CN104185613B - 用于由电熔化的合成的石英玻璃制造成形体的方法 - Google Patents

Abstract

在用于由合成石英玻璃制造成型体的已知的方法中，在电加热的熔化容器（31）中在形成软化的石英玻璃块（57）的情况下加热石英玻璃晶粒（15）并且将软化的石英玻璃块（57）成形为成型体。为了即使在连续的熔化过程中也实现有利的熔化特性，按本发明提出，使用由晶粒微粒构成的合成产生的石英玻璃晶粒（15），其中夹杂氦气，其中所述石英玻璃晶粒（15）在形成SiO₂颗粒（9）的情况下通过热解制造的硅酸的粒化来产生，并且随后在具有至少部分地由陶瓷材料制成的转筒（6）的转筒烘箱（1）中并且在包含至少30%体积百分比的氦气的处理气体中被玻化SiO₂颗粒。

Description

用于由电熔化的合成的石英玻璃制造成形体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于由电熔化的合成的石英玻璃制造成形体的方法，其方式是提供合成产生的石英玻璃晶粒并且在形成软化的石英玻璃块的情况下在电加热的熔化容器中进行加热并且使软化的石英玻璃块形成成形体。

合成产生的石英玻璃晶粒通过热压缩多孔的SiO₂颗粒获得。这样的颗粒通过预压缩SiO₂煤烟粉末或者SiO₂纳米微粒产生，比如所述颗粒例如在制造合成石英玻璃时通过聚合作用、缩聚作用、沉淀或者CVD沉积方法制造合成石英玻璃时积累。作为常规的粒化方法的例子可列举在使用粒化磨碎、压实、滚压、压制成砖块、结疤形成或者挤出时的滚动粒化作用、喷射粒化作用、离心雾化、涡流层粒化、粒化方法。

在此积累的离散的、以机械以及可能还有热学方式预先压缩的颗粒在此称作“SiO₂颗粒微粒”。其整体上形成了多孔的“SiO₂颗粒”。

由于其多孔性，直接熔化这样的SiO₂颗粒是有问题的。因为在直接熔化时存在形成封闭的气体填充的空腔的危险，所述空腔不能从高粘性的石英玻璃块中除去或者只能很缓慢地除去，并且如此引起石英玻璃中的气泡。因此对于全看最终产品的无气泡性的高要求的应用来说，通常需要事先玻化多孔的颗粒。通过玻化多孔的SiO₂颗粒微粒获得的紧密的玻璃微粒在此称作“石英玻璃微粒”，其整体上形成了合成的“石英玻璃晶粒”。

这样的石英玻璃晶粒可以在电加热的熔化锅或者熔化模具中由含高硅酸的玻璃加工成用于半导体或灯制造以及化学的方法技术的部件，例如筒、棒、柄、罩、反应器或锅子。

“含高硅酸的玻璃”在此理解为未经掺杂的、或者具有至少90%重量百分比的SiO₂含量的经掺杂的石英玻璃。这样的玻璃下面为简单起见也简称为“石英玻璃”并且软化的块由此称作“石英玻璃熔液”。

所述石英玻璃熔液甚至在接近于SiO₂的升华温度的温度下仍具有相对高的粘度。由于其较高的温度以及粘性，不能容易地地借助于在玻化处理中在其它情况下常规的措施例如提炼或搅拌使得石英玻璃熔液均匀化。

因此，在熔化石英玻璃晶粒时，紧密的石英玻璃微粒之间的气体空间也引起了附加的气泡问题。因为在熔化过程中包含在有粘性的玻璃块中的气体几乎不能事后排泄出来并且也不会通过均匀化措施而除去。其在制成的石英玻璃成形体中引起气泡以及其它干扰。

形成气泡的问题尤其出现在具有由工艺引起的受限制的熔化持续时间的熔化过程中，例如在以熔化锅拉出方法连续地熔化石英玻璃晶粒时。在该方法中从上面向熔化锅输送石英玻璃晶粒，在此所产生的晶粒装料被加热并且熔化成高粘度的石英玻璃熔液，并且其连续地经由锅底部上的拉出喷嘴作为具有任意横截面形状的石英玻璃条拉出。从石英玻璃条中切段为圆柱形的成形体。

在熔化锅拉出方法中几乎还不能除去包含到粘性石英玻璃熔液中的气体。其在拉出的石英玻璃条中产生了气泡以及其它干扰，并且会引起拉出过程中的不连续性并且由此引起尺寸偏差。

背景技术

从上面的阐述中知道了，气泡夹杂问题即在将多孔的SiO₂颗粒玻化成合成石英玻璃晶粒时、又在将这样产生的石英玻璃晶粒熔化成石英玻璃成形体时起到了重要的作用。以在相应处理阶段中实现无气泡性或者少气泡性为目的，公开了大量不同的技术。

将颗粒玻化成石英玻璃晶粒

如此，在EP 1 076 043中提出了将多孔SiO₂颗粒逐渐添加（einrieseln）到燃烧火焰中，使得其精细地分布在其中并且在2000到2500℃的温度下玻化。所述颗粒优选通过过滤尘（Filterstaub）的喷射或者湿粒化获得，并且具有5到300μm范围内的晶粒尺寸。在玻化之前可以通过用微波辐射进行的处理来加热以及预压缩。

