JP7277530B2 - 大型溶融石英インゴットのオンラインアニーリング - Google Patents

Description

第１の態様では、本発明は、石英ガラスインゴットの連続製造方法に関する。第２の態様では、本発明は、請求された方法で使用される石英ガラスインゴットの製造装置に関し、そして第３の態様では、本発明は、請求された方法に従って調製された石英ガラスインゴットに関する。

石英ガラスインゴットの連続生産のための方法および装置は、先行技術から知られている。これらのプロセスは、押し出された後に小さな部分に切断される大きな石英ガラスインゴットの連続生産には適していない。詳細には以下がある。

ＵＳ ３，７６４，２８６は、炉の底部のダイから出されたロッドおよびチューブを製造するための電気加熱式高融点金属るつぼにおける石英の溶融のプロセスを開示している。ダイから押し出されて得られたインゴットは、周囲の空気によって冷却され、後にオンラインで有用な長さに切断される。押し出されたインゴットは比較的小さいサイズおよび比較的小さい断面積を有しているため、切断ステップは重要ではない。

ＣＮ １０２８７５００７は、固体インゴットを製造するための連続石英溶融炉を開示している。直径１８０ｍｍまでのロッドは、電気加熱式高融点金属るつぼから溶融石英を押し出し、そして後に切断することによって調製される。繰り返しではあるが、押し出されたロッドは、インゴットの直径が小さいため、切断プロセスで何も問題を明らかにしない。

電気溶融は、直径の大きい溶融石英インゴットを製造するためのバッチプロセスでも使用されており、例えばＵＳ ２００９／０１００８７１ Ａを参照すると、これは、直径１７００ｍｍおよび高さ６２０ｍｍのガラスインゴットを得るための石英粉末床の耐火物で覆われたるつぼ内での溶融を説明している。説明されているプロセスは、いくつかの制限を受ける。石英粒子に関連するすべてのガス、つまり石英粒子内または石英粒子の間に閉じ込められたすべてのガスを完全に除去することは困難であることが判明しており、溶融中のガラスの流れがないことは、局所不純物が混入する機会がないことを意味する。したがって、この方法で製造された石英ガラスの品質は、最も重要な用途には受け入れられない気泡と介在物の存在によって制限される。さらに、この多段階バッチプロセスの生産性は、充填、予熱、溶融、およびその後の冷却を含み、そして低品質の製品を生産するサイクル時間のリスクを低減することを試みるため、制限される。

ＵＳ ７，３０５，８５２は、回転るつぼまたは耐火物タンク内での石英ガラスの火炎溶融プロセスを開示している。記載されたプロセスは大きな直径を有する石英ガラスインゴットを製造することを意図しているが、このプロセスは、得られたインゴットのオンライン切断を必要としない古典的なバッチプロセスに対応する。

ＣＮ １０１１４８３１１は、インゴットの引き出しとオンライン切断での、酸水素火炎中の石英の連続火炎溶融を開示している。適用される溶融速度は比較的低く（１．２から１．８ｋｇ／時間）、得られるインゴットの最大サイズは、１つのバーナーで直径３００ｍｍである。結果として得られたインゴットは、その後オンラインで切断されるが、特に切断部インゴットに形成された亀裂による、切断ステップが問題をもたらすことを何も示していない。

火炎溶融プロセスは、上述した上記欠点のいくつかを回避する。したがって、典型的な火炎溶融プロセスは、ベルヌーイプロセスのバリエーションであり、ここで石英粉末が酸水素炎を通過し、水平軸または垂直軸を中心に回転するインゴットの溶融端面に衝突し、そして高温領域から遠ざかるにつれて固化するホットゾーンからゆっくり引き離される（たとえば、ＵＳ ４，３６８，８４６）。

ＫＲ ２０１８／００４３５３は、大きな直径の溶融物を形成するための石英粉末の酸水素溶融がるつぼ内で実行されるプロセスを開示している。このプロセスでは、るつぼは静止しており、インゴットの長さをより長くするために、実施中にるつぼの底部が下げられ、その結果、押し出されたガラスが冷却されるつぼの下で固化し、そのように形成されたインゴットが断熱チャンバ内に収容される。したがって、押し出されたインゴットは、キャンペーンの最後に（るつぼ内および下にとまってガラスを徐々に冷却することにより）チャンバ内でアニールされ得るが、このプロセスはバッチプロセスであり、技術的に複雑である。

ＵＳ ２，３９８，９５２は、石英ガラス製品の連続生産のための装置を開示しており、ここで装置は、底部にダイオリフィスを有する耐火チャンバ、軟化した石英ガラス塊をダイを通して垂直に引き出してインゴットを提供する手段を備えている。

ＵＳ ３，２１２，８７１は、ガラスを溶融するための電気加熱式タンク炉を開示しており、ここで前記炉は、電熱線に囲まれた管状の溶融るつぼ、るつぼの溶融物から石英ガラス管を連続的に引き出すためのるつぼの下端の引き出しノズル、その中の溶融物の上のるつぼの内部に保護ガスを導入する手段を有しており、そしてここで溶融物表面の上で近位のるつぼ壁には、前記ガスが外側への通過のためのるつぼの外側に通じる複数の穴が設けられており、これにより、溶融物表面から放たれる蒸気がるつぼ内で上昇するのが防止されるが、前記穴を通ってるつぼの外側に逃げる保護ガスの流れによって運ばれる。

インターネットの論文「Available dimensions chemical purity - typical trace elements and OH content in quartz-glass (ppm by weightoxide)」は、連続火炎溶融プロセスによる大径インゴットの調製を示唆しているが、それはこれらのインゴットが深刻な亀裂形成なしにどのように切断されるかを開示していない。特に、このインターネットの論文には、インゴットをオンラインで切断できるという開示はない。

