DE102013107435A1

DE102013107435A1 - Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Großrohres

Info

Publication number: DE102013107435A1
Application number: DE102013107435.9A
Authority: DE
Inventors: Boris Gromann; Burkhard Oberle; Christian Schenk; Gero Fischer; Pèlagie Declerck; Bernhard Franz; Ulrich Lein; Alexander Laaz; Achim Hofmann
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2033-07-13
Also published as: JP6478990B2; CN105358494B; CN105358494A; US20160168005A1; DE102013107435B4; JP2016528142A; EP3019453A1; TW201504166A; KR102117985B1; TWI565666B; SG11201600207TA; KR20160030533A; WO2015004103A1

Abstract

Zur Herstellung eines Quarzglas-Großrohres sind mehrstufiges Umformverfahren bekannt, bei denen in einem ersten Umformschritt unter Einsatz eines Formwerkzeugs ein Zwischenzylinder aus Quarzglas mit einer Zwischenzylinder-Wandstärke und einem Zwischenzylinder-Außendurchmesser geformt und anschließend abgekühlt wird, und in einem zweiten Umformschritt mindestens ein Längenabschnitt des abgekühlten Zwischenzylinders einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise auf eine Erweichungstemperatur erhitzt und um seine Längsachse rotierend zu dem Quarzglas-Großrohr mit einer End-Wandstärke und einem End-Außendurchmesser umgeformt wird. Geometrieschwankungen nehmen mit dem Außendurchmesser des Endrohres exponentiell zu. Um Hiervon ausgehend ein Verfahren anzugeben, das bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand die Herstellung von Quarzglasrohren erlaubt, die auch bei großem Außendurchmesser von mehr als 500 mm eine hohe Maßhaltigkeit haben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Quarzglas synthetisch erzeugt ist und einen mittleren Hydroxylgruppengehalt von 10 Gew.-ppm oder weniger hat, mit der zusätzlichen Maßgabe, dass bei Unterteilung des Zwischenzylinders in Längenabschnitte mit einer Länge von 1 cm, benachbarte Längenabschnitte in ihrem mittleren Hydroxylgruppengehalt einen Unterschied von weniger als 2 Gew.-ppm aufweisen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Großrohres durch mehrstufiges Umformen, wobei in einem ersten Umformschritt unter Einsatz eines Formwerkzeugs ein Zwischenzylinder aus Quarzglas mit einer Zwischenzylinder-Wandstärke und einem Zwischenzylinder-Außendurchmesser geformt und anschließend abgekühlt wird, und indem in einem zweiten Umformschritt mindestens ein Längenabschnitt des abgekühlten Zwischenzylinders einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise auf eine Erweichungstemperatur erhitzt und um seine Längsachse rotierend zu dem Quarzglas-Großrohr mit einer End-Wandstärke und einem End-Außendurchmesser umgeformt wird.
Durch Umformen eines Quarzglas-Hohlzylinders in zwei oder mehr Umformstufen wird eine Vergrößerung des Rohr-Außendurchmessers oder eine Veränderung von dessen Querschnittsprofil bewirkt. Das Umformen in mehreren Stufen erleichtert die Einhaltung der vorgegebenen radialen Abmessungen wie Außendurchmesser, Innendurchmessers oder Wandstärke des abgezogenen Rohrstrangs.
Stand der Technik
Ein gattungsgemäßes zweistufiges Umformverfahren ist aus der DE 10 2007 061 609 A1 bekannt. In einem ersten Umformschritt, der als „Stauchen“ bezeichnet wird, wird ein um seine Längsachse rotierender Ausgangszylinder aus Quarzglas bereichsweise in einer vorderen, durch elektrisches Beheizen erzeugten Heizzone erweicht, dabei über einen in der Zylinder-Längsachse feststehenden Dorn gestaucht und gleichzeitig mit seinem Zylinderaußenmantel gegen ein Formteil gedrückt, das in einem vorgegebenen Abstand zum Dorn angeordnet ist. Dabei wird ein hohles, zylinderförmiges Zwischenprodukt aus erweichtem Quarzglas erzeugt, dessen Innendurchmesser der Dorn und dessen Außendurchmesser das Formteil festlegt. Der Spalt zwischen Dorn und Formteil definiert die Soll-Wandstärke des hohlen Zwischenproduktes.
Sobald das Zwischenprodukt eine gewisse Formstabilität erreicht hat, wird es im selben Arbeitsgang dem zweiten Umformschritt unterzogen, der als „Aufblasen“ bezeichnet wird. Dabei wird das hohle Zwischenprodukt kontinuierlich einer hinteren, ebenfalls durch elektrisches Beheizen erzeugten Heizzone zugeführt, darin erweicht und durch Anlegen eines Innendrucks im Hohlraum gegen ein zweites Formteil geblasen. Von dort wird ein dünnwandiges Quarzglasrohr mit einem Außendurchmesser von 305 mm in Richtung der Rohr-Längsachse abgezogen, wobei sich das „Abziehen“ in einer axialen Stabilisierung des Quarzglasrohres erschöpfen kann, ohne dass eine das Quarzglasrohr weiter elongierende Zugkraft an dem Quarzglasrohr anliegt.
