DE102010021693A1 - Process for the preparation of quartz glass grains - Google Patents

Process for the preparation of quartz glass grains Download PDF

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DE102010021693A1
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Walter Lehmann
Thomas Kayser
Martin Trommer
Christian Nasarow
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Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
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Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
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Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörnung durch Sintern einer Schüttung eines rieselfähigen SiO2-Granulats aus porösen Granulatteilchen wird diese erhitzt und unter Bildung von Quarzglasteilchen verglast. Um ausgehend von porösem SiO2-Granulat eine kontinuierliche und preisgünstige Herstellung transparenter synthetischer Quarzglaskörnung mit geringem Hydroxylgruppengehalt zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verglasen der porösen Granulatteilchen unter Vakuum oder in einer Helium enthaltenden Atmosphäre mittels mindestens eines Laserstrahls erfolgt.In a known method for producing quartz glass grains by sintering a bed of free-flowing SiO2 granulate made of porous granulate particles, it is heated and vitrified with the formation of quartz glass particles. In order to enable a continuous and inexpensive production of transparent synthetic quartz glass grains with a low hydroxyl group content starting from porous SiO2 granulate, it is proposed according to the invention that the vitrification of the porous granulate particles take place under vacuum or in an atmosphere containing helium by means of at least one laser beam.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörnung durch Sintern einer Schüttung eines rieselfähigen SiO2-Granulats aus porösen Granulatteilchen, indem diese erhitzt und unter Bildung von Quarzglasteilchen verglast werden.The present invention relates to a method for the production of quartz glass grain by sintering a bed of free-flowing SiO 2 granules of porous granules by heating them and vitrifying them to form quartz glass particles.

Aus porösen Granulatteilchen bestehendes synthetisches SiO2-Granulat wird durch Agglomeration und Verdichtung von amorphem SiO2-Pulver erhalten, wie es beispielsweise bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas bei Fällungsreaktionen oder bei CVD-Abscheideverfahren als so genannter Soot- oder Filterstaub anfällt. Da die unmittelbare Verwertung des Sootstaubs durch Einschmelzen wegen der geringen Schüttdichte problematisch ist, wird dieser in der Regel anhand üblicher Aufbau- oder Pressgranulierungsverfahren vorverdichtet. Als Beispiele seien die Rollgranulation in einem Granulierteller, Sprühgranulation, Zentrifugalzerstäubung, Wirbelschichtgranulation, Granulierverfahren unter Einsatz einer Granuliermühle, Kompaktierung, Walzenpressen, Brikettierung, Schülpenherstellung oder Extrudierung genannt.Synthetic SiO 2 granules consisting of porous granulate particles are obtained by agglomeration and densification of amorphous SiO 2 powder, as obtained, for example, in the production of synthetic quartz glass in precipitation reactions or in CVD precipitation processes as soot or filter dust. Since the immediate utilization of the soot dust by melting is problematic because of the low bulk density, this is usually pre-compacted using conventional construction or Pressgranulierungsverfahren. Examples include roll granulation in a granulating plate, spray granulation, centrifugal atomization, fluidized bed granulation, granulation using a granulating mill, compaction, roll pressing, briquetting, slug production or extrusion.

Die dabei anfallenden diskreten, mechanisch und gegebenenfalls auch thermisch vorverdichteten Partikel setzen sich somit aus einer Vielzahl von Primärpartikeln zusammen und werden hier als „SiO2-Granulatteilchen” bezeichnet. In ihrer Gesamtheit bilden sie das poröse „SiO2-Granulat”.The resulting discrete, mechanically and optionally thermally pre-compressed particles are thus composed of a multiplicity of primary particles and are referred to herein as "SiO 2 granulate particles". In their entirety they form the porous "SiO 2 granulate".

Derartiges poröses „SiO2-Granulat” ist zwar einfacher zu handhaben, jedoch zur Herstellung von transparentem, synthetischem Quarzglas nur eingeschränkt geeignet. Denn beim Einschmelzen des „SiO2-Granulats” besteht die Gefahr, dass sich geschlossene, gasgefüllte Hohlräume bilden, die aus der hochviskosen Quarzglasmasse nicht oder nur sehr langsam zu entfernen sind und die so zu Blasen im Quarzglas führen. Deshalb ist es für anspruchsvolle Anwendungen in der Regel notwendig, aus den porösen Granulatteilchen amorphe, transparente Quarzglasteilchen zu erzeugen.Although such porous "SiO 2 granulate" is easier to handle, but only limited suitable for the production of transparent, synthetic quartz glass. Because when melting the "SiO 2 granules" there is a danger that form closed, gas-filled cavities that are not or only very slowly to remove from the high-viscosity quartz glass mass and thus lead to bubbles in the quartz glass. Therefore, it is usually necessary for demanding applications to produce amorphous, transparent quartz glass particles from the porous granules.

