JP4884348B2 - 石英ガラスブロックの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、石英ガラスブロック、特に大型石英ガラスブロック（直径φ１５００ｍｍ以上、厚み３５０ｍｍ以上）の製造方法に関する。
従来、この種の大型石英ガラスブロックを製造する方法は、例えば特許文献１等によって知られている。図７は従来の石英ガラスブロックの製造方法の工程順を示すフローチャートである。この従来方法においては、図８に示すように、耐火耐熱煉瓦（ジルコニア、アルミナ等）で形成された炉床１０ａ及び炉壁１０ｂからなる溶融炉１０内に石英原料粉１２を投入する（図８（ａ）及び図７のステップ２００）。次に、該溶融炉１０の上部に設けられた加熱手段１４によって熱１６をかけ、石英原料粉１２を溶融する（図８（ｂ）及び図７のステップ２０２）。この溶融状態の石英ガラス融体１２ａを冷却して石英ガラス化し、石英ガラスブロック１８を製造するものである（図８（ｃ）及び図７のステップ２０４）。上述した従来方法の溶融プロセスにおける炉内温度と加熱時間との関係を図１０に示す。
上記した従来方法においては、まず、溶融炉１０内に石英原料粉１２を投入する。この石英原料粉１２の投入は、図９に示すように、溶融炉１０内に原料ドラム２０から石英原料粉１２を直接投入していたが、石英原料粉１２の投入時に粉が舞い上がり、レイヤー（層状の泡）が多数出来てしまっていた。
次に、溶融炉内に投入された石英原料粉はそのままの状態（粉締め処理がなされることはなく疎充填のままの状態）で溶融処理される。従って、石英原料粉間の空隙がそのまま泡になっていると考えられる。
従来方法では、図１０に示すように、石英原料粉を投入してから真空雰囲気（０．１Ｔｏｒｒ以下）で溶融可能な温度（１７５０℃以上）になるまで一気に昇温し溶融を行っていたが、石英原料粉中及び溶融炉の炉材から発生する水分及びガスが十分抜けずに石英ガラスブロック内に気泡として残ってしまっていた。このように出来上がった石英ガラスブロックの内部に泡が存在していると、石英ガラスブロックとしての品質の低下に直結してしまい、大きな問題であった。
また、炉材としては耐火耐熱煉瓦（ジルコニア、アルミナ等）で炉壁及び炉床を形成し、そこの石英原料粉を投入し溶融しているが、耐火耐熱煉瓦と直接接触するため、耐火耐熱煉瓦からの汚染が激しく製品の歩留りが悪くなる問題があった。
特開昭５６−１６９１３７号
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、石英ガラスブロック内部の泡を大幅に低減することによって石英ガラスブロックの品質向上を図ることができ、かつ石英ガラスブロックに対する汚染を防ぐことができ、石英ガラスブロックの歩留りを向上させることを可能とした石英ガラスブロックの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の石英ガラスブロックの製造方法は、
天然又は合成の石英原料粉を準備する準備工程と、
耐火耐熱煉瓦で炉床及び炉壁を形成してなるガラス溶融炉内へ前記石英原料粉を充填する充填工程と、
前記溶融炉内に充填された石英原料粉に対して水分及びガス除去のための前熱処理を施す前熱処理工程と、
前記前熱処理された石英原料粉を加熱溶融する溶融工程と、
前記溶融炉内で溶融された石英ガラス融体を冷却し石英ガラスブロックとする冷却工程と、を含み、
前記充填工程において、前記溶融炉に充填された石英原料粉の充填密度を１．４ｇ／ｃｍ３以上１．６ｇ／ｃｍ３以下の範囲の密充填とし、かつ前記前熱処理工程において、真空引き及び希ガス又はＨ２ガス導入処理を行い、
前記容器に充填された石英原料粉に振動を付加してその充填密度を上げるようにし、かつ該振動を付加する手段として表面を石英ガラス層で被覆した棒形バイブレーターを用い、該棒形バイブレーターを前記石英原料粉中に挿入し振動によって該石英原料粉を締め固め、前記バイブレーターの振動数を２００〜２５０Ｈｚとし、前記バイブレーターを前記石英原料粉の表面積４００〜９００ｃｍ ２ 毎に挿入するようにし、
