DE4121611C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rohres aus amorphem, insbesondere glasigem Werkstoff, bei dem ein in einem Ofen erhitzter Bereich eines Hohlzylinders aus diesem Werkstoff kontinuierlich und um seine Längsach­ se rotierend einem Formwerkzeug, das aus wenigstens zwei Umformbacken besteht, die Teilbereiche des Umfangs des Hohlzylinders abdecken, zugeführt, unter In­ nen-Überdruck der Bereich gegen die Umformbacken geblasen und das Rohr vom Formwerkzeug, um seine Längsachse rotierend, kontinuierlich abgezogen wird, wobei sich während des Umformens in Zuführrichtung des Hohlzylinders gesehen vor dem Formwerkzeug ein Umfangs-Wulst bildet. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 24 30 428 bekannt. Darin wird die Kalibrierung des Außendurch­ messers von Quarzglas- oder Quarzgutrohren beschrieben. Der hohlzylindrische Rohling wird dabei kontinuierlich und unter Rotation durch ein Heizrohr ge­ schoben, in dem mit radialem Abstand von der Rohrachse wassergekühlte Graphit­ platten angeordnet sind. Durch Überdruck innerhalb des Hohlzylinders wird die Hohlzylinderoberfläche gegen die Graphitplatten geblasen, wobei der radiale Abstand der Graphitplatten von der Rohrachse den resultierenden Rohr-Außen­ durchmesser bestimmt. Um die Qualität der Rohr-Oberfläche durch das Anpressen an das Formwerkzeug möglichst wenig zu beeinträchtigen, sollte der Rohling im Idealfall zwischen den Graphitplatten tangierend berührend hindurchgeführt werden. Im Verlauf eines Fertigungsprozesses können die idealen Prozeßparame­ ter aufgrund unvermeidlicher Homogenitätsschwankungen des Rohlingmaterials oder Geometrieänderungen von Rohling und abgezogenem Rohr jedoch variieren, so daß in der Praxis im Hinblick auf eine exakte Rohr-Außendurchmesserkalibrie­ rung, eine verminderte Oberflächenqualität in Kauf genommen wird und die Prozeßparameter so eingestellt werden, daß sich, in Zuführrichtung des Rohlings gesehen vor den Graphitplatten Quarzglas aufstaut, wobei sich ein Umfangs-Wulst am Rohling ausbildet. Die sich während einer Wulstzunahme vor den Graphitplatten aufstauende Glasmasse vermindert den voreingestellten Massendurchsatz und führt zu einer Vergrößerung des Innendurchmessers des gezogenen Rohres. Umgekehrt resultiert die bei einem Abbau von Wulstmaterial zusätzlich abgezogene Glasmasse in einer Verminderung des Rohr-Innendurchmessers. Dies führt bei dem bekannten Verfahren zu Rohr-Wanddickenschwankungen von ca. +/- 20%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine regelungstechnische Erfassung des Umformprozesses bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zu ermöglichen und die auftretenden Rohr-Wanddickenschwankungen zu minimieren.

Gelöst wird die Aufgabe für ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art er­ findungsgemäß dadurch, daß die Höhe des Umfangs-Wulstes optisch erfaßt und die Abweichungen von einer Sollhöhe in elektrische Regelsignale umgewandelt werden, mit denen der Innen-Überdruck, die Zuführgeschwindigkeit des Hohlzylinders, die Abziehgeschwindigkeit des Rohres und/oder die Temperatur im erhitzten Bereich eingestellt werden. Dadurch, daß die Wulsthöhe optisch erfaßt wird, ist es mittels Kamera nachgeschalteten Bilddatenverarbeitung möglich, die Abweichung der gemessenen Wulsthöhe von einer vorgegebenen Sollhöhe zu erfassen und daraus die Stellgröße für einen Prozeßparameter zu ermitteln. Aufgrund der kurzen Tot- und Ausgleichszeiten der Regelstrecke bei Änderungen des Überdrucks im Hohlzylinder hat sich diese Größe als besonders vorteilhafter Regelparameter erwiesen. Wegen der hohen Ansprechempfindlichkeit und genauen Regelbarkeit kommerziell erhältlicher Druckregelventile läßt sich mit diesen Komponenten ein Regelkreis realisieren, der auf geringste Änderungen der Soll-Wulsthöhe unmittelbar und empfindlich reagiert. Die Schwankungen des Rohr-Innendurchmessers können damit deutlich minimiert werden. Die kontinuierliche, optische Überwachung der Wulsthöhe erlaubt es, die Soll-Wulsthöhe niedrig und dadurch die Beeinträchtigung der Oberflächenqualität des Rohres durch das Anpressen an das Formwerkzeug so gering wie möglich zu halten.