Der Außendurchmesser des Quarzglasrohres wird durch den radialen Abstand des Formwerkzeugs von der Längsachse (=Ziehachse) bestimmt, und die Wandstärke durch das Verhältnis der Zufuhrgeschwindigkeit des Ausgangszylinders und der Abzugsgeschwindigkeit des Quarzglasrohres.
Da Stauchen und Aufblasen in einem Arbeitsgang erfolgen, ergibt sich eine beträchtliche Zeit- und Energieeinsparung. Die Innenwandung des so erhaltenen Quarzglasrohres ist werkzeugfrei geformt. Der Außenmantel kommt jedoch in Kontakt mit dem Formwerkzeug, so dass sich bei hohem Druck auf das weiche Quarzglas Ziehstreifen oder andere Defekte ausbilden können. Zudem kann es nach dem Ablösen des Quarzglasrohr-Strangs vom letzten Formwerkzeug noch zu Durchmesseränderungen kommen. Im Zuge steigender Anforderungen an die Defektfreiheit und Maßhaltigkeit der Bauteile erweist sich diese Verfahrensweise als unzureichend.
Diese Nachteile vermeidet ein diskontinuierliches zweistufiges Umformverfahren, wie es aus der JP H04-26522 A bekannt ist. Zur Herstellung eines Quarzglasrohres aus synthetischem Quarzglas wird in einer ersten Umformstufe ein Quarzglasblock zu einem dickwandigen Hohlzylinder umgeformt. Der Hohlzylinder wird in einer zweiten Umformstufe zu einem dünnwandigen Quarzglasrohr aufgeblasen. Dabei wird der dickwandige Hohlzylinder in horizontaler Orientierung in einer Glasdrehbank eingespannt und mittels eines schmalen induktionsbeheizten Grafit-Heizelements, das kontinuierlich entlang der Hohlzylinder-Längsachse bewegt wird, zonenweise erweicht. Der erweichte Bereich wird elongiert und gleichzeitig durch Anlegen eines Gas-Innenüberdrucks ohne Kontakt zu einem Formwerkzeug zu einem dünnwandigen Quarzglasrohr mit großem Außendurchmesser aufgeblasen.
Das kontaktfreie Aufblasen des Hohlzylinders im letzten Umformschritt vermeidet zwar Ziehstreifen und ähnliche Defekte, wie sie bei Einsatz von Formwerkzeugen auftreten. Andererseits erweist sich bei dieser Verfahrensweise die Einhaltung einer vorgegebenen Maßhaltigkeit des abgezogenen Quarzglasrohres als problematisch.
Eine Lösung für dieses Problem bietet eine aus der JP 2004 149325 A bekannte Verfahrensvariante, bei der die letzte Umformstufe mehrfach wiederholt wird, so dass sich der endgültige Durchmesser des Quarzglas-Rohres durch allmähliche Vergrößerung ergibt. Die Durchmesser-Vergrößerung erfolgt dabei durch Rotieren des zonenweise erweichten Ausgangsrohres unter Wirkung der Zentrifugalkraft.
Dadurch ergibt sich bei jedem einzelnen Vergrößerungsschritt ein vergleichsweise geringer Verformungsgrad, was mit einer geringeren Abweichung von der Soll-Abmessung bei der jeweils erhaltenen Zwischengröße einhergeht. Außerdem bietet jeder Vergrößerungsschritt die Möglichkeit, im jeweiligen Ausgangsrohr vorhandene Maßabweichungen zu berücksichtigen und zu korrigieren. Andererseits liegt es aber auf der Hand, dass diese Verfahrensweise einen hohen Zeit- und Energieaufwand erfordert, der aber bei großen Quarzglasrohren und sehr hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit zu rechtfertigen ist.
Technische Aufgabe
Geometrieschwankungen nehmen mit dem Außendurchmesser des Endrohres exponentiell zu. Je größer der Endrohr-Durchmesser ist, umso schwieriger wird die Herstellung eines maßhaltigen Großrohres.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand die Herstellung von Quarzglasrohren erlaubt, die auch bei großem Außendurchmesser von mehr als 500 mm eine hohe Maßhaltigkeit haben.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Quarzglas synthetisch erzeugt ist und einen mittleren Hydroxylgruppengehalt von 10 Gew.-ppm oder weniger hat, mit der zusätzlichen Maßgabe, dass bei Unterteilung des Zwischenzylinders in Längenabschnitte mit einer Länge von 1 cm, benachbarte Längenabschnitte in ihrem mittleren Hydroxylgruppengehalt einen Unterschied von weniger als 2 Gew.-ppm aufweisen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird im ersten Umformschritt ein Formwerkzeug eingesetzt, so dass ein Zwischenzylinder mit definiertem Außendurchmesser erhalten wird. Bei dem Formwerkzeug handelt es sich beispielsweise um Formbacken wie oben beschrieben oder um eine Ziehdüse. Problematisch beim zweiten Umformschritt ist, einen in wirtschaftlicher Hinsicht akzeptablen Grad an Umformung – das heißt an Vergrößerung des Außendurchmessers des Zwischenzylinders – bei gleichzeitiger Einhaltung einer vorgegebenen Maßhaltigkeit zu erreichen. Der zweite Umformschritt kann auch in mehrere Sub-Umformschritte mit geringerem Verformungsgrad unterteilt sein, wie dies aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt ist.
