DE4204406C2 - Verfahren zur Herstellung eines homogenen, schlierenfreien Körpers aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas durch Umformen eines stabförmigen Ausgangskörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines homogenen, schlierenfreien Körpers aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas durch Umformen eines im we­ sentlichen stabförmigen Ausgangskörpers.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 567 863 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Quarzglas-Zylinder in einem Heizraum zwischen zwei an den Zylinderenden angeschmolzenen Stäben gehalten und durch Relativbewegungen dieser Stäbe zueinander um seine Längsachse verdrillt. Durch das Verdrillen des Zylinders wird die Glasmasse in radialer Richtung durchmischt und vorhandene Inhomogenitäten, die beispielsweise optisch als Schlieren erfaßbar sind, werden dabei im wesentlichen entfernt. In Richtung der Zylinderachse gesehen, findet beim Verdrillen jedoch keine Durchmischung statt, so daß Inhomogenitäten längs der Zylinderachse erhalten bleiben. Durch ein derartiges Verdrillen wird im Zylinder daher eine Art Schichtstruktur von Schlieren erzeugt, wobei die Schichten senkrecht zur Zylinderachse verlaufen und je nach Richtung der Beanspruchung des Zylinders optische Störungen hervorrufen. Zur vollständigen Homogenisierung der Glasmasse wird bei dem bekannten Verfahren ein Kneten und Rühren mittels der angeschmolzenen Stäbe, bis zur praktischen Schlierenfreiheit vorgeschlagen.

Mittels dieses Verfahrens sind homogene Körper aus Quarzglas mit einem Gewicht bis etwa 8 kg herstellbar. Mit zunehmendem Gewicht der Glasmasse machen sich jedoch auch zunehmend Probleme hinsichtlich der Halterung der Glasmasse mittels der Stäbe sowie einer ausreichend gleichmäßigen Erwärmung des Körpers über seinen gesamten Querschnitt bemerkbar. Insbesondere sind mit schweren Glasmassen starke Misch- und Umformbewegungen, wie sie beispielsweise beim Rühren und Kneten auftreten, aufgrund der mechanischen Beanspruchung der Anschmelzstellen an die Glasmasse nicht durchführbar.

Ein Verfahren zur Herstellung von Stangen aus blasenfreiem Quarzglas in einem einstufigen Prozeß ist aus der DE-OS 32 01 777 bekannt. Bei diesem Verfahren wird aus einem an einem Ende erhitzten Quarzglaszylinder kontinuierlich eine Stange abgezogen, wobei der Zylinder und die Stange gegenläufig um ihre Längsachse rotiert werden und die Glasmasse in der Erhitzungszone verdrillt wird. Aufgrund der fehlenden Durchmischung in Längsachsenrichtung ist die Herstellung von Quarzglas-Körpern, die in allen Raumrichtungen homogen und schlierenfrei sind, mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.

In der US-PS 4,358,306 ist ein Verfahren zum Formen eines Quarzglas-Blocks beschrieben, bei dem ein Ausgangsblock in einer Graphitform erhitzt, mittels eines in die Graphitform absenkbaren Druckstempels verformt und anschließend langsam abgekühlt wird. Dabei soll der Abkühlvorgang die Entstehung von Schlieren oder Rissen verhindern. Aufgrund der fehlenden intensiven Durchmischung der Quarzglasmasse ist mit diesem Verfahren ein vollständig homogener, insbesondere über längere Strecken schlierenfreier Körper jedoch nicht herstellbar.

Ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglasplatten ist aus der DE-C2 32 26 451 bekannt. Bei diesem Verfahren wird von einem bereits schlierenfreien Quarzglaszylinder ausgegangen, der in einen mit Inertgas gefluteten Graphittiegel abgesenkt, dort erhitzt und erweicht wird. Der Quarzglaszylinder wird in den Tiegel solange nachgeführt, bis die ausgeflossene Glasmasse die gewünschte Plattenstärke erreicht hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren für die Herstellung homogener, großvolumiger Körper aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas bereitzustellen.