ＷＯ２００７／１０７７０９Ａは、相当な直径のインゴットを開示しているが、そのようなインゴットは、容器のない方法での直接堆積、すなわち自立インゴットの上端への堆積により、制限された長さの単一のインゴットとして作製される。そのようなインゴットは、るつぼ内の軟化したガラスを引き出し、そしてダイを通して引き出すことによって連続的には作成されない。

ＷＯ ００／０３９５５ Ａは、るつぼ、任意にて回転るつぼから合成溶融シリカのインゴットを引き出す方法を開示している。この方法で調製されたインゴットのサイズは、実質的に小さな断面積のものである。記載された方法によれば、使用された装置の耐火チャンバは、その底部にダイオリフィスを有し、そこから軟化した石英ガラス塊が垂直に出される。石英ガラスインゴットがダイから出された後、塊は、例えば断熱材で構成されたるつぼの下のチャンバを通過する。しかしながら、先行技術文献による装置のこの配置は、前記チャンバを構成する断熱レンガの長さが石英材料のアニーリングステップを達成するには短すぎるため、インゴットの制御された冷却を可能にしない。さらに、るつぼの真下の断熱れんがの位置は、その機能が石英インゴットを制御された方法で冷却するのではなく、熱いるつぼを支えることであることを示している。したがって、このように調製されたインゴットは、放射および対流により、切断できる点まで自然に冷却される。特に大きなサイズのインゴットを連続的に製造するためには、前記先行技術文献で提案されているような単純な自然冷却は受け入れられない。

要約すると、これらの刊行物のいずれにも、例えば３５０ｍｍを超える直径の、直径が大きいインゴットの連続製造およびこのようなインゴットの亀裂のないオンライン切断に関する開示はない。

この従来技術の状況から出発して、上記の欠点なしに調製できる石英ガラスインゴットの製造方法を提供することが目的である。

特に、連続的に調製および切断できる石英ガラスインゴットの製造方法を提供することが目的である。

より詳細には、連続的に調製および切断することができ、大きな外径を有する石英ガラスインゴットの製造方法を提供することが目的である。

より詳細には、亀裂がなく連続して調製および切断することができ、大きな外径を有する石英ガラスインゴットの製造方法を提供することが目的である。

さらに、石英ガラスインゴットが大きな直径を有することにより、石英ガラスインゴットを亀裂がなく連続して製造および切断するために使用できる装置を提供することが目的である。この装置は、請求された方法を実施するのに適しているものである。

これらの目的は、押し出しによって調製されたインゴットの内部熱を使用してオンライン自己アニーリングを実行するという基本的な考え方によって解決される。

したがって、本発明は、第１の態様において、石英ガラスインゴットの連続生産方法に関し、該方法は、
ａ．るつぼまたは耐火物タンクに軟化した石英ガラス材料を提供すること；
ｂ．軟化した石英ガラス塊をダイを通して垂直に出して、石英ガラスインゴットを提供すること；および
ｃ．石英ガラスインゴットを特定の長さにオンライン切断すること、のプロセスステップを含む。

請求される方法は、石英ガラスインゴットがステップｂで押し出された後に、軟化した石英ガラス材料の歪み点の領域のインゴットの外面の温度まで冷却され、次いで石英ガラスインゴットが断熱されることを特徴としている。

したがって、押し出され予冷された石英ガラスインゴットを、インゴットの内部熱によって提供されるオンラインアニーリングにかけることにより、石英ガラスインゴットの残留応力を効率的に低減できることが分かった。インゴット内の残留応力はオンラインアニーリングステップによって低減されるため、切断されたインゴット部分に生じる亀裂がなく、または少なくとも亀裂を低減して、石英ガラスインゴットを連続プロセスで切断することが可能になる。

したがって、一実施形態は、石英ガラスインゴットの連続生産方法を対象とし、該方法は
ａ．るつぼまたは耐火物タンクに軟化した石英ガラス材料を提供すること；
ｂ．軟化した石英ガラス塊をダイを通して垂直に出して、石英ガラスインゴットを提供すること；および
ｃ．石英ガラスインゴットを特定の長さにオンライン切断することのプロセスステップを含み、
石英ガラスインゴットは、ステップｂで押し出された後で、ステップｃのオンライン切断の前に、オンラインアニーリングにかけられることを特徴とする。

このオンラインアニーリングは、石英ガラスインゴットを、軟化した石英ガラス材料の歪み点の領域のインゴットの外面の温度まで冷却し、その後石英ガラスインゴットを断熱にかけることにより行うことが好ましい。

これに関連して、アニーリングとは、製造中に導入された残留内部応力を緩和するために、高温のガラス製品が形成された後にゆっくりと冷却するプロセスを意味する。

本開示によれば、調製されたインゴットの残留応力は、インゴットの亀裂開始のリスクを最小化するために減少させることができ、特に亀裂は、いったん開始すると、下降するインゴットに沿って連続的に伸び得る。それにより、請求された方法は、インゴットが非常にゆっくりと冷却することを必要とせず、プロセスが実行される建造物の高さを増やさなければ利用できない、炉の下のより大きな距離でのインゴットの切断を回避する。

本開示は、任意の外径を有する石英ガラスインゴットの製造に適している。しかしながら、３５０ｍｍを超える外径を有する石英ガラスインゴットは、切断プロセス中に亀裂しやすく、そしてしたがって、本開示は、３５０ｍｍを超える、具体的には４００ｍｍを超える、より具体的には４５０ｍｍを超える、最も具体的には５００ｍｍを超える外径を有する石英ガラスインゴットの製造に特に適している。

