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WO2011147866A1 - Method for producing quartz glass granules - Google Patents

Method for producing quartz glass granules Download PDF

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Publication number
WO2011147866A1
WO2011147866A1 PCT/EP2011/058547 EP2011058547W WO2011147866A1 WO 2011147866 A1 WO2011147866 A1 WO 2011147866A1 EP 2011058547 W EP2011058547 W EP 2011058547W WO 2011147866 A1 WO2011147866 A1 WO 2011147866A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
granules
bed
laser beam
quartz glass
granulate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/058547
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Lehmann
Thomas Kayser
Martin Trommer
Christian Nasarow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Original Assignee
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG filed Critical Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority to DE112011101801.0T priority Critical patent/DE112011101801B4/en
Publication of WO2011147866A1 publication Critical patent/WO2011147866A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00Other methods of shaping glass
    • C03B19/10Forming beads
    • C03B19/1095Thermal after-treatment of beads, e.g. tempering, crystallisation, annealing

Definitions

  • the present invention relates to a method for the production of quartz glass grain by sintering a bed of free-flowing SiO 2 granules of porous granules by heating them and vitrifying them to form quartz glass particles.
  • Synthetic SiO 2 granules consisting of porous granulate particles are obtained by agglomeration and densification of amorphous SiO 2 powder, as obtained, for example, in the production of synthetic quartz glass in precipitation reactions or in CVD precipitation processes as soot or filter dust. Since the immediate utilization of the soot dust by melting is problematic because of the low bulk density, this is usually precompressed by conventional construction or pressing granulation process.
  • Examples which may be mentioned are roll granulation in a granulating dish, spray granulation, centrifugal atomization, fluidized-bed granulation, granulation processes using a granulating mill, compaction, roll pressing, briquetting, blank production or extrusion.
  • the resulting discrete, mechanically and optionally also thermally pre-compressed particles are thus composed of a multiplicity of primary particles and are referred to herein as "SiO 2 granulate particles.” In their entirety they form the porous "SiO 2 granulate”. Such porous "SiO 2 granulate" is easier to handle, but for
  • a generic method for vitrifying synthetic SiO 2 granules is known from EP 1 076 043. It is proposed to throw porous SiO 2 granules into a fuel gas flame in order to finely distribute it therein and to vitrify at temperatures of 2000 to 2500 ° C.
  • the granules are preferably obtained by spray or wet granulation of filter dust and has particle sizes in the range of 5 to 300 ⁇ . Before vitrification, it can be heated and precompressed by treatment with microwave radiation.
  • an SiO 2 gel is prepared by the polymerization of tetramethoxysilane by the sol-gel method and dried rapidly in vacuo, so that it breaks up to form SiO 2 granules.
  • the granules are then filled into a sintered container made of quartz glass and sintered in batches in an electrically heated furnace. For this - - The granules are heated at a heating rate of 200 ° C / h to 1 150 ° C and held at this temperature for 35 hours.
  • US 2004/0237588 A1 describes a method for vitrifying a SiO 2 green body, which is obtained by a slip casting method, by irradiation with a laser under vacuum or helium.
  • WO 00/44679 A1 a method for laser Verg lase fine aggregated nanoparticles (aerosils) is known, which are generated for example by flame hydrolysis and are glazed directly after their formation by means of laser.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method which, starting from porous SiO 2 granules, enables a continuous and inexpensive production of transparent synthetic quartz glass grains having a low hydroxyl group content.
  • Optionally trapped gases consist of at least 50 vol .-% of helium, with proportions of hydrogen up to 50 vol .-%, which can also easily diffuse out in the further processing of vitrified quartz glass grain, and small amounts of other gases (up to about 5 vol. %) are harmless.
  • a laser beam or several laser beams are used for heating the granulate particles.
  • the at least one laser beam is focused on the granulate bed. This results in a locally high temperature on the granules without these being influenced mechanically (by blowing) or chemically (by impurities) by a fuel gas.
  • the granulate thus does not dodge and it is not loaded with any impurities of a fuel gas.
  • the local heating by means of laser beam only the irradiated bed area is heated and vitrified, so that the granules in the meantime repeatedly cool, which on the one hand reduces sintering together with adjacent particles and caked, and on the other hand contributes to a low thermal inertia of the process.
  • the method is also continuously carried out.
  • the relative movement between bed and laser beam can be done by continuous movement of the laser, optical deflection of the laser beam such as an oscillating reciprocation. According to the invention, however, a movement of the bed of granules is provided by the
  • the carrier is, for example, a pipe, a crucible, a gutter, a plate or a disk.
  • the movement of the bedding is generated by continuously moving the support or granulate bed, such as - - by tumbling, shaking, spinning or stirring. It is essential that the granules are moved relative to the laser beam and the granulation while the net weight of the bed is subjected. The resulting mechanical action contributes to the separation of agglomerated granules.
  • the angle of incidence between the laser beam and the bed is preferably less than 50 degrees. As a result, a larger surface area of the bed is heated and glazed compared to the vertical incidence.