Ausgehend von dem eingangs angegebenen Verfahren, wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

• a) Bilden eines, eine schichtweise radial homogenisierte, axiale Schichtung aufweisenden Drillkörpers, durch Verdrillen des Ausgangskörpers um seine Längsachse,
• b) Bilden eines Glasstabes, dessen Längsachse senkrecht zu der Schichtung verläuft, umfassend das Erweichen des Drillkörpers in einer aufheizbaren Form, und Verformen in eine Richtung quer zur Achsrichtung, in die Form unter einer in Achsrichtung wirkenden Kraft.
• c) Verdrillen des Glasstabes um seine Längsachse.

Nach dem Umformschritt, bei dem der Ausgangskörper um seine Längsachse verdrillt wird, liegt ein im wesentlichen zylinderförmiger Drillkörper vor, bei dem keine oder nur eine unwesentliche Durchmischung der Glasmasse in Längsachsenrichtung stattgefunden hat. Der Drillkörper ist daher in Längsachsenrichtung gesehen inhomogen, wobei die Inhomogenitäten beispielsweise als Schlieren sichtbar sind und in der Glasmasse als senkrecht zur Achse des Drillkörpers verlaufende Inhomogenitäts-Schichten bzw. als in Längsachsenrichtung verlaufende Schichtung auftreten. Dabei soll der Ausdruck "Schicht" eine flächenmäßige Ausdehnung einer Inhomogenität, "Schichtung" hingegen die Anordnung bzw. Abfolge der einzelnen Schichten, in Richtung senkrecht zu den Schichten, bezeichnen. Durch die Bildung eines Glasstabes, dessen Längsachse im wesentlichen senkrecht zu der Schichtung verläuft, wird erreicht, daß die Inhomogenitäts-Schichten durch einfaches Verdrillen des Glasstabes um seine Längsachse durchmischt und dabei im wesentlichen entfernt werden könnnen. Das Verdrillen kann auch bei großvolumigen Glasstäben auf die bekannte Weise durch gegenläufige Rotation von an den Enden des erweichten Glasstabes angeschmolzenen Stäben erfolgen.

Da die Bildung des Glasstabes einen Umformschritt umfaßt, bei dem der Drillkörper in einer aufheizbaren Form erweicht wird, ist eine Umformung auch sehr schwerer Massen möglich, wobei die in die Form eingebrachte Glasmasse nach der Umformung den unteren Teil der Form ausfüllt. Dabei kann die Viskosität der Glasmasse auch niedriger eingestellt werden als dies bei dem bekannten Verfahren zur Homogenisierung der Glasmasse mittels angeschmolzener Stangen möglich wäre, so daß eine leichtere Durchmischung der gesamten Glasmasse und damit eine bessere Homogenisierung erzielt wird. Die Verwendung einer aufheizbaren Form für das Erweichen der umzuformenden Glasmasse ermöglicht die Einstellung eines homogenen Temperaturfeldes über die gesamte umzuformende Glasmasse. Der Drillkörper wird dabei unter einer in Achsrichtung wirkenden Kraft, in einer Richtung quer zur Achsrichtung in die Form verformt, wobei die Inhomogenitäts-Schichten unter weitgehender Beibehaltung ihrer relativen Lage zueinander und ihrer Schichtenfolge orientiert sind, wobei jedoch durch das Stauchen des Drillkörpers in Achsrichtung der Schichtabstand gegenüber demjenigen im Drillkörper verkürzt wird. Dadurch wird erreicht, daß im Drillkörper weit voneinander entfernte Schichten, die lokal unterschiedliche Materialeigenschaften repräsentieren, nach dem Verfahrensschritt des Verformens in der Form absolut näher zusammenliegen und dadurch einer nachfolgenden Vermischung miteinander leichter zugänglich sind. Dabei kann der bei der Verformung des Drillkörpers wirkenden Kraft als Widerlager beispielsweise der Boden der Form dienen, wobei der Drillkörper dort erweicht und dabei von einem Ende beginnend in Richtung quer zur Achsrichtung verformt wird. Die gleiche Verformung wird aber beispielsweise auch dadurch erreicht, daß der Drillkörper kontinuierlich einer Erhitzungszone zugeführt, dort in einem mittleren Bereich seiner Länge erweicht und unter einer in Achsrichtung wirkenden Kraft, in eine im Erhitzungsbereich angeordnete Form, quer zur Achsrichtung verformt wird.