前記前熱処理工程において、前記水分及びガス除去のための前熱処理における炉内温度プログラムが、石英原料粉の融点に到達する前に希ガス又はＨ ２ ガス雰囲気中（圧力６００〜７００Ｔｏｒｒ）で９００℃〜１５００℃の温度範囲を４時間〜１２時間保持しかつその前熱処理の間に真空引き及び希ガス又はＨ ２ ガス導入処理をそれぞれ少なくとも２回行うステップを含むことを特徴とする。
天然又は合成の石英原料粉を準備する準備工程と、
耐火耐熱煉瓦で炉床及び炉壁を形成してなるガラス溶融炉内へ前記石英原料粉を充填する充填工程と、
前記溶融炉内に充填された石英原料粉に対して水分及びガス除去のための前熱処理を施す前熱処理工程と、
前記前熱処理された石英原料粉を加熱溶融する溶融工程と、
前記溶融炉内で溶融された石英ガラス融体を冷却し石英ガラスブロックとする冷却工程と、を含み、
前記充填工程において、前記溶融炉に充填された石英原料粉の充填密度を１．４ｇ／ｃｍ３以上１．６ｇ／ｃｍ３以下の範囲の密充填とし、かつ前記前熱処理工程において、真空引き及び希ガス又はＨ２ガス導入処理を行い、
前記容器に充填された石英原料粉に振動を付加してその充填密度を上げるようにし、かつ該振動を付加する手段として表面を石英ガラス層で被覆した棒形バイブレーターを用い、該棒形バイブレーターを前記石英原料粉中に挿入し振動によって該石英原料粉を締め固め、前記バイブレーターの振動数を２００〜２５０Ｈｚとし、前記バイブレーターを前記石英原料粉の表面積４００〜９００ｃｍ ２ 毎に挿入するようにし、
前記前熱処理工程において、前記水分及びガス除去のための前熱処理における炉内温度プログラムが、石英原料粉の融点に到達する前に希ガス又はＨ ２ ガス雰囲気中（圧力６００〜７００Ｔｏｒｒ）で９００℃〜１５００℃の温度範囲を４時間〜１２時間保持しかつその前熱処理の間に真空引き及び希ガス又はＨ ２ ガス導入処理をそれぞれ少なくとも２回行うステップを含むことを特徴とする。
前記準備工程において、前記石英原料粉として粒径３５５μｍ〜１０６μｍの範囲の石英粉粒子が少なくとも９５ｗｔ％含まれるものを用い、かつ該石英原料粉における不純物が、Ｎａ：０．５ｐｐｍ以下、Ｋ：０．８ｐｐｍ以下、Ｌｉ：１．５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．３ｐｐｍ以下、Ｃａ：１ｐｐｍ以下、Ａｌ：２５ｐｐｍ以下、Ｆｅ：０．５ｐｐｍ以下、Ｃｕ：０．１ｐｐｍ以下であることが好適である。
前記容器に充填された石英原料粉に振動を付加してその充填密度を上げる必要があるが、前記振動を付加する手段として表面を石英ガラス層で被覆した棒形バイブレーターを用い、該棒形バイブレーターを前記石英原料粉中に挿入し振動によって該石英原料粉を締め固め、前記バイブレーターの振動数を２００〜２５０Ｈｚとし、前記バイブレーターを前記石英原料粉の表面積４００〜９００ｃｍ２毎に挿入するように構成するのが好適である。
前記溶融炉の炉床及び炉壁に石英ガラス板又はモリブデンシートを設置し、前記石英原料粉が耐火耐熱煉瓦に直接接触することを防止する構成とするのが好ましい。このような石英ガラス板又はモリブデンシートによる接触防止構造を採用することによって、石英原料粉が耐火耐熱煉瓦に直接接触することが防止され、耐火耐熱煉瓦による石英ガラスブロックの汚染が防止される利点がある。
前記前熱処理工程において、前記水分及びガス除去のための前熱処理における炉内温度プログラムが、石英原料粉の融点に到達する前に希ガス又はＨ２ガス雰囲気中（圧力６００〜７００Ｔｏｒｒ）で９００℃〜１５００℃の温度範囲を４時間〜１２時間保持しかつその前熱処理の間に真空引き及び希ガス又はＨ２ガス導入処理をそれぞれ少なくとも２回行うステップを含む構成とするのが好適である。
前記溶融工程において、前記前熱処理された石英原料粉を加熱溶融するための炉内温度プログラムが、真空雰囲気中（０．５Ｔｏｒｒ以下）で１７５０℃〜１９００℃の温度範囲を７０時間〜９０時間保持するステップを含む構成とするのが好ましい。
