專利名稱：用于在石英玻璃的坩堝拉制法中使用的熔煉坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在坩堝拉制法(Tiegelziehverfahren)中使用的熔煉坩堝， 所述熔煉坩堝具有用于容納軟化的石英玻璃物料的坩堝內(nèi)部空間，其由鎢、鉬、鈮或鉭或這些金屬的耐高溫合金組成的壁限定，其中所述壁具有朝向坩堝內(nèi)部空間的內(nèi)側(cè)，所述內(nèi)側(cè)至少部分地用保護層覆蓋。
背景技術(shù)：
這種類型的熔煉坩堝使用在用于生產(chǎn)具有任意的橫斷面輪廓的石英玻璃的圓柱形部件的坩堝拉制法中。這種類型的熔煉坩堝從EP 1 160 208 A2已知。粒狀SiO2-析出氣體物料從上面持續(xù)地供應給熔煉坩堝且在高溫(>2050°C)時在起還原作用的保護氣體 (氫氣)下軟化，從而構(gòu)成粘稠的石英玻璃物料，所述石英玻璃物料在熔煉坩堝的下面區(qū)域經(jīng)由設在坩堝底部區(qū)域中的拉制噴嘴往下以石英玻璃管的形式拉出。為了供給粒子狀的原材料設有供料斗(SchUtttrichter)，所述供料斗伸入到熔煉坩堝內(nèi)，且其下端部在粘稠的玻璃物料表面(以下稱為“熔體表面”)的上面而結(jié)束。所使用的熔煉坩堝-材料通常是鎢(W)、鉬(Mo)或這些金屬的合金。然而，這些不敏感的金屬并不是完全耐腐蝕的且在高溫情況下傾向于與氧氣或其他氣態(tài)反應物反應，如氯化物，所述反應物能夠在粒狀的SiO2-原材料的凈化過程夾帶進入坩堝室中或作為分解產(chǎn)物從原材料釋放出來。通過與坩堝壁的金屬的反應形成易揮發(fā)的金屬混合物，所述金屬混合物從坩堝壁上逸出且在還原的熔煉坩堝-環(huán)境中再次還原成微粒金屬。這些金屬進入到石英玻璃熔體內(nèi)，或者主要在坩堝壁或在熔煉坩堝的底部區(qū)域中增多，從這些地方，金屬非連續(xù)地與玻璃熔體的熔體流以集中的形式被拉出且然后以未分解的金屬氧化物顆粒的形式在石英玻璃熔體中作為石英玻璃束的條紋或變色可被觀察到并且可以導致廢品。與石英玻璃熔體相比，雖然由銥、錸、鋨和釕組的高熔金屬制成的熔煉坩堝展示了基本上更好的耐腐蝕性，但是它們相當昂貴。作為可選方案提出，僅此外由鎢或鉬制成的熔煉坩堝的內(nèi)側(cè)通過由貴金屬制成的保護層來保護防止腐蝕。這種類型的熔煉坩堝例如從上面已經(jīng)提到的EP 1 160 208 A2以及EP 1 355 861 Bl禾口 US 6, 739, 155 Bl已知。在此， 鎢-坩堝的內(nèi)側(cè)設有由銥、錸、鋨和這些金屬的合金制成的保護層。該保護層要么冶金學式地與坩堝壁相連，要么它構(gòu)成單獨的插入件，該插入件靠在坩堝壁上和機械式地固定在坩堝壁上。這種類型的保護層的典型厚度范圍為0. 5mm至1. 27mm。從US 4，806，385 A已知一種用于由鉬制成的部件的保護層，所述部件在腐蝕性條件下能夠抵抗高溫。鉬部件例如涉及用于在玻璃熔體中使用的電極。保護層分層地通過由鉬或Al2O3制成的粉末混合物的等離子噴涂制成，其中Al2O3-組分從內(nèi)往外增加。
與石英玻璃熔體對比，最后描述的熔煉坩堝具有改進的耐腐蝕性。然而由于用于生產(chǎn)保護層的鍍層金屬是昂貴的，生產(chǎn)坩堝的材料成本是相當高的。
發(fā)明目的從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于在石英玻璃的坩堝拉制法中使用的熔煉坩堝，所述熔煉坩堝在更低的材料成本情況下展示了良好的耐腐蝕性。從前述類型的熔煉坩堝出發(fā)，按照本發(fā)明的目的通過這樣實現(xiàn)，即保護層由不透氣的氧化材料組成，所述氧化材料在20 至ISOOtlC的溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生相變，且坩堝內(nèi)部空間在待容納的石英玻璃物料上面具有氣體空間，且保護層僅僅設在熔煉坩堝-內(nèi)側(cè)的鄰接氣體空間的表面上。坩堝壁基本上由耐高溫的金屬組成，其中除鎢外也可考慮鈮、鉬和鉭。至少與熱氣體環(huán)境處于接觸的坩堝內(nèi)壁全部地或部分地設有盡可能厚的由氧化材料組成的保護層。保護層減少了腐蝕性氣體、尤其是氧氣和含氯化合物在坩堝-內(nèi)壁上的作用，且因此減少了坩堝金屬進入到石英玻璃物料中。與已知的帶有貴金屬襯套的熔煉坩堝對比， 用于生產(chǎn)的材料然而是氧化類型的且通過這樣特別便宜。重要的是，保護層加熱時或在使用熔煉坩堝過程中至少在石英玻璃物料上面的氣體空間內(nèi)不會脫落。