WO2011101327A1 - Method for producing a quartz glass crucible - Google Patents

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WO2011101327A1
WO2011101327A1 PCT/EP2011/052177 EP2011052177W WO2011101327A1 WO 2011101327 A1 WO2011101327 A1 WO 2011101327A1 EP 2011052177 W EP2011052177 W EP 2011052177W WO 2011101327 A1 WO2011101327 A1 WO 2011101327A1
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WO
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quartz glass
silica glass
granules
layer
crucible
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PCT/EP2011/052177
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German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Lehmann
Thomas Kayser
Michael Huenermann
Christian Nasarow
Original Assignee
Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00Other methods of shaping glass
    • C03B19/09Other methods of shaping glass by fusing powdered glass in a shaping mould
    • C03B19/095Other methods of shaping glass by fusing powdered glass in a shaping mould by centrifuging, e.g. arc discharge in rotating mould
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00Other methods of shaping glass
    • C03B19/06Other methods of shaping glass by sintering, e.g. by cold isostatic pressing of powders and subsequent sintering, by hot pressing of powders, by sintering slurries or dispersions not undergoing a liquid phase reaction
    • C03B19/066Other methods of shaping glass by sintering, e.g. by cold isostatic pressing of powders and subsequent sintering, by hot pressing of powders, by sintering slurries or dispersions not undergoing a liquid phase reaction for the production of quartz or fused silica articles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a quartz glass crucible for pulling a single crystal by forming a graining layer in a melt mold and sintering or melting the same to form the quartz glass crucible.
  • Quartz glass crucibles are used to hold the molten metal when pulling single crystals using the so-called Czochralski process. Their preparation is usually carried out by the fact that on the inner wall of a melt mold, a layer of SiO 2 grain produced and this heated using an arc (plasma) and thereby sintered to the quartz glass crucible.
  • the wall of such a quartz glass crucible is usually formed by a heat-insulating outer layer of opaque quartz glass, which is provided with an inner layer of transparent, bubble-free as possible quartz glass.
  • the transparent inner layer is in contact with the silicon melt during the drawing process and is subject to high mechanical, chemical and thermal loads. Bubbles remaining in the inner layer grow under the influence of temperature and pressure and eventually burst, causing debris and impurities to enter the silicon melt, thereby providing a lower yield of dislocation-free silicon single crystal.
  • the inner layer In order to reduce the corrosive attack of the silicon melt and thus to minimize the release of impurities from the crucible wall, the inner layer is therefore as homogeneous as possible and low in bubbles. In contrast, for the outer layer for the purpose of thermal insulation usually sought a uniform, fine-grained as possible opacity. State of the art
  • a method of the type mentioned is known.
  • a vacuum melt mold is used to produce a quartz glass crucible.
  • a rotationally symmetrical, crucible-shaped graining layer of mechanically solidified quartz sand with a layer thickness of about 12 mm is formed using a forming template, onto which an inner grain layer of synthetically produced quartz glass powder is then likewise formed using a shaping template.
  • the synthetic quartz glass powder has particle sizes in the range of 50 to 120 ⁇ , wherein the average particle size is about 85 ⁇ .
  • Layer thickness of the inner grain layer is about 12 mm.
  • the sintering of the graining layers takes place from inside to outside by generating an arc in the interior of the melt mold, so that the finely divided quartz glass powder first sinters and forms a dense glass layer.
  • sol-gel methods and granulation methods are known.
  • a suspension is first produced from the loose SiO 2 soy dust by mixing in water and homogenization, this suspension is processed to SiO 2 granules by means of a wet granulation method, and these become dense after drying and cleaning by heating in a chlorine-containing atmosphere Quarzglaskörnung with a mean diameter of 140 ⁇ gesin- tert.
  • finely divided silica powder is passed between counter-rotating rollers, which may be smooth or profiled, and compacted into SiO 2 granules in the form of so-called "scabs."
  • scabs These form more or less band-shaped structures which are normally broken and sized Granules produced therefrom typically have rupture densities in the range of 185 to 700 g / l.
  • the slug fragments can be dried in a halogen-containing atmosphere at a temperature in the range from 400 to 1100 ° and densely sintered in the range from 1200 ° C. to 1700 ° C. to form a "silica glass granulate.”
  • EP 2 014 622 A1 describes one densely sintered silica glass granules produced in this way by breaking and sintering slugs, which are largely free of bubbles
  • the individual granules have diameters in the range of 10 to 140 ⁇ and the specific surface is less than 1 m 2 / g.
  • silica glass "slugs" or their fragments result in a low-dust, readily flowable "silica glass granules” with increased bulk density, which is fundamentally suitable for cost-effective production of high-purity quartz glass products. It turns out, however, that the starting material can be improved for applications with particularly high demands on the homogeneity of the quartz glass.
  • the invention has for its object to provide a method that allows a cost-effective production of quartz glass for a quartz glass crucible, which is characterized by high purity and allows both the reproducible setting of freedom from bubbles and a defined and homogeneous fine porosity.
  • silica powder provided according to process step (a) is present, for example, as pyrogenically produced, finely divided SiO 2 in the form of a soot dust consisting of discrete SiO 2 nanoparticles which may also be partially agglomerated to improve handling, for example by means of spray granulation.
  • the press rolls have mutually running, corresponding mold cavities which mutually terminate outwardly as the press rolls rotate, thereby producing tablet shaped moldings from the silica powder which is trapped between the adjacent mold cavities during rotation.
  • These are usually mirror-symmetrical depending on the internal geometry of the mold cavities and are in spheroidal, uniform geometry, in particular in spherical shape or in the form of flattened (oblate) ellipsoids or up to the cylindrical shape elongated (prolater) ellipsoids. In this way moldings are obtained inexpensively and with high purity, in reproducible size, shape and density.
  • the density of the molded compacts is adjustable via the roller pressure.
  • the press rollers exert-in contrast to the flaring method-a unidirectional pressing pressure on the fumed silica powder, so that the silica powder enclosed in the mold cavities experiences a compressive pressure acting on all sides, which leads to a spatially uniform compaction.
  • the adjustment of the density, which is variable in terms of the roller pressure interval, and its spatially uniform distribution also facilitate the production of a reproducible end product, even in the case of density-sensitive further processing of the molded parts, for example in sintering processes in which a quartz glass having a predetermined volatility or transparency is obtained by heating a mass of the molded parts shall be.
  • the molded compacts - or fragments thereof - are used as raw material for the production of quartz glass for the production of crucibles.
  • the most homogeneous possible distribution of the density in the molding briquettes is advantageous, regardless of whether bubble freedom or fine porosity is to be set in the respective wall region of the quartz glass crucible.
  • a high roll pressure in the roll briquetting process results in a high internal density of the molded compacts, so that a high density in the thermal densification and a faster formation of a quartz glass network is favored.
  • a low roll pressure can be used to set a lower inner density of the molded compacts, which leads to the formation of closed bubbles during thermal compression and promotes the formation of fine porosity during sintering.
  • the good reproducibility in the thermal densification of the porous SiO 2 granulate can also be attributed to the uniform and well-defined morphology of the molded compacts.
  • the fused silica granulate particles of synthetic quartz glass obtained after thermally compacting the molded compacts have a comparatively large volume, which further improves the productivity and economy of quartz glass production.
  • This comparatively large "pre-glazed volume” contributes to the fact that the silica glass granules sinter relatively easily and homogeneously to opaque quartz glass or melt into transparent quartz glass.
  • the silica glass granules are characterized by high purity, so that crystallization of the quartz glass and bubble growth can be prevented during sintering or melting.
  • the molded compacts have a mean equivalent diameter in the range of 1 mm to 5 mm.
  • Diameters of less than 1 mm are on the order of the diameter of typical synthetic silica grain. With larger diameters of the molded articles and the silica glass granules produced therefrom, the productivity gain becomes more noticeable due to the larger, pre-glazed volume. Molded compacts with equivalent diameters greater than 5 mm result in large interstitial fillings, which can be unfavorable to sintering for the purpose of transparency or fine poredness.
  • Fragments of such large molded compacts are readily usable, but have no uniform morphology.
  • the equivalent diameter refers here only to the size of the particles (mesh size).
  • the individual molded compacts have an average volume in the range of 1 to 100 mm 3 .
  • an average volume of less than 1 mm 3 there is no significant advantage in terms of the economy of the process and on a homogenization of the spatial density.
  • Large-volume moldings can show a noticeable density gradient from outside to inside, which can affect the freedom from bubbles of the quartz glass to be produced. Therefore, molded compacts having an average volume of more than 100 mm 3 are not preferred.
  • the individual molded compacts have an average specific density in the range from 0.6 to 1.3 g / cm 3 .
  • the high specific gravity of the molded compacts facilitates the reproducible, bubble-free thermal densification of the porous SiO 2 granules to the silica glass granules.
  • the crushed shaped compacts form a SiO 2 granulate having a bulk density in the range of more than 0.45 g / cm 3 , preferably from 0.8 to 1.1 g / cm 3 .
  • the high bulk density which is determined according to DIN ISO 697 (1984), not only contributes to the dense packing, but also the high specific gravity of the individual granulate particles or of fragments thereof.
  • a high bulk density facilitates melting and sintering into quartz glass.
  • a procedure is preferred in which the molded compacts or fragments thereof are treated in a chlorine-containing atmosphere before the thermal densification according to process step (b).
  • impurities are eliminated and hydroxyl groups are largely removed.
  • silica glass granules particles which consist of hydrogen-doped quartz glass.
  • Hydrogen is a gas that diffuses relatively easily in quartz glass and is released when heated. During sintering or melting of the silica glass granules, the escaping hydrogen reacts with existing gaseous oxygen to form H 2 O, which is soluble in the form of hydroxyl groups in the quartz glass. This facilitates bubble-free sintering or melting.
  • the hydrogen loading can be carried out during the thermal compression of the molded compacts by carrying out these under a hydrogen-containing atmosphere.
  • the silica glass granules are suitable for the production of transparent quartz glass and fine-pored quartz glass.
  • the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are applied as an outer grain layer on an inner wall of the melt mold and sintered to a crucible wall outer layer of at least partially opaque quartz glass.
  • a fine-pored, not completely compacted silica glass granulate is used.
  • the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are applied as an intermediate granulation layer on an outer granulation layer and sintered to a crucible wall intermediate layer or to a crucible wall outer layer of at least partially opaque quartz glass.
  • the intergranular layer forms an intermediate layer within the crucible wall or forms the crucible wall outer layer.
  • the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are applied as an inner granulation layer on an inner wall of a bony base body and melted to form a crucible wall inner layer of transparent quartz glass on the base body.
