JP2004516214A - 溶融シリカ製造炉のための耐火物 - Google Patents

Abstract

溶融シリカ製造炉（１００）および溶融シリカの製造方法が開示されている。炉（１００）および方法は、相互に繋がった気孔の網状構造を持つ発泡耐火物（１２）の使用を含む。

Description

【０００１】
関連出願の説明
本出願は、マイケル・ディー・ハリス（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ． Ｈａｒｒｉｓ）およびロバート・エス・パブリック（Ｒｏｂｅｒｔ Ｓ． Ｐａｖｌｉｋ）による、「ＨＰＳＦ製造のための発泡耐火物（Ｆｏａｍｅｄ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ ｆｏｒ ＨＰＦＳ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）」と題する、２０００年１２月２１日に出願された米国仮特許出願第６０／２５７，７１０号の恩恵を主張するものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は耐火物に関する。本発明は、より詳しくは、多孔質耐火物および多孔質耐火物を用いた溶融シリカ製造炉に関する。
【０００３】
発明の背景
溶融シリカおよび超低膨張ガラスの製造炉では、蒸気または液体反応体から生成されるスートまたはシリカ粒子の堆積およびそのスートの固結によりブールが生成される。そのような金属酸化物のスートは、１つまたは多数のバーナの火炎中にキャリヤガスにより運ばれる蒸気または噴霧液体の形態にある前駆体の火炎加水分解により生成できる。炉は耐火性材料により囲まれている。これらの炉内の耐火性材料は、１６５０℃を越える温度に露出される。
【０００４】
火炎加水分解の商業用途には、溶融シリカスートを形成し、堆積させて、溶融シリカ体に加えられるドーパントを含んでもよい大きな溶融シリカ含有体またはブールを形成する工程が含まれる。これらのブールは個別に用いても、光学機器に組み込まれるであろう、レンズ、プリズム、ミラー等のような光学部材に仕上げてもよい。
【０００５】
図１は、溶融シリカまたは超低膨張ガラスを製造するための炉１００を示している。この炉は、クラウン１２およびクラウンから突出した複数のバーナ１４を備えている。上述したように、シリカ粒子は、ケイ素含有原料が、天然ガスと共に、複数のバーナ１４を通過して、炉のチャンバ２６中に入ったときに、火炎中で生成する。これらの粒子は、回転体の熱い採集表面上に堆積し、そこで、中実のガラス状態に固結される。この回転体は、採集表面２１を備えるものであり、ブール１９を囲み、蓄積するガラスを断熱する側壁１７を含んでもよい耐火性カップまたは収容容器１５の形態にある。耐火断熱により、採集表面およびクラウンが確実に高温に維持される。
【０００６】
標準的な溶融シリカまたは超低膨張ガラスの製造炉はさらに、クラウン１２を支持する環状壁５０を備えている。この炉はさらに、振動テーブル２０上に搭載された回転可能な基部１８を備えている。この基部は軸３の周りに回転可能である。クラウン１２、環状壁１３、基部１８および側壁は全て適切な耐火性材料、一般には、ジルコン耐火性材料から製造される。特に、クラウンは、レンガの形態にある焼結された多孔質ジルコン耐火体から製造される。クラウンを構成するレンガは弓状表面の形態で配置され、個々のレンガは通常機械式固定手段によって適所に保持される。レンガの使用に関連する欠点の１つには、各々のレンガおよび固定手段は、炉のクラウンにおける潜在的な破損点であることがある。
【０００７】
炉のクラウンは一般に、多孔質レンガを提供するように、燃え切り材料および粉砕ジルコン粉末を主に含有するバッチから製造されたジルコン耐火性レンガより形成される。ジルコンバッチを生成するために、微量の分散剤および結合材が水中で完全に混ぜ合わされる。燃え切り材料およびジルコン粉末が、ミキサ中の溶液に加えられて、注ぐことのできるスラリーが生成される。このスラリーは成形型中に注がれ、この方法により製造された未焼成体は、燃え切り材料を放出させるために乾燥され、焼成されて、ジルコン体が焼結される。このプロセスの欠点の１つには、気孔サイズ、気孔構造および気孔分布を制御するのが難しいことがある。このプロセスにより多孔質耐火性レンガが提供されるけれども、そのレンガ中に相互に繋がった気孔の網状構造を形成することは難しい。このプロセスの別の欠点には、ＢＥＴ法により測定して、０．５ｍ^２／ｇより大きい気孔表面積を得るのが難しいことがある。５０％より大きい気孔率を持つレンガを製造することは難しく、この方法により製造されたレンガの密度は２ｇ／ｃｍ^３を超えてしまう。より高い多孔率およびより小さい密度を持つレンガによって、より軽量のクラウン材料を製造できるであろう。さらに、クラウンのような炉の構造体に亘りより破損点が少なく、より大きい耐火性形状を製造できる。
