KR20200061299A - 절단 중공 잉곳 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공 석영-유리 잉곳의 연속 제조 방법 및 상기 방법을 위한 장치에 관한 것으로서, 석영 유리 잉곳은 내부 표면에서 냉각된다.

Description

절단 중공 잉곳{Cutting hollow ingot}
제1 양태에서, 본 발명은 중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 연속적인 방법에 관한 것이다. 제2 양태에서 본 발명은 청구된 방법에 사용되는 중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 장치에 관한 것이고, 제3 양태에서 본 발명은 청구된 방법에 따라 제조된 중공형 석영-유리 잉곳에 관한 것이다.
중공형 석영-유리 잉곳의 연속적인 제조를 위한 방법 및 장치는 종래 기술로부터 알려져 있다. 이러한 연속적인 프로세스에서, 석영은 열을 공급함으로써 내화 도가니 내에서 용융되고, 맨드릴(mandrel)이 장착된 중심의 다이 오리피스(die orifice)를 통해 석영이 당겨진다. 그 후, 잉곳은 일정한 속도로 점차 낮아지고 용융된 실리카는 담금질되고 이에 의해 중공형 기둥 잉곳 또는 튜브를 형성한다. 각각의 프로세스는, 예를 들어, US 9,242,887호 및 CN 103 771 690호에 개시되어 있다. 통상적으로 이러한 방법에 의해 제공되는 튜브(중공형 잉곳)는 비교적 작은 직경 및 얇은 벽을 갖는다. 예를 들어, CN 103 771 690호에서, 300 mm 내지 320 mm의 직경 및 벽 10 mm 내지 12 mm의 벽 두께를 갖는 튜브(중공형 잉곳)가 생성된다.
큰 외부 직경, 특히 350 mm를 초과하는 외부 직경 및 더 두꺼운 벽을 갖는 중공형 석영-유리 잉곳의 연속적인 생산으로 발생하는 하나의 문제점은 노(furnace) 아래의 길이로 절단될 때 잉곳에 균열이 형성되는 것이다. 석영-유리 잉곳에서의 이러한 균열의 문제점은 상술한 종래 기술의 참고 문헌의 교시에 의해 해결되지 않는다.
특히 대형 중공형 석영-유리 잉곳의 생산에 초점을 맞춘 하나의 추가 종래 기술은 US 7,305,852호이며, 도가니에 용융된 석영이 충진되고, 용융 프로세서(fusion process)를 완료한 후에 제한된 양의 로드(rod), 플레이트 또는 중공형 잉곳이 당겨지는(drawn) 공정을 개시하고 있다. 이러한 프로세스에서 사용되는 노는 연속적으로 사용되지 않지만, 배치(batch)로 동작하여 용융된 석영으로 도가니를 충진한 후 유리를 당기고 용융 후 노를 비울 수 있는 가능성을 제공한다. 열 변동으로 인해 이러한 불연속적인 동작이 발생하며, 의도된 크기의 잉곳이 심각한 균열 없이 온-라인으로 절단될 수 없었다. 또한, 각각의 배치(batch) 프로세스는 경제적인 단점을 갖는다.
US 2017/0349474 A호는 통상적인 유리 용융물의 용융 및 잉곳 섹션의 제조를 설명한다. 개시된 프로세스는 형성 후 잉곳의 온-라인 절단의 프로세스 단계를 필요로 하는 잉곳의 연속적인 생산을 제공하도록 의도되지 않는다.
SU 740718호는 중공형 석영-유리 잉곳의 준비를 위한 장치를 개시하고 있다. 상세하게는, SU 740718호는 용융된 석영의 용융물로부터 튜브의 당김을 허용하도록 석영의 용융을 위한 통상적인 프로세스의 수정을 나타내지만, 유리의 흐름 및 튜브의 내부 직경의 향상된 제어가 개선되었다. 이는 상술한 바로부터 지지되는 맨드릴을 포함하지만, 다이를 통해 흐를 때 유리의 점도를 제어하도록 내부 열 교환기를 사용한다. 고려한 튜브 크기를 표시하지 않았다. 또한, 종래 기술의 프로세스에 의해 준비되는 튜브는 통상적으로 다이 아래에서 자연적으로 냉각될 수 있으며, 유리를 내부에서 점진적으로 냉각시키기 위해 임의의 단계가 취해진 표시가 없다. 또한, 석영-유리 잉곳의 두꺼운 대형 벽의 잉곳의 반복되는 무균열 절단의 문제로 발생되는 문제점이 설명되지 않았다.
이러한 종래 기술의 상황으로부터 출발하여, 상술한 단점 없이 준비될 수 있는 중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 방법을 제공하는 것이 목적이다.
특히, 연속적으로 준비 및 절단될 수 있는 중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 방법을 제공하는 것이 목적이다.
보다 구체적으로, 연속적으로 준비 및 절단될 수 있고 큰 외부 직경 및 비교적 두꺼운 벽을 갖는 중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 방법을 제공하는 것이 목적이다.
보다 구체적으로, 균열 없이 연속적으로 준비 및 절단될 수 있고 큰 외부 직경 및 비교적 두꺼운 벽을 갖는 중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 방법을 제공하는 것이 목적이다.
또한, 균열 없이 중공형 석영-유리 잉곳을 연속적으로 생산 및 절단하는 데 사용될 수 있고, 이에 의해 중공형 석영-유리 잉곳이 큰 외부 직경 및 비교적 두꺼운 벽을 갖게 되는 장치를 제공하는 것이 목적이다. 이러한 장치는 청구된 방법을 수행하기에 적절해야 한다.
도 1은 본 공정을 실시하기 위한 노(furnace)의 일 구현예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2(A) 내지 도 2(D)는 다이 오리피스에서 맨드릴을 제거하지 않고 잉곳 섹션의 절단 및 제거가 수행되는 이러한 작업의 다양한 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 제1 양태
- 중공형 잉곳의 제조를 위한 연속적인 방법 -
본 발명의 목적은 이하의 프로세스 단계를 포함하는 중공형 석영-유리 잉곳을 제조하기 위한 연속적인 방법에 의해 제1 목적에서 해결된다:
a. 도가니 또는 내화 탱크에 연화된 석영-유리 덩어리를 제공하는 단계;
b. 중공형 석영-유리 잉곳을 제공하도록 맨드릴이 장착된 다이를 통해 연화된 석영-유리 덩어리를 수직으로 당기는(drawing off) 단계; 및
c. 중공형 석영-유리 잉곳을 특정 길이로 온-라인 절단하는 단계.
청구된 방법은 단계 b에서 연화된 석영-유리 덩어리를 수직으로 당긴 후에, 그리고 프로세스 단계 c에서 온-라인 절단하기 전에 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면이 능동 수단에 의해 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 맥락에서,
(1) 큰 외부 직경 및 비교적 두꺼운 벽을 갖는 중공형 석영-유리 잉곳의 제조 중에 발생하는 균열, 특히,
(2) 이러한 중공형 석영-유리 잉곳을 절단하는 단계 중에 발생하는 균열은 절단시 잉곳 전체의 탄성 응력에 기인할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이론에 구속되지 않고, 잉곳의 탄성 응력은 단계 b에서 압출된 후 잉곳의 외부 및 내부 표면 상의 상이한 온도 프로파일로 역추적될 수 있다. 잉곳의 외부 표면은 공기의 복사 및 대류 또는 능동 냉각 수단과 같은 자연적 수단에 의해 냉각되는 반면, 중공형 잉곳의 내부 표면은 상대적으로 고온으로 유지되어, 압출 후 중공형 잉곳의 외부 및 내부 표면 상에 상이한 온도 프로파일을 생성한다. 양쪽 표면 상의 이러한 상이한 온도 프로파일은 압출된 잉곳에서의 탄성 응력의 원인이 될 수 있으며, 이는 장래에 절단 프로세스 단계 중에 잉곳의 균열로 이어진다. 절단 프로세스 단계 중의 잉곳의 균열의 형성은 절단시에 절단 공구로부터 잉곳의 외부 표면으로 급격히 물을 유입함으로써 개선될 수 있다.