  • a bony base body made of quartz glass or quartz glass grain is provided with a transparent quartz glass layer, which serves as a diffusion barrier against any impurities in the intended use, which are contained in the quartz glass of the base body.
  • the crucible wall inner layer improves the surface finish of the base body.
  • a porous SiO 2 granulation layer of a less dense silica glass granulate is produced on the inner wall of an evacuable melt mold and a further body of SiO 2 is applied thereon.
  • applied layer of a silica glass granules of higher density When sintering the granulation layers from inside to outside, a vacuum is applied from the outside of the melt mold.
  • the inner crucible wall of higher density silica glass granules produced by virtue of the method according to the invention is characterized by high purity and low bubble content, and it can be reproduced and produced economically even in large layer thicknesses.
  • the lower density silica glass granules provide an outer layer of which at least the outer region is opaque and is characterized by a uniform porosity, as explained above.
  • the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are fed to an arc for sintering or melting, melted therein and deposited on an inner wall of a bell-shaped base body made of quartz glass to form a crucible wall Inner layer of transparent quartz glass is spun on.
  • an arc is ignited within the interior of a rotating about its longitudinal axis crucible base body.
  • the silica glass granules are interspersed, melted and thrown against the inner wall of the base body under the action of the arc pressure, where it adheres to form a crucible-wall inner layer of transparent quartz glass.
  • the size interspersed silica glass granules particles and their impact point in the arc it can lead to different degrees of fusion and to a considerable scattering of the thrown particles.
  • a uniform particle size of the interspersed silica glass granules causes both a defined impact point in the arc and a uniform degree of fusion, which promotes the reproducibility of the production of the crucible wall inner layer. Preference is given to using silica glass granulate particles whose diameter deviates from a nominal diameter by a maximum of 10%.
  • Silica glass granulate particles of uniform diameter exhibit a similar sintering and melting behavior.
  • beds of such particles have a comparatively low bulk density so that they are easier to treat or degasify with reactive gases.
  • FIG. 1 shows, in a schematic representation, a melting apparatus for producing a quartz glass crucible using silica glass granules with reference to a first method variant of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a melting apparatus for producing a quartz glass crucible with a transparent inner layer produced using silica glass granules, using a second method variant.
  • the molded compacts form a SiO 2 granulate with a specific surface area of about 50 m 2 / g (BET) and a bulk density of about 0.7 g / cm 3 . They are then crushed by means of a crusher and classified by sieving. The particle size range of 120 to 600 ⁇ is further processed, as described below; and the defective fraction is added to the silica input material of the roll briquetting plant.
  • the SiO 2 granulate produced in this way consists of fragments and has a specific surface area of about 50 m 2 / g (BET) and a bulk density of about 0.9 g / cm 3, which is higher than that of the non-shredded granules.
  • the treated SiO 2 granules have total content of impurities of Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu and Mn of less than 200 wt. Ppb and a hydroxyl group content of 30 wt. Ppm.
  • the thus treated SiO 2 granules are then placed in a graphite mold and vitrified by vacuum sintering.
  • the mold is heated to the sintering temperature of 1600 ° C and held for about 60 minutes after reaching the sintering temperature.
  • the silica glass granules thus obtained consist of glassy, bubble-free quartz glass particles with equivalent diameters in the range from about 100 to 500 ⁇ m and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m 2 / g.
  • the silica glass granules are subsequently loaded with hydrogen by being exposed to a hydrogen-containing atmosphere at a temperature of 800 ° C. for a period of 5 hours.
  • the synthetic, high-purity silica is compacted by means of a commercial roller briquetting plant into spherical compacts having the following properties:
  • the SiO 2 granules so produced consist of elongated molded compacts of identical geometry and size and have a specific surface area of about 50 m 2 / g (BET) and a relatively low bulk density of about 0.7 g / cm 3 . It is purified and thermally densified as described above with reference to Example 1.
  • the silica glass granules obtained after vacuum sintering consist of glassy, bubble-free quartz glass particles of uniform dimensions (without fines) and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m 2 / g.
  • Synthetic high purity silica is processed and pelletized by means of a roll briquetting machine into tablet-shaped, spheroidal compacts, as explained in Example 1.
  • the SiO 2 granules obtained thereafter are then placed in a graphite mold and vitrified under helium.
  • the graphite mold is heated to the sintering temperature of 1600 ° C and held for about 60 minutes after reaching the sintering temperature. After cooling, a mass of more or less loosely connected, glassy SiO 2 particles is obtained, which can be separated by slight pressure.
  • the silica glass granules thus obtained consist of glassy, bubble-free quartz glass particles with uniform dimensions (equivalent diameter) of about 100 to 500 ⁇ and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m 2 / g.
  • Example 4 Production of a quartz glass crucible with inner layer
  • the melting apparatus comprises a metal melt mold 1 with an inner diameter of 75 cm, which rests on a support 3 with an outer flange.
  • the carrier 3 is rotatable about the central axis 4.
  • a cathode 5 and an anode 6 (electrodes 5, 6) made of graphite protrude into the interior 10 of the melt mold 1 and can be moved within the melt mold 1 in all spatial directions, as indicated by the directional arrows 7.
  • the open top side of the melt mold 1 is partially covered by a heat shield 11 in the form of a water-cooled metal plate with a central through-hole through which the electrodes 5, 6 protrude into the melt mold 1.
  • the heat shield 1 1 is connected to a gas inlet 9 for hydrogen (alternatively also for the supply of helium).
  • the heat shield 2 is horizontally movable in the plane above the mold 1 (in the x and y direction), as indicated by the directional arrows 22.
  • the space between the carrier 3 and the melt mold 1 can be evacuated by means of a vacuum device, which is represented by the directional arrow 17.
  • the melt mold 1 has a plurality of passages 8 (these are shown in FIG 1 symbolically indicated in the bottom area), through which the voltage applied to the outside of the mold 1 vacuum 17 can pass through to the inside.
  • fused silica granules which have been produced on the basis of example 3 above are filled into the melt mold 1 rotating about its longitudinal axis 4.
  • a rotationally symmetrical, bony-shaped granulation layer 12 of the mechanically solidified granules is formed on the inner wall of the melt mold 1.
  • the average layer thickness of the granulation layer 12 is about 12 mm.
  • the average layer thickness of the inner graining layer 14 is also about 12 mm.
  • the heat shield 11 is positioned over the opening of the melt mold 1 and helium is introduced via the inlet 9 into the crucible interior 10.
  • the electrodes 5; 6 are inserted through the central opening of the heat shield 1 1 in the interior 10 and between the electrodes 5; 6 an arc ignited, which is characterized in Figure 1 by the plasma zone 13 as gray background area.
  • a vacuum is applied to the outside of the melt mold 1.
  • the electrodes 5; 6 are brought together with the heat shield 1 1 in the lateral position shown in Figure 1 and applied with a power of 600 kW (300 V, 2000 A) and, to the granulation layers 12; 14 glazed in the area of the side wall.
  • the plasma zone 13 is moved slowly downwards, while the quartz glass powder of the inner granulation layer 14 is continuously and partially melted into a bubble-free inner layer 16.
  • heat shield 1 1 and electrodes 5; 6 brought into a central position and the electrodes 5; 6 lowered down.
  • the layer is sintered, a dense inner skin initially forms. Thereafter, the applied negative pressure (vacuum) can be increased, so that the vacuum can develop its full effect.
  • the melting process is terminated before the melt front reaches the inner wall of the melt mold 1.
  • the transparent inner layer 16 is smooth, low-bubble and has an average thickness of about 8 mm.
  • the outer layer 12 remains at least partially opaque.
  • Example 5 Production of a quartz glass crucible with inner layer
  • the melting device has a spreading tube 18, which can be moved in all spatial directions (directional arrows 7) and projects into the interior of the melt mold 1 and which is connected to a storage container 19.
  • the litter tube 18 is provided with a trouser piece 23 for the supply of compressed air - symbolized by the directional arrow 24.
  • the storage container 19 is filled with silica glass granulate particles 25 of pure, synthetically produced and hydrogen-doped quartz glass according to Example 2 above.
  • the fused silica granules particles 25 have uniform dimension without fines and are accordingly defined in terms of their mechanical properties and easy to handle.
  • the inner layer 26 of the quartz glass crucible thus produced has an average thickness of 2.5 mm. It is smooth, low-bubble and firmly connected to the outer layer 27 of opaque quartz glass.

Abstract

The invention is based on a known method for producing a quartz glass crucible for drawing a monocrystal, in which a granular layer is formed in a fusion mould and is sintered or melted forming the quartz glass crucible. In order to specify cost-effective production of quartz glass for a quartz glass crucible that has a high degree of purity and allows both the freedom of bubbles and a defined and homogeneous fine porosity to be set reproducibly, according to the invention at least a part of the granular layer is produced from silica glass granules, the production of which comprises the following method steps: mechanically compressing silica glass powder by means of a rolling and briquetting method forming pellets having a substantially uniform, spheroidal morphology, and thermally compressing the pellets or fragments thereof to form the silica glass granules.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Quarzglastiegels  Process for producing a quartz glass crucible
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Quarzglastiegels zum Ziehen eines Einkristalls, indem in einer Schmelzform eine Körnungsschicht ausgeformt und diese unter Bildung des Quarzglastiegels gesintert oder geschmolzen wird. The invention relates to a method for producing a quartz glass crucible for pulling a single crystal by forming a graining layer in a melt mold and sintering or melting the same to form the quartz glass crucible.
Quarzglastiegel werden zur Aufnahme der Metallschmelze beim Ziehen von Ein- kristallen nach dem so genannten Czochralski-Verfahren eingesetzt. Deren Herstellung erfolgt üblicherweise dadurch, dass an der Innenwandung einer Schmelzform eine Schicht aus SiO2-Körnung erzeugt und diese unter Einsatz eines Lichtbogens (Plasma) erhitzt und dabei zu dem Quarzglastiegel gesintert wird. Die Wandung eines derartigen Quarzglastiegels wird in der Regel von einer wärme- isolierenden Außenschicht aus opakem Quarzglas gebildet, die mit einer Innenschicht aus transparentem, möglichst blasenfreien Quarzglas versehen ist. Quartz glass crucibles are used to hold the molten metal when pulling single crystals using the so-called Czochralski process. Their preparation is usually carried out by the fact that on the inner wall of a melt mold, a layer of SiO 2 grain produced and this heated using an arc (plasma) and thereby sintered to the quartz glass crucible. The wall of such a quartz glass crucible is usually formed by a heat-insulating outer layer of opaque quartz glass, which is provided with an inner layer of transparent, bubble-free as possible quartz glass.