前記冷却工程における冷却処理は自然冷却によって行うこともでき、また自然冷却よりもさらに緩慢に冷却させるために強制的な徐冷処理を行うことも可能である。
本発明の石英ガラスブロックの製造方法によれば、石英ガラスブロック内部の泡を大幅に低減することによって石英ガラスブロックの品質向上を図ることができ、かつ石英ガラスブロックに対する汚染を防ぐことができ、石英ガラスブロックの歩留りを向上させることが可能となるという大きな効果が達成される。
続いて、本発明の実施の形態について説明するが、この実施の形態は１例として示されるもので本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
図１は本発明の石英ガラスブロックの製造方法の工程順を示すフローチャートである。本発明の石英ガラスブロックの製造方法の工程順を図１とともに説明する。図２は本発明の石英ガラスブロックの製造方法に用いられる溶融炉を示す概略断面説明図で、（ａ）は溶融炉に石英原料粉を投入した状態、（ｂ）は溶融炉に投入された石英原料粉を加熱溶融した状態及び（ｃ）は製造された石英ガラスブロックを溶融炉から取り出した状態をそれぞれ示す。本発明で用いられる溶融炉の基本的構成は図８に示した従来の溶融炉と同様であり、同一部材については同一の符号を用いて説明する。図３は溶融炉に設置されたホッパーを用いて石英原料粉を溶融炉に投入する態様を示す概略断面説明図で、（ａ）はホッパーを中央部分に位置させて石英原料粉を投入する態様及び（ｂ）はホッパーを上部に位置させて石英原料粉を投入する態様をそれぞれ示す。図４は溶融炉に投入された石英原料粉に粉締め処理を施す態様を示す概略断面説明図で、（ａ）は溶融炉内に石英原料粉を投入しただけで石英原料粉は疎充填の状態及び（ｂ）は棒型バイブレーターによって石英原料粉に対して粉締め処理を施して石英原料粉が密充填となった状態をそれぞれ示す。図５は溶融炉の炉内温度及び炉内雰囲気の制御状態を加熱時間と炉内温度の関係で示すグラフで、（ａ）実施の形態における炉内温度プログラムの説明図、（ｂ）は実施例１における炉内温度プログラムを示すものである。図６は実施例及び比較例において得られた石英ガラスブロックにおける泡検査に使用されるサンプルの採取方法を説明する図面で、（ａ）は石英ガラスブロックのサンプル採取位置及び（ｂ）は採取したサンプルにおける１０分割した検査エリアをそれぞれ示す。
本発明で用いられる溶融炉１０Ａは、図２に示すように、耐火耐熱煉瓦（ジルコニア、アルミナ等）で形成された炉床１０ａ及び炉壁１０ｂを有しかつ該炉床１０ａ及び炉壁１０ｂを被覆するように設置された石英ガラス板１０ｃから構成されている。なお、石英ガラス板１０ｃは石英原料粉と耐火耐熱煉瓦とが直接接触して汚染の原因となるのを防止するために用いられるもので、石英ガラス片等を用いることができる。また、石英ガラス板の替わりにモリブデンシートを設置しても同様に汚染防止の効果が得られる。
本発明方法において用いられる石英原料粉としては、粒径３５５μｍ〜１０６μｍの範囲の石英粉粒子が少なくとも９５ｗｔ％含まれるものを用い、かつ該石英原料粉における不純物が、Ｎａ：０．５ｐｐｍ以下、Ｋ：０．８ｐｐｍ以下、Ｌｉ：１．５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．３ｐｐｍ以下、Ｃａ：１ｐｐｍ以下、Ａｌ：２５ｐｐｍ以下、Ｆｅ：０．５ｐｐｍ以下、Ｃｕ：０．１ｐｐｍ以下としたものが好適に用いられる。
