DE102011009755A1

DE102011009755A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglasstrangs

Info

Publication number: DE102011009755A1
Application number: DE102011009755A
Authority: DE
Inventors: Boris Gromann; Christian Neumann
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: CN103328394A; WO2012101202A1; DE102011009755B4; US20130305784A1; CN103328394B; US9242887B2

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Ziehen eines Quarzglasstrangs, indem einem Schmelztiegel SiO2-Körnung zugeführt, darin zu einer Quarzglasmasse erweicht und die erweichte Quarzglasmasse über eine im Bodenbereich des Schmelztiegels vorgesehene Ziehdüse mit spaltförmiger Ziehdüsenöffnung vertikal nach unten als Quarzglasstrang abgezogen wird. Um hiervon ausgehend die reproduzierbare Herstellung eines Quarzglasstrangs mit geringer Abweichung vom nominalen Wanddickenprofil zu erleichtern, und insbesondere unregelmäßig auftretende Ein- und Ausbuchtungen des Wanddickenprofils zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Wanddickenverlauf des Quarzglasstrangs erfasst wird, und dass die Ziehdüse mittels mehrerer um die Ziehdüsenöffnung verteilter und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbarer Heizelemente beheizt wird, und dass die Quarzglasmasse innerhalb der spaltförmigen Ziehdüsenöffnung in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs mittels der Heizelemente lokal beheizt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Quarzglasstrangs, indem einem Schmelztiegel SiO₂-Körnung zugeführt, darin zu einer Quarzglasmasse erweicht und die erweichte Quarzglasmasse über eine im Bodenbereich des Schmelztiegels vorgesehene Ziehdüse mit spaltförmiger Ziehdüsenöffnung vertikal nach unten als Quarzglasstrang abgezogen wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglasstrangs, mit einem Schmelztiegel zur Aufnahme von SiO₂-haltigem Ausgangsmaterial, der von einer Heizeinrichtung zum Erweichen des Ausgangsmaterials umgeben ist, sowie mit einer im Bodenbereich des Schmelztiegels vorgesehenen Ziehdüse mit spaltförmiger Ziehdüsenöffnung.
Vertikal-Tiegelziehverfahren werden zur Herstellung von zylinderförmigen Bauteilen aus Quarzglas mit beliebigem Querschnittsprofil eingesetzt. Dabei wird SiO₂-Körnung als Glasausgangsstoff in einem Schmelztiegel zu einer relativ hochviskosen Quarzglasmasse erschmolzen (im Folgenden auch als „Quarzglasschmelze” bezeichnet) und über eine Ziehdüse am Tiegelboden als Quarzglasstrang abgezogen.
Eine spaltförmige Ziehdüse ist insbesondere zum Ziehen eines rohrförmigen oder eines plattenförmigen Quarzglasstrangs geeignet. Dabei stellt sich grundsätzlich die Aufgabe, dass das Querschnittsprofil des abgezogenen Quarzglasstrangs dem nominalen Ring- beziehungsweise Rechteckprofil entspricht. Häufige Ursachen für Abweichungen vom nominalen Profil sind nicht ideale Geometrie, Verschmutzungen oder Beschädigungen der Ziehdüse oder eine inhomogene Temperaturverteilung im Schmelztiegel oder am Bodenauslauf. Einfache Abweichungen bei plattenförmigem Querschnittsprofil zeigen sich als Keilform, und bei ringförmigen Querschnittsprofilen werden Wandeinseitigkeiten beobachtet, bei denen beispielsweise das Maximum der Wanddicke einem Minimum gegenüberliegt. Es können aber auch mehrere um den Umfang unregelmäßig verteilte Ein- oder Ausbuchtungen der Rohrwandung oder Plattenwandung auftreten. Abweichungen des Wandungsprofils vom Nominalprofil werden im Folgenden auch kurz als „Wanddickenabweichung” bezeichnet.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2006 011 579 A ist ein Tiegelziehverfahren bekannt, bei dem eine in einem Schmelztiegel erweichte Quarzglasmasse über eine in einer Bodenöffnung des Schmelztiegels eingesetzte Ziehdüse senkrecht nach unten kontinuierlich zu einem hohlzylindrischen Quarzglasstrang mit vorgegebenem Profil abgezogen wird. Die Ziehdüse weist einen äußeren Düsenring auf, der eine Ziehdüsenöffnung definiert, in die ein Dorn ragt, der an einem Hohlschaft gehalten wird, durch den ein Gasstrom in die Innenbohrung des Quarzglasstrangs eingeleitet werden kann. Der Ringspalt zwischen dem Düsenring und dem Dorn bestimmt das Profil des aus der Düse austretenden rohrförmigen Strangs.
