CN101679098B - 通过拉长石英玻璃的中空圆筒而生产石英玻璃管的方法 - Google Patents

Abstract

在已知的通过拉长来生产石英玻璃管的方法中，石英玻璃的中空圆筒被持续地供给到加热区，并在其中被逐区地软化，通过使用辊式引出器而沿拉制轴线的方向从软化区域拉制出管状连铸流，该辊式引出器包括框架，通过该框架而固定有多个引出辊，该引出辊可绕着旋转轴线旋转且分布在管状连铸流的周围，并邻接具有圆柱形外表面的管状连铸流。从此开始，为了指出一种竖直拉制的方法，且在该方法中也能够通过使用辊式引出器的形式的取下单元以较小结构改进来实现高拉制比，同时允许获得石英玻璃管的尺寸稳定性的优化，尤其避免由椭圆变形和侧偏导致的材料损失，本发明提出，辊式引出器的框架静止，中空圆筒和管状连铸流相对于彼此而绕着拉制轴线旋转，相对旋转被设定成0.01至5转每拉出的管状连铸流的延米的范围。

Description

通过拉长石英玻璃的中空圆筒而生产石英玻璃管的方法

技术领域

本发明涉及通过拉长石英玻璃的中空圆筒而生产石英玻璃管的方法，该石英玻璃的中空圆筒被持续地供给到加热区，在其中被逐区地软化，并通过使用辊式引出器(roll puller)沿拉制轴线的方向从软化区域拉制管状连铸流(tube strand)，该辊式引出器包括一个框架，通过该框架固定有多个引出辊(puller roll)，该引出辊可绕着旋转轴线旋转且分布在管状连铸流的周围，并邻接具有圆柱形外表面的管状连铸流。

背景技术

竖直拉制的方法用来将石英玻璃的中空圆筒形成为具有任何期望的剖面的管且不用工具。通过这种方式获得的管例如被用作化学工业和半导体制造业中的反应器，用作光学中的灯管，或用作用于生产光学纤维的预制品的初始材料等。

在此，通常沿竖直方向从上方向加热管供给中空圆筒，在其中逐区地软化，从软化区域拉制管状连铸流，在软化区域形成拉制球管(drawing bulb)。

一方面，在这种形成过程中，工具的缺失导致取出的连铸流的低损伤的表面。然而，另一方面，出现了必须不用任何机械介入就确保取出的连铸流的尺寸稳定性的问题。这由于已经存在的中空圆筒的尺寸变化而变得困难，该变化倾向于在取出的管状连铸流中持续或甚至加强。最频繁地发现的缺陷是径向剖面中的高频率直径变化和椭圆变形(ovality)，或壁单侧性(wall one-sidedness)，即管壁厚度的径向不规则性，在专业人员中也被称为“侧偏(siding)”。

假定椭圆变形和侧偏起因于拉制球管的区域中的径向不均匀的温度分布，并且通过将中空圆筒绕着其纵向轴线旋转而能够补偿这种效应。从DE 199 49 411 A1已知一种相关方法和用于进行该方法的相关装置。在此，圆柱形半成品被拉长成连铸流，半成品和连铸流绕着其联合纵向轴线同步地旋转，该联合纵向轴线平行于拉制轴线而延伸。为了改善拉出的连铸流的引导，以被布置为成对地相对和配置成辊的方式使用引导主体(guide body)。在DE 199 49 411 A1中没有描述拉出设备本身。

在EP 994 078 B1中也提到了从由套管和芯棒组成的同轴组件(coaxial assembly)拉制纤维预制品的期间的半成品和拉出的连铸流的同步旋转。为了减少纤维预制品的椭圆变形，旋转速度被设定为至少5rpm。这份文献也没有描述取下设备本身。

为了在预制品的拉长期间减少直径的变化，US 6,178,778 B1也推荐了半成品和拉出的连铸流的同步旋转。取下单元(take-off unit)包括一个夹具(gripper)或优选几个相对于彼此而布置的夹具，这些夹具以至少一个夹具始终作用在拉出的连铸流上的方式沿竖直引导装置向上和向下移动。

在玻璃连铸流的前端通过夹具元件将玻璃连铸流夹住并将其拉出的方法和设备具有以下缺点：能够拉制到最大的玻璃连铸流长度受取下设备的尺寸限制。大的取下长度需要长或高的结构。类似的，从结构的观点看，采用多个逆向可动的夹具的备选进程相对复杂。