Stand der TechnikState of the art

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verglasen von synthetischem SiO2-Granulat ist aus der EP 1 076 043 bekannt. Es wird vorgeschlagen, poröses SiO2-Granulat in eine Brenngasflamme einzurieseln, um es darin fein zu verteilen und bei Temperaturen von 2000 bis 2500°C zu verglasen. Das Granulat wird vorzugsweise durch Sprüh- oder Nassgranulation von Filterstaub erhalten und hat Korngrößen im Bereich von 5 bis 300 μm. Vor dem Verglasen kann es durch Behandlung mit Mikrowellenstrahlung erhitzt und vorverdichtet werden.A generic method for vitrifying synthetic SiO 2 granules is known from EP 1 076 043 known. It is proposed to throw porous SiO 2 granules into a fuel gas flame in order to finely distribute it therein and to vitrify at temperatures of 2000 to 2500 ° C. The granules are preferably obtained by spray or wet granulation of filter dust and have particle sizes in the range of 5 to 300 microns. Before vitrification, it can be heated and precompressed by treatment with microwave radiation.

In der Brenngasflamme werden jedoch insbesondere große Teilchen nicht ausreichend aufgeheizt, was das Sintern zu transparenten Quarzglasteilchen erschwert. Es besteht auch die Gefahr, dass die Quarzglasteilchen durch die Brenngase verunreinigt werden. Dabei ist insbesondere eine Beladung mit Hydroxylgruppen bei Einsatz wasserstoffhaltiger Brenngase zu nennen, was mit einer vergleichsweise niedrigen Viskosität des Quarzglases einhergeht.In the fuel gas flame, however, especially large particles are not sufficiently heated, which makes sintering into transparent quartz glass particles difficult. There is also the danger that the quartz glass particles are contaminated by the combustion gases. In particular, a loading with hydroxyl groups when using hydrogen-containing fuel gases is to be mentioned, which is accompanied by a comparatively low viscosity of the quartz glass.

In der EP 1 088 789 A2 wird zum Verglasen von porösem SiO2-Granulat vorgeschlagen, das synthetisch erzeugte Granulat zunächst durch Erhitzen in HCl-haltiger Atmosphäre zu reinigen, anschließend in einem Fließbett zu kalzinieren und dann unter Vakuum oder Helium unter Wasserstoff zu verglasen.In the EP 1 088 789 A2 is proposed for vitrification of porous SiO 2 granules to purify the synthetic granules initially by heating in HCl-containing atmosphere, then calcined in a fluidized bed and then vitrified under vacuum or helium under hydrogen.

Hierbei handelt es sich um ein diskontinuierliches Verglasungsverfahren mit geringem Durchsatz und einem im Ergebnis relativ teueren Granulat.This is a discontinuous vitrification process with low throughput and a result in the relatively expensive granules.

Bei dem in der US 5,604,163 A beschriebenen Verfahren wird nach der Sol-Gel-Methode durch Polymerisation von Tetramethoxysilan ein SiO2-Gel hergestellt und im Vakuum rasch getrocknet, so dass es unter Bildung von SiO2-Granulat zerbricht. Das Granulat wird anschließend in einen Sinterbehälter aus Quarzglas eingefüllt und in einem elektrisch beheizten Ofen chargenweise gesintert. Hierzu wird das Granulat mit einer Aufheizrate von 200°C/h auf 1150°C erhitzt und bei dieser Temperatur 35 Stunden gehalten.In the in the US 5,604,163 A described method is prepared by the sol-gel method by polymerization of tetramethoxysilane, a SiO 2 gel and dried rapidly in vacuo, so that it breaks to form SiO 2 granules. The granules are then filled into a sintered container made of quartz glass and sintered in batches in an electrically heated furnace. For this purpose, the granules are heated at a heating rate of 200 ° C / h to 1150 ° C and held at this temperature for 35 hours.

