CN102365242B - 用于生产石英玻璃的圆柱形部件的拉延方法 - Google Patents

Abstract

在一种已知的用于由石英玻璃生产圆柱形部件的拉延方法中，在一个拉延轴线(12)的方向上从一个石英玻璃块(9)的变形区域中拉延出一个石英玻璃股流(10)并且从其中分离出具有一个切割长度(S)的多个片段。由这些片段来生产圆柱形部件。为了提供一种用于生产石英玻璃部件的简单拉延方法，其中几何缺陷的影响、特别是直径变动和材料废料的影响被减小，石英玻璃股流(10)的分离在一个分离位置(T)处进行，其中该分离位置距该变形区域(9)的距离的设定方式是使得在一个后续的分离过程中由分离造成的石英玻璃股流几何形状的缺陷位于待生产的部件的一个末端区域中或者位于两个相邻部件之间。

Description

用于生产石英玻璃的圆柱形部件的拉延方法

技术领域

本发明涉及一种用于生产石英玻璃的圆柱形部件的拉延方法，其中在一个拉延轴线的方向上从软石英玻璃块的一个成型区拉延出一个石英玻璃股流，并且从该石英玻璃股流中分离出具有一个切割长度的多个区段，并且由这些区段来生产这些圆柱形部件。

背景技术

当从一个坩埚或从一个预成型件中连续拉延出玻璃管或玻璃杆时，出现了必须将玻璃股流切割成具有预设长度的多个区段的问题。为此，首先通过损伤（例如通过划痕或切割）于在其纵向长度方向上移动的玻璃股流的外表面上的正常外表面区域而形成一个预定断裂点，并且随后使该玻璃股流在该预定断裂点处断裂。该玻璃股流正常地是通过在该预定断裂点区域上以类似脉冲的方式作用的一个力（例如通过击打）而发生断裂。

该分离作用过程中的机械脉冲可能造成石英玻璃股流的几何形状方面的缺陷或紊乱，特别是直径变化。

当在一个与外部施加的压力不同的内压下拉延管件时，将出现另外的问题。管状股流长度的缩短将由于流动阻力的变化而导致内压的突变，这还可能造成待拉延出的管状股流的直径以及壁厚的变化。

为了至少减小这种变化的流动阻力所造成的几何变化，EP 0 394 640 B1建议应该在水下或者在类似于内压的压力占主导的一个压力室中分离该管状股流。然而，这个程序是构造上复杂的并且对由该机械分离脉冲所造成的石英玻璃股流几何形状中的缺陷不具有影响。

尤其是对于对部件的尺寸稳定性具有高要求的应用而言，直径变化可能导致废料。

在JP 2004-137095 A1中描述了用于减少材料废料的一种方法。为了制造一种光学预成型件，使用了所谓的“管中棒法（rod-in-tube technique）”，其中将一个由玻璃包覆管和插入其中的玻璃棒构成的组件拉长成一个预成型件。所建议的是，在拉长过程中应该在拉延出的预成型股流中检测视觉上可辨认的缺陷并且应该在这些缺陷位置处分离该预成型股流。因此有可能将这些缺陷位置移动至该预成型件的末端，在此它们较少造成干扰。

然而该方法要求费力来检测这些缺陷并且追踪到该分离位置。该方法产出了具有不同长度的预成型件，这在后续的方法步骤（例如纤维拉延过程中的包覆）中要求复杂的单独适配。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生产石英玻璃部件的简单拉延方法，其中几何缺陷（特别是直径变化以及材料废料）的影响被减小。

从上述类型的拉延方法出发，根据本发明以如下方式实现了这个目的：该石英玻璃股流在一个分离位置处被分离，该分离位置距成型区具有一个距离，该距离被设定为使得该分离造成的石英玻璃股流的几何形状中的缺陷在一个后续分离步骤中出现在待生产的部件的一个末端区域中或者在两个相邻部件之间。