Bei der Herstellung eines Rohres mit einem Außendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Hohlzylinders, läßt sich der Wulst vorteilhaft durch eine, außerhalb des Ofens, auf der Seite des abgezogenen Rohres angeord­ nete Kamera, die in Richtung der Rohr-Längsachse zwischen zwei Umformbacken auf den Wulst gerichtet wird, der über den Außenumfang des Rohres hervorsteht, aufzeichnen. Der Wulst hebt sich dabei als hell reflektierender Ring gegenüber der annähernd parallel zur Kamera-Achse verlaufenden Oberfläche des Hohlzylin­ ders bzw. des Rohres ab.

Die Regelempfindlichkeit wird dadurch vorteilhafterweise erhöht, daß mittels der Kamera ein vergrößertes Abbild des Umfangs-Wulstes erzeugt und der nach­ folgenden Bilddatenverarbeitung zugeführt wird.

Zweckmäßig wird das von der Kamera erfaßte Abbild des Wulstes auf einem Moni­ tor dargestellt. Damit ist eine visuelle Kontrolle von der Kamera übertragenen Bildinformationen möglich.

Es hat sich bewährt, den Überdruck im Hohlzylinder gegenüber dem von außen auf ihn einwirkenden Druck, auf einen Wert zwischen 0,1 mbar und 30 mbar vorein­ zustellen und zur Regelung der den Innen-Überdruck erzeugenden Gasmenge in die Gaszuführleitung zum Hohlzylinder ein elektrisch regelbares Gasdurchflußregel­ gerät einzubauen, das von den Regelsignalen, die durch die Abweichungen der Wulsthöhe von der Soll-Wulsthöhe erzeugt werden, angesteuert wird. Hierdurch wird eine rasche Einstellung des Soll-Überdruckwertes mit kommerziell erhält­ lichen, elektrisch regelbaren Gasdurchflußregelgeräten kostengünstig ermög­ licht.

Die Soll-Wulsthöhe wird vorteilhafterweise auf einen Wert zwischen 0,1 mm und 1,2 mm eingestellt. Damit kann die Wulsthöhe mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden, ohne daß die Qualität der Rohr-Oberfläche übermäßig leidet.

Aufgrund seiner chemischen Beständigkeit in Gegenwart von Quarzglas bei hohen Temperaturen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, bei der Herstellung von Quarzglas-Rohren Sauerstoff zur Einstellung des Überdrucks zu verwenden. Die Bildung giftiger Abgase und Verunreinigungen der Rohr-Innenseite können damit vermieden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer Vorrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Ofenbereiches der in Fig. 1 dargestell­ ten Vorrichtung mit Blick in Richtung des Pfeiles A.

Fig. 3 graphische Darstellung von Meßwerten der Wandstärke eines umgeformten Rohres über die Rohrlänge.