本プロセスを実施するための炉の一実施形態が図１に概略的に示されている。 請求される方法の１つの好ましい実施形態は、図２を参照することにより説明される。

本発明の第１の態様
－石英ガラスインゴットの連続生産方法－

以下に、本方法をより詳細に説明する。

ステップａ：るつぼまたは耐火物タンクに軟化した石英ガラス材料を提供する

プロセスステップａにおいて、出発材料としての軟化した石英ガラス塊は、るつぼまたは耐火物タンクに提供される。

それにより、耐火物タンクまたはるつぼは通常、石英ガラス塊の加熱および封じ込めを可能にする炉内に提供される。出発材料は通常、シリカ、石英粉末、および少なくとも１つのケイ素含有前駆体の群から選択されるケイ素源として耐火タンクまたはるつぼに供給される。

シリカまたは石英粉末の場合、出発原料は結晶性石英または非晶質シリカ粉末である。粉末は、天然または合成由来のものであり得る。

ケイ素含有前駆体の場合、出発物質は通常、ハロゲンを含まないケイ素前駆体、特にオクタメチルシクロテトラシロキサンなどのシロキサン化合物である。このケイ素含有前駆体は、炎の中でシリカ微粒子の流れに変換され、溶融物の表面に堆積される。そのようなプロセスは、例えばＵＳ ６，７６３，６８２に記載されている。

一実施形態では、ケイ素含有前駆体の流れによって補われる石英粉末を使用することが可能である。

少なくとも１つの追加元素の添加、特に少なくとも１つの酸化物化合物の添加により、ケイ素源をドープすることが可能である。ドープされた石英ガラスのインゴットを調製する必要がある場合は、１つ以上の追加元素を追加する必要がある。

ケイ素源は、通常上から耐火物タンクまたはるつぼに供給され、バーナーを通して耐火物タンクまたはるつぼに供給されてもよい。従って、バーナーは好ましくは炉のルーフに配置される。記載された方法はまた、耐火物タンクまたはるつぼへの出発材料の導入のための代替モードを含んでもよい。

通常、バーナーには少なくとも１つの可燃性ガスと酸素が充填され、可燃性ガスは、水素、天然ガスまたは炭化水素ガス、特にプロパン、およびそれらの混合物からなる群から選択することができる。

ケイ素源をバーナーを通してるつぼまたは耐火物タンクに供給することにより、ケイ素源は飛行中にバーナーによって加熱され、ガラスに融着する溶融表面に到達する。さらに、バーナーはケイ素原料の溶融物の表面に１つまたは複数の炎を下向きに出し、出発材料の溶融を助ける。

不透明な石英ガラスを形成する必要がある場合は、粉末に固体または液体のガス形成剤を添加してドープしてもよいが、一般的に、粉末はドープされず、気泡のない溶融石英ガラスインゴットを提供するために必要とされる高純度のものである。

溶融表面および／または炉壁の温度は、光高温計を使用して測定され、炉の内部は、例えば、排気口を通して見ることができる。

ステップｂ：軟化した石英ガラス塊をダイを通して垂直に出して、石英ガラスインゴットを提供する

次のステップｂでは、溶融シリカは、通常炉の底部にあり、したがってバーナーの反対側に位置するダイの形のオリフィスを通して炉から実質的に垂直に押し出され、石英ガラスインゴットをもたらす。

炉からダイオリフィスを通して押し出されるるつぼまたは耐火物タンクの溶融シリカは、冷却後に外面で凝固し、石英ガラスインゴットをもたらす。

インゴットの外部サイズと形状は、炉の底部にあるダイオリフィスの外部形状によって規定される。

通常、プロセスステップｂで押し出された石英ガラスインゴットの外径は、３５０ｍｍより大きく、より好ましくは４００ｍｍより大きく、さらに好ましくは４５０ｍｍより大きく、最も好ましくは５００ｍｍより大きい。

溶融シリカがダイを通して押し出されて石英ガラスインゴットがもたらされた後、インゴットは周囲の空気の放射および／または対流によって冷却される。さらに、インゴットは、不活性ガスおよび／または還元ガスの放射および／または対流によって冷却されてもよい。

この通常の冷却の他に、るつぼまたは耐火物タンクのダイから出てくる石英ガラスインゴットの冷却ステップを強化することもできる。

ダイから出てくるインゴットの周囲に上向きに引き込まれる空気を使用して、石英ガラスインゴットの冷却を支援することができる。インゴットを冷却するもう１つの可能性は、冷却ガスの高速流を向けること、または水滴のミストをインゴットに向けることである。

この強化された能動的予冷により、石英ガラスインゴットの表面温度を短い距離で９００から１１５０℃、より好ましくは９２５から１０７５℃、最も好ましくは９５０から１０５０℃の温度に下げることが可能になる。これらの温度は、インゴットがアニーリングチャンバに入る前に達成される表面温度の好ましい下限を表す。プレアニーリング段階でそのような温度を達成すると、ダイと切断ステーションの間の全体的な距離を短くすることができるが、説明した方法には必須ではない。

すでに上で述べたように、上記の方法では、るつぼまたは耐火物タンクから出てきた石英ガラスインゴットを、ステップｂで押し出した後に軟化した石英ガラス材料の歪み点の領域のインゴットの外面の温度まで冷却し、次いで石英ガラスインゴットが断熱されることを要する。

以下でさらに説明するように、通常、インゴットはるつぼまたは耐火物るつぼから垂直方向に出され、これはダイから出てくるインゴットのオンラインアニーリングも垂直方向に実現する必要があることを要する。

