CS269482B1 - Elektrická odporová pec pro bezkontaktní tažení křemenných tyčí a trubic, určených k výrobě optických vláken - Google Patents

Abstract

Podstatnou ěásti elektrické odporové pece je grafitová topná sestava z technologických důvodů tažení tyčí 2i trubic vertikálně orientovaná, sestávající ee z topného Slánku a dvou grafitových přívodů. Topný článek i grafitové přívody jsou na styčných koncích opatřeny osazením, a to Širším osazením topného článku, zmenšujícím elektrický přechodový odpor, a užším osazením grafitových přívodů, zasahujícím do pracovního prostoru a stabilizujícím topnou zónu, vymezenou vnitřním průměrem topného článku. Grafitová topná sestava je odizolována od kovové konstrukce pece v nejnamáhanéjší oblasti topného článku a užšího osazení grafitových přívodů tepelnou izolací ze žáruvzdorných, zejména grafitových vláken, zajištěných keramickou mezistěnou, za níž je s výhodou uložena tepelná izolace z korundových dutých granulí, oddělená keramickým válcem od tepelné izolace ze sklokeramických vláken.

Description

Vť Vynález ee týká¹ elektrické odporové pece pro bezkontaktní tažení křemenných tyčí a trubic, určených k výrobě optických vláken. Pec zahrnuje kovovou konstrukci, která je tvořena vnějSím a vnitřním pláštěm a víky a uvnitř konstrukce uloženou sviele orientovanou dělenou grafitovou topnou sestavou, která je od kovové konstrukce pece oddélena tepelnou izolací. Vnitřní plocha topné sestavy vytváří pracovní prostor e přívody inertního plynu. Topná sestava je tvořena grafitovým topným článkem a dvčma protilehlými grafitovými přívody. Grafitové přívody topné eeatavy jsou napojeny na vodou chlazená kovová víka, která jsou připojena na přívod elektrického proudu.

Při třístupňové technologii výroby optických vláken ee v první fázi zhotoví křemenný ;ingot, který může být získán zupraveného horského křiStálu, vyskytujícího se v přírodě, nebo z těkavých sloučenin křemíku, např. chloridu křemičitého, depozicí v plazmovém hořáku. Získaný křemenný ingot se obrousí na požadované geometrické rozměry a k odstranění povrchových nečistot ee dále louží ve zředěné kyselině fluorovodíkové. Ve druhé fázi třístupňové výroby optických vláken se křemenný ingot požadovaných geometrických rozměrů a vysoké chemické čistoty zahřívá na teplotu cca 1 900 *C v inertní atmosféře. Po natavení ingotu ee z něj prostřednictvím tažného zařízení táhnou křemenné tyčinky. Ve třetí fázi třístupňové výroby se z křemenných tyčinek táhnou optická vlákna.

Výchozím polotovarem pro tažení optických vláken je vždy preforms, cež je tyčinka, jejíž chemická čistota a optické vlastnosti, jako je homogenita, index lemu, světelná propustnost apod., musí být shodné s vlastnostmi výsledného optického vlákna. Mimo požadavků na vysokou optickou čistotu jsou na tuto preformu kladeny i značné nároky na přesnost požadovaných geometrických rozměrů a neporuSenost povrchu. Navrhované řeěení se vztahuje k výrobě tyčinek nebo trubic z křemenných ingotů pro účely výroby optických vláken.

Je známa výroba křemenných trubic, případně i tyčinek v indukční peci. Nejprve se křemenný ingot roztaví v grafitovém kelímku a vnějěí povrch trubic nebo tyčinek se během tažení tvaruje grafitovým kroužkem, který se vSak při vysokých teplotách tažení kolem 1 800 až 1 900 °C opaluje, jehe povrch hrubne a kopíruje se na povrch trubic, či tyčinek. Při styku křemenného skla a grafitu za vysokých teplot dochází ke kontaminaci skla, což je pro účely zpracování na optické vlákno nepřípustné. Indukční pec má topný článek vytvořen z grafitových kroužků, které jsou izolovány sazemi od nosného válce z opakního křemene, který je ovinut vodou chlazeným induktorem. Nevýhoda řeěení spočívá v kontaminaci okolí sazemi z izolační vrstvy. DalSí nevýhodou je poměrně složité elektrické zařízení.

Z těchto poznatků vyplynul požadavek vyvinout·technologii bezkontaktního tažení preferem, při němž křemenné sklo ingotu nepřijde v průběhu ohřevu a tažení, až do stuhnutí, do styku s žádným materiálem. Proto byla zvolena k výrobě preferem elektrická adporová pec.