本発明方法においては、まず溶融炉１０内に石英原料粉１２を投入する（図２（ａ）及び図１のステップ１００）。この石英原料粉の投入にあたっては、図３（ａ）（ｂ）に示したように、溶融炉１０の上部にホッパー２２を上下動可能に設置し、このホッパー２２を利用して石英原料粉１２を溶融炉１０内に投入する。図１０に示した従来方法の場合について説明したように、一気に石英原料粉を投入すると細かい粉が舞い上がり、レイヤー（層状の泡）の原因となってしまう。また石英原料粉が投入中に途切れてしまってもレイヤーの原因となるので、出来るだけゆっくり石英原料粉が途中で途切れないように連続的に投入することが必要である。石英原料粉の投入速度としては１０〜２５ｋｇ／ｍｉｎが適当である。また、石英原料粉１２の表面とホッパー２２の出口の距離Ｄが離れすぎないように、投入された石英原料粉１２の高さに応じてホッパー２２の高さを調整し、ある程度の距離（１００〜２００ｍｍ）を保ちながら、石英原料粉を投入するのが、細かい粉の舞い上がりを防止する観点から好ましい。このような態様で、石英原料粉１２を溶融炉１０内に投入することによって、石英ガラスブロック内のレイヤー（層状の泡）の生成を極力防ぐことができる。
次に、溶融炉１０に投入された石英原料粉１２の充填密度を上げて、石英原料粉１２間の空隙をなくすために、溶融炉１０の蓋（図示せず）が開いている状態の時、作業員が、図４（ａ）（ｂ）に示したような棒型バイブレーター２４を石英原料粉１２中に挿入し、石英原料粉１２に振動を与えて粉締めを行う（充填工程、図１のステップ１０２）。この棒型バイブレーター２４は、その振動数が２００〜２５０Ｈｚ程度のものを用い、またその表面を石英ガラスで被覆したものが好ましい。この棒型バイブレーター２４で粉締めを行うことによって、石英原料粉１２の充填密度が石英原料粉１２を投入しただけの状態である１．３０ｇ／ｃｍ３程度の疎充填状態から１．５０ｇ／ｃｍ３程度の密充填状態になり、石英原料粉１２間の空隙による泡に起因すると考えられる１ｍｍ以上の泡を大幅に低減することができる。なお、溶融炉１０に投入された石英原料粉１２の充填密度を上げる手段としては、石英原料粉１２に振動を付加できる手段であればよいもので、例えば、溶融炉１０を振動させることによって、石英原料粉１２の充填密度を向上させることも可能である。
続いて、図５に示した炉内温度プログラムに従って溶融炉１０の炉内温度の制御及び炉内雰囲気の制御を行う。即ち、溶融炉１０内を真空雰囲気（０．１Ｔｏｒｒ程度）にしたあと、処理ガス（例えば、ＨｅガスやＡｒガス等の希ガス又はＨ２ガス）を溶融炉１０内の圧力が６００〜７００Ｔｏｒｒ程度になるまで導入し、該溶融炉１０の上部に設けられた加熱手段１４によって熱１６をかけ、水分及びガス除去温度範囲（９００〜１５００℃）まで４〜１２時間かけて昇温し、その温度を４〜１２時間保持する。この前熱処理工程における温度保持時間の間に真空引きと処理ガス導入を２回以上行うのが好ましい。この処理によって、投入された石英原料粉１２のうちで炉床１０ａ部分に位置する石英原料粉１２まで熱が伝わり、石英原料粉１２内の水分及びガスが十分に除去される（前熱処理工程、図１のステップ１０４）。
上記前熱処理が完了した後、該溶融炉１０の上部に設けられた加熱手段１４によって熱１６をさらにかけ、石英原料粉１２を溶融して石英ガラス融体１２ａとする（溶融工程、図２（ｂ）及び図１のステップ１０６）。この溶融工程における石英原料粉１２の溶融処理は真空雰囲気（０．５Ｔｏｒｒ以下）中で溶融温度範囲（１７５０℃〜１９００℃）を７０時間〜９０時間維持することによって行われる。
この溶融状態の石英ガラス融体１２ａを冷却して石英ガラス化し、石英ガラスブロック１８Ａを製造するものである（冷却工程、図２（ｃ）及び図１のステップ１０８）。この冷却工程における冷却処理は自然冷却によって行えばよいが、自然冷却よりもさらに緩慢に冷却させるために徐冷プログラムに従って強制的な徐冷処理を行うことも可能である。この冷却プログラム処理としては、例えば、窒素ガス又はＡｒガス雰囲気で３６時間〜４８時間かけて冷却するプログラムを挙げることができる。
なお、図２〜図４に示した本発明方法に用いられる溶融炉１０Ａの構造は概略的に示したものであるが、本発明方法の実施に好適に用いられる具体的な溶融炉の構成を図１１に示す。図１１において、１０Ｂが溶融炉である。該溶融炉１０Ｂは、上部ドーム１０１、チャンバー１０２、下部ドーム１０３、銅電極１０４、カーボン電極１０５、カーボン断熱材１０６、カーボン断熱材ベースプレート１０７、カーボン断熱炉壁１０８、カーボンヒーター１０９、ルツボ側面（ジルコニアレンガ）１１０、ジルコニアバブル断熱材１１１、石英原料粉１２、ルツボ底面（ジルコニアプレート）１１３、耐火物（耐火レンガ）１１４、ベースプレート１１５、充填物（ジルコニアサンド）１１６、真空排気口１１７から構成されている。石英原料粉１２の投入及び製造した石英ガラスブロックの取り出し等の作業を行う場合には、チャンバー１０２の全体を側方に引出して操作するものである。
