DE2952038B1

DE2952038B1 - Schmelzvorrichtung aus Quarzglas zum Herstellen von massivem Quarzglas

Info

Publication number: DE2952038B1
Application number: DE2952038A
Authority: DE
Inventors: Oswald Huth; Horst Lorenz; Karlheinz Dipl-Phys Dr Rau; Kurt Stenzel; Lothar Volkmann
Original assignee: Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1979-12-22
Publication date: 1981-01-08
Also published as: JPS6022651B2; FR2473034A1; GB2067278B; JPS5696736A; DE2952038C2; FR2473034B1; US4368846A; GB2067278A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzvorrichtung aus Quarzglas zum Herstellen von massivem Quarzglas, die innerhalb eines Mantelrohres eine oder mehrere mit Sauerstoff gespeiste Treibdüsen aufweist, die von einem Wasserstoffstrom umspült sind und deren Vorderende vom Mantelrohr überragt ist, und die in Strömungsrichtung der Gase gesehen vor dem Vorderende der Treibdüsen seitlich angeordnet eine Zugabeeinrichtung für SiO2-Teilchen aufweist.

Schmelzvorrichtungen der vorstehend charakterisierten Art sind aus dem von der US-Militärregierung für

ίο Deutschland am 29. November 1945 herausgegebenen FIAT (Field Information Agency Technical), Final Report No. 536, Seite 16, bekannt, in der über die von der Anmelderin verwendeten Schmelzvorrichtungen berichtet wird. Diese Schmelzvorrichtungen dienen dazu, feine SiC^-Teilchen in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme zu erschmelzen und die geschmolzenen Teilchen auf einem Trägerkörper abzuscheiden und so einen massiven Quarzglaskörper herzustellen. Diese Schmelzvorrichtungen haben sich in der Praxis bewährt, weil dadurch vermieden wird, daß fremdartige Verunreinigungen metallischer oder metalloxidischer Art in den massiven Quarzglaskörper eingebaut werden. Die bekannten Schmelzvorrichtungen lassen keine Anpassung des Wärmeflusses zu; auch der Transport der SiCh-Teilchen zum Schmelzort ist mangelhaft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schmelzvorrichtung zu schaffen, die es gestattet, in wesentlich wirtschaftlicher Weise und auch schneller massive Quarzglaskörper aufzubauen und auch den Energieverbrauch dabei möglichst gering zu halten.

Gelöst wird diese Aufgabe für eine Schmelzvorrichtung der eingangs charakterisierten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Treibdüsen, wenigstens deren Vorderende gegen die Mantelrohrachse geneigt ist, von mehreren einen Düsenmantel bildenden mit Sauerstoff gespeisten Heizdüsen umgeben sind, deren Mündungen das Vorderende der Treibdüsen überragen, und wobei der Düsenmantel seinerseits von dem Mantelrohr umhüllt ist, und der Zwischenraum zwischen Düsenmantel und Mantelrohr sowie der Raum zwischen den Treibdüsen und dem Düsenmantel von Wasserstoff durchströmt ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Schmelzvorrichtungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtungen.

In der F i g. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine Schmelzvorrichtung nach der Erfindung dargestellt;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Schmelzvorrichtung der F i g. 1 entlang der Ebene A-B;

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtung mit Doppelheizdüsenmantel im Vertikalschnitt;

Fig.4 zeigt einen Querschnitt durch eine Schmelzvorrichtung gemäß F i g. 3 entlang der Ebene C-D;

F i g. 5 zeigt im Vertikalschnitt eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtung mit einem doppelten Treibdüsensatz;

F i g. 6 zeigt einen Querschnitt durch F i g. 5 entlang der Ebene E-F.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, weist die Schmelzvorrichtung mehrere Treibdüsen 1 auf, die über die Zuleitungen 2 mit Sauerstoff gespeist werden. Diese Treibdüsen sind umgeben von mehreren Heizdüsen 4, die einen Düsenmantel bilden, der seinerseits von dem Mantelrohr 5 umhüllt ist. Die Heizdüsen werden über die Zuleitung 6 mit Sauerstoff gespeist. Die Treibdüsen und