Auch hier handelt es sich um ein diskontinuierliches Verglasungsverfahren, einhergehend mit einer großen thermischen Trägheit des Ofens und demzufolge langen Prozessdauern mit dementsprechend hohem Zeit- und Kostenaufwand. Zudem kann es im Ofen zu Agglomerationen der sinternden Granulatteilchen kommen, die zu einer undefinierten, porenhaltigen Quarzglasmasse führen.Again, it is a discontinuous vitrification process, accompanied by a large thermal inertia of the furnace and consequently long process times with correspondingly high time and cost. In addition, agglomerations of the sintering granulate particles can occur in the furnace, leading to an undefined, porous quartz glass mass.

Technische AufgabenstellungTechnical task

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das ausgehend von porösem SiO2-Granulat eine kontinuierliche und preisgünstige Herstellung transparenter synthetischer Quarzglaskörnung mit geringem Hydroxylgruppengehalt ermöglicht.The invention is therefore based on the object of specifying a method which, starting from porous SiO 2 granules, enables a continuous and inexpensive production of transparent synthetic quartz glass grains having a low hydroxyl group content.

Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verglasen der porösen Granulatteilchen unter Vakuum oder in einer Helium enthaltenden Atmosphäre mittels mindestens eines Laserstrahls erfolgt.This object is achieved on the basis of a method of the type mentioned in the present invention, that the vitrification of the porous granules takes place under vacuum or in a helium-containing atmosphere by means of at least one laser beam.

Durch Verglasen der Schüttung aus porösem SiO2-Granulat unter Vakuum oder in einer Helium enthaltenden Atmosphäre ist ein blasenfreies oder blasenarmes Einschmelzen der porösen Granulatteilchen erreichbar. Gegebenenfalls eingeschlossene Gase bestehen zu mindestens 50 Vol.-% aus Helium, wobei Anteile von Wasserstoff bis zu 50 Vol.-%, das bei der Weiterverarbeitung der verglasten Quarzglaskörnung ebenfalls leicht ausdiffundieren kann, sowie geringe Anteile weiterer Gase (bis etwa 5 Vol.-%) unschädlich sind. By vitrification of the bed of porous SiO 2 granules under vacuum or in a helium-containing atmosphere, a bubble-free or low-bubble melting of the porous granule particles can be achieved. Optionally trapped gases consist of at least 50 vol .-% of helium, with proportions of hydrogen up to 50 vol .-%, which can also easily diffuse out in the further processing of vitrified quartz glass grain, and small amounts of other gases (up to about 5 vol. %) are harmless.

Zum Erhitzen der Granulatteilchen wird ein Laserstrahl oder es werden mehrere Laserstrahlen eingesetzt. Der mindestens eine Laserstrahl ist auf die Granulat-Schüttung fokussiert. Dadurch ergibt sich eine lokal hohe Temperatur auf den Granulatteilchen, ohne dass diese mechanisch (durch Verblasen) oder chemisch (durch Verunreinigungen) von einem Brenngas beeinflusst werden. Beim Erhitzen weicht das Granulatteilchen somit nicht aus und es wird auch nicht mit etwaigen Verunreinigungen eines Brenngases beladen. Wegen des lokalen Erhitzens mittels Laserstrahl wird jedoch nur des bestrahlte Schüttungsbereich erhitzt und verglast, so dass die Granulatteilchen zwischenzeitlich immer wieder abkühlen, was einerseits ein Zusammensintern mit benachbarten Teilchen und Verbackungen vermindert, und was andererseits zu einer geringen thermischen Trägheit des Prozesses beiträgt.For heating the granulate particles, a laser beam or several laser beams are used. The at least one laser beam is focused on the granulate bed. This results in a locally high temperature on the granules without these being influenced mechanically (by blowing) or chemically (by impurities) by a fuel gas. When heated, the granulate thus does not dodge and it is not loaded with any impurities of a fuel gas. Because of the local heating by means of a laser beam, however, only the irradiated bed area is heated and vitrified, so that the granules cool down again and again, which on the one hand reduces sintering with adjacent particles and caking, and on the other hand contributes to a low thermal inertia of the process.

Durch fortwährendes Zuführen von Granulatteilchen zu dem Laserstrahl ist das Verfahren zudem kontinuierlich durchführbar.By continuously supplying granules to the laser beam, the method is also continuously carried out.