したがって、説明した方法の中で、下降インゴットのオンラインアニーリングのための垂直設備を提供することが重要である。しかしながら、これは特に工場の状況では、単純な問題ではなく、単純に溶融炉と切断位置との間の距離を増大し、そして溶融石英の大きなインゴットを降ろすことはできない。したがって、インゴットを冷却し、温度、したがってインゴット全体の応力分布を平衡化し、限られた垂直高さ内でこれら目的を達成する必要がある。

インゴットのオンラインアニーリングを実現するため、インゴットは、ガラス内の軸方向および半径方向の温度勾配が徐々に低下し、同時にインゴットバルク温度が適切に制御された条件下で低下するようにインゴットの制御された冷却を提供する１つ以上のアニーリングチャンバを通過することが好ましい。

インゴットのオンラインアニーリングは、軽量断熱材で構成される１つまたは複数のアニーリングチャンバ内で行うことが好ましい。これらのアニーリングチャンバでは、ガラス内の半径方向の温度勾配が大幅に減少する条件下で、インゴットが徐々に冷却される。

前記軽量断熱材によって提供されるアニーリングチャンバでは、冷却プロセスは、周囲空気への対流熱損失を含み、チャンバを通って上昇する。

チャンバ設計、空気流、および断熱の性質の選択は、当業者によって選択され、適切なコンピューターシミュレーションによって促進され得る。

アニーリングチャンバを通過することにより、インゴットは好ましくは６００℃未満、より好ましくは５５０℃未満、最も好ましくは５００℃未満の表面温度で出現する。

このオンラインアニーリング、およびインゴットが下降するにつれてさらに徐々に冷却した後、切断ステーションのレベルで、インゴットの中心の温度は表面の温度よりもやや高いままであるが、インゴットの表面の引張応力は、好ましくは５ＭＰａ未満、より好ましくは４ＭＰａ未満、最も好ましくは２ＭＰａ未満に低減される。

すでに上で述べたように、ダイから出てくるインゴットは、アニーリングチャンバでのオンラインアニーリングが実行される前に、外部温度が歪み点の領域になるまで冷却されてもよい。

使用される石英ガラス材料の歪み点は、ガラスの粘度が１０^１４．５ポアズであり、粘度測定により当業者が容易に測定することができる温度である。

頻繁に使用される石英ガラス材料の歪み点（粘度１０^１４．５ポアズで約１０８０℃）。そのような材料の場合、アニーリングチャンバに入る時点でのインゴットの外面の温度は９００から１１５０℃（Ｔ_ｓ）か、それよりもさらに高いことがあり得る。この点で、下降インゴットの中心の温度（Ｔ_ｃ）はかなり高くなることになる。

インゴットが、例えば表面からのさらなる熱損失を防ぐための軽量断熱材で構成されたアニーリングチャンバを通過する場合、インゴットの内部温度と外面温度が平衡化される。

アニーリングチャンバの長さは、Ｔ_ｃとＴ_ｓとの差が小さくなるようにすることが好ましく、一方で、インゴットが切断ステーションに到達するまでに、表面温度をさらに水冷式鋸で切断できる値に下げることも望ましい。

Ｔ_ｃとＴ_Ｓの差が上記のように調整された場合、残留応力と弾性応力の両方が十分に低減され、インゴットは、亀裂発生がなく、または亀裂発生のリスクが低く許容可能な状態で切断できる。

ステップｃ：石英ガラスインゴットを特定の長さにオンライン切断する

切断ステーションは、石英ガラスインゴットをるつぼまたは耐火物タンクから出すためにダイに隣接し、建造物の高さに応じた距離だけ石英ガラスインゴットに沿ってダイから離れているが、通常は２．７５から３．５メートルの範囲であり得る。

切断ゾーンのインゴットの外面の温度は、光学高温計および／または熱電対などの適切な手段で測定できる。しかしながら、インゴットの中心の温度は、コンピューターシミュレーションによってのみ推定できる。

ステップｂでダイから押し出された石英ガラスインゴットは、ダイオリフィスから下向きに伸びて、上記のように予冷領域とアニーリングチャンバを通過する。それにより、石英ガラスインゴットは上述の温度プロファイルに冷却される。

下向きに通過中、石英ガラスインゴットは特定の輸送手段によって支持される。好ましい実施形態では、石英ガラスインゴットを支持するこれらの輸送手段は、キャリッジに取り付けられた２つ以上のクランプであり、これによりキャリッジに取り付けられたクランプは、ダイオリフィスから押し出された溶融シリカに追従するのに適切な速度でダイオリフィスから下方に移動する。本方法では、クランプの往復を可能にするために、少なくとも２つのクランプが必要とされる。真直度を維持するために、インゴットと常に接触する少なくとも２つのクランプが必要であり、通常、インゴット切断中にインゴットを支持するために１つ以上のクランプが必要である。

キャリッジと石英ガラスインゴットに取り付けられたクランプは、炉（つまり、るつぼまたは耐火物タンク）内の軟化した石英ガラス塊が基本的に一定のレベルに維持されるように、事前規定の速度で下方に移動することが好ましい。

連続プロセスを可能にするために、切断されるインゴット部分（切断されたインゴット部分）の切断および取り外しは、好ましくはオンラインで行われるべきである。

この理由のため、石英ガラスインゴットは、インゴットの最初に事前規定された位置に達するまで下向きに出される。この事前規定された最初の位置で、出てきた石英ガラスのインゴットは、インゴットの一部を切断することが必要となる下部キャリッジに達する。切断される石英ガラスインゴットの部分は、１つ以上のクランプでまだ支持されていることが好ましい。

切断ステーションは、好ましくは鋸で構成され、より好ましくは水冷式鋸、特に頑丈な水冷式チェーンソーまたはワイヤーソーで構成される。鋸の切断媒体は、好ましくは金属結合ダイヤモンド（ダイヤモンド切刃式鋸）である。