  • the rotary tube is slightly inclined in the longitudinal direction, in order to bring about a transport of the granules from its inlet side to the outlet side.
  • the granulate bed is continuously circulated in the rotary kiln.
  • grain which is in contact with the rotary tube wall is continuously transported to the rotary tube center on the upper side of the bed in the laser beam and heated and glazed. From there, the wholly or partially glazed grain passes into the interior of the bed or under the bed as it is circulated, and cools down rapidly, while at the same time being exposed to mechanical forces which are exerted by the bed
  • Weight and the circulation of the bedding are generated. Any agglomerates of the glazed grain are dissolved again.
  • the granules outside the action of the laser beam and the inner wall of the rotary tube remain relatively cool.
  • the low thermal load on the rotary kiln wall results in a low removal and entry - - of impurities in the granules.
  • the comparatively cooler surface of unirradiated granule particles reduces the risk of sticking and caking.
  • the rotary tube is preferably arranged in a vacuum chamber, so that there are no difficulties in sealing the inlet and outlet ends of the rotary tube.
  • the granules For a uniform as possible vitrification of the granules about the same residence times in the area of the incident surface of the laser beam or the laser beams on the bed surface and about the same particle sizes are advantageous. In view of this, it has been found to be useful if the granules have a narrow particle size distribution at which the particle diameter assigned to the D 90 value is at most twice as large as the particle diameter assigned to the D 0 value.
  • a narrow particle size distribution shows a comparatively low bulk density, which counteracts agglomeration during desalination.
  • the weight difference between the particles as a parameter for any separation within the bed, which promotes more uniform vitrification of the bed is eliminated. It has proven to be advantageous to preheat the granules before glazing by means of a heater to a temperature of 800 ° C to 1200 ° C.
  • the granules are not or not appreciably vitrified; However, it results in a faster and energetically favorable vitrification when exposed to the laser beam.
  • the preheating is preferably carried out in an externally heated chamber into which the laser beam is directed for vitrifying the granules.
  • the preheating of the granules takes place in the same Kannnner as the vitrification, so for example a rotary kiln.
  • the chamber is maintained, for example, by electrical heating at a temperature which produces a temperature in the granular bed in the said range.
  • the chamber has an inner wall made of quartz glass.
  • the quartz glass particles can be contaminated by abrasion of the material of the chamber wall. This risk of contamination is counteracted by a chamber inner wall 10 made of quartz glass.
  • a method variant has proven in which the laser beam has an energy density sufficient to heat them when hitting a temperature of at least 1400 ° C.
  • the laser beam is generated by means of a CO 2 laser and at the point of impact on the bed has a focal spot with a diameter of at least 30 mm and a surface power of at least 40 W / cm 2 .
  • FIG. 1 shows a rotary kiln for carrying out the method according to the invention in a side view.
  • FIG. 1 shows a vacuum chamber 1 with a connection 2 to a vacuum pump, within which a rotary kiln 3 is mounted on rollers 4. At the outlet end 5 of the rotary kiln 3, a discharge housing 6 is arranged.
  • the inner wall of the rotary kiln 3 is lined with a quartz glass tube.
  • a resistance heater 10 is provided, by means of which a bed of 1 1 of SiO 2 granules can be heated to a temperature of 1 100 ° C.
  • CO 2 laser 8 type TLF 3000 Turbo
  • the primary beam is expanded in each case by means of an expanding optics to laser beams 12a, 12b, which are directed in the middle of the rotary tube 3 in grazing incidence on the granular bed 1 1, each with an oval focal spot with a diameter of 20 mm and a maximum area performance of about 50 W / cm 2 .
  • the angles of incidence between the surface of the granulate bed 1 1 and the respective laser beam 12a; 12b differ slightly and are between 20 and 30 degrees.
  • the evacuated (200 mbar) and rotating about its axis of rotation at 8 rev / min rotary kiln 3 is continuously supplied with a feed rate of 15 kg / h amorphous, porous SiO 2 granules.
  • the granules are obtained by granulation of pyrogenically produced, nanoscale SiO 2 powder and consists essentially of porous, spherical granules 13 having a particle size distribution with a D 10 value of 300 ⁇ m, a D90 value of 500 mm and an average particle Diameter (D50 value) of 400 ⁇ . - -
  • the rotary tube 3 is inclined in the longitudinal direction in the specific angle of repose of the granules 13, so that over its length a uniform thickness of the granulate bed 1 1 sets.
  • the granulate 13 is heated within the rotary kiln 3 to a temperature around 1 100 ° C, wherein the open porosity remains.
  • the vitrification of the granules 13 takes place when the laser beams 12a, 12b strike.
  • the preheated granulate bed 1 1 is continuously circulated and thereby to the rotary kiln center in the region of the laser beams 12 a; 12b and glazed. Due to the locally acting laser beams 12a, 12b comparatively few granules are softened. The temperature of the surrounding granules 13 hardly increases. In this way, caking between the granules 13 with each other are largely avoided. If agglomerates nevertheless occur, they are redissolved as a result of the mechanical stress in the moving granulate bed 11. Granulate particles 13 which come into contract with the wall of the rotary tube are also relatively cool (not hotter than 1100 ° C.), so that no adhesion to the quartz glass lining occurs.
  • the particles which are completely glazed on the quartz glass particles are continuously removed by means of the discharge device 6.

