DD296427A5

DD296427A5 - MELAGING DEVICE FOR AGGRESSIVE AND STRONG-EVAPORATING GLASSES

Info

Publication number: DD296427A5
Application number: DD90342716A
Authority: DD
Inventors: Thomas Kittel; Matthias Carl; Erich Heidenreich
Original assignee: Friedrich-Schiller-Universitaet Buero Fuer Forschungstransfer U. Industriekoop.,De
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1991-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schmelzvorrichtung fuer aggressive und starkverdampfende Glaeser, deren Schmelzen sehr aggressiv gegenueber oxidkeramischen Feuerfestmaterialien und/oder Edelmetallen sind, die auszerdem mit verschiedenen Bestandteilen der Atmosphaere reagieren, eine hohe Kristallisationsneigung aufweisen und stark zur selektiven Verdampfung von Hauptbestandteilen neigen. Die Aufgabe besteht darin, eine Schmelzvorrichtung zu schaffen, in der Glaeser mit diesen technologisch schwer handhabbaren Eigenschaften in hervorragender Qualitaet bezueglich Homogenitaet und Transmission sowie hoher Reproduzierbarkeit der optischen Hauptparameter mit hoher Gutausbeute herstellbar sind. Die Aufgabe wird geloest mit einem MF-beheizten und vorzugsweise in einer Glove-Box betriebenen abgeschlossenen Auslauftiegel aus beschichtetem Glaskohlenstoff, wobei die Oberflaeche der Schmelze durch eine auf ihr schwimmende Abdeckplatte aus Glaskohlenstoff eleminiert ist. FigurThe invention relates to a melting apparatus for aggressive and strongly evaporating glasses whose melts are very aggressive towards oxide ceramic refractory materials and / or precious metals which also react with various components of the atmosphere, have a high tendency to crystallize and are prone to selective evaporation of major constituents. The object is to provide a melting apparatus in which glasses with these technologically difficult-to-handle properties of outstanding quality with regard to homogeneity and transmission as well as high reproducibility of the main optical parameters with high yield can be produced. The object is achieved with a MF-heated and preferably operated in a glove box closed outlet crucible made of coated glassy carbon, wherein the surface of the melt is eliminated by a floating on her cover plate made of glassy carbon. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet dor ErfindungField of application of the invention

DIo Erfindung betrifft eine Schmolzvorrichtung für aggressive und storkvordampfendo Gläsor, mit dor sowohl im Labor- als auch im Produktionsmaßstab Gläsor hergestellt werden können, dio nobon oinor hohen Kristallisationsneigung vor allen Dingen die Eigenschaft haben, daß sio Im schmolzflüsslgon Zustand sehr aggrossiv sind und sowohl mit Bestandteilen der Atmosphäre als auch mit vielen Tiogelmatorialien reogioren, und daß sie darübor hinaus aus der Schmelze sehr stark selektiv verdampfen. Somit eignet sie sich insbesondere für dlo Herstellung von Fluorophosphatgläsern, Fluoridgläsern, Arsenat·, Phosphat-, Chalkogenidglä sern oder Lanthanschworflinten und -kronen in einer ausgezeichneten Homogenität und mit einer Schlierengüto, wie sie für don Einsatz solcher Gläsor zum Bau von Objektiven der Hochleistungsoptik notwendig ist.The invention relates to a Schmolzvorrichtung for aggressive and Storkvordampfendo Gläsor, with dor both in laboratory and on a production scale Gläsor can be produced, dio nobon oinor high crystallization tendency above all have the property that sio In molten state are very aggrossive and both with components The atmosphere as well as with many Tiogelmatorialien reogioren, and that they also very selectively evaporate from the melt thereafter selectively. Thus, it is particularly suitable for the preparation of fluorophosphate glasses, fluoride glasses, arsenate, phosphate, chalcogenide glasses or lanthanum bladders and crowns in excellent homogeneity and with a Schlieren quality, as is necessary for the use of such glasses for the construction of lenses of high performance optics ,

