DE1596664A1

DE1596664A1 - Schmelzofen

Info

Publication number: DE1596664A1
Application number: DE19671596664
Authority: DE
Inventors: Loughridge Frederic A; Britt Richard G
Original assignee: Sylvania Electric Products Inc
Current assignee: GTE Sylvania Inc
Priority date: 1966-08-12
Filing date: 1967-08-12
Publication date: 1971-03-18
Also published as: GB1161937A; US3508900A

Description

S6 P20 D PATENTANWÄLTE

DR CLAUS REINLÄNDER DIPL-ΙΝΘ. KUUS BERNHARDT

D-8 MÖNCHEN 23 IRQRRRA MAINZER STRASSE 5 I U O U U' U «t

SYLVANIA, ELECTRIC PRODUCTS, INC.

Wilmington / Delaware V. St. v. Amerika

Schmelzofen Priorität» 12. August 19-66 - V. St. τ. Amerika - Ser.No. 572,110

Me Erfindung betrifft allgemein elektrisch beheizte Öfen zum Schmelzen von Quarz oder Quarzglas und zum Umformen von solohen Gläsern zu Rohren.

Bisher bestanden bei solchen Öfen Probleme hinsiohtlioh der Justierung dts Giesskernes und hinsiohtlioh der Aufrechterhaltung tiner gleichförmigen Temperatur innerhalb der Schmelze. Es wurde festgestellt, dass, wenn ein hohler Kernträger, der Schutzgas führt, in die Schneise gebracht wird, der Bereich um den Träger herum eins niedrigere Temperatur hat als der Rest der Schmelze, so dass unterschiedliche Fliessbedingungen geschaffen werden. Der

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Kern selbst trägt nioht nur zur Formung des Rohres bei, sondern, was wichtiger ist, kontrolliert auch die Endabaessungen des Rohres.

Sine der Hauptforderungen bei der Konstruktion eines Kernes, der dieee Forderungen erfüllt, besteht darin, einen adäquaten Fluss der Schmelze rom Tiegel zuzulassen, so dass ein Endprodukt gleichförmiger Abmessungen gebildet wird. Wenn die Schmelze aua dem Tiegel herausflieset, strömt sie über die Aussenflächen des Kernes, der in einer Öffnung im Boden des Tiegels angeordnet ist. Die geformte Schmelze kühlt sich allmählich von einem plastischen Zustand zu einem härteren oder erstarrten Zustand ab, wenn sie aus dem Tiegel herausflieset. Ss wurde festgestellt, dass es erforderlich ist, den Kern ao zu konstruieren, dass er in die Plastizitätsaone hineinreicht, jedoch kurz vor dar Zone aufhört, in dar dar Quarz erstarrt, ao dass endgültige, kritische Abmessungen dea Produktes erreicht werden können·

Die Form eines erfindungsgemässen Kern·· ist allgemein ähnlich der eines Stundenglases, die sehr funktionell ist. Sin erheblicher Torteil einer Stundenglasform besteht darin, dass der ober· feil Fließströme einleitet, die eine gleichförmige Temperatur innerhalb der Sohmel*· begünstigen. s Das ist ein sehr wesentliches Markmal, weil es »um guten Ziehen erfor-

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derlich ist, dass die Schmelze eine gleichförmige Tiskosität hat« {

Bai den oben erwähnten öfen ist dar Kern gewöhnlich in dar Mitte dar ! Schmelze angeordnet» Normalerweisa strömt ein relatiy kühles Gas durch den Kernhalter und sorgt für Temperaturunterschiede, und dementsprechend ist der Quarz um den Kemhalter herum kälter-als der Rest der Schmelze. Mit den beschriebenen Zirkulation·wegen, die durch die Form des

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Matrizenkernes erzeugt werden, werden die kalten Bereiche, die gewöhnlich bei bekannten Torrichtungen auftreten, beseitigt·

Durch die Erfindung wird auch ein Justiermechaniamus verfügbar gemacht, der eine räumliche Beziehung zwischen dem Kern und dem Öffnungsring aufrechterhält, indem der Kern horizontal, vertikal und winkelmäßig in bezug auf den Öffnungsring justiert wird, um einen gemessenen Strom der Schmelze aus dem Tiegel herbeizuführen.

Es wurde auch festgestellt, dass bei dieser speziellen Kernform eine höhere Flussrate an der Ziehöffnung erreicht wird, was ebenfalls sehr vorteilhaft ist, besondere beim Formen von Rohren unterschiedlicher Grösee.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Schmelzofen; Fig. 2 eine perspektivische Sarstellung des KernJustiermechanismus; und Fig· 3 einen Längsschnitt durch die Ziehdüse mit dem Kern.

