[发明专利]石英熔化炉

说明书

本发明涉及由结晶态的石英或其它玻璃状材料连续地生产管、棒和类似物的方法和设备。更具体地说，本发明涉及一种熔炉(或坩埚)，用来由二氧化硅熔融液生产细长的石英件。

通过在一个电加热的炉子中熔化石英晶体或石英砂可以连续地制成各种细长件，当把原料熔化时，通过在该炉子底部的一个适当的孔或模具由该炉子中拉制成所要求的形状。例如，用来连续生产熔融石英管的一种设备是用钨作衬里的钼熔炉，把它竖直地支承，在其底部有一个适当的孔或模具，用来拉制杆、棒或管。钨的加热件或加热杆的一个设置围绕着该熔炉，用来加热该熔炉。该熔炉和它的加热单元一起被包在一个耐高温的腔室中，一个水冷的金属套筒支承着此腔室。在氮和氢的还原气氛中加热该熔炉。因为钨会被转化成熔融液体，所以，保持大约2000摄氏度的相对较低的温度很重要。

一种另外的设备通过把天然的石英晶体送进由电阻加热的难熔金属熔炉中在一种独特的气体中还原气泡成份生产出干净的熔融石英管。由晶体与熔化的粘稠的熔融石英之间夹带的气体形成的气泡不容易由熔化的玻璃中散出，因此，在由熔融的石英熔化液体拉制的产品中仍以气泡或脊的形式存在。通过替换一种熔化气氛气体，这种气体容易通过熔化的材料扩散(比如纯氦气、纯氢气或者两种气体的混合物)，可以降低在气泡中的气压，从而减小气泡的尺寸。这一过程使用80％体积的氦气和20％体积的氢气的混合物。

在另一种方法中，通过把一种特殊形式的基本上纯的二氧化硅原料连续地送进一个感应加热的熔炉的顶部段中，在氢气和氦气的气氛中在该熔炉的上部感应加热区域中连续地使原料熔化，同时保持熔化温度不低于大约2050摄氏度来得到产品。通过分开的感应加热装置加热在熔炉的下部区域中的熔融材料，在熔融材料中实现温度的独立调节。通过成形装置在存在包含非氧化的携带气体的氢气气氛的条件下由熔炉的下部区域连续地拉出熔融材料。

不幸的是，在上述设备的熔炉中使用的大多数难熔金属和非金属材料在高温下与二氧化硅反应。在这样的温度下，难熔材料的氧化物分解，并扩散进二氧化硅中，并把玻璃污染。这些难熔材料的污染物使得在由这样的难熔材料制成的熔炉中熔化的石英玻璃变色和夹杂。例如，在传统熔炉中使用的难熔材料在石英熔化液体中留下至少12-300ppb的难熔材料。因此，在工艺上有减少来自难熔材料对石英玻璃的污染的需求。随着半导体和纤维光学装置制造过程要求更高的纯度，它们是由主题生产过程获得的玻璃产品的主要应用，近来，这种需要明显增加。

还有，相信在石英玻璃熔化液体中难熔金属的数量与熔化温度成正比。因此，除非实现对炉子运行温度的非常严格的控制，难熔金属污染物的水平可能很容易变成不可接受地高。当然，对炉子运行提出这样严格的运行温度的限制是成问题的。事实上，严格的温度限制对于较高熔化温度的典型需求有损害，使用这种较高的熔化温度在所形成的熔融石英产品中可以获得较好的视觉特征。

在本发明的一个示例性实施例中，用来熔化石英并随后拉制成所要求的形状的炉子包括一个本体，该本体有由一种难熔材料构成的外表面，并包括由铼、锇、铱或它们的混合物中选择的一种不反应的屏蔽材料的内衬里。在一个优选实施例中，不反应的屏蔽衬里的厚度在大约.010英寸与.050英寸之间。

本发明的熔炉提供了超越先有技术的许多优点。特别是，带有铼、铱和/或锇衬里熔炉的炉子生产出在溶液中难熔金属低得多的产品。例如，可以把溶解在石英中的金属减少到低于10ppb，最好低于1ppb，最好低于NAA的当前检测水平。在石英熔化液体中这样的降低了的难熔金属污染物的数量改进了石英玻璃的化学成分，使得可以减少变色和表面模糊。还有，采用装备有包括非反应的衬里的熔炉的炉子可以在最佳温度范围运行。更具体地说，非反应的熔炉使得炉子可以在超过2350摄氏度的温度下运行。在这样较高的温度下运行获得更好的精化。还有，在最佳熔融温度下运行将提高气体成份在原料中的溶解度，因此减少在所拉制的产品中的气流缺陷。类似地，本发明的熔炉也将帮助进一步减少在所制成的玻璃产品中的模糊和变色。

应该注意到，在本申请文件中可以相互交换地使用“石英”和“二氧化硅”两个名词，这两个词通常都是指化合物SiO₂。类似地，本发明包括使用引进到熔化炉中的任何原料，包括但不限于天然二氧化硅/石英和合成的二氧化硅。

通过与附图联系起来考虑下面的描述，本发明的当前的优选实施例的结构、使用和优点将变得更清楚，在附图中：

图1为本发明的炉子的纵向剖面图；以及