Landscapes

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Abstract

In a known method for producing quartz glass granules by sintering a bed of pourable SiO2 granulated material made of porous granulated material particles, the bed is heated and vitrified, forming quartz glass particles. In order to make it possible, proceeding from porous SiO2 granulated material, to continuously and cost-effectively produce transparent synthetic quartz glass granules having a low hydroxyl group content, according to the invention the vitrification of the porous granulated material particles is carried out in a vacuum or in a helium-containing atmosphere using at least one laser beam, in that the granulated material bed is produced on a carrier and is continuously moved by means of or on said carrier relative to the laser beam during vitrification, wherein the granulated material particles have a mean grain size of between 200 and 1000 μm and the laser beam is directed with glancing incidence at the granulated material bed.

Description

Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörnung Beschreibung  Process for the preparation of quartz glass grains Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörnung durch Sintern einer Schüttung eines rieselfähigen SiO2-Granulats aus porösen Granulatteilchen, indem diese erhitzt und unter Bildung von Quarzglasteilchen verglast werden. Aus porösen Granulatteilchen bestehendes synthetisches SiO2-Granulat wird durch Agglomeration und Verdichtung von amorphem SiO2-Pulver erhalten, wie es beispielsweise bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas bei Fällungsreaktionen oder bei CVD-Abscheideverfahren als so genannter Soot- oder Filterstaub anfällt. Da die unmittelbare Verwertung des Sootstaubs durch Einschmel- zen wegen der geringen Schüttdichte problematisch ist, wird dieser in der Regel anhand üblicher Aufbau- oder Pressgranulierungsverfahren vorverdichtet. Als Beispiele seien die Rollgranulation in einem Granulierteller, Sprühgranulation, Zentrifugalzerstäubung, Wirbelschichtgranulation, Granulierverfahren unter Einsatz einer Granuliermühle, Kompaktierung, Walzenpressen, Brikettierung, Schül- penherstellung oder Extrudierung genannt. The present invention relates to a method for the production of quartz glass grain by sintering a bed of free-flowing SiO 2 granules of porous granules by heating them and vitrifying them to form quartz glass particles. Synthetic SiO 2 granules consisting of porous granulate particles are obtained by agglomeration and densification of amorphous SiO 2 powder, as obtained, for example, in the production of synthetic quartz glass in precipitation reactions or in CVD precipitation processes as soot or filter dust. Since the immediate utilization of the soot dust by melting is problematic because of the low bulk density, this is usually precompressed by conventional construction or pressing granulation process. Examples which may be mentioned are roll granulation in a granulating dish, spray granulation, centrifugal atomization, fluidized-bed granulation, granulation processes using a granulating mill, compaction, roll pressing, briquetting, blank production or extrusion.