【０００８】
溶融シリカ製造炉に用いられるジルコン耐火物は、低レベルしか金属不純物を含有してはならず、不純物のレベルを低減する方法の１つは、米国特許第６１７４５０９号明細書に記載されたような、ハロゲンガス処理プロセスによるものである。米国特許第６１７４５０９号明細書に記載されたジルコン耐火物を処理するプロセスでは、未処理のジルコン耐火物よりも実質的に低いレベルの金属不純物しか含有しない耐火物が製造されるが、さらに低レベルの不純物しか含有しない、したがって、その炉で生成される材料により低いレベルの不純物しか導入しない耐火性材料が引き続き必要とされている。
【０００９】
高い気孔表面積および低い密度を持つ耐火物を提供して、従来の耐火性レンガよりも大きい軽量の耐火性形状を形成できることが望ましいであろう。制御された気孔サイズおよび分布を持つ耐火性材料、特に、相互に繋がった気孔の網状構造を持つ耐火性材料を提供することも都合よいであろう。
【００１０】
発明の概要
本発明の実施の形態の１つは、溶融シリカスートを製造するための炉に関する。この実施の形態によれば、この炉は、ケイ素含有前駆体を炉に送達するための前駆体送達装置および火炎を発生し、前駆体をシリカ含有スートに転化するためのバーナを備える。この炉は、相互に繋がった気孔の網状構造を有する発泡耐火性材料から構成されたクラウンも備えている。別の実施の形態において、発泡耐火性材料の気孔は、０．５ｍ^２／ｇよりも大きい表面積を持つ。別の実施の形態によれば、発泡耐火性材料は５０％より大きい気孔率を持つ。さらに別の実施の形態において、発泡耐火性材料は１．５ｇ／ｃｍ^３未満の密度を持つ。別の実施の形態において、耐火性材料中の鉄とナトリウムの不純物の合計は、１５百万分率（ｐｐｍ）未満であり、ある実施の形態においては、１０ｐｐｍ未満である。
【００１１】
本発明の別の実施の形態は、溶融シリカブールの製造方法に関する。この実施の形態において、この方法は、相互に繋がった気孔の網状構造を持つ発泡耐火性材料から構成されたクラウンを備えた炉を提供する工程を有してなる。この実施の形態はさらに、ケイ素含有前駆体を火炎中に導入して、溶融シリカ粒子を生成し、これらの粒子を採集表面上に採集し、採集表面上の粒子を固結して、ブールを形成する各工程も含む。別の実施の形態において、発泡耐火性材料の気孔は、０．５ｍ^２／ｇよりも大きい表面積を持つ。さらに別の実施の形態において、発泡耐火性材料は５０％より大きい気孔率を持つ。別の実施の形態によれば、発泡耐火性材料は１．５ｇ／ｃｍ^３未満の密度を持つ。ある実施の形態において、耐火性材料は、合計で１５ｐｐｍ未満しか鉄とナトリウムの不純物を含有しない。
【００１２】
本発明の炉および方法は、不純物がわずかしかない炉の雰囲気を提供することが期待される。特に、耐火物中に気孔を形成するためのコルクまたは他の燃え切り材料を使用しない発泡耐火物を使用することにより、その耐火物中にはわずかしか不純物が存在しないはずである。それに加え、相互に繋がった気孔の網状構造により、米国特許第６１７４５０９号明細書に記載されたハロゲンガス処理プロセスによる耐火性材料の精製が容易になる。
【００１３】
本発明の追加の特徴が、以下の詳細な説明に述べられる。上述した一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、例示であり、特許請求の範囲に記載された本発明をさらに説明することを意図したものである。
【００１４】
詳細な説明
本発明の例示としての実施の形態をいくつか説明する前に、本発明は、以下の説明に述べられた、または図面に示された部材の配置および構成の詳細に限定されないことを理解すべきである。本発明には、他の実施の形態が可能であり、様々な様式で実施するまたは実行することができる。
【００１５】