Das Verdrillen des Ausgangskörpers und das Verdrillen des Glasstabes gewährleistet eine gute Durchmischung ursprünglich im Ausgangskörper weit entfernter Bereiche der Glasmasse in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen, wodurch eine sehr gute Homogenität des Quarzglas-Körpers in allen Raumrichtungen erreicht wird. Bei sehr hohen Anforderungen an die optische Homogenität kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit dem Glasstab als Ausgangskörper wiederholt werden.

Insbesondere für die Herstellung sehr großer, homogener Körper hat sich ein Verfahren bewährt, bei dem das Bilden des Glasstabes einen Umformschritt umfaßt, bei dem der Drillkörper zu einer Glasplatte verformt wird. Das Umformen der Glasmasse des Drillkörpers erfordert bei großem Volumen der Glasmasse lange Umformzeiten. Durch Erhöhen der Erweichungstemperatur kann die Umformzeit verkürzt werden, jedoch ist dann vermehrt mit Abdampfverlusten der Glasmasse, mit chemischen Reaktionen des Glases mit dem Form-Material oder mit verstärktem Abrieb der Form durch die an den Formwänden vorbeifließende Glasmasse, zu rechnen. Die dadurch verursachten Inhomogenitäten in der Glasmasse können durch die Auf­ trennung des Umformschrittes der Umformung des Drillkörpers in den Glasstab in mehrere, kleinere Umformschritte, bei denen zunächst aus dem Drillkörper eine Glasplatte und aus dieser der Glasstab erzeugt wird, vermieden oder vermindert werden. Hierfür wird der Drillkörper beispielsweise in einer Form stehend erweicht, bis er unter Einwirkung einer in Achsrichtung wirkenden Kraft, bei­ spielsweise unter Einwirkung der Kraft des eigenen Gewichtes in sich zusammen­ fällt und dabei in die Form in Richtung quer zur Achsrichtung verformt wird. Zur Erzielung eines homogenen Temperaturfeldes innerhalb der umzuformenden Glasmasse, wird die Form vorzugsweise von einem sie umgebenden, elektrisch beheizbaren Ofen aufgeheizt. Dabei wird die Glasplatte im Hinblick auf einen nachfolgenden Umformschritt, bei dem ein Glasstab gebildet wird, dessen Längs­ achse im wesentlichen senkrecht zur Schichtung verläuft, vorteilhafterweise so gebildet, daß in ihr die Schichten entweder senkrecht, vorzugsweise jedoch parallel zur großen Plattenoberfläche verlaufen. Das Volumen der Glasmasse und die Innenmaße der Form sind dabei vorteilhafterweise so aufeinander abge­ stimmt, daß eine Glasplatte gebildet wird, deren Dicke etwas kleiner ist als eine oder die seitliche Abmessung des zu bildenden Glasstabes.