Um die Gefahr einer Wandeinseitigkeit zu vermindern, wird eine Selbstzentrierung des Dorns angestrebt. Diese wird dadurch realisiert, dass sich der Ringspalt von oben nach unten verjüngt, und dass der Dorn radial beweglich innerhalb der Ziehdüsenöffnung gehalten wird. Die radiale Beweglichkeit des Dorns kann durch eine horizontale Verschiebbarkeit oder durch eine hängende Halterung gewährleistet werden, die eine freie Pendelbewegung des Dorns in Richtung senkrecht zur Ziehachse erlaubt.
Unterschiede im hydrostatischen Druck der Quarzglasschmelze im sich konisch verjüngenden Ringspalt erzeugen Kräfte auf den beweglichen Dorn und bewirken eine Zentrierung. Einfache Wandeinseitigkeiten lassen sich so vermindern oder vermeiden; jedoch nicht unregelmäßig um den Umfang verteilte Eindellungen oder Ausbuchten der Rohrwandung. Zudem können ein langer beweglicher Schaft und die freie Beweglichkeit des Dorns zu Regelinstabilitäten und Pendelbewegungen des Dorns im Glasstrom führen.
Ein Tiegelziehverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglasstrangs gemäß der eingangs genannten Gattung sind aus der DE 102 008 030 115 A bekannt. Einem Schmelztiegel wird SiO₂-Körnung zugeführt, darin zu einer viskosen Quarzglasmasse erweicht und diese durch eine im Bodenbereich des Schmelztiegels vorgesehene Ziehdüse mit spaltförmigem Auslass als zylinderförmiger Quarzglasstrang vertikal nach unten abgezogen. Aus dem Quarzglasstrang wird ein zylinderförmiges Quarzglasbauteil abgelängt.
Technische Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die reproduzierbare Herstellung eines Quarzglasstrangs mit geringer Abweichung vom nominalen Wanddickenprofil erleichtert, und das insbesondere auch zu Verminderung unregelmäßig auftretender Ein- und Ausbuchtungen des Wanddickenprofils geeignet ist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung bereitzustellen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wanddickenverlauf des Quarzglasstrangs erfasst wird, und dass die Ziehdüse mittels mehrerer um die Ziehdüsenöffnung verteilter und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbarer Heizelemente beheizt wird, und dass die Quarzglasmasse innerhalb der spaltförmigen Ziehdüsenöffnung in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs mittels der Heizelemente lokal beheizt wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ziehdüse eingesetzt, die lokal mittels separat ansteuerbarer Heizelemente beheizbar ist. Auf diese Weise kann die Ziehdüse inhomogen beheizt oder eine bestehende radial inhomogene Temperaturverteilung der Ziehdüse durch die Zusatzbeheizung der Heizelemente kompensiert und so einer vorhandenen Wandeinseitigkeit eines rohrförmigen des Quarzglasstrangs ebenso entgegengewirkt werden wie einer Keilform bei einem plattenförmigen Quarzglasstrang. Denn es hat sich gezeigt, dass sich in wärmeren Bereichen der spaltförmigen Ziehdüse eine niedrigere Viskosität des Quarzglases einstellt, so dass dort vergleichsweise mehr Quarzglasmasse aus der Ziehdüse austritt als in kälteren Bereichen.
Demnach wird die Ziehdüse in dem Abschnitt, in dem der Quarzglasstrang eine zu dünne Wandung aufweist mittels der Heizelemente zusätzlich erwärmt. Um die Position eines Minimums der Wanddicke zu ermitteln, wird der Wanddickenverlauf des Quarzglasstrangs von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich erfasst und die Messergebnisse zur Ansteuerung des in der Nähe des betreffenden Umfangsposition angeordneten Heizelements oder Heizelemente ausgewertet.
Die Heizelemente sind hierzu um den Umfang der spaltförmigen Ziehdüse – vorzugsweise gleichmäßig – verteilt. Bei einer ringspaltförmigen Ziehdüse sind sie innerhalb des Ziehdüsen-Außenteils oder -Innenteils oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnet. Bei einer längsschlitzförmigen Ziehdüse sind sie an den beiden Längsseiten und vorzugsweise auch an den beiden Schmalseiten vorgesehen.
