DD236084A1

DD236084A1 - METHOD FOR PRODUCING LAYERED ROTATION SYMMETRIC SILICONE CRYSTAL BINS

Info

Publication number: DD236084A1
Application number: DD27488385A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Reiss; Erhard Jahn; Karl-Heinz Weiss; Herbert Nagel
Original assignee: Technisches Glas Veb K
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1985-04-04
Publication date: 1986-05-28

Abstract

Das Verfahren ermoeglicht neben dem Einsatz des konventionellen Rohstoffes Bergkristall auch die Verwendung von unkonventionellen Materialien. Verfahrensgemaess erfolgt das Einschmelzen des koernigen oder pulverfoermigen Materials mittels eines Lichtbogens oder Plasmalichtbogens. Durch die Steigerung der Leistungsdichte bis 100 W/cm2 und der Zentrifugalbeschleunigung bis 5 000 ms 2 wird eine Laeuterung hoher Qualitaet erreicht. Die Anwendung eines Druckes bis 4 MPa verhindert ein Sieden der Schmelze. Die erfinderische Loesung zeichnet sich durch einen hohen Ausnutzungsgrad der Rohstoffe aus.In addition to the use of the conventional raw material rock crystal, the process also allows the use of unconventional materials. In accordance with the method, the melting of the granular or pulverulent material takes place by means of an arc or plasma arc. By increasing the power density up to 100 W / cm 2 and the centrifugal acceleration up to 5 000 ms 2, high quality noise is achieved. The application of a pressure of up to 4 MPa prevents boiling of the melt. The inventive solution is characterized by a high degree of utilization of the raw materials.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft die Herstellung von hochreinen blasenarmen Hohlkörpern aus Kieselglas und anderen silikatischen Stoffen, die unmittelbar oder nach entsprechender Weiterverarbeitung in der optischen und Lichtquellenindustrie sowie in der chemischen und Halbleiterindustrie eingesetzt werden.The invention relates to the production of high-purity low-bubble hollow bodies made of silica glass and other silicate materials, which are used directly or after appropriate further processing in the optical and light source industry and in the chemical and semiconductor industries.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannt ist, daß bei der schmelztechnischen Herstellung von Kieselglas und ähnlichen hochschmelzenden nichtmetallischen Materialien infolge der hohen Viskosität und des hohen Dampfdruckes im Schmelztemperaturbereich komplizierte, technisch unvollkommen beherrschte Vorgänge ablaufen. Die hohe Viskosität des geschmolzenen Materials im üblichen Schmelztemperaturbereich, die diejenige anderer Gläser um mehrere Größenordnungen übersteigt, hat zur Folge, daß in der Schmelze eingeschlossene Blasen diese nicht oder nur sehr schwer verlassen können. Infolge des hohen Dampfdruckes treten dabei sehr hohe Verdampfungsraten auf, die zu erheblichen Materialverlusten führen.It is known that in the melting technical production of silica glass and similar refractory non-metallic materials due to the high viscosity and the high vapor pressure in the melting temperature range complicated, technically imperfectly controlled processes take place. The high viscosity of the molten material in the usual melting temperature range, which exceeds that of other glasses by several orders of magnitude, has the consequence that trapped in the melt bubbles can not or only very difficult to leave. Due to the high vapor pressure thereby very high evaporation rates occur, which lead to significant material losses.

Bei den verschiedenen bekannten Verfahren zur Herstellung und/oder Läuterung von Kieselglas und ähnlichen Materialien wird versucht, die durch das konträre Verhalten von Dampfdruck und Viskosität bedingten Schwierigkeiten auf unterschiedliche Weise zu überwinden, um einen möglichst blasenarmen Werkstoff zu erschmelzen.In the various known processes for producing and / or refining silica glass and similar materials, attempts are made to overcome the difficulties caused by the contrary behavior of vapor pressure and viscosity in different ways in order to melt a material which is as free from bubbles as possible.

