CN103068752A - 生产圆柱形石英玻璃构件的拉伸方法 - Google Patents

Abstract

在已知的用于生产由石英玻璃制成的圆柱形构件的拉伸方法，通过由一个软化的石英玻璃块（13）在拉伸方向（3）上连续地竖直向下拉伸出一个石英玻璃棒（2），在时间点t1从棒的自由末端分离一个具有重量G的部分节段（15），并由该部分节段（15）生成该圆柱形构件。在分离该部分节段（15）时可能会造成突然的重量变化，而导致排出口调节的波动。为了抵消这一点，本发明提出，在一个位于t1前的时间点t0，向待分离的部分节段（15）施加一个与拉伸方向（3）反向作用并随时间递增的重量抵消力，该重量抵消力全部或部分地抵消该部分节段（15）的重量G。

Description

生产圆柱形石英玻璃构件的拉伸方法

技术领域

本发明涉及用于生产圆柱形石英玻璃构件的一种拉伸方法，通过由一个软化的石英玻璃块连续地沿拉伸方向竖直向下拉伸出一个石英玻璃棒，在时间点t1从棒的自由末端分离一个具有重量G的部分节段，并由该部分节段生成该圆柱形构件。

背景技术

在竖直的拉伸过程中，通过拉伸在坩埚中软化的石英玻璃块或一个局部软化的石英玻璃预成形件，连续地以规定的拉伸速度拉伸成石英玻璃管或石英玻璃棍。为了避免被拉伸的石英玻璃棒的几何形状的变化，保持恒定的拉伸速度。

频繁地出现的问题为，需要将拉伸的石英玻璃棒分离为给定长度的部分节段。此外，通常在排放口（Abzug）的下方，在该沿着其纵轴方向移动的玻璃棒的外壳上，首先通过外壳表面的损伤来生成一个预期断裂位置（Sollbruchstelle），比方说通过划破或切割，并且接着通过冲击性地施加一个作用于该预期断裂位置区域的力，比方说通过敲击，使该玻璃棒在该预期断裂位置断裂。

分离时的机械冲量能够导致软化区域中的干扰，这种干扰导致在该石英玻璃棒的拉伸时直径和壁厚度波动。除此之外，该石英玻璃棒的重量连续地增加直至所期望长度的部分节段的分离，在分离时则出现一次突然的重量减少。这种效应导致排放口调节的波动，该波动能够导致至剩余玻璃棒的反冲。干扰以这种方式传递至软化的石英玻璃块的区域，这种干扰在拉伸的石英玻璃棒上表现为视觉上易见的隆起。

特别是在对构件的尺寸稳定性具有高要求的应用中，直径波动能够导致废品。

用于从一个软化的石英玻璃块拉伸一个石英玻璃棒的一种属类方法是DE 10 2009 014 418 B3中所公知的。为了使因直径波动引起的材料废品最小化（这种直径波动是由部分节段分离时的机械冲量产生），将该分离位置如下设置：使该直径波动位于构件的末端区域中或介于两个构件之间。

在这种方法中，拉伸的玻璃棒的几何形状的波动被设置为，导致尽可能少的材料废品，但无法避免材料废品。

在WO 2003/022757 A1（US 7,600,399 B2）中力求从调控技术上克服棒的部分节段分离时的重量跳跃，与此同时将通过排放口造成的表面损伤最小化。为此，该排放口具有多个在玻璃棒处展开且分布于其圆周上的滚动体，由这些滚动体构成一个参照滚动体和另一个辅助滚动体。该拉伸速度通过参照滚动体的转数调节，其中得出依赖拉伸的石英玻璃棒的重量变动的、用于该参照滚动体的转矩的值，并将该值作为预期值为所有辅助滚动体做参考。

部分节段在排放口下方分离时的调节，在所有情况下在较轻的重量下实现，并且在任何情况下都要求一定的控制和调节耗费。

在EP 0 394 640 B1中建议的是，一个石英玻璃管棒的分离在水下或在一个压力室内进行，在水下或压力室内形成与管的内孔中相似的压力。

该方法用于避免部分节段分离时的管内压的波动。它在设计上耗费相对大，并且对于由重量跳跃产生的石英玻璃棒的几何形状的干扰没有影响。

在US 1,620,511 A中描述了用于生产石英玻璃棒的一种方法，其中一个软化的石英玻璃块仅因其重量，即无附加的机械排出且无排放口调节，从一个管状容器流出，该容器适于容纳待拉伸石英玻璃棒的最大长度。为了在棒长增加的情况下能够将有效重量大约维持恒定，提出一个重量抵消，其中该石英玻璃棒在管状容器中下落时一个输送口（Portal）向下移，该输送口同时通过一个绞盘向上拉动一个处于大约同等重量的链的形式的机械配重物。