ORIGINAL INSPECTED

die Heizdüsen sind durch ein Zwischenrohr 7 voneinander getrennt. Dieses Rohr 7 ist mit dem Mantelrohr 5 unverrückbar verbunden. Die Treibdüsen 1 sind an einem gemeinsamen Halteteil 8 befestigt, das drehbar auf eine Verlängerung 9 des Mantelrohres 5 aufgesetzt ist. Der Raum zwischen den Treibdüsen 1 und dem Zwischenrohr 7 wird im Betrieb von Wasserstoff durchströmt, der über die Anschlußleitung 10 zugeführt wird, ebenso wird der Raum zwischen dem Zwischenrohr 7 und dem Mantelrohr 5, also der Raum in dem die Heizdüsen angeordnet sind, über die Anschlußleitung 11 mit Wasserstoff gespeist und von diesem durchströmt. Wie aus F i g. 1 weiter ersichtlich ist, ist das Vorderende der Treibdüsen 1 gegen die Mantelrohrachse 3 geneigt. Die Mündungen der Heizdüsen überragen das Vorderende der Treibdüsen. In Strömungsrichtung der Gase gesehen ist auf das Mantelrohr ein Halterohr 12 aufgeschoben, das die Zugabeeinrichtung 13 für feine SiO2-Teilchen aufweist, deren Mündung in das Halterohr hineinragt. Anstelle des Halterohres 12 kann auch das Mantelrohr 5 verlängert sein, so daß die Zugabeeinrichtung für die SiO₂-Teilchen in das Mantelrohr eingesetzt ist und somit die Mündung der Zugabeeinrichtung 13 in das Mantelrohr hineinragt. Auf der der Zugabeeinrichtung gegenüberliegenden Seite weist das Halterohr 12 oder, wenn das Mantelrohr 5 verlängert ist, dieses Mantelrohr eine Luftansaugöffnung 14 auf. Diese öffnung dient dazu, die vom Sauerstoffstrom der Treibdüsen 1 nicht erfaßten feinteiligen SiCVTeilchen durch das Halterohr bzw. Mantelrohr hindurchtreten zu lassen, wodurch die Gefahr des Zusetzens der Schmelzvorrichtung mit feinteiligen SiCVTeilchen vermindert wird. Durch die öffnung 14 wird durch die Flammstrahlen während des Betriebs der Schmelzvorrichtung Luft angesaugt, die vorteilhafterweise den unteren Teil des Halterohres 12 bzw. des verlängerten Mantelrohres 5 so stark kühlt, daß von den Flammstrahlen nicht erfaßte SiO2-Teilchen, die nicht durch die Luftansaug-Öffnung 14 durchgefallen sind und sich auf der Innenfläche zwischen der Öffnung 14 und dem Ende der Schmelzvorrichtung absetzen, nicht mit dem Quarzglas des Halterohres bzw. des Mantelrohres verkleben. Die dort sich absetzenden SiCVTeilchen werden zum größten Teil durch den Strom der durch die öffnung angesaugten Luft zum Ende der Schmelzvorrichtung bewegt, wo sie nach Austritt aus der Schmelzvorrichtung aufgefangen werden können. Die Luftansaugöffnung hat nicht nur die geschilderten Vorteile, sondern sie stellt damit einen voll kontinuierlichen Betrieb der Schmelzvorrichtung sicher. Bei den bekannten Schmelzvorrichtungen mußte von Zeit zu Zeit der Schmelzvorgang immer unterbrochen werden. In vielen Fällen war es sogar erforderlich, die Schmelzvorrichtung gegen eine neue auszutauschen, weil sie sich im Bereich zwischen der Zugabeeinrichtung und ihrem vorderen Ende häufig mit miteinander verklebten SiCVTeilchen zugesetzt hatte.

Gewünschtenfalls kann, wie in F i g. 1 dargestellt, auf das Halterohr 12 oder das verlängerte Mantelrohr 5 noch ein Konzentrierungsrohr 15 aufgeschoben werden, welches vornehmlich zur Konzentrierung der Gesamtflamme auf den Schmelzung 16 aus Quarzglas dient, der auf einem Träger 17 gebildet wird, der ebenfalls aus transparenten oder opakem Quarzglas besteht. Der Träger 17 wird während der Herstellung des massiven Quarzglas-Schmelzlings, wie durch Pfeil 18 angedeutet, gedreht.
Während des Betriebs der Schmelzvorrichtung haben

die mit Sauerstoff gespeisten Treibdüsen neben der reinen Heizwirkung die Aufgabe, den Transport der über die Zugabeeinrichvung 13 zugeführten SKVTeilchen zum Aufschmelzort sicherzustellen. Der Aufschmelzort ist das der Schmelzvorrichtung zugekehrte Ende des Schmelzlings 16. Der Sauerstoff wird^ zu diesem Zweck mit relativ hoher Geschwindigkeit durch die Treibdüsen geleitet, während das Brenngas Wasserstoff mit dazu vergleichsweise niedriger Geschwindigkeit die Treibdüsen umspült.