이제, 중공형 석영-유리 잉곳의 보다 균일한 냉각에 의해 탄성 응력을 감소시킬 수 있다는 것이 밝혀졌으며, 이에 의해, 중공형 석영-유리 잉곳은 (자연적 수단 또는 능동 냉각 수단에 의해 다소 자동적으로 발생하는) 외부 표면뿐만 아니라 중공형 잉곳의 내부 표면 상에서 냉각되는 것이 필수적이다. 중공형 잉곳의 내부 표면 상의 냉각 단계는 이하에 더욱 상세하게 설명되는 능동 냉각 수단에 의해 달성된다.
(저온에서) 복합 유리를 제조 중에 유리 튜브의 형성 중의 내부 냉각이 US 3,937,623호에 설명되어 있지만, 이러한 종래 기술 참고 문헌의 유리 튜브-제조 프로세스는 본 실시예들에 따른 중공형 석영-유리 잉곳의 제조에 비해 완전히 상이하다. 이러한 이유로, US 3,937,623호의 교시는 본 실시예에 따른 방법으로 전환될 수 없다. 특히, US 3,937,623호에 설명된 프로세스는 크고 무거운 벽의 석영 유리 잉곳을 제조하기 위한 화염 용융(flame fusion) 프로세스가 아니다.
연속적인 노에서 나오는 대형 중공형 석영-유리 잉곳의 가공에서, 절단 프로세스 중에 균열이 자주 발생한다. 중공형 잉곳의 내부 표면의 능동 냉각의 청구된 방법을 적용함으로써, 상기 절단 단계 동안 통상적으로 발생하는 균열이 감소될 수 있거나 바람직하게는 완전히 회피될 수 있다.
현재 정의된 바와 같이 잉곳의 냉각을 적용함으로써, 잉곳의 탄성 응력이 감소되어 중공형 석영-유리 잉곳의 절단 프로세스 동안 확장된 균열이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다.
유리의 탄성 응력은 압축 및 인장 응력의 모두의 조합을 포함한다. 과도한 인장 응력은 균열의 잠재적 원인이다. 현재 설명되는 하나 이상의 구현예에서 규정된 바와 같이 잉곳의 냉각을 적용함으로써, 잉곳에서의 탄성 인장 응력은 바람직하게는 5 MPa 미만, 보다 바람직하게는 4 MPa 미만, 가장 바람직하게는 2 MPa 미만으로 감소된다.
본 방법을 적용함으로써, 석영을 용융시키고 연속적으로 큰 직경의 중공형 잉곳을 당기고(draw) 심각한 균열 없이 또는 최소한 심각한 균열의 감소된 수로 석영 유리 잉곳을 반복적으로 절단하는 것이 가능해진다. 이는 중공형 석영-유리 잉곳의 경제적인 생산을 가능하게 한다.
다음으로, 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 및 내부 표면의 냉각을 위한 조치가 보다 상세하게 설명된다.
위에서 상술한 바와 같이, 준비 후 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면은 예를 들어, 주위 공기의 복사 및 대류에 의해 자동으로 냉각된다.
그러나, 일 실시예에서, 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면을 또한 능동 수단을 개선시킴으로써 추가로 냉각할 수 있다. 외부 표면의 이러한 개선된 능동 냉각은 예를 들어, 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면에 적용되는 냉각 가스 또는 냉각 유체에 의해 달성된다. 각각의 적절한 냉각 가스는 공기, 질소와 같은 불활성 가스, 또는 수소/질소 혼합물과 같은 환원성 가스이다. 각각의 적절한 냉각 유체는 예를 들어, 물 분사로서 적용될 수 있는 물이다. 또한, 잉곳의 외부 표면을 냉각시키기 위해 주변 공기 및/또는 복사의 능동 대류가 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 냉각 가스, 냉각 유체, 능동 대류 및/또는 복사를 적용하는 것과 같이, 하나 이상의 능동 냉각 수단이 잉곳의 외부 표면 상에 적용되는 것이 가능하다.
잉곳의 외부 표면 상에 하나 이상의 능동 냉각 수단을 사용하는 일 실시예는 냉각 유체로서 물방울 미스트와 냉각 가스의 고속 흐름의 조합이다.
또한, 잉곳의 외부 표면은 2-단계 냉각 방법에 의해 또한 냉각될 수 있으며, 여기서 첫번째로 냉각은 대류 및/또는 복사에 의해, 그리고 두번째로 냉각 가스의 흐름을 지향시키는 수단에 의해 또는 석영-유리 잉곳의 외부 표면 상에 냉각 유체를 분사함으로써 수행된다.
상술한 냉각 수단 중 하나 이상을 자동으로 또는 능동으로 적용함으로써, 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면은 프로세스 단계 c에서의 온-라인 절단 전에, 400℃ 미만, 보다 바람직하게는 350℃ 미만, 가장 바람직하게는 250℃ 미만이 외부 표면의 온도로 냉각된다.
바람직하게는, 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면을 능동 수단으로 냉각하였다. 각각의 수단은 후술한다.
잉곳의 내부 표면에 능동 냉각을 적용함으로써, 프로세스 단계 c에서의 온-라인 절단 전에 개시되는 외부 능동 냉각 수단의 적용 전에 내부 표면의 온도는 바람직하게는 400℃ 미만, 보다 바람직하게는 300℃ 미만, 가장 바람직하게는 250℃ 미만이다.
이러한 추가 냉각은 내부 표면의 온도를 대략 100℃로 감소시킨다.
잉곳의 절단은 절단 스테이션(또한 절단 구역 또는 절단 섹션으로 칭함)에서 청구된 방법으로 수행하며, 이 절단 스테이션은 절단이 적용되는 영역에, 일반적으로 다이 아래 고정된 거리에서 제공되며, 통상적으로 절단 스테이션은 바람직하게는 최대 4000 mm, 보다 바람직하게는 최대 2500 mm, 가장 바람직하게는 최대 1800 mm로 중공형 석영-유리 잉곳을 따라 다이로부터 이격되어 있다. 잉곳의 외부 및 내부 표면의 상술한 온도는 바람직하게는 잉곳의 절단 스테이션에서 달성된다.
추가적으로, 상술한 외부 및 내부 표면의 특정 온도는 절단 단계 C 전에 구성되는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다.
또한, 절단 단계 C 이전의 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면과 외부 표면 사이의 온도 차이는 바람직하게는 250℃ 미만, 보다 바람직하게는 220℃ 미만, 가장 바람직하게는 180℃ 미만인 것이 바람직하다.
특히 절단 섹션에서 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면과 외부 표면 사이의 온도 관계를 적용함으로써, 특히 잉곳의 절단 중에 균열이 발생하지 않거나 적어도 심각한 균열이 발생하지 않도록 잉곳의 탄성 응력이 감소될 수 있다.
다음으로, 중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 구체적인 방법의 단계가 상세히 설명된다:
프로세스 단계 a.에서, 시작 재료로서 연화된 석영-유리 덩어리가 도가니 또는 내화 탱크에 제공된다.
이에 의해, 내화 탱크 또는 도가니는 석영-유리 덩어리를 가열 및 수용할 수 있는 노 내에 통상적으로 제공된다. 시작 재료는 통상적으로 석영, 실리카 분말 또는 적어도 하나의 실리콘-함유 전구체의 그룹으로부터 선택된 실리콘 소스로서 내화 탱크 또는 도가니에 공급된다.