In der in Fig. 1 gezeigten Darstellung ist die Bezugsziffer 1 einem Hohlzy­ linder aus Quarzglas zugeordnet, der mittels einer als Blockschema dargestell­ ten Vorschubeinrichtung 2 kontinuierlich, um seine Längsachse rotierend, in Richtung des Pfeiles 3 mit einer Zuführgeschwindigkeit von 3,8 cm/min in einen Widerstandsofen 4 geschoben wird, der den Hohlzylinder 1 ringförmig umgibt. Durch eine Temperatur von ca. 2100°C wird die Viskosität des Quarzglases in einem Erweichungs-Bereich, der mit einer gestrichelten Linie andeutet und mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet ist, soweit erniedrigt, daß der Hohlzylin­ der 1 zu einem Rohr 6 ausgezogen werden kann. Zum Ausziehen wird eine als Blockschema dargestellte Zieheinrichtung 7 verwendet, die das Rohr 6 um seine Längsachse drehend mit einer Abziehgeschwindigkeit von 24,7 cm/min in Richtung des Pfeiles 8 zieht. Die freie Stirnseite des Rohres 6, das einen Außendurch­ messer von 140 mm und eine Wanddicke von 3 mm aufweist, ist mit einem Abzugs­ stab 9 aus Quarzglas gasdicht verschmolzen. Der Quarzglas-Hohlzylinder 1, der einen Außendurchmesser von 120 mm und einen Innendurchmesser von 60 mm auf­ weist, ist an seiner freien Stirnseite mit einer gasdichten Drehdurchfüh­ rung 10 verschlossen. In den Ofen 4 ragt ein Formwerkzeug, das zwei wasserge­ kühlte Formbacken 11 aufweist, die im Erhitzungs-Bereich 5 mit Graphitzun­ gen 12 versehen sind, gegen die das Rohr 6 aufgeblasen wird. Mittels eines Druckminderers 13 wird hierzu ein konstanter Sauerstoffvordruck von 3 bar auf einen elektrisch einstellbaren Durchflußregler 14 angelegt. Der Durchflußreg­ ler 14 wird auf einen Sauerstoff-Durchfluß von 15 Litern pro Minute voreinge­ stellt. Über einen offenen Beipaß 15, der eine Lochblende 16 mit einer Quer­ schnittsfläche von 10 mm aufweist, wird ein Sauerstoff-Gasstrom durch die Drehdurchführung 10 in den rotierenden Quarzglas-Hohlzylinder 1 eingeleitet. Der zum Aufblasen des Rohres 6 im Erweichungs-Bereichs 5 erforderliche In­ nen-Überdruck wird hierdurch auf 10 mbar voreingestellt. Der innerhalb der Regelstrecke anliegende Druck wird vom Druckmeßgerät 17 angezeigt und über den Analog-Digital-Wandler 18 als digitale Information einem Rechner 19 zugeführt, der den Durchflußregler 14 kontrolliert. Über diesen Regelkreis wird der ak­ tuelle Sollwert des Innen-Überdrucks eingestellt und reguliert. Durch den In­ nen-Überdruck wird die niedrig-viskose Masse des Quarzglas-Hohlzylinders 1 im Erweichungs-Bereich 5 gegen die feststehenden Graphitzungen 12 auf den vorein­ gestellten Durchmesser von 140 mm geblasen. Dabei bildet sich vor den Graphit­ zungen 12 ein Wulst 20, der über den Außendurchmesser des Quarzglas-Rohres 6 hinausragt. Eine hochauflösende Kamera 21 ist oberhalb des Rohres und etwas zur Seite versetzt angeordnet und dabei leicht zur Rohr-Längsachse geneigt, so daß sie einen Ausschnitt des Wulstes 20 mit zwanzigfacher Vergrößerung auf­ zeichnet. Aufgrund der Temperaturstrahlung des Widerstandsofens 4 und das durch die hohe Temperatur hervorgerufene Eigenleuchten des Wulstes 20 hebt sich dieser als helle, umlaufende Ringzone gegenüber der übrigen Rohrober­ fläche ab. Das von der Kamera 21 erfaßte Abbild des Wulstes wird als digitale Information auf den Rechner 19 übertragen und auf einem Monitor 22 bildlich dargestellt. Dabei sind Schwankungen der Wulsthöhe im Bereich um 10% der Soll-Wulsthöhe noch auflösbar. Mit einem Bilddatenverarbeitungsprogramm, das parallel zur Regelung des Überdrucks im Rechner 19 abgearbeitet wird, wird die gemessene Wulsthöhe, in Fig. 1 mit "H" gekennzeichnet, ausgewertet und mit der Soll-Wulsthöhe, die 0,4 mm beträgt, verglichen. Entsprechend den Abwei­ chungen von der Soll-Wulsthöhe ermittelt der Rechner 19 einen neuen Sollwert für den Innen-Überdruck im Druck-Regelkreis und gibt ein entsprechendes Signal an den Durchflußregler 14, der den Sauerstoffdurchfluß und damit den Überdruck einstellt. Aus