切断ステーションで、石英ガラスインゴットを鋸で円周方向に切断する。さらに、切断ステーションで切断する前に、石英ガラスインゴットを外部水スプレーで冷却することが好ましい。

石英ガラスインゴットが切断された後、インゴットの切断部分は十分に下げられる。また、任意の追加処理ステップのために、切断されたインゴット部分を降ろして取り外すことが可能になる。

切断されたインゴット部分が取り外される前に、切断されたインゴット部分に取り付けられたクランプが解放されることが好ましい。

石英ガラスインゴットの切断されたインゴット部分が、事前規定された第２のレベル（床レベル）から取り外された後、石英ガラスインゴットの元の切断されたインゴット部分のクランプと底部キャリッジは、好ましくは、石英ガラスインゴットの本体まで持ち上げられ、石英ガラスインゴットの本体に再び取り付けられ、次の切断を行うことが必要になるまで下降するインゴットを継続的に支持させる。

以下において、請求される方法の１つの好ましい実施形態は、図１および２を参照することにより説明される。

これらの図では、次の参照記号が使用される。
１０ 耐火物タンク
１１ 炉チャンバ
１２ 炉チャンバ床
１３ 溶融物
１４ バーナー
１５ 粉末供給
１６ 排気口
１７ 排気筒
１８ ダイオリフィス
１９ インゴット
２０ クランプ
２１ 切断ステーション
２２ 支持板
２３ 耐火れんが
２４ チムニー（任意の冷却空気）
２５ 高温計１
２６ 高温計２
２７ 高温計３
２８ 高温計４
２９ アニーリングチャンバ１
３０ 断熱材
３１ アニーリングチャンバ２（穴あき）
３２ 冷却空気（チャンバ2の壁を通じて内部）
３３ アニーリングゾーンの開始
３４ アニーリングゾーンの終わり
３５ 熱電対１
３６ 熱電対２
３７ 熱電対３
３８ 熱電対４
３９ アニーリングチャンバ１に入る際の温度プロファイル
４０ アニーリングチャンバ２に入る際の温度プロファイル

本プロセスを実施するための炉の一実施形態が図１に概略的に示されている。

炉は、炉チャンバ１１に囲まれた耐火物タンクまたはるつぼ１０を含む。耐火物タンクは、例えば、ジルコンまたはイットリア安定化ジルコニアのレンガから作られてもよく、これは溶融シリカ溶融物１３を含む。この耐火れんがの最内層は、れんが、セラミック繊維、ジルコニアの泡またはその他の適切な材料を含む断熱材料の１つまたは複数の層で囲まれ、さらなる断熱を提供し、炉の壁を通る熱損失を低減し得る。炉の通常の構成は、当業者に知られている。

可燃性ガス（例えば、水素、天然ガス、プロパンまたはその他の炭化水素ガス、または混合物）および酸素が、炉のルーフに設置された１つまたは複数のバーナー１４に供給され、これが溶融物の表面へと下に出る１つまたは複数の炎をもたらす。石英粉末１５（すなわち、天然または合成由来のシリカの結晶または非晶質粉末）は、１つまたは複数のバーナーを介して追加するか、代替手段によって導入することができる。任意にて、ドープされた石英ガラスのインゴットを作る必要がある場合、粉末は、例えば酸化物の形態で存在する１つまたは複数の追加元素の添加によりドープされてもよい。粉末は飛行中に加熱され、溶融物１３の表面に到達し、そこでガラスに融合する。不透明な石英ガラスを形成する必要がある場合、粉末に固体または液体のガス形成剤を添加してドープすることができるが、一般に、気泡のない溶融石英インゴットを提供することが必要とされるため、粉末はドープされず、高純度のものである。

燃焼生成物は、出口１６を通って炉を出て、その後に排気筒１７を通って炉チャンバを出る。

別の実施形態では、粉末供給は、適切なケイ素含有前駆体、好ましくはハロゲンを含まない前駆体、例えば、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴ、Ｄ４）などのシロキサンの流れによって補充または置換されてもよく、これは火炎中でシリカ微粒子の流れに変換され、溶融物１４の表面に堆積し得る（例えば、ＵＳ６，７６３，６８２に記載されているように）。

溶融物表面１３および／または炉壁の温度は、１つ以上の光学高温計２５、２６、２７、および２８を使用して測定することができる。炉の内部は、排気口１６を通して見ることができる。

炉は、断面が円形、多角形、または正方形であってもよいが、要求されるインゴット製品の形状に適合することが好ましい。炉の基部には、ダイとして機能し、そこから押し出されるインゴット１９の外部寸法を規定するオリフィス１８が設定されている。ダイは、耐火性セラミック材料、例えばイットリア安定化ジルコニアまたはジルコンからなるものでもよく、または耐火性金属（タングステンまたはモリブデンなど）で作られてもよく、その場合、耐酸化性は金属表面を（金属シリサイドなどのコーティングで）適切にコーティングすることにより、または不活性または還元ガス環境の提供により促進できる。

ガラスは高粘度で出現し、急速に冷却すると、外面はほぼ即座に固化する。インゴットは下方に延び、炉内の溶融物が一定の深さに維持されるよう、ガラスの流れに適した速度、すなわち粉末供給速度に等しい速度で下方に移動できるキャリッジに取り付けられた一連のクランプ２０によって支持される。各キャリッジがその通過の下限に達すると、インゴットの保持が解除され、インゴットの把持が更新されると上限に移動する。インゴットは常に2セット以上のクランプで把持されるため、インゴットの真直度が確保される。インゴットの下端にインゴット切断ステーション２１が配置され、インゴットは有用な長さに切断され、その後の処理のために取り外される。

