CN1324773A - 石英熔化炉 - Google Patents

Abstract

一种用来熔化石英的炉子,用来把石英熔融成所要求的形状。该炉子有一个主体,该本体有包括一种难熔材料的内表面和外表面。此外,至少内表面的一部分包括含有铼、锇、铱和它们的混合物中选择的一种材料的一个屏蔽层。

Description

石英熔化炉

本发明涉及由结晶态的石英或其它玻璃状材料连续地生产管、棒和类似物的方法和设备。更具体地说，本发明涉及一种熔炉(或坩埚)，用来由二氧化硅熔融液生产细长的石英件。

通过在一个电加热的炉子中熔化石英晶体或石英砂可以连续地制成各种细长件，当把原料熔化时，通过在该炉子底部的一个适当的孔或模具由该炉子中拉制成所要求的形状。例如，用来连续生产熔融石英管的一种设备是用钨作衬里的钼熔炉，把它竖直地支承，在其底部有一个适当的孔或模具，用来拉制杆、棒或管。钨的加热件或加热杆的一个设置围绕着该熔炉，用来加热该熔炉。该熔炉和它的加热单元一起被包在一个耐高温的腔室中，一个水冷的金属套筒支承着此腔室。在氮和氢的还原气氛中加热该熔炉。因为钨会被转化成熔融液体，所以，保持大约2000摄氏度的相对较低的温度很重要。

一种另外的设备通过把天然的石英晶体送进由电阻加热的难熔金属熔炉中在一种独特的气体中还原气泡成份生产出干净的熔融石英管。由晶体与熔化的粘稠的熔融石英之间夹带的气体形成的气泡不容易由熔化的玻璃中散出，因此，在由熔融的石英熔化液体拉制的产品中仍以气泡或脊的形式存在。通过替换一种熔化气氛气体，这种气体容易通过熔化的材料扩散(比如纯氦气、纯氢气或者两种气体的混合物)，可以降低在气泡中的气压，从而减小气泡的尺寸。这一过程使用80％体积的氦气和20％体积的氢气的混合物。

在另一种方法中，通过把一种特殊形式的基本上纯的二氧化硅原料连续地送进一个感应加热的熔炉的顶部段中，在氢气和氦气的气氛中在该熔炉的上部感应加热区域中连续地使原料熔化，同时保持熔化温度不低于大约2050摄氏度来得到产品。通过分开的感应加热装置加热在熔炉的下部区域中的熔融材料，在熔融材料中实现温度的独立调节。通过成形装置在存在包含非氧化的携带气体的氢气气氛的条件下由熔炉的下部区域连续地拉出熔融材料。

不幸的是，在上述设备的熔炉中使用的大多数难熔金属和非金属材料在高温下与二氧化硅反应。在这样的温度下，难熔材料的氧化物分解，并扩散进二氧化硅中，并把玻璃污染。这些难熔材料的污染物使得在由这样的难熔材料制成的熔炉中熔化的石英玻璃变色和夹杂。例如，在传统熔炉中使用的难熔材料在石英熔化液体中留下至少12-300ppb的难熔材料。因此，在工艺上有减少来自难熔材料对石英玻璃的污染的需求。随着半导体和纤维光学装置制造过程要求更高的纯度，它们是由主题生产过程获得的玻璃产品的主要应用，近来，这种需要明显增加。

还有，相信在石英玻璃熔化液体中难熔金属的数量与熔化温度成正比。因此，除非实现对炉子运行温度的非常严格的控制，难熔金属污染物的水平可能很容易变成不可接受地高。当然，对炉子运行提出这样严格的运行温度的限制是成问题的。事实上，严格的温度限制对于较高熔化温度的典型需求有损害，使用这种较高的熔化温度在所形成的熔融石英产品中可以获得较好的视觉特征。

在本发明的一个示例性实施例中，用来熔化石英并随后拉制成所要求的形状的炉子包括一个本体，该本体有由一种难熔材料构成的外表面，并包括由铼、锇、铱或它们的混合物中选择的一种不反应的屏蔽材料的内衬里。在一个优选实施例中，不反应的屏蔽衬里的厚度在大约.010英寸与.050英寸之间。