当切掉该石英玻璃股流时，操作者通常注意到，所切掉的股流件的长度具有一个最小尺寸并且优选尽可能精确地对应于该切割长度以使材料的废料最少。该石英玻璃股流的剩余长度（从成型区直到分离位置）在此不起作用。因此在此方面，操作者迄今为止一直是自由地切掉该流出的石英玻璃股流，例如在靠近成型区的一个位置中较早地或者在更远离成型区的一个位置中较晚地切断，只要所分离的区段具有所希望的尺寸。出于同样的理由，可以根据温度而变化的该成型区的精确位置迄今为止只对该分离过程具有很小的重要性。

相比之下，在根据本发明的方法中，旨在总在离开该成型区的一个预定距离处分离该石英玻璃股流，与可能的缺陷、直径变化或其它紊乱的检测无关。因此，该分离位置取决于该石英玻璃股流的切断区段的所希望长度（正如其他情况下常规的），但也取决于剩余的石英玻璃股流的残余长度。因此，在根据本发明的拉延方法的分离过程中，要注意切断的股流长度及其残余长度两者。

这个程序不是针对于当该石英玻璃股流被切断时避免石英玻璃股流几何形状中的缺陷（特别是直径变化），但是它适合于将在石英玻璃股流的这些区域中可能的缺陷进行定位，这些缺陷与待生产的圆柱形石英玻璃部件的末端区域一致或者位于相邻部件之间。

这可以由以下事实解释：在分离过程中由（由该机械的分离脉冲或流动阻力的突变所造成的）机械冲击产生的直径变化（或该石英玻璃股流的几何形状的其他缺陷）可以仅在软化的石英玻璃块的区域中出现，并且这些直径变化在该成型区离开之后不再被消除、而是在进一步的拉延过程中朝该分离位置行进。因为考虑了分离过程中分离位置与直径变化的起源区域之间的距离，所以由此可以确保当稍后切断该石英玻璃股流时在成型区中产生的直径变化是位于该分离位置处。这意味着之前产生的直径变化是位于所分离的区段的一个末端区域中和/或位于残余股流的末端处并且因此位于另一个区段的末端区域中。

分离位置距“成型区”的距离在此是关键性的。这种区域就是在分离过程中由于对该石英玻璃股流的冲击而经受最大塑性变形的区域，即该石英玻璃股流几何形状中的缺陷（特别是直径变化）起源的区域。所述起源区域与分离位置之间的距离应被设定为，使得在分离过程中产生的直径变化在软化的石英玻璃块的一个区域中出现，该区域最终在拉长的石英玻璃股流中形成所分离的区段的一个末端区域，或者在切割废料中出现在区段之间。

实施根据本发明的方法不要求对该成型区的绝对位置的认识。在最简单的情况下，分离位置相对于成型区的最佳位置是以经验决定的。在此推荐一种迭代程序，其中首先将分离位置设定为距该成型区具有一个距离，该距离对应于该切割长度的一倍或几倍。在石英玻璃股流的分离过程中在以此方式限定的位置处产生的干扰脉冲产生了直径变化，这些直径变化在稍后该石英玻璃股流的分离过程中出现在相同的分离位置处，正常地是在被分离的区域中。接着将该分离位置偏移一个对应的长度段直到这些直径变化精确地出现在该分离点处。取代一种经验定位方式（无论如何都应该是优选的）的是，一种简单的长度段测量在一级近似下可能也是足够的。例如在一种坩埚提拉法中，可以将软化的石英玻璃块从该拉延喷嘴退出的这个位置假定为这些直径变化起源的区域，并且在一种拉长方法中是该拉延球管的下部区域。因为较窄的拉延球管末端（由于它的石英玻璃块更小）与较厚的拉延球管开端相比更有可能对机械脉冲做出反应，所以在该石英玻璃股流已经达到一个比末端直径仍大出20%的直径处的位置被定义为成型区（= 直径变化起源的区域）。

石英玻璃股流上的一个预定断裂点的在先的形成与该分离位置无关。该石英玻璃股流上的预定断裂点可以形成任何次，即使该预定断裂点仍远离该分离位置。最重要的是，仅在该预定断裂点到达该分离位置之后该石英玻璃股流才被分离。