Alternativ zum lokalen Beheizen der Ziehdüse mit dem Ziel im Bereich eines Wandstärkeminimums eine Vergrößerung der Wandstärke zu bewirken, könnte auch ein lokales Kühlen der Ziehdüse im Bereich eines Wandstärkemaximums in betracht gezogen werden, um dort die Wandstärke zu verringern. Das lokale Kühlen führt jedoch leicht zur Kondensation von abgedampftem SiO und wird daher nicht bevorzugt.
Die Ziehdüse insgesamt oder zumindest die im Kontakt mit der Quarzglasschmelze kommenden Teile der Ziehdüse bestehen in der Regel aus Molybdän, Wolfram, Iridium, Rhenium oder anderen hochschmelzenden Metallen oder Legierungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl zur Reduzierung einfacher Wanddickenabweichungen wie Wandeinseitigeit beziehungsweise Keilform geeignet, als auch zur Reduzierung unregelmäßig um den Umfang des abgezogenen Rohr- oder Plattenstrangs auftretender Wanddickenabweichungen. Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich, dass das Verfahren auch dazu genutzt werden kann, dem abgezogenen Quarzglasstrang eine Abweichung von dem von der Ziehdüse eigentlich vorgegebenen Profil gezielt aufzuprägen, falls dies gewünscht ist.
Es hat sich bewährt, wenn Lage und Betrag einer Wanddickenabweichung des Quarzglasstrangs ermittelt werden, wobei die Lage zur Auswahl der zu aktivierenden Heizelemente und der Betrag zur Regelung der Heiztemperatur verwendet werden.
Abweichungen zwischen dem Soll-Zustand des Wanddickenprofils und dem Ist-Zustand werden quantifiziert; und zwar sowohl hinsichtlich der Größe der Abweichung als auch auf deren relative örtliche Position in Bezug auf den Umfang oder die Längserstreckung der Ziehdüse. Eine ermittelte Abweichung von der Soll-Geometrie, wie etwa ein Minimum der Wanddicke wird derart ausgewertet, dass die örtliche Position des Minimums das zu aktivierende Heizelement beziehungsweise die zu aktivierenden Heizelemente bestimmt, und die Größe der Abweichung deren Heiztemperatur.
Die örtliche Anpassung der Zusatzbeheizung an eine ermittelte Wanddickenabweichung gelingt umso genauer, je mehr Heizelemente um den Umfang der Ziehdüse verteilt sind. Andererseits stellt sich in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Ziehdüsenwerkstoffs auch bei punktueller Zusatzbeheizung eine Temperaturverteilung ein, die sich auch in benachbarte Bereiche auswirkt und die örtliche Auflösung der Beheizung verringert, und mit der Anzahl der Heizelemente steigt der Konstruktions- und Regelaufwand. Als geeigneter Kompromiss haben sich mindestens vier, vorzugsweise mindestens acht und maximal zwölf Heizelemente erwiesen.
Bei einer besonders bevorzugten Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ziehdüse mittels Heizelementen beheizt wird, die in einer gemeinsamen horizontalen Heizebene unterhalb des Ziehdüsen-Außenteils angeordnet sind.
Diese Maßnahme ist konstruktiv einfach und auch bei vorhandenen Einrichtungen nachrüstbar. Die Heizelemente sind dabei in Kontakt mit der Unterseite des Ziehdüsen-Außenteils oder so nahe angeordnet, dass sich eine nennenswerte lokalisierte Wärmeübertragung einstellt.
Zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs hat sich eine Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens bewährt, bei der eine Ziehdüse eingesetzt wird, die ein Außenteil mit der Ziehdüsenöffnung und ein unter Belassung eines Ringspalts in die Ziehdüsenöffnung ragendes Innenteil aufweist, wobei die Quarzglasmasse durch den Ringspalt vertikal nach unten als rohrförmiger Quarzglasstrang abgezogen wird, und innerhalb des Ringspalts in Abhängigkeit von den Messergebnissen des Wanddickenverlaufs mittels der Heizelemente lokal beheizt wird.
Die Ziehdüse wird in dem Umfangsabschnitt, in dem der rohrförmige Quarzglasstrang eine zu dünne Wandung aufweist mittels der Heizelemente zusätzlich erwärmt. Um die Umfangsposition des Minimums der Wanddicke zu ermitteln, wird die Querschnittsgeometrie des Quarzglasstrangs von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich erfasst und die Messergebnis zur Ansteuerung des in der Nähe des betreffenden Umfangsposition angeordneten Heizelements oder Heizelemente ausgewertet. Die Heizelemente sind hierzu um den Umfang der Ziehdüse vorzugsweise gleichmäßig verteilt und zu diesem Zweck innerhalb des Ziehdüsen-Außenteils und/oder innerhalb des Ziehdüsen-Innenteils oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnet.