本发明的熔炉提供了超越先有技术的许多优点。特别是，带有铼、铱和/或锇衬里熔炉的炉子生产出在溶液中难熔金属低得多的产品。例如，可以把溶解在石英中的金属减少到低于10ppb，最好低于1ppb，最好低于NAA的当前检测水平。在石英熔化液体中这样的降低了的难熔金属污染物的数量改进了石英玻璃的化学成分，使得可以减少变色和表面模糊。还有，采用装备有包括非反应的衬里的熔炉的炉子可以在最佳温度范围运行。更具体地说，非反应的熔炉使得炉子可以在超过2350摄氏度的温度下运行。在这样较高的温度下运行获得更好的精化。还有，在最佳熔融温度下运行将提高气体成份在原料中的溶解度，因此减少在所拉制的产品中的气流缺陷。类似地，本发明的熔炉也将帮助进一步减少在所制成的玻璃产品中的模糊和变色。

应该注意到，在本申请文件中可以相互交换地使用“石英”和“二氧化硅”两个名词，这两个词通常都是指化合物SiO₂。类似地，本发明包括使用引进到熔化炉中的任何原料，包括但不限于天然二氧化硅/石英和合成的二氧化硅。

通过与附图联系起来考虑下面的描述，本发明的当前的优选实施例的结构、使用和优点将变得更清楚，在附图中：

图1为本发明的炉子的纵向剖面图；以及

图2另一种炉子的示意性纵向视图，表明本发明的结构在炉子的熔融区域中的使用。

在本发明的优选实施例之一中，本发明的熔融石英产品可以在有图1中所示的特点的炉子构形中制成。还有，图1示出了本发明的构造技术在改造现有的炉子设计中的适用性。更具体地说，该炉子有大致圆柱形的形状。最好，使用由难熔金属层11比如钨或钼以及它们的组合物构成的细长圆柱形熔炉10。熔炉10在难熔金属层11上还包括一层铼的衬里13。

通过一个顶部开口12把提纯的原料砂送进熔炉件的上部熔化区域14中。该顶部开口12设有可移动的封闭装置16，比如一个活板门，除了观察熔化液体18的高度和在把原料送进熔炉中的期间以外，可以把此装置保持为关闭的。在熔炉件的顶部开口上设置自动送料装置20，以在熔炉中保持预定的原料高度。该送料装置包括一根排放管22，它的输出开口位于熔炉10上，使得在发生熔化的上部区域中提供原料，该送料装置还包括一根清洗气体进入管24和贮存装置26，该贮存装置包含自动地输送到排放管的原料供应。

当在熔炉中的熔化液体的高度与砂颗粒的熔化一起降低时，原料简单地由于重力流到熔炉件的熔化区域，从而不需要包括任何另外的装置，用来如所描述的那样调节原料的送进的速度。供应给送料装置的清洗气体帮助消除包含在原料中的气体，否则，这些气体可能氧化熔炉件的难熔金属部件，或者在熔化的石英熔化液体中形成气泡，在后面就不能以将要在下面紧接着的部分中描述的方式除去这些气泡，或者使这些气泡减到最少。所述清洗气体的成分与在另外条件下为了在最终产品中减少气泡或脊的目的加到所述熔炉件的上部区域中的气体相同或类似，这些气体包括氢气和氦气的混合物，体积比例为40-100％的氢气和60-0％的氦气。

熔炉19的下部28(拉制区域)包括一个环形的环30，它有中心开孔32，靠通过该开孔拉粘稠的材料穿过该开孔连续地形成细长的熔融石英件。在开孔32的中心设置一个芯34，该芯在环形的环的下面伸展，作为由熔化液体中正在拉出的粘稠材料形成管的装置。如熟悉本技术的人士所知道的那样，该芯的住置可以如必要的那样移动，以产生所要求尺寸的成形件。把支承件35固定到熔炉的壁上，对芯提供刚硬的支承，这有助于使产品由它被拉出的那个开孔保持有不变的尺寸。把该芯制成有一个中空的内部36，此中空的内部连接到进入管38上，从而可以供应非氧化的气体，这种气体的成分与供应到熔炉的熔化区域的气体不同，用来形成当拉制管40时的氛围。