석영 또는 실리카 분말의 경우, 시작 재료는 결정질 또는 비정질 실리카 분말이다.
실리콘-함유 전구체의 경우, 시작 재료는 통상적으로 무할로겐 실리콘-전구체(silicon-precursor), 특히 옥타메틸시클로테트라실록산(octamethylcyclotetrasiloxane)과 같은 실록산 화합물이다.
실리콘 소스는 적어도 하나의 추가 원소의 첨가, 특히 적어도 하나의 산화물 화합물의 첨가에 의해 도핑될 수 있다.
실리콘 소스는 통상적으로 위에서부터 내화 탱크 또는 도가니로 공급되고 하나 이상의 버너를 통해 내화 탱크 또는 도가니에 통상적으로 공급된다. 따라서, 버너(들)는 바람직하게는 노의 지붕에 위치된다.
버너에는 통상적으로 적어도 하나의 가연성 가스 및 산소가 공급되며, 이에 따라 가연성 가스는 수소, 천연 가스 또는 탄화수소 가스 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
버너를 통해 실리콘 소스를 도가니 또는 내화 탱크에 공급함으로써, 실리콘 소스는 버너에 의해 비산(flight) 중에 가열되고 유리로 용융되는 용융물 표면 상에 도달한다. 또한, 버너는 실리콘 소스의 용융물의 표면 상으로 아래로 화염 또는 화염들을 투사(project)하며, 이는 시작 재료의 용융을 돕는다.
다음 단계 b.에서, 용융된 실리카는 통상적으로 노의 베이스에 위치되며 따라서 중공형 석영-유리 잉곳으로 귀결되는 버너의 반대측에 위치되는 다이 및 맨드릴 조립체 형태의 오리피스를 통해 노로부터 수직으로 압출 성형된다.
압출된 실리카는 다이 오리피스에 위치된 내화 맨드릴의 도움에 의해 중공형 석영-유리 잉곳 형태로 제공된다. 이에 의해, 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 치수는 내화 맨드릴의 치수에 의해 정의된다.
맨드릴은 통상적으로 아래로부터 맨드릴 지지 기둥에 의해 지지된다.
다이 오리피스를 통해 노로부터 압출되는 도가니 또는 내화 탱크의 용융된 실리카는 냉각 후 외부 표면에서 고화되어 중공형 석영-유리 잉곳이 된다.
잉곳의 외부 크기 및 형태는 노의 베이스에 위치되는 다이 오리피스의 외부 형상에 의해 정의된다.
통상적으로, 프로세스 단계 b.에서 압출된 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 직경은 400 mm 초과, 보다 구체적으로 450 mm 초과, 보다 구체적으로 500 mm 초과이다. 이들 치수는 현재 설명되는 실시예가 잉곳의 다른 외부 직경으로 실시되도록 감소될 수 있기 때문에 한정적인 것이 아니다. 상술한 직경은 실제로 경제 시장의 요건에 의해 결정된다.
또한, 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 직경은 통상적으로 250 mm 초과, 보다 구체적으로 290 mm 초과, 보다 구체적으로 330 mm 초과이다. 다시 한번, 이들 치수는 현재 설명되는 구현예가 잉곳의 다른 외부 직경으로 실시되도록 감소될 수 있기 때문에 한정적인 것이 아니다. 상술한 직경은 실제로 경제 시장의 요건에 의해 결정된다.
그러나, 중공형 석영-유리 잉곳의 벽 두께는 구체적으로 100 mm 초과, 보다 구체적으로 125 mm 초과, 보다 구체적으로 150 mm 초과이다.
그 후, 중공형 석영-유리 잉곳은 상술한 바와 같이 외부 및 내부 표면 상에서 냉각되어 잉곳의 종래 기술의 절단 단계 c.에서 탄성 응력을 감소시킨다.
잉곳의 내부 표면과 외부 표면 사이의 온도차는 절단 스테이션에서 300℃ 미만, 보다 바람직하게는 280℃ 미만, 보다 바람직하게는 260℃ 미만인 것이 바람직하다.
외부 및 내부 표면의 상술한 온도가 실현되고 바람직하게는 잉곳에서의 탄성 응력이 상술한 값으로 감소된 후, 중공형 석영-유리 잉곳은 절단 스테이션에서 단계 c.에서 수냉 톱(saw)에 의해 절단된다.
절단 스테이션은 도가니 또는 내화 탱크로부터 중공형 석영-유리 잉곳을 당기기(drawing off) 위해 다이 아래에 있고 바람직하게는 최대 4000 mm, 보다 바람직하게는 최대 2500 mm, 가장 바람직하게는 최대 1800 mm로 중공형 석영-유리 잉곳을 따라 다이로부터 이격되어 있다.
절단 스테이션에서 잉곳의 외부 및 내부 표면 상의 온도는 광학 고온계 및/또는 열전대(thermocouple)와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 측정될 수 있다.
단계 b.에서 다이를 통해 압출되는 중공형 석영-유리 잉곳은 다이 오리피스로부터 아래쪽으로 연장되고 수단에 의해 지지된다. 바람직한 실시예에서, 압출되는 중공형 석영-유리 잉곳을 지지하기 위한 수단은 캐리지에 장착된 하나 이상의 클램프이며, 이에 의해 캐리지 상에 장착된 클램프가 다이 오리피스로부터 압출된 용융된 실리카를 따르기에 적절한 속도로 다이 오리피스로부터 아래로 이동한다.
캐리지 및 중공형 석영-유리 잉곳에 장착된 클램프들은 노(즉, 도가니 또는 내화 탱크)에서 연화된 석영-유리 덩어리가 기본적으로 일정한 레벨로 유지되도록 사전 정의된 속도로 아래 방향으로 바람직하게 이동한다.
절단 중인 잉곳 섹션(절단 잉곳 섹션)의 절단 및 제거는 연속적인 프로세스가 가능하도록 다이 오리피스로부터 맨드릴을 제거하지 않고 수행되어야 한다.
이러한 이유로, 중공형 석영-유리 잉곳은 잉곳의 제1 기설정 위치에 도달될 때까지 아래쪽으로 당겨진다. 이러한 제1 기설정 위치에서, 압출된 중공형 석영-유리 잉곳은 잉곳의 섹션을 절단하는 데 필요해질 수 있는 바닥 캐리지에 도달한다. 절단될 중공형 석영-유리 잉곳의 일부는 바람직하게는 하나 이상의 클램프들에 의해 여전히 지지된다.
절단 동작은 절단 스테이션에서 수행되며, 바람직하게는 톱, 보다 바람직하게는 수냉 톱, 특히 헤비-듀티(heavy-duty) 수냉 체인 또는 와이어 톱에 의해 구성된다. 톱의 절단 매체는 바람직하게는 금속-결합 다이아몬드이다.
절단 스테이션에서, 중공형 석영-유리 잉곳은 톱에 의해 원주 방향으로 절단된다. 또한, 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면은 절단 스테이션에서 절단하기 전에 외부 물 분사에 의해 냉각되는 것이 바람직하다. 또한, 더 큰 크기 및/또는 더 두꺼운 벽의 중공형 잉곳의 경우, 내부 및 외부 표면 모두를 수용 가능한 온도로 만들기 위해 추가 냉각, 예를 들어, 맨드릴의 내부 표면 상에 영향을 미치는 수냉 분사에 의해 잉곳의 기존 내부 냉각을 (예를 들어, 맨드릴 주위의 수냉 코일에 의해) 보완하는 것이 유용할 수 있다.