In dem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn das Ziehdüsen-Innenteil innerhalb der Ziehdüsenöffnung in Abhängigkeit von den Messergebnissen des Wanddickenverlaufs in horizontaler Richtung verschoben wird.
Diese Maßnahme kann sich ergänzend zu der Zusatzbeheizung der Ziehdüse als hilfreich erweisen. Durch die Verschiebung des Ziehdüsen-Innenteils kann ein Teil, vorzugsweise der größte Teil der Wanddickenabweichung kompensiert werden. Der nach Verschiebung des Ziehdüsen-Innenteils verbleibende Rest der Wanddickenabweichung wird mittels der erfindungsgemäßen Zusatzbeheizung der Ziehdüse weiter vermindert oder beseitigt. Zu diesem Zweck wird die Querschnittsgeometrie des Quarzglasstrangs von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich erfasst und die Messergebnisse an eine Auswerte- und Regeleinrichtung weitergegeben, die sowohl die Verschiebeeinrichtung für das Ziehdüsen-Innenteil als auch die Ansteuerung des in der Nähe des betreffenden Umfangsposition angeordneten Heizelements oder Heizelemente ausgewertet und regelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich besonders bewährt, wenn ein rohrförmiger Quarzglasstrang mit einem Außendurchmesser von 100 mm oder mehr gezogen wird.
Es hat sich gezeigt, dass es beim Ziehen von Quarzglasrohren mit steigendem Verhältnis von Außendurchmesser und Wanddicken zunehmend schwieriger wird, die nominale Wandstärke einzuhalten und Wanddickenabweichungen zu vermeiden. Derartigen Instabilitäten, die insbesondere bei Wanddicken von weniger als 3 mm auftreten, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren durch die Zusatzbeheizung der Ziehdüse gezielt entgegengewirkt werden.
Die mittlere Temperaturerhöhung hängt auch von der Heizleistung der Heizelemente ab. Vorzugsweise sind die Heizelemente für eine nominale Heizleistung von mindestens 100 W ausgelegt.
Bei typischen Ziehdüsen-Abmessungen und Durchflussraten wird bei dieser Heizleistung eine Erhöhung der Wandstärke des Quarzglasstrangs um mindestens 0,1 mm erreicht.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Messvorrichtung zur Erfassung des Wanddickenverlaufs des Quarzglasstrangs vorgesehen ist, und dass die Ziehdüse mittels mehrerer um die Ziehdüsenöffnung verteilter und in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbarer Heizelemente beheizbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Ziehdüse, die lokal mittels separat ansteuerbarer Heizelemente lokal unterschiedlich beheizbar ist. Auf diese Weise kann die Ziehdüse inhomogen beheizt oder eine bestehende inhomogene Temperaturverteilung der Ziehdüse durch die Zusatzbeheizung der Heizelemente kompensiert und so einer vorhandenen Wanddickenabweichung des Quarzglasstrangs entgegengewirkt werden.
Zu diesem Zweck sind vorzugsweise mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens acht Heizelemente um den Umfang der Ziehdüse – vorzugsweise gleichmäßig – verteilt. Die Heizelemente sind separat elektrisch ansteuerbar und beheizbar und zu diesem Zweck mit einer Auswerte- und Regeleinrichtung verbunden, die eine Messvorrichtung zur fortlaufenden Erfassung des Wanddickenverlaufs des Quarzglasstrangs umfasst, und mittels der Lage und Betrag einer Wanddickenabweichung des Quarzglasstrangs fortlaufend ermittelt werden. Eine ermittelte Abweichung von der Soll-Geometrie im Wanddickenverlauf, wie etwa ein Minimum der Wanddicke, wird derart ausgewertet, dass die örtliche Position des Minimums das zu aktivierende Heizelement beziehungsweise die zu aktivierenden Heizelemente definiert, und die Größe der Abweichung deren Heiztemperatur.
Diese Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen
1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Ziehofens mit einer lokal beheizbaren Ziehdüse in einer Seitenansicht,
2 die Ziehdüse von 1 in einer Draufsicht (von unten) In Verbindung mit einer Heizelemente-Konfiguration,
3 ein Wandstärkenprofil eines abgezogenen Rohrstrangs 5 in Bezug auf die Heizelemente-Konfiguration von 2,
4 eine längsschlitzförmige Ziehdüse in einer Draufsicht (von unten) In Verbindung mit einer Heizelemente-Konfiguration, und
5 ein Wandstärkenprofil eines abgezogenen Plattenstrangs in Bezug auf die Heizelemente-Konfiguration von 4.