在这种方法中，部分节段的分离不是必须的，并且为避免切段时的重量跳跃，所提出的重量抵消也不适用。

发明内容

本发明的基本目的是，提供一种用于生产石英玻璃构件的简单的拉伸方法，在该方法中几何形状的干扰，特别是因该石英玻璃棒在切段时的重量跳跃引起的直径或壁厚度波动被减少。

根据本发明，这个目的通过一种开篇描述的属类的方法实现，其方式为，在t1前的一个时间点t0，在待分离的部分节段上施加一个与拉伸方向反向作用的并且随着时间递增的重量抵消力，该重量抵消力完全地或部分地抵消重量G。

根据本发明方法，在部分节段分离前，在待分离的部分节段上施加一个重量抵消力，该重量抵消力与该石英玻璃棒的重量方向相反地作用，并且完全地或部分地抵消待分离的部分节段的重量，其中完全地抵消也能够通过一个大于该部分节段的重量的重量抵消力来实现。

下面首先阐述该重量抵消力在时间上的建立和撤销的理想情况以及作用。

重量抵消力连续建立并在时间点t1在部分节段分离时达到其最大值。该重量抵消力的水平确切地对应掉落的部分节段的重量。在部分节段从剩余的棒上分离和移除后，该重量抵消力急剧地回到零。同时，开始新的重量抵消力的建立直至在分离过程时达到最大值。该重量抵消力的建立与拉伸的石英玻璃棒的重量增加同步进行。

该排放口调节以这种方式在每个时间点上确定拉伸的棒的恒定的重量。通过在分离时进行一个缓慢或者突然的重量减少而实现的调节作用（Regeleingriffe）不是必须的。这样避免直径以及壁厚度波动，如“隆起”。

实践中，还有一些不符合上述描述的理想状况的措施也有助于减小该棒的几何形状波动。因此，重量抵消力的建立的开始可以不是紧接在部分节段的分离之后而是可以更迟；该建立可以非线性地且比起与拉伸的棒的重量增加同步时所对应的速度更快地进行，且重量抵消力的最大水平可以小于分离的部分节段的重量。一个大于待分离部分节段重量的重量抵消力同样导致一种改善，但在部分节段的分离与取下时需要特别的抵消措施，并且因此不是优选的（只要下面的实施方式中提到重量抵消力的“预期值”，则该“预期值”所表示的值最大与分离的部分节段的重量大小相同）。

重要的是，逐渐增加的重量抵消力作用于待分离的部分节段。只要该待分离部分节段被分离，该重量抵消力也被撤销。从而，能够在无需大的调节和控制耗费的情况下保证该部分节段的重量的撤销与该重量抵消力的撤销之间的同步。

优选地，该重量抵消力从时间点t0至时间点t1稳定地增加。

通过在此区间内的重量抵消力的增加不呈现跳跃或倒转而是稳定的，使得能够简单地获取、处理该排放口调节的变化，以及必要时容易地抵消该变化。

在上述理想情况中，t0对应的时间点为，前一个部分节段被分离的时间点，从而t0至t1的时间间隔定义的时间跨度为，部分节段的排出所需的时间跨度。然而该时间间隔也可以更短。

在此背景下，证实为有利的是，t0和t1之间的时间间隔内重量抵消力的增量大于同一时间间隔内该石英玻璃棒的重量增量。

通过该重量抵消力的增加比该石英玻璃棒的重量增加更快，使得该重量抵消力在一个比拉伸该待分离的部分节段的时间跨度更短的时间跨度内达到其期望值。从而可能的是，将t0移至一个“稍后”的时间点，例如t1前不久。用于向该部分节段施加重量抵消力的时间跨度因此能够被选择为短时间的，这使操作简化，并允许用于生成重量抵消力的紧凑的装置。