Bekannt ist, daß bei den Vakuumschmelzverfahren durch ein Absaugen der zwischen den Körnern des Schmelzgutes befindlichen Gase die Blasenbildung vermindert wird. In der Schmelze verbleibende Blasen werden vergrößert und dadurch deren Auftrieb verbessert, wobei Ansätze einer Läuterung erreicht werden.It is known that in the vacuum melting process by sucking the gases located between the grains of the melt, the formation of bubbles is reduced. Blisters remaining in the melt are increased thereby improving their buoyancy, thereby achieving refining attempts.

Die DE 681 809 und 865644 enthalten Angaben über die Herstellung von rotationssymmetrischen Hohlkörpern aus hochschmelzenden Stoffen, insbesondere Kieselglas, unter Verwendung von Rotationsöfen. Femer zeigt die DE 3014311 ein Verfahren zur Herstellung von speziellen Kieselglaserzeugnissen, z. B. Kieselglastiegeln. Hier soll, wie bei einem Rotations-Vakuumschmelzverfahren, die Blasenbildung durch ein außen angelegtes Vakuum verhindert werden und als Heizquelle ein Lichtbogen eingesetzt werden. Bei keiner der genannten Lösungen wird eine Läuterung im Sinne der Glastechnik erreicht. Weiterhin werden mit den WP 89673 und 90417 Lösungen eines Verfahrens zur Herstellung von rotationssymmetrischen Hohlkörpern aus Stoffen mit glasartigem Erstarrungsverhalten aufgezeigt, bei denen als Wesensmerkmal eine flüssige Schicht aus geschmolzenen Metallen oder Metalloxiden zwischen der Auskleidung des Rotationsofens und der Schmelze ein gleichmäßiges Strömen der Schmelze ermöglichen und die Korrosion der Auskleidung vermindern soll. Als mögliche Energiequelle wird hierbei auch Plasma erwähnt. Diese Verfahren gemäß WP 89673 und 90417 sind zur Herstellung von rotationssymmetrischen Hohlkörpern aus hochreinem geläutertem Kieselglas, die insbesondere einer thermischen Weiterbearbeitung unterzogen werden, nicht geeignet. Durchgeführte Versuche haben ergeben, daß eine Läuterung von Kieselglasschmelzen damit nicht möglich ist und daß aus der Zwischenschicht des flüssigen Metalls Ionen in die Kieselglasschmelze eindringen, die die Reinheit in völlig unzulässiger Weise verschlechtern, so daß eine Weiterverarbeitung unmöglich gemacht und ein Einsatz des Kieselglases in der Lichtquellen- und Halbleiterindustrie ausgeschlossen wird. Weiterhin sind mit den dargelegten Lösungen Temperaturen weit oberhalb des Schmelzpunktes von Kieselglas nicht zu erreichen, weil vorher die die flüssige Schicht bildenden Metalle stark zu verdampfen beginnen bzw. ihr Siedepunkt schon überschritten wird. Beiden bekannten Rotationsschmelzverfahren gelingt es gleichfalls nicht, einen blasenfreien Werkstoff zu erschmelzen, da der Blasenauftrieb trotz der begünstigten Wirkung der Zentrifugalkräfte so gering ist, daß die Mehrzahl der Blasen während einer üblichen Schmelzdauer nicht entweichen kann. Außerdem zeigen die mit diesen Verfahren hergestellten Hohlkörper starke Abweichungen von der Zylinderform, die auf eine ungleichmäßige Erwärmung des Schmelzgutes zurückzuführen sind. Daraus ergibt sich u.a. eine ungünstige Materialausnutzung.DE 681 809 and 865644 contain information on the production of rotationally symmetrical hollow bodies made of refractory materials, in particular silica glass, using rotary ovens. Furthermore, DE 3014311 shows a process for the production of special silica glass products, e.g. B. silica glass crucibles. Here, as in a rotary vacuum melting process, the blistering is prevented by an externally applied vacuum and used as a heating source, an arc. In none of the solutions mentioned is a refining in the sense of glass technology achieved. Furthermore, with the WP 89673 and 90417 solutions of a process for the production of rotationally symmetrical hollow bodies of materials with vitreous solidification behavior are shown in which allow as a feature of a liquid layer of molten metals or metal oxides between the lining of the rotary kiln and the melt, a uniform flow of the melt and should reduce the corrosion of the lining. Plasma is also mentioned here as a possible source of energy. These methods according to WP 89673 and 90417 are not suitable for the production of rotationally symmetrical hollow bodies made of high-purity, refined silica glass, which are subjected in particular to thermal further processing. Experiments carried out have shown that a refining of silica glass melts is not possible and that penetrate from the intermediate layer of the liquid metal ions in the silica glass melt, which deteriorate the purity in a completely undue manner, so that further processing impossible and use of the silica glass in the Light source and semiconductor industry is excluded. Furthermore, with the solutions outlined, temperatures far above the melting point of silica glass can not be achieved because previously the metals forming the liquid layer begin to evaporate strongly and their boiling point has already been exceeded. Likewise, it is not possible to melt a bubble-free material in both known rotary melting processes, since the bubble buoyancy, despite the favorable effect of the centrifugal forces, is so low that the majority of the bubbles can not escape during a typical melting time. In addition, the hollow body produced by these methods show strong deviations from the cylindrical shape, which are due to an uneven heating of the melt. This results u.a. an unfavorable material utilization.