Wie schon ausgeführt, sind die Treibdüsen an einem Halteteil 8 befestigt, das drehbar auf der Mantelrohrverlängerung gelagert ist und somit gestattet, die Flammengruppen der Treibdüsen zur Erzielung eines optimalen Transports der zugeführten SiC^-Teilchen zu justieren.

Die für das Schmelzen der zugeführten SiÖ2-Teilchen noch zusätzlich notwendige Wärmeenergie wird durch die Flammengruppe der Heizdüsen erzeugt. Diese umhüllen, wie aus F i g. 2 ersichtlich, die Flammengruppen der Treibdüsen, wodurch auch in thermischer Hinsicht sich optimale Schmelzbedingungen erzielen lassen. Auch die Flammengruppen der Heizdüsen sind ebenfalls Diffusionsflammen wie die Flammengruppen der Treibdüsen, wobei der Sauerstoff wieder mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit die Heizdüsen 7 durchströmt und das Brenngas Wasserstoff mit dazu vergleichsweise niedriger Geschwindigkeit die Heizdüsen innerhalb des Raumes zwischen Mantelrohr 5 und Zwischenrohr 7 umspült.

Auch das Vorderende der Heizdüsen ist vorteilhafterweise zur Achse des Mantelrohres geneigt, wodurch ebenfalls, wie bei der Neigung des Vorderendes der Treibdüsen, einem natürlichen Auseinanderfließen des Gesamtflammenbildes entgegengewirkt wird.

Die in F i g. 3 und im Querschnitt in F i g. 4 dargestellte Schmelzvorrichtung unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten im wesentlichen dadurch, daß zusätzlich zu den Heizdüsen 4 noch eine weitere Heizdüsenmantel bildende Heizdüsengruppe 4' vorgesehen ist. Die Heizdüsengruppe 4 und die Heizdüsengruppe 4' sind durch ein weiteres Quarzglaszwischenrohr T voneinander getrennt. Die Heizdüsengruppe 4' wird über die Zuleitung 19 mit Sauerstoff versorgt. Der Zwischenraum zwischen dem Mantelrohr 5 und dem weiteren Zwischenrohr T wird über die Anschlußleitung 20 mit Wasserstoff gespeist, der also die Heizdüsengruppe 4' umspült. Diese Ausführung einer Schmelzvorrichtung gestattet eine gute Optimierung der Energie zur Herstellung eines Schmelzlings.

Die in F i g. 5 und im Querschnitt in F i g. 6 dargestellte weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtung weist zum Unterschied der Schmelzvorrichtung gemäß F i g. 1 eine doppelte Treibdüsengruppe auf, die von einem einzigen Düsenmantel, der aus Heizdüsen 4 gebildet ist, eingehüllt wird. Dieses Ausführungsbeispiel bewirkt, daß die Transportverluste von SiCVTeilchen zwischen der Zugabeeinrichtung und dem Schmelzort, also der freien Vorderfläche des Schmelzlings 16, noch weiter vermindert wird.

Mit einer Schmelzvorrichtung gemäß der Erfindung wird ein Schmelzung wie nachfolgend beschrieben hergestellt.

Die Schmelzvorrichtung aus Quarzglas ist in einem üblichen Ofengehäuse mit Flammgasabzug so angeordnet, daß die Mantelrohrachse 3 im wesentlichen horizontal verläuft. Das flammseitige Ende der Schmelzvorrichtung, also dasjenige Ende, aus dem

während des Betriebs die Flammen austreten, ist der Stirnseite eines drehbaren Trägers 17 mit Abstand zugekehrt. Die Rotationsachse des Trägers 17 und die Mantelrohrachse 3 fallen in erster Näherung zusammen. Nach Zündung der Flammen werden für die in F i g. 1 dargestellte Schmelzvorrichtung etwa nachfolgende Gasgeschwindigkeiten eingestellt:

Sauerstoff für die

Treibdüsen	3,8 NmVh
Sauerstoff der Heizdüsen	2,0 NmVh
Wasserstoff, der die Treibdüsen
umspült	lO.ONnvVh
Wasserstoff, der die Heizdüsen
umspült	5,8 Nm³/h
Gesamter Gasfluß	21,8Nm³/h