중공형 석영-유리 잉곳이 절단된 후, 잉곳의 바닥 섹션이 충분히 낮아진다. 이를 통해 맨드릴을 제 위치에 유지하는 데 도움이 되는 하나 이상의 맨드릴 지지체를 선택적으로 삽입할 수 있으며, 바닥 캐리지 및 절단 잉곳 섹션은 제2 기설정 위치(예를 들어, 플로어(floor) 레벨)로 낮아지고, 이는 제1 기설정 위치보다 더 낮다.
절단 잉곳 섹션이 제2 기설정 위치로 내려간 후, 절단 잉곳 섹션을 오프-로드하고 제거할 수 있게 된다.
절단되는 중공형 석영-유리 잉곳은 다이 오리피스로부터 맨드릴을 제거하지 않고 절단 섹션으로부터 제거될 수 있기 때문에, 잉곳의 생산을 위한 연속적인 프로세스가 가능해진다.
절단 잉곳 섹션이 제거되기 전에, 절단 잉곳 섹션에 부착된 클램프들이 바람직하게 해제된다.
중공형 석영-유리 잉곳의 절단 섹션이 제2 기설정 위치(플로어 레벨)로부터 제거된 후, 최저 클램프(도 2, 19C)는 바람직하게는 중공형 석영-유리 잉곳의 본체로 상승되고, 중공형 석영-유리 잉곳의 본체에 재부착된다. 그 후, 바닥 캐리지(도 2, 21)가 맨드릴 지지 기둥의 하단과 재결합하도록 상승될 수 있으며, 이에 의해 맨드릴 지지 바(bar)(들)가 맨드릴로부터 제거되고, 다음 절단이 필요할 때까지 동작이 재개된다.
중공형 석영-유리 잉곳의 절단 섹션이 플로어 레벨로 낮아지기 때문에, 중공형 석영-유리 잉곳의 절단 섹션은 추가 프로세싱을 위해 쉽게 제거될 수 있다.
이미 위에서 지적한 바와 같이, 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면이 능동 수단에 의해 냉각되는 것이 청구된 방법에서 필수적이다. 이러한 필수적인 내부 냉각은 임의의 적절한 냉각 수단에 의해 수행될 수 있다. 실시예들은 다음과 같이 개관된다:
제1 실시예에서, 냉각 수단은 맨드릴 지지 기둥 주위에 배열되고 냉각 유체를 포함하는 코일로 구성될 수 있다.
제2 실시예에서, 맨드릴의 냉각 수단은 맨드릴이 장착되는 맨드릴 지지 기둥 내부의 냉각 유체에 의해 지정된다.
이들 2개의 실시예들에서, 냉각 유체는 물일 수 있다.
제3 실시예에서, 냉각 수단은 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 캐비티(cavity) 내의 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스의 가스 흐름으로 구성될 수 있다.
제4 실시예에서, 냉각 수단은 잉곳의 내부 표면에 투사된 물 분사 또는 복수의 물 제트(jet)의 원자화된 미스트로 구성될 수 있다.
현재, 상술한 제1, 제3 및 제4 실시예가 특히 바람직하다.
또한, 상술한 제1 및 제4 실시예가 특히 바람직하다.
또한, 상술한 제1 실시예가 특히 바람직하다.
이들 실시예들 중 하나 이상이 함께 사용될 수 있으며, 제1, 제3 및 제4 실시예가 내부 냉각 수단의 조합에 있어서 특히 바람직하다.
이들 실시예들 중 하나 이상이 함께 사용될 수 있으며, 제1 및 제4 실시예가 내부 냉각 수단의 조합에 있어서 특히 바람직하다.
제4 실시예의 능동 냉각 수단은 잉곳 절단 절차가 개시되기 직전의 기간 동안 제1 내지 제3 실시예에 따른 능동 냉각 수단과 조합하여 또는 단독으로 적용되는 것이 바람직하다.
중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면을 냉각시키기 위한 제4 실시예가 적용되는 경우, 물 제트(jet)는 통상적으로 맨드릴에 배열되거나 이에 부착된다. 효율의 관점에서, 바람직하게는 5개 내지 25개, 보다 바람직하게는 6개 내지 20개, 가장 바람직하게는 8개 내지 16개의 제트가 잉곳의 내부 표면을 균일하게 냉각시키기에 충분하다는 것이 밝혀졌다. 이에 의해, 맨드릴 내의 또는 맨드릴에 부착된 구멍의 크기가 0.10 내지 2.00 mm, 보다 바람직하게는 0.15 mm 내지 1.75 mm, 가장 바람직하게는 0.20 내지 1.50 mm일 때 바람직하다.
중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면을 냉각시키기 위한 제4 실시예가 적용되는 경우, 물 제트(jet)는 바람직하게는 0.10 내지 1.80 l/min, 보다 바람직하게는 0.15 내지 1.70 l/min, 가장 바람직하게는 0.20 내지 1.60 l/min 의 물의 유속을 가지며, 이에 의해, 유속이 단계적으로 증가할 수 있다.
중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면을 냉각시키기 위한 제4 실시예가 적용되는 경우, 제트가 중공형 잉곳의 내부 표면에 부딪히도록 하는 물 스트림 또는 액적의 온도는 5 내지 65℃일 수 있다.
상술한 각 실시예들에서의 냉각 시스템은 통상적으로 잉곳 절단 스테이션 위에서 300 내지 2300 mm, 보다 바람직하게는 400 내지 2200 mm, 가장 바람직하게는 500 내지 2000 mm로 배열된다.
내부 표면 상에 물 분사(spray)를 적용하는 기간은 경우에 따라 다를 수 있지만, 통상적으로 10 내지 480분, 보다 바람직하게는 20 내지 420분, 가장 바람직하게는 30 내지 360분이면 절단 전에 잉곳의 탄성 응력을 감소시키기기에 충분하다.
통상적으로, 표면의 내부 및 외부 냉각은 잉곳 절단이 시작되려고 할 때까지 계속된다.
이하에서, 하나의 바람직한 구현예가 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된다.
이들 도면에서는, 다음과 같은 참조 부호가 사용된다:
10 내화 탱크
11 노 챔버
12 용융물
13 버너
14 분말 공급
15 배출 포트
16 굴뚝
17 다이 오리피스
18 중공형 잉곳
19 캐리지 및 클램프
20 절단 스테이션
21 바닥 캐리지
22 내화 벽돌
23 냉각 공기
24 고온계 1
25 고온계 2
26 고온계 3
27 고온계 4
28 맨드릴 캡
29 맨드릴 캡-홀더
30 맨드릴 지지 기둥
31 수냉 코일
32 외부 물 분사 링
33 내부 물 분사 링
34 잉곳의 절단 섹션
35 맨드릴 지지 바
본 프로세스를 실시하기 위한 노의 일 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.
노는 노 챔버(11) 내에 둘러싸인 내화 탱크 또는 도가니(10)를 포함한다. 내화 탱크는 예를 들어, 지르콘(zircon) 또는 이트리아-안정화 지르코니아(yttria-stabilised zirconia)의 벽돌로 제조될 수 있으며, 이는 용융된 실리카 용융물(12)을 함유한다. 내화 벽돌의 최내층은 벽돌, 세라믹 섬유, 지르코니아 버블 또는 다른 적절한 재료를 포함하는 하나 이상의 단열재의 층(미도시)으로 둘러싸여서 추가적인 단열을 제공하고 노의 벽을 통한 열 손실을 감소시킨다. 노의 통상적인 구성은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다.
