CS269482B1 - Elektrická odporová pec pro bezkontaktní tažení křemenných tyčí a trubic, určených k výrobě optických vláken - Google Patents

Abstract

Podstatnou ěásti elektrické odporové pece je grafitová topná sestava z technologických důvodů tažení tyčí 2i trubic vertikálně orientovaná, sestávající ee z topného Slánku a dvou grafitových přívodů. Topný článek i grafitové přívody jsou na styčných koncích opatřeny osazením, a to Širším osazením topného článku, zmenšujícím elektrický přechodový odpor, a užším osazením grafitových přívodů, zasahujícím do pracovního prostoru a stabilizujícím topnou zónu, vymezenou vnitřním průměrem topného článku. Grafitová topná sestava je odizolována od kovové konstrukce pece v nejnamáhanéjší oblasti topného článku a užšího osazení grafitových přívodů tepelnou izolací ze žáruvzdorných, zejména grafitových vláken, zajištěných keramickou mezistěnou, za níž je s výhodou uložena tepelná izolace z korundových dutých granulí, oddělená keramickým válcem od tepelné izolace ze sklokeramických vláken.

Description

CS 269 482 Bl 1 ;¥ Vynález es týká elektrická odporové pece pro bezkontaktní tažení křemenných tyčí atrubic, určených k výrobě optických vláken. Pec zahrnuje kovovou konatrukci, která jotvořena vnějěím a vnitřním pláětěm a víky a uvnitř konstrukce uleženou svisle orien-tovanou dělenou grafitovou topnou sestavou, která je od kovové konstrukce pece oddále-na tepelnou izolací. Vnitřní plechá topné sestavy vytváří pracovní prostor e přívodyinertního plynu. Topná sestava je tvořena grafitovým topným článkem a dvčma protileh-lými grafitovými přívody. Grafitové přívody topné sestavy jsou napojeny na vedou chla-zená kovová vlka, která Jsou připojena na přived elektrického proudu. Při třístupňové technologii výroby optických vláken se v první fázi zhotoví křemenný ;ingot, který může být získán zupraveného horského křiStálu, vyskytujícího se v přírodě,nebo z těkavých sloučenin křemíku, např. chloridu křemičitého, depozici v plazmovémhořáku. Získaný křemenný ingot se obrousí na požadované geometrické rozměry a k odstra-nění povrchových nečistot se dále louži ve zředěné kyselině fluorovodíkové. Ve druhéfázi třístupňové výroby optických vláken se křemenný ingot požadovaných geometrickýchrozměrů a vysoké chemické čistoty zahřívá na teplotu cca 1 900 *C v inertní atmosféře.

Po netaveni ingotu se z něj prostřednictvím tažného zařízená táhnou křemenné tyčinky.

Ve třetí fázi třístupňové výroby se z křemenných tyčinek táhnou optická vlákna. Výchozím polotovarem pro tažení optických vláken je vždy preforma, což je tyčinka, je-jíž chemická čistota a optické vlastnosti, jako je homogenita, index lomu, světelná pro-pustnost apod., musí být shodné s vlastnostmi výsledného optického vlákna. Mime poža-davků na vysokou optickou čistotu jsou na tuto preformu kladeny i značné nároky na přes-nost požadovaných geometrických rozměrů a neporuěenost povrchu. Navrhované řeěení sevztahuje k výrobě tyčinek nebo trubic z křemenných ingotů pro účely výroby optickýchvláken.