Die Relativbewegung zwischen Schüttung und Laserstrahl erfolgt durch kontinuierliche Bewegung des Lasers, optische Ablenkung des Laserstrahls wie beispielsweise ein oszillierendes Hin- und Herbewegen, vorzugsweise jedoch durch eine Bewegung der Schüttung der Granulatteilchen. In dem Zusammenhang hat es sich besonders bewährt, wenn die Granulat- Schüttung auf einem Träger erzeugt und mittels oder auf diesem beim Verglasen relativ zum Laserstrahl kontinuierlich bewegt wird.The relative movement between the bed and the laser beam is carried out by continuous movement of the laser, optical deflection of the laser beam such as an oscillating reciprocating, but preferably by a movement of the bed of granules. In the context, it has proven particularly useful if the granulate bedding is produced on a carrier and continuously moved by means of or on this during glazing relative to the laser beam.

Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um ein Rohr, einen Tiegel, eine Rinne, einen Teller oder eine Scheibe. Die Bewegung der Schüttung wird durch kontinuierliches Bewegen des Trägers oder der Granulat-Schüttung erzeugt, wie etwa durch Umwälzen, Rütteln, Schleudern oder Rühren. Wesentlich ist, dass die Granulatteilchen relativ zum Laserstrahl bewegt werden und die Körnung dabei gleichzeitig dem Eigengewicht der Schüttung unterworfen wird. Die dadurch erzeugte mechanische Einwirkung trägt zu einer Separierung agglomerierter Körnungsteilchen bei.The carrier is, for example, a pipe, a crucible, a gutter, a plate or a disk. The movement of the bed is generated by continuously moving the support or granulate bed, such as by tumbling, shaking, spinning or stirring. It is essential that the granules are moved relative to the laser beam and the granulation while the net weight of the bed is subjected. The mechanical action generated thereby contributes to the separation of agglomerated granules.

Besonders bewährt hat sich eine Verfahrensweise, bei der die Bewegung der Granulat-Schüttung in einem um eine Mittelachse rotierenden Drehrohr erfolgt, und dass der Laserstrahl in streifendem Einfall auf die Granulat-Schüttung gerichtet ist.Has proven particularly useful a procedure in which the movement of the granulate bed is carried out in a rotating about a central axis rotary tube, and that the laser beam is directed in grazing incidence on the granulate bed.

Das Drehrohr ist in Längsrichtung leicht geneigt, um einen Transport des Granulats von seiner Einlaufseite zur Auslaufseite herbeizuführen. Die Granulat-Schüttung wird in dem Drehrohr kontinuierlich umgewälzt. Dabei wird fortlaufend an der Drehrohrwandung anliegende Körnung zur Drehrohrmitte auf die Oberseite der Schüttung in den Laserstrahl transportiert und dabei erhitzt und verglast. Von dort gelangt die ganz oder teilweise verglaste Körnung beim weiteren Umwälzen in das Innere der Schüttung oder unter die Schüttung und kühlt dabei schnell wieder ab, wobei sie gleichzeitig mechanischen Kräften ausgesetzt ist, die durch das Gewicht und die Umwälzung der Schüttung erzeugt werden. Etwaige Agglomerate der verglasten Körnung werden dabei wieder aufgelöst.The rotary tube is slightly inclined in the longitudinal direction, in order to bring about a transport of the granules from its inlet side to the outlet side. The granulate bed is continuously circulated in the rotary kiln. In the course of this process, grain which is in contact with the rotary tube wall is continuously transported to the rotary tube center on the upper side of the bed in the laser beam and heated and glazed. From there, the completely or partially glazed grain passes on further circulation in the interior of the bed or under the bed and cools down quickly while being exposed to mechanical forces generated by the weight and the circulation of the bed. Any agglomerates of the glazed grain are dissolved again.

Durch den streifenden Einfall der Laserstrahlung wird ein im Vergleich zum senkrechten Einfall größerer Oberflächenbereich der Schüttung erhitzt und verglast.The grazing incidence of the laser radiation heats and glazes a larger surface area of the bed compared to the vertical incidence.

Die Granulatteilchen außerhalb der Einwirkung des Laserstrahls sowie die Innenwandung des Drehrohres bleiben vergleichsweise kühl. Durch die geringe thermische Belastung der Drehrohrwandung ergibt sich ein geringer Abtrag und Eintrag von Verunreinigungen in das Granulat. Die vergleichsweise kühlere Oberfläche nicht bestrahlter Granulatteilchen vermindert die Gefahr des Zusammenklebens und Verbackens.The granules outside the action of the laser beam and the inner wall of the rotary tube remain relatively cool. Due to the low thermal load of Drehrohrwandung results in a low removal and entry of impurities in the granules. The comparatively cooler surface of unirradiated granule particles reduces the risk of sticking and caking.