WO 03/022757 A1公开了一种竖直拉制的过程，其中，玻璃连铸流由所谓的“辊式引出器”(辊式拉线器)拉出。辊式引出器包括多个引出辊，该引出辊固定在框架内并分布在将被拉出的玻璃连铸流上，这些辊在将被拉出的玻璃连铸流上相互面对且将适合于拉出玻璃连铸流的力施加在所述连铸流上。所以，辊式引出器设有转矩控制，通过该转矩控制，使引出辊的转矩不断地适应基准辊的转矩并被再次调整。

辊式引出器的形式的取下单元以相对较小的结构改进允许玻璃连铸流的持续拉制。然而，当辊式引出器被配置成可绕着拉制轴线旋转以允许被拉出的玻璃连铸流的旋转时，就丧失了这个优点。

GB 1 315 447 A中描述了此类方法和设备。为了在水平拉制方法中从起始圆筒拉制石英玻璃的管状或棒形的连铸流，该公开提出了一种设备，该设备包括第一工作头(working head)和第二工作头，通过第一工作头保持起始圆筒并将其供给到加热区，通过第二工作头拉出连铸流。旋转设备使得两个工作头可绕着拉制轴线旋转。服务于取出目的的工作头包括两个辊，该两个辊被弹簧偏置杆压在将被拉出的连铸流上，由此实现将被拉出的连铸流的取出和绕着拉制轴线的旋转。这种设备在其结构上非常复杂。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种竖直拉制的方法，其中，也能够通过使用辊式引出器的形式的取下单元以较小的结构改进来实现高拉制比，同时允许获得石英玻璃管的尺寸稳定性的优化，尤其避免由椭圆变形和侧偏导致的材料损失。

此目的是根据本发明而实现的，源自于上述方法，在本发明中，辊式引出器的框架静止，中空圆筒和管状连铸流相对于彼此而绕着拉制轴线旋转，相对旋转被设定成0.01至5转每拉出的管状连铸流的延米的范围。

所拉出的管状连铸流和石英玻璃的中空圆筒的纵向轴线在拉长过程中相对于彼此而旋转，这在拉制球管的软化区域中导致石英玻璃的塑性变形和混合，在下文中也被称为“扭转”。中空圆筒和管状连铸流绕着拉制轴线沿相反的方向或以不同速度旋转，从而完成扭转，其中，两个旋转速度中的一个也可以是零。

基本上已经知道，扭转操作使得温度分布变均匀，从而补偿加热区的区域中的不对称性。由此能够减少诸如椭圆变形和侧偏等的几何的管缺陷，并完全或部分地消除材料中的可能的径向不均匀性。例如，针对制作玻璃管的JP 2006021979 A中提出，水平定向的玻璃的中空圆筒必须被逐区地软化并在此过程中被拉长，中空圆筒的两端被夹在类似车床的设备的拾取轴(take-up spindle)中。在拉长期间，通过夹住并拉出所取出的管端的拾取轴以比相对的轴更高的速度旋转的措施，在拉制球管的区域中进行扭转操作。

US 2003/01406598 A1描述了将预制品拉长为所谓的芯棒的形式的光学构件，在此，取出的芯棒和预制品在拉制过程期间也沿相反的方向旋转。拉制设备包括夹具，该夹具作用在取出的连铸流的圆柱形外表面上并通过轴而沿拉制轴线的方向被向下运输。同时，随着沿着拉制方向的取出移动，绕着拉制轴线的旋转移动因而被应用到取出的芯棒上，所述移动在拉制球管上持续，从而使软的石英玻璃物质在那里被扭转。针对拉制速度，标示了在5至70cm/min之间的范围内的值，并设定芯棒的旋转速率，从而获得20至100转每延米。

在取下单元被配置成车床卡盘或夹具的情况下，其中所提出的措施适合于类似车床的拉制设备。然而，针对辊式引出器的形式的取下设备，这些方法要求所拉出的玻璃连铸流的旋转性(rotatability)，这在结构上难以实现。此外，已经发现，已知的措施不适合于尺寸精确的石英玻璃管的制造。

本发明以辊式引出器的使用为特征，该辊式引出器用于拉出管状连铸流，且结合了拉出的管状连铸流和中空圆筒的相对旋转的较低速率，同时，本发明以较小的机械扭转为特征。

已经发现，特别低的相对速率的旋转实现了关于管状连铸流中的尺寸偏离的最小化的优化结果，该尺寸偏离由已经存在于中空圆筒中的几何缺陷导致。

在此必须特别注意壁单边性(侧偏)已经存在于中空圆筒中。中空圆筒的侧偏立即在所拉出的管状连铸流的侧偏中被注意到，且不能仅通过中空圆筒和管状连铸流的同步旋转来减少。相反地，中空圆筒的侧偏能够引起径向不均匀的温度分布，这在所拉出的管状连铸流中可能放大侧偏并另外产生椭圆变形。这些效应能够被慢速扭转抵消，该扭转以0.01至5转每拉出的管状连铸流的延米的范围内的较小的相对旋转为特征。