適切な切断手段には、頑丈な水冷式チェーンソーまたはワイヤーソーが含まれ、切断媒体は、金属結合ダイヤモンドであってもよい。

ダイのすぐ下で、インゴットは周囲の空気（または、適切であれば不活性／還元ガス）への放射と対流によって冷却される。インゴットの周りで炉チャンバ１１に上方に引き込まれる空気は、冷却を支援するために使用されてもよく（冷却空気２４）、そしてこれは、必要に応じて、冷却ガスの高速流の注入、水滴のミストの供給などによってさらに促進され得る。

ダイ領域のガラス表面温度とダイの下のインゴット温度は、１つまたは複数の適切な光学高温計２５、２６、２７、２８で測定できる。必要に応じて、熱電対または代替方法を使用して、局所温度を測定することもできる。

インゴットの外面の冷却は、環境への対流と放射によって達成され得るが、切断前では、インゴットの外面の温度が水冷式鋸で切断する前に約３００℃未満に低下することを確実にするため、インゴットの周りに位置するスプレージェットのリングから向けられる外部水スプレーによってインゴットをさらに冷却することが有用であり得る。

一実施形態によるプロセスは、一般に、溶融石英の破片で満たされた炉空洞で開始され、ダイオリフィスは、クランプ２０によって所定の位置に保持された溶融石英の円筒状ベイト片によってブロックされている。炉の内容物の最初の溶融後、石英粉末が１つ以上のバーナー１４を介して導入され、そして炉内の溶融物レベルをほぼ一定に維持しながらインゴット１９は下に出される。

石英ガラスインゴットがるつぼまたは耐火物タンク１０から出た後、インゴットは、図２に参照番号２４（チムニーまたは予冷領域）で示される冷却工程を受けることが好ましい。

インゴットは上部および下部アニーリングチャンバ２９、３１を通過する。アニーリングチャンバ３０の開始点３３で、インゴットはインゴットの外面（Ｔ_Ｓ）およびインゴットの中心（Ｔ_Ｃ）の間の温度プロファイル３９を有し、アニーリングゾーン３１の終点３４の後、インゴットはインゴットの外面（Ｔ_Ｓ）およびインゴットの中心（Ｔ_Ｃ）の間の温度プロファイル３７を有する。温度プロファイル３６は、Ｔ_ＣとＴ_Ｓとの間の差がより大きいため、急激な増大を有し、一方で、温度プロファイル３７では、温度Ｔ_ＣとＴ_Ｓが互いに近づくため、Ｔ_ＣとＴ_Ｓとの間の差ははるかに小さい。

インゴット押し出し、アニーリング、および断続的な切断の繰り返しのステップを含む上記の方法は、定まらない時間で継続することができ、これはこのように調製されたインゴットの需要によってのみ制限される。

本発明の第２の態様
－大型溶融石英インゴットの連続製造方法用装置－

第２の態様では、本発明は、石英ガラスインゴットの連続生産のための装置に関する。この装置は、上記のプロセスを実行することができ、以下の手段を備えている：
（ａ）るつぼまたは耐火物タンクの底部にダイオリフィスを有する軟化した石英ガラス塊を提供するためのるつぼまたは耐火物タンク、
（ｂ）軟化した石英ガラス塊をダイを通して垂直に出して、石英ガラスインゴットを提供する手段、
（ｃ）任意にて、石英ガラスインゴットを、軟化した石英ガラス材料の歪み点の領域のインゴットの外面の温度まで冷却するための手段、および
（ｄ）石英ガラスインゴットを特定の長さにオンライン切断する手段。

請求された装置は、インゴットのオンライン切断の前にインゴットをアニーリングするための手段を含むことを特徴とする。

石英ガラスインゴットのオンライン切断の前にインゴットをアニーリングする手段は、好ましくは、インゴットを所定のクリアランスで取り囲む１つ以上の断熱材料のパネルによって構成される。

さらにパネルは、インゴットの周りの制御された冷却空気の上向きの流れを可能にするチムニーとして機能するように構成されている。

パネル内では、熱電対、高温計またはその他の適切な手段によって温度を監視できる。

パネルおよび結果として生じるアニーリングチャンバの特定の設計は、経験的に取り組まれるか、コンピューターシミュレーションによって支援され得る。

装置は、以下で言及されるさらなる構成要素および部品を備えてもよい。これらの追加部分の機能は、上記の方法の説明によって明らかになり、以下のように要約される。

請求された装置は、好ましくはるつぼまたは耐火物タンクのルーフにバーナーを備え、そしてるつぼまたは耐火物タンクの底部にダイオリフィスを備えた、るつぼまたは耐火物タンクを含む。

石英ガラスインゴットの製造のための出発材料は、通常、酸素および可燃性ガス、例えば水素、天然ガス、プロパンなど炭化水素ガス、およびそれらの任意の適切な混合物の供給手段を備えたバーナーを通してるつぼまたは耐火物タンクに供給される。

るつぼまたは耐火物タンクは、通常、それらが囲まれている炉チャンバ内に配置されている。

耐火物タンクまたはるつぼは、例えば、ジルコンまたはイットリア安定化ジルコニアのレンガから作られることができ、そして溶融シリカ溶融物を収容するのに適している。この耐火れんがの最内層は、れんが、セラミック繊維、ジルコニアの泡またはその他の適切な材料を含む断熱材の１つまたは複数の層で囲まれ、さらなる断熱を提供し、炉の壁を通る熱損失を減らし得る。