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es sind Herstellungsverfahren bekannt für Gläsor, dio mit Bestandteilen dor Atmosphäre reagieren, eine hohe Kristallisationsneigung aufweisen und eine starke Tendenz zur Schlierenbildung haben. So beschreibt DD-WP 147093 eine Vorrichtung, In der Gläser mit solchen technologisch schwer beherrschbaren Eigenschaften kristallfroi und in guter Homogenität herstellbar sind. Es handelt sich daboi um einen Auslauftiegel, der auf Grund seiner Konstruktionsmerkmale nicht nur aus Metall gefertigt werden kann. Gemäß dieser Erfindung wird eine Reaktion der Glasschmelze mit Bestandteilen der Atmosphäre verhindert durch einen Deckelvorschluß, gebildet mit einem fest mit einem Rührer verbundenen Deckel, der in eine am oberen Tiegelrand angebrachte Glastasche hineinragt. Dadurch wird oino se'ektive Verdampfung von Bestandteilen der Glasschmelze zum größten Teil ausgeschlossen. Zwischen Glasschmelze und Atmosphäre im oberen Teil des abgeschlossenen Tiegels bildet sich ein Gleichgewicht heraus und eine Reaktion mit dem Sauerstoff bzw. dor Feuchtigkeit der Luft wird verhindert. Beides trägt erheblich zur Minimierung der Schilorenbildung bei. Der hohen Kristallisationsneigung wird durch die Realisierung eines sehr kloinen Temperaturgrodionten entgegengewirkt, was durch die Gestaltung des Tiegeldeckels als wärmeroflektierende Kuppel erreicht wird, verbunden mit vier getrennt voneinander regolbaren Heizkreisen für Deckelrührer, Tiegelwand, Tiegelboden und Auslaufstutzen.Manufacturing methods are known for glasses which react with constituents of the atmosphere, have a high tendency to crystallize and have a strong tendency to form streaks. For example, DD-WP 147093 describes a device in which glasses with such technologically difficult-to-control properties can be produced crystal-clear and in good homogeneity. It is daboi a spout, which can be made due to its design features not only made of metal. According to this invention, a reaction of the glass melt with constituents of the atmosphere is prevented by a Deckelvorschluß, formed with a firmly connected to a stirrer lid, which projects into a mounted on the upper edge of the crucible glass bag. This largely excludes oxy-selective evaporation of constituents of the molten glass. Between glass melt and atmosphere in the upper part of the closed crucible equilibrium forms and a reaction with the oxygen or dor humidity of the air is prevented. Both contribute significantly to the minimization of Schilorenbildung. The high crystallization tendency is counteracted by the realization of a very low temperature Temperaturdiontenten, which is achieved by the design of the crucible lid as a heat-reflecting dome, connected to four separately controllable heating circuits for top stirrer, crucible wall, crucible bottom and outlet.

Für die Herstellung von Gläsern, dio neben don hier beschriebenen extremen technologischen Eigenschaften außerdem sehr aggressiv sind und die sowohl mit Oxidkeramiken als auch mit Edelmetallen als Feuerfestmaterial mehr oder weniger stark reagieren, wird in DD-WP 2778642 eine Schmelzvorrichtung beschrieben. Es handelt sich hierbei um einen vom Prinzip her ähnlichen Aualauftiegel wie in DD-WP 147093 beschrieben, allerdings aus Glaskohlenstoff gefertigt. Um den Abbrand des Glaskohlenstoffs bei höheren Temperaturen zu verhindern, wird der Tiegel in nichtoxidierender Atmosphäre betrieben, die mit einem evakuierbaren Kessel eingestellt werden kann.For the production of glasses, in addition to the here described extreme technological properties are also very aggressive and react more or less strongly with both oxide ceramics and precious metals as a refractory material, a melting device is described in DD-WP 2778642. This is a similar in principle Aualauftiegel as described in DD-WP 147093, but made of glassy carbon. In order to prevent the burning of the glassy carbon at higher temperatures, the crucible is operated in a non-oxidizing atmosphere, which can be adjusted with an evacuable boiler.