按照規(guī)定使用熔煉坩堝時的最大溫度典型為2000 至2300 的范圍， 其中軟化的石英玻璃物料上面的氣體空間具有明顯更低的大約500 的溫度。然而，金屬坩堝壁也能夠在氣體空間區(qū)域內(nèi)通過熱傳導加熱，使得僅這些氧化物適合于保護層的構(gòu)造， 所述保護層在直到約ISOOtlC的溫度不會發(fā)生相變，且因此在低于這個溫度下也不熔化。坩堝內(nèi)部空間在待容納的石英玻璃物料上面具有氣體空間，其中保護層僅僅設在熔煉坩堝-內(nèi)側(cè)的鄰接氣體空間的表面上。通常情況下，軟化的石英玻璃物料的大概的熔池液面高度(khmeIzbadhShe)在按照規(guī)定使用熔煉坩堝之前已經(jīng)是大致已知的。出于過程穩(wěn)定的原因，熔池液面高度在使用過程中也優(yōu)選保持大致恒定。軟化的石英玻璃物料能夠熔解氧化物的保護層。因此，在熔體液面 (Schmelzspiegel)下面結(jié)束的保護層會隨著時間腐蝕掉。在此，包含在保護層中的元素和可能的雜質(zhì)會進入到石英玻璃物料中。這在通常情況下是可接受的，只要保護層的熔解是在拉制爐試運行過程中進行并且長的試運行期是可接受的，也就是在量產(chǎn)時。這個過程的優(yōu)點在于，這個過程后殘留的、未熔解的保護層幾乎準確地在熔體液面上結(jié)束。因此，這是無害的或甚至是優(yōu)選的，當保護層從一開始就這樣設置，即它會滲入到石英玻璃物料中。然而，在按照本發(fā)明的熔煉坩堝的實施例中設成，保護層從一開始，也就是說在按照規(guī)定使用熔煉坩堝前，僅設在氣體空間內(nèi)，且因此與石英玻璃熔體并不接觸。保護層剛好結(jié)束在預規(guī)定的熔池液面高度或稍微高出，其中在第一次提及的情況中，熔體液面的波動能夠引起保護層熔解過一定的、即使是小的高度，且在最后提及的情況中必須接受帶有未受保護的坩堝壁的小的表面區(qū)域。該表面區(qū)域能夠保持得越小，通過氣體環(huán)境的腐蝕攻擊會越小。通常情況下，約為2cm高的未受保護的表面區(qū)域是可接受的。按照本發(fā)明的熔煉坩堝的另一個優(yōu)點在于，僅需要對相對小的表面區(qū)域進行鍍層，即在氣體空間內(nèi)與腐蝕環(huán)境接觸的熔煉坩堝-內(nèi)側(cè)的那些表面區(qū)域。因此優(yōu)選設為，設有保護層的表面共計小于整個內(nèi)側(cè)-表面的30%，優(yōu)選小于25%。已經(jīng)證實，當保護層包含從以下組選取的氧化物鋁、鎂、釔、鋯和稀土金屬時是有利的。這些金屬的氧化物或混合氧化物(尤其是由鎢組成)展示了在坩堝表面上的良好的附著性。在這里，“稀土”包括鑭系(包括鑭)以及&和￥。在氧化鋯情況下，優(yōu)選穩(wěn)定的 ，其包含一定數(shù)量的AO3。在此已經(jīng)證實，由Al2O3組成的保護層是特別有利的。Al2O3是自然生成的石英玻璃原材料的組成部分且對于石英玻璃的大多數(shù)應用是無害的。這同樣適用于&02，ZrO2作為含量直至0. 7重量ppm的摻加物對于許多石英玻璃的應用是可接受和特定的。摻加Al2O3產(chǎn)生了石英玻璃的粘性的提高，這個甚至是可以期待的。因此通常情況下，帶有從保護層進入的Al2O3的石英玻璃物料的一定增多是無害的。氧化鋁的熱膨脹系數(shù)的范圍為5. 5至7 χ 10_6 K—1且因此鎢(4. 3至4. 7 χ 10_6 K—1)和鉬(5. 3 χ 10_6 K1)的熱膨脹系數(shù)的數(shù)量級。類似的熱膨脹系數(shù)有助于層在坩堝壁上好的附著性。在該上下文中已經(jīng)證實，當保護層具有50 μ m至500 μ m范圍的平均層厚時、特別優(yōu)選為IOOym至200μπι的范圍時也是有利的。保護層作用為擴散障礙用于腐蝕氣體侵入坩堝基體壁。擴散障礙物層的功能越突出，保護層越厚。另一方面，隨著保護層厚度的增加，由于層和坩堝壁的熱膨脹系數(shù)的不同而形成的脫落危險也隨著增大。已經(jīng)證實，考慮到這點，層厚范圍為50至500 μ m、尤其是在 100至200 μ m這樣的范圍作為合適的折中選擇。保護層優(yōu)選通過熱噴涂制成。在熱噴涂時，氧化的或輕度氧化的金屬的原料粉末粒子 (Ausgangspulverteilchen)以流體物料形式，如大致作為可流動的粉末、溶膠或懸浮液(分散物)供應給能量載體，它們在其內(nèi)至少部分熔化且以高的速度離心涂鍍到待鍍層的坩堝表面上。通常情況下，該能量載體構(gòu)造為燃料氣體-氧氣-火焰或等離子束，但是也能夠作為電弧、激光束或類似物構(gòu)成。特別優(yōu)選的是通過等離子噴涂生產(chǎn)的保護層。高能等離子噴涂法在離心涂鍍?nèi)刍匣蛉刍脑戏勰┝Ｗ拥酱儗拥谋砻嫔蠒r允許相對高的能量進入以及高的速度。通過這樣能夠在短時間內(nèi)生產(chǎn)出相對厚的和牢固附著的保護層。此外在氧氣存在于等離子火焰中時能夠使用金屬的原料粉末粒子，所述原料粉末粒子在等離子火焰中或在表面上沉積的過程中氧化。在此，能夠特別使用精細的顆粒，這方便了薄的保護層的制備。