根据本发明，利用静止的辊式引出器作为取下设备，即不绕着拉制轴线旋转的辊式引出器。辊式引出器能够实现任何(期望的)高拉出比以及具有小的旋转速率的结构上简单的拉制过程的实施，这将在下文中更详细地解释。

已经发现，中空圆筒和管状连铸流之间的高旋转速率在拉制过程中容易导致意外的变形和混乱，尤其是弯曲。考虑到这点，一个进程已被证明是特别有用的，在该进程中，相对旋转被设定成少于一转每拉出的管状连铸流的延米的范围。尤其优选，相对旋转在0.05至0.5转每拉出的管状连铸流的延米的范围内。

为了避免用于实现可绕着拉制轴线旋转的辊式引出器的技术上复杂的结构，在本方法的第一优选变型中，中空圆筒绕着拉制轴线旋转，引出辊同时被压力压在管状连铸流上，所述力阻止管状连铸流的旋转。

在此，管状连铸流绕着拉制轴线的旋转被省去，这简化了使用辊式引出器的拉出操作。为了确保拉制球管中的扭转，引出辊无论如何必须被牢固地压在管状连铸流上以使它们抵消旋转。

然而，在一个备选但同等优选的进程中，管状连铸流绕着拉制轴线旋转。

在这种情况下，中空圆筒绕着拉制轴线的旋转能够被省去。在此，优选通过引出辊绕着引出辊的旋转轴线旋转，从而完成使用辊式引出器的所拉出的管状连铸流的旋转，并且，通过其中至少一个引出辊以倾斜的定向相对于拉制轴线定向，使得引出辊的旋转轴线与拉制轴线围成不同于90度的倾斜角度(α)，从而完成管状连铸流的旋转。

通常，引出辊的旋转的轴线沿着垂直于拉制轴线的方向延伸。那么，引出辊的可能的平侧(前侧)将平行于竖直拉制轴线而延伸。这在优选实施例中不同，其中，前侧相对于拉制轴线而稍微倾斜地延伸。这种定向产生切线地作用在管状连铸流的圆筒护套(cylinder jacket)上的力分量，该分量迫使所述连铸流绕着拉制轴线进行持续的旋转移动，所以不必绕着拉制轴线旋转辊式引出器。以这种方式实现的旋转移动比较小，且在上述的0.01至5转每拉出的管状连铸流的延米的范围内。

引出辊的旋转轴线和拉制轴线之间的适宜的倾斜角实际上取决于预定的旋转速率和管状连铸流的直径。已经发现，已非常小的倾斜角(即，90度的偏离)适合根据本发明的微小的相对旋转。优选倾斜角度与90度相差不超出10度。

关于引出辊和管状连铸流之间的尽可能小的接触压力以及关于绕着管状连铸流周围的尽可能一致的切线作用力的分布，辊式引出器的所有引出辊相对于拉制轴线倾斜地定向。

在根据本发明的方法的一个特别优选的实施例中，即，在取出的管状连铸流的拉制过程期间，针对其椭圆变形或侧偏而确定测量，所确定的测量用于控制相对旋转的速率。

例如通过针对穿过管状连铸流的周围的外径和内径(以及因此也针对壁厚)而确定测量值，从而可以确定针对管状连铸流的椭圆变形或侧偏的测量。椭圆变形被确定为一个给定的径向管剖面中的最大和最小外径之间的差，侧偏被确定为管的一个给定的径向剖面中的最大和最小壁厚之间的差。调制能够以管状连铸流的椭圆变形的最小化或侧偏的最小化为目标，或也被配置成以两个尺寸偏离的最小值为目标。

另外，当使用通过机械处理或加工而生产的具有径向最终尺寸的石英玻璃的中空圆筒时，已被证明是有利的。

通过机械处理(尤其是钻孔、珩磨以及研磨)，能够生产具有大于100mm的外径以及2m或更长的长度的石英玻璃的中空圆筒，该机械处理使用已知的珩磨和研磨方法以及适合于其的市售的设备，该中空圆筒以具有精确圆形剖面的确切圆筒对称性和1/100mm的范围内的小尺寸偏离为特征。中空圆筒的弯曲和椭圆变形因此能够被忽略，而仍可能被发现的中空圆筒的侧偏能够通过根据本发明的方法而被最小化。机械地处理过的中空圆筒也是经过最终蚀刻处理的中空圆筒。由于该最终蚀刻处理，中空圆筒的几何形状和最终尺寸不显著地改变。