Ein Nachteil der hier beschriebenen Erfindungen ist dor, daß der hermetische Verschluß des Schmelzgefäßes jeweils durch eine Glastasche realisiert wird. Diotrfahrung im Umgang mit solchen Auslauftiegeln lehrt, daß die Glastasche häufig dio Ursache und Quelle für Störungen bzw. Ausbeutoverlusten ist. Das liegt daran, daß aus praktischen Zwängen heraus das in der Glastasche befindliche Glas sich in der Zusammensetzung von dem zu erschmelzenden Glas unterscheidet. Durch Verdampfung bzw. Überschwappen dar Glastasche kann es zur Bildung von Schlieren und/oder Kristallen bzw. Blasen im auszuarbeitenden Glas kommen.A disadvantage of the inventions described here is that the hermetic closure of the melting vessel is realized by a glass bag. The experience of dealing with such leaflets teaches that the glass bag is often the cause and source of disturbance or yield losses. This is because, for practical reasons, the glass in the glass bag differs in composition from the glass to be melted. Evaporation or spilling over of the glass bag can lead to the formation of streaks and / or crystals or bubbles in the glass to be processed.

Ein weiterer Nachteil ist der, daß durch den Verschluß mittels Glastascho zwar die Wechselwirkung mit dor freien Atmosphäre unterbunden und die Verdampfung des Glases stark eingeschränkt ist. Eine Verdampfung von Komponenten aus der Schmelze in den Tiegeloberraum läßt sich jedoch nicht vermeiden, so daß an der Schmelzoberfläche eine vom Volumeninnern etwas abweichende Zusammensetzung entstehen kann. Im Homogenisierungsprozeß durch Rühren werden diese Oberflächenbereiciie in das Volumen hineingearbeitet und geben sich im fertigen Glas als Schlieren zu erkennen.Another disadvantage is that prevented by the closure means Glastascho Although the interaction with dor free atmosphere and the evaporation of the glass is severely limited. However, evaporation of components from the melt into the crucible upper space can not be avoided so that a composition deviating somewhat in terms of volume from the inside of the melt can be formed. In the homogenization process by stirring these Oberflächenbereiciie worked into the volume and reveal themselves in the finished glass as streaks.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum Erschmelzen von kristallisationsanfälligen Gläsern, die zudem Oxidkeramiken und Edelmetalle als Feuerfestmaterial angreifen und leichtverdampfende Komponenten enthalten, um diese Gläser im Labor- und Produktionsmaßstab herzustellen in einer optischen Homogenität, die höchsten AnforderungenThe object of the invention is to provide a device for melting crystallization-prone glasses, which also attack oxide ceramics and precious metals as a refractory material and contain volatile constituents to produce these glasses on a laboratory and production scale in an optical homogeneity, the highest requirements

genügt. Dazu soll olno Schmolzvorrichtung entwickelt worden, die trotz Verzicht auf die störend wirkende Glastasche einen hermetischen Verschluß dos Auslauftlogels gewährleistet und In dem durch elno bosondore konstruktive Lösung dlo oborflächonnnlio Zone dor Glasschmelze In keinor Wolso Ausgangspunkt neu entstehender Inhomogenitäten (Schlieren/Blasen) sein kann.enough. For this purpose, olo Schmolz device has been developed, which ensures despite a waiver of the disturbing glass bag a hermetic closure dos outlet and in the constructive solution by elno bosondore dlo oborflächonnnlio zone dor molten glass in noor Wolso starting point newly arising inhomogeneities (streaks / bubbles) may be.