Gemäss Fig. 1 enthält ein erfindungsgemässer Schmelzofen einen zylindrischen Hauptbehälter 10 «it oberen und unteren Abdeckungen 12 und 14, die mit Flanschen 16 und 16 an den Hauptzylinder angepasst sind· Im Hauptzylinder 10 ist ein letz aus Wäreeisoliematerial angeordnet, beispielsweise eine keramische Fora, die um den Innen-Hohlraum des Hauptzylinder a angeordnet ist, um den Aussenbehälter 10 gegen ein inneres

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korbartiges Heizelement 22 zu isolieren. Das Heizelement 22 umfasst einen rohrförmigen Tiegel aus hitzebeständigem Metall, der am oberen Ende mit einer Lippe 26 an Ort und Stelle gehalten wird, die auf der Oberseite des Isolierstoffes 20 aufliegt. Im unteren Hohlraum des Tiegels 24 ist ein Ziehdüsenring 28 mit einer kreisförmigen, keilartigen Uffnung 30 angeordnet, die deutlicher in Fig. 3 erkennbar ist. Ein Kern hängt axial ausgefluchtet in der Öffnung 30 und wird von einem hohlen Halter 34 getragen. Der Halter 34 ist am oberen Ende mit einem Justiermechanismus 3& versehen, mit dem der Kern 32 vertikal, lateral und winkelmässig justiert werden kann, um gleichmässige Abmessungen zu kontrollieren. Der Kern, der Kernhalter und der Öffnungsring können aus einem nitzebeständigen Metall hergestellt werden, beispielsweise Wolfram.

Der obere Deckel 12 ist auch mit einem Füllrohr 38 versehen, mit dem Quarzbruch in den inneren Tiegel gefüllt werden kann. Im oberen Deokel ist auch ein Reinigungsgas-Einlassrohr 40 angeordnet, um das Innere des Ofens beim Beginn und während des Ziehens zu spülen und die Luft zu entfernen. Ein Schutzgas wird auch in das äussere Ende des hohlen Kernhalters 34 eingeführt, um im Kern 32 einen konstanten Strom Schutzgas aufrechtzuerhalten, der erforderlich ist, um den Innendurchmesser des Rohres aufrechtzuerhalten und eine Verunreinigung des Glases selbst zu verhindern.

Ein Hochtemperaturofen dieser Art weist Bereiche auf, die auf einer niedrigeren Betriebstemperatur gehalten werden müssen als der Rest des

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Ofens. Bereiche wie der Kristalleinlass 42, die Heizelementträger 44 und 45 und der Ausgangsflansch 46 müssen mit geeigneten Kühlmitteln versehen sein, beispielweise einem Wasserkreislauf.

Der Justiermechanismus 36 umfasst einen Deckelflansch 48, <ier an einer Verlängerung 50 der oberen Abdeckung 12 angeschweisst ist, um eine Plattform zu bilden, die eine Verschiebeplatte 52 trägt. Drei Einstellklemmen 54 in gleichem Abstand voneinander, die an den Plansch 48 angeschweisst sind, sind mit Vertikal- und Horizontal-Positionierschrauben 49 bzw. 51 versehen. Es iet nur eine Klemme 54 der besseren Übersichtlichkeit halber dargestellt. Die Vertikalschrauben 49 werden dazu verwendet, die Schiebeplatte 52 in einer festen Lage zu halten, nachdem die horizontalen Schrauben 51 dazu verwendet worden sind, die Schiebeplatte 52 zur axialen Ausfluchtung des Kernhalters 34 zu justieren.

Ein Kugelpfannengehäuse 56 ist auf die Schiebeplatte 52 aufgesetzt und ist mir einer nachgiebigen Dichtung 57 versehen, die aus Neopren oder dergleichen hergestellt werden kann. Eine getrennte Kühlleitung 58 kühlt die Dichtung 57 und hält sie im Betriebszustand. In diesem Gehäuse ist eine Neigekugel 60 mit einem Druckkragen 64 festgelegt, der seinerseits mit Befestigungsmitteln 62 festgelegt ist. Der Kernhalter 34 reicht über die Kugel 60 nach oben und durch einen Justierkragen 66 mit einer inneren Drehdichtung 68, die eine gute Abdichtung des Ofens gewährleistet. Die winkelmässige Einstellung des Kernhalters 34 wird mit Einstellschrauben 70 erreicht, die am Kragen 66 anliegen und in nach oben stehenden Klemmen 72 liegen, die an der Schiebeplatte 52 befestigt •ind. Drei Klemmen 72 sind gleichmässig um den Kragen 66 herum ver-

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teilt. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine Klemme 72 dargestellt. Der obere Teil des Kragens 66 ist mit einem Schraubgehäuse 74 versehen, in daa ein Gewindeteil 76 des Kernträgers 34 eingeschraubt ist. Der Gewindeteil 76 wird zur vertikalen Einstellung des Kerns *it einer Mutter 78 bewegt, die auf das Ende des Trägers 34 aufgekeilt und mit einem Anschlagkragen 80 an Ort und Stelle gehalten wird. Mit diesen Justierteilen kann der Kernträger 34, der den Kernkopf 32 trägt, horizontal und/oder vertikal justiert werden. Diese Justierungen ergeben für 4en Kern das zum Herstellen von Rohren erforderliche Spiel für die Zentrierung.