Die dabei anfallenden diskreten, mechanisch und gegebenenfalls auch thermisch vorverdichteten Partikel setzen sich somit aus einer Vielzahl von Primärpartikeln zusammen und werden hier als„SiO2-Granulatteilchen" bezeichnet. In ihrer Gesamtheit bilden sie das poröse„SiO2-Granulat". Derartiges poröses„SiO2-Granulat" ist zwar einfacher zu handhaben, jedoch zurThe resulting discrete, mechanically and optionally also thermally pre-compressed particles are thus composed of a multiplicity of primary particles and are referred to herein as "SiO 2 granulate particles." In their entirety they form the porous "SiO 2 granulate". Such porous "SiO 2 granulate" is easier to handle, but for

Herstellung von transparentem, synthetischem Quarzglas nur eingeschränkt geeignet. Denn beim Einschmelzen des„SiO2-Granulats" besteht die Gefahr, dass sich geschlossene, gasgefüllte Hohlräume bilden, die aus der hochviskosen Quarzglasmasse nicht oder nur sehr langsam zu entfernen sind und die so zu Blasen im Quarzglas führen. Deshalb ist es für anspruchsvolle Anwendungen in - - der Regel notwendig, aus den porösen Granulatteilchen amorphe, transparente Quarzglasteilchen zu erzeugen. Production of transparent, synthetic quartz glass only partially suitable. Because when melting the "SiO 2 granulate" there is the danger that closed, gas-filled cavities form that are not or only very slowly removed from the high-viscosity quartz glass mass and thus lead to bubbles in the quartz glass, which is why it is for demanding applications in It is usually necessary to produce amorphous transparent quartz glass particles from the porous granules.

Stand der Technik State of the art

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verglasen von synthetischem SiO2-Granulat ist aus der EP 1 076 043 bekannt. Es wird vorgeschlagen, poröses SiO2-Granulat in eine Brenngasflamme einzurieseln, um es darin fein zu verteilen und bei Temperaturen von 2000 bis 2500 °C zu verglasen. Das Granulat wird vorzugsweise durch Sprüh- oder Nassgranulation von Filterstaub erhalten und hat Korngrößen im Bereich von 5 bis 300 μιτι. Vor dem Verglasen kann es durch Behandlung mit Mikrowellenstrahlung erhitzt und vorverdichtet werden. A generic method for vitrifying synthetic SiO 2 granules is known from EP 1 076 043. It is proposed to throw porous SiO 2 granules into a fuel gas flame in order to finely distribute it therein and to vitrify at temperatures of 2000 to 2500 ° C. The granules are preferably obtained by spray or wet granulation of filter dust and has particle sizes in the range of 5 to 300 μιτι. Before vitrification, it can be heated and precompressed by treatment with microwave radiation.

In der Brenngasflamme werden jedoch insbesondere große Teilchen nicht ausreichend aufgeheizt, was das Sintern zu transparenten Quarzglasteilchen erschwert. Es besteht auch die Gefahr, dass die Quarzglasteilchen durch die Brenngase verunreinigt werden. Dabei ist insbesondere eine Beladung mit Hydroxylgruppen bei Einsatz wasserstoffhaltiger Brenngase zu nennen, was mit einer vergleichsweise niedrigen Viskosität des Quarzglases einhergeht. In the fuel gas flame, however, especially large particles are not sufficiently heated, which makes sintering into transparent quartz glass particles difficult. There is also the danger that the quartz glass particles are contaminated by the combustion gases. In particular, a loading with hydroxyl groups when using hydrogen-containing fuel gases is to be mentioned, which is accompanied by a comparatively low viscosity of the quartz glass.