给定的颗粒微粒的烧结程度取决于其微粒尺寸和热量输入，该热量输入又由在燃烧火焰中的逗留时间以及火焰温度确定。然而所述颗粒通常具有一定的微粒尺寸分布，并且燃烧气体火焰具有不同的流动速度和火焰温度的范围。这引起了不均匀的并且可再现性低的烧结程度。此外存在以下危险，即燃烧气体弄脏石英玻璃微粒。在此上下文中特别是可以列举在使用含氢气的燃烧气体时用羟基进行的加载，随之而来的是石英玻璃的相对低的粘度。

在EP 1 088 789 A2中为了玻化多孔的SiO₂颗粒提出，合成地产生的颗粒首先通过在转筒烘箱中在含HCl的气氛中的加热被净化，随后在流动床中煅烧并且随后在垂直的流动床设备中或者在锅子中在真空或者氦气或者氢气中玻化成合成的石英玻璃晶粒。

在此其是不连续的玻化方法，与之伴随的是烘箱的大的热惯性以及因此长的工艺持续时间，其具有较高的时间成本以及费用成本、具有低的吞吐量以及结果相对贵的颗粒。

在根据JP 10287416 A的类似的方法中，在转筒烘箱中连续地压缩具有10至1000μm范围直径的颗粒状的SiO₂凝胶。该转筒烘箱包括长度为2m并且内直径为200mm的由石英玻璃制成的转筒。该转筒借助于加热器从外部加热并且分成多个温度区间，所述温度区间覆盖了50℃到1100℃的温度区域。具有100和500μm之间的颗粒尺寸的颗粒状SiO₂凝胶在以8U/min旋转的转筒中通过输送含氧气的气体而被去除有机成分并且烧结成SiO₂粉末。在烧结时的烘箱气氛包括氧气以及可选的氩气、氮气或氦气。

然而随后获得的SiO₂粉末还包含不小于1000ppm重量ppm的高浓度硅烷醇基。为了除去硅烷醇基，SiO₂粉末最后在1300℃的较高温度下在具有550mm内直径的装料130kg的石英玻璃锅中被煅烧并且被烧结紧密。

由石英玻璃制成的转筒的热稳定性限制了其在高温下用于玻化颗粒微粒的应用。然而在石英玻璃锅中玻化时会导致烧结的颗粒微粒的结块（Verbackung），其引起未定义的含有孔的石英玻璃块。

WO 88/03914 A1也教导了在含有氦气和/或氢气的气氛中使用转筒烘箱的情况下降低无定形的多孔的SiO₂粉末的BET表面。在第一方法中，精细的SiO₂煤烟粉末被提供在转筒烘箱中，在空气中加热到1200℃并且在该温度中保持1h时长。这样的处理的结果应该是具有0.1到5mm的晶粒大小以及<1m²/g的BET表面的松散（rieselfähig）的球形颗粒。然而煤烟粉末不是松散的，极其烧结活跃的并且可以轻易地起泡（verblasen）。因此，在转筒烘箱中处理煤烟粉末是极其有问题的。在所述方法的改变方案中提出将SiO₂煤烟粉末与水混合，从而获得潮湿的酥松的块。该块被提供到转筒烘箱中并且在600℃的温度下压缩成具有0.1到3mm晶粒大小的粉末。如此预压缩的SiO₂粉末随后在分开的烘箱中玻化。

由DE 10 2004 038 602 B3公开了一种用在灯以及半导体制造中的用于制造电熔化的合成石英玻璃的方法。作为用于电熔化的石英玻璃的取出材料，使用热压缩的SiO₂颗粒。该颗粒通过含水的悬浮液的粒化由无定形的、纳米级的由火焰水解SiCl₄所产生的热解SiO₂颗粒形成。

为了提高粘性，用Al₂O₃掺杂SiO₂颗粒，其方式是向悬浮液添加由热解方式制造的Al₂O₃构成的纳米颗粒或可溶解的铝盐。

获得了具有在160μm和1000μm之间范围内的外直径的圆形的颗粒晶粒。颗粒在大约400℃下在转筒烘箱中干燥，并且在大约1420℃的温度下压缩成大约3m²/g的BET表面。

为了完全的玻化，颗粒的各个晶粒随后在不同的气氛下例如氦气、氢气或真空中完全玻化。在颗粒玻化时的加热曲线分别包括以5℃/min的加热速率加热到1400℃以及120min的保持时间。在该处理之后各个颗粒晶粒玻化。所述晶粒单独地存在，而不会熔化成块。

所述颗粒在电熔化过程中进一步加工成石英玻璃，例如在锅中熔化成成型体或者以锅拉出方法连续地拉成条。

在此也实现单独的烘箱中的玻化，使得其是具有多个成本密集的加热过程的不连续方法。

US 4,225,443 A描述了将转筒烘箱用于制造用于过滤目的的玻璃颗粒。具有大约100μm颗粒尺寸的精细研磨的玻璃粉末与水和胶合剂混合并且加工成具有大约300μm-4.5mm的颗粒尺寸的颗粒。这些颗粒在具有由莫来石制成的转筒的转筒烘箱中烧结成基本上球形的具有大约500-4000μm大小的小球。