Die transparente Innenschicht steht beim Ziehprozess im Kontakt mit der Siliziumschmelze und unterliegt hohen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen. In der Innenschicht verbliebene Blasen wachsen unter dem Einfluss von Temperatur und Druck und können schließlich zerplatzen, wodurch Bruchstücke und Verunreinigungen in die Siliziumschmelze gelangen, wodurch eine geringere Ausbeute an versetzungsfreiem Silizium-Einkristall erzielt wird. The transparent inner layer is in contact with the silicon melt during the drawing process and is subject to high mechanical, chemical and thermal loads. Bubbles remaining in the inner layer grow under the influence of temperature and pressure and eventually burst, causing debris and impurities to enter the silicon melt, thereby providing a lower yield of dislocation-free silicon single crystal.
Um den korrosiven Angriff der Siliziumschmelze zu verringern und damit einhergehend die Freisetzung von Verunreinigungen aus der Tiegelwandung zu mini- mieren, ist die Innenschicht daher möglichst homogen und blasenarm. Demgegenüber wird für die Außenschicht zum Zweck der Wärmeisolierung in der Regel eine gleichmäßige, möglichst feinporige Opazität angestrebt. Stand der Technik In order to reduce the corrosive attack of the silicon melt and thus to minimize the release of impurities from the crucible wall, the inner layer is therefore as homogeneous as possible and low in bubbles. In contrast, for the outer layer for the purpose of thermal insulation usually sought a uniform, fine-grained as possible opacity. State of the art
Aus der DE 10 2008 030 310 B3 ist ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bekannt. Hierbei wird zur Herstellung einer Quarzglastiegels eine Vakuum- Schmelzform eingesetzt. In dieser wird unter Einsatz einer Formschablone eine rotationssymmetrische, tiegelförmige Körnungsschicht aus mechanisch verfestigtem Quarzsand mit einer Schichtdicke von etwa 12 mm geformt, auf die anschließend eine Innenkornungsschicht aus synthetisch hergestelltem Quarzglaspulver ebenfalls unter Einsatz einer Formschablone ausgeformt wird. From DE 10 2008 030 310 B3 a method of the type mentioned is known. Here, a vacuum melt mold is used to produce a quartz glass crucible. In this, a rotationally symmetrical, crucible-shaped graining layer of mechanically solidified quartz sand with a layer thickness of about 12 mm is formed using a forming template, onto which an inner grain layer of synthetically produced quartz glass powder is then likewise formed using a shaping template.
Das synthetische Quarzglaspulver hat Teilchengrößen im Bereich von 50 bis 120 μιτι, wobei die mittlere Teilchengröße bei etwa 85 μιτι liegt. Die mittlereThe synthetic quartz glass powder has particle sizes in the range of 50 to 120 μιτι, wherein the average particle size is about 85 μιτι. The middle
Schichtdicke der Innenkornungsschicht beträgt etwa 12 mm. Das Sintern der Körnungsschichten erfolgt von Innen nach Außen durch Erzeugen eines Lichtbogens im Innenraum der Schmelzform, so dass das feinteilige Quarzglaspulver zuerst sintert und eine dichte Glasschicht ausbildet. Für die Herstellung eines derartigen synthetischen Quarzglaspulvers sind Sol- Gel-Verfahren und Granulationsverfahren bekannt. So wird beispielsweise in der DE 102 43 953 A1 vorgeschlagen, synthetisches Quarzglaspulver durch Granulation ausgehend von einer Suspension aus pyrogen hergestelltem SiO2-Pulver herzustellen, wie es als Filterstaub bei der Quarzglasherstellung anfällt. Dabei wird aus dem lockeren SiO2-Sootstaub durch Einmischen in Wasser und Homogenisieren zunächst eine Suspension erzeugt, diese wird mittels eines Nassgra- nulierverfahrens zu SiO2-Granulatkörnern verarbeitet, und diese werden nach dem Trocknen und Reinigen durch Erhitzen in chlorhaltiger Atmosphäre zu einer dichten Quarzglaskörnung mit einem mittleren Durchmesser von 140 μιτι gesin- tert. Layer thickness of the inner grain layer is about 12 mm. The sintering of the graining layers takes place from inside to outside by generating an arc in the interior of the melt mold, so that the finely divided quartz glass powder first sinters and forms a dense glass layer. For the production of such a synthetic quartz glass powder, sol-gel methods and granulation methods are known. For example, it is proposed in DE 102 43 953 A1 to produce synthetic quartz glass powder by granulation starting from a suspension of pyrogenically produced SiO 2 powder, as obtained as filter dust in the manufacture of quartz glass. In the process, a suspension is first produced from the loose SiO 2 soy dust by mixing in water and homogenization, this suspension is processed to SiO 2 granules by means of a wet granulation method, and these become dense after drying and cleaning by heating in a chlorine-containing atmosphere Quarzglaskörnung with a mean diameter of 140 μιτι gesin- tert.
Das bekannte Aufbaugranulationsverfahren erfordert eine Vielzahl von Verfahrensschritten, die zum Teil langwierig sind und mit einem hohen Energiebedarf einhergehen, wie beispielsweise das Trocknen der porösen SiO2-Granulatkörner. Diesen Nachteil vermeiden Granulationsverfahren, bei denen feinteilige Ausgangspulver mechanisch - auch unter Zusatz von Gleit- oder Bindemitteln - durch Walzenkompaktierung zu gröberen Teilchen agglomeriert und verdichtet werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der WO 2007/08551 1 A1 und der DE 10 2007 031 633 A1 beschrieben. Dabei wird feinteiliges Kieselsäurepulver zwischen gegenläufig rotierenden Walzen, die glatt oder profiliert sein können, hindurchgeführt und dabei zu SiO2-Granulat verdichtet, das in Form so genannter„Schülpen" anfällt. Diese bilden mehr oder weniger bandförmige Gebilde, die normalerweise gebrochen und nach Größe klassifiziert werden. Daraus hergestelltes Granulat hat typischerweise Stampfdichten im Bereich von 185 bis 700 g/l. The known build-up granulation process requires a variety of process steps, some of which are tedious and associated with a high energy requirement, such as the drying of the porous SiO 2 granules. This disadvantage is avoided by granulation processes in which finely divided starting powders are mechanically agglomerated and compacted by roll compaction into coarser particles, also with the addition of lubricants or binders. Such a method is described for example in WO 2007/08551 1 A1 and DE 10 2007 031 633 A1. In the process, finely divided silica powder is passed between counter-rotating rollers, which may be smooth or profiled, and compacted into SiO 2 granules in the form of so-called "scabs." These form more or less band-shaped structures which are normally broken and sized Granules produced therefrom typically have rupture densities in the range of 185 to 700 g / l.
Die Schülpen-Bruchstücke können bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 1 100° in einer halogenhaltigen Atmosphäre getrocknet und im Bereich von 1200 °C bis 1700 °C zu einem„Kieselglasgranulat" dicht gesintert werden. Die EP 2 014 622 A1 beschreibt ein auf diese Weise durch Brechen und Sintern von Schülpen erzeugtes dicht gesintertes Kieselglasgranulat, das weitgehend frei von Blasen ist. Die einzelnen Granulatkörner haben Durchmesser im Bereich von 10 bis 140 μιτι und die spezifische Oberfläche beträgt weniger als 1 m2/g. The slug fragments can be dried in a halogen-containing atmosphere at a temperature in the range from 400 to 1100 ° and densely sintered in the range from 1200 ° C. to 1700 ° C. to form a "silica glass granulate." EP 2 014 622 A1 describes one densely sintered silica glass granules produced in this way by breaking and sintering slugs, which are largely free of bubbles The individual granules have diameters in the range of 10 to 140 μιτι and the specific surface is less than 1 m 2 / g.
Die DE 10 2007 049 158 A1 nennt Einsatzmöglichkeiten derartiger„Kie- selglasgra-nulate" mit Durchmessern zwischen 1 μιτι und 5 mm und einem Verunreinigungs-gehalt von weniger als 50 Gew.-ppm zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Bauteile aus hochreinem Quarzglas, unter anderem zur Herstellung von Mantelrohren, Tiegeln, Halbleiterapparaturen und Glasstäben. DE 10 2007 049 158 A1 mentions possible uses of such "Kie selglasgra-nulate" with diameters between 1 μιτι and 5 mm and an impurity content of less than 50 ppm by weight for producing a variety of different components of high-purity quartz glass, inter alia for the production of cased pipes, crucibles, semiconductor devices and glass rods.
Die Kieselglas-„Schülpen" oder deren Bruchstücke ergeben ein staubarmes, gut fließfähiges„Kieselglasgranulat" mit erhöhtem Schüttgewicht, das für eine kostengünstige Herstellung hochreiner Quarzglasprodukte grundsätzlich geeignet ist. Es zeigt sich jedoch, dass das Ausgangsmaterial für Anwendungen mit besonders hohen Anforderungen an die Homogenität des Quarzglases verbessert werden kann. Technische Aufgabenstellung The silica glass "slugs" or their fragments result in a low-dust, readily flowable "silica glass granules" with increased bulk density, which is fundamentally suitable for cost-effective production of high-purity quartz glass products. It turns out, however, that the starting material can be improved for applications with particularly high demands on the homogeneity of the quartz glass. Technical task
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine kostengünstige Herstellung von Quarzglas für einen Quarzglastiegel ermöglicht, das sich durch hohe Reinheit auszeichnet und das sowohl die die reproduzierba- re Einstellung von Blasenfreiheit als auch einer definierten und homogenen Feinporosität ermöglicht. The invention has for its object to provide a method that allows a cost-effective production of quartz glass for a quartz glass crucible, which is characterized by high purity and allows both the reproducible setting of freedom from bubbles and a defined and homogeneous fine porosity.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der Körnungsschicht aus einem Kieselglasgranulat erzeugt wird, dessen Herstellung folgende Verfahrensschritte umfasst: (a) mechanisches Verdichten von Kieselsäurepulver mittels eines Walzenbrikettierverfahrens unter Bildung von Formpresslingen mit im Wesentlichen einheitlicher, sphäroidischer Morphologie, und This object is achieved on the basis of the generic method in that at least part of the granulation layer is produced from a silica glass granule whose production comprises the following process steps: (a) mechanical compaction of silica powder by means of a roller briquetting process to form molded compacts having a substantially uniform, spheroidal morphology , and
(b) thermisches Verdichten der Formpresslinge oder Fragmenten derselben zu dem Kieselglasgranulat Das gemäß Verfahrensschritt (a) bereitgestellte Kieselsäurepulver liegt beispielsweise als pyrogen erzeugtes, feinteiliges SiO2 in Form eines so genannten „Sootstaubs" vor, der aus diskreten SiO2-Nanaopartiklen besteht, die zur Verbesserung der Handhabung auch teilweise agglomeriert sein können, beispielsweise mittels Sprühgranulation. (b) thermally compacting the molded compacts or fragments thereof into the silica glass granulate The silica powder provided according to process step (a) is present, for example, as pyrogenically produced, finely divided SiO 2 in the form of a soot dust consisting of discrete SiO 2 nanoparticles which may also be partially agglomerated to improve handling, for example by means of spray granulation.