Je známa výroba křemenných trubic, případně i tyčinek v indukční peci. Nejprve se kře-menný ingot roztaví v grafitovém kelímku a vnějSÍ povrch trubic nebo tyčinek se běhemtažení tvaruje grafitovým kroužkem, který se věak při vysokých teplotách taženi kolem1 800 až 1 900 eC opaluje, jeho povrch hrubne a kopíruje se na povrch trubic, či tyči-nek. Při styku křemenného skla a grafitu za vysokých teplot dochází ke kontaminaci skla,což je pro účely zpracování na optické vlákno nepřípustné. Indukční pec má topný článekvytvořen z grafitových kroužků, které jsou Izolovány sazemi od nosného válce z opakníhokřemene, který je ovinut vodou chlazeným induktorem. Nevýhoda řeěení spočívá v kontami-naci okolí sazemi z izolační vrstvy. Další nevýhodou je poměrně složité elektrické za-řízení. Z těchto poznatků vyplynul požadavek vyvinout·technologii bezkontaktního taženi prefo-rem, při němž křemenné sklo ingotu nepřijde v průběhu ohřevu a taženi, až do stuhnutí,do styku s žádným materiálem. Proto byla zvolena k výrobě preřorem elektrická odporovápec.

Elektrická odporová pec, sloužící k bezkontaktnímu svařování eilnostěných trubic, pří-padně tyčí z křemenného skla vysoké čistoty, je popsána v československém autorském os-vědčeni č. 255 210. Elektrická odporová pec, popsaná v tomto vynálezu, je součástí za-řízení, které dále zahrnuje zasouvací a centrovací mechanismy k posuvu a vystředěníkřemenných tyči či trubic do středu pracovního prostoru uvnitř elektrické odporové pe-ce, ve které se provádí řízený ohřev čelních ploch tyčí či trubic, jejich svařování iochlazení. K zahřátí čelních ploch trubic či tyči slouží elektrická odporová pec · vál-covitým topným elementem z nekovového vodivého materiálu, např. grafitu vysoké čistoty.

Topný válcovitý svisle orientovaný element, jehož průřez Je -v oblasti žádaných vyso-kých teplot zúžen, je na čelních plochách připojen na elektrody. Vnitřní válcovitá plo-cha topného elementu vytváří pracovní prostor, do kterého je přiváděn inertní plyn,který je rovněž přiváděn i k vnějěímu povrchu topného elementu. Topný článek je uloženv kovové konstrukci pece, skládající se z vnitřního a vnějěíhe pláětě, které jsou na- ·? vzájem odděleny tepelnou izolaci. Trubkovitý topný element zajiětuje rozdělení teplot- Λ ního gradientu podél pracovního prostoru. Konstrukce pece a odporového topného článku í i tepelná izolace pece jsou určeny pro netavení a svařování křemenných tyčí a trubic, j -,v v 2 CS 269 482 B1 ve velmi úzkém teplotním pásmu, ale nejsou uzpůsobeny pro tažení křemenných tyčí a tru-bic z křemenného Ingotu.

Uvedené nevýhody se odstraní nebe podstatné omezí u elektrické odporové pece pro bez-kontaktní tažení křemenných tyčí a trubic, určených pro výrobu optických vláken, podlevynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že topný článek i oba grafitové přívody top-né sestavy jsou na styčných koncích opatřeny osazením, a to topný článek vné situovanýmširším osazením a grafitové přívody užSím osazením, které zasahuje do pracovního prosto-ru, jenž je ve spodní části opatřen na čele horizontálné suvnými uzavíracími destičkami.Vné topného článku a užSího osazení grafitových přívodů je uložena tepelná izolace zežáruvzdorných nekovových vláken, zejména grafitových, v žáruvzdorné keramické mezisténé,která je s výhodou zhotovena z materiálu o vysokém obsahu oxidu hlinitého. Vné mezisté-ny a grafitových přívodů je uložena tepelná izolace, vytvořená z materiálů, obsahujícíchoxid hlinitý. Z hlediska centrování při sestavování jednotlivých grafitových dílů topné sestavy,tj. topného článku a grafitových přívodů, je podle vynálezu výhodné, když širéí osazenítopného článku je opatřeno středícími výstupky, zapadajícími do centrovacích výstupkůužčího osazení grafitových přívodů.