Nach den Kompressionsverfahren hergestellte Materialien haben den Nachteil, daß bei einer formändernden thermischen Weiterverarbeitung der Durchmesser der Blasen sich wieder vergrößert und daraus resultierend die Qualität des Werkstoffes sich wiederum verschlechtert.The materials produced by the compression method have the disadvantage that the diameter of the bubbles increases again during a shape-changing thermal further processing and, as a result, the quality of the material in turn deteriorates.

Die Blasenreduzierung durch Verwendung leicht diffundierender Gase hat die Nachteile, daß Diffusionsvorgänge bei den üblichen Temperaturen lange Zeiträume beanspruchen und ein Teil der Gase gelöst im Werkstoff verbleibt und zu einer Minderung bestimmter Eigenschaften führen kann.The reduction of bubbles by using easily diffusing gases has the disadvantages that diffusion processes at the usual temperatures take long periods of time and some of the gases remain dissolved in the material and can lead to a reduction of certain properties.

-2- 748-2- 748

Der Nachteil der Dünnschichtschmelzverfahren liegt in der niedrigen Schmelzleistung und damit dergeringen Produktivität.The disadvantage of the thin-film melting process lies in the low melting performance and thus the low productivity.

Außerdem ist es kaum möglich, allseitig homogene Schmelzlinge herzustellen.In addition, it is hardly possible to produce homogeneous fused products on all sides.

Mitden bekannten Lichtbogen-oder Plasmalichtbogenschmelzverfahren kann gleichfalls kein blasenfreier Werkstoff hergestellt werden.Likewise, with the known arc or plasma arc melting process, no bubble-free material can be produced.

Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von hochschmelzenden Stoffen, insbesondere Kieselglas, erfolgt eine echte Läuterung des Materials nicht. Eine Minderung des üblicherweise hohen Verdampfungsverlustes wird mit den bekannten Schmelzverfahren nicht bzw. nur teilweise und zum Nachteil bestimmter Werkstoffeigenschaften erreicht.In the known processes for the production of high-melting substances, in particular silica glass, a true refining of the material does not take place. A reduction of the usually high evaporation loss is achieved with the known melting or not only partially and to the detriment of certain material properties.