Dnrlogung dos Wosons der Erfindung 'Installation of the Wosons of the invention

Aufgabe der Erfindung Ist es, eine Schmelzvorrichtung für aggressive und etorkvordampfendo Gläsor zu entwickeln, die auf Grund ihrer konstruktiven Besonderheiten insbesondere eine starke Verdampfung und dio aus Ihr resultierende Schlierenbildung in den Gläsern vermoidot.OBJECT OF THE INVENTION It is to develop a melting device for aggressive and etorkvordampfendo Gläsor, which vermoidot in particular due to their design features a strong evaporation and dio from their resulting streaking in the glasses.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich In der Schmelzvorrichtung auf der Oberfläche der Glasschmelze eine au' ihr schwimmende Abdockscheibe befindet.According to the invention, the object is achieved in that in the melting device on the surface of the molten glass is a au 'her floating Abdockscheibe.

Für die Herstellung der Schmolzvorrichtung hat sich feinkörniger Elektrodengraphit als bosonders vorteilhaft erwiesen, da er mechanisch sehr gut und mit hoher Präzision bearbeitbar ist.For the production of Schmolzvorrichtung fine-grained electrode graphite has proven to be particularly advantageous because it is machined very well and with high precision.

Zur Erzielung der erforderlichen hohen Resistenz der Schmelzvorrichtung gegenüber dem mechanischen und chemischen Angriff von Glasschmolzen wird diese bzw. zumindest alle mit der Schmelze in Berührung kommenden Teile oberflächlich mit einer Glaskohlenstoffschicht überzogen. Diese Beschichtung der Schmelzvorrichtung aus Graphit erfolgt dabei nach dem bekannton CVD-Verfahren.To achieve the required high resistance of the melting device against the mechanical and chemical attack of glass melted these or at least all coming into contact with the melt parts are superficially coated with a glassy carbon layer. This coating of the melting device made of graphite is carried out according to the bekannton CVD method.

Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß durch den auf Passo gearbeiteten Deckel die Schmelzvorrichtung wirkungsvoll abgeschlossen wird. Dadurch kann, obwohl auf dio bisher verwendete Glastasche, die vielfach die Quelle von Störungen bzw. Ausbeuteverlusten ist, verzichtet wurde, ein ausreichender Abschluß der Schmelzvorrichtung von dor umgebenden Atmosphäre erzielt werden.Particularly advantageous is that the melting device is effectively completed by the lid worked on Passo. As a result, although the previously used glass bag, which is often the source of disturbance or loss of yield, has been dispensed with, sufficient sealing of the melting device from the surrounding atmosphere can be achieved.

Überraschend wurde festgestellt, daß mit der beschriebenen Schmelzvorrichtung aus glaskohlenstoffbeschichtetem Graphit, mit dem beschriebenen Dockelverschluß ohne Verwendung einer Glastasche und der orfindungsgemäßen Abdeckplatte, die auf der Oberfläche der Glasschmelze schwimmt, die Verdampfung von Hauptkomponenten aus der Glasschmelze heraus so stark unterbunden wird, daß Gläser, die ansonsten zu einer hartnäckigen Schlierenbildung neigen, in hervorragender Schlierongüte und Blasenqualität hergestellt werden können.Surprisingly, it has been found that with the described melting device of glassy carbon-coated graphite, with the described Dockelverschluß without using a glass bag and the orindenungsgemäßen cover plate floating on the surface of the glass melt, the evaporation of major components is prevented from the glass melt out so strong that glasses, otherwise prone to stubborn streaking, can be made in excellent schlierongüte and bubble quality.

Bekanntlich ändern sich die Partialdrücko der Komponenten in der Glasschmelze mit der Temperatur und es stellt sich ein temperaturabhängiges Gleichgewicht zwischen der Glasschmelze und der Gasatmosphäre im oberen Bereich eines abgeschlossenen Schmelzgefäßes ein. Diese Verdampfungsprozesse f uhren z. B. in einem abgeschlossenen Auslauftiegel dazu, daß an der Oberfläche der Schmelze eine Zusammensetzung entsteht, die etwas von der im Innern der Schmölze abweicht.As is known, the partial pressures of the components in the molten glass change with temperature, and a temperature-dependent equilibrium arises between the glass melt and the gas atmosphere in the upper region of a closed melting vessel. These evaporation processes lead z. B. in a closed outlet crucible to the fact that on the surface of the melt, a composition that is slightly different from that inside the Schmölze.