熔化石英玻璃晶粒以用于产生石英玻璃成型体

为了反作用于熔化锅拉出方法中气体的夹杂，在DE-OS 25 50 929中提出，在熔化锅的内部空间中维持由氦气和氢气构成的气氛。这两种气体相对快地渗出石英玻璃。其可以将其它缓慢渗出的气体预先从晶粒装料的存在的空腔中排挤出，并且也能够在熔化锅拉出方法的过程典型的较短时间内从有粘性的石英玻璃熔液中排泄出。此外，氢气可以在形成羟基的情况下溶解在石英玻璃中。由此既能够降低气泡形成，又能够降低气泡生长。

然而已经显示，虽然有这样的措施，但是还是会在石英玻璃成型体中形成气泡。这可以归因为，在输送气体氦气或者氢气时优选在颗粒的装料中构成流动通道，所述流动通道局部地引起相对高的气体浓度并且在装料的其它位置上对于用氦气或氢气充分地交换现存的气体来说是缺乏的。局部过高的气体浓度以及局部不足的气体交换都会对有助于气泡形成。

发明内容

本发明的任务是说明一种方法，该方法从多孔的SiO₂颗粒出发实现了紧密的合成的石英玻璃晶粒的制造，其在用在电熔化过程中时显示出有利的熔化特性，并且由此实现了、更确切地说尤其也在连续的熔化过程中实现了尽可能无气泡的石英玻璃成型体的可再现的制造。

该任务从开头所述类型的方法出发，按本发明通过一种方法得到解决，即使用由晶粒微粒构成的合成产生的石英玻璃晶粒，在所述晶粒微粒中夹杂氦气并且所述晶粒微粒的提供包括以下方法步骤：

（a）在形成由多孔的颗粒微粒构成的SiO₂颗粒的情况下使热解制造的硅酸粒化，以及

（b）在具有至少部分地由陶瓷材料制成的转筒的转筒烘箱中并且在包含至少30%体积百分比的氦气的处理气体中在形成具有所夹杂的氦气的晶粒微粒的情况下对SiO₂颗粒进行玻化。

在按本发明的方法中，已经在将多孔的SiO₂颗粒玻化成紧密的含氦的石英玻璃晶粒时实现了通过熔化成基本上无气泡的成型体而对所述石英玻璃晶粒进行有利的进一步处理的重要前提条件。

通过如下方式获得SiO₂颗粒：热解制造的硅酸-下面也称作“SiO₂煤烟粉末”-根据常规的粒化方法进行预压缩。可以在使用转筒的情况下实现粒化，如由现有技术公开的那样。无论如何结果都是多孔的SiO₂颗粒。该SiO₂颗粒在具有围绕中轴线旋转的加热的转筒的转筒烘箱中进行玻化，该转筒沿着烘箱的纵向看略微倾斜，从而致使颗粒从其入口侧朝出口侧输送。在此，由于高温以及与之联系的材料负载而得出特别的要求，这在下面进行更详细地解释。

通过转筒的长度看，在玻化时产生具有温度最大值的温度曲线，该温度最大值高于石英玻璃的软化温度，也就是在1150℃以上。为了转筒不变形地实现这一点，转筒的至少在其最高热负载的区域上由具有比未经掺杂的石英玻璃更高的软化温度的耐热的陶瓷制成。

所述转筒是一体化的或者由多个部件组成，其中转筒壁至少在暴露于最大温度负载的部分长度上由耐热的陶瓷制成。所述转筒可以具有内衬。除了可能金属的边框之外，所述转筒在最简单的情况下完全由陶瓷制成。

所述颗粒微粒在转筒中加热到足够玻化的温度。由此在玻化之后获得的石英玻璃微粒具有小于1cm²/g的比表面（根据DIN ISO 9277-2003年五月；“按BET方法通过气体吸附确定固体材料的比表面”确定）。所述表面是紧密的，其中该微粒可以是透明的或者是部分不透明的。

为了完全实现在转筒中玻化由多孔的SiO₂颗粒构成的装料，另外的前提条件是包含氦气的气氛。仅仅包含足够的氦气的气氛在较低的温度下和/或较短的玻化持续时间内实现了多孔颗粒微粒的无气泡地或者气泡特别少的玻化，如其在转筒烘箱玻化的条件下实现的那样。可能夹杂的气体大部分（例如至少90%体积百分比）由氦气组成。代替氦气，原则上氢气也适合于少气泡的玻化；然而用氢气加载玻化的石英玻璃微粒在随后熔化晶粒时不会向在氦气加载时的情况那样以一定的程度引起排气以及热导的局部改善。然而玻化气氛中氢气的部分是无害的。

因此根据本发明提出，所述转筒在玻化时要么被灌满处理气体，要么用该处理气体连续地或者时不时地冲洗，其中处理气体至少30%体积百分比由氦气组成并且同时包含尽可能少的-理想情况下不包含-氮气。因为显示出，在存在氮气的情况下玻化的颗粒微粒倾向于较高的气泡含量。