Die Beziehung von Kern 32 und Düsenring 28, die die endgültigen Abmessungen des Rohres bestimmt, ist in Fig. 3 dargestellt. Der Kern besteht aus einem oberen und einem unteren Teil. Der obere Teil besteht aus einem oberen und einem unteren Kegelstumpf 90 bzw. 92, die mit ihren Grandflächen an einen hohlen oberen Ring 94 angesetzt sind· Der Durchmesser des Ringes 94 ist gleich dem Durchmesser der betreffenden Grundflächen. Ein Kegelstumpf 86 ist unter den oberen Kegeln und 92 angeordnet und trägt einen unteren Ring $6_t dessen Höh· grosser ist als die des oberen Rings 94» der an der Grundfläche des unteren Kegels angeordnet ist. Zwischen den oberen Kegeln 90 und 92 und des unteren Kegel 86 liegt ein Zwischenring 88, dessen Durchmesser gleich dem des Scheitels der Kegel ist.

Wie bereits erwähnt ist, sorgt die Form des Kerns 32 für einen homogenen Schmelzfluss zwischen der Düse 28 und dem Kern und ruft Zirkulationswege hervor, um die Temperatur ie Tiegel 24 gleichförmig zu halten. Die Zirkulationswege sind durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet,

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um klar einen kontinuierlichen Schmelzfluss über die Fläche der oberen Kegel sowie die Rezirkulationswege der Schneize beim Durchlauf der Ringfläche 94 darzustellen. Der ausgesparte Bereich bei 88 sorgt für einen maximalen freien Raum für die Schmelze beim Durchlauf durch die Düse 30.

Der untere Ring 96 ist eine kritische Abmessung des Kerneβ. Er ist in einem solchen Abstand von der Düse 30 angeordnet, dass die Schmelze 82 immer noch in einer plastischen Zone ist, die in Fig. 3 mit "A" bezeichnet ist. Bei weiterer Abwärtswanderung erreicht die Schmelze eine Er s tar rungs ζ one, mit ¹¹B" bezeichnet, wo das Rohr bereits seine Endform hat. Wie bereits erwähnt, wird durch den hohlen Kernträger 34 ein Schutzgas in das Rohrinnere geleitet, um den Innendurchmesser des Rohres aufrechtzuerhalten und Luft daran zu hindern, das Innere des Kernträgers zu erreichen, wodurch der Kernträger durch Oxydation zerstört würde.

Wie bereits erwähnt, kann der Kern 32 vertikal justiert werden, um die konische Fläche des umgekehrten Kegels 92 mit der angepassten Kante des Düsenringes 28 in Übereinstimmung zu bringen, so dass ein zuverlässiger Abschlußstopfen gebildet wird, um einen Schmelzfluss zu verhindern, wenn das erforderlich, ist, oder das Fliessen durch eine Yentilwirkung zu regulieren.

Ein typischer Betriebsablauf soll nunmehr beschrieben werden. Die Zuführleitung 38 wird abgeschlossen, und es wird mit Stickstoff gespült. Kristalle werden dann in den Tiegel 24 eingebracht, der auf einer

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Temperatur von etwa 2000 C gehalten wird. Ein Teil des Beibehaltene der Temperatur beruht darauf, dass die Nachlieferrate der Kristalle kontrolliert wird. Darüber hinaus ist die Lieferrate auch dafür von Bedeutung, dass ein konstantes Niveau der Schmelze im Tiegel 24 bleibt. Das Schmelzniveau seinerseits trägt dazu bei, die Wandstärke der Rohre zu kontrollieren. Wenn die Schmelze 82 die richtige Konsistenz hat, wird der Kern 32 genau justiert, indem der Kern in der Düse 30 zentriert wird. Die Wandstärke des Rohres wird, wie bereits erwähnt, durch die Grosse der Öffnung zwischen dem Kern 32 und der Düse 30 zusammen mit der Schmelztemperatur, dem Schmelzniveau und der Ziehgeschwindigkeit kontrolliert. Die Betriebsparameter werden schliesslich dadurch bestimmt, dass der Bereich von diesen Variablen aufgesucht wird, der die gewünschten Abmessungen bei leichter Kontrollmöglichkeit ergibt.