Es hat sich gezeigt, dass in dieser Hinsicht der Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases und dessen axiale Verteilung über die Länge des Zwischenzylinders entscheidende Parameter sind. Der Hydroxylgruppengehalt von Quarzglas hat Auswirkungen auf dessen Viskosität. Demgemäß verursachen Gradienten in der Hydroxylgruppen-Konzentration beim Erweichen des Quarzglases lokale Viskositätsunterschiede in der Zwischenzylinder-Wandung, die zu unerwünschten und nicht vorhersehbaren Verformungen führen können.
Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass der Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases auch Auswirkungen auf die Absorption von Infrarotstrahlung hat. Ein höherer Hydroxylgruppengehalt führt zu einer verstärkten Absorption und einer höheren Abstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich. Solches Quarzglas wird schneller heiß und es kühlt schneller ab als Quarzglas mit geringerem Hydroxylgruppengehalt. Schwankungen im Hydroxylgruppengehalt wirken sich daher in mehrfacher Hinsicht auf Viskosität aus und führen zu unerwünschten und kaum beherrschbaren Verformungen beim Umformprozess.
Im Hinblick darauf sollte sich Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoff, das in der Regel einen niedrigen Hydroxylgruppengehalt hat, gegen unerwünschte Verformungen als weniger empfindlich erweisen. Dies bestätigt sich jedoch in dieser Eindeutigkeit in der Praxis nicht. Im Gegenteil, das Umformen von Quarzglas aus natürlichem Rohstoff zu maßstabsgenauen Großrohren erweist sich als problematisch. Dies kann auf andere im natürlichen Quarzrohstoff vorhandene Verunreinigungen zurückgeführt werden. Synthetisch erzeugtes Quarzglas zeigt zwar in der Regel eine hohe Reinheit, enthält jedoch herstellungsbedingt häufig große Mengen an Hydroxylgruppen, die bei großen Umformgraden zu unvorhersehbaren und undefinierten Verformungen führen können, wie oben erläutert.
Die Erfindung stellt nun eine Methode zur Verfügung, die bei Einhaltung enger Rahmenbedingungen eine wirtschaftliche Verarbeitung von synthetisch erzeugtem Quarzglas zu maßhaltigen Großrohren erlaubt, auch wenn dafür hohe Unformgrade erforderlich sind.
Die wichtigsten Rahmenbedingungen sind:

(a) der Einsatz eines mindestens zweistufigen Umformprozesses, wobei in der ersten Umformstufe zur möglichst genauen Einhaltung eines vorgegebenen Außendurchmessers des dabei erzeugten Umformproduktes ein Formwerkzeug eingesetzt wird. Das Umformprodukt dieser Umformstufe dient als Ausgangszylinder im zweiten Umformschritt, der sich unmittelbar anschließen kann.
(b) Dabei hat es sich als wichtig erwiesen, dass das synthetische Quarzglas des Zwischenzylinders einen geringen mittleren Hydroxylgruppengehalt von 10 Gew.-ppm oder weniger, vorzugsweise von 2 Gew.-ppm oder weniger hat, und dass der Hydroxylgruppengehalt über die Zwischenzylinder-Länge so homogen verteilt ist, das sich bei Unterteilung des Zwischenzylinders in Längenabschnitte mit einer Länge von 1 cm, benachbarte Längenabschnitte in ihrem mittleren Hydroxylgruppengehalt um weniger als 2 Gew.-ppm, vorzugsweise weniger als 1 Gew.-ppm, voneinander unterscheiden.
(c) Bei Einhaltung der Bedingungen (a) und (b) ergibt sich in der zweiten Umformstufe zum Quarzglas-Großrohr ein reproduzierbares Umformverhalten mit geringem Korrektur- und Nachsteuerungsbedarf. Dadurch kann auch bei hohem Umformgrad im besten Fall auf ein Formwerkzeug verzichtet werden. Wird dabei ein Formwerkzeug eingesetzt, genügt eine geringfügige Einwirkung auf die Außenwandung des Großrohres, so dass als Umformprodukt dieses Umformschritts ein Quarzglas-Großrohr mit der gewünschten Maßhaltigkeit, glatter und qualitativ hochwertiger Innenwandung und trotzdem weitgehend defektfreier und streifenfreier Oberfläche erhalten wird.