根据本发明的方法在相对薄壁的管的制造中已被证明是特别有用的，其中，管状连铸流被拉出时，壁厚在从0.1至3mm的范围。

根据本发明的方法中的小的相对旋转有力地避免了变形，该变形尤其使薄管壁不稳定并因此导致尺寸稳定性变差。

附图说明

现在，将参照实施例和附图，更详细地解释本发明。附图是示意图，具体而言：

图1中显示了根据本发明的方法的用于拉制管状连铸流的装置；

图2中显示了管状连铸流的取下的实施例详情的俯视图；以及

图3中显示了根据图2的取下的一部分的侧视图。

具体实施方式

示例1

根据图1的装置显示了电阻型加热炉，其包括竖直地定向的加热管1，该加热管包围圆形剖面的加热区3。

加热管1由具有193mm的内径、215mm的外径的环形石墨元件组成，且其包围具有100mm的长度的加热区3(最大温度的区域)。

石英玻璃的中空圆筒4凸出穿过加热管1，该加热管具有尽可能定向成平行于拉制轴线2的纵向轴线13。中空圆筒4的上端连接到夹具7，该夹具使得中空圆筒沿水平方向(xy)可置换，沿竖直方向可向上和向下移动，且可绕着拉制轴线2旋转，如方向箭头6所示。

中空圆筒4在加热区3中被软化，管10从软化区域竖直向下地被拉制，形成拉制球管9。在整体上被赋予参照数字8的辊式引出器充当取下设备且包括两个取下辊5，该两个取下辊在管的圆筒护套上的相同高度水平处彼此相对。该两个取下辊5可绕着旋转轴线旋转，且它们被固定在辊式引出器8的框架14内。

管10在辊式引出器8之下穿过滑动接触环12，该滑动接触环同时用作可绕着管10的外周旋转的壁厚测量设备11的导轨。借助于连接到计算机上的壁厚测量设备11，能够在拉制过程的期间记录拉出的管10的壁厚曲线，且借助于计算机评定所述曲线。

现在将在下文中参照图1更详细地解释用于进行本发明的竖直拉制的过程以生产石英玻璃管的实施例。

在竖直地定向的加热管1中，调整具有145mm的外径和60mm的内径的石英玻璃的中空圆筒4，从而使其纵向轴线13沿加热管1的中间轴线延伸，该中心轴线同时也是拉制轴线2。石英玻璃的中空圆筒4然后被夹具7以恒定的供给速率降低进入加热管1，导致9.2kg/h的质量流动速率。在加热区，将中空圆筒4加热到2100℃以上的温度，从形成中的拉制球管9以大约2.7m/min的受控拉制速度将石英玻璃管10拉制成6mm的理想外径和2mm的理想壁厚，同时在管状连铸流10的内孔中保持小的负压。

借助于夹具7，使中空圆筒4同时以0.25rpm的速度绕着其纵向轴线13旋转，而辊式引出器8不绕着该轴线13旋转。辊式引出器8的框架14静止(不绕着拉制轴线2旋转)，取下辊5被压力压在管状连铸流10上，由此防止了管状连铸流10的共同旋转(co-rotation)，从而使软的石英玻璃物质在拉制球管的区域中被扭转。这导致0.093转每拉出的管状连铸流10的延米(linear meter)。压力在从10至约65kp的范围内且随着管状连铸流10的重量增加而增大，如WO 03/022757A1中所述。

借助于绕着管状连铸流10旋转的壁厚测量设备11，持续地产生所拉出的管状连铸流10的壁厚曲线，并在计算机中针对内径、外径、侧偏(壁厚的最大值减去最小值)以及最小壁厚的位置进行评定。出于将椭圆变形最小化的目的，以这种方式获得的测量值被用来控制中空圆筒4的旋转速度。

所拉出的管状连铸流10被切成具有1.50m的长度的管，且管的椭圆变形的最大值被确定。为此，在10cm的距离处生成管的径向剖面，并在其基础上测量直径扩展(diameter extension)。针对每个剖面确定椭圆变形，作为最大外径和最小外径的差值。表1中标出的椭圆变形值是通过这种方式获得的所有测量值的最大值。