Elektrická odporová pec, sloužící k bezkontaktnímu svařování silnostěných trubic, případně tyčí z křemenného skla vysoké čistoty, je popsána v československém autorském osvědčení č. 255 210. Elektrická odporová pec, popsaná v tomto vynálezu, je součástí zařízení, které dále zahrnuje zasouvací a centrovací mechanismy k posuvu a vystředění křemenných tyčí či trubic do středu pracovního prostoru uvnitř elektrické odporové pece, ve které se provádí řízený ohřev čelních ploch tyčí či trubic, jejich svařování i ochlazení. K zahřátí čelních plech trubic či tyčí slouží elektrická odporová pec · válcovitým topným elementem z nekovového vodivého materiálu, např. grafitu vysoké čistoty. Topný válcovitý svisle orientovaný element, jehož průřez je -v oblasti žádaných vysokých teplot zúžen, je na čelních plochách připojen na elektrody. Vnitřní válcovitá plocha topného elementu vytváří pracovní prostor, do kterého je přiváděn inertní plyn, který je rovněž přiváděn i k vnějŠímu povrchu topného elementu. Topný článek je uložen v kovové konstrukci pece, skládající se z vnitřního a vnějSího pláStě, které jsou navzájem odděleny tepelnou izolací. Trubkovitý topný element zajiStuje rozdělení teplotního gradientu podél pracovního prostoru. Konstrukce pece a odporového topného článku i tepelná izolace pece jsou určeny pro natavení a svařování křemenných tyčí a trubic,

CS 269 482 Bl ve velmi úzkém teplotním pásmu, ale nejsou uzpůsobeny pro tažení křemenných tyčí a trubic z křemenného ingotu. .

Uvedené nevýhody se odstraní nebo podstatné omezí u elektrické odporové pece pro bezkontaktní tažení křemenných tyčí a trubic, určených pro výrobu optických vláken, podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že topný Slánek i oba grafitové přívody topné sestavy jsou na styčných koncích opatřeny osazením, a to topný Slánek vně situovaným širším osazením a grafitové přívody užším osazením, které zasahuje do pracovního prostoru, jenž je ve spodní Sásti opatřen na Sele horizontálně suvnými uzavíracími destiSkami. Vně topného Slánku a užšího osazení grafitových přívodů je uložena tepelná izolace ze žáruvzdorných nekovových vláken, zejména grafitových, v žáruvzdorné keramické mezistěně, která je s výhodou zhotovena z materiálu o vysokém obsahu oxidu hlinitého. Vně mezistěny a grafitových přívodů je uložena tepelná izolace, vytvořená z materiálů, obsahujících oxid hlinitý.

Z hlediska centrování při sestavování jednotlivých grafitových dílů topné sestavy, tj. topného Slánku a grafitových přívodů, je podle vynálezu výhodné, když širší osazení topného Slánku je opatřeno středícími výstupky, zapadajícími do centrovacích výstupků užěího osazení grafitových přívodů.

Aby se tepelné ztráty dolním otvorem pracovního prostoru při tažení křemenných tySÍ Si trubic minimalizovaly, jsou s výhodou podle vynálezu grafitové destiSky zhotoveny z grafitu, případně ze žáruvzdorného keramického materiálu, a jsou opatřeny půlkruhovými výřezy, tvořícími kruhový otvor v ose pracovního prostoru.

K zamezení tepelných ztrát povrchu pece 1 ke zvýšení životnosti grafitové topné sestavy slouží tepelná izolace, umístěná vně mezistěny a vně grafitových přívodů, která je vytvořena ve výhodném provedení podle vynálezu z korundových dutých granulí, a tato izolace je oddělena žáruvzdorným keramickým válcem, zhotoveným z materiálu na bázi oxidu hlinitého, který se opírá o obě Sela kovové konstrukce pece a za nímž je umístěna další tepelná izolace ze sklokeramických vláken na bázi oxidu křemiSitého, hlinitého, případně zirkoničitého, která je uložena mezi tímto válcem, vnitřním pláštěm pece a oběma Sely kovové konstrukce pece.

Konstrukce elektrické odporové pece je poměrně nenáročná na výrobu a umožňuje jednoduché sestavení i demontáž při výměně opotřebované topné sestavy. Širší osazení topného Slánku topné sestavy zmenšuje elektrický přechodový odpor mezi topným elementem a grafitovými přívody. Užší osazení grafitových přívodů zasahuje do pracovního prostoru a stabilizuje gradient teplot v topné zóně topného Slánku. Užší osazení grafitových přívodů je provedeno z konstrukčních důvodů, aby byle možno zajistit bezpeSnou tepelnou izolaci nejnamáhanějších Sásti topné sestavy. Jelikož v prabovnám prostoru a zejména v topné zóně topného Slánku jsou velmi vysoké teploty, je nutno dobře tepelně izolovat grafitovou sestavu od kovové konstrůkce pece. Tepelná izolace je volena v tzv. sendvičovém uspořádání a různé typy jednotlivých tepelných izolací mají odstupňovanou tepelnou odolnost, která klesá v radiálním směru od topné sestavy a podle níž se volí i tlouštka jednotlivých tepelných izolací.