Beim Walzenbrikettierverfahren haben die Presswalzen gegeneinander laufende, korrespondierende Formmulden, die sich beim Rotieren der Presswalzen gegenseitig nach außen abschließen und dabei aus dem Kieselsäurepulver, das beim Rotieren zwischen den aneinander liegenden Formmulden eingeschlossen wird, tablettenförmige Formpresslinge erzeugen. Diese sind in Abhängigkeit von der Innengeometrie der Formmulden im Regelfall spiegelsymmetrisch und liegen in sphäroidischer, einheitlicher Geometrie vor, insbesondere in Kugelform oder in Form abgeplatteter (oblater) Ellipsoide oder bis hin zur Zylinderform gestreckter (prolater) Ellipsoide. Auf diese Weise werden Formpresslinge kostengünstig und mit hoher Reinheit erhalten, und zwar in reproduzierbarer Größe, Form und Dichte. In the roll briquetting process, the press rolls have mutually running, corresponding mold cavities which mutually terminate outwardly as the press rolls rotate, thereby producing tablet shaped moldings from the silica powder which is trapped between the adjacent mold cavities during rotation. These are usually mirror-symmetrical depending on the internal geometry of the mold cavities and are in spheroidal, uniform geometry, in particular in spherical shape or in the form of flattened (oblate) ellipsoids or up to the cylindrical shape elongated (prolater) ellipsoids. In this way moldings are obtained inexpensively and with high purity, in reproducible size, shape and density.
Die Dichte der Formpresslinge ist über den Walzendruck einstellbar. Bei der Wal- zenkompaktierung üben die Presswalzen - im Gegensatz zum Schülpenverfahren - einen unidirektionalen Pressdruck auf das pyrogene Kieselsäurepulver aus, so dass das in den Formmulden eingeschlossene Kieselsäurepulver einen allseitig einwirkenden Pressdruck erfährt, was zu einer räumlich gleichmäßigen Verdichtung führt. Die im Rahmen des Walzendruckintervalls variable Einstellung der Dichte und ihre im Ergebnis räumlich gleichmäßige Verteilung erleichtern auch bei dichtesensitiven Weiterverarbeitungen der Formpresslinge die Herstellung eines reproduzierbaren Endprodukts, wie beispielsweise bei Sinterprozessen, bei denen durch Erhitzen einer Masse der Formpresslinge ein Quarzglas mit vorgegebener Blasigkeit oder Transparenz erzielt werden soll. The density of the molded compacts is adjustable via the roller pressure. During roller compaction, the press rollers exert-in contrast to the flaring method-a unidirectional pressing pressure on the fumed silica powder, so that the silica powder enclosed in the mold cavities experiences a compressive pressure acting on all sides, which leads to a spatially uniform compaction. The adjustment of the density, which is variable in terms of the roller pressure interval, and its spatially uniform distribution also facilitate the production of a reproducible end product, even in the case of density-sensitive further processing of the molded parts, for example in sintering processes in which a quartz glass having a predetermined volatility or transparency is obtained by heating a mass of the molded parts shall be.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Formpresslinge - oder Fragmen- te davon - als Rohmaterial zur Herstellung von Quarzglas für die Tiegelherstellung eingesetzt. Dabei ist eine möglichst homogene Verteilung der Dichte in den Formpresslingen von Vorteil, und zwar unabhängig davon, ob im jeweiligen Wandungsbereich des Quarzglastiegels Blasenfreiheit oder Feinporosität eingestellt werden soll. Je nach voreingestellter Dichte der Formpresslinge ist entweder ein thermisches Verdichten zu transparentem oder ein thermisches Verdichten zu blasenhaltigem Kieselglasgranulat bevorzugt. Ein hoher Walzendruck beim Walzenbrikettierverfahren bewirkt eine hohe innere Dichte der Formpresslinge, so dass eine hohe Dichte beim thermischen Verdichten und eine schnellere Ausbildung eines Quarzglas-Netzwerks begünstigt wird. Andererseits kann beim Walzenbrikettierverfahren durch einen geringen Walzendruck eine geringere innere Dichte der Formpresslinge eingestellt werden, die beim thermischen Verdichten zur Ausbildung geschlossener Blasen führt und die Entstehung einer Feinporosität beim Sintern fördert. Ergänzend dazu kann die gute Reproduzierbarkeit beim thermischen Verdichten des porösen SiO2-Granulats auch auf die einheitliche und wohl definierte Morphologie der Formpresslinge zurückgeführt werden. In the process according to the invention, the molded compacts - or fragments thereof - are used as raw material for the production of quartz glass for the production of crucibles. In this case, the most homogeneous possible distribution of the density in the molding briquettes is advantageous, regardless of whether bubble freedom or fine porosity is to be set in the respective wall region of the quartz glass crucible. Depending on the preset density of the molded compacts, preference is given to either thermal densification to transparent or thermal compression to bubble-containing silica glass granules. A high roll pressure in the roll briquetting process results in a high internal density of the molded compacts, so that a high density in the thermal densification and a faster formation of a quartz glass network is favored. On the other hand, in the roll briquetting process, a low roll pressure can be used to set a lower inner density of the molded compacts, which leads to the formation of closed bubbles during thermal compression and promotes the formation of fine porosity during sintering. In addition, the good reproducibility in the thermal densification of the porous SiO 2 granulate can also be attributed to the uniform and well-defined morphology of the molded compacts.
Die nach dem thermischen Verdichten der Formpresslinge erhaltenen Kieselglas- granulat-Teilchen aus synthetischem Quarzglas zeigen ein vergleichsweise großes Volumen, was die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Quarzglasherstellung weiter verbessert. Dieses vergleichsweise große„vorverglaste Volumen" trägt dazu bei, dass sich das Kieselglasgranulat verhältnismäßig einfach und homogen zu opakem Quarzglas sintern oder zu transparentem Quarzglas ein- schmelzen lässt. The fused silica granulate particles of synthetic quartz glass obtained after thermally compacting the molded compacts have a comparatively large volume, which further improves the productivity and economy of quartz glass production. This comparatively large "pre-glazed volume" contributes to the fact that the silica glass granules sinter relatively easily and homogeneously to opaque quartz glass or melt into transparent quartz glass.
Das Kieselglasgranulat zeichnet sich durch hohe Reinheit aus, so dass beim Sintern oder Erschmelzen eine Kristallisation des Quarzglases und eine Blasenwachstum verhindert werden kann. The silica glass granules are characterized by high purity, so that crystallization of the quartz glass and bubble growth can be prevented during sintering or melting.
Vorzugsweise weisen die Formpresslinge einen mittleren Äquivalentdurchmesser im Bereich von 1 mm bis 5 mm auf. Preferably, the molded compacts have a mean equivalent diameter in the range of 1 mm to 5 mm.
Durchmesser von weniger als 1 mm liegen in der Größenordnung der Durchmesser von typischer synthetischer Quarzglaskörnung. Bei größeren Durchmessern der Formpresslinge und der daraus erzeugten Kieselglasgranulate macht sich der Produktivitätsgewinn aufgrund des größeren, vorverglasten Volumens stärker bemerkbar. Formpresslinge mit Äquivalentdurchmessern von mehr als 5 mm ergeben Schüttungen mit großen Zwischenräumen, die sich beim Sintern mit dem Ziel von Transparenz oder Feinporigkeit als ungünstig erweisen können. Diameters of less than 1 mm are on the order of the diameter of typical synthetic silica grain. With larger diameters of the molded articles and the silica glass granules produced therefrom, the productivity gain becomes more noticeable due to the larger, pre-glazed volume. Molded compacts with equivalent diameters greater than 5 mm result in large interstitial fillings, which can be unfavorable to sintering for the purpose of transparency or fine poredness.
Bruchstücke derartig großer Formpresslinge sind ohne weiteres einsetzbar, weisen aber keine einheitliche Morphologie auf. Der Äquivalentdurchmesser bezieht sich hier lediglich auf die Größe der Teilchen (Siebmaschenweite). Fragments of such large molded compacts are readily usable, but have no uniform morphology. The equivalent diameter refers here only to the size of the particles (mesh size).
Es hat sich bewährt, wenn die einzelnen Formpresslinge ein mittleres Volumen im Bereich von 1 bis 100 mm3 aufweisen. Bei einem mittleren Volumen von weniger als 1 mm3 ergibt sich kein nennenswerter Vorteil in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und auf eine Vergleichmäßigung der räumlichen Dichte. Großvolumige Formpresslinge können einen merklichen Dichtegradienten von Außen nach Innen zeigen, was sich auf die Blasenfreiheit des herzustellenden Quarzglases auswirken kann. Daher werden Formpresslinge mit einem mittleren Volumen von mehr als 100 mm3 nicht bevorzugt. It has proven useful if the individual molded compacts have an average volume in the range of 1 to 100 mm 3 . With an average volume of less than 1 mm 3 , there is no significant advantage in terms of the economy of the process and on a homogenization of the spatial density. Large-volume moldings can show a noticeable density gradient from outside to inside, which can affect the freedom from bubbles of the quartz glass to be produced. Therefore, molded compacts having an average volume of more than 100 mm 3 are not preferred.
Insbesondere im Hinblick auf eine Blasenfreiheit des herzustellenden Quarzglases hat es sich auch als vorteilhaft erweisen, wenn die einzelnen Formpresslinge eine mittlere spezifische Dichte im Bereich von 0,6 bis 1 ,3 g/cm3 aufweisen. In particular with regard to freedom from bubbles of the quartz glass to be produced, it has also proved to be advantageous if the individual molded compacts have an average specific density in the range from 0.6 to 1.3 g / cm 3 .
Die hohe spezifische Dichte der Formpresslinge erleichtert die reproduzierbare, blasenfreie thermische Verdichtung des porösen SiO2-Granulats zu dem Kieselglasgranulat. The high specific gravity of the molded compacts facilitates the reproducible, bubble-free thermal densification of the porous SiO 2 granules to the silica glass granules.
Bei der Herstellung der Formpresslinge mittels Walzenbrikettierung kann sich aus wirtschaftlichen oder technologischen Erwägungen ein Optimum für das Volumen der einzelnen Formpresslinge ergeben, das oberhalb eines Optimums für die Größe oder das Volumen der Kieselglasgranulat-Teilchen liegt. For the production of molded compacts by means of roll briquetting, for economic or technological considerations, an optimum can be found for the volume of the individual molded compacts which is above an optimum for the size or volume of the silica glass granulate particles.
