DE1208046B - Schachtofen zum kontinuierlichen Ziehen von Rohren aus Quarz oder hochkieselsaeurehaltigen Glaesern - Google Patents

Description

• Schachtofen zum kontinuierlichen Ziehen von Rohren aus Quarz oder hochkieselsäurehaltigen Gläsern Die Erfindung bezieht sich auf Schachtöfen zum kontinuierlichen Ziehen eines Rohres aus Quarz oder hochkieselsäurehaltigen quarzähnlichen Gläsern aus einer Schmelze durch eine Düse im Boden eines elektrisch beheizten Tiegels, insbesondere auf eine zusätzliche Einrichtung an der Ziehdüse, durch die ein gleichmäßig kreisförmiger Querschnitt des gezogenen Rohres eingehalten werden kann.
• Die Herstellung von Quarzrohren aus Schachtöfen bietet gegenüber der Herstellung von Glasrohren besondere Schwierigkeiten, die durch die hohe Verarbeitungstemperatur und die Höhe der Viskosität der Quarzschmelze an der Düse bedingt sind.
• Eine bekannte Einrichtung zum Ziehen von Quarzrohren, Stangen u. dgl, besteht aus einem elektrisch beheizten Schmelztiegel aus hochtemperaturbeständigem Metall, wie beispielsweise Molybdän, der von einem feuerfesten, unter Umständen wassergekühlten Isoliermantel umgeben ist. Die Heizung erfolgt indirekt durch Heizdrähte aus Wolfram, Molybdän u. dgl., die zwischen der Tiegelwandung und dem Wärmeisolationsmantel derart angeordnet sind, daß sie die Wärme auf die Tigelwandung übertragen.
• Bei der erforderlichen Schmelztemperatur von 1600 bis 2100'C würden die Metallteile des Schachtofens rasch korrodieren, sie werden daher im Betrieb von Schutzgas, beispielsweise einem Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch umspült.
• Der Tiegel wird von oben mit dem zu schmelzenden Material, beispielsweise mit natürlichem Bergkristall in Stücken von 5 bis 50g gefüllt. Bei etwa 2000°C beginnt die Schmelze unter Einfluß der Schwerkraft aus einer im Boden des Tiegels angeordneten Öffnung, der Düse, auszutreten und wird durch eine geeignete Ziehvorrichtung, die sich unterhalb der Düse befindet, vertikal nach unten kontinuierlich abgezogen.
• Beim Ziehen von Quarzrohr ist die Austrittsöffnung kreisförmig; in ihrer Mitte befindet sich ein axial angeordneter Hohldorn. Beim Austritt der Schmelze aus dem kreisförmigen Düsenspalt zwischen der Düsenwandung und dem Hohldorn entsteht ein annähernd rotationssymmetrischer Körper, Knolle genannt, der erst in einigem Abstand von der Düse in die gewünschte Rohrform übergeht.
• Die Entstehung dieser Knolle wird folgendermaßen gedeutet: bei Verwendung der bisher gebräuchlichen Düsenkonstruktion findet die ausfließende Schmelze am Außenrand der Düse weniger Reibungswiderstand als am Innenrand, da die Düsenwandung eine geringere Höhe hat als der Dorn. Das hat zur Folge, daß am Außenrand der Düse eine größere Quarzmenge in der Zeiteinheit austritt als am Innenrand. Hierdurch kommt es zu einer Verdickung der Knolle über den Durchmesser des Düsenspaltes hinaus.
• Die rotationssymmetrische Form der Knolle ist im wesentlichen abhängig von der Homogenität der Schmelze in bezug auf ihre Viskosität. Der natürliche Bergkristall enthält jedoch stets Spuren verschiedener Oxyde, wie beispielsweise Fe2O3, A1202, Ca0, Na20 u. a. m. in veränderlicher Menge, durch die die Viskosität des geschmolzenen Quarzglases beeinflußt wird.
• In der Schmelze ergeben sich daher Gebiete unterschiedlicher Viskosität, die beim Austreten der Schmelze aus dem Düsenspalt infolge der über den Umfang verschiedenen Viskositäten zu Abweichungen von der idealen, rotationssymmetrischen Form der Knolle führen. Es kommt zur Bildung von Knollen, deren Querschnitt oval oder vollständig unregelmäßig ist. Durch den Ziehprozeß wird die Knolle zum Quarzglasrohr ausgezogen, welches nun ebenfalls Abweichungen von der idealen kreisrunden Form und von der gleichmäßigen Wandstärke aufweist. Diese Abweichungen werden Ovalität genannt. Es hat sich gezeigt, daß die Ovalität in erträglichen Grenzen bleibt, wenn beim Austritt des Quarzglases aus der Düse eine Knolle entsteht, deren Durchmesser nicht wesentlich größer ist als der des kreisringförmigen Düsenspaltes.
• Erfindungsgemäß wird bei Schachtöfen zum kontinuierlichen Ziehen von Rohren aus Quarz oder hochkieselsäurehaltigen Gläsern aus einer Schmelze durch eine Düse im Boden eines elektrisch beheizten Tiegels die Ausbildung einer die Gleichmäßigkeit des Rohres bezüglich Rundheit und Wandstärke ungünstig beeinflussenden Knolle am Düsenaustritt dadurch vermieden, daß an oder in der Ziehdüse mehrere, vorzugsweise sechs, in die Strömung hineinragende Vorsprünge oder Zähne vorgesehen sind.
• Die Zähne, die von einer Ringplatte, deren Innendurchmesser dem oberen Durchmesser der Düsenöffnung entspricht, radial in die Strömung ragen, sind im gleichen Abstand voneinander angeordnet.