가연성 가스(예를 들어, 수소, 천연 가스, 프로판 또는 기타 탄화수소 가스 또는 혼합물) 및 산소는 용융물의 표면 상으로 아래로 투사(project)되는 화염 또는 화염들을 제공하는 노의 지붕에 설치된 하나 이상의 버너(13)에 제공된다. 석영 분말(14)(즉, 천연 또는 합성 기원일 수 있는 실리카의 결정질 또는 비정질 분말)이 하나 이상의 버너를 통해 첨가되거나 대안적인 수단에 의해 도입될 수 있다. 선택적으로, 도핑된 석영 유리의 잉곳을 제조할 필요가 있는 경우, 분말은 예를 들어, 산화물 형태로 존재하는 하나 이상의 추가 원소의 첨가에 의해 도핑될 수 있다. 분말은 비산 중에 가열될 수 있고, 유리로 용융되는 용융물 표면(12) 상에 도달한다. 불투명한 석영 유리를 형성하는 것이 필요한 경우, 고체 또는 액체 기체 형성제를 첨가하여 분말이 도핑될 수 있지만, 일반적으로 분말은 도핑되지 않고 버블이 없는 용융된 석영 잉곳을 제공하기 위해 필요에 따라 고순도이다.
연소 생성물은 배출 포트(15)를 통해 노를 떠난 후, 굴뚝(16)을 통해 노 챔버를 떠난다.
다른 실시예에서, 분말 공급을 적절한 실리콘-함유 전구체, 바람직하게는 무할로겐 전구체, 예를 들어, 옥타메틸시클로테트라실록산(OMCT, D4)과 같은 실록산의 흐름으로 보충하거나 대체할 수 있으며, 이는 화염에서 실리카 미세 입자의 스트림으로 변환될 수 있으며, (예를 들어, US 6,763,682호에 설명된 바와 같이) 용융물(14)의 표면 상에 증착될 수 있다.
용융물 표면(12) 및/또는 노벽(furnace wall)의 온도는 하나 이상의 광학 고온계들(24, 25, 26 및 27)을 사용하여 측정될 수 있다. 노의 내부는 배출 포트(15)를 통해 볼 수 있다.
노는 원형, 다각형 또는 정사각형의 단면일 수 있지만, 바람직하게는 필요한 잉곳 제품의 형상에 따른다. 노의 베이스에는 다이로서 작용하는 오리피스(17)가 설치되며, 이로부터 압출되는 잉곳(18)의 외부 치수를 규정한다. 다이는 내화 세라믹 재료, 예를 들어, 이트리아-안정화된 지르코니아 또는 지르콘으로 구성될 수 있거나, 내화 금속(예를 들어, 텅스텐 또는 몰리브덴)으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 (예를 들어, 금속 실리사이드 등의 코팅으로) 금속 표면을 적절하게 코팅함으로써, 또는 불활성 또는 환원성 가스 환경을 제공함으로써 내산화성이 촉진될 수 있다.
다이 오리피스(17) 내에는 중공형 잉곳의 내부 치수를 정의하는 내화 맨드릴이 위치된다. 다이와 같이, 맨드릴은 내화 세라믹 재료로 이루어질 수 있거나, 내화 금속(예를 들어, 텅스텐 또는 몰리브덴, 선택적으로 보호 코팅을 가짐)으로 이루어질 수 있으며, 적어도 캠페인의 초기 단계 동안에, 퍼징된(purged) 가스 환경 내에서 동작될 수 있다. 실제로, 지르콘(29)의 층에 의해 지지되는 몰리브덴의 맨드릴 캡(28)은 만족스러운 것으로 밝혀졌다. 지르콘은 맨드릴 지지 기둥(30)에 의해 제자리에 유지된다. 이는 흑연, 내화 세라믹 또는 심지어 수냉 금속의 원통형 기둥을 포함할 수 있지만, 이동 가능한 바닥 캐리지(21)로부터 자체적으로 제자리에 유지되는 동안 다이 내에서 맨드릴을 중심에 유지할 수 있는 것이 중요하다.
유리는 높은 점도로 나오고 급속 냉각시 외부 표면이 거의 즉시 고화된다. 잉곳은 아래로 연장되고, 유리의 흐름에 적절한 속도, 즉, 분말 공급 속도와 동등한 속도로 아래로 이동할 수 있는 캐리지 상에 장착된 일련의 클램프들(19A, 19B, 19C)에 의해 지지되어, 노 내의 용융물이 일정 깊이로 유지된다. 각 캐리지가 그 트래버스의 하한에 도달하면 잉곳 상의 고정이 해제되고 잉곳 상의 그립(grip)이 갱신될 때 그 상한으로 이동된다. 잉곳은 항상 2개 이상의 클램프 세트에 의해 그립핑되므로, 잉곳의 직진성이 보장된다. 잉곳의 하단에 잉곳 절단 스테이션(20)이 위치되며, 여기서 잉곳이 유용한 길이로 절단될 수 있고, 그 후 추가 프로세싱을 위해 제거될 수 있다.
적절한 절단 수단은 헤비-듀티 수냉 체인 또는 와이어 톱을 포함하고, 절단 매체는 금속-결합 다이아몬드일 수 있다.
다이 바로 아래에서 잉곳의 외부 표면은 주변 공기(또는 적절한 경우 불활성/환원성 가스)로의 복사 및 대류에 의해 냉각된다. 잉곳 주위로 상향하여 노 챔버(11) 내로 끌어당겨지는 공기는 냉각(냉각 공기(23))을 지원하기 위해 사용될 수 있고, 이는 필요에 따라 냉각 가스의 고속 흐름을 주입하고, 물방울의 안개 등을 제공함으로써 더욱 촉진될 수 있다.
다이 영역에서의 유리 표면 온도 및 다이 아래의 잉곳 온도는 하나 이상의 적절한 광학 고온계들(24, 25, 26 및 27)에 의해 측정될 수 있다. 국부 온도는 필요에 따라 열전대 또는 대안적인 방법을 사용하여 또한 측정될 수 있다.
잉곳의 외부 표면의 냉각은 환경에 대한 대류 및 복사에 의해 달성될 수 있지만, 수냉 톱으로 절단하기 전에 잉곳의 외부 표면의 온도가 약 300℃ 미만으로 감소되는 것을 보장하기 위해, 절단하기 전에 잉곳 주위에 위치된 분사 제트의 링(32)으로부터 지향되는 외부 물 분사에 의해 잉곳을 추가로 냉각시키는 것이 유용한 것으로 밝혀졌다.
다이 오리피스로부터 맨드릴을 제거하지 않고 잉곳 섹션의 절단 및 제거가 수행되어야 하며, 이 동작의 다양한 단계가 도 2a 내지 도 2d에 개략적으로 도시된다.
일 실시예에 따른 프로세스는 일반적으로 용융된 석영(12)의 조각으로 충진된 노 캐비티로 시작되고, 다이 오리피스는 용융된 석영의 원통형 베이트-피스(bait-piece)에 의해 차단되고 클램프들(19A 및 19B)에 의해 제자리에 유지된다. 노의 초기 용융 후, 석영 분말은 하나 이상의 버너들(13)을 통해 도입되고, 중공형 잉곳(18)은 노 내의 용융 레벨을 근사적으로 일정하게 유지하면서 아래쪽으로 당겨진다.
캐리지들/클램프들(19A, 19B 및 19C)의 왕복 이동에 의해, 잉곳은 도 2a에 도시된 위치에 도달할 때까지 아래쪽으로 연장되고, 그 시점에서 잉곳의 섹션을 절단할 필요가 있게 된다. 절단 동작 이전에, 물 분사(32)가 잉곳의 외부 표면 온도를 감소시키기 위해 적용되며, 선택적으로 내부 물 분사(33)가 또한 활성화된다. 이러한 내부 분사는 더 큰 직경 및 더 두꺼운 벽을 가진 잉곳을 다룰 때 바람직하다. 내부 및 외부 표면이 만족스러운 온도에 도달한 후, 그리고 클램프(19C) 및 바닥 캐리지(21)로 잉곳의 최저 섹션을 지지하는 동안, 잉곳은 원주 방향으로 절단되며, 맨드릴 지지 기둥을 절단하지 않도록 주의된다.