因此有可能使该石英玻璃股流的分离所引发的石英玻璃股流几何形状中的缺陷、特别是直径变化偏移进入待生产的石英玻璃部件的末端区域之中或进入所述部件外部的区域之中，而不需要一种复杂的测量技术来检测石英玻璃股流几何形状中的缺陷。

从石英玻璃股流中分离的切割长度对应于待生产的石英玻璃部件的所希望的长度（含或不含公差），或者对应于该部件长度的整数倍（含或不含公差）。通常需要公差用于校准端面或者用于消除在分离过程中产生的边缘处的破裂。

该石英玻璃股流优选是在一个分离位置处被分离，该分离位置距该成型区具有一个距离，该距离是基于该切割长度来确定的。确切地说，该石英玻璃股流是在一个分离位置处被分离，该分离位置距该成型区具有一个距离，该距离被选择为使得由在该成型区与分离位置之间的石英玻璃块得到的石英玻璃股流具有一个长度，该长度对应于该切割长度的一倍或多倍。

软化的石英玻璃块的区域中的塑性变形造成了直径变化。该分离位置与成型区（= 最大塑性变形起源的区域）之间的距离被设定为，使得从其中拉延的石英玻璃股流的长度对应于该切割长度或对应于该切割长度的整数倍。这确保了在该石英玻璃股流的分离过程中造成的直径变化在一个随后的分离过程出现在切断的区段的上端和/或在剩余玻璃股流的下端。

要注意，从成型区产生的股流长度比成型区的对应长度更大。因此，在分离区域与成型区之间的距离通常不与该切割长度（或其整数倍）对应。在这个分离过程中重要的是分离位置距成型区的距离“A”被选择为，使得在这个距离中存在的石英玻璃块产出了具有一个长度的石英玻璃股流，该长度是切割长度“L”的整数“n”倍。与该切割长度相比+/- 10%的偏差是可接受的，这取决于待生产的部件的预期用途，即 

A = n x L ± 0.1 x L.

在该成型区以如下方式产生时，根据本发明的方法将具有一个特别有利的效果：其中将一个石英玻璃圆柱体连续进料到一个加热区、在其中逐区进行软化、并且伴随着一个拉延球管的形成该石英玻璃股流被拉延出来。

在此是从一个石英玻璃圆柱体开始，该圆柱体被拉长成该石英玻璃股流。在此类拉延方法中，形成了一个拉延球管，该拉延球管特别敏感地对机械干扰脉冲做出反应，例如当切断该石英玻璃股流时。

因为在根据本发明的方法中几何形状的改变通常被偏移进入待生产的石英玻璃部件的末端区域之中，所以该方法适合于管状部件以及实心圆柱体。然而，当从该成型区拉延出一个管状石英玻璃股流，并且其中在该管状石英玻璃股流中产生并维持一个压力时，它被证实是特别有利的。

在该方法的这个变体中，在该管状的石英玻璃股流中维持了一个与外部施加的压力相比减小的或增大的压力。在此通常通过该管状股流的内部孔洞中的一个气体流来产生更高的内部压力。在该管状股流的分离过程中，流动阻力突然改变，这可以导致软化的区域中的直径变化。尤其在该方法的这个变体中，可能出现拉延出的管状股流的显著塑性变形，并且因此非常重要的是，这些变形被偏移进入一个区域之中，该区域最终出现在待生产的石英玻璃部件的末端处。根据本发明以如下方式进行的：该分离位置一直具有这样一个距成型区的距离，该距离使得它产出的石英玻璃股流具有一个长度，该长度对应于标称的切割长度的整数倍。

根据本发明的方法被证明在一种拉延方法中是特别有用的，在该方法中该管状石英玻璃股流包括一个下端，该下端至少部分地通过一种气态、液态、等离子体状或固态的流体障碍物而被关闭。

关闭该管状股流的下端减少了杂质的进入、有助于节省用于维持所希望的内部压力的气体并且减小该流动气体的可能的冷却作用。然而，当分离该管状股流时，流动阻力被非常大地改变，这导致对应地大的直径或壁厚的变化。在根据本发明的方法的帮助下，这些变化可以被偏移进入所分离的管状股流区段的区域中，在这些区域中它们不造成或者较少造成干扰。