Das Drehrohr ist vorzugsweise in einer Vakuumkammer angeordnet, so dass Schwierigkeiten beim Abdichten der Ein- und Auslaufenden des Drehrohres entfallen.The rotary tube is preferably arranged in a vacuum chamber, so that there are no difficulties in sealing the inlet and outlet ends of the rotary tube.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu besonders guten Ergebnissen, wenn die Granulatteilchen eine mittlere Korngröße zwischen 200 und 1000 μm aufweisen.The inventive method leads to particularly good results when the granules have an average particle size between 200 and 1000 microns.

Granulatteilchen mit einer Korngröße von mehr als 1000 μm lassen sich mittels des punktuell einwirkenden Laserstrahls nur langsam verglasen. Teilchen mit einer mittleren Korngröße von weniger als 200 μm neigen zu Agglomerationen.Granule particles with a particle size of more than 1000 μm can be glazed only slowly by means of the laser beam acting at points. Particles with a mean grain size of less than 200 microns tend to agglomerations.

Für ein möglichst gleichmäßiges Verglasen der Granulatteilchen sind etwa gleichen Aufenthaltsdauern in Bereich der Auftrefffläche des Laserstrahls oder der Laserstrahlen auf der Schüttungs-Oberfläche und etwa gleiche Teilchengrößen vorteilhaft. Im Hinblick hierauf hat es sich bewährt, wenn die Granulatteilchen eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen, bei der der dem D90-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser maximal doppelt so groß ist wie der dem D10-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser.For a uniform as possible vitrification of the granules about the same residence times in the area of the incident surface of the laser beam or the laser beams on the bed surface and about the same particle sizes are advantageous. In view of this, it has proven useful if the Granule particles have a narrow particle size distribution, wherein the D 90 value associated particle diameter is at most twice as large as the D 10 value associated particle diameter.

Eine enge Teilchengrößenverteilung zeigt eine vergleichsweise geringe Schüttdichte, was einer Agglomeration beim Verlasen entgegenwirkt. Außerdem entfällt bei im Idealfall monomodaler Größenverteilung der Granulatteilchen der Gewichtsunterschied zwischen den Teilchen als Parameter für eine etwaige Separierung innerhalb der Schüttung, was einem gleichmäßigeren Verglasen der Schüttung förderlich ist.A narrow particle size distribution shows a comparatively low bulk density, which counteracts agglomeration during desalination. In addition, in the ideally monomodal size distribution of the granules, the weight difference between the particles as a parameter for any separation within the bed, which promotes more uniform vitrification of the bed, is eliminated.

Es hat sich als günstig erwiesen, die Granulatteilchen vor dem Verglasen mittels einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur von 800°C bis 1200°C vorzuheizen.It has proven to be advantageous to preheat the granules before glazing by means of a heater to a temperature of 800 ° C to 1200 ° C.

Durch das Vorheizen auf eine Temperatur im genannten Bereich werden die Granulatteilchen nicht oder nicht nennenswert verglast; es ergibt sich aber ein schnelleres und energetisch günstigeres Verglasen bei Einwirkung des Laserstrahls.By preheating to a temperature in said range, the granules are not or not appreciably vitrified; but it results in a faster and energetically favorable vitrification when exposed to the laser beam.

Das Vorheizen erfolgt dabei vorzugsweise in einer von außen beheizten Kammer, in die hinein der Laserstrahl zum Verglasen der Granulatteilchen gerichtet ist.The preheating is preferably carried out in an externally heated chamber into which the laser beam is directed for vitrifying the granules.

Das Vorheizen des Granulats erfolgt in der gleichen Kammer wie das Verglasen, also beispielsweise einem Drehrohrofen. Die Kammer wird beispielsweise durch elektrische Beheizung auf einer Temperatur gehalten, die in der Granulat-Schüttung eine Temperatur im genannten Bereich erzeugt.The preheating of the granules takes place in the same chamber as the vitrification, so for example a rotary kiln. The chamber is maintained, for example, by electrical heating at a temperature which generates a temperature in said area in the granular bed.

