利要求4到6中任意一项所述的方法，其特征在于：所述相对移动包括相对所述管丝的纵轴线(3)弯曲所述下游管丝部分(19)。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：由于在加热源(30，31，32)正在拉制方向上沿预定移动路径传送的同时保持加热源(30，31，32)在所述变形区(Vu，Vo)的区域内的热作用而对所述管丝(21)进行软化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：使得所述变形区(Vu，Vo)的所述加热源(30，31，32)在所述拉制方向上并以所述拉制速度跟随。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：通过将所述加热源(30，31，32)固定到所述管丝(21)上执行所述跟随移动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述加热源(30，31，32)在所述变形区(Vu，Vo)上方固定到所述管丝(21)上。
12.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：所述内孔(4)的所述收缩部(28，29)的形成伴随有所述管丝(21)的按长度切割，使得所述所希望的分离点(T，Vu，Vo)在所述变形区(Vu，Vc)的区域内。
13.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：当在所述拉制方向上观察时，在所述内孔(4)的收缩部(28，29)之后提供至少一个，优选多个所希望的分离点(T，Vu，Vo)，通过机械方法在所述所希望的分离点执行所述管丝(21)的按长度切割。
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