Fig. 2 ist die um etwa 45° zur Rohr-Längsachse versetzte An­ ordnung der Kamera 21 über dem Rohr 6 ersichtlich. Die sich gegenüberliegenden Formbacken 11 des Formwerkzeuges sind auf gleicher Höhe mit der Rohr-Längs­ achse angeordnet. Das Rohr 6 befindet sich zentrisch innerhalb des ringförmig ausgebildeten Widerstandsofens 4 und wird mittels des Abzugsstabes 9 in Richtung senkrecht zur Blattebene abgezogen. Durch das Aufblasen des Hohlzylinders 1 (Fig. 1) innerhalb des Widerstands­ ofens 4 bildet sich vor den Graphit-Zungen 12 der umlaufende Wulst 20 aus, dessen Höhe von der Kamera 21 vergrößert erfaßt wird und zur Regelung der Verfahrensparameter verwendet wird.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Wandstärkeschwankungen eines Rohres mit einem Außendurchmesser von 140 mm und einer Soll-Wandstärke von 3 mm über die Rohr­ länge dargestellt. Dabei ist der mit durchgezogener Linie gezeichnete Verlauf der Wandstärke eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohres und der mit gestrichelter Linie gezeichnete Verlauf der Wandstärke eines nach dem Stand der Technik gemäß der DE-PS 24 3 428 hergestellten Rohres zugeord­ net. Es ist ersichtlich, daß aufgrund der erfindungsgemäßen regelungstech­ nischen Erfassung des Umformprozesses die Schwankungen der Wandstärke des Rohres gegenüber dem Herstellverfahren nach dem Stand der Technik wesentlich reduziert und die Toleranzen in einem Bereich von deutlich weniger als 10% der nominalen Wandstärke gehalten werden können.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Rohres aus amorphem, insbesondere glasigem Werkstoff, bei dem ein in einem Ofen erhitzter Bereich eines Hohlzylinders aus diesem Werkstoff kontinuierlich und um seine Längsachse rotierend ei­ nem Formwerkzeug, das aus wenigstens zwei Umformbacken besteht, die Teil­ bereiche des Umfangs des Hohlzylinders abdecken, zugeführt, unter In­ nen-Überdruck der Bereich gegen die Umformbacken geblasen und das Rohr vom Formwerkzeug, um seine Längsachse rotierend, kontinuierlich abgezogen wird, wobei sich während des Umformens in Zuführrichtung des Hohlzylinders gesehen vor dem Formwerkzeug ein Umfangs-Wulst bildet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Höhe des Umfangs-Wulstes (20) optisch erfaßt und die Abweichungen von einer Sollhöhe in elektrische Regelsignale umgewandelt werden, mit denen die Höhe des Innen-Überdrucks, die Zuführgeschwindigkeit des Hohlzylinders (1), die Abziehgeschwindigkeit des Rohres (6) und/oder die Temperatur im erhitzten Bereich (5) eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Herstellung eines Rohres (6) mit einem Außendurchmesser, der größer ist als der Außen­ durchmesser des Hohlzylinders (1), eine Kamera (21) außerhalb des Ofens, auf der Seite des abgezogenen Rohres so angeordnet wird, daß sie in Rich­ tung der Rohr-Längsachse zwischen zwei Umformbacken (11) auf den Wulst (20) gerichtet wird, der über den Außenumfang des Rohres (6) hervorsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kamera (21) ein vergrößertes Abbild des Umfangs-Wulstes (20) erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Kamera (21) erfaßte Abbild des Wulstes (20) auf einem Monitor (22) dargestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen-Überdruck auf einen Wert zwischen 0,1 mbar und 30 mbar zur Er­ reichung einer vorgegebenen Sollhöhe des Wulstes (20) voreingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der den Innen-Überdruck erzeugenden Gasmenge in die Gas-Zu­ fuhrleitung zum Hohlzylinder (1) ein elektrisch regelbares Gasdurchflußre­ gelgerät (14) eingebaut wird, das von den Regelsignalen, die durch die Abweichungen der Wulsthöhe (H) von der Soll-Wulsthöhe erzeugt werden, an­ gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Wulsthöhe auf einen Wert zwischen 0,1 mm und 1,2 mm eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Rohren aus Quarzglas, Sauerstoff zur Erzeugung des Innen-Überdrucks verwendet wird.