In einem weiteren Umformschritt kann dann aus der so hergestellten Glasplatte durch Erweichen in einer Form und unter Einwirkung einer Kraft der Glasstab gebildet werden. Dabei wird die Glasplatte in der Form so orientiert, daß unter Berücksichtigung der Wirkungsrichtung der Kraft der Glasstab gebildet wird. Bei einer Glasplatte, bei der die Inhomogenitäts-Schichten parallel zur Oberfläche verlaufen bedeutet dies beispielsweise eine Stauchung in einer Richtung parallel zur Plattenoberfläche. Um die Orientierung der Inhomogeni­ täts-Schichten weitgehend zu erhalten wird die Stauchung der Glasplatte vor­ teilhafterweise so ausgeführt, daß die mit der Stauchung einhergehende Ver­ längerung einer anderen Seite der Glasplatte im wesentlichen nur in einer Richtung und/oder deren Gegenrichtung erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Dicke der Glasplatte nur wenig kleiner als eine seitliche oder die seitliche Abmessung des zu bildenden Glasstabes, bzw. etwas kleiner als die entsprechende Innenabmessung der Form für die Herstellung des Glas­ stabes gewählt wird.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die Glasplatte mit einem, in Wirkungs­ richtung der Umformkraft gesehen, rechteckigen Querschnitt auszubilden. Insbe­ sondere die Handhabung großvolumiger Glasplatten und deren weitere Umformung zu dem zu bildenden Glasstab wird dadurch vereinfacht.

Ein Verfahren, bei dem der Glasstab durch Umformen des Drillkörpers in einem einzigen Umformschritt gebildet wird, zeichnet sich durch besondere Wirt­ schaftlichkeit aus. Die Glasmasse muß dabei nur für das Verdrillen sowie für den einen Umformschritt erhitzt werden. Weiterhin wird für das Umformen des Drillkörpers in den Glasstab nur eine Form benötigt.

Es wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der die Kraft zum Umformen die Schwerkraft und/oder eine mechanisch erzeugte Umform-Kraft umfaßt. Ein Umform­ schritt, bei dem die Glasmasse allein aufgrund ihres Eigengewichtes, unter der Wirkung der Schwerkraft in sich zusammenfällt, bewirkt eine langsame Verfor­ mung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Glasmasse und verhin­ dert so die Bildung zusätzlicher Inhomogenitäten beim Umformen. Durch eine zusätzlich auf die umzuformende Glasmasse aufgebrachte, in die gleiche Rich­ tung wie die Schwerkraft wirkende Umform-Kraft, beispielsweise ein auf die Glasmasse wirkendes Zusatzgewicht, wird der Umformvorgang beschleunigt. Bei einer Verformung unter einer künstlich erzeugten Umform-Kraft, beispielsweise unter einem von außen auf die Glasmasse aufgebrachten Druck, kann das Umformen der Glasmasse in jeder Richtung erfolgen und die Umformgeschwindigkeit über die Höhe des aufgebrachten Drucks gesteuert und, falls erforderlich, beschleu­ nigt werden. Außerdem kann die Temperatur während des Umformschrittes niedri­ ger gewählt werden. Zwischen dem Form-Material und die Glasmasse eventuell ablaufende chemische und physikalische Reaktionen können dadurch verhindert oder vermindert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand einer Zeichnung nachfolgend bei­ spielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 das Verdrillen eines Ausgangskörpers um seine Längsachse unter Bil­ dung eines Drillkörpers,

Fig. 2 einen verdrillten Ausgangskörper in einer Form zur Herstellung einer Glasplatte,

Fig. 3 eine Glasplatte nach Entnahme aus der in Fig. 2 dargestellten Form,

Fig. 4 das Einsetzen einer Glasplatte gemäß Fig. 3 in eine Form zur Bildung eines Glasstabes,

Fig. 5 einen Glasstab, nach Entnahme aus der Form gemäß Fig. 4,

Fig. 6 einen Drillkörper in einer Form zur Bildung eines Glasstabes in einem Umformschritt und