优选的是，在t0和t1之间的时间间隔内，重量抵消力的增量大于该石英玻璃棒的重量增量2至20倍，优选为4至10倍。

在一个相对小的倍数2（优选为倍数4）下，从施加该重量抵消力到达到其期望值保留了一个相对长的时间跨度，该时间跨度可靠地避免了排放口调节的过度调节，并且使操作人员更容易预备该部分节段的分离，如设置一个预期断裂位置。

在一个相对大的大于20的倍数下，从施加重量抵消力到达到其期望值保留了一个短的时间跨度，在该时间跨度内设有一个重量变化，该重量变化更难通过排放口调节来掌控。

当时间t1时该重量抵消力的绝对值小于G的绝对值时，已经证实为有用的。

在时间点t1，以及在部分节段的分离时，作用于拉伸方向的重力G大于作用于反方向的施加于部分节段的重量抵消力。因此，该部分节段在分离后从剩余的棒向下移动，并能够直接移除，而无需用于移除部分节段的附加措施，如需要在某种程度上减小重量抵消力。

该重量抵消力能够施于该部分节段的圆柱形壳表面。然而容易实现且因此特别优选的是一种方法，在这种方法中施于该石英玻璃棒的端面上的重量抵消力与拉伸方向反向地作用。

与此同时，在进一步下落时，相对拉伸的石英玻璃棒的端面施加一个逐渐增加的力，该力与拉伸方向反向地作用并在本文中称作“重量抵消力”。

该重量抵消力的生成优选地是通过该石英玻璃棒在拉伸时对抗一个弹性支撑底座而移动的方式生成。

该弹性支撑底座涉及例如一个或多个机械或液压的弹簧，例如螺旋弹簧、片簧、碟簧、或气压弹簧。通过下方的端面侧末端（stirnseitige Ende）与一个弹力的、弹性的支撑底座抵触，得到一个确定的、用于下方端面的最终位置。与一个用于该分离平面的给定的高度相关连地，维持该部分节段的一个恒定的切割长度更容易。例如在该棒第一次置于该支撑底座上时，在给定高度上生成该预期断裂位置。

根据本发明的拉伸方法还使得能够测量拉伸的棒的重量以及在达到期望值时实施部分节段的分离。

该分离过程能够手工地或自动地实现。同样地，一种方法变体也是有效的，在该方法变体中该重量抵消力持续地被测量并且在达到一个期望值时实现该部分节段的分离。

此外已经证明有用的是，在石英玻璃棒上预设有一个预期断裂位置，其中在该部分节段分离前安置一个机械夹，该机械夹作用于该预期断裂位置的上方区域和下方区域。

该机械夹作用于该石英玻璃棒的预期断裂位置之上和之下，并避免在该部分节段的分离时该棒的偏斜。此外这种减震措施对尺寸稳定性和棒几何形状的恒定性起到有利作用。

根据本发明的方法特别适用于在一个纵向拉伸方法中的拉伸石英玻璃棒，其中在一个熔融坩埚中软化该石英玻璃块并通过一个底部出口拉伸为石英玻璃棒。

通过这种熔融坩埚拉伸方法能够拉伸特别大体积的、具有更大的切割长度和对应地大重量的石英玻璃管，而在石英玻璃管切割时若没有对应措施则呈现特别明显的重量跳跃。

附图说明

本发明的实施例展示在附图中并且在以下详细地进行说明。在示意图中示出：

图1为根据本发明方法的一个用于拉伸石英玻璃管的装置，

图2为同一装置在该拉伸过程的一个稍后阶段的一个局部视图，

图3为一个特征曲线，该特征曲线表示该棒块在排放口处移除的重量随时间的发展过程，

图4为根据本发明拉伸的管棒节段的壁厚度的典型发展过程的示意图，

图5为根据现有技术拉伸的管棒段的壁厚度的典型发展过程的示意图。

具体实施方式

根据图1所示的装置示意性地表示一个熔融坩埚1，在该熔融坩埚内加热石英玻璃颗粒12至高于2100°C的温度并软化成石英玻璃块13，该石英玻璃块13通过该熔融坩埚1的一个底部出口14竖直向下被拉伸为石英玻璃棒2，其中该石英玻璃棒的纵轴4最佳为平行于拉伸轴线3取向。因为这种坩埚拉伸方法为公知的，所以免去了结构细节和方法措施的描述。