Příkladné provedení vynálezu je popsáno dále a je znázorněno schematicky na připojených výkresech, z nichž obr.l značí svislý osový řez elektrickou odporovou pecí a obr. 2 svislý osový řez topnou sestavou.

Elektrická odporová pec 1, viz obr. 1, má kovovou konstrukci ze žáruvzdorné oceli, která je tvořena vnějším pláštěm 2, vnitřním pláštěm 2 ^a Sely £» spojujícími válcové svisle orientované pláště 2, 3 v čelních plochách. Uvnitř kovové konstrukce odporové pece 1 je umístěna válcovitá topná sestava 5, viz obr. 2, zhotovená z vysoce čistého grafitu, která je z technologických důvodů tažení tyčí a trubic vertikálně orientovaná. Grafitová topná sestava 5, je dělená a tvoří ji topný článek 6 situovaný v její střední části a navazující na horní a dolní grafitový přívod 7.· Topný článek 6 má na obou koncích z vnější strany širší osazení 8, které je na styčné pleše s grafitovými přívody 7_

CS 269 482 Bl •patřeno středícími výstupky 9, zapadajícími do centrevacích výstupků 10 užšího osazení 11 grafitových přívodů 7. Vnitřní plocha grafitové tepné sestavy £ vytváří pracovní prostor, který má větší průměr v topné zóně vymezené pracovním prostorem topného Slánku 6 vzhledem k užšímu průměru pracovního prostoru v oblasti užšího osazení 11 grafitových přívodů 7. Užší osazení 11 grafitových přívodů 7. na vnitřní straní vždy zasahuje do pracovního prostoru a napomáhá stability svislého teplotního gradientu tapné zóny. Vnější protilehlé konce grafitových přívodů 7 navazují na měděná víka 12, chlazená chladíc! vodou 13. Obě mšdšná víka 12 jsou připojena na přívody 14 elektrického proudu. Do pracovního prostoru se zavádí přívody 15 inertní)plyn, např. dusík, nebo agron, a v . příkladném provedení procházejí oba přívody 15 inertního plynu mšdšnými víky 12 i grafitovými přívody 7. Grafitová topná sestava £ je tepelní odizolována od kovové konstrukce odporové pece 1. Tepelné odizolování je voleno v tav. sendviSovám uspořádání^ a jednotlivé vrstvy jsou voleny jb od stupňováním vzhledem ke klesající tepelné odolnosti materiálů v radiálním smíru od topné soustavy £ k.vnitřnímu plášti 3, pece 1. V oblasti nejvíce tepelní namáhané, vně topného Slánku £ a užšího osazení 11 grafitových přívodů 7, je uložena tepelná izolace 16 z žáruvzdorných vláken, např. grafitových, odolná proti teplotám do cca 2 100 °C. Uložení tepelné izolace 16 z grafitových vláken je zajištěno žáruvzdornou keramickou mezistěnou 17, zhotovenou z hmoty a vysokým obsahem oxidu hlinitého a opřenou o výstupek grafitových přívodů 7, vytvořený vnš jejich užších osazení 11. Vně této mezlstíny 17 a vní grafitových přívodů X je situována tepelná izolace 18 z dutých korundových žáruvzdorných granulí, odolávajícím teplotám do cca 1 800 °C

Korundové granule jsou nasypány do prostoru mezi vnějšími plochami grafitových přívodů I a keramické mezistěny 16, mezi oběma Sely 4 kovové konstrukce pece 1 a válcem 19 se žáruvzdorné keramické hmoty na bázi vysoce hlinitého materiálu. Mezi tímto válcem 19, usazeným na spodním ěele pece £, a vnitřním pláětěm 3 k*v»vé konstrukce pece 1 ' je uložena tepelná izolace 20 ze žáruvzdorných sklokeramických vláken na bázi oxidu křemičitého a hlinitého, odolávající teplotám do cca 1 200 °C. Mezi oběma kovovými plášti 2, 3, vnějěím a vnitřním, je vzduchová mezera. Spodní chlazené měděné víko 12 pece 1 jevybaveno grafitovými uzavíracími destičkami 21, horizontálně suvnýml. Destičky 21 jsou opatřeny půlkruhovými výřezy 22, vytvářejícími v ose pracovníh· prostoru otvor pro tažení tyče či trubice.