·../Ansprüche

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Claims

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Patentansprüche

1. Elektrisch beheizter Ofen zum Schmelzen von Quarz, bestehend aus einem Tiegel mit einem zylindrischen hohlen Teil und einem Öffnungsring im Boden des Tiegels, einem elektrischen Heizelement, das um den Tiegel herum angeordnet ist, und einem Kern mit einem Halter und einem Kopf, der an das untere Ende des Halters montiert ist und in der durch den Öffnungsring definierten Düse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (32) des Kerne allgemein die Form eines Stundenglases hat, der obere Teil (90, 92, 94) des Kernkopfes (32) einen grösseren maximalen Durchmesser hat als der untere Teil (86, 96) des Kernkopfes, dass der untere Teil (86, 96) des Kernkopfes unter der Höhe der Düse (30) angeordnet ist, die durch den Öffnungsring (28) definiert ist, während der obere Teil (90, 92, 94) des Kernkopfes (32) mit der Düse (30), die durch den üffnungsring (28) definiert ist, zusammenarbeitet, so dass der geschmolzene Quarz über den Kernkopf (32) läuft und der obere Teil des Kernkopfes Fließströme in der Quarz-Bchmelze (82) einleitet, die eine gleichförmige Temperatur in der Schmelze (82) fördern und dadurch eine gleichförmige Viskosität der Schmelze (82).

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daee der obere Teil (90, 92, 94) des lerokopfes (32) aus zwei Kegelstumpfen (90, 92) besteht, deren Grundflächen in wesentlichen gleiche Durchmesser haben und

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ineinander gegenüberliegend einander benachbart angeordnet sind, und dass der untere Teil (86, 96) des Kernkopfes (52) aus einem Kegelstumpf (86) besteht, dessen Grundflächendurchmesser merklich kleiner ist als der Durchmesser der Grundfläche der beiden anderen Kegel (90> 92).

5· Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen der beiden oberen Kegel (90, 92) durch einen Ring (94) getrennt sind, dessen Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Grundfläche der beiden Kegel (90, 92) ist, und dass die Kegel (90, 92) ia oberen Teil des Kernkopfes vom Kegel (ö6) im unteren Teil des Kernkopfes durch einen zweiten Ring (88) getrennt sind, dessen Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Oberseite der drei Kegel (90, 92, 86) ist.

4· Ofen nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel (86) im unteren Teil (86, 96) des Kernkopfes (32) mit einem Bodenring (96) versehen ist, dessen Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Grundfläche des unteren Kegels (86) ist.

5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkopf (32) einen mittleren, hohlen Teil aufweist, der von der Oberseite zur Unterseite, des Kopfes (32) reicht, und dass der Kernträger (34) einen mittleren hohlen Teil aufweist, der in gasleitender Verbindung mit dem oberen Teil des hohlen Teils des Kernkopfes steht, ·ο dass ein Kanal für eine Schutzgasströmung gebildet wird, so dass die Teile der Schmelze (82) um den Kernträger (34) eine niedrigere Temperatur haben al* die anderen Teile der Schmelze, wodurch unterschiedliche Strömungen im Quarz induziert werden und der Kernträger (34) g*g*a »u hebe Temperaturen der Schmelze und Oxydation geschützt igt·

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6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement aus einem bodenlosen Drahtnetz-Korb (22) mit drei Tragarmen (44, 45) in gleichen Abständen voneinander besteht.

7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem am oberen Ende des Kernträgers eine Justiervorrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Justiervorrichtung (36) aus einer zylindrischen Schiebeplatte (52) besteht, die von einer Anzahl voneinander entfernter Klemmen (49, 51» 54) gehalten und horizontal justiert wird, dass ein Neigekugelgehäuse (56) an der Schiebeplatte (52) befestigt ist, dass ein Justierkragen (66) im Abstand von dem Neigekugelgehäuse angeordnet ist und den Kernträger (34) umfasst, wobei der Justierkragen (66) ein Schraubgehäuse (74) am oberen Ende aufweist und eine Justierschraube (76) am oberen Ende des Kernträgers (34) angeordnet und in das Schraubgehäuse (74) eingeschraubt ist, so dass der Kernträger und -kopf in jeder Richtung justiert werden kann.

8. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Neigekugelgehäuse aus einem rohrförmigen Gehäuseelement (56) besteht, dass ein

. halbkugeliger Entlastungsteil auf der Innenseite des Gehäuseelementes (56) gebildet ist und in der Grundplatte eine erweiterte Bohrung gebildet ist, dass eine nachgiebige Dichtung (57) innerhalb der Bohrung angeordnet ist, dass ein Terriegelungskragen (61) im Abstand über dem Neigekugelgehäuse angeordnet ist, eine Kugel (60) auf dem Kernträger angeordnet ist, die innerhalb des Entlastungsteils des Gehäuseelementes (56) gelagert ist und vom Verriegelungskragen mit der Dichtung (57) in Berührung gehalten wird, so dass der Kernträger (34) axial justiert und in abgedichtetem Zustand gehalten werden kann.

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