Der Ziehofen gemäß 1 umfasst einen Schmelztiegel 1 aus Wolfram, in den von oben über einen Zufuhrstutzen 2 kontinuierlich SiO₂-Körnung 3 eingefüllt wird.
Der Schmelztiegel 1 ist von einem wassergekühlten (12) Ofenmantel 6 unter Bildung eines mit Schutzgas gespülten Schutzgasraums 10 umgeben, innerhalb dessen eine poröse Isolationsschicht 8 aus oxidischem Isolationsmaterial und eine Widerstandsheizeinrichtung 13 zum Erhitzen des Schmelztiegels 1 untergebracht sind. Der Schutzgasraum 10 ist nach unten hin offen und ansonsten mit einer Bodenplatte 15 und mit einer Deckplatte 16 nach Außen abgedichtet. Der Schmelztiegel 1 umschließt einen Tiegel-Innenraum 17, der ebenfalls gegenüber der Umgebung mittels einer Abdeckung 18 und einem Dichtelement 19 abgedichtet ist.
Im Bodenbereich des Schmelztiegels 1 ist eine Ziehdüse 4 aus Wolfram vorgesehen. Diese setzt sich zusammen aus einem Düsenring 7, der in den Boden des Schmelztiegels 1 eingesetzt ist, und aus einem Dorn 9, der koaxial in der Düsenöffnung 20 des Düsenrings 7 gehalten wird. Der Dorn 9 weist einen kegelstumpfförmigen Außenmantel auf, der sich nach oben verjüngt. Zwischen Düsenring 7 und Dorn 9 ist daher ein Ringspalt 14 ausgebildet, der sich von oben nach unten verengt und durch den die weiche Quarzglasmasse 27 als Rohrstrang 5 nach unten in Richtung der Ziehachse 26 abgezogen wird.
Der Außendurchmesser der Düsenöffnung 7 beträgt 210 mm. Der Ringspalt 14 der Ziehdüse 4 hat eine Länge von 100 mm.
Der Dorn 9 der Ziehdüse 4 ist mit einem Halterohr 11 aus Wolfram verbunden, das sich durch die Quarzglasmasse 27 erstreckt und über die Abdeckung 18 aus dem Tiegel-Innenraum 17 herausgeführt ist. Das Halterohr 11 zeichnet sich durch eine hohe Biegesteifigkeit aus, die das Aufschaukeln eine Pendelbewegung in der Strömung der Quarzglasmasse verhindert. Außer zur Halterung des Ziehdüsen-Innenteils 9 dient das Halterohr 11 auch der Zufuhr eines Prozessgases zum Einstellen eines vorgegebenen Blasdrucks in der Innenbohrung des Rohrstrangs 5. Das Prozessgas wird hierzu einer im Dorn 9 ausgebildeten Durchgangsbohrung 25 zugeführt.
Das aus dem Schmelzofen 1 herausragende obere Ende des Halterohres 11 ist mit einer schematisch dargestellten Höhenverstell- und Verschiebeeinrichtung 28 verbunden, die neben der Höheneinstellung des Dorns 9 auch ein Verschieben in lateraler Richtung ermöglicht, wie dies die Richtungspfeile 29 andeuten. Die Höhenverstell- und Verschiebeeinrichtung 28 ist mit einer Auswerte- und Regeleinrichtung 35 verbunden.
Durch die Abdeckung 18 ragt ein Einlass 22 und ein Auslass 21 für ein Tiegelinnenraum-Gas in Form von reinem Wasserstoff. Ebenso ist der Schutzgasraum 10 im oberen Bereich mit einem Gaseinlass 23 für reinen Wasserstoff versehen, der über die Bödenöffnung 24 entweichen kann.
Das aus dem Schmelzofen 1 herausragende untere Ende des Düsenrings 7 ist mit einem Außengewinde versehen, auf das ein Haltering 30 aus Wolfram aufgeschraubt ist. Der Haltering 30 ist mit acht radial verlaufenden Sackbohrungen versehen, die über den Umfang des Halterings 27 gleichmäßig verteilt sind, und die jeweils zur Aufnahme eines Heizelements 31 dienen. Jedem der acht Heizelemente 31 ist eine fest vorgegebene Umfangsposition am Düsenring 7 zugeordnet. Durch das Anschrauben des Halterings 27 werden die Heizelemente 31 in unmittelbare Nähe der Unterkante des Düsenrings 7 gebracht und in ihrer adressierten Umfangsposition fixiert.