以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
（実施例１）
図１に示した工程順に従い、図２〜図４に示した溶融炉と同様の溶融炉を用いて、図５（ｂ）に示した炉内温度プログラムに従って炉内温度及び炉内雰囲気の制御を行って、石英ガラスブロックを製造した。各工程に従って実施例の手順をさらに詳細に説明する。
図１に示した工程順に従い、図２〜図４に示した溶融炉と同様の溶融炉を用いて、図５（ｂ）に示した炉内温度プログラムに従って炉内温度及び炉内雰囲気の制御を行って、石英ガラスブロックを製造した。各工程に従って実施例の手順をさらに詳細に説明する。
１）石英原料粉の投入
図２（ａ）に示したような炉床及び炉壁を石英ガラス板で被覆しかつ図３（ａ）（ｂ）に示したように、溶融炉の上部に上下動可能なホッパーを設置した溶融炉を用い、まずホッパー内に石英原料粉を投入した。前記石英原料粉には、９６ｗｔ％が粒径３５５μｍ〜１０６μｍの範囲にある石英粉を使用した。この投入の際、一気に石英原料粉を投入すると細かい粉が舞い上がり、レイヤー（層状の泡）の原因となってしまい、また石英原料粉が投入中に途切れてしまってもレイヤーの原因となるので、出来るだけゆっくり石英原料粉が途中で途切れないように連続的に投入した。投入速度は１０〜２５ｋｇ／ｍｉｎの範囲に調整した。また、図３（ａ）（ｂ）に示したように、石英原料粉の表面とホッパーの出口の距離Ｄが離れすぎないように、投入した石英原料粉の高さに応じてホッパーの高さを調整し、所定の距離Ｄ（１００〜２００ｍｍ）を保ちながら、石英原料粉を投入した。この改善した投入作業に従うことにより、後述する得られた石英ガラスブロックについての検査結果に示されるように、従来の石英ガラスブロックの内部に形成されていたレイヤー（層状の泡）の存在が大幅に改善された。
図２（ａ）に示したような炉床及び炉壁を石英ガラス板で被覆しかつ図３（ａ）（ｂ）に示したように、溶融炉の上部に上下動可能なホッパーを設置した溶融炉を用い、まずホッパー内に石英原料粉を投入した。前記石英原料粉には、９６ｗｔ％が粒径３５５μｍ〜１０６μｍの範囲にある石英粉を使用した。この投入の際、一気に石英原料粉を投入すると細かい粉が舞い上がり、レイヤー（層状の泡）の原因となってしまい、また石英原料粉が投入中に途切れてしまってもレイヤーの原因となるので、出来るだけゆっくり石英原料粉が途中で途切れないように連続的に投入した。投入速度は１０〜２５ｋｇ／ｍｉｎの範囲に調整した。また、図３（ａ）（ｂ）に示したように、石英原料粉の表面とホッパーの出口の距離Ｄが離れすぎないように、投入した石英原料粉の高さに応じてホッパーの高さを調整し、所定の距離Ｄ（１００〜２００ｍｍ）を保ちながら、石英原料粉を投入した。この改善した投入作業に従うことにより、後述する得られた石英ガラスブロックについての検査結果に示されるように、従来の石英ガラスブロックの内部に形成されていたレイヤー（層状の泡）の存在が大幅に改善された。
２）粉締め処理（充填工程）
投入された石英原料粉の充填密度を上げて、石英原料粉間の空隙をなくすために、溶融炉の蓋が開いている状態の時、図４（ａ）（ｂ）に示したような棒型バイブレーター（振動数２００Ｈｚで表面を石英ガラスで被覆したもの）を投入された石英原料粉中に挿入し、石英原料粉に振動を与えて粉締めを行った。この棒型バイブレーターで粉締めを行うことによって、投入された石英原料粉の充填密度が１．３０ｇ／ｃｍ３（石英原料粉を投入しただけの状態である疎充填の状態）から１．５０ｇ／ｃｍ３（密充填状態）になった。この粉締め処理を投入された石英原料粉に施すことによって、後述する得られた石英ガラスブロックについての検査結果に示されるように、従来の石英ガラスブロックの内部に形成されていた石英原料粉間の空隙による泡と思われる１ｍｍ以上の泡が大幅に低減された。