Vorzugsweise weist die Kammer eine aus Quarzglas bestehende Innenwandung auf.Preferably, the chamber has an inner wall made of quartz glass.

Insbesondere bei hohen Temperaturen können die Quarzglasteilchen durch Abrieb des Materials der Kammerwandung verunreinigt werden. Dieser Kontaminationsgefahr wird durch eine aus Quarzglas bestehende Kammer-Innenwandung entgegengewirkt.Especially at high temperatures, the quartz glass particles can be contaminated by abrasion of the material of the chamber wall. This risk of contamination is counteracted by a chamber inner wall consisting of quartz glass.

Im Hinblick auf ein schnelles Verdichten und einen schnellen Verglasungsprozess hat sich eine Verfahrensvariante bewährt, bei der der Laserstrahl eine Energiedichte aufweist, die ausreicht um diese beim Auftreffen auf eine Temperatur von mindestens 1400°C zu erhitzen.With regard to a fast compaction and a rapid glazing process, a method variant has proven in which the laser beam has an energy density sufficient to heat them when hitting a temperature of at least 1400 ° C.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Laserstrahl mittels eines CO2-Lasers erzeugt wird und beim Auftreffpunkt auf die Schüttung einen Brennfleck mit einem Durchmesser von mindestens 30 mm und eine Flächenleistung von mindestens 40 W/cm2 aufweist.Furthermore, it has proven to be advantageous if the laser beam is generated by means of a CO 2 laser and at the point of impact on the bed has a focal spot with a diameter of at least 30 mm and a surface power of at least 40 W / cm 2 .

Mittels CO2-Lasers kann energiereiche Laserstrahlung mit einer Wellenlänge um 10 μm erzeugt werden, die im transparenten, verglasten Quarzglas weniger stark absorbiert wird als von porösem Quarzglas. Durch die Wahl einer Arbeitsstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 10 μm wird somit erreicht, dass die Laserenergie vorzugsweise in die nicht und nicht vollständig verglasten Bereiche der Granulat-Schüttung eingeleitet wird.By means of CO 2 laser energy-rich laser radiation can be generated with a wavelength of 10 microns, which is less strongly absorbed in the transparent, glazed quartz glass as of porous quartz glass. By choosing a working radiation with a wavelength of about 10 microns is thus achieved that the laser energy is preferably introduced into the not and not completely vitrified areas of the granulate bed.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Als einzige Figur zeigt in schematischer DarstellungThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and a drawing. The sole figure shows a schematic representation

1 einen Drehrohrofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Seitenansicht. 1 a rotary kiln for carrying out the method according to the invention in a side view.

1 zeigt eine Vakuumkammer 1 mit einem Anschluss 2 zu einer Vakuumpumpe, innerhalb der ein Drehrohrofen 3 auf Laufrollen 4 gelagert ist. Am Auslauf-Ende 5 des Drehrohrofens 3 ist ein Austraggehäuse 6 angeordnet. Die Innenwandung des Drehrohrofens 3 ist mit einem Quarzglasrohr ausgekleidet. Am Außenmantel ist eine Widerstandsheizeinrichtung 10 vorgesehen, mittels der eine Schüttung 11 aus SiO2-Granulat auf eine Temperatur von 1100°C aufgeheizt werden kann. 1 shows a vacuum chamber 1 with a connection 2 to a vacuum pump, inside a rotary kiln 3 on casters 4 is stored. At the outlet end 5 of the rotary kiln 3 is a discharge housing 6 arranged. The inner wall of the rotary kiln 3 is lined with a quartz glass tube. On the outer jacket is a resistance heater 10 provided by means of a bed 11 can be heated to a temperature of 1100 ° C from SiO 2 granules.