In diesen Fällen ist es vorteilhaft, die Formpresslinge vor dem Sintern oder Schmelzen, besonders bevorzugt, vor dem thermischen Verdichten gemäß Ver- fahrensschritt (b) zu zerkleinern. In these cases, it is advantageous to comminute the molded compacts prior to sintering or melting, more preferably prior to the thermal densification according to method step (b).
Durch Zerkleinern der Formpresslinge kann eine besonders hohe Schüttdichte des Granulats erzielt werden. Vorzugsweise bilden die zerkleinerten Formpresslinge ein SiO2-Granulat mit einer Schüttdichte im Bereich von mehr als 0,45 g/cm3, vorzugsweise von 0,8 bis 1 ,1 g/cm3. Zu der hohen Schüttdichte, die nach DIN ISO 697(1984) ermittelt wird, trägt dabei neben der dichten Schüttung auch die hohe spezifische Dichte der einzelnen Granulat-Teilchen beziehungsweise von Bruchstücken derselben bei. Eine hohe Schüttdichte erleichtert das Einschmelzen und Sintern zu Quarzglas. Im Sinne einer hohen Reinheit und Blasenfreiheit des Quarzglases wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der die Formpresslinge oder Fragmente derselben vor dem thermischen Verdichten gemäß Verfahrensschritt (b) in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt werden. Bei der Behandlung bei erhöhter Temperatur im Bereich von 800 °C und 1200 °C werden Verunreinigungen beseitigt und Hydroxylgruppen weitgehend entfernt. By crushing the molded compacts, a particularly high bulk density of the granules can be achieved. Preferably, the crushed shaped compacts form a SiO 2 granulate having a bulk density in the range of more than 0.45 g / cm 3 , preferably from 0.8 to 1.1 g / cm 3 . The high bulk density, which is determined according to DIN ISO 697 (1984), not only contributes to the dense packing, but also the high specific gravity of the individual granulate particles or of fragments thereof. A high bulk density facilitates melting and sintering into quartz glass. In the sense of a high purity and freedom from bubbles of the quartz glass, a procedure is preferred in which the molded compacts or fragments thereof are treated in a chlorine-containing atmosphere before the thermal densification according to process step (b). In the treatment at elevated temperature in the range of 800 ° C and 1200 ° C impurities are eliminated and hydroxyl groups are largely removed.
Im Hinblick auf eine hohe Blasenfreiheit oder eine homogene Feinporigkeit des herzustellenden Quarzglases hat es sich bewährt, wenn das thermische Verdichten der Formpresslinge oder von Fragmenten derselben zu Kieselglasgranulat gemäß Verfahrensschritt (b) unter einer Atmosphäre erfolgt, die mindestens 30 Vol.-% Helium enthält und/oder unter einem Unterdruck von 0,5 bar oder weniger. In view of a high freedom of bubbles or a homogeneous fine poredness of the quartz glass to be produced, it has proven useful if the thermal compression of the molded compacts or fragments thereof to silica glass granules according to process step (b) under an atmosphere containing at least 30 vol .-% helium and / or under a negative pressure of 0.5 bar or less.
Es hat sich außerdem als günstig erwiesen, wenn Kieselglasgranulat-Teilchen eingesetzt werden, die aus mit Wasserstoff dotiertem Quarzglas bestehen. Bei Wasserstoff handelt es sich um ein in Quarzglas relativ leicht diffundierendes Gas, das beim Erhitzen freigesetzt wird. Beim Sintern oder Erschmelzen des Kieselglasgranulats reagiert der austretende Wasserstoff mit vorhandenem gasförmigem Sauerstoff unter Bildung von H2O, das in Form von Hydroxylgruppen im Quarzglas löslich ist. Dies erleichtert ein blasenfreies Sintern oder Erschmelzen. Die Wasserstoffbeladung kann bei der thermischen Verdichtung der Formpresslinge erfolgen, indem diese unter einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre durchgeführt wird. It has also proved to be advantageous when silica glass granules particles are used which consist of hydrogen-doped quartz glass. Hydrogen is a gas that diffuses relatively easily in quartz glass and is released when heated. During sintering or melting of the silica glass granules, the escaping hydrogen reacts with existing gaseous oxygen to form H 2 O, which is soluble in the form of hydroxyl groups in the quartz glass. This facilitates bubble-free sintering or melting. The hydrogen loading can be carried out during the thermal compression of the molded compacts by carrying out these under a hydrogen-containing atmosphere.
Das Kieselglasgranulat ist für die Herstellung von transparentem Quarzglas und von feinporigem Quarzglas geeignet. Im Hinblick hierauf hat es sich bewährt, wenn das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat als Außenkornungsschicht auf einer Innenwandung der Schmelzform aufgebracht und zu einer Tiegelwandungs-Außenschicht aus mindestens teilweise opakem Quarzglas gesintert wird. Zur Ausbildung der Tiegelwandungs-Außenschicht wird vorzugsweise ein feinporiges, nicht vollständig verdichtetes Kieselglasgranulat eingesetzt. The silica glass granules are suitable for the production of transparent quartz glass and fine-pored quartz glass. In view of this, it has been found useful if the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are applied as an outer grain layer on an inner wall of the melt mold and sintered to a crucible wall outer layer of at least partially opaque quartz glass. To form the outer wall of the crucible wall, preferably a fine-pored, not completely compacted silica glass granulate is used.
Alternativ oder ergänzend dazu wird das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat als Zwischenkörnungsschicht auf einer Außenkör- nungsschicht aufgebracht und zu einer Tiegelwandungs-Zwischenschicht oder zu einer Tiegelwandungs-Außenschicht aus mindestens teilweise opakem Quarzglas gesintert wird. Alternatively or additionally, the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are applied as an intermediate granulation layer on an outer granulation layer and sintered to a crucible wall intermediate layer or to a crucible wall outer layer of at least partially opaque quartz glass.
Je nachdem, ob beim Erschmelzen der Tiegelwandung die von Innen nach Außen fortschreitende Schmelzfront die Zwischenkörnungsschicht vollständig oder nur teilweise durchwandert, bildet die Zwischenkörnungsschicht eine Zwischenschicht innerhalb der Tiegelwandung oder sie bildet die Tiegelwandungs-Außenschicht. Zur Herstellung dieser Schichten wird ebenfalls vorzugsweise ein feinporiges, nicht vollständig verdichtetes Kieselglasgranulat eingesetzt. Depending on whether, during the melting of the crucible wall, the enamel front proceeding from inside to outside completely or only partially passes through the intergranular layer, the intergranular layer forms an intermediate layer within the crucible wall or forms the crucible wall outer layer. To produce these layers, it is likewise preferred to use a fine-pored, not completely compacted silica glass granulate.
Vorzugsweise wird das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kiesel- glasgranulat als Innenkörnungsschicht auf einer Innenwandung eines tiegeiförmigen Basiskörpers aufgebracht und zu einer Tiegelwandungs-Innenschicht aus transparentem Quarzglas auf dem Basiskörper erschmolzen. Preferably, the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are applied as an inner granulation layer on an inner wall of a bony base body and melted to form a crucible wall inner layer of transparent quartz glass on the base body.
Hierbei wird ein tiegeiförmiger Basiskörper aus Quarzglas oder aus Quarzglaskörnung mit einer transparenten Quarzglasschicht versehen, die als Diffusions- sperre gegenüber etwaigen Verunreinigungen beim bestimmungsgemäßen Einsatz dient, die im Quarzglas des Basiskörpers enthalten sind. Außerdem verbessert die Tiegelwandungs-Innenschicht die Oberflächenbeschaffenheit des Basiskörpers. In this case, a bony base body made of quartz glass or quartz glass grain is provided with a transparent quartz glass layer, which serves as a diffusion barrier against any impurities in the intended use, which are contained in the quartz glass of the base body. In addition, the crucible wall inner layer improves the surface finish of the base body.
Vorzugsweise wird dabei ein tiegeiförmiger, poröser Basiskörper aus dem Kiesel- glasgranulat eingesetzt, wobei die Innenkörnungsschicht unter Anlegen eines Unterdrucks zu der Tiegelwandungs-Innenschicht gesintert wird. In this case, preference is given to using a bite-shaped, porous base body made from the silica glass granulate, the inner grain layer being sintered while applying a negative pressure to the inner wall of the inner wall of the crucible wall.
Dabei wird zur Herstellung der Innenschicht zunächst eine poröse SiO2- Körnungsschicht aus einem weniger dichten Kieselglasgranulat an der Innenwandung einer evakuierbaren Schmelzform erzeugt und auf dieser eine weitere Kör- nungsschicht aus einem Kieselglasgranulat höherer Dichte aufgebracht. Beim Sintern der Körnungsschichten von innen nach außen wird von der Außenseite der Schmelzform her ein Vakuum angelegt. Die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Tiegelwandungs-Innenschicht aus Kieselglasgranulat höhe- rer Dichte zeichnet sich durch hohe Reinheit und geringe Blasenhaltigkeit aus und sie ist reproduzierbar und wirtschaftlich auch in großen Schichtdicken herstellbar. For the production of the inner layer, first of all a porous SiO 2 granulation layer of a less dense silica glass granulate is produced on the inner wall of an evacuable melt mold and a further body of SiO 2 is applied thereon. applied layer of a silica glass granules of higher density. When sintering the granulation layers from inside to outside, a vacuum is applied from the outside of the melt mold. The inner crucible wall of higher density silica glass granules produced by virtue of the method according to the invention is characterized by high purity and low bubble content, and it can be reproduced and produced economically even in large layer thicknesses.
Demgegenüber ergibt das Kieselglasgranulat geringerer Dichte eine Außenschicht, von der mindestens der äußere Bereich opak ist und sich durch eine gleichmäßige Porosität auszeichnet, wie weiter oben erläutert. In contrast, the lower density silica glass granules provide an outer layer of which at least the outer region is opaque and is characterized by a uniform porosity, as explained above.
Bei einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante zur Herstellung eines derartigen Quarzglastiegels ist vorgesehen, dass das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat zum Sintern oder Schmelzen einem Lichtbogen zugeführt, darin erschmolzen und auf einer Innen- wandung eines tiegeiförmigen Basiskörpers aus Quarzglas unter Bildung einer Tiegelwandungs-Innenschicht aus transparentem Quarzglas aufgeschleudert wird. In an alternative and equally preferred variant of the method for producing such a quartz glass crucible, it is provided that the silica glass granules thermally compacted according to process step (b) are fed to an arc for sintering or melting, melted therein and deposited on an inner wall of a bell-shaped base body made of quartz glass to form a crucible wall Inner layer of transparent quartz glass is spun on.