投入された石英原料粉の充填密度を上げて、石英原料粉間の空隙をなくすために、溶融炉の蓋が開いている状態の時、図４（ａ）（ｂ）に示したような棒型バイブレーター（振動数２００Ｈｚで表面を石英ガラスで被覆したもの）を投入された石英原料粉中に挿入し、石英原料粉に振動を与えて粉締めを行った。この棒型バイブレーターで粉締めを行うことによって、投入された石英原料粉の充填密度が１．３０ｇ／ｃｍ３（石英原料粉を投入しただけの状態である疎充填の状態）から１．５０ｇ／ｃｍ３（密充填状態）になった。この粉締め処理を投入された石英原料粉に施すことによって、後述する得られた石英ガラスブロックについての検査結果に示されるように、従来の石英ガラスブロックの内部に形成されていた石英原料粉間の空隙による泡と思われる１ｍｍ以上の泡が大幅に低減された。
３）水分及びガス除去前熱処理（前熱処理工程）
溶融炉内を真空雰囲気（０．１Ｔｏｒｒ）にしたあと、Ｈｅガスを溶融炉の炉内圧力が７００Ｔｏｒｒになるまで導入し、図２に示したように、溶融炉の上部に設けられた加熱手段によって加熱し、８時間かけて１２００℃まで昇温し、１２００℃で１０時間保持した。また１２００℃で保持している間に真空引き（０．１Ｔｏｒｒ）とＨｅガス導入を２回おこなった。この水分及びガス除去前熱処理は、投入された石英原料粉の底まで熱が伝わらないと除去効果は発揮されないが、上記温度の保持及び真空引きとＨｅガス導入を少なくとも２回行うことによって、投入された石英原料粉の底まで熱を伝えることができた。この水分及びガス除去前熱処理を行うことにより、後述する得られた石英ガラスブロックについての検査結果に示されるように、従来の石英ガラスブロックの内部に形成されていた石英原料粉中の水分及びガスに起因する泡が大幅に減少したことを確認できた。
溶融炉内を真空雰囲気（０．１Ｔｏｒｒ）にしたあと、Ｈｅガスを溶融炉の炉内圧力が７００Ｔｏｒｒになるまで導入し、図２に示したように、溶融炉の上部に設けられた加熱手段によって加熱し、８時間かけて１２００℃まで昇温し、１２００℃で１０時間保持した。また１２００℃で保持している間に真空引き（０．１Ｔｏｒｒ）とＨｅガス導入を２回おこなった。この水分及びガス除去前熱処理は、投入された石英原料粉の底まで熱が伝わらないと除去効果は発揮されないが、上記温度の保持及び真空引きとＨｅガス導入を少なくとも２回行うことによって、投入された石英原料粉の底まで熱を伝えることができた。この水分及びガス除去前熱処理を行うことにより、後述する得られた石英ガラスブロックについての検査結果に示されるように、従来の石英ガラスブロックの内部に形成されていた石英原料粉中の水分及びガスに起因する泡が大幅に減少したことを確認できた。
４）溶融処理（溶融工程）
上記した水分及びガス除去前熱処理が完了した後、溶融炉の上部に設けられた加熱手段によって真空雰囲気（０．５Ｔｏｒｒ以下）中で熱をさらにかけ、１７９０℃に昇温し、１７９０℃で９０時間保持して投入された石英原料粉を溶融した。
上記した水分及びガス除去前熱処理が完了した後、溶融炉の上部に設けられた加熱手段によって真空雰囲気（０．５Ｔｏｒｒ以下）中で熱をさらにかけ、１７９０℃に昇温し、１７９０℃で９０時間保持して投入された石英原料粉を溶融した。
５）冷却処理（冷却工程）
この溶融状態の石英ガラス融体を約３６時間かけて窒素ガス雰囲気下０．９５気圧で自然冷却して石英ガラスブロック（直径φ１７００ｍｍ×高さ６２０ｍｍ）とした。
この溶融状態の石英ガラス融体を約３６時間かけて窒素ガス雰囲気下０．９５気圧で自然冷却して石英ガラスブロック（直径φ１７００ｍｍ×高さ６２０ｍｍ）とした。