软化的区域中的薄壁以一种特别敏感的方式对机械脉冲做出反应。因此，当拉延薄壁玻璃管时，根据本发明的方法呈现出一种特别有利的方式。因此如下一种方法变体是优选的，其中以范围从0.1 mm至6 mm的壁厚拉延出一个管状石英玻璃股流。

当该分离位置距该成型区具有这样一个距离即使得由在成型区与分离位置之间的石英玻璃块得到的石英玻璃股流具有的长度为该切割长度的三至十倍时，这已经被证实是有用的。

保持所分离的区段与残余股流相比是较小的。由此可以在分离过程中使压力变化最小化。

该石英玻璃股流按以下方式被正常地分离，即提前在该石英玻璃股流上产生了一个预定断裂点。在该方法的一个优选变体中，预期的是分离该石英玻璃股流包括一个方法步骤，在其中该石英玻璃股流具有在一个第一时间点处的一个预定断裂点并且在一个第二时间点处在该分离位置处通过在该预定断裂点区域内作用的一个力而被分离。

优选地，该切割长度是一个预定区段长度的整数倍，并且该预定断裂点是在一个预定断裂点的形成位置处形成的，该预定断裂点的形成位置距该分离位置一个距离，该距离对应于该预定区段长度或其一个倍数。

该预定的区段长度对应于所希望的部件长度，含或不含公差。而且当形成该预定断裂点时，力（尽管是相对较小的力）可以作用在该石英玻璃股流上，这可能造成几何缺陷。在上述程序中，这些缺陷穿过了该石英玻璃股流的切断的区段之间或者位于其末端处，或者它们穿入用来形成这些部件的区段的末端区域之中。

可替代地，当在一个预定断裂点的形成位置处该预定断裂点的形成与该石英玻璃股流的分离几乎同时进行时，也是有利的。

在形成该断裂点与该分离过程之间有一个尽可能短的时段，例如0.5至5秒，这样使得对应产生的缺陷彼此叠加并且在该石英玻璃股流的一个公共区域中出现。

在该方法的一个优选变体中，预期的是连续检测该石英玻璃股流的几何形状中的缺陷，并且响应于所检测的缺陷来设定该分离位置。

在该拉延过程中可能出现过程参数的改变，特别是温度的改变。这可能改变该过程中成型区的形状或位置，这对于该分离位置的定位有影响。在该方法的这个变体中，该分离位置的连续适配和优化是可能的。

在该石英玻璃股流的整个长度上检测这些缺陷也可以用于最佳分离位置的自动设定。在此检测了拉延出的股流的直径特征，并且在预定的切割长度的基础上以及在所测定的、直径变化的极大值之间的差距的基础上以一种计算机控制的方式来设定该分离位置。

附图说明

下面将参照各实施方案和附图来更详细地描述本发明。在示意性的图示中，

图1  示出了用于实行根据本发明的方法的一种装置； 

图2示出了一个图表，具有在根据本发明的两个变体中的在一个管状股流的区段上的一种典型的直径特征曲线以及在管区段上的分布；并且

图3示出了根据现有技术的一个图表，具有在一个管状股流的区段上的一种典型的直径特征曲线以及在管区段上的分布。

具体实施方式

根据图1的装置示出了带有一个竖直取向的加热管1的一个电阻加热器。加热管1由一个环形石墨元件组成，该元件具有193 mm的内径、215 mm的外径，并且它封闭了一个长度100 mm的加热区3。

一个石英玻璃的空心圆柱体4被供应给加热管1，该空心圆柱体具有一条纵向轴线12，该纵向轴线被定向为尽可能与拉延轴线2平行。空心圆柱体4的上端连接到一个保持装置7上，通过该装置它在水平方向（xy）上可移位、在竖直方向上可上下移动、并且可绕着拉延轴线2转动。

空心圆柱体4在加热区3中被软化并且从该软化的区域中竖直向下拉延出一个管状股流10，伴随有一个拉延球管的形成。一个辊拖曳装置8用作拉延装置，该辊拖曳装置包括两个拉延辊，这些辊是在管状股流10的圆柱体外壳上的相同高度的平面处彼此相对的。