In der EP 1 088 789 A2 wird zum Verglasen von porösem SiO2-Granulat vorgeschlagen, das synthetisch erzeugte Granulat zunächst durch Erhitzen in HCI- haltiger Atmosphäre zu reinigen, anschließend in einem Fließbett zu kalzinieren und dann unter Vakuum oder Helium unter Wasserstoff zu verglasen. In EP 1 088 789 A2, for the vitrification of porous SiO 2 granules it is proposed to first purify the synthetically produced granules by heating in an HCl-containing atmosphere, then to calcine them in a fluidized bed and then to glaze under hydrogen or under vacuum or helium.

Hierbei handelt es sich um ein diskontinuierliches Verglasungsverfahren mit geringem Durchsatz und einem im Ergebnis relativ teueren Granulat. This is a discontinuous vitrification process with low throughput and a result in the relatively expensive granules.

Bei dem in der US 5,604,163 A beschriebenen Verfahren wird nach der Sol-Gel- Methode durch Polymerisation von Tetramethoxysilan ein SiO2-Gel hergestellt und im Vakuum rasch getrocknet, so dass es unter Bildung von SiO2-Granulat zerbricht. Das Granulat wird anschließend in einen Sinterbehälter aus Quarzglas eingefüllt und in einem elektrisch beheizten Ofen chargenweise gesintert. Hierzu - - wird das Granulat mit einer Aufheizrate von 200 °C/h auf 1 150 °C erhitzt und bei dieser Temperatur 35 Stunden gehalten. In the process described in US Pat. No. 5,604,163 A, an SiO 2 gel is prepared by the polymerization of tetramethoxysilane by the sol-gel method and dried rapidly in vacuo, so that it breaks up to form SiO 2 granules. The granules are then filled into a sintered container made of quartz glass and sintered in batches in an electrically heated furnace. For this - - The granules are heated at a heating rate of 200 ° C / h to 1 150 ° C and held at this temperature for 35 hours.

Auch hier handelt es sich um ein diskontinuierliches Verglasungsverfahren, einhergehend mit einer großen thermischen Trägheit des Ofens und demzufolge langen Prozessdauern mit dementsprechend hohem Zeit- und Kostenaufwand. Zudem kann es im Ofen zu Agglomerationen der sinternden Granulatteilchen kommen, die zu einer Undefinierten, porenhaltigen Quarzglasmasse führen. Again, it is a discontinuous vitrification process, accompanied by a large thermal inertia of the furnace and consequently long process times with correspondingly high time and cost. In addition, agglomerations of the sintering granulate particles can occur in the furnace, leading to an undefined, porous quartz glass mass.

Die US 2004/0237588 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verglasen eines SiO2- Grünkörpers, der durch ein Schlickergießverfahren erhalten wird, durch Bestrah- lung mit einem Laser unter Vakuum oder Helium. US 2004/0237588 A1 describes a method for vitrifying a SiO 2 green body, which is obtained by a slip casting method, by irradiation with a laser under vacuum or helium.

Aus der WO 00/44679 A1 ist ein Verfahren zum Laser-Verg lasen feiner aggregierter Nanopartikel (Aerosile) bekannt, die beispielsweise durch Flammenhydrolyse erzeugt und unmittelbar nach ihrer Entstehung mittels Laser verglast werden. From WO 00/44679 A1 a method for laser Verg lase fine aggregated nanoparticles (aerosils) is known, which are generated for example by flame hydrolysis and are glazed directly after their formation by means of laser.