在穿过转筒时，所述颗粒微粒暴露于机械力之下，该力由装料的重力以及滚压产生。在此，再次松开玻化的晶粒的可能的烧结块。

转筒中的玻化包括一次通过或者多次通过。在多次通过的情况下，可以随着各次通过而提高温度。在多次通过中实现了石英玻璃晶粒的较小的气泡性。

玻化的石英玻璃晶粒可以直接熔化用来制造石英玻璃部件。然而示出，根据熔化技术以及在对石英玻璃部件的无气泡性提出很高要求时，仅仅上面所阐述的在转筒烘箱中的玻化措施是不足的，即使所产生的晶粒从肉眼上看表现为完全透明的。因为石英玻璃晶粒作为装料以电熔化方法被进一步加工，所以不仅要注意晶粒的可能的气体含量本身形成气泡，而且也要注意填料的石英玻璃微粒之间的气体。通常试图通过用氦气冲洗来排出所述气体，然而这由于构造优选的气流通道而伴随着用氦气不均匀施加的上面所阐述的缺点。

因此，本发明寻求另一种途径。设置用于电熔化方法的石英玻璃晶粒如此在转筒中玻化，使得其在冷却之后也维持一定的氦含量。夹杂的氦气在随后的电熔化过程中逐渐释放，由于熔化过程中的高温膨胀到其原始体积的几倍并且由此排除存在于装料的石英玻璃微粒之间的外来气体。在此重要的也是以下方面：氦气的突出之处在于良好的导热能力。因此，均匀并且连续地释放极少量的氦气具有以下有利的效果，即产生装料上的温度的均匀性，这有助于更好的并且更均匀的熔化。

连续地并且均匀地在整个装料上实现来自石英玻璃微粒的氦释放。可以放弃通过将氦气导入熔化容器中引起的对装料的附加的冲洗，或者可以与无氦的使用晶粒相比降低用于冲洗的氦量。

起初夹杂的氦含量越大，来自石英玻璃微粒的氦释放就越突出。优选夹杂在晶粒微粒中的氦气的体积至少为0.5cm³/kg，优选至少为10cm³/kg。

上面所描述的在氦气中的玻化过程引起了用所述气体较高地加载石英玻璃晶粒。每1kg石英玻璃晶粒的氦气含量使得氦气在正常条件（在室温（25℃）以及大气压力下）下脱气时占据至少0.5cm³、优选至少10cm³的气体体积。在熔化时，由于热膨胀产生了高达正常条件下气体体积的3或4倍的氦气的气体体积。通过如下方式确定气体体积：将晶粒加热至软化并且确定排泄的气体种类以及其特殊的气体体积。

玻化的晶粒中的氦气含量可以通过转筒烘箱气氛中氦气的含量进行调节。被证明可行的是，在按方法步骤（b）进行玻化时的处理气体包含至少50%的氦气，优选至少95%的氦气。

通过在玻化时使用氦气，实现了在相对低温度下以及较短时间内完全玻化多孔的颗粒微粒。此外，通过玻化气氛中大于50%体积百分比的氦气的较高含量实现玻化的晶粒的特别高的密度以及较低的气泡含量。所述玻化气氛的剩余份额可以通过惰性气体或者通过氮气和/或氧气形成，其中后面所述的两种气体的体积份额优选小于30%体积百分比。

如此玻化的石英玻璃晶粒由此包含由制造引起的氦气。为了可以向夹杂在石英玻璃晶粒中的氦气许可尽可能少的时间进行渗出，在玻化之后尽可能快地实现冷却。

用氦气加载的石英玻璃晶粒出于上面所解释的原因示出了电熔化过程中的有利的熔化方法；尤其即使在困难的熔化条件下也是这样，也就是说，在较短的熔化持续时间内以及较大的熔化块中，从而限制了熔化过程中用于将剩余气体从装料中除去的持续时间，并且对熔化容器内部的温度分布的可再现性提出特别高的要求，譬如在以垂直锅拉出方法中连续地熔化晶粒时。

因此，所述石英玻璃晶粒优选用于将熔化容器构造成具有底部出口的加热的熔化模具的应用中，其中软化的石英玻璃块通过底部出口连续地作为石英玻璃条拉出。

用氦气加载石英玻璃微粒的能力以及由此在熔化过程中排气的持续时间取决于石英玻璃微粒的尺寸。其尺寸由颗粒微粒的原始尺寸确定。当颗粒微粒具有100和2000μm、优选200μm和400μm之间的平均晶粒尺寸时，按本发明的方法产生了特别好的结果。

具有大于1000μm的平均晶粒大小的颗粒微粒只能缓慢地玻化。尤其晶粒细小的石英玻璃晶粒倾向于与转筒壁结块。

为了使得这样的作用最小化，已证明可行的是，事先调节具有小于100μm的微粒大小的SiO₂颗粒的精细部分，使得其共计小于颗粒总重量的10%重量百分比。

对于颗粒微粒的尽可能均匀的玻化以及用氦气尽可能均匀的加载来说，大致相等的微粒尺寸是有利的。鉴于此，证明可行的是，所述颗粒微粒具有狭窄的微粒尺寸分布，其中分配给D₉₀值的微粒直径最大为被分配给D₁₀值的微粒直径的两倍大。狭窄的微粒大小分布示出了相对小的装料密度，这在玻化时反作用于烧结块。此外，在颗粒微粒的在理想情况下为单模态的尺寸分布中取消了作为填料内部可能的分隔的参数的微粒之间的重量差，这对于填料的均匀的玻化来说是需要的。

所述多孔的颗粒微粒在转筒中加热到引起玻化的温度。已证明可行的是从1300℃到1600℃的范围内的温度。在低于1300℃的温度中，为了完全玻化需要较长的处理持续时间。优选该温度最低为1450℃。在高于1600℃的温度中，转筒和烘箱热过度地加载。