잉곳(34)의 바닥 섹션(즉, 잉곳의 절단 섹션)은 바닥 캐리지(21) 및 절단 잉곳 섹션(34)이 플로어 레벨로 낮아지는 동안 맨드릴을 제자리에 유지시키는 역할을 하는 하나 이상의 맨드릴 지지 바들(35)의 삽입을 허용하도록 충분히 낮아질 수 있다. 그 지점에서(도 2d) 절단 잉곳 섹션(34)을 오프-로드 및 제거할 수 있으며, 클램프(19C)를 상승시키고 이를 하강 잉곳에 부착하고 바닥 캐리지(21)를 상승시키고 이를 맨드릴 지지 기둥의 하단과 재결합시키는 것이 가능하다. 그 후 맨드릴 지지 바들(35)을 제거하고 도 2a에 도시된 상황을 재개하는 것이 가능하다.
이러한 동작의 사이클은 잉곳(클램프들(19A 및 19B))의 하향 모션에 대한 최소의 중단으로 완료되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 양태
- 중공형 잉곳의 제조를 위한 연속적인 방법을 위한 장치 -
제2 양태에서, 본 발명은 중공형 석영-유리 잉곳의 연속적인 제조를 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 상술한 프로세스를 수행할 수 있으며 이하의 수단을 포함한다:
(a) 도가니 또는 내화 탱크의 바닥에 다이 오리피스를 갖는 연화된 석영-유리 덩어리를 제공하기 위한 도가니 또는 내화 탱크;
(b) 중공형 석영-유리 잉곳을 제공하기 위해 기둥 상에 지지된 다이 및 맨드릴을 통해 연화된 석영-유리 덩어리를 수직으로 당기는(drawing off) 것; 및
(c) 중공형 석영-유리 잉곳을 특정 길이로 온-라인 절단하기 위한 수단.
청구된 장치는 장치가 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면을 능동적으로 냉각시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 실시예에서, 내부 표면을 능동 냉각시키기 위한 수단은 맨드릴 지지 기둥 주위에 배열된 코일일 수 있으며, 이에 의해 코일은 냉각 유체를 포함한다.
제2 실시예에서, 능동 냉각 수단은 맨드릴 지지 기둥 내부에 배열된 냉각 유체로 냉각되는 맨드릴 지지 기둥 자체에 의해 구성될 수 있다.
제3 실시예에서, 냉각 수단은 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 캐비티에서 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스의 가스 흐름으로 구성될 수 있다.
제4 실시예에서, 수단은 잉곳의 내부 표면 상에 물 분사를 제공하는 것을 포함한다. 제4 실시예의 능동 냉각 수단은 바람직하게는 잉곳 절단 절차가 개시되기 직전의 기간 동안 제1 내지 제3 실시예들에 따른 능동 냉각 수단과 조합하여 또는 단독으로 적용된다.
냉각 수단의 동작 모드들은 이미 상술하였다.
일 실시예에 따른 장치는 후술되는 추가의 구성 요소 및 부품을 포함할 수 있다. 이러한 추가 부품의 기능은 상술한 방법의 설명에 의해 명확해지며 다음과 같이 짧게 요약된다:
청구된 장치는 바람직하게는 도가니 또는 내화 탱크의 지붕에 하나 이상의 버너들이 제공되고 도가니 또는 내화 탱크의 바닥에 다이 오리피스가 제공되는 도가니 또는 내화 탱크를 포함한다.
중공형 석영-유리 잉곳의 제조를 위한 시작 재료는 통상적으로 산소 및 가연성 가스, 예를 들어, 수소, 천연 가스, 탄화수소 가스 및 이들의 임의의 적절한 혼합물에 대한 공급 수단이 구비된 버너를 통해 도가니 또는 내화 탱크에 제공된다.
도가니 또는 내화 탱크는 통상적으로 이들이 둘러싸이는 노 챔버에 배열된다.
내화 탱크 또는 도가니는 예를 들어, 지르콘(zircon) 또는 이트리아-안정화 지르코니아(yttria-stabilised zirconia)의 벽돌들로 제조될 수 있으며, 이는 용융된 실리카 용융물을 수용하기에 적절하다. 내화 벽돌들의 최내층은 벽돌들, 세라믹 섬유, 지르코니아 버블(zirconia bubble) 또는 다른 적절한 재료를 포함하는 하나 이상의 단열재의 층으로 둘러싸여서 추가적인 단열을 제공하고 노의 벽을 통한 열 손실을 감소시킬 수 있다.
프로세스의 시작 재료, 예를 들어, 석영 분말은 하나 이상의 버너들을 통해 첨가되거나 대안적인 수단에 의해 도입될 수 있다.
노는 원형, 다각형 또는 정사각형의 단면일 수 있지만, 바람직하게는 필요한 잉곳 제품의 형상에 따른다. 노의 베이스에는 다이로서 작용하는 오리피스가 설치되며, 이로부터 압출되는 잉곳의 외부 치수를 정의한다. 다이는 내화 세라믹 재료, 예를 들어, 이트리아-안정화된 지르코니아 또는 지르콘으로 구성될 수 있거나, 내화 금속(예를 들어, 텅스텐 또는 몰리브덴)으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 (예를 들어, 금속 실리사이드 등의 코팅으로) 금속 표면을 적절하게 코팅함으로써, 또는 불활성 또는 환원성 가스 환경을 제공함으로써 내산화성이 촉진될 수 있다.
청구된 장치는 바람직하게는 중공형 잉곳의 내부 치수를 규정하는 다이 오리피스 내의 내화 맨드릴을 포함한다. 다이와 같이, 맨드릴은 내화 세라믹 재료, 예를 들어, 이트리아-안정화 지르코니아 또는 지르콘으로 이루어질 수 있거나, 내화 금속(예를 들어, 텅스텐 또는 몰리브덴, 선택적으로 보호 코팅을 가짐)으로 이루어질 수 있으며, 적어도 프로세스의 초기 단계 동안에, 퍼징된 가스 환경 내에서 동작될 수 있다. 실제로, 지르콘의 층에 의해 지지되는 몰리브덴의 맨드릴 캡은 양호한 것으로 밝혀졌다.
청구된 장치는 또한 지르콘을 제자리에 유지하도록 기능하는 맨드릴 지지 기둥을 포함한다. 이는 흑연, 내화 세라믹 또는 심지어 수냉 금속의 원통형 기둥을 포함할 수 있다.
또한, 청구된 장치는 압출된 잉곳이 아래로 이동하는 것을 지지하는 이동 가능 캐리지(들) 및 클램프들을 포함한다. 클램프들은 통상적으로 캐리지 상에 장착된다. 클램프들은 압출된 잉곳을 유지하도록 구성되고 잉곳을 그립핑 및 해제할 수 있다. 청구된 장치는 압출된 잉곳을 그립핑하기 위해 적어도 3개의 클램프들을 포함하는 것이 바람직하다.
청구된 장치는 또한 잉곳 절단 스테이션을 포함하며, 여기서 잉곳은 유용한 길이로 절단될 수 있다. 청구된 장치에 적절한 절단 수단은 헤비-듀티 수냉 체인 또는 와이어 톱을 포함하고, 절단 매체는 금속-결합 다이아몬드일 수 있다.
청구된 장치는 또한 청구된 장치의 절단 스테이션 위에 배열된 물 분사와 같은 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면을 냉각시키기 위한 수단을 포함할 수 있다.