Zunächst wird mittels der Flammen die Stirnseite des rotierenden Trägers auf Schmelztemperatur erhitzt. Sodann werden über die Zugabeeinrichtung 13 feine SiCVTeilchen, die etwa innerhalb eines Korngrößenbereichs von 0,01 bis 2,5 mm liegen, in dosierter Menge, etwa 2800 g/h, zugegeben. Die Treibflammen erfassen die einzelnen SiCb-Teilchen, erwärmen diese und transportieren oder schleudern sie, ähnlich wie Geschosse, auf die auf Schmelztemperatur befindliche Stirnfläche des rotierenden Trägers. Dort werden die hocherhitzten Teilchen zu einem massiven Quarzglaskörper miteinander verschmolzen. Während des Schmelzvorganges wird der Träger 17 in einem solchen Ausmaß in Richtung von der Schmelzvorrichtung wegbewegt, die der auf ihm aufgebauten Quarzglasmenge entspricht, so daß die Stirnfläche bezüglich des Vorderendes der Schmelzvorrichtung immer in gleichem Abstand verbleibt. Die Bildung des Schmelzlings, d. h. seines Aufbaus, verläuft kontinuierlich, bis eine vorgegebene gewünschte Länge eines Schmelzlings erreicht ist. Es lassen sich unter den vorgenannten Bedingungen etwa 2,5 kg Quarzglas pro Stunde aufbauen. Dies ist eine Menge, die um etwa 70% größer ist als die Aufbaumenge, die mit den bekannten Schmelzvorrichtungen bei gleichem Gesamtgasfluß bisher aufgebaut werden konnte.

Zusammenfassung

Schmelzvorrichtung aus Quarzglas zum Herstellen von massivem Quarzglas durch Schmelzen von Siliziumdioxid-Teilchen. Mit Sauerstoff gespeiste Treibdüsen sind von mehreren einen Düsenmantel bildenden, sauerstoffgespeisten Heizdüsen umgeben. Wasserstoff umspült die Treibdüsen und die Heizdüsen. Die von den Vorderenden der Heizdüsen überragten Vorderenden der Treibdüsen sind gegen die Achse der Schmelzvorrichtung geneigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schmelzvorrichtung aus Quarzglas zum Herstellen von massivem Quarzglas, die innerhalb eines Mantelrohres eine oder mehrere mit Sauerstoff gespeiste Treibdüsen aufweist, die von einem Wasserstoffstrom umspült sind und deren Vorderende vom Mantelrohr überragt ist, und die in Strömungsrichtung der Gase gesehen vor dem Vorderende der Treibdüsen seitlich angeordnet eine Zugabeeinrichtung für Siliziumdioxid-Teilchen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibdüsen (1), wenigstens deren Vorderende gegen die Mantelrohrachse (3) geneigt ist, von mehreren einen Düsenmantel bildenden mit Sauerstoff gespeisten Heizdüsen (4) umgeben sind, deren Mündungen das Vorderende der Treibdüsen überragen, und wobei der Düsenmantel seinerseits von dem Mantelrohr (5) umhüllt ist und der Zwischenraum zwischen Düsenmantel und Mantelrohr sowie der Raum zwischen den Treibdüsen und dem Düsenmantel von Wasserstoff durchströmt ist.

2. Schmelzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibdüsen (1) an einem gemeinsamen Halteteil (8) befestigt sind, das drehbar auf eine Verlängerung (9) des Mantelrohrs (5) aufgesetzt ist.

3. Schmelzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Düsenmantel und dem Mantelrohr ein weiterer zweiter, aus mehreren mit Sauerstoff gespeisten Heizdüsen bestehender Düsenmantel angeordnet ist und die so gebildeten Zwischenräume mit Wasserstoff durchströmt sind und wobei die Mündungen der Düsen des weiteren Düsenmantels ebenfalls das Vorderende der Treibdüsen überragen.

4. Schmelzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen den beiden Düsenmänteln mehrere mit Sauerstoff gespeiste Zusatzdüsen angeordnet sind, die an dem Halteteil der Treibdüsen befestigt sind und deren Mündungen die Mündungen der Treibdüsen überragen, jedoch nicht die Mündungen der Heizdüsen.

5. Schmelzvorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizdüsen auf ein Tragrohr aus Quarzglas aufgeschweißt sind.

6. Schmelzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der Heizdüsen der beiden Düsenmäntel in einer Ebene liegen.

7. Schmelzvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Zugabeeinrichtung (13) in das Mantelrohr (5) oder ein auf das Mantelrohr aufgeschobenes Halterohr (12) hineinragt.

8. Schmelzvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr bzw. das Halterohr (12) auf der der Zugabeeinrichtung gegenüberliegenden Seite eine Luftansaugöffnung (14) aufweist.