• Die Zähne erhalten eine derartige Form, daß die Stromlinien der Schmelze in der Nähe ihrer Oberfläche laminar verlaufen und sich nicht ablösen. Eine geeignete Form des Zahnquerschnittes ist beispielsweise eine angenäherte Tropfenform. Es hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung einer Ringplatte nach der Erfindung der äußere Durchmesser der Knolle und die Ovalität des gezogenen Quarzrohres sich verringert. Quarzrohre, die aus einem Tiegel mit entsprechend ausgestatteter Ziehdüse kontinuierlich gezogen werden, haben geringere Abweichungen vom idealen kreisförmigen Querschnitt als solche, die unter Verwendung der bisher gebräuchlichen Düsen gezogen werden.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Einander entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Schachtofens üblicher Bauart; F i g. 2 stellt die Düse des Tiegels während des Ziehvorganges dar, F i g. 3 ist die Düse des Tiegels mit der eingebauten Ringplatte nach der Erfindung; F i g. 4 ist eine Aufsicht auf die Ringplatte; F i g. 5 zeigt die Vorderansicht eines Zahnes; F i g. 6 zeigt die Seitenansicht des Zahnes; F i g. 7 stellt einen Zahn, von oben gesehen, dar. Der in F i g.1 gezeigte übliche Schachtofen zum Ziehen von Quarzrohr besteht aus einem Schmelztiegel 1, in dessen Boden sich die Düse 2 mit dem Dorn 3 befindet. Durch die Rohrleitung 4 wird ein Schutzgas, beispielsweise ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch zugeführt, das durch den Dorn in das Quarzrohrinnere tritt und das Eindringen von Luft durch das Quarzrohr verhindert.
• Der Tiegel 1 ist von Heizdrähten 5 umgeben, die in dem dargestellten Beispiel parallel zur Tiegelachse angeordnet sind. Die Heizdrähte bestehen aus Wolfram und werden ebenso wie die Tiegelwandung während des Betriebes von Schutzgas umspült. Sie werden von einem Niederspannungstransformator gespeist. Die Heizdrähte 5 sind von zwei Wärmeisolationsmänteln 6, 7, beispielsweise aus Zirkonoxyd, umgeben, die von einem wassergekühlten Metallmantel 8 umschlossen sind.
• Die Düsenplatte 2 ist kreisringförmig ausgebildet und hat eine Höhe von beispielsweise 20 mm. Sie enthält eine kreisförmige Öffnung, die sich zur Austrittsseite verjüngt. Der Durchmesser der Öffnung und des Dorns hängt von den Dimensionen des Quarzrohres ab, das hergestellt werden soll. Wie in F i g. 2 dargestellt, tritt die im Tiegel 1 auf etwa 2000° C gebrachte Schmelze aus dem kreisringförmigen Düsenspalt 9 zwischen Düsenring 2 und Dorn 3 aus. Sie fließt unter ihrer eigenen Schwere den Dorn entlang nach unten, wo sie allmählich in Rohrform erstarrt und unterhalb der Erstarrungszone von einer geeigneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Ziehvorrichtung abgezogen wird.
• Da der Reibungswiderstand am Außenrand der Düse geringer ist als an der Dornwandung, bildet die Schmelze eine Knolle 10, wie in F i g. 2 dargestellt. Die Form und der Durchmesser der Knolle hängt im wesentlichen von der unterschiedlichen Viskosität und dem unterschiedlichen Strömungswiderstand im Ringspalt der Düse ab. Hierdurch wird die Entstehung unregelmäßig geformter, aufgestauter Knollen begünstigt, die zu unregelmäßig geformten, beispielsweise ovalen Quarzrohren führen.
• In F i g. 3 ist dargestellt, wie durch den Einbau einer Ringplate 11 nach der Erfindung dieser übelstand gemildert werden kann. Der innere Durchmesser der Ringplatte, die aus Molybdän, Wolfram od. dgl. hergestellt ist, entspricht dem Innendurchmesser der oberen öffnung in der Düsenplatte. Die Ringplatte 11 ist über der Düsenplatte angeordnet. In die Strömung der Schmelze hinein ragen vorzugsweise sechs radial angeordnete Zähne 12 (s. F i g. 3 und 4). Die Höhe der Platte beträgt etwa 15 mm, die Breite eines Zahnes etwa 10 mm. Die Zähne sind so geformt und bemessen, daß die Strömungsgeschwindigkeit in der äußeren Grenzschicht der Strömung verkleinert wird und die Reibungsschicht laminar strömt. Versuche haben gezeigt, daß der Durchmesser der Knolle nach Einbau dieser Ringplatte kleiner wird. überraschenderweise wird dadurch auch die Ovalität am fertigen Quarzrohr stark vermindert, so daß der Ausschuß geringer wird.
• In den F i g. 5, 6 und 7 ist eine geeignete Form eines Zahnes nach der Erfindung in drei verschiedenen Ansichten gezeigt.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Schachtofen zum kontinuierlichen Ziehen von Rohren aus Quarz oder hochkieselsäurehaltigen Gläsern aus einer Schmelze durch eine Düse im Boden eines elektrisch beheizten Tiegels, d a -durch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Ausbildung einer die Gleichmäßigkeit des Rohres bezüglich Rundheit und Wandstärke ungünstig beeinflussenden Knolle am Düsenaustritt an oder in der Ziehdüse (2) mehrere, vorzugsweise sechs, in die Strömung hineinragende Vorsprünge oder Zähne (12) vorgesehen sind.
2. 2. Schachtofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (12) im gleichen Abstand voneinander radial angeordnet sind.
3. 3. Schachtofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (12) einen tropfenförmigen Querschnitt haben.