得られた石英ガラスブロック１８について、図６（ａ）に示したように、ブロック中央部から幅１０ｍｍ（縦６２０ｍｍ×横１１００ｍｍ）のサンプル２６を採取し、このサンプル２６の上下の汚染部分６０ｍｍを除いた石英ガラス板を、図６（ｂ）に示したように、Ａ〜Ｊのエリアに１０分割して、各エリアＡ〜Ｊの泡を計数した。上記のように採取したサンプル２６についての泡の検査結果を表１に示した。評価は泡のサイズや個数について総合的に評価したもので、表１において、○は良好、△はやや不良、×は不良を示す。
（比較例１）
溶融炉の炉床及び炉壁を石英ガラス板によって被覆せず、石英原料粉の投入には図９に示したような原料ドラムを用い（図３に示したようなホッパーを使用せず）、粉締め処理を行わず、水分及びガス除去前熱処理を行わず、真空引きのみを行い（処理ガス導入を行わない）、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。また、得られた石英ガラスブロックは、実施例１の石英ガラスブロックに比較して炉材から汚染が増大していることを確認した。
溶融炉の炉床及び炉壁を石英ガラス板によって被覆せず、石英原料粉の投入には図９に示したような原料ドラムを用い（図３に示したようなホッパーを使用せず）、粉締め処理を行わず、水分及びガス除去前熱処理を行わず、真空引きのみを行い（処理ガス導入を行わない）、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。また、得られた石英ガラスブロックは、実施例１の石英ガラスブロックに比較して炉材から汚染が増大していることを確認した。
（比較例２）
粉締め処理を行わず、水分及びガス除去前熱処理を行わず、真空引きのみを行い（処理ガス導入を行わない）、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
粉締め処理を行わず、水分及びガス除去前熱処理を行わず、真空引きのみを行い（処理ガス導入を行わない）、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
（比較例３）
水分及びガス除去前熱処理を行わず、真空引きのみを行い（処理ガス導入を行わない）、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
（比較例４）
水分及びガス除去前熱処理を行わず、真空引きのみを行い（処理ガス導入を行わない）、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
（比較例４）
粉締め処理を行わず、水分及びガス除去前熱処理において熱処理と真空引きを行う（処理ガス導入を行わない）以外は、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
（比較例５）
粉締め処理を行わない以外は、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
粉締め処理を行わない以外は、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
（比較例６）
水分及びガス除去前熱処理において熱処理と真空引きを行う（処理ガス導入を行わない）以外は、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１と同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
水分及びガス除去前熱処理において熱処理と真空引きを行う（処理ガス導入を行わない）以外は、実施例１と同様に処理して、石英ガラスブロックを製造し、実施例１と同様に泡の検査を行い、その結果を表１に示した。
上記した結果から、石英ガラスブロックの泡を減少させるためには、ホッパーの使用、粉締め処理、及び水分及びガス除去前熱処理が必要であることが確認できた。また、溶融炉の炉材からの石英ガラスブロックの汚染を防止するためには溶融炉の炉床及び炉壁に石英ガラス板による被覆を形成することが有効であることもわかった。
