制造大型石英玻璃管的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通过多步成型制造大型石英玻璃管的方法，其中在第一成型步骤中使 用成型工具形成具有中间圆筒壁厚和中间圆筒外径的由石英玻璃制成的中间圆筒并随后 冷却，且其中在第二成型步骤中将冷却的中间圆筒的至少一个长度段供应到加热区，在其 中逐区加热到软化温度并在围绕其纵轴旋转的同时成型为具有最终壁厚和最终外径的大 型石英玻璃管。
[0002] 通过在两个或更多个成型阶段中形成石英玻璃空心圆筒，导致该管外径的扩大或 其横截面轮廓的改变。在几个阶段中成型使得更容易遵循拉出管束的预定的径向尺寸，如 外径、内径或壁厚。 现有技术
[0003] 从DE10 2007 061 609A1中获知通用的两步成型法。在第一成型步骤(也称作 "压缩"）中，围绕其纵轴旋转的由石英玻璃制成的起始圆筒在由电加热生成的前加热区中 逐区软化，并在此过程中经由固定在该圆筒纵轴中的心轴压缩，同时以其圆筒外壳抵着距 该心轴预定距离安置的成型部件挤压。由此产生由软化石英玻璃制成的空心圆筒形中间产 品，其中该心轴限定其内径且该成型部件限定其外径。心轴与成型部件之间的间隙限定该 空心中间产品的额定壁厚。
[0004] -旦该中间产品达到一定的尺寸稳定性，就在相同工序中对其施以第二成型步 骤，其被称作"吹胀"。在此过程中，将空心中间产品连续供应到也由电加热生成的后加热 区，在此软化并通过抵着第二成型部件在空腔中施加内压而吹制。从此处沿该管的纵轴方 向拉出外径305毫米的薄壁石英玻璃管，其中所述"拉出"可仅限于石英玻璃管的轴向稳定 化，而不向石英玻璃管施加进一步拉长该石英玻璃管的拉力。
[0005] 所述石英玻璃管的外径由成型工具与纵轴（=拉制轴）的径向距离确定，壁厚由起 始圆筒的进给速度与石英玻璃管的拉出速度的比率确定。
[0006] 由于压缩和吹胀在一个工序中进行，节省大量的时间和能量。由此获得的石英玻 璃管的内壁不用工具成型。但是，外壳与成型工具接触，以致在软石英玻璃上的高压下可能 形成拉痕或其它缺陷。此外，在石英玻璃管束脱离最后的成型工具后还可发生直径变化。由 于越来越要求部件不存在缺陷和尺寸稳定，这种方法程序被证明是不够的。
[0007] 通过如从JPH04-26522A中获知的不连续两步成型法避免这些缺点。为了由合 成石英玻璃制造石英玻璃管，石英玻璃块在第一成型阶段中成型为厚壁空心圆筒。该空心 圆筒在第二成型阶段中吹胀成薄壁石英玻璃管。在此，将该厚壁空心圆筒以水平取向夹在 玻璃车床中并借助沿该空心圆筒的纵轴连续移动的感应加热的狭长石墨加热元件逐区软 化。将软化区拉长并同时在不与成型工具接触的情况下通过施加气体内部超压而吹胀成具 有大外径的薄壁石英玻璃管。
[0008] 虽然该空心圆筒在最后成型步骤中的无接触吹胀避免如在使用成型工具时出现 的拉痕和类似缺陷。另一方面，拉出的石英玻璃管遵循预定的尺寸稳定性在该方法程序中 被证明是有问题的。
[0009] 通过从JP2004 149325A中获知的方法变体提供对此问题的解决方案，其中将最 后的成型阶段重复数次，从而通过逐渐扩大获得石英玻璃管的最终直径。在此，通过在离心 力的作用下旋转逐区软化的起始管来扩大直径。
[0010]由此获得在各个单独的扩大步骤中相对低的变形程度，这在各个获得的中间尺寸 中伴随着与额定尺寸的较小偏差。此外，各个扩大步骤提供了考量和校正各个起始管中存 在的尺寸偏差的可能性。但是另一方面显而易见的是，该方法程序在时间和能量方面需要 巨大支出，但这在大型石英玻璃管的情况下和在对尺寸稳定性的要求极高时才合理。
[0011] 技术目的 几何形状波动随最终管的外径呈指数型提高。最终管直径越大，越难制造尺寸稳定的 大型管。