Bei den Heizelementen handelt es sich um Heizwendeln aus Wolfram mit einer nominalen Heizleistung von 500 W. Der elektrische Anschluss ist mit der Bezugsziffer 32 bezeichnet. Die Heizelemente 15 sind über eine Ofensteuerung 34 mit der Auswerte- und Regeleinrichtung 35 verbunden.
In einer horizontalen Messebene „E” unterhalb des Schmelztiegels 1 wird der radiale Wandstärkenverlauf des abgezogenen Quarzglasrohrstrangs 5 mittels eines Wanddickenmessgerät 33 erfasst, welches um den Außenumfang des Quarzglasrohrstrangs 5 rotierbar ist und das ebenfalls mit der Auswerte- und Regeleinrichtung 35 verbunden ist.
2 zeigt schematisch und in vergrößerter Darstellung eine Draufsicht auf die Unterseite der Ziehdüse 4 mit den acht Heizelementen 31 (aber ohne den Haltering 30). Daraus ist erkennbar, dass die Heizelemente 31 eine Heizwendel und einen Stromanschluss aufweisen. Sie sind in einer gemeinsamen horizontalen Ebene unterhalb des Schmelztiegels 1 gleichmäßig um den mit Quarzglasschmelze 27 gefüllten Ringspalt 14, beziehungsweise an der Unterseite des Düsenrings 7 verteilt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Über die Zufuhrstutzen 2 wird kontinuierlich SiO₂-Körnung 3 in den Schmelztiegel 1 eingespeist und darin auf eine Temperatur von etwa 2100°C bis 2200°C erhitzt. Dabei bildet sich im unteren Bereich des Schmelztiegels 1 eine homogene, blasenfreie Quarzglasschmelze 27 aus, auf der eine Körnungsschicht aus SiO₂-Teilchen 3 aufschwimmt. Die erweichte Quarzglasmasse 27 fließt über die Ziehdüse 4 aus, und wird mit geregelter Ziehgeschwindigkeit in Form des rohrförmigen Quarzglasstrangs 5 mit einem Soll-Außendurchmesser von 200 mm und einer Soll-Wanddicke von 7,5 mm abgezogen.
Der Quarzglasrohrstrang 5 wird dabei durch einen Schleifkontaktring geleitet, der gleichzeitig als Führungsschiene für das um den Außenumfang des Rohrstrangs 5 rotierenden Wanddickenmessgerät 33 dient, mittels dem während des Ziehprozesses ein Wandstärkenprofil des abgezogenen Quarzglasrohrstrangs 5 ermittelt und dieses mit Hilfe der Auswerte- und Regeleinheit 35 ausgewertet wird.
Ein Wandstärkenprofil des abgezogenen Rohrstrangs 5, wie es in einer Messebene „E” mittels des Wanddickenmessgerätes 33 gemessen wird und dessen räumliche Orientierung in Bezug auf die Konfiguration der Heizelemente 31, ist in 3 schematisch dargestellt. Es ist erkennbar, dass das Querschnittsprofil des Rohrstrangs 5 senkrecht zur Ziehachse 26 (verläuft senkrecht zur Blattebene) eine ausgeprägte Wandeinseitigkeit aufweist. Die minimale Wanddicke, durch den Richtungspfeil 39 gekennzeichnet, liegt im Ausführungsbeispiel im Sektorfeld rechts unten, im Umfangsbereich des Heizelements 31d.
Das Wandstärkenprofil des abgezogenen Rohrstrangs 5 wird mittels der Auswerte- und Regeleinheit 35 in der Art ausgewertet, dass der Betrag der Wandeinseitigkeit (= Maximalwert minus Minimalwert der Wanddicke; im Ausführungsbeispiel: 7,5 mm) und die Position der minimalen Wandstärke in Bezug auf die Heizelemente-Konfiguration festgestellt wird. Anhand der so ermittelten Abweichung der Wanddickenverteilung von der Idealgeometrie werden die Heizelemente 31, die im Umfangsbereich des Minimums der Wandstärke liegen, zusätzlich beheizt. Im Ausführungsbeispiel werden das Heizelement 31d mit einer Heizleistung von 400 W, die beiden benachbarten Heizelemente 31c und 31e mit einer Heizleistung von 200 W, die Heizelemente 31b und 31f mit 100 W und die Heizelemente 31a und 31g mit 50 W betrieben. Das Heizelement 31h wird nicht betrieben. Diese Art und Verteilung der Zusatzbeheizung bewirkt ein zusätzliches Aufheizen des Düsenrings 7 der Ziehdüse 4 mit einem Maximum der Aufheizung im Bereich des Heizelements 1d, so dass das durchfließende Quarzglas im Umfangsbereich der Heizelemente 31d, 31c und 31e – und in schwächerer Ausprägung im Bereich der Heizelemente 31a und 31g – eine geringere Viskosität erhält. Dadurch wird die Durchflussrate des Quarzglasstroms in diesem Umfangsbereich erhöht, zu einer Vergrößerung der Wandstärke in diesem Bereich führt, welche die gemessene Wandeinseitigkeit vermindert. Als Faustregel kann davon ausgegangen werden, dass eine zusätzliche Heizleistung von 500 W bei einem der Heizelemente 31 in dessen Wirkungsbereich zu einer Vergrößerung der Wandstärke um etwa 1 mm führt.