Aby se tepelné ztráty dolním otvorem pracovního prostoru při tažení křemenných tyčíči trubic minimalizovaly, jsou s výhodou podle vynálezu grafitové destičky zhotoveny zgrafitu, případné ze žáruvzdorného keramického materiálu, a jsou opatřeny půlkruhovýmivýřezy, tvořícími kruhový otvor v ose pracovního prostoru. K zamezení tepelných ztrát povrchu pece 1 ke zvýšení životnosti grafitové topné se-stavy slouží tepelná izolace, umísténá vné mezistény a vné grafitových přívodů, která jevytvořena ve výhodném provedení podle vynálezu z korundových dutých granuli, a tato i-zolace je oddélena žáruvzdorným keramickým válcem, zhotoveným z materiálu na bázi oxiduhlinitého, který se opírá o obé Sela kovové konstrukce pece a za nimž je umísténá dalšítepelná izolace ze sklokeramických vláken na bázi oxidu křemičitého, hlinitého, případnézirkoničitého, která je uložena mezi tímto válcem, vnitřním pláštém pece a obéma Belykovové konstrukce pece.

Konstrukce elektrické odporové pece je pomérné nenáročná na výrobu a umožňuje jedno-duché sestavení i demontáž při výméné opotřebované topné sestavy. Širší osazení topnéhočlánku topné sestavy zmenšuje elektrický přechodový odpor mezi topným elementem a grafi-tovými přívody. Užší osazení grafitových přívodů zasahuje do pracovního prostoru a sta-bilizuje gradient teplot v topné zené topného článku. Užší osazení grafitových přívodůje provedeno z konstrukčních důvodů, aby bylo možno zajistit bezpečnou tepelnou Izolacinejnamáhanéjších části topné sestavy. Jelikož v prabovním prostoru a zejména v topnézené topného článku jeou velmi vysoké teploty, je nutno dobře tepelné Izolovat grafito-vou sestavu od kovové konstrůkce pece. Tepelná izolace je volena v tzv. sendvičovém u-spořádáni a různé typy jednotlivých tepelných izolací mají odstupňovanou tepelnou odol-nost, která klesá v radiálním sméru od topné sestavy a podle níž se volí i tlouštkajednotlivých tepelných izolací. Příkladné provedení vynálezu je popsáno dále a je znázornéno schematicky na připoje-ných výkresech, z nichž obr.l značí svislý OBOvý řez elektrickou odporovou pecí a obr. 2svislý osový řez topnou sestavou.

Elektrická odporová pec 1, viz obr. 1, má kovovou konstrukci ze žáruvzdorné oceli,která je tvořena vnšjšlm pláštém 2, vnitřním pláštém 2 a Sely 4, spojujícími válcovésvisle orientované plášté 2, 3 v čelních plochách. Uvnitř kovové konstrukce odporovépece 1 je umísténá válcovitá topná sestava 5, viz obr. 2, zhotovená z vysoce čistéhografitu, která je z technologických důvodů tažení tyči a trubic vertikálně orientovaná.Grafitová topná sestava 5, je dšlená a tvoři ji topný Slánek 6 situovaný v její středníčásti a navazující na horní a dolní grafitový přívod £. Topný článek 6 má na obou kon-cích z vnšjší strany širší osazení 8, které je na styčné ploše s grafitovými přívody T_ CS 269 482 Bl