Dabei wird innerhalb des Innenraums eines um seine Längsachse rotierenden Tiegel-Basiskörpers ein Lichtbogen gezündet. In diesen wird das Kieselglasgra- nulat eingestreut, darin aufgeschmolzen und unter der Wirkung des Lichtbogendrucks gegen die Innenwandung des Basiskörpers geschleudert, wo es unter Bildung einer Tiegelwandungs-Innenschicht aus transparentem Quarzglas anhaftet. Je nach Größe eingestreuten Kieselglasgranulat-Teilchen und ihrem Auftreffpunkt im Lichtbogen kann es zu unterschiedlichem Aufschmelzungsgrad und zu einer beträchtlichen Streuung der weggeschleuderten Teilchen kommen. Eine einheitliche Teilchengröße der eingestreuten Kieselglasgranulat-Teilchen bewirkt sowohl einen definierten Auftreffpunkt im Lichtbogen als auch einen einheitlichen Aufschmelzungsgrad, was die Reproduzierbarkeit der Herstellung der Tiegelwandungs-Innenschicht fördert. Bevorzugt werden Kieselglasgranulat-Teilchen eingesetzt, deren Durchmesser von einem Nominaldurchmesser um maximal 10% abweicht. In this case, an arc is ignited within the interior of a rotating about its longitudinal axis crucible base body. In these, the silica glass granules are interspersed, melted and thrown against the inner wall of the base body under the action of the arc pressure, where it adheres to form a crucible-wall inner layer of transparent quartz glass. Depending on the size interspersed silica glass granules particles and their impact point in the arc, it can lead to different degrees of fusion and to a considerable scattering of the thrown particles. A uniform particle size of the interspersed silica glass granules causes both a defined impact point in the arc and a uniform degree of fusion, which promotes the reproducibility of the production of the crucible wall inner layer. Preference is given to using silica glass granulate particles whose diameter deviates from a nominal diameter by a maximum of 10%.
Kieselglasgranulat-Teilchen mit einheitlichem Durchmesser zeigen ein ähnliches Sinter- und Einschmelzverhalten. Außerdem zeigen Schüttungen derartiger Teil- chen eine vergleichsweise geringe Schüttdichte, so dass sie sich einfacher mit reaktiven Gasen behandeln oder entgasen lassen. Silica glass granulate particles of uniform diameter exhibit a similar sintering and melting behavior. In addition, beds of such particles have a comparatively low bulk density so that they are easier to treat or degasify with reactive gases.
Ausführungsbeispiel embodiment
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt im Einzelnen Figur 1 in schematischer Darstellung eine Schmelzvorrichtung zur Herstellung eines Quarzglastiegels unter Einsatz von Kieselglasgranulat anhand einer ersten Verfahrensvariante der Erfindung , und The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and a drawing. 1 shows, in a schematic representation, a melting apparatus for producing a quartz glass crucible using silica glass granules with reference to a first method variant of the invention, and
Figur 2 in schematischer Darstellung eine Schmelzvorrichtung zur Herstellung eines Quarzglastiegels mit einer unter Einsatz von Kieselglasgranulat erzeugten, transparenten Innenschicht anhand einer zweiten Verfahrensvariante. FIG. 2 shows a schematic representation of a melting apparatus for producing a quartz glass crucible with a transparent inner layer produced using silica glass granules, using a second method variant.
Beispiel 1 : Herstellung von synthetischem Kieselglasgranulat Example 1 Production of Synthetic Silica Glass Granules
Durch Flammenhydrolyse von SiCI4 wird pyrogene, feinteilige Kieselsäure hergestellt. Hierzu werden einem Flammhydrolysebrenner als Brennergase Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt sowie als Einsatzmaterial für die Bildung der SiO2- Partikel ein SiCI4 enthaltender Gasstrom. Die Größe der SiO2-Primärpartikel liegt im Nanometerbereich, wobei sich mehrere Primärpartikel in der Reaktionszone zusammenlagern und in Form mehr oder weniger sphärischer Agglomerate oder Aggregate mit einer spezifische Oberfläche nach BET im Bereich von 50 m2/g an- fallen. Die synthetische, hochreine Kieselsäure wird mittels einer handelsüblichen Walzenbrikettieranlage zu tablettenförmigen, sphäroidischen Presslingen mit folgenden Eigenschaften verdichtet: By flame hydrolysis of SiCl 4 pyrogenic, finely divided silica is produced. For this purpose, oxygen and hydrogen are fed to a flame hydrolysis burner as burner gases and, as feed for the formation of the SiO 2 particles, a gas stream containing SiCl 4 . The size of the primary SiO 2 particles is in the nanometer range, with several primary particles assembling in the reaction zone and occurring in the form of more or less spherical agglomerates or aggregates having a BET specific surface area in the range of 50 m 2 / g. The synthetic, high-purity silica is compacted by means of a commercial Walzenbrikettieranlage into tablet-shaped, spheroidal compacts with the following properties:
Geometrie: oblate Ellipsoide Äquivalentdurchmesser: 3 mm Geometry: oblate ellipsoids Equivalent diameter: 3 mm
Volumen: 20 mm3 Volume: 20 mm 3
Spezifische Dichte: 1 ,2 g/cm3 Specific gravity: 1.2 g / cm 3
Die Formpresslinge bilden ein SiO2-Granulat mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 50 m2/g (BET) und einer Schüttdichte von etwa 0,7 g/cm3. Sie werden anschließend mittels einer Zerkleinerungsmaschine zerkleinert und mittels Sieben klassiert. Der Teilchengrößenbereich von 120 bis 600 μιτι wird weiterverarbeitet, wie im Folgenden beschrieben; und die Fehlfraktion wird dem Kieselsäure- Eingangsmaterial der Walzenbrikettieranlage beigemischt. The molded compacts form a SiO 2 granulate with a specific surface area of about 50 m 2 / g (BET) and a bulk density of about 0.7 g / cm 3 . They are then crushed by means of a crusher and classified by sieving. The particle size range of 120 to 600 μιτι is further processed, as described below; and the defective fraction is added to the silica input material of the roll briquetting plant.
Das so erzeugte SiO2-Granulat besteht aus Bruchstücken und hat eine spezifi- sehe Oberfläche von etwa 50 m2/g (BET) und eine gegenüber dem unzerkleiner- ten Granulat höhere Schüttdichte von etwa 0,9 g/cm3. The SiO 2 granulate produced in this way consists of fragments and has a specific surface area of about 50 m 2 / g (BET) and a bulk density of about 0.9 g / cm 3, which is higher than that of the non-shredded granules.
Es wird anschließend gereinigt, indem es in einem Schachtofen bei einer Temperatur um 850 °C während einer Behandlungsdauer von 6h einer HCI-haltigen Atmosphäre ausgesetzt und dabei von Verunreinigungen und Hydroxylgruppen be- freit wird. Das behandelte SiO2-Granulat hat Gesamtgehalt der Verunreinigungen an Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu und Mn von weniger als 200 Gew.-ppb und einen Hydroxylgruppengehalt von 30 Gew.-ppm. It is subsequently cleaned by exposing it to a HCl-containing atmosphere in a shaft furnace at a temperature of around 850 ° C. for a treatment time of 6 hours, thereby being freed of impurities and hydroxyl groups. The treated SiO 2 granules have total content of impurities of Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu and Mn of less than 200 wt. Ppb and a hydroxyl group content of 30 wt. Ppm.
Das so behandelte SiO2-Granulat wird anschließend in eine Grafitform gegeben und durch Vakuumsintern verglast. Hierbei wird die Form auf die Sintertemperatur von 1600 °C aufgeheizt und nach Erreichen der Sintertemperatur ca. 60 min lang gehalten. The thus treated SiO 2 granules are then placed in a graphite mold and vitrified by vacuum sintering. Here, the mold is heated to the sintering temperature of 1600 ° C and held for about 60 minutes after reaching the sintering temperature.
Nach dem Abkühlen wird eine Masse aus mehr oder weniger lose zusammenhängenden, glasigen SiO2-Teilchen erhalten, die durch leichten Druck separiert wer- den können. Das so erhaltene Kieselglasgranulat besteht aus glasigen, blasenfreien Quarzglasteilchen mit Äquivalentdurchmessern im Bereich von etwa 100 bis 500 μιτι und mit einer spezifische Oberfläche (nach BET) von weniger als 1 m2/g. Das Kieselglasgranulat wird nachträglich mit Wasserstoff beladen, indem es bei einer Temperatur von 800 °C während einer Dauer von 5 h einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt wird. After cooling, a mass of more or less loosely connected, glassy SiO 2 particles is obtained, which are separated by slight pressure. you can. The silica glass granules thus obtained consist of glassy, bubble-free quartz glass particles with equivalent diameters in the range from about 100 to 500 μm and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m 2 / g. The silica glass granules are subsequently loaded with hydrogen by being exposed to a hydrogen-containing atmosphere at a temperature of 800 ° C. for a period of 5 hours.
Beispiel 2: Herstellung von synthetischem Kieselglasgranulat Example 2 Production of Synthetic Silica Glass Granules
Die synthetische, hochreine Kieselsäure wird mittels einer handelsüblichen Wal- zenbrikettieranlage zu sphärischen Presslingen mit folgenden Eigenschaften verdichtet: The synthetic, high-purity silica is compacted by means of a commercial roller briquetting plant into spherical compacts having the following properties:
Geometrie: prolate Ellipsoide Äquivalentdurchmesser: 1 ,5 mm Volumen: 2,5 mm3 Spezifische Dichte: 1 ,2 g/cm3 Geometry: prolate ellipsoids Equivalent diameter: 1, 5 mm Volume: 2.5 mm 3 Specific gravity: 1, 2 g / cm 3
Das so erzeugte SiO2-Granulat besteht aus länglichen Formpresslingen mit identischer Geometrie und Größe und hat eine spezifische Oberfläche von etwa 50 m2/g (BET) und eine relativ geringe Schüttdichte von etwa 0,7 g/cm3. Es wird gereinigt und thermisch verdichtet, wie oben anhand Beispiel 1 beschrieben. Das nach dem Vakuumsintern erhaltene Kieselglasgranulat besteht aus glasigen, blasenfreien Quarzglasteilchen mit einheitlichen Abmessungen (ohne Feinanteil) und mit einer spezifische Oberfläche (nach BET) von weniger als 1 m2/g. The SiO 2 granules so produced consist of elongated molded compacts of identical geometry and size and have a specific surface area of about 50 m 2 / g (BET) and a relatively low bulk density of about 0.7 g / cm 3 . It is purified and thermally densified as described above with reference to Example 1. The silica glass granules obtained after vacuum sintering consist of glassy, bubble-free quartz glass particles of uniform dimensions (without fines) and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m 2 / g.