Die Herstellung von synthetischem Quarzglas mit derartig niedrigem Hydroxylgruppengehalt geht in der Regel über ein poröses Halbzeug aus SiO₂-Teilchen, das eine Trocknungsbehandlung zur Beseitigung herstellungsbedingt enthaltener Hydroxylgruppen ermöglicht. Die Trocknungsbehandlung des porösen SiO₂-Körpers kann dabei rein thermisch – unterstützt durch Unterdruck – oder durch chemische Reaktion mit einem Trocknungsreagenz – wie etwa Chlor – erfolgen. Die Einstellung eines mittleren Hydroxylgruppengehalts von weniger als 10 Gew.-ppm ist dabei weniger problematisch als die Erzeugung eines über das Volumen des porösen SiO₂-Körpers gleichmäßigen Konzentrationsprofils. Die DE 10 152 328 A1 beschreibt eine Verfahrensweise zur Lösung dieses Problems, das bereits in einer frühen Phase der Herstellung des Quarzglasrohres ansetzt.
Hat das synthetisch erzeugte Quarzglas einen hohen mittleren Hydroxylgruppengehalt oberhalb von 10 Gew.-ppm, erweist es sich als zunehmend schwierig die geforderte Maßhaltigkeit des Großrohes insgesamt zu gewährleisten. Zeigt der axiale Konzentrationsverlauf Schwankungen von mehr als 2 Gew.-ppm/mm über eine Länge von 1 cm betrachtet, kommt es beim zweiten Umformprozess leicht zu lokalen Abweichungen der Wandstärke des Großrohres.
Der Gehalt an Hydroxylgruppen des Quarzglases ergibt sich durch Messung der IR-Absorption nach der Methode von D.M. Dodd and D.B. Fraser, Optical determination of OH in fused silica, Journal of Applied Physics, Vol. 37(1966), p. 3911. Dabei wird der mittlere Gehalt an Hydroxylgruppen des Quarzglases durch eine Messung durch die Rohrwandung in Richtung der Längsachse des Zwischenrohres ermittelt. Als Mittelwert des Hydroxylgruppengehalts in Längenabschnitten von 1 cm wird derjenige Messwert betrachtet, der bei einer Messung in der geometrischen Mitte des jeweiligen Längenabschnitts durch die Wandung des Zwischenrohres und senkrecht zu seiner Längsachse erhalten wird.
Zur Herstellung von synthetisch erzeugtem Quarzglas werden häufig halogenhaltige Ausgangssubstanzen – beispielsweise SiCl₄ – oder halogenhaltige Trocknungsreagenzien – beispielsweise Chlor – oder halogenhaltige Dotierstoffe – beispielsweise Fluor – eingesetzt. Deswegen können große Mengen an Halogenen im synthetischen Quarzglas enthalten sein. Es hat sich aber gezeigt, dass sich im zweiten Umformschritt neben dem Hydroxylgruppengehalt auch der Halogengehalt – und dabei insbesondere der Chlorgehalt – auf die Maßhaltigkeit des endgültigen Quarzglasrohres und auf den Blasengehalt bemerkbar machen kann.
Daher wird bevorzugt Quarzglas eingesetzt, das mittlere Chlor-Konzentration von weniger als 3000 Gew.-ppm aufweist.
Die Chlor-Konzentration wird als Mittelwert von Messproben ermittelt, die an drei gleichmäßig über die Zwischenzylinderlänge verteilten Stellen (Anfang, Mitte, Ende) genommen werden, indem die Messproben in wässriger HF-Lösung aufgelöst und die so erhaltene Lösungen nach Zusatz von AgNO₃ einer nephelometrischen Analyse unterzogen werden.
Im Hinblick auf eine maßgenaue Einstellung des Außendurchmessers des Großrohres hat sich eine Verfahrensvariante als vorteilhaft erwiesen, bei der das Quarzglas-Großrohr im zweiten Umformschritt nicht elongiert wird, wobei die Durchmesservergrößerung auf Zentrifugalkraft oder Blasdruck beruht.
Dabei werden an den umzuformenden Quarzglaszylinder stirnseitig Halter geschweißt und diese in Spannfutter einer Glasdrehbank eingespannt und synchron rotiert. Ein Heizquelle wird zonenweise entlang des Quarzglaszylinders bewegt. In der Innenbohrung des Quarzglaszylinders kann ein definierter Innendruck eingestellt werden. Infolge der Rotation und getrieben durch die Zentrifugalkraft und den Innendruck erweitert sich die Innenbohrung, ohne dass hierzu die Spannfutter auseinanderbewegt werden müssen.
Es hat sich sogar als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Quarzglas-Großrohr im zweiten Umformschritt in Richtung seiner Längsachse gestaucht wird, derart dass seine Wandstärke nach dem Stauchen zwischen 70 % und maximal 100 % seiner Wandstärke vor dem Stauchen beträgt.