通过转筒烘箱的旋转对颗粒产生的机械应力降低了烧结块形成的危险。然而在高于大约1400℃的高温下会出现石英玻璃的部分软化，从而会在具有小运动的范围内出现在转筒壁上的粘附。

为了防止这一点，在优选的方法中提出，所述颗粒微粒经历振动。

该振动通过颤动、碰撞或超声波产生。其有规律地或者时不时脉冲状地实现。

较高的玻化温度可以通过燃烧器产生，其作用于颗粒微粒。然而借助于包围转筒的电阻加热装置进行加热的方法是优选的。

从外面通过转筒的热量输入要求由耐温的陶瓷制成的实施方式，这如上面所阐述的。通过这种类型的加热防止颗粒微粒机械地（通过鼓风）或者化学地（通过污染）受到燃烧气体的影响。

作为用于转筒的材料，有利地考虑同时提高石英玻璃的粘性的物质，优选Al₂O₃、ZrO₂或Si₃N₄。

该材料在这样的情况下具有附加的特性，即其包含掺杂物，该掺杂物有助于石英玻璃的粘度的提高并且由此有助于石英玻璃部件的热稳定性的改善。没有包含掺杂物或者没有足够浓度的掺杂物的多孔颗粒微粒在转筒中连续地加热并且在此滚压。通过与包含掺杂物的内壁的接触产生了精细的研磨，该研磨产生颗粒微粒的希望的掺杂或者有助于此。掺杂物在石英玻璃中通常作为氧化物存在。由此，按本发明的方法的该实施方式的核心思想在于，在高温下在转筒烘箱中完全玻化多孔的SiO₂颗粒微粒，这通过玻化中合适的气氛实现并且通过耐温的用于转筒的材料实现，该材料同时通过研磨用作石英玻璃晶粒的掺杂物源。所述方法实现了SiO₂颗粒微粒的连续玻化并且在此同时用提高粘度的掺杂物进行均匀的加载。

作为这种意义上合适的掺杂物，尤其考虑Al₂O₃以及氮（Si₃N₄的形式）。对于该掺杂物的足够的输入来说有利的是，所述转筒内壁至少在高负载的区域中至少90%重量百分比、优选至少99%重量百分比由所涉及的物质组成。

尤其Al₂O₃的突出之处在于较高的耐热性、良好的耐温度变化性以及耐腐蚀性。在最简单的情况下，所述转筒的整个内壁由Al₂O₃制成。否则，转筒的暴露在最高温度载荷下的部分由Al₂O₃制成。

在高温下，通过转筒内壁的材料的研磨会弄脏颗粒微粒以及玻化的石英玻璃微粒。已经很少的碱含量就显著提高了石英玻璃的脱玻化倾向。因此，转筒内壁的物质优选具有少于0.5%的碱含量。

对于用Al₂O₃掺杂石英玻璃微粒来说，当转筒由合成制成的Al₂O₃制成时，反作用于由杂质引起的污染。

合成制造的具有大于99%重量百分比纯净度的Al₂O₃在商品名“Alsint”下公开。为了使材料成本最小化，可以将合成材料限制在转筒的薄内衬的区域。

在使用含有Al₂O₃的转筒时，可以以简单的方式方法产生石英玻璃晶粒的在1到20重量ppm百分比的范围内Al₂O₃掺杂。

作为其替代方案，所述转筒内壁由ZrO₂和TiO₂制成。

这些材料的突出之处在于用于玻化SiO₂颗粒的足够高的熔化温度（ZrO₂：大约2700℃；TiO₂：大约1855℃），并且其以小的浓度作为杂质对于许多应用来说是无害的，譬如对于半导体制造来说。

鉴于可再现的并且成本低廉的制造方法，SiO₂颗粒在玻化之前通过在含卤素的气氛中的加热来进行净化，其中在第二转筒烘箱中实现SiO₂颗粒的净化。

在所述方法变型方案中实现了接在颗粒制造之后的热高温处理步骤，也就是分别在转筒烘箱中的净化和玻化。由此实现了基本上连续的制造过程并且避免了烘箱系统的更换。这在相互跟随的处理步骤中促进了时间上的协调以及空间上的匹配并且有助于缩短颗粒通过时间。

所述转筒烘箱匹配于相应处理步骤的特殊的要求。在此，转筒烘箱可以分成多个相互隔开的处理空间。尤其可以在已经在基本上干燥的颗粒的情况下在一个方法步骤中在净化烘箱中进行制造干燥以及净化。然而在理想情况下为每个所述处理步骤即干燥、净化和玻化设置各自的转筒烘箱。由此将处理持续时间、温度以及气氛分别彼此独立地针对相应工艺进行优化，这产生了质量更好的最终产品。由此，例如可以在从干燥到净化以及从净化到玻化过渡时分别使用预处理的余热。

在由不同材料制成的转筒的情况下，其能够间歇性地相互接界，然而优选以确定的余隙相互插入，从而减少由于相应材料的不同的热膨胀系数引起的问题。

为了能够基本上相互独立地调节转筒烘箱的不同区域中的气氛，转筒烘箱的相邻的区域在流体上以一定程度上彼此分开并且为此目的优选通过设有开口的分隔板（Trennscheibe）或者通过迷宫式闸阀（Labyrinthfalle）来划分。