Elektrická odporová pec 1 pracuje následovně:

Křemenný Ingot požadovaných rozměrů, např. délky 1 500 mm a průměru 110 mm, o vysoké chemické čistotě a požadované kvalitě povrchu ae zasune do topné zóny pracovníh· prostoru tak, že jeho epodní konec zaeahuje do spodní části topné zóny, potom ee pracovní prostor dokonale propláchne inertním plynem a do měděných vík 12 ee zavede chladicí voda 13. Přívody 14 elektrického proudu se do pece začne dodávat elektrická energie. Při posttípně se zvyšující teplotě v topné zóně dochází k natavení křemenného ingotu. V pracovním prostoru je vertikální gradient teplot. V tepné zóně jsou teploty 1 900 až 2 000 °C a směrem k chlazeným víkům 12 se teplota snižuje. Elektrický příkon odporové pece 1 ae při natavování postupně zvyšuje, po natavení ingotu se grafitové uzavírací deatičky 21 rozevřou a po odkápnutí stéká křemenné sklo vlastní vahou, pracovním prostorem. Tažená tyčinka se zavede mezi válce tažného stroje. Destičky 21 ae uzavřou a křemenná tyč o průměru např. 12 mm prochází pouze otvorem, vytvořeným výřezy 22 destiček 21. Elektrický příkon pece při tažení je cca 50 kW. Současně se zavedením křemenné tyče do tažného stroje se spustí pomalý pesun křemenného ingotu, který je zprostředkován pomocí podávacíh· zařízení. Rychlost zasunování křemennéh· ingotu do pracovního prostoru a rychlost tažení tyčinek či trubic jsou vzájemně vázány hmotnostní bilancí, tj. množstvím utaveného a odtaženého křemennéh· skla. V případě tažení křemenných trubic se použije dutý křemenný ingot, do jehož vnitřního prostoru se zavádí Inertní plyn. ,

Claims (4)

1 . Elektrická odporová pec pro Bezkontaktní tažení křemenných tyčí a trubic, určených k výrobš optických vláken, zahrnující kovovou konstrukci tvořenou vnšjším a vnitřním pláštěm s čely a kovovými víky, uvnitř které je vložena vortikálnS orientovaná dělená grafitová sestava, jejíž vnější plocha je oddělena od vnitřního pláště tepelnou izolací a jejíž vnitřní plocha vytváří pracovní prostor opatřený přívody 1nertního plynu, přičemž topná sestava je tvořena grafitovým topným článkem navazujícím na dva protilehlé grafitové, přívody, které jsou napojeny na vodou chlazená kovová víka, připojená na přívody elektrického proudu, vyznačující so tím, že topný článek (5) i oba grafitové přívody (7) jsou na styčných koncích opatřeny osazením (8, 11), topný článek (6) vně situovaným širším osazením (8) a grafitové přívody (7) užším osazením (11) zasahujícím do pracovního prostoru, který jo ve spodní části opatřen na víku (12) horizontální euvnými uzavíracími.destičkami (21), přičemž vně topného článku (6) a užšího osazení (11) grafitových přívodů (7) je uložena tepelná izolace (16) ze žáruvzdorných vláken, zejména grafitových, v žáruvzdorné keramické mezivrstvš (17), s výhodou zhotovené ze hmoty e vysokým obsahem oxidu hlinitého, a vnš této mezístšny (17) a grafitových přívodů (7) je uložena tepelná izolace (18, 20) vytvořená z materiálů, obsahujících oxid hlinitý a křemičitý.

2 .Elektrická odporová pec podle bodu 1, vyznačující se tím, že širší osazení (8) topného článku (6) je opatřeno středícími výstupky (9) zapadajícími do centrovacích výstupků (10) užšího osazení (11)grafitových přívodů (7). .

3 .Elektrická odporová pec podle bodu 1, vyznačující se tím, že uzavírací destičky (21) jsou opatřeny půlkruhovými výřezy (22), tvořícími kruhový otvor v ose pracovního prostorní, a jsou zhotoveny z grafitu, případnš ze žáruvzdorného keramického materiálu. ’

4 .Elektrická odporová pec podle bodu 1, vyznačující se tím, že tepelná izolace (18, 20) obsahující oxid hlinitý je tvořena tepelnou Izolací (18) z korundových dutých granulí, která je umístšna vnš keramické mezístšny (17) a grafitových přívodů (7) a je oddělena žáruvzdorným keramickým válcem (19), zhotoveným z materiálu na bázi oxidu hlinitého a uloženým na spodním čele (4), od tepelné Izolace (20) ze aklokeramických vláken na bázi oxidu křemičitého a hlinitého, která je uložena mezi tímto válcem (19), vnitřním pláštěm (3) a oběma čely (4).