设置一个滚轮随动器（Rollenschlepper）6作为排放口，该滚轮随动器6包含两个排放口滚轮，这两个排放口滚轮在同一个高度平面上相对地设置于该管棒2的圆柱形壳上。

在该熔融坩埚1下方，设置有直径以及壁厚度测量仪5，通过该测量仪在拉伸过程中绘制该拉伸的管棒2的壁厚度特征曲线。

在拉伸时实现该管棒2的自由末端与一个刚性的塑料板7的抵靠，该塑料板支撑于四个相同构型的螺旋弹簧8上。塑料板7和螺旋弹簧8静止于一个称量板9上。这些螺旋弹簧8具有约80cm的长度与约145N/m的弹簧系数。

图2表示同一个装置在该拉伸过程的一个稍后的时间点上（更确切地说是在该螺旋弹簧8的最大负载时）的一个局部视图。

接下来借助图1和图2进一步说明用于实施根据本发明的用于生产石英玻璃管的拉伸方法的一个实施例。

从熔融坩埚1以规定的1 mm/s的拉伸率拉伸一个石英玻璃管2至197 mm的预期外径以及6.5mm的预期壁厚度。与此同时在管棒2的内孔中导入气体。

通过直径以及壁厚度测量仪5连续绘制拉伸的管棒2的壁厚度特征曲线，如后面根据图2进一步说明的。

该拉伸的管棒2相应地分离3 m，包括部分节段15两侧的5cm的容差（Aufmass）。从而该切割长度L为3 m。这个长度的被分离的部分节段15具有约30 kg的重量。由该部分节段制成具有2.90 m量块（Endmass）的管状石英玻璃构件。

每个部分节段15的分离发生于切割平面S所处高度，只要该棒2的下端抵达该分离平面T。这对应于时间点t1，且通过重量识别出对应位置（分离平面T所处高度），该重量由称量板9显示。该拉伸过程的这个阶段由图2表示。

在该石英玻璃棒2的下端抵达该分离平面T之前，该下端与塑料板7抵靠并从而使螺旋弹簧8变形。这对应于时间点t0，从该时间点起该重量抵消力逐渐建立，但是该螺旋弹簧8还是无负载的，如图1所示。在该管棒2进一步下降时，由于该螺旋弹簧8的弹簧作用，该重量抵消力持续升高，该重量抵消力与拉伸方向3反向地作用于该管棒2并部分地抵消其重量。

分离平面T位于该塑料板7的下边沿下方0.5 m（如方块箭头10所示）。只要塑料板7的下边沿抵达该分离平面T（即在时间点t1，大约处于t0后500 s，即管棒2与塑料板7之间的第一次接触），并根据称量板9上给出的预期重量，进行3m长的部分节段15在切割平面S上的分离。在这一时间点上，该重量抵消力的绝对值可忽略地（约1 kg）小于待分离的部分节段15的重量。

在分离前，在石英玻璃棒2上生成一个预期断裂位置11，并安置一个（图1中未显示的）刚性夹，该夹连接于该预期断裂位置11的上方区域和下方区域，从而阻止在进行打断（Abschlagen）时由敲打冲量导致的过度偏斜。

由于给定的弹簧常数，直至时间点t1，该螺旋弹簧8生成一个重量抵消力，该重量抵消力约对应于分离的部分节段15的重量。螺旋弹簧8的压缩距离为0.5 m，且因此仅为待分离的部分节段15的长度的1/6。因此在介于t0和t1之间的时间区间上重量抵消力的增量大于在同一时间区间内的石英玻璃棒2的重量增量6倍。

在移除分离的部分节段15时，重力和作为对拉伸过程的影响量的重量抵消力均同时撤销，使得这个过程不通过排放口调节以重量变化的形式被调节。

图3中的图示表示上述实施例（曲线C）对比理想情况（曲线A）以及现有技术（曲线B）中的拉伸方法中的重量随时间的变化。

y-轴表示拉伸的石英玻璃棒随拉伸时间“t”（以s计）的随时间的重量变化“△G”（以kg计）的变化。

曲线A表示理想情况，在该理想情况下重量抵消力与重量同步地增加或减少，以致不产生重量变化。

曲线B表示根据现有技术的拉伸方法中重量随时间的变化。在一个部分节段分离后，重量稳定地增加至30 kg（在实施例中）并在部分节段15分离时急剧降低回初始值0。这种急剧的重量变化无法通过电调节在不产生过度调节和与此相关的几何形状变化的情况下进行调整，特别是对于较重的部分节段15。