在含氯的气氛中在900和1250℃之间范围内的温度下实现转筒中的净化。含氯的气氛尤其引起由SiO₂颗粒形成的碱和铁杂质的减少。在低于900℃的温度中获得较长的处理持续时间，并且在高于1250℃的温度中存在在夹杂氯或者气态的氯化合物的情况下紧密烧结多孔的颗粒的危险。

在基本上连续的方法的意义上，也为了干燥和净化SiO₂颗粒使用仅仅一个转筒烘箱，其中该转筒烘箱沿着中轴线的方向看分成包括干燥区域和净化区域的区域。

优选地，区域的划分又优选地通过设有开口的分隔板或者通过迷宫式闸阀来进行。在干燥以及净化区域的范围内，所述转筒的内壁优选由适应玻璃制成，从而避免弄脏颗粒。

如果多个处理步骤在共同的转筒烘箱中进行、例如干燥/净化或者净化/玻化，那么每个所述区域都设有自己的加热装置。鉴于良好的能量利用，转筒为了净化和玻化的分别借助于包围转筒的电阻加热装置进行加热。

优选通过在200和600℃之间范围内的温度下在空气中加热来实现颗粒的干燥。

在该方法中设置单独的干燥烘箱用于干燥颗粒，该干燥烘箱优选构造成转筒烘箱。温度为恒定或者在干燥步骤中提高温度。在低于200℃的温度中获得长的干燥持续时间。在600℃上面会出现夹杂的气体快速流出，这会导致颗粒破坏。

玻化的石英玻璃微粒可以用于制造由不透明的或者透明的石英玻璃构成的部件、例如由不透明的石英玻璃制成的筒，其以离心方法制造。石英玻璃微粒本身也可以作为微粒状的原始材料为了以所谓的韦尔纳伊方法（Verneuil-Verfahren）制造石英玻璃气缸或者为了借助于电弧或者等离子体制造石英玻璃锅进行继续加工以及熔化。在所述方法中突然烧结石英玻璃微粒，从而几乎不剩下用于使夹杂的氦气脱气的时间。夹杂在玻化微粒中的气体在此起较早形成气泡的作用，即起不利的作用。按本发明，然而所述石英玻璃微粒由于其相对高的含氦量而通过在电加热的熔化容器中的熔化进行使用，如上面所阐述的。其提供了内部空间，向该内部空间中可以排泄所夹杂的氦气并且在一定的持续时间内发挥其促进熔化的作用。

附图说明

下面根据实施例以及附图更详细地阐述本发明。示意性图：

图1以侧视图示出了用于在按本发明的方法中实施玻化以及后处理步骤的转筒烘箱，

图2示出了转筒烘箱的长度上的温度曲线，以及

图3示出了按本发明用于拉出由石英玻璃制成的条的锅熔化装置。

具体实施方式

图1示出了支承在滑轮2上的转筒烘箱1。该转筒烘箱1基本上具有由SiC制成的框架5，在该框架5中固定了由合成地制成的Al₂O₃（商品名Alsint）构成的转筒6，其具有150mm的内直径以及1.8m的长度。该转筒6可以围绕中轴线7旋转并且可以借助于设置在外罩面上的电阻加热装置8进行加热。

所述转筒烘箱1沿纵向7相对于水平线略微倾斜，以便导致由多孔的SiO₂-颗粒9构成的装料从转筒烘箱1的入口侧3到获取侧10的输送。敞开的入口侧3借助于旋转固定的入口壳体4进行封闭。入口壳体4装备有用于输送多孔的SiO₂颗粒9的入口16以及另一个用于输送氦以及其它处理气体的入口（没有示出）。

转筒6的敞开的获取侧10借助于同样旋转固定的获取壳体11封闭。该获取壳体11设有用于获取玻化的石英玻璃颗粒15的出口17，气体也可以通过该出口17从转筒烘箱1中流出。为了吸出气体设置了吸出管接件（Absaugstutzen）18，该吸出管接件18布置在转筒烘箱1的上面的区域内。此外，所述获取壳体11装备有气体入口管接件19，借助于该气体入口管接件19可以将气体、例如氩气导入转筒6中。

下面根据实施例更详细地描述按本发明的方法：

SiO2-颗粒的制造、干燥以及净化

例子A

通过对具有60%重量百分比剩余湿度、由热解的硅酸（纳米级SiO₂-粉末、SiO₂-煤烟粉末）和VE-水构成的粉浆进行粒化，在强化混合器中形成颗粒。在粒化之后，剩余湿度<20%。将颗粒筛到晶粒尺寸<3mm。

通过在空气下在转筒烘箱（吞吐量：20kg/h）中在400℃时进行干燥，使剩余湿度降低到<1%。进行到100至750μm分级（Fraktion）上的筛分，也就是说除去具有晶粒大小<100μm的精细部分。

随后在1040℃的最大温度下在转筒烘箱中在含有HCl的气氛中实现净化以及进一步的干燥（吞吐量：10kg/h）。在此，将比表面（BET）减小大约50%。

由具有较高纯度的合成的未经掺杂的石英玻璃获得SiO₂颗粒。其基本上由多孔的球形的微粒的构成，所述微粒具有带有200μm的D₁₀值、400μm的D₉₀值以及300μm的平均微粒直径（D₅₀值）的微粒尺寸分布。