Beispiel 3: Herstellung von synthetischem Kieselglasgranulat Example 3 Production of Synthetic Silica Glass Granules
Synthetische hochreine Kieselsäure wird mittels einer Walzenbrikettieranlage zu tablettenförmigen, sphäroidischen Presslingen verarbeitet gebrochen und gereinigt, wie anhand Beispiel 1 erläutert. Das danach erhaltene SiO2-Granulat wird anschließend in eine Grafitform gegeben und unter Helium verglast. Dazu wird die Grafitform auf die Sintertemperatur von 1600 °C aufgeheizt und nach Erreichen der Sintertemperatur ca. 60 min lang gehalten. Nach dem Abkühlen wird eine Masse aus mehr oder weniger lose zusammenhängenden, glasigen SiO2-Teilchen erhalten, die durch leichten Druck separiert werden können. Das so erhaltene Kieselglasgranulat besteht aus glasigen, blasenfreien Quarzglasteilchen mit einheitlichen Abmessungen (Äquivalentdurchmesser) von etwa 100 bis 500 μιτι und mit einer spezifische Oberfläche (nach BET) von weniger als 1 m2/g. Synthetic high purity silica is processed and pelletized by means of a roll briquetting machine into tablet-shaped, spheroidal compacts, as explained in Example 1. The SiO 2 granules obtained thereafter are then placed in a graphite mold and vitrified under helium. For this purpose, the graphite mold is heated to the sintering temperature of 1600 ° C and held for about 60 minutes after reaching the sintering temperature. After cooling, a mass of more or less loosely connected, glassy SiO 2 particles is obtained, which can be separated by slight pressure. The silica glass granules thus obtained consist of glassy, bubble-free quartz glass particles with uniform dimensions (equivalent diameter) of about 100 to 500 μιτι and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m 2 / g.
Im Folgenden wird die Herstellung eines Quarzglastiegels unter Einsatz des synthetischen Kieselglasgranulats anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert: The production of a quartz glass crucible using the synthetic silica glass granulate is explained below with reference to two exemplary embodiments:
Beispiel 4: Herstellung eines Quarzglastiegels mit Innenschicht Example 4: Production of a quartz glass crucible with inner layer
Die Schmelzvorrichtung gemäß Figur 1 umfasst eine Schmelzform 1 aus Metall mit einem Innendurchmesser von 75 cm, die mit einem Außenflansch auf einem Träger 3 aufliegt. Der Träger 3 ist um die Mittelachse 4 rotierbar. In den Innenraum 10 der Schmelzform 1 ragen eine Kathode 5 und eine Anode 6 (Elektroden 5; 6) aus Grafit, die - wie anhand der Richtungspfeile 7 angedeutet - innerhalb der Schmelzform 1 in allen Raumrichtungen verfahrbar sind. Die offene Oberseite der Schmelzform 1 ist teilweise von einem Hitzeschild 1 1 in Form einer wassergekühlten Metallplatte mit zentraler Durchgangsbohrung abgedeckt, durch die hindurch die Elektroden 5, 6 in die Schmelzform 1 hineinragen. Der Hitzeschild 1 1 ist mit einem Gaseinlass 9 für Wasserstoff (alternativ auch für die Zufuhr von Helium) verbunden. Der Hitzeschild 2 ist in der Ebene oberhalb der Schmelzform 1 horizontal verfahrbar (in x- und y-Richtung), wie dies die Richtungspfeile 22 andeuten. The melting apparatus according to FIG. 1 comprises a metal melt mold 1 with an inner diameter of 75 cm, which rests on a support 3 with an outer flange. The carrier 3 is rotatable about the central axis 4. A cathode 5 and an anode 6 (electrodes 5, 6) made of graphite protrude into the interior 10 of the melt mold 1 and can be moved within the melt mold 1 in all spatial directions, as indicated by the directional arrows 7. The open top side of the melt mold 1 is partially covered by a heat shield 11 in the form of a water-cooled metal plate with a central through-hole through which the electrodes 5, 6 protrude into the melt mold 1. The heat shield 1 1 is connected to a gas inlet 9 for hydrogen (alternatively also for the supply of helium). The heat shield 2 is horizontally movable in the plane above the mold 1 (in the x and y direction), as indicated by the directional arrows 22.
Der Raum zwischen dem Träger 3 und der Schmelzform 1 ist mittels einer Vakuumeinrichtung evakuierbar, die durch den Richtungspfeil 17 repräsentiert wird. Die Schmelzform 1 weist eine Vielzahl von Durchlässen 8 auf (diese sind in Figur 1 nur symbolisch im Bodenbereich angedeutet), über die das an der Außenseite der Form 1 anliegende Vakuum 17 nach Innen durchgreifen kann. The space between the carrier 3 and the melt mold 1 can be evacuated by means of a vacuum device, which is represented by the directional arrow 17. The melt mold 1 has a plurality of passages 8 (these are shown in FIG 1 symbolically indicated in the bottom area), through which the voltage applied to the outside of the mold 1 vacuum 17 can pass through to the inside.
In einem ersten Verfahrensschritt wird Kieselglasgranulat, das anhand obigem Beispiel 3 erzeugt worden ist, in die um ihre Längsachse 4 rotierende Schmelz- form 1 eingefüllt. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft und mittels einer Formschablone wird an der Innenwandung der Schmelzform 1 eine rotationssymmetrische tiegeiförmige Körnungsschicht 12 aus dem mechanisch verfestigtem Granulat geformt. Die mittlere Schichtdicke der Körnungsschicht 12 beträgt etwa 12 mm. In a first method step, fused silica granules which have been produced on the basis of example 3 above are filled into the melt mold 1 rotating about its longitudinal axis 4. Under the action of the centrifugal force and by means of a shaping template, a rotationally symmetrical, bony-shaped granulation layer 12 of the mechanically solidified granules is formed on the inner wall of the melt mold 1. The average layer thickness of the granulation layer 12 is about 12 mm.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird auf der Innenwandung der Granulat- Schicht 12 eine Innenkörnungsschicht 14 aus dem synthetisch hergestellten Kieselglasgranulat gemäß obigem Beispiel 1 - ebenfalls unter Einsatz einer Formschablone und unter anhaltender Rotation der Schmelzform 1 - ausgeformt. In a second method step, on the inner wall of the granulate layer 12, an inner granulation layer 14 of the synthetically produced silica glass granulate according to Example 1 above-likewise using a molding template and with continuous rotation of the melt mold 1 -is formed.
Die mittlere Schichtdicke der Innenkörnungsschicht 14 beträgt ebenfalls etwa 12 mm. Zum Verglasen der SiO2-Körnungsschichten 12, 14 wird das Hitzeschild 1 1 über der Öffnung der Schmelzform 1 positioniert und Helium über den Einlass 9 in den Tiegel-Innenraum 10 eingeleitet. Die Elektroden 5; 6 werden durch die zentrale Öffnung des Hitzeschildes 1 1 in den Innenraum 10 eingeführt und zwischen den Elektroden 5; 6 ein Lichtbogen gezündet, der in Figur 1 durch die Plasmazone 13 als grau hinterlegter Bereich gekennzeichnet ist. Gleichzeitig wird an der Außenseite der Schmelzform 1 ein Vakuum angelegt. The average layer thickness of the inner graining layer 14 is also about 12 mm. For glazing the SiO 2 grain layers 12, 14, the heat shield 11 is positioned over the opening of the melt mold 1 and helium is introduced via the inlet 9 into the crucible interior 10. The electrodes 5; 6 are inserted through the central opening of the heat shield 1 1 in the interior 10 and between the electrodes 5; 6 an arc ignited, which is characterized in Figure 1 by the plasma zone 13 as gray background area. At the same time, a vacuum is applied to the outside of the melt mold 1.
Die Elektroden 5; 6 werden zusammen mit dem Hitzeschild 1 1 in die in Figur 1 gezeigte seitliche Position gebracht und mit einer Leistung von 600 kW (300 V, 2000 A) beaufschlagt und, um die Körnungsschichten 12; 14 im Bereich der Sei- tenwandung zu verglasen. Die Plasmazone 13 wird langsam nach unten bewegt und dabei das Quarzglaspulver der Innenkörnungsschicht 14 kontinuierlich und bereichsweise zu einer blasenfreien Innenschicht 16 erschmolzen. Zum Verglasen der Körnungsschichten 12; 14 im Bereich des Bodens werden Hitzeschild 1 1 und Elektroden 5; 6 in eine zentrale Position gebracht und die Elektroden 5; 6 nach unten abgesenkt. Beim Sintern der Schicht bildet sich zunächst eine dichte Innenhaut. Danach kann der anliegende Unterdruck (Vakuum) erhöht werden, so dass das Vakuum seine volle Wirkung entfalten kann. The electrodes 5; 6 are brought together with the heat shield 1 1 in the lateral position shown in Figure 1 and applied with a power of 600 kW (300 V, 2000 A) and, to the granulation layers 12; 14 glazed in the area of the side wall. The plasma zone 13 is moved slowly downwards, while the quartz glass powder of the inner granulation layer 14 is continuously and partially melted into a bubble-free inner layer 16. For vitrifying the granulation layers 12; 14 in the region of the bottom are heat shield 1 1 and electrodes 5; 6 brought into a central position and the electrodes 5; 6 lowered down. When the layer is sintered, a dense inner skin initially forms. Thereafter, the applied negative pressure (vacuum) can be increased, so that the vacuum can develop its full effect.
Der Schmelzvorgang wird beendet, bevor die Schmelzfront die Innenwandung der Schmelzform 1 erreicht. Die transparente Innenschicht 16 ist glatt, blasenarm und hat eine mittlere Dicke von etwa 8 mm. Die Außenschicht 12 bleibt mindestens teilweise opak. The melting process is terminated before the melt front reaches the inner wall of the melt mold 1. The transparent inner layer 16 is smooth, low-bubble and has an average thickness of about 8 mm. The outer layer 12 remains at least partially opaque.
Beispiel 5: Herstellung eines Quarzglastiegels mit Innenschicht Example 5: Production of a quartz glass crucible with inner layer
Im Folgenden wird eine Abwandlung dieser Verfahrensweise anhand der in Figur 2 schematisch dargestellten Schmelzvorrichtung erläutert. Sofern in Figur 2 dieselben Bezugsziffern wie in Figur 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche o- der äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand Figur näher erläutert sind. In the following, a modification of this procedure will be explained with reference to the melting device shown schematically in Figure 2. If the same reference numerals as in FIG. 1 are used in FIG. 2, then identical or equivalent components and components are referred to, as explained in more detail above with reference to FIG.