•patřeno etředicími výstupky 9, zapadajícími do centrovacích výstupků 10 užšího osaze-ní 11 grafitových přívodů 7. Vnitřní plocha grafitové topné sestavy 5, vytváří pracovníprostor, který má větší průměr v topné zóné vymezené pracovním prostorem topného Slán-ku 6 vzhledem k užšímu průměru pracovního prostoru v oblasti užšího osazení 11 grafito-vých přívodů 7. U28Í osazeni 11 grafitových přívodů '£ na vnitřní straní vždy zasahujedo pracovního prostoru a napomáhá stabilití svislého teplotního gradientu tapné zóny.Vníjíí protilehlé konce grafitových přívodů 7 navazuji na mídíná vlka 12, chlazená chladici vodou 13. Obě mídíná víka 12 jsou připojena na přívody 14 elektrického proudu. Dopracovního prostoru se zavádí přívody 18 inertní}plyn, např. dusík, nebo agron, a vpříkladném provedení procházejí oba přívody 15 inertního plynu mídínými víky 12 i gra-fitovými přívody 7. Grafitová topná sostava 5_ je tepelní odizolována od kovové konstrukce odporové pece 1. Tepelné odizolováni je voleno v tzv. sendvičovém uspořádání^a jed-notlivé vrstvy jsou voleny je od stupňováním vzhledem ke klesající tepelné odolnosti ma-teriálů v radiálním smíru od topné soustavy 2 k.vnitřnímu plášti 3, pece 1. V oblastinejvíce tepelní namáhané, vní topného Slánku £ a užšího osazení 11 grafitových přívodů7, je uložena tepelné izolace l6 z žáruvzdorných vláken, např. grafitových, odolná pro-ti teplotám do cca 2 100 °C. Vložení tepelné izolace l6 z grafitových vláken Je zajiš-tíno žáruvzdornou keramickou mezistínou l7, zhotovenou z hmoty a vysokým obsahem oxiduhlinitého a opřenou o výstupek grafitových přívodů 7, vytvořený vní jejich užíích osa-zení 11. Vní této meziatíny 17 a vní grafitových přívodů Ί. je situována tepelné izola-ce 18 z dutých korundových žáruvzdorných granulí, odolávajícím teplotám do cca 1 800 eC

Korundové granule Jaou nasypány do prostoru mezi vníjíími plochami grafitových pří-vodů l a keramické mezistíny 16, mezi obíma Sely 4 kovové konstrukce pece 1 a válcem19 se žáruvzdorné keramické hmoty na bázi vysoce hlinitého materiálu. Mezi tímto vál-cem 19, usazeným na spodním Sele pece £, a vnitřním pláítím 3 kovové konstrukce pece 1 >je uložena tepelná izolace 20 ze žáruvzdorných sklokeramických vláken na bázi oxidukřemičitého a hlinitého, odolávající teplotám do cca 1 200 °C. Mezi obíma kovovýmiplášti 2, 3, vnšjším a vnitřním, je vzduchová mezera. Spodní chlazené mídšné víko 12pece 1 Je~vybaveno grafitovými uzavíracími destiSkami 21, horizontální suvnými. DestiS-ky 21 jsou opatřeny půlkruhovými výřezy 22, vytvářejícími v ose pracovního prostoruotvor pro tažení tySe Si trubice.

Elektrická odporové pec 1 pracuje následovní: Křemenný ingot požadovaných rozměrů, např. délky 1 500 mm a průměru 110 mm, o vy-soké chemické Sistotí a požadované kvalitě povrchu se zasune do topné zóny pracovníhoprostoru tak, že jeho spodní konec zasahuje do spodní Sásti topné zóny. potom se pra-covní prostor dokonale propláchne inertním plynem a do měděných vík 12 se zavede chla-dicí voda 13. Přívody 14 elektrického proudu se do pece začne dodávat elektrická ener-gie. Při postupně se zvyšující teplotě v topné zóně dochází k netavení křemenného in-gotu. V pracovním prostoru je vertikální gradient teplot. V topné zoní jsou teploty1 90C až 2 000 °C a směrem k chlazeným víkům 12 se teplota snižuje. Elektrický příkonodporové pece 1 se při natavování postupní zvyšuje, po natavení ingotu se grafitovéuzavírací destiSky 21 rozevřou a po odkápnutí stéká křemenné sklo vlastní vahou, pra-covním prostorem. Tažené tySinka se zavede mezi válce tažného stroje. Bestičky 21 seuzavřou a křemenná tyč o průměru např. 12 mm prochází pouze otvorem, vytvořeným vý-řezy 22 destiček 21. Elektrický příkon pece při tažení je cca 50 kW. Současně se za-vedením křemenné tyče do tažného stroje se spustí pomalý posun křemenného ingotu, kte-rý je zprostředkován pomocí podávacího zařízeni. Rychlost zasunování křemenného ingo-tu do pracovního prostoru a rychlost tažení tyčinek či trubic Jsou vzájemní vázányhmotnostní bilancí, tj. množstvím utaveného a odtaženého křemenného skla. V případětažení křemenných trubic se použije dutý křemenný ingot, do Jehož vnitřního prostoruse zavádí inertní plyn.