例子B

通过快速粒化由热解硅酸（纳米计量的SiO₂-粉末、SiO₂-煤烟粉末）和VE水在强化混合器中形成颗粒。为此，在强化混合器中存放VE水并且在混合的情况下添加热解硅酸，直到剩余湿度为大约23%重量百分比并且形成颗粒。将颗粒筛分到晶粒大小≤2mm。可以事先通过使用辊式破碎机碾碎粗微粒，从而提高收益。

通过在空气作用下在转筒烘箱（吞吐量：15kg/h）中在350℃时进行干燥，使剩余湿度降低到<1%。除去具有晶粒大小<100μm的精细部分；在其它方面不实现进一步的筛选。

随后，在1050-1150℃的温度下在转炉烘箱中在含有HCl的气氛中实现净化以及进一步的干燥（吞吐量：10kg/h）。在热氯处理中将化学杂质的总和降低到小于原始材料的1/10（也就是降低到<10ppm）。

所述颗粒基本上由具有300μm的D10值、450μm的D90值以及350μm的平均微粒直径（D50值）的微粒尺寸分布的多孔的微粒构成。

颗粒的玻化

向围绕其旋转轴线7以8U/min的旋转速度进行旋转的转筒6以15kg/h的输送率连续地输送未经掺杂的多孔的SiO₂颗粒9。

所述转筒6沿纵向7以颗粒微粒9的特定装料角倾斜，从而在其长度上产生颗粒装料的均匀厚度。该均匀的装料厚度有助于氦气的均匀的作用并且促进了均匀的玻化。在图1中在入口壳体4中示出的装料示出了异常（abweichend）的装料角；这仅仅用于简化的示意性的示出。

用氦气灌满转筒6的内部空间13；气氛的氦含量大约为90%体积百分比。连续地翻转颗粒装料，并且在此借助于转筒6内部的电阻加热装置8加热颗粒装料并且将其逐渐地玻化成石英玻璃微粒15。处于转筒6的大致后三分之一的前面不远处的最大温度大约为1460℃。由Al₂O₃制成的转筒6容易地地承受这样的温度。

因为转筒6直到出口壳体11附近都被加热，所以温度从最大值朝出口壳体11快速下降。玻化的晶粒15的平均的表面温度在那里大约高于500℃。

至今为止被认为理想的在转筒6的长度上的轴向温度走向曲线由图2示意性地示出。在y轴上对照转筒6中的轴向位置画出了颗粒装料9的表面的温度T（借助于高温计获得）。紧接在输送颗粒之后，该颗粒在大约500℃的温度下在30min持续时间期间被干燥，并且随后在逐步提高的温度下在大约1000℃到1300℃下进行热预压。在此，同时用氦气交换存在于多孔的颗粒中的气体。这样的压缩以及气体交换过程持续了大约60min。随后将颗粒装料9加热到完全玻化并且在此实现大约1460℃的最大温度。直到那时，转筒烘箱6中的平均停留时间大约为3h。

在该处理阶段中，玻化的石英玻璃微粒15的氦含量比较高。随后实现玻化的并且以氦气高加载的石英玻璃微粒15的快速冷却，从而在基本上避免脱气，其方式是氦气获得少的机会从紧密的石英玻璃晶粒中渗出。在结束玻化过程之后，每kg石英玻璃晶粒的理论上可释放的氦气的气体体积大约为3cm³（气体体积规范化到25℃以及大气压力下）。

上面所述的工艺参数结合转筒烘箱1中颗粒9的暂留时间以及玻化区域13中的氦气氛使得敞开的多孔性在基本上消失。表面是紧密的。所述石英玻璃微粒15在所述方法阶段中在获取时用肉眼看是完全透明的。

如果出现烧结块，那么其由于运动的颗粒装料9中的机械应力或者通过转筒6的振动再次松开。

同时引起Al₂O₃均匀的研磨，该Al₂O₃到达颗粒微粒9的表面并且进入其孔中。如此产生的玻化的石英玻璃晶粒具有用Al₂O₃以大约15重量ppm进行的均匀掺杂。在基本上避免了粘附在转筒6的内壁上。

完全玻化并且均匀掺杂的石英玻璃晶粒具有大于2.0g/cm³的密度以及小于1m²/g的BET表面，并且其具有相对高的氦含量。经由排出壳体11和出口管接件17连续地获取石英玻璃晶粒。

从锅中拉出石英玻璃管

如此产生的用氦气加载的并且均匀地用Al₂O₃掺杂的石英玻璃晶粒用于以垂直锅拉出方法制造石英玻璃管。

在图3中示意性示出的拉出烘箱1包括由钨制成的熔化锅31，玻化的石英玻璃晶粒15经由输送管接件32连续地从上方填入该熔化锅中。

所述熔化锅31在形成用保护气体填充的保护气体空间40的情况下由水冷却的烘箱罩面36包围，在该保护气体空间内置入由氧化的绝缘材料制成的多孔的绝缘层38以及用于加热SiO₂晶粒15的电阻加热装置43。该保护气体空间40朝下敞开并且在其它方面用底部板45以及用盖板46向外密封。所述熔化锅31包围锅内部空间47，该锅内部空间同样相对与周围环境借助于盖子48和密封元件49进行密封。