Nachteilig bei vielen der bekannten Verfahren ist weiterhin, daß nur ganz bestimmte, geeignete Schmelzrohstoffe und eng begrenzte Kornspektren eingesetzt werden können. Dies erfordert einen sehr hohen Aufwand in der Aufbereitungsphase.Another disadvantage of many of the known processes is that only very specific, suitable melt raw materials and narrowly defined grain spectra can be used. This requires a very high effort in the preparation phase.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist ein hocheffektives Herstellungsverfahren für hochreine blasenarme Kieselglashohlkörper, das die Nachteile der bekannten Lösungen und Methoden überwindet, sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik verkürzte Schmelzzeit, hohe Produktivität und hohe Materialausnutzung auszeichnet und mit dem auch solche Schmelzrohstoffe verarbeitet werden können, die mit den bekannten Lösungen und Methoden nur eingeschränkt oder überhaupt nicht nutzbar sind.The object of the invention is a highly effective production process for high-purity low-bubble silica glass hollow bodies, which overcomes the disadvantages of the known solutions and methods, which is characterized by a shortened compared to the prior art melting time, high productivity and high material utilization and with which such raw materials can be processed, which are limited or not usable with the known solutions and methods.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ökonomisch vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Kieselglashohlkörpern sowohl aus konventionellen als auch aus unkonventionellen, mit bekannten Verfahren nicht oder nur eingeschränkt nutzbaren Kieselglasrohstoffen zu entwickeln, bei dem während der schmelzflüssigen Phase eine Läuterung der Schmelze durch Beseitigung der beim Einschmelzen des körnigen oder pulverförmigen Schmelzgutes entstehenden Blasen erreicht wird und die hergestellten Kieselglashohlkörper eine Reinheit aufweisen, die gleich oder besser als die des eingesetzten Schmelzgutes ist und gleichzeitig der Ausnutzungsgrad der eingesetzten Rohstoffe gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbessert wird.The invention has for its object to develop an economically advantageous method for producing rotationally symmetric Kieselglashohlkörpern both conventional and unconventional, with known methods not or only partially usable silica glass raw materials, wherein during the molten phase, a refining of the melt by elimination of the Melting of the granular or powdery melted material resulting bubbles is achieved and the produced silica glass hollow body having a purity that is equal to or better than that of the melt material used and at the same time the utilization rate of the raw materials used compared to the prior art is significantly improved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der kristalline oder amorphe, feinkörnig aufgemahlene Kieselglasrohstoff gleichmäßig einem Schmelzgefäß zugeführt, mit Lichtbogen- oder Plasmaheizung sehr hoher Leistung bei Leistungsdichten von 50 bis 200 W/cm² auf Temperaturen weit oberhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes aufgeheizt und damit die Viskosität der Schmelze weit unter die bei den bekannten Verfahren und Methoden erreichten Werte abgesenkt wird, derart, daß bei gleichzeitiger Unterstützung durch hohe Zentrifugalbeschleunigung (größer als 2000m · s~²) eine echte Läuterung der Schmelze im Sinne der Glastechnik erreicht wird und die in der Schmelze eingeschlossenen Blasen zur inneren Oberfläche aufsteigen können. Durch Anwendung von Drücken zwischen 0,1 und 5MPa im Schmelzraum können dabei die Verdampfungsverluste klein gehalten bzw. ein Sieden der Schmelze verhindert werden.According to the invention, the object is achieved in that the crystalline or amorphous, finely ground milled silica glass uniformly fed to a melting vessel, heated with arc or plasma very high performance at power densities of 50 to 200 W / cm ² at temperatures well above the melting or softening point and so that the viscosity of the melt is lowered far below the values achieved in the known methods and methods, such that with simultaneous support by high centrifugal acceleration (greater than 2000m · s ~ ² ) a true refining of the melt in the sense of glass technology is achieved and the bubbles trapped in the melt can rise to the inner surface. By applying pressures between 0.1 and 5 MPa in the melting chamber while the evaporation losses can be kept small or boiling of the melt can be prevented.