高純度溶融シリカの製造が公知であり、米国特許第５０４３００２号明細書に記載されている。一般に、溶融シリカの製造には、溶融シリカ粒子またはスートを生成するためにケイ素含有前駆体を火炎中に導入することが含まれる。火炎は、クラウン１２および採集表面を備えた、図１に示したタイプの炉内で、バーナ、一般に、多数のバーナ１４により提供される。本発明の炉は、採集カップまたは収容容器を含んでいてもいなくてもよい。前記粒子すなわちスートは、採集表面上に採集され、固結されて、ブールが形成される。ケイ素含有前駆体を導入して、溶融シリカ粒子を生成するこの一般プロセスは、超低膨張ガラスの製造に適用されてきた。このプロセスには、チタニアを含有する溶融シリカ粒子の堆積も含まれる。ここに用いたように、溶融シリカ粒子の堆積は、純粋な溶融シリカ粒子の堆積に限られず、超低膨張ガラスの製造に用いられるタイプのような他の材料を含有する溶融シリカ粒子の堆積も含む。
【００１６】
本発明のある実施の形態によれば、炉のクラウンは、相互に繋がった気孔の網状構造を持つ発泡耐火性材料から製造される。この炉の他の部分も発泡耐火物を用いて製造してもよい。上述したように、クラウンおよび炉の他の部分を製造するのに用いられるジルコンレンガを製造する従来の方法には、いくつかの制限がある。バッチ中に燃え切り材料を混合し、レンガの焼結中にその燃え切り材料を焼き払う各工程を含む従来の方法の制限の中には、多孔質のレンガが製造されるが、気孔が、無作為に分布され、レンガの中で相互に繋がっていないことがある。それに加え、０．５ｍ^２／ｇ未満の気孔表面積を持つレンガまたは５０％より大きい気孔率を持つレンガを製造することは難しい。さらに、従来の方法により製造されたジルコンレンガの密度は、一般に、２ｇ／ｃｍ^３より大きい密度を持つ。
【００１７】
本出願人は、発泡耐火性材料を使用することにはいくつかの利点があることを発見した。発泡耐火物およびこれらの耐火物を製造する方法が、米国特許第５５６３１０６号および同第５７０５４４８号の各明細書に記載されている。一般に、発泡耐火物の製造には、液体キャリヤ中の耐火物粒子の分散体を提供し、この分散体中にガスを導入する各工程が含まれる。液体キャリヤは除去されて、耐火性の出発材料の結合粒子から製造された多孔質固体が提供され、気孔は、分散体中に導入されたガスの気泡から形成される。発泡耐火物を使用することの利点の１つは、発泡耐火物が相互に繋がった気孔の網状構造を含むことである。さらに、気孔の構造、サイズおよび分布は、燃え切り材料の燃焼を含む従来のプロセスを使用するよりも高度に制御することができる。５０％より大きい気孔率を持ち、０．５ｍ^２／ｇ未満の気孔表面積および１．５ｇ／ｃｍ^３未満の密度を持つ、ジルコンを含む様々な材料から製造される耐火物を製造することができる。密度のより小さい耐火物によって、より大きな耐火物形状、特に、長さと幅のより大きい寸法の耐火物形状を作製することができる。より大きい耐火物形状によって、数のより少ない個々のレンガおよび固定手段から構成された炉の構造体が提供され、その結果、破損点のより少ない、炉のクラウンのような構造体が得られる。
【００１８】
溶融シリカおよび超低膨張ガラスの製造炉に用いられる耐火物を製造するのに用いられる適切な耐火性材料としては、ジルコンおよびジルコニアが挙げられる。ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）およびジルコニア（ＺｒＯ_２）は、高耐火性材料として認識されている。したがって、レンガのような前記材料の成形体は、溶融シリカおよび超低膨張ガラスの製造炉に用いられることが多い。ジルコンは、その安定性、製造の容易さおよび低コストのために、より頻繁に用いられる。炉に用いられる他の耐火性材料としては、以下に制限されるものではないが、アルミナ、炭化ケイ素およびシリカが挙げられる。
【００１９】
本発明の別の利点は、従来のプロセスにより製造されたジルコン耐火物よりも不純物レベルの低い発泡ジルコン耐火物を製造できることである。本出願人は、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第６１７４５０９号明細書に記載された耐火物精製プロセスが、耐火性材料から不純物を除去するのに特にうまく働くことを発見した。米国特許第６１７４５０９号明細書に記載されたプロセスには、耐火性材料をハロゲン含有ガスに露出して、その耐火物から金属不純物を除去する工程が含まれる。本発明のある実施の形態によれば、その処理プロセスが、還元剤、例えば、グラファイトまたはカーボンブラックのような炭素含有材料の存在下で行われる。ある実施の形態において、ハロゲン処理プロセスには、塩素のようなハロゲンガスの存在下で耐火レンガを加熱して、このレンガから金属不純物を除去する工程が含まれる。還元剤としては、カーボンブラックまたはグラファイトのような炭素含有材料が挙げられるであろう。