プロセスの出発材料、例えば石英粉末は、１つ以上のバーナーを介して追加するか、または代替手段で導入することができる。

炉は、断面が円形、多角形、または正方形であってもよいが、要求されるインゴット製品の形状に適合することが好ましい。炉の基部には、ダイとして機能し、そこから押し出されるインゴットの外部寸法を定義するオリフィスが設定されている。ダイは、耐火性セラミック材料、例えばイットリア安定化ジルコニアまたはジルコンからなるものでもよく、または耐火性金属（タングステンまたはモリブデンなど）で作られてもよく、その場合、耐酸化性は金属表面を（金属シリサイドなどのコーティングで）適切にコーティングすることで、または不活性または還元ガス環境の提供により促進できる。

さらに、請求された装置は、移動可能なキャリッジと、下向きに移動する押し出されたインゴットを支持するクランプとを含む。クランプは通常、キャリッジに取り付けられている。クランプは、押し出されたインゴットを保持するように構成されており、インゴットを把持および解放することができる。請求された装置は、好ましくは、出てきたインゴットを把持するための少なくとも２つのクランプを含む。

請求された装置はまた、インゴットが有用な長さに切断され得るインゴット切断ステーションを含む。請求された装置に適した切断手段は、頑丈な水冷式チェーンソーまたはワイヤーソーを含み、切断媒体は、金属結合ダイヤモンドであってもよい。

請求された装置はまた、請求された装置の切断ステーション（２１）の上に配置され得る水スプレーなどの石英ガラスインゴットの外面を冷却するための手段を含み得る。

さらに、請求された装置は、ダイオリフィスから出た直後にインゴットを冷却する手段を含む。これは、放射と周囲の空気の対流、不活性ガスの流れ、還元ガスの流れ、および水滴のミストによるインゴットの冷却を可能にすることを意味する。

装置はまた、異なる位置で出現したインゴットの温度を監視するための光学高温計、熱電対または代替手段を備えてもよい。

請求された装置のさらなる部分は、上記で開示された請求されたプロセスの詳細な説明から明らかになる。これらの実施形態は、特に、上述の方法を実行する装置の手段に関する。

したがって、装置は、インゴットの中心温度Ｔ_Ｃとインゴットの外面温度Ｔ_Ｓとの間の差が、下降する石英ガラスインゴットの内部熱により断熱中に徐々に減少することを確実にする手段を備えることが好ましい。

より好ましくは、装置は、断熱の前に石英ガラスインゴットが９００から１１５０℃の表面温度に冷却されることを確実にする手段を含む。

より好ましくは、装置は、切断の前に石英ガラスインゴットが２５０℃未満の表面温度に冷却されることを確実にする手段を含む。

より好ましくは、装置は、断熱中の滞留時間が２０時間から１５０時間であることを確実にする手段を含む。

より好ましくは、装置は、断熱後の外面温度Ｔ_Ｓと中心温度Ｔ_Ｃとの間の差が４０℃未満であることを確実にする手段を備える。

より好ましくは、装置は、ステップｃの切断の前に石英ガラスインゴットの表面引張応力が５ＭＰａ未満であることを確実にする手段を含む。

より好ましくは、装置は、切断ゾーンが、ダイオリフィスから出た石英ガラスインゴットに沿って、ダイオリフィスから４．００ｍ未満の間隔があけられることを確実にする。

本発明の第３の態様
－大型石英ガラスインゴット－

最後に、本発明は、上述のプロセスに従って、または上述の装置を使用して調製される石英ガラスインゴットに関し、これにより石英ガラスインゴットは、事前規定された長さの部分に切断される。

請求された石英ガラスインゴットは、インゴットの外径が３５０ｍｍを超え、より好ましくは４５０ｍｍを超え、最も好ましくは５００ｍｍを超えることを特徴とする。

請求された石英ガラスインゴットは、インゴットの引張応力が好ましくは５ＭＰａ未満、より好ましくは４ＭＰａ未満、最も好ましくは２ＭＰａ未満であることをさらに特徴とする。

請求された石英ガラスインゴットはさらに、インゴットの断面積が好ましくは９６，０００ｍｍ^２より大きく、より好ましくは１５０，０００ｍｍ^２より大きく、最も好ましくは１８０，０００ｍｍ^２より大きいことを特徴とする。

得られるインゴットは、好ましくはガラス質シリカ、特に半導体および光学用途での使用に適した高純度透明溶融石英で構成される。

以下の実施例を参照することにより、本発明をより詳細に説明する。

ダイ１８から炉チャンバ床１２までの距離は３００ｍｍであり、この試験ではチムニー換気口２４は開いていなかった。

床の下には、最上部のクランプ２０の往復運動を可能にする高さ２５０ｍｍの空間があり、その下には、５００ｍｍの距離下に延びる上部断熱チャンバ３０があった。このセクションは、Vecoboard RCF1400、耐火性セラミックファイバーボード、厚さ１２ｍｍ（Eco Technical Ceramics、Bolton）のプレートの八角形アセンブリで構成されていた。これらのシートは、下降するインゴットから約５０ｍｍの距離で支持されており、断熱材とインゴットとの間のチャネル内を空気が上向きに流れるようにした。

断熱セクション３０の下には、オープン領域（高さ２５０ｍｍ）があり、クランプ２０の１つを移動できるようにし、続いて１３ｍｍピッチで直径１０ｍｍの穴を含む１．５ｍｍ厚の穴あきステンレススチール（F. H. Brundle）で作られた別の八角形アセンブリからなる、長さ５００ｍｍの第２の断熱チャンバー３１があった。繰り返しだが、これらのプレートはインゴットから約５０ｍｍに取り付けられ、そのように形成されたチャネル内の空気の内向きおよび上向きの流れを可能にし、漸進的そして制御された冷却を提供し、インゴットが上部アニーリングチャンバから出現する際の急激な温度変化を防ぐ。