第二进入管42提供相同类型的成形氛围气体，它可以是一种混合物，在一种非氧化的携带气体比如氮气中包含氢气，体积比例为1-20％的氢气和99-80％的携带气体，用作围绕着熔炉外壁的一种保护氛围。把这种成形气体的供应提供给环形空间44，此空间对于熔炉提供了一个壳体装置，它包括一个中心的底部开口46，对于成形气体提供由所述腔室的排放装置，其方式使得它包封着正在由炉子拉出的细长熔融石英件的外表面。该环形空间的外壁包括耐高温的圆柱48，它与炉子结构的外壳体50结合起来用作对于设备的感应加热线圈的容纳装置。更具体地说，在耐高温圆柱48的外壁与壳体50的内壁之间形成一条同心的通道52，在该通道中设有两个螺旋形的感应加热线圈54和56，分别对熔炉的上部区域和下部区域提供单独的加热源。当然，可以如炉子的尺寸所要求的那样采用附加的线圈，例如，在成品区域包括附加的线圈可能是有利的。

加热源和对它们的供电可以有传统的结构，这种结构包括导电体，它们是中空的，用来进行水冷，在电路上连接到单独的交流电源上，实现本发明中所采用的独立加热。线圈占用的通道的其余部分最好用稳定的耐高温绝缘体比如二氧化锆填充，为的是保存炉子中的热量。

第三根供应管58位于外部壳体50的顶部段中，它把与由进入管24提供的气体相同的或类似的清洗气体混合物供应到熔炉的熔化区域。上述的炉子与传统的拉制管或棒的机器结合起来使用，这些传统的机器在图中被略去，这是因为它不是本发明的一部分。

当然，本发明使用不反应的熔炉衬里不限于在图1中所示的炉子或熔炉。事实上，使用不反应的衬里适宜用于熟悉本技术的人士所知道的任何炉子/熔炉的实施例(例如图2)。

按照在上述设备中实现本发明的过程，把天然的石英砂供应到该设备中的熔炉的顶部开口中，这些石英砂的标称颗粒尺寸为美国筛网尺寸-50目，已经把它们通过化学处理提纯到标称的杂质含量以下。

原料

杂质                天然原料(p.p.m.)    合成原料(p.p.m.)

Fe₂O₃             1                   0.07

TiO₂               2                   ＜0.02

Al₂O₃             20                  100

CaO                 0.4                 ＜0.01

MgO                 0.1                 ＜0.05

K₂O                0.6                 0.1

Na₂O               0.7                 0.1

Li₂O               0.6                 ＜0.05

B                   ＜0.2               -----

ZrO₂               ＜1.0               ＜0.02

把上面的原料提供给已经被加热到超过2050摄氏度的熔炉，同时也提供前面指明的氢气和氦气混合物。在熔炉中已经建立起熔融石英的预定的熔化液体高度并使熔化的材料由于重力穿过熔炉件的底部中心开孔32流动之后，拉制机器(未画出)在如前面指明的形成气体氛围存在的条件下连续地拉制出管或棒。在以上面描述的方式的任何连续地拉制管/棒的过程中，典型地把供应到下加热线圈56的电功率保持在比供应到上加热线圈54的电功率低的水平，为的是当材料被拉制时使材料的温度降低到2050摄氏度以下的温度。然而，本发明在成品区域使用一种不反应的衬里使得如果愿意可以有较高的运行温度。这些步骤的组合效果使得把熔炉中的原料高度保持成相对不变，同时在拉制操作过程中保持不同的温度区域，已经发现，这样的组合效果使得拉制的产品的外径的变化对于各种管尺寸低于大约正负3％。

如上面所说明的，熔炉10的内表面包括铼、锇或铱的薄片或涂层13。可以通过化学蒸气沉积、电解、等离子体喷涂或任何其它熟悉本技术的人士已知的技术(下面把它们称为“化学粘接”)把涂层13施加到难熔金属层11上。也可以用物理方法把不反应的层13装接到难熔金属层11上，通过用铆钉、螺栓、螺丝等把薄片直接装到熔炉的壁上，这些安装件最好由与不反应的衬里自身相同或类似的材料制成。另外，可以把适当地成形的铼套插进熔炉中。事实上，可以使用涂层和衬里的方法的结合，这取决于组成熔炉组件的部段的几何形状的复杂性。