Dabei wird weiterhin der Quarzglasrohrstrang 5 abgezogen und mittels des Wanddickenmessgerätes 33 kontinuierlich die Wirkung der vorgenommenen Temperaturerhöhung der Ziehdüse 4 auf den Verlauf der Wanddicke des abgezogenen Rohrstrangs 5 überwacht. Erforderlichenfalls wird die Heizleistung der Heizelemente 31c–31e so lange angepasst, bis sich eine zufriedenstellend genaue Zylindersymmetrie des abgezogenen Rohrstrangs 5 ergibt.
Der abgezogene Quarzglasrohrstrang 5 wird zu Quarzglasrohren mit einer Länge von 3,0 m zugeschnitten.
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Unterseite einer Ziehdüse 40 zum Ziehen einer plattenförmigen Quarzglasstrangs. Der Außendurchmesser des Düsengrundkörpers 42 beträgt 400 mm und ihre Höhe 100 mm und sie passt in einen Schmelztiegel 1, wie er oben anhand 1 beschrieben ist. Der längliche Ziehspalt 44 hat an der Unterseite der Ziehdüse 40 eine Spaltweite von 8 mm und eine Länge von 315 mm. Die unter Einsatz der Ziehdüse 40 herzustellende Quarzglasplatte weist entsprechend den Abmessungen des Ziehspalts 44 eine Dicke von etwa 8 mm und eine Breite von etwa 315 mm auf.
Um den Ziehspalt 44 und in Kotakt mit der Unterseite der Ziehdüse 40 sind acht Heizelemente 31 angeordnet. Dabei ist eine erste Reihe mit den Heizelementen 41b, 41c und 41d an der einen Längsseite des Ziehspalts 44 angeordnet, und an der gegenüberliegenden Längsseite jeweils versetzt zu den Heizelementen der ersten Reihe eine zweite Reihe mit den Heizelementen 41f, 41g und 41h. An den Schmalseiten des Ziehspalts 44 ist jeweils ein Heizelement 41a, 41e vorgesehen.
Ein Querschnittsprofil eines über den Ziehspalt 44 abgezogenen plattenförmigen Rohrstrangs 45 ist in 5 schematisch dargestellt. Es ist erkennbar, dass das Querschnittsprofil senkrecht zur Ziehachse eine ausgeprägte Keilform aufweist.
Das Wandstärkenprofil des abgezogenen Strangs 45 wird mittels der Auswerte- und Regeleinheit in der Art ausgewertet, dass der Betrag der Wandeinseitigkeit und die Position der minimalen Wandstärke in Bezug auf die Heizelemente-Konfiguration festgestellt werden. Anhand der so ermittelten Abweichung der Wanddickenverteilung von der Idealgeometrie werden die Heizelemente 41, die im Umfangsbereich des Minimums der Wandstärke liegen, zusätzlich beheizt.
Im Ausführungsbeispiel liegt die minimale Wanddicke im Sektorfeld link oben und zwar im Umfangsbereich der Heizelement 41a und 41h. Diese werden mit einer Heizleistung von 400 W, und das benachbarte Heizelement 41g mit einer Heizleistung von 200 W betrieben. Die übrigen Heizelemente werden nicht eingesetzt.
Diese Art und Verteilung der Zusatzbeheizung bewirkt ein zusätzliches lokales Aufheizen des Ziehdüsen-Grundkörpers 42 (4) und eine relative Temperaturerhöhung mit einem Maximum im Bereich der Heizelemente 41h und 41a, so dass das durchfließende Quarzglas im Umfangsbereich dieser Heizelemente eine geringere Viskosität erhält und so die Durchflussrate des Quarzglasstroms in diesem Umfangsbereich erhöht wird. Dies führt zu einer Vergrößerung der Wandstärke in diesem Bereich, welche die gemessene Keilform der Quarzglasstrangs 45 vermindert.