Ziel des zweiten Umformschritts ist dabei eine Durchmesser-Vergrößerung des Quarzglasrohres bei weitgehender Beibehaltung seiner Wandstärke. Dies gelingt, indem die Ausgangslänge des Quarzglasrohres beim Umformschritt verkürzt, das Ausgangsrohr also gestaucht wird. Nach dem Stauchen liegt die Wandstärke bevorzugt zwischen 70 % und maximal 100 % des Ausgangswertes. Ein Stauchprozess, der zu einer Vergrößerung der Wandstärke führt (> 100 %) ist zwar auch möglich, führt allerdings zu unerwünschten Verformungen.
Abgesehen von oben beschriebenen Anforderungen an die Zusammensetzung des synthetisch erzeugten Quarzglas, insbesondere hinsichtlich der zulässigen Menge an Hydroxylgruppen und deren örtlicher Verteilung, haben sich die Homogenität des Temperaturfeldes und die Zusammensetzung der Atmosphäre im Bereich der Heizzone als wichtige Parameter für einen reproduzierbaren Umformprozess mit wenig Steuerungsbedarf erwiesen.
Insbesondere auch aus diesem Grund hat sich bewährt, wenn die Heizzone von mehreren, ringförmig um den Umfang des Zwischenzylinders gleichmäßig verteilten Heizquellen gebildet wird, die ausgewählt sind aus der Gruppe: Plasmabrenner, Gasbrenner, Laser.
Mit derartigen Heizquellen kann die Heizenergie im Vergleich zu einem Ofen örtlich definierter eingestellt und schneller und genauer dosiert und damit auch ein vorgegebenes Temperaturfeld eingestellt oder korrigiert werden, auch wenn es nicht rotationssymmetrisch ist. Die Heizquellen sind in der Lage, punktuell eine hohe Energie bereitzustellen. Mindestens fünf derartiger Heizquellen sind in einer Kreisringform um den zu erweichenden Zwischenzylinder gleichmäßig verteilt. Im Vergleich zu einem Ofen kann der Durchmesser der Kreisringform einfacher an den Durchmesser des zu erweichenden Quarzglaszylinders angepasst werden, beispielsweise auch dann, wenn der zweite Umformschritt in Sub-Umformschritte mit jeweils kleinerem Umformgrad unterteilt ist, wobei der Außendurchmesser des umzuformenden Quarzglaszylinders stufenweise größer wird. Im Hinblick auf die Vermeidung des Eintrags on Hydroxylgruppen werden wasserstofffreie Plasmabrenner oder CO₂-Laser bevorzugt.
Neben Hydroxylgruppen und Halogenen wirken sich auch metalloxidische Verunreinigungen auf die Viskosität des synthetischen Quarzglases aus, wobei insbesondere Aluminiumoxid zu nennen ist. Mögliche Konzentrationsschwankungen dieser Verunreinigung sind umso ausgeprägter und wirksamer, je höher ihre mittlere Konzentration ist.
Aus diesem Grund wird vorzugsweise Quarzglas eigesetzt, das eine Konzentration an Aluminium (Al) von weniger als 1 Gew.-ppm und einen Gesamtgehalt anderer metallischer Verunreinigungen von weniger als 4 Gew.-ppm aufweist.
Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Quarzglas eine Konzentration an Alkali- und Erdalkalimetall-Verunreinigungen von weniger als 0,3 Gew.-ppm aufweist.
Alkali- und Erdalkali-Ionen wirken sich bereits in geringer Menge merklich auf die Viskosität von Quarzglas aus und sie fördern dessen Kristallisationsneigung.
Aluminium sowie Alkali- und Erdalkali-Verunreinigungen liegen im Quarzglas zwar in oxidischer Form vor; alle oben genannten Gewichtsangaben beziehen sich aber auf die metallische Form.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird im ersten Umformschritt ein Ausgangs-Hohlzylinder aus Quarzglas einem elektrisch beheizten Ofen zugeführt, darin zonenweise erweicht und kontinuierlich und um seine Längsachse rotierend mit seinem Zylinder-Außenmantel gegen das Formwerkzeug gedrückt und vom Formwerkzeug kontinuierlich zu dem Zwischenzylinder umgeformt.
Diese Verfahrensweise erlaubt die Herstellung dickwandiger und dennoch maßgenauer Zwischenzylinder.
Ein elektrisch beheizter Ofen verursacht im Allgemeinen höhere Energiekosten als die Beheizung mittels Brennern. Andererseits erleichtert die elektrische Beheizung das Einhalten eines vorgegebenen Temperaturfeldes und einer wasserund wasserstoffarmen Atmosphäre. Im Hinblick darauf wird für das Umformen des Ausgangszylinders zum Zwischenzylinder vorzugsweise ein elektrisch beheizter Ofen eingesetzt. Dabei betragen die Abmessungen des Ofens in Richtung der Zylinder-Längsachse gesehen mindestens 500 mm und der Abstand zwischen der Außenwandung des Zwischenzylinders und einer Innenwandung des Ofens weniger als 100 mm. Der nach dem ersten Umformprozess erhaltene Zwischenzylinder kann nachträglich bearbeitet werden.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung
1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines ersten Umformprozesses zwecks Herstellung eines Zwischenrohres aus synthetisch erzeugtem Quarzglas in einer Seitenansicht, und
2 eine Vorrichtung zur Durchführung eines zweiten Umformprozesses zwecks Herstellung eines Großrohres aus dem Zwischenrohr in einer Seitenansicht.