なお、水分及びガス除去前熱処理における温度は、実施例１では１２００℃の場合を示したが、９００℃〜１５００℃の温度範囲であれば同様の結果が得られることを確認した。また、水分及びガス除去前熱処理における希ガスとしては、実施例１ではＨｅガスを使用した例を示したが、Ａｒガス等のその他の希ガスやＨ２ガスについても同様の結果が得られることを確認した。
１０：従来の溶融炉、１０Ａ：本発明方法に用いられる溶融炉、１０ａ：炉床、１０ｂ：炉壁、１０ｃ：ガラス板、１２：石英原料粉、１２ａ：石英ガラス融体、１４：加熱手段、１６：熱、１８：従来の石英ガラスブロック、１８Ａ：本発明方法によって製造された石英ガラスブロック、２０：原料ドラム、２２：ホッパー、２４：棒型バイブレーター、２６：サンプル、１０１：上部ドーム、１０２：チャンバー、１０３：下部ドーム、１０４：銅電極、１０５：カーボン電極、１０６：カーボン断熱材、１０７：カーボン断熱材ベースプレート、１０８：カーボン断熱炉壁、１０９：カーボンヒーター、１１０：ルツボ側面、１１１：ジルコニアバブル断熱材、１１２：石英原料粉、１１３：ルツボ底面、１１５：カーボンベースプレート、１１６：充填物、１１７：真空排気口。
Claims (5)
- 天然又は合成の石英原料粉を準備する準備工程と、
耐火耐熱煉瓦で炉床及び炉壁を形成してなるガラス溶融炉内へ前記石英原料粉を充填する充填工程と、
前記溶融炉内に充填された石英原料粉に対して水分及びガス除去のための前熱処理を施す前熱処理工程と、
前記前熱処理された石英原料粉を加熱溶融する溶融工程と、
前記溶融炉内で溶融された石英ガラス融体を冷却し石英ガラスブロックとする冷却工程と、を含み、
前記充填工程において、前記溶融炉に充填された石英原料粉の充填密度を１．４ｇ／ｃｍ３以上１．６ｇ／ｃｍ３以下の範囲の密充填とし、かつ前記前熱処理工程において、真空引き及び希ガス又はＨ２ガス導入処理を行い、
前記容器に充填された石英原料粉に振動を付加してその充填密度を上げるようにし、かつ該振動を付加する手段として表面を石英ガラス層で被覆した棒形バイブレーターを用い、該棒形バイブレーターを前記石英原料粉中に挿入し振動によって該石英原料粉を締め固め、前記バイブレーターの振動数を２００〜２５０Ｈｚとし、前記バイブレーターを前記石英原料粉の表面積４００〜９００ｃｍ ２ 毎に挿入するようにし、
前記前熱処理工程において、前記水分及びガス除去のための前熱処理における炉内温度プログラムが、石英原料粉の融点に到達する前に希ガス又はＨ ２ ガス雰囲気中（圧力６００〜７００Ｔｏｒｒ）で９００℃〜１５００℃の温度範囲を４時間〜１２時間保持しかつその前熱処理の間に真空引き及び希ガス又はＨ ２ ガス導入処理をそれぞれ少なくとも２回行うステップを含むことを特徴とする石英ガラスブロックの製造方法。 - 前記準備工程において、前記石英原料粉として粒径３５５μｍ〜１０６μｍの範囲の石英粉粒子が少なくとも９５ｗｔ％含まれるものを用いることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスブロックの製造方法。
- 前記溶融炉の炉床及び炉壁に石英ガラス板又はモリブデンシートを設置し、前記石英原料粉が耐火耐熱煉瓦に直接接触することを防止するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の石英ガラスブロックの製造方法。
- 前記溶融工程において、前記前熱処理された石英原料粉を加熱溶融するための炉内温度プログラムが、真空雰囲気中（０．５Ｔｏｒｒ以下）で１７５０℃〜１９００℃の温度範囲を７０時間〜９０時間保持するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の石英ガラスブロックの製造方法。
- 前記冷却工程における冷却処理を自然冷却によって行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の石英ガラスブロックの製造方法。
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