Durch den Homogenisierungsprozeß mittels Zentralrührer wird die Oberfläche ständig in das Volumen hineingearbeitet. Wenn diese Zusammensetzungsunterschiede aucn nicht groß sind, so sind sie doch ausreichend, um eine Feinschlierigkeit zu verursachen, die beim Einsatz dieser Gläser in der Hochleistungsoptik stört. Die Eliminierung der Oberfläche durch eine auf ihr schwimmende Abdeckplatte aus glaskohlenstoffbeschichtetem Graphit sorgt dafür, daß die oberflächennahen Bereiche nicht mehr die Quelle für neuentstehende Schlieren und andere Inhomogenitäten sind. Erfindungsgemäß ist die Abdeckplatte so gestaltet, daß zwischen Rührerschaft und Abdeckplatte .sowie Abdeckplatte und Innenwand der Schmelzvorrichtung ein Zwischenraum Ist, der 2 mm nicht überschreitet. Überraschenderweise ist die Wirkung der Abdeckplatte und deren erfindungsgemäßen Dimensionierung auf die Unterdrückung dor selektiven Verdampfung von Komponenten aus der Glasschmelze heraus so stark, daß dadurch eine bedeutende Erhöhung der Ausbeute an schlierenfreiem Glas zum Einsatz in die Hochleistungsoptik resultiert.Through the homogenization process by means of central stirrer, the surface is constantly worked into the volume. While these compositional differences are not great, they are still sufficient to cause fine whipping which interferes with the use of these glasses in high performance optics. The elimination of the surface by a glassy carbon-coated graphite cover plate floating on top of it ensures that the near-surface areas are no longer the source of emerging streaks and other inhomogeneities. According to the invention the cover plate is designed so that between the stirrer shaft and cover plate and the cover plate and the inner wall of the melting device is a gap which does not exceed 2 mm. Surprisingly, the effect of the cover plate and its inventive dimensioning on the suppression of the selective evaporation of components from the molten glass out so strong that this results in a significant increase in the yield of streak-free glass for use in the high performance optics.

AusführungsbelsplelAusführungsbelsplel

Die Erfindung wird im nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch die erfindungsgemäße Schmelzvorrichtung.The invention will be explained in more detail in the following embodiment. The accompanying drawing shows schematically the melting device according to the invention.

Das Schmelzgefäß 1 besitzt am unteren Ende einen Auslaufstutzen 2 und wird mit einem auf Passe gearbeiteten Deckel 3 hermetisch abgeschlossen. In dem Deckel 3 wird durch eine Rührerdurchführung 5 ein Rührer 4 geführt, Auf der Oberfläche der Schmelze befindet sich eine Abdeckplatte 6. Tiegel 1, Auslaufstutzen 2, Deckel 3, Flügelrührer 4 sowie Abdeckplatte 6 bestehen auf feinkörnigem Elektrodengraphit, welcher mit Glaskohlenstoff beschichtet ist.The melting vessel 1 has at the lower end an outlet nozzle 2 and is hermetically sealed with a lid 3 worked on Passe. A stirrer 4 is guided in the lid 3 by a stirrer feedthrough 5. A cover plate 6 is located on the surface of the melt. Crucible 1, outlet stub 2, lid 3, stirrer 4 and cover plate 6 are made of fine-grained electrode graphite coated with vitreous carbon.