现在参见图2，示出了本发明的涂层只用到熔融/熔化区域115。还有，把铼的一个涂层113施加到在熔炉119的内壁117上的熔融/熔化区域115上。这样，该屏蔽层保护最有帮助的高温区域(熔融区域)不会受到钨/钼的污染。

                    示例

进行了采用铼涂层或衬里的几种炉子试验。在这些实验中使用的炉子装备有钨熔炉，靠螺丝和铆钉的组合也靠等离子体喷涂把铼的衬里装接到该熔炉上。对在试验过程中拉制出的多种管产品进行分析，确定污染的水平。中子活性分析(NAA)和x射线荧光表面分析(XRF)的结果证明在由加衬里和未加衬里的炉子制出的管样品中钨的浓度有明显的差别。更具体地见下面的表。

	没有涂层或衬里		有铼
					管的类型	NAA,W ppb	XRF,W ppm	NAA,W ppb	XRF,W ppm
天然石英		14到20		＜5
					合成石英	10到30		0.2到1.0

因此，已经证明，本发明实现了在熔融石英产品中降低污染。因此获得了上面描述的所造成的好处。

尽管已经参考一个优选实施例描述了本发明，熟悉本技术的人士将会理解到：可以做出多种变化，对于部件可以用等价物替代，而不偏离本发明的范围。此外，可以做出任何改型，对于本发明的内容采用特定的构造和材料，而不偏离本发明的基本范围。因此，不想把本发明限制为作为实现本发明的最佳方式公布的具体实施例，而是，本发明包括属于所附的权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (15)

1．一种用来熔化石英的炉子，用来把石英熔融成所要求的形状，所述炉子包括一个本体，该本体有包含一种难熔材料的第一层，还包括含有设在所述第一层的内表面上的由铼、锇、铱和它们的混合物中选择的一种保护材料的一个屏蔽层。

2．按照权利要求1所述的炉子，其特征在于，所述难熔材料包括钨、钼或它们的混合物构成。

3．按照权利要求1所述的炉子，其特征在于，所述保护材料为铼。

4．按照权利要求1所述的炉子，其特征在于，所述屏蔽层的厚度在大约.010与.050英寸之间。

5．按照权利要求1所述的炉子，其特征在于，把所述屏蔽层用化学方法粘接到所述第一层上。

6．按照权利要求1所述的炉子，其特征在于，把所述屏蔽层用物理方法安装到所述第一层上。

7．按照权利要求6所述的炉子，其特征在于，通过铆钉、螺栓或者螺丝把所述屏蔽层安装到所述第一层上。

8．按照权利要求6所述的炉子，其特征在于，所述屏蔽层包括一个套筒，把它的尺寸做成与所述第一层同心地配接。

9．按照权利要求1所述的炉子，其包括至少一个熔化区域和一个拉制区域，所述熔化区域或所述拉制区域中至少一个包括所述屏蔽层。

10．按照权利要求9所述的炉子，其特征在于，所述屏蔽层位于所述熔炉的所述熔化区域中。

11．一种制成细长的熔融石英件的连续的方法，它包括：

a)把特殊形式的大致为SiO₂原料连续地送进感应加热的炉子中，所述炉子包括含有铼、锇、铱和它们的混合物中选择的一种材料的内表面，

b)在用一种惰性氛围气体供应的炉子中连续地熔化所述原料，同时保持熔化温度；并且，

c)由炉子中连续地拉出熔融材料。

12．按照权利要求11所述的方法，其特征在于，所述材料包括铼。

13．按照权利要求11所述的方法，其特征在于，所述熔化温度为大约2350摄氏度以上。

14．一种大致为管或棒形状的细长的熔融石英件，所述管或棒包括至少99％的Si0₂，并包括少于10ppb的钨和钼。

15．按照权利要求14所述的件，其包括少于1ppb的钨和钼。

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