Fig. 7 den aus dem Drillkörper gemäß Fig. 6 gebildeten Glasstab in der Form gemäß Fig. 6.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein zylinderförmiger Ausgangskörper mit einem Gewicht von ca. 15 kg bezeichnet. Durch gegenläufige Rotation zweier, an den Zylinderenden angeschmolzener Pfeifen 2; 3 wird der Ausgangskörper 1 um seine Längsachse verdrillt und dabei die Glasmasse unter Bildung eines Drill­ körpers 5 in radialer Richtung intensiv vermischt. Die Rotationsrichtungen der Pfeifen 2, 3 ist mit den Richtungspfeilen 4 gekennzeichnet. Aufgrund der Durchmischung der Glasmasse in radialer Richtung werden Inhomogenitäten in dieser Richtung weitgehend entfernt. Inhomogenitäten die sich in Längsachsen­ richtung des Ausgangskörpers 1 erstrecken, können auf diese Weise jedoch nicht beseitigt werden und bleiben im Drillkörper 5 als Schlieren-Schichten 6 sicht­ bar, da in dieser Richtung keine oder nur wenig Durchmischung der Glasmasse stattfindet. Die Schlieren-Schichten 6 verlaufen dabei im wesentlichen senk­ recht zur Zylinderachse, bzw. die Schichtung verläuft in Richtung der Zylin­ derachse.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie der Drillkörper 5 in einer Form 7 erweicht wird und unter seinem eigenen Gewicht in sich zusammenfällt. Der Übersichtlichkeit halber ist der die Form 7 aufheizende, elektrisch beheizte Ofen in der Figur nicht dargestellt. Das Volumen der Glasmasse des Drillkör­ pers 5 und die Innenmaße 8, 9 der Form 7 sind dabei gerade so ausgelegt, daß die gesamte erweichte Glasmasse in der Form 7 eine Schicht mit der Stärke S, nämlich 110 mm, auffüllt, wobei die Innenmaße 8; 9 der Form 7 mit 300 mm bzw. 200 mm größer sind als die Stärke S. Nach dem Erstarren der Glasmasse wird der Form 7 eine Glasplatte 10 entnommen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Glasplatte 10 weist Außenabmessungen entsprechend den Innenabmessungen 8; 9 der Form 7 und eine Stärke auf die, abgesehen von einer geringförmigen Schrumpfung, dem Wert S entspricht. Da auch durch den Umformschritt der Ver­ formung des Drillkörpers 5 zu der Glasplatte 10 kaum eine Durchmischung der Glasmasse in Längsachsenrichtung erfolgt, bleiben die Schlieren-Schichten 6 in der Glasplatte 10, unter Beibehaltung ihrer Orientierung und ihrer relativen Lage zueinander, im wesentlichen erhalten. Sie verlaufen darin im allgemeinen parallel zur großen Plattenoberfläche 11.

Die Glasplatte 10 wird, wie in Fig. 4 dargestellt, in einer Graphitform 12 bei einer Temperatur von ca. 1850°C erweicht, deren Seitenwände 13; 14; 15; 16 einen Raum mit rechteckiger Grundfläche umschließen, wobei die langen Sei­ tenwände 13; 15 eine Länge von ca. 560 mm haben und einen Abstand voneinander halten, der etwas größer ist als die Stärke S der Glasplatte 10. Die Glasplat­ te 10 wird vorzugsweise mittig in der Graphitform 12 plaziert und dabei so in der Graphitform 12 orientiert, daß die langen Seitenwände 13; 15 sowohl paral­ lel zu der großen Plattenoberfläche 11 (Fig. 3) als auch parallel zu den Schlieren-Schichten 6 verlaufen. Da sich die erweichende Glasmasse im wesent­ lichen in einer Richtung bzw. der Gegenrichtung dazu, nämlich parallel zu den langen Seitenwänden 13; 15 verformt, behalten die Schlieren-Schichten 6 auch in der Glasmasse des sich bildenden Glasstabes 17 (Fig. 5) diese Orientierung bei.