Der abgezogene Quarzglastrang 45 wird zu Quarzglasplatten mit einer Länge von 2,0 m zugeschnitten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006011579 A [0005]
DE 102008030115 A [0008]

Claims

Verfahren zum Ziehen eines Quarzglasstrangs, indem einem Schmelztiegel (1) SiO₂-Körnung (3) zugeführt, darin zu einer Quarzglasmasse (27) erweicht und die erweichte Quarzglasmasse (27) über eine im Bodenbereich des Schmelztiegels (1) vorgesehene Ziehdüse (4) mit spaltförmiger Ziehdüsenöffnung vertikal nach unten als Quarzglasstrang abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wanddickenverlauf des Quarzglasstrangs (5) erfasst wird, und dass die Ziehdüse (4) mittels mehrerer um die Ziehdüsenöffnung verteilter und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbarer Heizelemente (31) beheizt wird, und dass die Quarzglasmasse (27) innerhalb der spaltförmigen Ziehdüsenöffnung in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs mittels der Heizelemente (31) lokal beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lage und Betrag einer Wanddickenabweichung (39) des rohr- oder plattenförmigen Quarzglasstrangs (5) ermittelt werden, wobei die Lage zur Auswahl zu aktivierender Heizelemente (31) und der Betrag zur Regelung der Heiztemperatur verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier, vorzugsweise mindestens acht und maximal zwölf Heizelemente (31) vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziehdüse (4) mittels Heizelementen (31) beheizt wird, die in einer gemeinsamen horizontalen Heizebene unterhalb der Ziehdüse (4) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs eine Ziehdüse (4) eingesetzt wird, die ein Außenteil (7) mit der Ziehdüsenöffnung (20) und ein unter Belassung eines Ringspalts (14) in die Ziehdüsenöffnung (20) ragendes Innenteil (9) aufweist, wobei die Quarzglasmasse (27) durch den Ringspalt (14) vertikal nach unten als rohrförmiger Quarzglasstrang (5) abgezogen wird, und innerhalb des Ringspalts (14) in Abhängigkeit von den Messergebnissen des Wanddickenverlaufs mittels der Heizelemente (31) lokal beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehdüsen-Innenteil (9) innerhalb der Ziehdüsenöffnung in horizontaler Richtung in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs verschoben wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein rohrförmiger Quarzglasstrang mit einem Außendurchmesser von 100 mm oder mehr gezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (31) für eine nominale Heizleistung von mindestens 100 W ausgelegt sind.
Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglasstrangs (5), mit einem Schmelztiegel (1) zur Aufnahme von SiO₂-haltigem Ausgangsmaterial (3), der von einer Heizeinrichtung (13) zum Erweichen des Ausgangsmaterials (3) umgeben ist, sowie mit einer im Bodenbereich des Schmelztiegels (1) vorgesehenen Ziehdüse (4) mit spaltförmiger Ziehdüsenöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (33) zur Erfassung des Wanddickenverlaufs des Quarzglasstrangs (5) vorgesehen ist, und dass die Ziehdüse (4) mittels mehrerer um die Ziehdüsenöffnung verteilter und in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbarer Heizelemente (31) beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (33) zur Ermittlung von Lage und Betrag einer Wandeinseitigkeit (39) des Quarzglasstrangs (5) ausgelegt ist, und dass eine Auswerte- und Regeleinrichtung (34; 35) vorgesehen ist, die die Lage der Wandeinseitigkeit (39) zur Festlegung zu aktivierender Heizelemente (31) und den Betrag der Wandeinseitigkeit (39) zur Regelung der Heiztemperatur auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier, vorzugsweise mindestens acht und maximal zwölf Heizelemente (31) innerhalb des Ziehdüsen-Außenteils (7) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (31) in einer gemeinsamen horizontalen Heizebene unterhalb der Ziehdüse angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziehdüse ein Außenteil (7) mit der Ziehdüsenöffnung (20) und ein unter Belassung eines Ringspalts (14) in die Ziehdüsenöffnung (20) ragendes Innenteil (9) aufweist, und dass die Heizelemente (31) in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs aktivierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehdüsen-Innenteil innerhalb der Ziehdüsenöffnung in Abhängigkeit von Messergebnissen des Wanddickenverlaufs in horizontaler Richtung verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (31) für eine nominale Heizleistung von mindestens 100 W ausgelegt sind.