以下根據(jù)實施例和附圖詳細闡述本發(fā)明。附圖中示出
圖1為在用于生產(chǎn)石英玻璃管的拉制爐內(nèi)的按照本發(fā)明的熔煉坩堝的實施例。
具體實施例方式初步試驗
在初步試驗中，在由鎢制成的板上通過真空等離子噴涂法(VPS法)各自設有氧化保護層。在此改變了鍍層參數(shù)。顆粒大小范圍為10至 οομπι之間的不同的氧化粉末使用作為用于保護層的原料物質(zhì)。如此設有不同保護層的W-板隨后加熱到1800 的溫度且在該溫度下在帶有1%容積HCI的氫氣環(huán)境下保持40天。板然后冷卻且保護層的狀態(tài)和板體和各自的層材料之間的邊界面的質(zhì)量根據(jù)顯微鏡圖評估。氧化保護層的化學組分、平均層厚和其他質(zhì)量評估特性從表1可見。
表 權(quán)利要求
1.用于坩堝拉制法中使用的熔煉坩堝，所述熔煉坩堝具有用于容納軟化的石英玻璃物料(27)的坩堝內(nèi)部空間(17)，其由鎢、鉬、鈮或鉭或這些金屬的耐高溫合金組成的壁(1)限定，其中所述壁(1)具有朝向坩堝內(nèi)部空間(17)的內(nèi)側(cè)，所述內(nèi)側(cè)至少部分地用保護層(2) 覆蓋，其特征在于，保護層(2)由不透氣的氧化材料組成，所述氧化材料在20 至ISOOtlC的溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生相變，且坩堝內(nèi)部空間在待容納的石英玻璃物料(27)上面具有氣體空間(17)，且保護層(2)僅僅設在熔煉坩堝-內(nèi)側(cè)的鄰接氣體空間(17)的表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔煉坩堝，其特征在于，設有保護層(2)的表面共計小于整個內(nèi)側(cè)-表面的30%，優(yōu)選小于25%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔煉坩堝，其特征在于，保護層(2)包含從以下組選取的氧化物鋁、鎂、釔、鋯和稀土金屬。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一項所述的熔煉坩堝，其特征在于，保護層(2)由Al2O3組成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一項所述的熔煉坩堝，其特征在于，保護層(2)具有50μπι至 500 μ m范圍的平均層厚，特別優(yōu)選為IOOym至200 μ m的范圍。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一項所述的熔煉坩堝，其特征在于，保護層(2)通過熱噴涂，優(yōu)選通過等離子噴涂制成。
全文摘要
在已知的用于坩堝拉制法中使用的熔煉坩堝設成，朝向坩堝內(nèi)部空間的坩堝壁的內(nèi)側(cè)至少部分地用由貴金屬制成的保護層覆蓋。與石英玻璃熔體相比，雖然已知的熔煉坩堝具有良好的耐腐蝕性，但是材料成本由于昂貴的鍍層金屬是相當高的。為了提供用于在石英玻璃的坩堝拉制法中使用的熔煉坩堝，所述熔煉坩堝在更低的材料成本情況下展示了良好的耐腐蝕性，按照本發(fā)明提出保護層(2)由不透氣的氧化材料組成，所述氧化材料在20℃至1800℃的溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生相變，且坩堝內(nèi)部空間(17)在待容納的石英玻璃物料(27)上面具有氣體空間(17)，且保護層(2)僅僅設在熔煉坩堝-內(nèi)側(cè)的鄰接氣體空間(17)的表面上。
文檔編號C03B5/167GK102245518SQ200980150380
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者弗朗茨 B., 萊貝爾 H., 貝克爾 J., 惠佩伊 N. 申請人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司