Herstellung eines Hohlzylinders aus synthetischem Quarzglas
Es wird ein Hohlzylinder 1 aus synthetisch erzeugtem Quarzglas bereitgestellt, der hohen Anforderungen an seine Reinheit und an die Homogenität der viskositäts-beeinflussenden Komponenten genügt.
Die Herstellung umfasst die Flammenhydrolyse von SiCl₄, bei der SiO₂-Partikel gebildet und auf der Zylindermantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers unter Bildung eines Sootkörpers schichtweise abgeschieden werden. Zur Erzeugung eines spezifischen radialen Dichteverlaufs innerhalb der Sootkörper-Wandung wird die aus der DE 10 152 328 A bekannte Methode verwendet, das heißt, bei der Abscheidung der ersten Soot-Lagen wird eine vergleichsweise hohe Oberflächentemperatur und damit ein Sootbereich mit vergleichsweise hoher Dichte von etwa 30 % erzeugt. Die Soot-Dichte wird daraufhin noch weiter allmählich bis sie in einem „Übergangsbereich“ etwa 32 % erreicht. Bei der Abscheidung der nachfolgenden Soot-Lagen wird die Oberflächentemperatur des sich bildenden Sootkörpers kontinuierlich abgesenkt und damit die Sootdichte verringert. Nach Beendigung des Abscheideverfahrens und Entfernen des Trägerstabs wird ein Sootrohr mit einem spezifischen radialen Dichte-Profil erhalten.
Zur Reinigung und zum Entfernen der herstellungsbedingt eingebrachten Hydroxylgruppen wird das Sootrohr einer Dehydratationsbehandlung unterzogen und dabei in vertikaler Ausrichtung in einen Dehydratationsofen zunächst bei einer Temperatur um 900 °C in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt. Die Behandlungsdauer beträgt etwa acht Stunden. Dadurch wird ein geringer Hydroxylgruppengehalt eingestellt.
Dabei wird die prozessbedingt unterschiedliche Effektivität des über die Mantelflächen in den Sootkörper eindringenden Chlors durch das vorab erzeugte Dichteprofil kompensiert, so dass sich über die Dicke der Wandung ein weitgehend homogenes, radiales Konzentrationsprofil für die Hydroxylgruppen einstellt.
Danach wird das Sootrohr in einen vertikal orientierten Verglasungsofen eingebracht und darin bei einer Temperatur um 1000 °C zwecks Entfernens von Chlor und zur Absättigung etwaiger Sauerstoffmangeldefekte mit Sauerstoff behandelt. Anschließend wird das Sootrohr bei einer Temperatur um 1300 °C gesintert, indem es einer ringförmigen Heizzone zugeführt und darin zonenweise erhitzt wird.
Der so hergestellte Hohlzylinder 1 (siehe 1) hat eine Länge von 300 cm, einen Außendurchmesser von 200 mm und einen Innendurchmesser von 40 mm. Er besteht aus synthetischem Quarzglas, mit geringem Gehalt an metalloxidischen Verunreinigungen, deren Konzentrationen (in Gew.-ppm) in Tabelle 1 angegeben sind: Tabelle 1

Al Ca Cr Cu Fe K Li Mg Mn Na Ti Zr

0,4 0,2 0,01 0,01 0,3 0,1 0,02 0,1 0,005 0,1 0,3 0,4

Alle Angaben in Gew.-ppm
Das Quarzglas hat einen mittleren Hydroxylgruppengehalt von 8,3 Gew.-ppm (gemessen über die Rohr-Längsachse) und eine mittlere Chlor-Konzentration von 1710 Gew.-ppm. Über die Länge des dickwandigen Hohlzylinders gesehen variiert der an 29 Messpunkten im Abstand von 10 cm ermittelte Hydroxylgruppengehalt um +/–0,9 Gew.-ppm (Standardabweichung).
Erster Umformschritt zur Erzeugung eines Zwischenzylinders
Der erste Umformschritt erfolgt anhand der in DE 10 2007 051 898 A1 beschriebenen Methode.
1 zeigt schematisch die Vorrichtung, mittels der der dickwandige Quarzglas-Hohlzylinders 1 zu einem dünnwandigeren Zwischenzylinder 2 mit einem Außendurchmesser von 320 mm, einer Wandstärke von 15 mm und einer Länge von 6,20 m umgeformt wird.