또한, 청구된 장치는 다이 오리피스로부터 압출된 직후 잉곳을 냉각시키기 위한 수단을 포함한다. 이러한 수단은 주변 공기의 복사 및 대류, 불활성 가스의 흐름, 환원성 가스의 흐름 및 물방울의 미스트에 의해 잉곳을 냉각시킬 수 있다.
또한, 청구된 장치는 일반적으로 맨드릴 지지 기둥을 냉각시키는 냉각 코일과 같은 잉곳의 내부 표면을 냉각시키고, 또한 잉곳의 절단 전의 기간 동안 사용을 위해 내부 표면 상의 물 분사(water spray)를 제공하는 수단을 포함한다.
본 장치는 또한 상이한 위치에서 압출된 잉곳의 온도를 감시하기 위한 광학 고온계, 열전대 또는 대안적인 수단을 포함할 수 있다.
청구된 장치의 추가적인 부품은 상술한 청구된 프로세스의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
본 발명의 제3 양태
- 중공형 석영-유리 잉곳 -
마지막으로, 본 발명은 상술한 프로세스에 따라 또는 상술한 장치를 사용하여 제조된 중공형 석영-유리 잉곳에 관한 것이며, 이에 의해 중공형 석영-유리 잉곳이 사전-정의된 길이의 섹션으로 절단된다.
청구된 중공형 석영-유리 잉곳은 잉곳의 외부 직경이 400 mm 초과, 보다 바람직하게는 450 mm 초과, 가장 바람직하게는 500 mm 초과인 것을 특징으로 한다.
청구된 중공형 석영-유리 잉곳은 또한 잉곳에서의 인장 응력이 바람직하게는 5 MPa 미만, 보다 바람직하게는 4 MPa 미만, 가장 바람직하게는 2 MPa 미만인 것을 특징으로 한다.
청구된 중공형 석영-유리 잉곳은 또한 잉곳의 단면적이 바람직하게는 6000 mm2 초과, 보다 바람직하게는 9000 mm2 초과, 가장 바람직하게는 11000 mm2 초과인 것을 특징으로 한다.
특히 일 실시예는 상술한 바와 같은 중공형 석영-유리 잉곳을 생산하기 위한 방법 및 이하의 구성을 갖는 중공형 석영-유리 잉곳에 관한 것이다:
제1 실시예:
(a) 외부 직경이 325 내지 375 mm, 구체적으로 330 내지 370 mm, 보다 구체적으로 335 내지 365 mm, 보다 구체적으로 340 내지 360 mm, 보다 구체적으로 345 내지 355 mm, 보다 구체적으로 350 mm; 그리고
(b) 내부 직경이 175 내지 225 mm, 보다 구체적으로 180 내지 220 mm, 보다 구체적으로는 185 내지 215 mm, 보다 구체적으로 190 내지 210 mm, 보다 구체적으로 195 내지 205 mm, 보다 구체적으로 200 mm; 그리고
(c) 단면적이 62500 mm2 내지 67500 mm2, 보다 구체적으로 63000 내지 67000 mm2, 보다 구체적으로 63500 내지 66500 mm2, 보다 구체적으로 64000 내지 66000 mm2, 보다 구체적으로 64500 내지 65500 mm2, 보다 구체적으로 64795 mm2.
제2 실시예:
(a) 외부 직경이 375 내지 425 mm, 구체적으로 380 내지 420 mm, 보다 구체적으로 385 내지 415 mm, 보다 구체적으로 390 내지 410 mm, 보다 구체적으로 395 내지 405 mm, 보다 구체적으로 396 mm; 그리고
(b) 내부 직경이 225 내지 275 mm, 보다 구체적으로 230 내지 270 mm, 보다 구체적으로 235 내지 265 mm, 보다 구체적으로 240 내지 260 mm, 보다 구체적으로 245 내지 255 mm, 보다 구체적으로 250 mm; 그리고
(c) 단면적이 71500 mm2 내지 76500 mm2, 보다 구체적으로 72000 내지 76000 mm2, 보다 구체적으로 72500 내지 75500 mm2, 보다 구체적으로 73000 내지 75000 mm2, 보다 구체적으로 73500 내지 74500 mm2, 보다 구체적으로 74076 mm2.
제3 실시예:
(a) 외부 직경이 435 내지 485 mm, 구체적으로 440 내지 480 mm, 보다 구체적으로 445 내지 475 mm, 보다 구체적으로 450 내지 470 mm, 보다 구체적으로 455 내지 465 mm, 보다 구체적으로 460 mm; 그리고
(b) 내부 직경이 215 내지 265 mm, 보다 구체적으로 220 내지 260 mm, 보다 구체적으로 225 내지 255 mm, 보다 구체적으로 230 내지 250 mm, 보다 구체적으로 235 내지 245 mm, 보다 구체적으로 240 mm; 그리고
(c) 단면적이 118500 mm2 내지 123500 mm2, 보다 구체적으로 119000 내지 123000 mm2, 보다 구체적으로 119500 내지 122500 mm2, 보다 구체적으로 120000 내지 122000 mm2, 보다 구체적으로 120500 내지 121500 mm2, 보다 구체적으로 120951 mm2.
제4 실시예:
(a) 외부 직경이 475 내지 525 mm, 구체적으로 480 내지 520 mm, 보다 구체적으로 485 내지 515 mm, 보다 구체적으로 490 내지 510 mm, 보다 구체적으로 495 내지 505 mm, 보다 구체적으로 502 mm; 그리고
(b) 내부 직경이 305 내지 355 mm, 보다 구체적으로 310 내지 350 mm, 보다 구체적으로 315 내지 345 mm, 보다 구체적으로 320 내지 340 mm, 보다 구체적으로 325 내지 335 mm, 보다 구체적으로 330 mm; 그리고
(c) 단면적이 110000 mm2 내지 145000 mm2, 보다 구체적으로 110500 내지 140000 mm2, 보다 구체적으로 111000 내지 135000 mm2, 보다 구체적으로 115000 내지 130000 mm2, 보다 구체적으로 112000 내지 112500 mm2, 보다 구체적으로 112394 mm2.
중공형 석영-유리 잉곳의 구체적인 실시예들은 이하와 같다:
Figure pat00001
설명된 본 실시예들은 이하의 실시예와 관련하여 더욱 상세하게 설명된다:
본 실시예는 도 1 및 도 2에 설명된 장치에서 수행하였다.
노 아래의 굴뚝(16)의 높이는 228 mm이며, 이 시험에서 굴뚝 통기 포트들은 개방되지 않았다.
중공형 잉곳은 노 플로어를 통해 하강하였고, 클램프들(19)의 왕복 이동에 의해 이송되었다. 잉곳이 완전히 노출되었고, 어떠한 외부 단열(external insulation)도 없는 상태에서 주위 공기에 대한 복사 및 대류에 의해 외부적으로 냉각되었다. 맨드릴(28)은 지르콘 내화물의 캡-홀더(29) 상에 지지된 직경 330 mm의 몰리브덴의 맨드릴 캡(28)을 포함하였고, 이는 차례로 3000 mm의 길이를 갖고 흑연으로 이루어진 맨드릴 지지 기둥(30) 상에 지지되었다. 이 기둥 주위에는 맨드릴의 베이스로부터 측정될 때 대략 1300 mm 내지 2000 mm로 연장되는 수냉 구리 코일(31)이 장착되었다.
절단 잉곳 섹션(도 2b 내지 도 2d)의 절단 및 제거하는 동안을 제외하고, 물은 이러한 코일을 통해 연속적으로 흘러서 잉곳 내로부터의 필수적인 열 제거를 제공하였다.
내부 물 분사 링(ring)(33)이 이러한 코일의 50 mm 아래에 장착되었고, 이는 잉곳 섹션을 절단하기 직전의 기간에 물의 내부 분사를 제공하였다.