Claims (4)

1. 4 CS 269 402 B1 :;í pSedmžtvyhAlezb ;; X. Elektrická odporová pec pro bezkontaktní tažení křemenných tyčí a trubic, určených k výrobá optických vláken, zahrnujfoí kovovou konstrukci tvořenou vnéjáím a vnitř- 'j· ním pláátám e čely a kovovými víky, uvnitř která jo vložena vertikálná orientovaná dálená grafitová sestava, Jejíž vnájál plocha je oddálena od vnitřního pláátá te-pelnou izolací a jejíž vnitřní plocha vytváří pracovní prostor opatřený přívody 1-nertního plynu, přičemž topná sestava Je tvořena grafitovým topným článkem navazu-jícím na dva protilehlá grafitová, přívody, která jsou napojeny na vodou chlazenákovová víka, připojená na přívody elektrickáho proudu, vyznačující se tím, že top-ný článek (6) l oba grafitová přívody (7) jsou na styčných koncích opatřeny osaze-ním (8, 11), topný článek (6) vná situovaným Biráím osazením (8) a grafitová pří-vody (7) užším osazením (ll) zasahujícím do pracovního prostoru, který je ve spod-ní čáeti opatřen na víku (12) horizontálná suvnými uzavíracími.destičkami (21),přičemž vná topného článku (6) a užšího osazení (11) grafitových přívodů (7) jeuložena tepelná izolace (l6) ze žáruvzdorných vláken, zejména grafitových, v žáru-vzdorná keramická mezivrstvá (l7), a výhodou zhotovená ze hmoty s vysokým obsahemoxidu hlinitého, a vná této mezístány (l7) a grafitových přívodů (7) je uloženatepelná izolace (l8, 20) vytvořená z materiálů, obsahujících oxid hlinitý a křemi-čitý.
2. 2. Elektrická odporová pec podle bodu 1, vyznačující se tím, že áiráí osazení (8) top-ného článku (6) je opatřeno středícími výstupky (S) zapadajícími do centrovacíchvýstupků (10) užáího osazení (11)grafitových přívodů (7).
3. 3. Elektrická odporová pec podle bodu 1, vyznačující se tím, že uzavírací destičky (21)jsou opatřeny půlkruhovými výřezy (22), tvořícími kruhový otvor v ose pracovníhoprostoru, a jsou zhotoveny z grafitu, případná ze žáruvzdorného keramického mate-riálu.
4. 4. Elektrická odporová pec podle bodu 1, vyznačující se tím, že tepelná izolace (l8, 20) obsahující oxid hlinitý je tvořena tepelnou izolaci (18) z korundových dutýchgranulí, která je umístána vná keramická mezistány (l7) a grafitových přívodů (7)a je oddálena žáruvzdorným keramickým válcem (19), zhotoveným z materiálu na bázioxidu hlinitého a uloženým na spodním čele (4), od tepelná izolace (20) ze skloke-ramických vláken na bázi oxidu křemičitého a hlinitého, která je uložena mezi tím-to válcem (l9), vnitřním pláátám (3) a obáma čely (4). 2 výkresy