曲线C借助于实施例的数据来表示在根据本发明的方法中的重量随时间的变化过程。在部分节段15分离后至时间点t0，重量稳定增加至约25 kg的最大值。然后将下端置于塑料板7上且开始建立重量抵消力，该重量抵消力由于设置的弹簧常数，在随后的拉伸中比棒2的重力更加迅速地增加。出于这种原因，之前建立的重量差重新减少，且在分离时间点t1几乎达到初始值，以至于在分离时间距调节几乎不必调节重量差（在实施例中：1 kg）。曲线C中示意性地表示的重量变化过程不呈现突然的跳跃，而仅仅是逐渐的重量变化，这种重量变化能够容易地被一个排放口电调节器处理。

图4中的图示表示，对于具有标称的6.5 mm壁厚度的一个约2 m长的管棒2的部分节段，壁厚度“W”（以mm计）对位置“P”的典型特征曲线。该管节段包含长度段，这些长度段内预期可能会包含切割过程导致的鼓起（Delle）或隆起。在x-轴上以mm为单位标记轴向的管轴线位置，y-轴上标记壁厚度。

该管壁厚度发展过程虽然显示一系列最小值和最大值，但在该管棒部分节段上几乎均匀分布。然而未出现特别显著的极端值。能够识别的相对平均值的偏差主要归因于压力波动以及因缓慢的速度变化导致的排放口调节器的调节行为。

与此相比，图5中所示的壁厚度特征曲线从属于一个借助于根据现有技术的拉伸方法生产的管棒节段。能够识别出与图4相似的壁厚度的波动，该波动主要归因于排放口调节器的调节行为。此外然而还能够识别出一个显著的最大值M1，该最大值归因于一个部分节段分离时的重量跳跃。

Claims (10)

1.用于生产一种由石英玻璃制成的圆柱形构件的拉伸方法，该方法为由一个软化的石英玻璃块（13）在拉伸方向（3）上连续地竖直向下拉伸出一个石英玻璃棒（2），在时间点t1从棒的自由末端分离一个具有重量G的部分节段（15），并由该部分节段（15）生成该圆柱形构件，其特征在于，在一个位于t1前的时间点t0，向待分离的部分节段（15）施加一个与拉伸方向（3）反向地作用并随时间递增的重量抵消力，该重量抵消力全部或部分地抵消该部分节段（15）的重量G。

2.根据权利要求1所述的拉伸方法，其特征在于，该重量抵消力从时间点t0至时间点t1稳定地增加。

3.根据权利要求1或2所述的拉伸方法，其特征在于，在t0和t1之间的时间区间内，该重量抵消力的增量大于该石英玻璃棒（2）在同一时间区间内的重量增量。

4.根据权利要求3所述的拉伸方法，其特征在于，在t0和t1之间的时间区间内，该重量抵消力的增量大于该石英玻璃棒（2）的重量增量2-20倍，优选地4-10倍。

5.根据以上权利要求之一所述的拉伸方法，其特征在于，在时间点t1该重量抵消力的绝对值小于G的绝对值。

6.根据以上权利要求之一所述的拉伸方法，其特征在于，该重量抵消力与拉伸方向（3）反向地作用于该石英玻璃棒（2）的端面上。

7.根据权利要求6所述的拉伸方法，其特征在于，该重量抵消力是通过以下方式生成的：该石英玻璃棒（2）在拉伸时对抗一个弹性支撑底座（8）延伸。

8.根据以上权利要求之一所述的拉伸方法，其特征在于，测量被拉伸的棒（2）的重量，并在达到一个预期值时进行该部分节段（15）的分离。

9.根据以上权利要求之一所述的拉伸方法，其特征在于，该石英玻璃棒设有一个预期断裂位置（11），并且在该部分节段（15）分离前安置一个机械夹，该夹在作用于该预期断裂位置（11）的上方区域和下方区域。

10.根据以上权利要求之一所述的拉伸方法，其特征在于，在一个熔融坩埚（1）内软化该石英玻璃块（13），并通过一个底部出口（14）将该石英玻璃块拉伸为石英玻璃棒（2）。

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