熱電対３２から３５は、断熱材の内面の温度を監視するこれらの断熱チャンバのそれぞれの上端と下端に取り付けられた。

切断ステーション２１は、断熱チャンバ３１の下端から約１．８メートル下に位置していた。

連続操作で直径５３０ｍｍの溶融石英インゴットを製造する際、インゴットを２０ｍｍ／時間の速度で下方向に移動させた。これらの条件下で、断熱材の内面の熱電対３２、３３、３４、および３５は、それぞれ＞１１００℃、９００℃、７５０℃、および４３０℃の温度を示した。熱電対３２は、ダイａ、ｄのチムニー領域上からの放射加熱を受けた。上部アニーリングチャンバに入るときのインゴット表面温度は約１１００℃で、下部アニーリングチャンバを出るときは約５２０℃であった。コンピューターシミュレーションにより、２つのアニーリングチャンバによって引き起こされる半径方向の温度差Ｔ_Ｃ－Ｔ_Ｓの大幅な減少、およびインゴットの応力の対応する減少が示された。

このような状況で、切断ステーションの表面温度は約２００℃であった。金属結合ダイヤモンドを先端に取り付け、そして６０℃の温度で水を供給して冷却した鋸を使用して、切断ステーションで下降するインゴットを繰り返し切断して、インゴットの表面に大きな亀裂を誘発することなく長さ１０００ｍｍの部分に切断することができた。上記のアニーリングチャンバによって提供される制御されたアニーリングが存在しないそのような大型インゴットをオンラインで切断する以前の試みは、インゴットのインゴットに縦方向の亀裂が形成をもたらし、そしてそのような亀裂は、インゴットが下降するにつれて連続的に成長し、製品が意図した目的に受け入れられないものにすることが判明した。

Claims (12)

1. 断面積が９６０００ｍｍ^２を超える石英ガラスインゴットの連続生産のための方法であって、
   ａ．るつぼまたは耐火物タンクに軟化した石英ガラス材料を提供すること、
   ｂ．前記の軟化した石英ガラス塊をダイを通して垂直に出して、石英ガラスインゴットを提供すること、および
   ｃ．前記石英ガラスインゴットを特定の長さにオンラインで切断すること、のプロセスステップを含み、
   ここで、ステップｃの前に、前記石英ガラスインゴットは、まず、ダイから出てくるインゴットの周囲に上向きに引き込まれる空気を利用して、前記石英ガラスインゴットの表面温度を９００から１１５０℃に冷却し、そして、
   次に、前記石英ガラスインゴットは、前記インゴットのオンラインアニーリングが行われる少なくとも１つの断熱チャンバを通過させ、
   ここで、少なくとも１つの断熱チャンバを通過することにより、インゴットは６００℃未満の表面温度で出現し、そして、前記インゴットは外面温度Ｔ_Ｓおよび中心温度Ｔ_Ｃを持ち、
   断熱中の滞留時間が２０時間から１５０時間であり、ここで断熱後の外面温度Ｔ_Ｓと中心温度Ｔ_Ｃとの間の差が４０℃未満であることを特徴とする、方法。
2. 下降する石英ガラスインゴットの内部熱により断熱中に前記インゴットのＴ_ＣとＴ_Ｓとの間の差が徐々に減少される、請求項１に記載の方法。
3. 前記石英ガラスインゴットをアニーリングする手段は、前記インゴットを所定のクリアランスで取り囲む１つ以上の断熱材料のパネルによって構成される、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記石英ガラスインゴットが、切断の前に２５０℃未満の表面温度に冷却されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. ステップｃにおける切断の前に、前記石英ガラスインゴットの表面引張応力が５ＭＰａ未満であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 切断ゾーンが、ダイオリフィスから出た前記石英ガラスインゴットに沿って前記ダイオリフィスから４．００ｍ未満の間隔を空けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 断面積が９６０００ｍｍ^２を超える石英ガラスインゴットの連続生産のための装置であって、
   （ａ）るつぼまたは耐火物タンクの底部にダイオリフィスを有する軟化した石英ガラス塊を提供するためのるつぼまたは耐火物タンク、
   （ｂ）前記軟化した石英ガラス塊をダイを通して垂直に出して、石英ガラスインゴットを提供する手段、
   （ｃ）前記の石英ガラスインゴットを特定の長さにオンラインで切断する手段、および
   （ｄ）前記装置が、前記インゴットをオンラインで切断する手段（ｃ）の前に前記石英ガラスインゴットのオンラインアニーリングのための断熱手段、を含み、ここで、前記オンラインアニーリングのための前記手段は、オンラインアニーリングの前に、前記石英ガラスインゴットの表面温度が９００から１１５０℃に冷却されるように、前記ダイオリフィスから離れて備えられ、オンラインアニーリング中の滞留時間を２０時間から１５０時間とすることを保証する手段、及び、オンラインアニーリング後の外面温度Ｔ_Ｓと中心温度Ｔ_Ｃとの間の差を４０℃未満とすることを保証する手段を含むことを特徴とする、装置。
8. 前記切断が鋸で行われることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記るつぼまたは耐火物タンクを囲む炉チャンバを備え、
   前記炉チャンバは、前記石英ガラスインゴットの周りで前記炉チャンバに上方に引き込まれる空気を排気する排気筒を備える、ことを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記オンラインアニーリングのための手段は、前記インゴットを所定のクリアランスで取り囲む１つ以上の断熱材料のパネルによって構成される、ことを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法により得られる断面積が９６０００ｍｍ^２を超える大型石英ガラスインゴット。
12. 前記インゴットの表面引張応力が５ＭＰａ未満であることを特徴とする、請求項１１に記載の大型石英ガラスインゴット。

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