An der Einlaufseite 7 des Drehrohrofens 3 sind mehrere CO2-Laser 8 (Typ TLF 3000 Turbo) mit einer maximalen Strahlleistung von 3 kW im Fokus angeordnet. Der Primärstrahl wird jeweils mittels einer Aufweitoptik zu Laserstrahlen 12a, 12b aufgeweitet, die in der Mitte des Drehrohres 3 in streifendem Einfall auf die Granulat-Schüttung 11 gerichtet sind, wobei sich jeweils ein ovaler Brennfleck mit einem Durchmesser von maximalen 20 mm und einer Flächenleistung von etwa 50 W/cm2 ergibt. Die Einfallswinkel zwischen der Oberfläche der Granulat-Schüttung 11 und dem jeweiligen Laserstrahl 12a; 12b unterscheiden sich geringfügig und liegen zwischen 20 und 30 Grad.At the inlet side 7 of the rotary kiln 3 are several CO 2 lasers 8th (Type TLF 3000 Turbo) with a maximum beam power of 3 kW in focus. The primary beam is in each case by means of a Aufweitoptik to laser beams 12a . 12b widened in the middle of the rotary tube 3 in grazing incidence on the granulate bed 11 are directed, each resulting in an oval focal spot with a maximum diameter of 20 mm and a surface power of about 50 W / cm 2 . The angle of incidence between the surface of the granulate bed 11 and the respective laser beam 12a ; 12b differ slightly and are between 20 and 30 degrees.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand der in 1 schematisch dargestellten Vorrichtung näher beschrieben:
Dem evakuierten (200 mbar) und um seine Rotationsachse 13 mit 8 U/min rotierenden Drehrohrofen 3 wird mit einer Zufuhrrate von 15 kg/h kontinuierlich amorphes, poröses SiO2-Granulat zugeführt. Das Granulat wird durch Granulation von pyrogen hergestelltem, nanoskaligem SiO2-Pulver erhalten und besteht im Wesentlichen aus porösen, sphärischen Teilchen 13 mit einer Teilchengrößenverteilung mit einem D10-Wert von 300 μm, einem D90-Wert von 500 mm und einem mittleren Teilchen-Durchmesser (D50-Wert) von 400 μm.In the following, an exemplary embodiment of the method according to the invention will be described with reference to FIGS 1 schematically illustrated device described in more detail:
The evacuated (200 mbar) and about its axis of rotation 13 with 8 rpm rotating rotary kiln 3 is fed continuously amorphous, porous SiO 2 granules at a feed rate of 15 kg / h. The granules are obtained by granulation of pyrogenically produced nanoscale SiO 2 powder and consists essentially of porous, spherical particles 13 having a particle size distribution with a D10 value of 300 μm, a D90 value of 500 mm and an average particle diameter (D50 value) of 400 μm.

Das Drehrohr 3 ist in Längsrichtung im spezifischen Schüttwinkel der Granulatteilchen 13 geneigt, so dass sich über seine Länge eine gleichmäßige Dicke der Granulat-Schüttung 11 einstellt.The rotary tube 3 is in the longitudinal direction in the specific angle of repose of the granules 13 inclined, so that over its length a uniform thickness of the granular bed 11 established.

Mittels der Widerstandsheizeinrichtung 10 wird das Granulat 13 innerhalb des Drehrohrofens 3 auf eine Temperatur um 1100°C erhitzt, wobei die offene Porosität bleibt dabei erhalten. Das Verglasen des Granulats 13 erfolgt beim Auftreffen der Laserstrahlen 12a, 12b.By means of the resistance heater 10 will the granules 13 inside the rotary kiln 3 heated to a temperature around 1100 ° C, the open porosity is retained. Glazing the granules 13 occurs when the laser beams hit 12a . 12b ,

Die vorgeheizte Granulat-Schüttung 11 wird kontinuierlich umgewälzt und dabei zur Drehrohrmitte in den Bereich der Laserstrahlen 12a; 12b transportiert und dabei verglast. Infolge der lokal einwirkenden Laserstrahlen 12a, 12b werden vergleichsweise wenige Granulatteilchen erweicht. Die Temperatur der umliegenden Granulatteilchen 13 erhöht sich dadurch kaum. Auf diese Weise werden Verbackungen zwischen den Granulatteilchen 13 untereinander weitgehend vermieden. Kommt es dennoch zu Agglomeraten, werden diese infolge der mechanischen Beanspruchung in der sich bewegenden Granulat-Schüttung 11 wieder aufgelöst. Granulatteilchen 13, die mit der Wandung des Drehrohres in Kontrakt kommen sind ebenfalls relativ kühl (nicht heißer als 1100°C), so dass es nicht zu Anhaftungen an der Quarzglas-Auskleidung kommt.The preheated granulate bed 11 is continuously circulated and thereby to the rotary kiln center in the range of laser beams 12a ; 12b transported and glazed. As a result of locally acting laser beams 12a . 12b comparatively few granules are softened. The temperature of the surrounding granules 13 hardly increases. In this way, caking between the granules 13 largely avoided each other. If agglomerates nevertheless occur, they will be in the moving granulate bed as a result of the mechanical stress 11 dissolved again. granulate 13 , which come into contract with the wall of the rotary tube are also relatively cool (not hotter than 1100 ° C), so that it does not adhere to the quartz glass lining.