Der Auslauftiegel wird mit einem auf Passe gearbeiteten Deckel 3 verschlossen. Der während des Betriebes der Schmelzvorrichtung notwendige Druckausgleich wird über die Rührerdurchführung 5 gewährleistet. Jo nach Verhältnis DurchmessenHöhe des Auslauftiegels kann der Zentralrührer als Flügel- oder Wendelrührer gestaltet werden mit einer ausreichenden Förderwirkung, um die gesamte Schmelze vom Boden der Schmelzvorrichtung bis zu der auf der Schmelze schwimmenden Abdeckplatte 6 zu homogenisieren.The outlet pot is closed with a lid 3 worked on a passe. The pressure equalization necessary during operation of the melting device is ensured via the stirrer passage 5. According to the ratio of the height of the spout, the central stirrer can be designed as a vane or helical stirrer with a sufficient conveying action to homogenize the entire melt from the bottom of the melting device to the cover plate 6 floating on the melt.

Durch die bis fast an den Tiegelrand grenzende Abdeckplatte 6 mit einer zentralen Aussparung für dio Rührerdurchführung 5 wird eine Verdampfung der Glasschmelze in den Tiegelraum hinein verhindert und die bei ähnlichen abgeschlossenen Auslauftiegeln störende freie Oberfläche eliminiert.By bordering almost to the edge of the crucible cover plate 6 with a central recess for dio stirrer duct 5 evaporation of the molten glass is prevented in the crucible space inside and eliminates annoying in similar completed outlet pans free surface.

Diese Schmelzvorrichtung kann in einer Glovo-Box untergebracht werden, in der eine ganz definierte Zusammensetzung der Atmosphäre eingestellt werden kann, Mit einer entsprechenden BMSR-Regelung einer Mittelfrequenzheizung können beliebige Schmelzprogramme reproduzierbar gefahren werden. In ihrer Summe sorgen die beschriebenen konstruktiven und technischen Lösungen dafür, daß in der erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtung reaktive Gläser das Feuerfestmateiial nicht angreifen, daß die Schmelze mit Bestandteilen der Atmosphäre, wie Luftfeuchtigkeit oder Sauerstoff, nicht reagieren kann, daß stark zur Kristallisation neigende Gläser kristallfrei und solche mit einer hartnäckigen Schiierenbildung in hoher Homogenität herstellbar sind und die optischen Hauptparameter solcher leichtverdampfbare Komponenten enthaltende Gläser, wie Fluorophosphat- oder Fluoridgläser, Tellurit-, Chalkogenidgläser u.a. in sehr engen Toleranzbereichen reproduzierbar gehalten werden können.This melting device can be accommodated in a glove box, in which a well-defined composition of the atmosphere can be adjusted, With a corresponding BMSR control of a medium frequency heating any melt programs can be driven reproducible. In sum, the described constructive and technical solutions ensure that in the melting device according to the invention reactive glasses do not attack the Feuerfestmateiial that the melt with constituents of the atmosphere, such as atmospheric moisture or oxygen, can not react that crystal highly prone to crystallization glasses and such can be produced with a persistent Schiierenbildung in high homogeneity and the main optical parameters of such easily evaporable components containing glasses, such as fluorophosphate or fluoride glasses, tellurite, chalcogenide glasses, inter alia can be kept reproducible in very narrow tolerance ranges.

Daraus resultiert eine hohe Ausbeute an Glas mit extremen Eigenschaften, das höchsten optischen Ansprüchen genügt.This results in a high yield of glass with extreme properties that meets the highest optical demands.

Claims

1. Melting device for aggressive and strong vaporizing glasses consisting of a sealed crucible with outlet nozzle and stirrer, characterized in that there is a floating cover plate in the melting device on the surface of the molten glass.

2. Melting device according to claim (1), characterized in that the cover plate 6 is designed as a perforated disc and that between her and the leadership and between her and the melting vessel is a gap of a maximum of 2 mm.

3. Melting device according to claim (2), characterized in that the cover plate 6 is made of vitreous carbon or of glassy carbon coated graphite.