拉延球管在其下方安排有一个直径测量设备5，借助该设备在拉延过程中记录该拉延出的管状股流10的直径特征并且可以借助一台计算机进行分析。

下面参考图1更详细地解释用于实行根据本发明的、生产石英玻璃管的拉延方法的一个实施方案。

在竖直取向的加热管1中，将一个外径为145 mm并且内径为60 mm的石英玻璃空心圆柱体4调节为使得它的纵向轴线12在加热管1的中央轴线中延伸，该轴线同时符合拉延轴线2。

该石英玻璃的空心圆柱体4随后以恒定的给进速度下降至加热管1中并且在其中被加热至高于2100°C的温度，其中从正在形成的拉延球管中以受控的拉延速率拉延出石英玻璃管10直到所希望的40 mm的外径以及所希望的2 mm的壁厚。在管状股流10的内部孔洞中维持一个高于外部压力的压力。

借助该直径测量设备5连续地产生拉延出的管状股流10的直径特征，如将参考图2进一步更详细进行解释的。将由此得到的测量值用于控制该管状股流10的拉延速率。

标称的部件长度（包括公差在内）是0.75 m。将拉延出的管状股流10切断成每块1.5 m的区段，由此每次得到长度L为0.75 m的两个管。由它们来制成最终尺寸为0.70 m的管状石英玻璃部件。因此，切割长度S为1.5 m，其中在所分离的区段两端均提供了5 cm的公差。在此关键的是，管状股流10在其中被分离的分离平面T距拉延球管具有一个距离A，该距离被设定为使得在该距离处存在的石英玻璃块产出了符合该切割长度S（= 1.5 m）的整数倍的一个股流长度。在该实施方案中，距离A略小于标称切割长度S的三倍，这是由于，在拉延球管的平面E与石英玻璃股流在其中达到它的所希望的外径的这个区域（用粗箭头L0表示）之间的纵向区段是略短于在从该石英玻璃块拉长之后在纵向区段L0中最终得到的所希望的部件长度L。

在一级近似中，分离平面T与拉延球管的高度位置E（在此处拉延处的管状股流10的直径对应于其标称直径的约1.2倍）之间的路径可以定义为在分离平面T与拉延球管之间的距离A；因此在该实施方案中是处于约48 mm的外径。在此该高度位置从属于以下成型区，在该成型区中当在分离平面T中切断管状股流10时出现了最大的塑性变形。

为简单起见，在以下解释中将忽略L0与L之间的差异并且以一级近似将分离平面T与成型区9之间的距离等同于切割长度S的三倍。

在分离之前，在石英玻璃股流上形成一个预定断裂点，即在一个预定断裂点形成位置B处，该形成位置距该分离位置一个75 cm的距离。

图2示出了在管状股流10的一个区段上直径D（以mm计）的一种典型特征，该区段具有约4.5 m的长度以及40 mm的标称直径。该外径（与管状股流的长度是成比例的）的测量点的数目N绘制在x轴上。

该直径曲线具有多个极小值和极大值，这些值近似均匀地分布在该管状股流区段上。特别突出的极小值M1、M2和M3以约1.5 m的长度距离周期性地出现。这些直径偏差基本上是由于切割过程以及直径控制的调节行为而造成的。

将两排分离的管件R1和R2示意性地绘制在该直径曲线的下方。上排R1示出了管件21、22，根据上述实例具有1.5 m的切割长度S。切口T1、T2、T3相对于管状股流的这些纵向区段在中间延伸，每个管状股流应具有一个公差23。可以看到该直径曲线的极小值M1、M2和M3基本上出现在对应的公差区域23内。然后在中间（中间M）分开这些管件21、22。

下排R2示出了管件24、25，在不考虑公差的情况下具有1.5 m的切割长度S。可以看到，在此情况下该直径曲线的极小值M1、M2和M3基本上出现在管件24、25的末端区域内，在这里它们一般是比较无害的。