Der Hohlzylinder 1 wird mit einer Vorschubeinrichtung kontinuierlich und unter Rotation um seine Längsachse 3 mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 4 cm/min in einen Widerstandsofen 4 geschoben, der den Hohlzylinder 1 ringförmig mit einem Innendurchmesser von 400 mm umgibt und darin zonenweise auf eine Temperatur um 2100 °C aufgeheizt. Zum Ausziehen wird eine (in der Figur nicht gezeigte) Zieheinrichtung verwendet, die den Zwischenzylinder 2 um seine Längsachse 3 drehend mit einer Abziehgeschwindigkeit von etwa 12 cm/min in Richtung der Längsachse 3 abzieht.
Der Quarzglas-Hohlzylinder 1 ist an seiner freien Stirnseite mit einer gasdichten Drehdurchführung verschlossen. In den Ofen 4 ragt ein Formwerkzeug, das zwei wassergekühlte Formbacken 5 aufweist, die mit Graphitzungen belegt sind (in 1 nur schematisch angedeutet). Durch die Drehdurchführung wird in den rotierenden Quarzglas-Hohlzylinder 1 ein Gasstrom eingeleitet, so dass sich ein regelbarer Innen-Überdruck von etwa 10 mbar eingestellt. Der Hohlzylinder 1 wird dadurch gegen die Formbacken 5 auf den Soll-Durchmesser von 340 mm aufgeblasen, wobei sich vor den Formbacken 5 ein Umfangswulst 6 bildet.
Der Zwischenzylinder 2 kann sich danach von den Formbacken 5 lösen, so dass der sich tatsächlich einstellende Außendurchmesser vom Abstand der Formbacken geringfügig abweichen kann. Zur Messung und Regelung des Außendurchmessers ist eine schematisch dargestellte Mess- und Regeleinrichtung 13 vorgesehen, die zwei hochauflösende CCD-Kameras 7; 8 zur Erfassung der Längskanten 10; 11 des Hohlzylinders 1 und Monitore 12 umfasst, die die relative axiale Lage der optisch erfassten Längskanten 10, 11 anzeigen. Zu weiteren Details der Funktionsweise der Regeleinrichtung 13 wird auf die DE 10 2007 051 898 A1 verwiesen.
Der so erhaltene Zwischenzylinder 2 zeichnet sich durch einen definierten Außendurchmesser und insgesamt hohe Maßhaltigkeit aus. Die Qualität des Quarzglases entspricht unverändert der des Hohlzylinders 1, wie oben erläutert. Er ist als definiertes Ausgangsprodukt zur Herstellung eines Großrohres geeignet.
Zweiter Umformschritt zur Erzeugung des Großrohres
2 zeigt schematisch die Vorrichtung zum Umformen des Zwischenzylinders 2 zu dem gewünschten Großrohr 22 mit einem Außendurchmesser von 960 mm.
An den Zwischenzylinder 2 sind links und rechts Halterohre angeschweißt (in der Figur nicht gezeigt), die in die beiden Spannfutter einer Glasdrehbank eingespannt sind und die synchron rotieren.
Ein Brennerwagen 21 fährt den Zwischenzylinder 2 von rechts nach links ab, wie vom Richtungspfeil 23 angezeigt. Auf dem Brennerwagen 21 ist ein Brennerring montiert, der zur Erwärmung und Erweichung des Zwischenzylinders 2 dient. Der Brennerring 25 wird aus fünf Gasbrenner gebildet welche kreisringförmig und gleichmäßig um die Zylinder-Längsachse 3 verteilt sind.
Durch Vorschub des Brennerwagens 21 mit einer Geschwindigkeit von 4 cm/min wird der Zwischenzylinder 2 unter Rotation um seine Längsachse 3 mit einer Geschwindigkeit von 60 U/min (die der Rotationsachse entspricht) kontinuierlich unter die Einwirkung des Brennerrings und wird so auf hohe Temperatur um 2.100 °C erhitzt. Dabei kann die Innenbohrung 20 mit einem Gas gespült werden und ein definierter und geregelter Innendruck bis etwa 100 mbar in der Innenbohrung 20 eingestellt werden.
Das Quarzglas erhält durch das Aufheizen im Brennerring 25 eine so geringe Viskosität, so dass es sich leicht verformt, so dass sich die Rohr-Außenwandung unter Einwirkung von Zentrifugalkraft und Innendruck gegen ein Formteil 27 aus Grafit mit einer Wandstärke von 7,5 mm anlegt. Ein zusätzliches Elongieren findet dabei nicht statt, im Gegenteil, das Quarzglasrohr wird gestaucht, wie von den Blockpfeilen 24 angedeutet, derart, dass das aufgeblasene Großrohr 22 etwa dieselbe Wandstärke hat, wie das Zwischenrohr 2.