Nach dem Erstarren kann der Graphitform 12 ein Glasstab 17 mit einem in Achs­ richtung gesehen annähernd quadratischen Querschnitt und den Abmessungen 110 mm × 110 mm entnommen werden, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. In diesem Glasstab 17, dessen Länge und Querschnittsfläche mit der Länge und Quer­ schnittsfläche des Ausgangskörpers 1 vergleichbar sind, verlaufen die Schlie­ ren-Schichten 6 parallel zu seiner Längsachse (bzw. verläuft die Schichtung der Schlieren senkrecht zur Längsachse); sie sind durch ein Verdrillen des Glasstabes 17 um die Längsachse leicht zu entfernen. Der so hergestellte Kör­ per ist in drei Raumrichtungen homogen.

Anhand der Fig. 1 bis 5 wurde beispielhaft ein Verfahren erläutert, bei dem eine Verformung eines Drillkörpers 5 zu einem Glasstab 17, in dem die Schlie­ ren-Schichten 6 parallel zur Längsachse verlaufen, über einen Zwischen-Umform­ schritt erfolgte, bei dem eine Glasplatte 10 gebildet wurde. Der gleiche Glas­ stab 17 läßt sich, ausgehend von einem Drillkörper 5, auch in nur einem Um­ formschritt herstellen. Dieses Verfahren, das aufgrund der höheren Umformraten und stärkeren Umformbewegungen, höhere Erweichungstemperaturen und längere Umformzeiten erfordert, ist beispielhaft in den Fig. 6 und 7 erläutert. Dabei wird die Glasmasse eines Drillkörpers 5, wie in Fig. 6 dargestellt, senkrecht stehend in einem Graphit-Rohr 18 erweicht, dessen untere Öffnung in eine Bohrung des Mantels eines zweiten, senkrecht zum ersten Graphit-Rohr 18 angeordneten Graphit-Rohres 19, mündet. Die Innenmaße des ersten Graphit-Roh­ res 18 sind nur wenig größer als die Außenmaße des Drillkörpers 5 gewählt. Unter dem eigenen Gewicht und einer zusätzlich auf die obere Stirnfläche des Drillkörpers 5 wirkenden Gewichtskraft, deren Wirkungsrichtung durch den Pfeil 20 symbolisiert ist, fällt der Drillkörper 5 in sich zusammen und verformt sich unter Bildung eines Glasstabes 22 (Fig. 7) in Bezug auf die Glasmasse im wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Drillkörpers. Die wesentliche Verformungs-Richtung ist in Fig. 6 mit den Richtungspfeilen 21 dargestellt.

Nach der vollständigen Umformung der Glasmasse des Drillkörpers 5 liegen die Schlieren-Schichten 6 im wesentlichen parallel zur Längsachse des so gebilde­ ten Glasstabes 22, wie es in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Der Glasstab 22 wird danach durch Verdrillen um seine Längsachse vollständig homogenisiert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines homogenen, schlierenfreien Körpers aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas durch Umformen eines stabförmigen Ausgangskörpers mittels folgender Verfahrensschritte:

• a) Bilden eines, eine schichtweise radial homogenisierte, axiale Schichtung aufweisenden Drillkörpers, durch Verdrillen des Ausgangskörpers um seine Längsachse,
• b) Bilden eines Glasstabes, dessen Längsachse senkrecht zu der Schichtung verläuft, umfassend das Erweichen des Drillkörpers in einer aufheizbaren Form und Verformen in eine Richtung quer zur Achsrichtung, in die Form unter einer in Achsrichtung wirkenden Kraft.
• c) Verdrillen des Glasstabes um seine Längsachse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden des Glasstabes einen Umformschritt umfaßt, bei dem der Drillkörper zu einer Glasplatte verformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasplatte mit einer Plattenstärke gebildet wird, die im wesentlichen einer seitlichen Abmessung des zu bildenden Glasstabes entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasplatte mit einem, in Wirkungsrichtung der Kraft gesehen, rechteckigen Querschnitt, gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umformen des Drillkörpers in einem einzigen Umformschritt der Glasstab gebildet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft die Schwerkraft und/oder eine mechanisch erzeugte Umform-Kraft umfaßt.