잉곳 외부 및 다이 아래 대략 1500 mm의 거리에 또 다른 물 분사 링이 있으며, 이는 잉곳 절단 동작의 시동 직전에 일정 기간 동안 다시 물을 공급받았다.
절단 스테이션은 다이 아래 대략 1800 mm에 있었다.
외부 직경이 502 mm이고 내부 직경이 330 mm인 중공형 잉곳을 제조하는 동안, 잉곳은 대략 35 mm/h의 속도로 하강하였고, 대략 1100 mm의 길이로 간헐적으로 절단되었다. 내부 및 외부 냉각 시스템의 사용은 이하와 같이 설명되는 바와 같다.
물이 내부 냉각 코일에 지속적으로 공급되었고(약 20℃에서 6 리터/분), 각각의 절단 잉곳 섹션을 제거하는 동안에만 꺼졌다. 절단을 개시하기 대략 240분 전에, 내부 물-분사 링에 물이 공급되어(약 60℃에서 1.6 리터/분), 잉곳의 내부 냉각을 향상시켰다. 그리고 나중에(절단 전 대략 180분), 외부 수냉 분사를 개시하였다(약 60℃에서 1.6 리터/분). 양쪽 분사가 중지되면, 잉곳의 절단이 시작되려고 할 때까지 내부 및 외부 분사가 계속되었다.
이러한 상황에서, 잉곳 표면에 상당한 균열을 유발하지 않으면서 하강하는 잉곳을 1100 mm 길이의 섹션으로 반복적으로 절단할 수 있었다. 초기에 이러한 대형 잉곳의 중공형 잉곳을 온-라인으로 절단하려는 시도는 잉곳에서의 종방향 균열의 형성으로 이어졌으며, 잉곳이 하강함에 따라 이러한 크랙이 계속 커져서 의도한 목적으로 제품이 쓸모없게 되었다.
비교적 두꺼운 벽을 갖는 대형 중공형 잉곳의 이러한 개발에서 중요한 것은 냉각 코일에 의해 제공되는 내부 냉각의 제공이었다. 제조될 크기가 증가함에 따라, 이러한 내부 냉각은 절단시 잉곳의 내부 및 외부 표면의 온도차를 최소화하기 위해 내부 물 분사로 특정 시간에 보완되었다.
절단면의 외부 온도는 통상적으로 냉각 전에 170 - 210℃ 이지만 냉각 후에 약 100℃로 감소된다. 보어 온도(bore temperature)는 잉곳을 절단하기 전에 절단면에서 측정하기 어렵지만, 냉각 없이 보어 온도는 냉각 코일에 의해 제공되는 냉각에서도 450℃ 만큼 높을 수 있다. 물 분사에 의해 제공되는 추가적인 냉각에 의해, 내부 표면 온도는 통상적으로 340℃ 미만으로 감소된다.

Claims (14)

  1. 중공형 석영-유리 잉곳(hollow quartz-glass ingot)을 제조하기 위한 방법으로서,
    a. 도가니 또는 내화 탱크에 연화된 석영-유리 덩어리를 제공하는 단계;
    b. 중공형 석영-유리 잉곳을 제공하도록 맨드릴(mandrel)이 장착된 다이(die)를 통해 연화된 석영-유리 덩어리를 수직으로 당기는(drawing off) 단계; 및
    c. 중공형 석영-유리 잉곳을 특정 길이로 온-라인 절단하는 단계의 프로세스 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    단계 b.에서 연화된 석영-유리 덩어리를 수직으로 당긴 후에, 그리고 프로세스 단계 c.에서 온-라인 절단하기 전에 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면이 능동 수단에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 b.는 맨드릴 지지 기둥 상에 장착된 맨드릴로 수행되고, 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면은 다음 수단,
    1) 맨드릴 지지 기둥 주위에 배열되고 냉각 유체를 포함하는 코일;
    2) 맨드릴 지지 기둥 내부에 배열된 냉각 유체로 냉각되는 맨드릴 지지 기둥 자체;
    3) 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 캐비티(cavity) 내의 불활성 가스의 가스 흐름; 및/또는
    4) 미세 액적들의 복수의 제트(jet) 또는 원자화된 미스트(mist)로서 방출되는 물 분사
    중 하나 이상에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    맨드릴은 맨드릴 지지 기둥 상에서 아래로부터 지지되고, 기둥이 바닥 캐리지로부터 분리되고 각각의 절단 잉곳 섹션이 제거되는 동안 맨드릴을 일시적으로 제자리에 유지하기 위한 수단이 제공되고, 기둥은 후속적으로 바닥 캐리지에 재부착되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면은 냉각 가스, 냉각 유체, 능동 대류 및/또는 복사의 능동 수단을 개선시킴으로써 냉각되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    중공형 석영-유리 잉곳은 프로세스 단계 c.에서의 온-라인 절단 전에 400℃ 미만의 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    중공형 석영-유리 잉곳은 프로세스 단계 c.에서의 절단 전에 400℃ 미만의 중공형 석영-유리 잉곳의 외부 표면의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    절단 구역에서 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면과 외부 표면 사이의 온도차가 300℃ 미만인 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 c.에서의 절단 전에 중공형 석영-유리 잉곳의 전체 응력이 5 MPa 미만으로 감소되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    프로세스 단계 c.는 다이 오리피스(die orifice)로부터 압출된 중공형 석영-유리 잉곳을 따라 다이 오리피스로부터 1800 mm 내지 4000 mm 이격된 절단 스테이션에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 중공형 석영-유리 잉곳의 연속적인 제조를 위한 장치에서,
    (a) 도가니 또는 내화 탱크의 바닥에 다이 오리피스를 갖는 연화된 석영-유리 덩어리를 제공하기 위한 도가니 또는 내화 탱크;
    (b) 중공형 석영-유리 잉곳을 제공하기 위해 다이를 통해 연화된 석영-유리 덩어리를 수직으로 당기는 맨드릴; 및
    (c) 중공형 석영-유리 잉곳을 특정 길이로 온-라인 절단하기 위한 절단 섹션을 포함하고,
    장치는 절단 스테이션 전에 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면을 냉각시키기 위한 능동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    맨드릴은 맨드릴 지지 기둥 상에 장착되고,
    장치는 다음의 수단,
    1) 맨드릴 지지 기둥 주위에 배열되고 냉각 유체를 포함하는 코일,
    2) 맨드릴 지지 기둥 내부에 배열된 냉각 유체로 냉각되는 맨드릴 지지 기둥 자체;
    3) 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 캐비티 내의 불활성 가스의 가스 흐름을 제공하는 수단; 및/또는
    4) 미세 액적들의 복수의 제트 또는 원자화된 미스트로서 방출되는 물 분사를 제공하는 수단
    중 하나 이상의 수단에 의해 중공형 석영-유리 잉곳의 내부 표면을 냉각시키는 수단을 포함하는, 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    맨드릴은 맨드릴 지지 기둥 상에서 아래로부터 지지되고, 기둥이 바닥 캐리지로부터 분리되고 각각의 절단 잉곳 섹션이 제거되는 동안 맨드릴을 일시적으로 제자리에 유지하기 위한 수단이 제공되고, 기둥은 후속적으로 바닥 캐리지(21)에 재부착되는, 장치.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 프로세스에 의해 얻어질 수 있는, 중공형 석영-유리 잉곳.
  14. 제13항에 있어서,
    (a) 잉곳의 외부 직경이 325 mm 초과이고;
    (b) 잉곳의 내부 직경이 175 mm 초과이고;
    (c) 잉곳의 단면적이 62500 mm2 초과이고; 및/또는
    (d) 절단시 잉곳의 전체 응력이 5 MPa 미만인 특징 중 적어도 하나를 특징으로 하는, 중공형 석영-유리 잉곳.
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