Das so erhaltene Quarzglasrohr (22) dient als Zwischenzylinder 2 für ein weiteres Umformen anhand des in 2 gezeigten Verfahrens. Auf diese Weise wird der Zwischenzylinder 2 stufenweise zu dem Quarzglas-Großrohr 22 aufgeweitet, wobei jede Verformungsstufe eine Durchmesser-Aufweitung von 65 mm oder weniger ausmacht. Der Außendurchmesser des Brennerrings 25 kann dabei einfach an den jeweiligen Außendurchmesser der Verformungsstufe angepasst werden.
Das aufgeblasene Großrohr 22 hat etwa dieselbe Wandstärke (100 %) wie das anfänglich eingesetzte Zwischenrohr 2 und ist auf eine Endlänge von 2,976 m gestaucht.
Anhand dieses Verfahrens wird auf wirtschaftliche Weise mit nur zwei Umformschritten aber unter Einhaltung der oben erläuterten Randbedingungen bezüglich der chemischen Zusammensetzung des Quarzglases und seiner Homogenität ein Großrohr 22 aus synthetischem Quarzglas mit insgesamt hoher Maßhaltigkeit erhalten. Die Wanddickenschwankung des so erzeugten Quarzglas-Großrohes 22 beträgt weniger als 0,42 mm pro Rohrlängenmeter.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007061609 A1 [0003]
JP 04-26522 A [0007]
JP 2004149325 A [0009]
DE 10152328 A1 [0020]
DE 10152328 A [0045]
DE 102007051898 A1 [0051, 0055]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D.M. Dodd and D.B. Fraser, Optical determination of OH in fused silica, Journal of Applied Physics, Vol. 37(1966), p. 3911 [0022]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Großrohres (22) durch mehrstufiges Umformen, wobei in einem ersten Umformschritt unter Einsatz eines Formwerkzeugs (5) ein Zwischenzylinder (2) aus Quarzglas mit einer Zwischenzylinder-Wandstärke und einem Zwischenzylinder-Außendurchmesser geformt und anschließend abgekühlt wird, und indem in einem zweiten Umformschritt mindestens ein Längenabschnitt des abgekühlten Zwischenzylinders (2) einer Heizzone (25) zugeführt, darin zonenweise auf eine Erweichungstemperatur erhitzt und um seine Längsachse (3) rotierend zu dem Quarzglas-Großrohr (22) mit einer End-Wandstärke und einem End-Außendurchmesser umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas synthetisch erzeugt ist und einen mittleren Hydroxylgruppengehalt von 10 Gew.-ppm oder weniger hat, mit der zusätzlichen Maßgabe, dass bei Unterteilung des Zwischenzylinders in Längenabschnitte mit einer Länge von 1 cm, benachbarte Längenabschnitte in ihrem mittleren Hydroxylgruppengehalt einen Unterschied von weniger als 2 Gew.-ppm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas einen mittleren Hydroxylgruppengehalt von 2 Gew.-ppm oder weniger hat, und dass benachbarte Längenabschnitte des Zwischenzylinders in ihrem mittleren Hydroxylgruppengehalt einen Unterschied von weniger als 1 Gew.-ppm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas eine mittlere Chlor-Konzentration von weniger als 3000 Gew.-ppm hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas-Großrohr (22) im zweiten Umformschritt nicht elongiert wird und dass seine Durchmesservergrößerung auf Zentrifugalkraft oder Blasdruck beruht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas-Großrohr (22) im zweiten Umformschritt in Richtung seiner Längsachse (3) gestaucht wird, derart dass seine Wandstärke nach dem Stauchen zwischen 70 % und maximal 100 % seiner Wandstärke vor dem Stauchen beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone von mehreren, ringförmig um den Umfang des Zwischenzylinders (2) gleichmäßig verteilten Heizquellen (25) gebildet wird, die ausgewählt sind aus der Gruppe: Plasmabrenner, Gasbrenner, Laser.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas eine Konzentration an Aluminium (Al) von weniger als 1 Gew.-ppm und einen Gesamtgehalt anderer metallischer Verunreinigungen von weniger als 4 Gew.-ppm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas eine Konzentration an Alkali- und Erdalkalimetall-Verunreinigungen von weniger als 0,3 Gew.-ppm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Umformschritt ein Ausgangs-Hohlzylinder (1) aus Quarzglas einem elektrisch beheizten Ofen (4) zugeführt, darin zonenweise erweicht und kontinuierlich und um seine Längsachse (3) rotierend mit seinem Zylinder-Außenmantel gegen das Formwerkzeug (5) gedrückt und vom Formwerkzeug (5) kontinuierlich zu dem Zwischenzylinder (2) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des elektrisch beheizten Ofens (4) in Richtung der Zylinder-Längsachse (3) gesehen mindestens 500 mm und der Abstand zwischen der Außenwandung des Zwischenzylinders (2) und einer Innenwandung des Ofens (4) weniger als 100 mm betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Großrohr (22) mit einer Wanddickenschwankung von weniger als 0,5 mm pro Rohrlängenmeter erhalten wird.