用于锅内部空间气体的入口52和出口51通过盖子48伸出。其是由90%体积百分比的氢气和10%体积百分比的氦气构成的气体混合物。所述保护气体空间40在上面的区域内设有用于纯氢气的气体入口53。

由钨制成的拉出喷嘴34处于熔化锅31的底部区域中。其由拉出喷嘴外面部分37和心轴39组成。拉出喷嘴34的心轴39与钨制成的固定管41连接，该固定管41延伸通过锅内部空间47并且经由上面的盖子48从其中引导出来。除了保持心轴39，所述固定管41也用于输送处理气体以用于调节管条35的内孔54中预先给出的鼓风压力。

软的石英玻璃块57经由心轴39和拉出喷嘴外部件之间的流动通道54到达喷嘴出口55，并且作为具有190mm内直径以及210mm外直径的管条35垂直向下沿着拉出轴线56的方向拉出。

石英玻璃块57的重量在喷嘴出口55的区域内引起了“流体静力压力”，由此软化的石英玻璃块57以大约28kg/h的流过率经过环形缝隙。

在从上而下通过熔化锅1时，石英玻璃晶粒释放所包含的氦气，使得其在石英玻璃晶粒15的装料内部均匀地分布，该装料排出了在那里存在的空气并且通过其很好的导热能力有助于均匀的并且稳定的加热。

对拉出的石英玻璃管在气泡、夹杂以及结疤方面进行视觉研究。在试样A的情况下在表格1中总结出结果。在比较试样C中使用相同晶粒大小的无氦的标准石英玻璃晶粒并且与上面针对试样A所阐述的同样地进行加工。在试样C中，以50：50的比例预先均匀地混合标准石英玻璃以及包含氦的石英玻璃晶粒。

	A	B	C
				氦气加载	100	50：50	0
气泡	++	+	-
				结疤	+	+	-
夹杂	+	+	0

在表格1中定性地评估关于气泡、结疤以及夹杂出现的质量。在此，如下转换对定性分析的记号：

“++” 很好

“+” 好

“0” 可接受

“-” 差，以及

Claims (18)

1.一种用于由电熔化的合成石英玻璃制造成型体的方法，其方式是提供合成产生的石英玻璃晶粒（15）并且在电加热的熔化容器中在形成软化的石英玻璃块（57）的情况下进行加热并且软化的石英玻璃块（57）成形为成型体，其特征在于，使用由晶粒微粒构成的合成产生的石英玻璃晶粒（15），在所述晶粒微粒中夹杂氦气并且其提供包括以下方法步骤：

（a）在由多孔的颗粒微粒（9）形成SiO₂颗粒的情况下使热解制造的硅酸粒化，

（b）在具有至少部分由陶瓷材料制成的转筒（6）的转筒烘箱（1）中并且在包含至少30%体积百分比氦气的处理气体中在形成具有夹杂的氦气的晶粒微粒的情况下玻化SiO₂颗粒，并且

（c）将玻化的晶粒微粒冷却，使得夹杂在晶粒微粒中的氦气占据了至少0.5cm³/kg的体积。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，夹杂在晶粒微粒中的氦气占据了至少10cm³/kg的体积。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在按方法步骤（b）的玻化中的处理气体包含至少50%的氦气。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在按方法步骤（b）的玻化中的处理气体包含至少95%的氦气。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔化容器构造成具有底部出口（55）的加热的熔化模具，软化的石英玻璃块（57）通过底部出口（55）连续地作为石英玻璃条（35）拉出。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒微粒（9）具有20和2000μm之间的平均晶粒尺寸，所述平均晶粒尺寸相应地为D₅₀值。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒微粒（9）具有100μm和400μm之间的平均晶粒尺寸，所述平均晶粒尺寸相应地为D₅₀值。

8.按权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，事先调节具有小于100μm的微粒大小的SiO₂颗粒的精细部分，使得其共计小于颗粒总重量的10%重量百分比。

9.按权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，所述颗粒微粒（9）在玻化时加热到1300℃到1600℃范围内的温度。

10.按权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，所述颗粒微粒（9）或玻化的石英玻璃晶粒（15）经历振动。

11.按权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，借助于包围转筒（6）的电阻加热装置（8）进行颗粒微粒（9）的加热。

12.按权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，所述转筒（6）由同时提高石英玻璃的粘性的物质制成，即由Al₂O₃、ZrO₂或Si₃N₄制成。

13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，所述物质具有小于0.5%的碱含量。

14.按权利要求12所述的方法，其特征在于，所述转筒内壁由合成制成的Al₂O₃制成。

15.按权利要求12所述的方法，其特征在于，在使用含Al₂O₃的转筒（6）的情况下产生石英玻璃晶粒（15）的处于1到20重量ppm范围内的Al₂O₃掺杂。

16.按权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，SiO₂颗粒（9）在玻化之前通过在含卤素的气氛中的加热来进行净化，并且在第二转筒烘箱中进行SiO₂颗粒（9）的净化。

17.按权利要求16所述的方法，其特征在于，第二转筒烘箱被用于干燥以及净化SiO₂颗粒（9），并且沿着中轴线（7）的方向看被分成包括干燥区域和净化区域的区域，其中相邻的区域通过设有开口的分隔板或者通过迷宫式闸阀被分开。

18.按权利要求16所述的方法，其特征在于，在900和1250℃之间范围内的温度下在含氯的气氛中在转筒中进行该净化。