【００２０】
本発明により、塩素、フッ素またはヨウ素のようなハロゲンガスを、単独または酸性ガス形態で使用できる。ハロゲンガスは、実質的に純粋な形態で使用しても差し支えない。しかしながら、処理時間が長い場合には、ヘリウム、アルゴン、または窒素のような不活性ガスと混合された５％ほどの少ないハロゲンガスも効果的である。この処理には、ハロゲンガスの連続流を使用してもよい。あるいは、焼成チャンバ中にガスが、繰り返し導入され、その後、排気される、間欠型の処理を用いてもよい。
【００２１】
本発明のある実施の形態によるジルコン耐火物の処理では、発泡耐火性材料から金属不純物を除去した。ハロゲン含有ガスに露出された発泡ジルコン耐火性材料は、それぞれ、１０ｐｐｍ未満の鉄およびナトリウムの不純物レベルを有し、ある実施の形態においては、組み合わされた鉄とナトリウムの不純物レベルは、それぞれ、５ｐｐｍ未満まで減少した。ある実験において、ハロゲン含有ガスに露出することにより、鉄不純物は４．２ｐｐｍまで、ナトリウム不純物レベルは１．４ｐｐｍまで減少した。従来の方法により製造された、ハロゲン含有ガスに露出されたジルコン耐火物は、一般に、１５ｐｐｍより大きいナトリウムレベルおよび１０ｐｐｍより大きい鉄レベルを有する。
【００２２】
不純物、特に、ナトリウムと鉄の不純物をわずかしか含有しない耐火物により、より汚染されていない雰囲気が提供される。本発明による発泡耐火物を用いた発泡シリカ製造炉および溶融シリカ製造方法により、高純度の溶融シリカおよび超低膨張ガラス製品を製造することができる。高純度溶融シリカガラスは、使用中に放射線による損傷を受けにくい。炉の設計またはシリカの形成および堆積プロセスのいずれの変更も必要とせず、それらを妥協することなく、これらの所望の目的が達成される。
【００２３】
本発明の精神または範囲から逸脱せずに、本発明に様々な改変および変更を行えることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は本発明の改変および変更を、それらが添付した特許請求の範囲およびその同等物に含まれる限り、包含することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のある実施の形態による溶融シリカ光学部材を製造するのに用いられる炉の断面図

Claims (10)

1. 溶融シリカスート製造炉であって、
   ケイ素含有前駆体を炉に送達するための前駆体送達装置、
   火炎を発生し、前記前駆体をシリカ含有スートに転化するためのバーナ、および
   相互に繋がった気孔の網状構造を持つ発泡耐火性材料から構成されたクラウン、
   を有してなる炉。
2. 前記発泡耐火性材料中の気孔が０．５ｍ^２／ｇより大きい表面積を持つことを特徴とする請求項１記載の炉。
3. 前記発泡耐火性材料が５０％より大きい気孔率を持つことを特徴とする請求項２記載の炉。
4. 前記発泡耐火性材料が１．５ｇ／ｃｍ^３未満の密度を持つことを特徴とする請求項２記載の炉。
5. 前記発泡耐火性材料が、合計で１０ｐｐｍ未満しか鉄およびナトリウムの不純物を含有しないことを特徴とする請求項２記載の炉。
6. 溶融シリカブールを製造する方法であって、
   相互に繋がった気孔の網状構造を持つ発泡耐火性材料から構成されたクラウンを備えた炉を提供し、
   ケイ素含有前駆体を火炎中に導入して、溶融シリカ粒子を生成し、該粒子を採集表面上に採集し、該採集表面上の粒子を固結して、ブールを形成する、
   各工程を有してなる方法。
7. 前記発泡耐火性材料中の気孔が０．５ｍ^２／ｇより大きい表面積を持つことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記発泡耐火性材料が５０％より大きい気孔率を持つことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記発泡耐火性材料が１．５ｇ／ｃｍ^３未満の密度を持つことを特徴とする請求項７記載の方法。
10. 前記発泡耐火性材料が、合計で１０ｐｐｍ未満しか鉄およびナトリウムの不純物を含有しないことを特徴とする請求項７記載の方法。