Im Ergebnis werden gut geläuterte, blasenarme und damit hochwertige Kieselglashohlkörper erhalten. Im Zusammenhang mit der angewendeten hohen Leistung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schmelzzeit gegenüber der herkömmlichen Technologie (z. B. dem Rotovak-Verfahren) drastisch reduziert und eine um den Faktor 3 bis 5 erhöhte Produktivität erreicht. • Die geforderte extreme Reinheit der Kieselglashohlkörper wird dadurch erhalten, daß der Kieselglasrohstaff bzw. die Schmelze nur mit dem gekühlten, erfindungsgemäß nicht ausgekleideten Schmelzgefäß in Berührung kommt, mit dem keine Reaktion stattfindet, so daß keine Fremdionen in die Schmelze einwandern können.As a result, well-purified, low-bubble and thus high-quality silica glass hollow bodies are obtained. In the context of the high power used, the process of the invention drastically reduces the melting time over conventional technology (eg, the Rotovak process) and increases productivity by a factor of 3 to 5. • The required extreme purity of the silica glass hollow body is obtained in that the Kieselglasrohstaff or the melt comes into contact only with the cooled, inventively non-lined melting vessel with which no reaction takes place, so that no foreign ions can migrate into the melt.

Weiterhin ergeben sich daraus eine sehr gute Maßhaltigkeit der hergestellten Hohlkörper und nur geringe Nachbearbeitung (Schleifen), daraus resultiert ein sehr hoher Materialausnutzungsgrad.Furthermore, this results in a very good dimensional stability of the hollow body produced and only minor post-processing (grinding), resulting in a very high degree of material utilization.

Die erfindungsgemäß erreichte Läuterung gestattet, daß neben dem Einsatz der konventionellen Kieselglasrohstoffe (Bergkristall) auch andere SiO2-Träger, z. B. Gangquarze, die mit anderen Verfahren nicht oder nur eingeschränkt verarbeitet werden können, weil die bei diesen Materialien verstärkt vorhandenen Gas-Flüssigkeitseinschlüsse eine Trübung durch feine Blasen der Schmelze bzw. des Kieselglases hervorrufen, verarbeitet werden können. Beim erfindungsgemäßen Verfahren verlassen dieses Blasen die Schmelze, so daß im Ergebnis ein klares Glas erhalten wird.The refining achieved according to the invention allows, in addition to the use of conventional silica glass raw materials (rock crystal), other SiO 2 supports, for. As Gang Quartz, which can not be processed or only limited with other methods, because the gas-liquid inclusions increasingly present in these materials cause turbidity by fine bubbles of the melt or silica glass, can be processed. In the process according to the invention, these bubbles leave the melt, so that as a result a clear glass is obtained.

Darüber hinaus werden bei dem Verfahren auch solche Kieselglasrohstoffe eingesetzt, deren Schüttdichte deutlich kleiner ist, als diejenige der konventionellen Rohstoffe. Kieselglashohlkörper mit der erforderlichen Wandstärke werden erfindungsgemäß durch eine weiterhin durchführbare Nachchargierung hergestellt.In addition, the method also uses silica raw materials whose bulk density is significantly lower than that of conventional raw materials. Kieselglashohlkörper with the required wall thickness are produced according to the invention by a further feasible Nachchargierung.

embodiment

Das Verfahren soll durch nachfolgendes Beispiel erläutert werden.The method will be explained by the following example.

Der in bekannter Weise aufbereitete Schmelzrohstoff, wie z. B. Bergkristall, kristallines Quarz, wird in körniger Form in ein metallisches Schmelzgefäß, das für eine hohe Rotation ausgelegt ist, keine Auskleidung aufweist, druckdicht abgeschlossen ist und Anschlußmöglichkeiten für Plasma-/Lichtbogenheizung enthält, eingebracht.The prepared in a known manner melting raw material such. As rock crystal, crystalline quartz, is in granular form in a metallic melting vessel, which is designed for high rotation, has no lining, pressure-sealed and contains connection options for plasma / arc heating introduced.