示例2

在上述方法的变型中，不是中空圆筒4(夹具7不绕着拉制轴线2旋转)，而是所拉出的管状连铸流10绕着其纵向轴线13旋转(相应地绕着拉制轴线2)，且辊式引出器8的框架14不绕着拉制轴线2旋转(框架14静止)。出于该目的，绕着其旋转轴线22旋转的取下辊5、5’被导向成倾斜地抵在管状连铸流10的圆筒护套23上，如图2和图3中示意性地所示。在此，取下辊5的定向成其旋转轴线22不垂直于拉制轴线2，而是相对于拉制轴线倾斜，如在图3中能够看到的，其中，自身被管状连铸流10遮住的取下辊设有参照数字5’。为了更好地观察，以扩大的比例显示取下辊5和5’的旋转轴线22相对于拉制轴线2的倾斜。另外，图1到图3是不依照真实比例的纯示意性的图。

在本实施例中，拉制轴线2和旋转轴线间的倾斜角α是90.1度(即，与管状连铸流10不旋转时的拉制轴线2和旋转轴线22的另外的标准垂直的布置相比，为+/-0.1度的倾斜)。

取下辊5的这种定向发挥出切线地作用在管状连铸流10的外护套23上的力，这导致管状连铸流10绕着拉制轴线2的持续的旋转移动，如方向箭头24所示。通过这种方式产生的旋转速度为0.1转每拉出的延米。

还进行了拉制测试，如上面参照示例1和2详细地描述的。在此，只有中空圆筒的旋转速率(根据示例1类推)或管状连铸流的旋转速率(根据示例2类推)不同。针对最大椭圆变形和弯曲而评定所有测量样品。为了确定该弯曲，管的表面沿其中心轴线的方向被扫描，距中心轴线的最大距离在此被确定。表1中标出的弯曲值遵循基于管长度(单位为米)的最大距离(单位为毫米)。在表1中总结了针对管侧偏的相应测试和所获得的结果。对比示例2代表了在没有任何扭转的情况下生产的标准测量样品。

表1

过程+性能	示例1	示例2	示例3	示例4	示例5	示例6	对比示例1	对比示例2
									由中空圆筒的旋转导致的扭转[U/m]	0.1	-	0.03	-	1	5	12	-
由管状连铸流的旋转导致的扭转[U/m]	-	0.1	-	0.03	-	-	-	-
									椭圆变形[mm]	0.01	0.01	0.025	0.025	0.025	0.025	0.03	0.05
弯曲[mm/m]	0.2	0.2	0.2	0.2	0.9	2.1	＞3	0.20

Claims (9)

1.一种通过拉长石英玻璃的中空圆筒(4)来生产石英玻璃管的方法，该石英玻璃的中空圆筒被持续地供给到加热区(3)，并在其中被逐区地软化，通过使用辊式引出器(8)而沿拉制轴线(2)的方向从软化区域(9)拉制出管状连铸流(10)，所述辊式引出器(8)包括框架(14)，通过该框架而固定有多个引出辊(5)，该引出辊可绕着旋转轴线(22)旋转且分布在所述管状连铸流(10)的周围，并邻接具有圆柱形外表面的所述管状连铸流(10)，其中，所述辊式引出器(8)的所述框架(14)静止，所述中空圆筒(4)和所述管状连铸流(10)相对于彼此而绕着所述拉制轴线(2)旋转，所述相对旋转被设定成0.05至0.5转每拉出的管状连铸流的延米的范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空圆筒(4)绕着所述拉制轴线(2)旋转，所述引出辊(5)被压力压在所述管状连铸流(10)上，所述力阻止所述管状连铸流(10)的旋转。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管状连铸流(10)绕着所述拉制轴线(2)旋转。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述引出辊(5)绕着所述引出辊的旋转轴线(22)旋转，通过其中至少一个所述引出辊(5)以倾斜的定向而相对于所述拉制轴线(2)定向，使得所述引出辊的所述旋转轴线(22)与所述拉制轴线(2)围成不同于90度的倾斜角(α)，从而完成所述管状连铸流(10)的旋转。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述倾斜角度与90度相差不超过10度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所有所述引出辊(5)相对于所述拉制轴线(2)倾斜地定向。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在取出的管状连铸流(10)的所述拉制过程的期间，针对其椭圆变形或侧偏而确定测量，所述确定的测量用于控制所述相对旋转的速率。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，使用通过加工而生产的具有径向最终尺寸的石英玻璃的中空圆筒(4)。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，管状连铸流(10)被拉出时，壁厚在从0.1至3mm的范围内。

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