Die Schmelzvorrichtung weist hier ein in allen Raumrichtungen (Richtungspfeile 7) verfahrbares Einstreurohr 18 mit auf, das in den Innenraum der Schmelzform 1 ragt und das mit einem Vorratsbehälter 19 verbunden ist. Der Einstreurohr 18 ist mit einem Hosenstück 23 für die Zufuhr von Druckluft - symbolisiert durch den Richtungspfeil 24 - versehen. Here, the melting device has a spreading tube 18, which can be moved in all spatial directions (directional arrows 7) and projects into the interior of the melt mold 1 and which is connected to a storage container 19. The litter tube 18 is provided with a trouser piece 23 for the supply of compressed air - symbolized by the directional arrow 24.
Der Vorratsbehälter 19 ist mit Kieselglasgranulat-Teilchen 25 aus reinem, synthe- tisch hergestelltem und mit Wasserstoff dotiertem Quarzglas gemäß obigen Beispiel 2 gefüllt. Die Kieselglasgranulat-Teilchen 25 haben einheitliche Abmessung ohne Feinanteil und sind dementsprechend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften definiert und einfach zu handhaben. The storage container 19 is filled with silica glass granulate particles 25 of pure, synthetically produced and hydrogen-doped quartz glass according to Example 2 above. The fused silica granules particles 25 have uniform dimension without fines and are accordingly defined in terms of their mechanical properties and easy to handle.
Zur Herstellung des Quarzglastiegels wird zunächst eine Außenkörnungsschicht aus kristalliner Körnung aus natürlich vorkommendem und vorab mittels Heißchlorierung gereinigtem Quarzsand mit einer Korngröße im Bereich von 90 μιτι bis 315 μιτι geformt. Anschließend wird auf der Innenwandung der Außenkörnungsschicht mittels des „Lichtbogen-Einstreuverfahrens" eine transparente und blasenarme Innenschicht 26 erzeugt. Hierzu wird unter anhaltender Rotation der Schmelzform 1 über das Einstreurohr 18 und unter Zufuhr von Druckluft 24 das hochreine Kieselglasgra- nulat 25 in den Tiegel-Innenraum 10 eingeblasen. Gleichzeitig wird zwischen Kathode 5 und Anode 6 das Plasma 13 (Lichtbogen) gezündet. To produce the quartz glass crucible, an outer granular layer of crystalline granules of naturally occurring quartz sand having a grain size in the range from 90 μm to 315 μm, which has been previously purified by means of hot chlorination, is first of all shaped. Subsequently, a transparent and low-bubble inner layer 26 is produced on the inner wall of the outer granulation layer by means of the "arc bedding process." For this purpose, while the melt mold 1 is being continuously rotated via the spreader tube 18 and compressed air 24 is fed, the high-purity silica glass granulate 25 is poured into the crucible. Interior space 10. At the same time plasma 13 (arc) is ignited between cathode 5 and anode 6.
Die eingestreuten Kieselglasgranulat-Teilchen 25 gelangen in die Plasmazone 13, werden darin erweicht und mittels des vom Lichtbogen erzeugten Druckes gegen die Innenwandung der Außenkörnungsschicht geschleudert und darauf unter Bildung der Innenschicht 26 aus transparentem Quarzglas aufgeschmolzen. Dabei wird im Bereich der Innenwandung eine Maximaltemperatur von über 2100°C erreicht, so dass die Außenkörnungsschicht zu einer Außenschicht 27 aus opakem Quarzglas gesintert wird. Wegen der einheitlichen Größe und Form der Kieselglasgranulat-Teilchen 25 ergibt sich eine geringe örtliche Streuung und ein definierter Aufbau der Innenschicht 26. The interspersed silica glass granules particles 25 enter the plasma zone 13, are softened therein, and are thrown against the inner wall of the outer granulation layer by the pressure generated by the arc and are melted thereon to form the inner layer 26 of transparent quartz glass. In this case, a maximum temperature of over 2100 ° C is reached in the region of the inner wall, so that the outer grain layer is sintered to form an outer layer 27 of opaque quartz glass. Because of the uniform size and shape of the silica glass granulate particles 25, there is little local scattering and a defined structure of the inner layer 26.
Die Innenschicht 26 des so hergestellten Quarzglastiegels hat eine mittlere Dicke von 2,5 mm. Sie ist glatt, blasenarm und mit der Außenschicht 27 aus opakem Quarzglas fest verbunden. The inner layer 26 of the quartz glass crucible thus produced has an average thickness of 2.5 mm. It is smooth, low-bubble and firmly connected to the outer layer 27 of opaque quartz glass.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren für die Herstellung eines Quarzglastiegels zum Ziehen eines Ein kristalls, indem in einer Schmelzform (1 ) eine Körnungsschicht (12; 14) ausgeformt und diese unter Bildung des Quarzglastiegels gesintert oder geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Körnungsschicht (12; 14) aus einem Kieselglasgranulat erzeugt wird, dessen Herstellung folgende Verfahrensschritte umfasst: 1 . A method for producing a quartz glass crucible for growing a single crystal by forming a graining layer (12; 14) in a melt mold (1) and sintering or melting the same to form the quartz glass crucible, characterized in that at least a part of the graining layer (12; 14) is produced from a silica glass granulate whose production comprises the following process steps:
(a) mechanisches Verdichten von Kieselsäurepulver mittels eines Walzenbrikettierverfahrens unter Bildung von Formpresslingen mit im Wesentlichen einheitlicher, sphäroidischer Morphologie, und (a) mechanically densifying silica powder by means of a roll briquetting process to form molded compacts having a substantially uniform, spheroidal morphology, and
(b) thermisches Verdichten der Formpresslinge oder Fragmente derselben zu dem Kieselglasgranulat. (b) thermally compacting the molded compacts or fragments thereof into the silica glass granules.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Formpresslinge einen mittleren Äquivalentdurchmesser im Bereich von 1 bis 5 mm aufweisen. 2. The method according to claim 1, characterized in that the molded compacts have a mean equivalent diameter in the range of 1 to 5 mm.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Formpresslinge ein mittleres Volumen im Bereich von 1 bis 100 mm aufweisen. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the individual molded compacts have an average volume in the range of 1 to 100 mm.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Formpresslinge eine mittlere spezifische Dich te im Bereich von 0,6 bis 1 ,3 g/cm3 aufweisen. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the individual molded compacts have a mean specific log te in the range of 0.6 to 1, 3 g / cm 3 .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formpresslinge vor dem Sintern oder Schmelzen zerkleinert werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the molded compacts are crushed before sintering or melting.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formpresslinge vor dem thermischen Verdichten gemäß Verfahrensschritt (b) zerkleinert werden. 6. The method according to claim 5, characterized in that the molded compacts before the thermal densification according to method step (b) are comminuted.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zerkleinerten Formpresslinge ein SiO2-Granulat mit einer Schüttdichte im Bereich von mehr als 0,45 g/cm3, vorzugsweise von 0,8 bis 1 ,1 g/cm3, bilden. 7. The method according to any one of claims 5 or 6, characterized in that the crushed molded compacts a SiO 2 granules having a bulk density in the range of more than 0.45 g / cm 3 , preferably from 0.8 to 1, 1 g / cm 3 , form.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formpresslinge oder Fragmente derselben vor dem thermischen Verdichten gemäß Verfahrensschritt (b) in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the molded compacts or fragments thereof are treated before the thermal densification according to process step (b) in a chlorine-containing atmosphere.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Verdichten der Formpresslinge oder von Fragmenten derselben zu Kieselglasgranulat gemäß Verfahrensschritt (b) unter einer Atmosphäre erfolgt, die mindestens 30 Vol.-% Helium enthält und/oder unter einem Unterdruck von 0,5 bar oder weniger. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the thermal compression of the molded compacts or fragments thereof to silica glass granules according to process step (b) under an atmosphere containing at least 30 vol .-% helium and / or under a negative pressure of 0.5 bar or less.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kieselglasgranulat-Teilchen eingesetzt werden, die aus mit Wasserstoff dotiertem Quarzglas bestehen. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that silica glass granulate particles are used, which consist of hydrogen-doped quartz glass.
1 1 .Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat als Außenkörnungsschicht auf einer Innenwandung der Schmelzform aufgebracht und zu einer Tiegelwandungs-Außenschicht aus mindestens teilweise opakem Quarzglas gesintert wird. 1 1 .Verfahren according to any one of the preceding claims, characterized in that the method according to step (b) thermally compacted silica glass granules applied as an outer graining layer on an inner wall of the melt mold and sintered to a crucible wall outer layer of at least partially opaque quartz glass.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat als Zwischenkörnungsschicht auf einer Außenkörnungsschicht aufgebracht und zu einer Tiegelwandungs-Zwischenschicht oder zu einer Tiegelwandungs-Außenschicht aus mindestens teilweise opakem Quarzglas gesintert wird. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method according to step (b) thermally compacted silica glass granules applied as Zwischenkörnungsschicht on a Außenkörnungsschicht and sintered to a Tiegelwandungs intermediate layer or to a Tiegelwandungs outer layer of at least partially opaque quartz glass.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat zum Sintern oder Schmelzen einem Lichtbogen zugeführt, darin erschmolzen und auf einer Innenwandung eines tiegeiförmigen Basiskörpers aus Quarzglas unter Bildung einer Tiegelwandungs-Innenschicht aus transparentem Quarzglas aufgeschleudert wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method according to step (b) thermally compacted silica glass granules for sintering or melting supplied to an arc, melted therein and on an inner wall of a tiegeiförmigen base body made of quartz glass to form a Tiegelwandungs inner layer of transparent quartz glass is spun on.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Verfahrensschritt (b) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat als Innenkörnungsschicht auf einer Innenwandung eines tiegeiförmigen Basiskörpers aufgebracht und zu einer Tiegelwandungs-Innenschicht aus transparentem Quarzglas auf dem Basiskörper erschmolzen wird. 14. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the method according to step (b) thermally compacted silica glass granules applied as Innenkörnungsschicht on an inner wall of a bite-shaped base body and melted to a crucible wall inner layer of transparent quartz glass on the base body.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein poröser tiegeiförmiger Basiskörper aus dem Kieselglasgranulat eingesetzt wird, und dass die Innenkörnungsschicht unter Anlegen eines Unterdrucks zu der Tiegelwandungs-Innenschicht gesintert wird. 15. The method according to claim 14, characterized in that a porous, dangling base body of the silica glass granules is used, and that the Innenkörnungsschicht is sintered under application of a negative pressure to the crucible wall inner layer.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kieselglasgranulat-Teilchen eingesetzt werden, deren Durchmesser von einem Nominaldurchmesser um maximal 10% abweicht. 16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that silica glass granulate particles are used, the diameter of which deviates from a nominal diameter by a maximum of 10%.
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