[0012] 因此本发明的目的是提供能以经济上合理的花费制造甚至在大于500毫米的大 外径下也具有高尺寸稳定性的石英玻璃管的方法。
[0013] 本发明的一般描述 由一开始提及类型的方法出发，根据本发明通过以下方式实现这一目的，即该石英玻 璃是合成生产的并具有10重量ppm或更低的平均羟基含量，附加条件是在将中间圆筒分成 长度1厘米的长度段时，相邻长度段具有小于2重量ppm的平均羟基含量差异。
[0014] 在本发明的方法中，在第一成型步骤中使用成型工具，以获得具有特定外径的中 间圆筒。该成型工具例如由是如上所述的成型颚（Formbacken)，或是如从熔体坩埚中拉制 石英玻璃管时使用的拉制喷嘴。在最后提到的情况中，借助拉制喷嘴将粘性石英玻璃料成 型为石英玻璃束。第二成型步骤中成问题的是，在保持预定的尺寸稳定性的同时实现经济 角度上可接受的成型（即中间圆筒的外径的扩大)程度。第二成型步骤也可以如从上文提及 的现有技术中已知的那样分成多个具有较低变形程度的子成型步骤。
[0015] 已经证实，在这方面，石英玻璃的羟基含量及其在中间圆筒的长度上的轴向分布 是决定性参数。石英玻璃的羟基含量影响其粘度。因此，在石英玻璃软化时，羟基浓度的梯 度造成中间圆筒壁中的局部粘度差异，这些可能导致不想要的和不可预见的变形。
[0016] 由于石英玻璃的羟基含量也影响红外辐射的吸收，这一效应甚至加剧。较高的羟 基含量导致红外波长范围内的更强烈的吸收和更高的辐射。此类石英玻璃比具有较低羟基 含量的石英玻璃更快变热和更快冷却。羟基含量的波动因此在几个方面中影响粘度并在成 型过程中造成不合意的和几乎无法控制的变形。
[0017] 在这方面，由通常具有低羟基含量的天然原材料制成的石英玻璃被证明是对不合 意的变形较不敏感。但这在实践中并未以清楚明确的方式证实。相反，由天然原材料制成的 石英玻璃成型为尺寸精确的大型管被证明是成问题的。这可归因于天然石英原料中存在的 其它杂质。尽管合成生产的石英玻璃通常表现出高纯度，但其含有制造所致的通常大量的 羟基，并且如上文解释，它们在高成型程度的情况下可能造成不可预见的和不确定的变形。
[0018] 本发明现在提供一种方法，其在遵循窄的框架条件下能将合成生产的石英玻璃经 济地加工成尺寸稳定的大型管，甚至当对此需要高成型程度时。
[0019] 最重要的框架条件是： (a)使用至少两步成型法，其中在第一成型阶段中使用成型工具以尽可能准确遵循在 此制成的成型产品的预定外径。该成型阶段的成型产品充当可直接接在其后的第二成型步 骤中的起始圆筒。
[0020] (b)在此被证明重要的是，中间圆筒的合成石英玻璃具有10重量ppm或更低，优 选2重量ppm或更低的低平均羟基含量，且羟基含量如此均匀分布在中间圆筒长度上，以使 在将中间圆筒分成长度1厘米的长度段时，相邻长度段的平均羟基含量彼此相差小于2重 量ppm，优选小于1重量ppm。
[0021] (c)当遵循条件（a)和（b)时，在成为大型石英玻璃管的第二成型阶段中得到可 再现的成型行为，其对校正和随后控制的要求低。因此，甚至在高成型程度下，在最好的情 况下可以省去成型工具。当在这一过程中使用成型工具时，轻微作用于大型管的外壁就足 够了，从而作为该成型步骤的成型产品获得具有所需尺寸稳定性、光滑和高品质内壁和仍 然基本无缺陷和无条痕的表面的大型石英玻璃管。
[0022] 具有这种低羟基含量的合成石英玻璃的制备通常经由Si02颗粒的多孔半成品进 行，其使得能够干燥处理以除去制造所致而含有的羟基。多孔310 2体的干燥处理在此可以 仅通过热进行并辅以负压，或通过与干燥剂如氯气的化学反应进行。小于10重量ppm的平 均羟基含量的调节在此不如生成在该多孔Si02体的体积上均匀的浓度分布那样成问题。DE 10 152 328A1描述了用于解决在石英玻璃管生产的早