通过与此比较可以看出，图3的直径特征（从属于一种根据现有技术的方法）显示了与图2的特征相似的直径变化以及与其特别相似的直径极小值M4、M5和M6，但是极小值的周期性是较不显著的，这可以主要归因于该分离平面的高度位置的改变。

如管状股流件R3示意性示出的，这可以具有以下作用：将管件26、27切掉，其中直径变化的对应极小值M4、M5和M6是统计分布的，并且通常出现在该中间区域内，如在例如极小值M4和M5处可以清楚看到的。

即使在一种固定的分离区的情况下，如果该分离平面T距成型区9的距离被选择为使得在所述平面处存在的石英玻璃块并不产出一个长度不对应于该切割长度S（在此也是1.5 m）的整数倍的石英玻璃股流，则将出现同样的问题。

Claims (10)

1.一种用于生产石英玻璃的圆柱形部件的拉延方法，其中在一个拉延轴线的方向上从一个石英玻璃块的成型区中拉延出一个石英玻璃股流（10）并且从其中分离出具有一个切割长度（S）的多个区段，并且由这些区段来生产该圆柱形部件，其中，将在所述石英玻璃股流已经达到一个比末端直径仍大出20%的直径处的位置被定义为成型区，其特征在于，该石英玻璃股流（10）在一个分离位置处被分离，该分离位置距该成型区（9）的距离被确定为使得由该分离所造成的该石英玻璃股流几何形状的一种缺陷在一个后续分离步骤中出现在待生产的部件的一个末端区域中或者位于两个相邻部件之间，其中，该石英玻璃股流（10）在一个分离位置处被分离，该分离位置距该成型区（9）的距离（A）是基于该切割长度（S）来确定的，从而该石英玻璃股流（10）在一个分离位置处被分离，该分离位置距该成型区（9）的距离（A）被选择为使得由在成型区（9）与分离位置之间的石英玻璃块得到的石英玻璃股流具有一个长度，该长度对应于该切割长度（S）的一倍或几倍。

2.根据权利要求1所述的拉延方法，其特征在于，该成型区（9）的形成方式为将一个石英玻璃圆柱体连续进料到一个加热区（3）、在其中逐区进行软化、并且伴随着该石英玻璃股流（10）的一个拉延球管的形成而拉延出来。

3.根据权利要求1所述的拉延方法，其特征在于，从该成型区（9）拉延出一个管状石英玻璃股流，其中在该管状石英玻璃股流中产生并维持一个压力。

4.根据权利要求3所述的拉延方法，其特征在于，该管状石英玻璃股流包括一个下端，该下端至少部分地通过一种气态、液态、等离子体状或固态的流体障碍物而被关闭。

5.根据权利要求3或4所述的拉延方法，其特征在于，以从0.1 mm至6 mm范围内的一个壁厚度拉延出一个管状石英玻璃股流。

6.根据权利要求1所述的拉延方法，其特征在于，该分离位置距该成型区（9）具有这样一个距离（A），使得由在成型区（9）与分离位置之间的石英玻璃块得到的石英玻璃股流具有一个长度，该长度对应于该切割长度（S）的三至十倍。

7.根据权利要求1所述的拉延方法，其特征在于，分离该石英玻璃股流（10）包括一个方法步骤，其中对该石英玻璃股流（10）在一个第一时间点提供一个预定断裂点并且在一个第二时间点在该分离位置处通过在该预定断裂点区域内作用的一个力将该石英玻璃股流分离。

8.根据权利要求7所述的拉延方法，其特征在于，该切割长度（S）对应于一个预定区段长度的整数倍，所述预定区段长度对应于含或不含公差的所希望的部件长度，并且该预定断裂点是在一个预定断裂点形成位置（B）处形成的，该预定断裂点形成位置距该分离位置具有一个距离，该距离对应于该预定区段长度（L）或其一个倍数。

9.根据权利要求7所述的拉延方法，其特征在于，在一个预定断裂点形成位置处形成该预定断裂点与分离该石英玻璃股流几乎是同时进行的。

10.根据权利要求1所述的拉延方法，其特征在于，连续检测该石英玻璃股流的几何形状中的缺陷，并且依据所检测的这些缺陷来确定该分离位置。