Die sich an der vollständig verglasten Quarzglasteilchen werden mittels der Austragseinrichtung 6 kontinuierlich entnommen.The at the completely glazed quartz glass particles are by means of the discharge 6 taken continuously.

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Claims (11)

Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörnung durch Sintern einer Schüttung (11) eines rieselfähigen SiO2-Granulats aus porösen Granulatteilchen (13), indem diese erhitzt und unter Bildung von Quarzglasteilchen verglast werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verglasen der porösen Granulatteilchen (13) unter Vakuum oder in einer Helium enthaltenden Atmosphäre mittels mindestens eines Laserstrahls (12a, 12b) erfolgt.Process for producing quartz glass grain by sintering a bed ( 11 ) of a free-flowing SiO 2 granulate of porous granules ( 13 by heating them and vitrifying them to form quartz glass particles, characterized in that the vitrification of the porous granules ( 13 ) under vacuum or in a helium-containing atmosphere by means of at least one laser beam ( 12a . 12b ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulat-Schüttung (11) auf einem Träger erzeugt und mittels oder auf diesem beim Verglasen relativ zum Laserstrahl (12a, 12b) kontinuierlich bewegt wird.A method according to claim 1, characterized in that the granulate bed ( 11 ) is generated on a support and by means of or on this during glazing relative to the laser beam ( 12a . 12b ) is moved continuously. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Granulat-Schüttung (11) in einem um eine Mittelachse rotierenden Drehrohr (3) erfolgt, und dass der Laserstrahl (12a, 12b) in streifendem Einfall auf die Granulat-Schüttung (11) gerichtet ist.A method according to claim 2, characterized in that the movement of the granulate bed ( 11 ) in a rotating about a central axis rotary tube ( 3 ), and that the laser beam ( 12a . 12b ) in grazing incidence on the granulate bed ( 11 ). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) in einer Vakuumkammer (1) angeordnet ist.A method according to claim 3, characterized in that the rotary tube ( 3 ) in a vacuum chamber ( 1 ) is arranged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatteilchen (13) eine mittlere Korngröße zwischen 200 und 1000 μm aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granules ( 13 ) have a mean particle size between 200 and 1000 microns. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatteilchen (13) eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen, wobei der dem D90-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser maximal doppelt so groß ist wie der dem D10-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granules ( 13 ) have a narrow particle size distribution, wherein the D 90 value associated particle diameter is at most twice as large as the D 10 value associated particle diameter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatteilchen (13) vor dem Verglasen mittels einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur von 800°C bis 1200°C vorgeheizt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granules ( 13 ) are preheated by glazing by means of a heater to a temperature of 800 ° C to 1200 ° C. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in einer von außen beheizten Kammer erfolgt, in die hinein der Laserstrahl (12a, 12b) zum Verglasen der Granulatteilchen (13) gerichtet ist.A method according to claim 7, characterized in that the preheating takes place in an externally heated chamber into which the laser beam ( 12a . 12b ) for vitrifying the granules ( 13 ). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer eine aus Quarzglas bestehende Innenwandung aufweist.A method according to claim 8, characterized in that the chamber has an inner wall made of quartz glass. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (12a, 12b) eine Energiedichte aufweist, die ausreicht um beim Auftreffen auf den Granulatteilchen (13) diese auf eine Temperatur von mindestens 1400°C zu erhitzen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam ( 12a . 12b ) has an energy density sufficient to impact upon the granules ( 13 ) to heat them to a temperature of at least 1400 ° C. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (12a, 12b) mittels eines CO2-Lasers (8) erzeugt wird und beim Auftreffpunkt auf die Schüttung (11) einen Brennfleck mit einem Durchmesser von mindestens 30 mm und eine Flächenleistung von mindestens 40 W/cm2 aufweist.Method according to claim 10, characterized in that the laser beam ( 12a . 12b ) by means of a CO 2 laser ( 8th ) and at the point of impact on the bed ( 11 ) has a focal spot with a diameter of at least 30 mm and a surface power of at least 40 W / cm 2 .
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