Das Einschmelzen des Schmelzgutes erfolgt mit einem Plasmalicht£>ogen vorzugsweise unter Normaldruck in Argonathmosphäre mit Leistungsdichten von etwa 20 W/cm².The melting of the melt takes place with a plasma light, preferably under atmospheric pressure in an argon atmosphere with power densities of about 20 W / cm ² .

Während der Einschmelzphase rotiert das Schmelzgefäß mit einer Drehzahl von 1400 U/min, so daß auf die entstehende Schmelze eine Zentrifugalbeschleunigung von 2500m s~² und örtlich Temperaturen von 3000K einwirken. An den Schmelzvorgang, der etwa 0,2 h dauert, schließt sich unmittelbar die Läuterungsphase an. Dabei wird durch gesteigerte Leistungsdichte bis 100W/cm² eine starke Überhitzung der Schmelze erreicht.During the melting phase, the melting vessel rotates at a speed of 1400 rpm, so that act on the resulting melt centrifugal acceleration of 2500m s ~ ² and locally temperatures of 3000K. The melting process, which lasts about 0.2 h, is followed immediately by the refining phase. Through increased power density up to 100W / cm ^2, a strong overheating of the melt is achieved.

Um ein Sieden der Schmelze bei diesen Temperaturen sicher zu verhindern, kann während dieser Phase ein Druck von 1-4MPa angelegt werden.In order to reliably prevent boiling of the melt at these temperatures, a pressure of 1-4 MPa can be applied during this phase.

Eine Steigerung der Zentrifugalbeschleunigung von 2500-500Om s~² unterstützt das Aufsteigen der Blasen nach der inneren Schmelzbadoberfläche. Die Zeitdauer dieser Läuterphase beträgt ca. 0,3 h.An increase in the centrifugal acceleration of 2500-500Om s- ² helps the bubbles to rise after the inner surface of the molten bath. The duration of this refining phase is about 0.3 h.

Nach Beendigung der Läuterung sind Leistungsdichte und gegebenenfalls Druck im Schmelzgefäß zu reduzieren und der Plasmalichtbogen abzuschalten. In der sich anschließenden Abkühlphase erstarrt das erschmolzene Kieselglas im Schmelzgefäß in Form eines zylindrischen Hohlkörpers und kann dem Schmelzgefäß entnommen werden.After completion of the refining, reduce the power density and, if necessary, the pressure in the melting vessel and switch off the plasma arc. In the subsequent cooling phase, the molten silica glass solidifies in the melting vessel in the form of a cylindrical hollow body and can be removed from the melting vessel.

Claims

claims:

1. A process for the preparation of refining rotationally symmetrical silica glass hollow bodies, in which the granular or powdered raw material is introduced batchwise into a cooled rotating melting vessel, which consists of a non-reacting with the hot melt material, there with the simultaneous use of plasma or. Arc heating and centrifugal forces from the inside to the outside to a thick layer only some grain layers and is refined, solidifies the melt in the rotating furnace vessel and the resulting hollow body is removed after cooling from the melting vessel, characterized in that the starting material or the melt is the realization of purification with power densities greater than 50W / cm ² heated to temperatures well above the melting point and at the same time a centrifugal acceleration greater than 2000 m · s ~ ² is generated, so that bubbles in the melt to the inner surface able to ascend, in order to carry out the refining process, said values for power density and centrifugal acceleration are not undershot for a period of 0.1 to 1 h and an overpressure of 0.5 to 5 MPa is produced above the melt to reduce material losses due to evaporation.

2. The method according to item 1, characterized in that for the production of hollow bodies with greater wall thickness after complete or partial melting down of the raw material in the rotating crucible with running or temporarily switched off plasma or arc heating additionally introduced into the melting vessel (recharged) and then is melted down and refined together with the previous batch.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the Nachchargiervorgang is performed several times.