Technische Aufgabenstellung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das ausgehend von porösem SiO2-Granulat eine kontinuierliche und preisgünstige Herstellung transparenter synthetischer Quarzglaskörnung mit geringem Hydroxylgruppengehalt ermöglicht. Technical Problem The invention is therefore based on the object of specifying a method which, starting from porous SiO 2 granules, enables a continuous and inexpensive production of transparent synthetic quartz glass grains having a low hydroxyl group content.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verglasen der porösen Granulatteilchen unter Vakuum oder in einer Helium enthaltenden Atmosphäre mittels mindestens eines Laserstrahls erfolgt, indem die Granulat-Schüttung auf einem Träger erzeugt und mittels oder auf diesem beim Verglasen relativ zum Laser- strahl kontinuierlich bewegt wird, wobei die Granulatteilchen eine mittlere Korngröße zwischen 200 und 1000 μιτι aufweisen und der Laserstrahl in streifendem Einfall auf die Granulat-Schüttung gerichtet ist. Durch Verglasen der Schüttung aus porösem SiO2-Granulat unter Vakuum oder in einer Helium enthaltenden Atmosphäre ist ein blasenfreies oder blasenarmes Einschmelzen der porösen Granulatteilchen erreichbar. Gegebenenfalls eingeschlossene Gase bestehen zu mindestens 50 Vol.-% aus Helium, wobei Anteile von Wasserstoff bis zu 50 Vol.-%, das bei der Weiterverarbeitung der verglasten Quarzglaskörnung ebenfalls leicht ausdiffundieren kann, sowie geringe Anteile weiterer Gase (bis etwa 5 Vol.-%) unschädlich sind. General Description of the Invention This object is achieved on the basis of a method of the type mentioned above in that the vitrification of the porous granules takes place under vacuum or in a helium-containing atmosphere by means of at least one laser beam by producing the granulate bed on a support and by means of or is moved continuously on this during vitrification relative to the laser beam, wherein the granules have a mean particle size between 200 and 1000 μιτι and the laser beam is directed in grazing incidence on the granulate bed. By vitrification of the bed of porous SiO 2 granules under vacuum or in a helium-containing atmosphere, a bubble-free or low-bubble melting of the porous granule particles can be achieved. Optionally trapped gases consist of at least 50 vol .-% of helium, with proportions of hydrogen up to 50 vol .-%, which can also easily diffuse out in the further processing of vitrified quartz glass grain, and small amounts of other gases (up to about 5 vol. %) are harmless.

Zum Erhitzen der Granulatteilchen wird ein Laserstrahl oder es werden mehrere Laserstrahlen eingesetzt. Der mindestens eine Laserstrahl ist auf die Granulat- Schüttung fokussiert. Dadurch ergibt sich eine lokal hohe Temperatur auf den Granulatteilchen, ohne dass diese mechanisch (durch Verblasen) oder chemisch (durch Verunreinigungen) von einem Brenngas beeinflusst werden. Beim Erhitzen weicht das Granulatteilchen somit nicht aus und es wird auch nicht mit etwaigen Verunreinigungen eines Brenngases beladen. Wegen des lokalen Erhitzens mit- tels Laserstrahl wird jedoch nur des bestrahlte Schüttungsbereich erhitzt und verglast, so dass die Granulatteilchen zwischenzeitlich immer wieder abkühlen, was einerseits ein Zusammensintern mit benachbarten Teilchen und Verbackungen vermindert, und was andererseits zu einer geringen thermischen Trägheit des Prozesses beiträgt. Durch fortwährendes Zuführen von Granulatteilchen zu dem Laserstrahl ist das Verfahren zudem kontinuierlich durchführbar. For heating the granulate particles, a laser beam or several laser beams are used. The at least one laser beam is focused on the granulate bed. This results in a locally high temperature on the granules without these being influenced mechanically (by blowing) or chemically (by impurities) by a fuel gas. When heated, the granulate thus does not dodge and it is not loaded with any impurities of a fuel gas. Because of the local heating by means of laser beam, however, only the irradiated bed area is heated and vitrified, so that the granules in the meantime repeatedly cool, which on the one hand reduces sintering together with adjacent particles and caked, and on the other hand contributes to a low thermal inertia of the process. By continuously supplying granules to the laser beam, the method is also continuously carried out.

Die Relativbewegung zwischen Schüttung und Laserstrahl kann durch kontinuierliche Bewegung des Lasers, optische Ablenkung des Laserstrahls wie beispielsweise ein oszillierendes Hin- und Herbewegen erfolgen. Erfindungsgemäß ist je- doch eine Bewegung der Schüttung der Granulatteilchen vorgesehen, indem dieThe relative movement between bed and laser beam can be done by continuous movement of the laser, optical deflection of the laser beam such as an oscillating reciprocation. According to the invention, however, a movement of the bed of granules is provided by the

Granulat-Schüttung auf einem Träger erzeugt und mittels oder auf diesem beim Verglasen relativ zum Laserstrahl kontinuierlich bewegt wird. Produced granulate bed on a support and is continuously moved by means of or on this during vitrification relative to the laser beam.

Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um ein Rohr, einen Tiegel, eine Rinne, einen Teller oder eine Scheibe. Die Bewegung der Schüttung wird durch kontinuierliches Bewegen des Trägers oder der Granulat-Schüttung erzeugt, wie - - etwa durch Umwälzen, Rütteln, Schleudern oder Rühren. Wesentlich ist, dass die Granulatteilchen relativ zum Laserstrahl bewegt werden und die Körnung dabei gleichzeitig dem Eigengewicht der Schüttung unterworfen wird. Die dadurch erzeugte mechanische Einwirkung trägt zu einer Separierung agglomerierter Kör- nungsteilchen bei. Beim streifenden Einfall trifft die Laserstrahlung in einem spitzeren Winkel als 90 Grad auf die Oberfläche der Granulat-Schüttung. Der Einfallswinkel zwischen Laserstrahl und Schüttung ist vorzugsweise kleiner als 50 Grad. Dadurch wird eine im Vergleich zum senkrechten Einfall größerer Oberflächenbereich der Schüttung erhitzt und verglast. Dadurch, dass relativ kleine Granulatteilchen mit einer mittleren Korngröße zwischen 200 und 1000 μιτι eingesetzt werden, wird eine ausreichende Einwirkung der Laserstrahlung und ein möglichst gleichmäßiges Verglasen erreicht. Granulatteilchen mit einer Korngröße von mehr als 1000 μιτι lassen sich mittels des punktuell einwirkenden Laserstrahls nur langsam verglasen. Teilchen mit einer mittle- ren Korngröße von weniger als 200 μιτι neigen zu Agglomerationen. The carrier is, for example, a pipe, a crucible, a gutter, a plate or a disk. The movement of the bedding is generated by continuously moving the support or granulate bed, such as - - by tumbling, shaking, spinning or stirring. It is essential that the granules are moved relative to the laser beam and the granulation while the net weight of the bed is subjected. The resulting mechanical action contributes to the separation of agglomerated granules. When grazing incidence the laser radiation hits at a more acute angle than 90 degrees on the surface of the granulate bed. The angle of incidence between the laser beam and the bed is preferably less than 50 degrees. As a result, a larger surface area of the bed is heated and glazed compared to the vertical incidence. The fact that relatively small granules are used with an average particle size between 200 and 1000 μιτι, sufficient action of the laser radiation and as uniform as possible glazing is achieved. Granulate particles having a particle size of more than 1000 μιτι can be glazed only slowly by means of the selectively acting laser beam. Particles with a mean particle size of less than 200 μιτι tend to agglomerations.

Besonders bewährt hat sich eine Verfahrensweise, bei der die Bewegung der Granulat-Schüttung in einem um eine Mittelachse rotierenden Drehrohr erfolgt. Has proven particularly useful a procedure in which the movement of the granulate bed is carried out in a rotary tube rotating about a central axis.

Das Drehrohr ist in Längsrichtung leicht geneigt, um einen Transport des Granulats von seiner Einlaufseite zur Auslaufseite herbeizuführen. Die Granulat- Schüttung wird in dem Drehrohr kontinuierlich umgewälzt. Dabei wird fortlaufend an der Drehrohrwandung anliegende Körnung zur Drehrohrmitte auf die Oberseite der Schüttung in den Laserstrahl transportiert und dabei erhitzt und verglast. Von dort gelangt die ganz oder teilweise verglaste Körnung beim weiteren Umwälzen in das Innere der Schüttung oder unter die Schüttung und kühlt dabei schnell wie- der ab, wobei sie gleichzeitig mechanischen Kräften ausgesetzt ist, die durch dasThe rotary tube is slightly inclined in the longitudinal direction, in order to bring about a transport of the granules from its inlet side to the outlet side. The granulate bed is continuously circulated in the rotary kiln. In the course of this process, grain which is in contact with the rotary tube wall is continuously transported to the rotary tube center on the upper side of the bed in the laser beam and heated and glazed. From there, the wholly or partially glazed grain passes into the interior of the bed or under the bed as it is circulated, and cools down rapidly, while at the same time being exposed to mechanical forces which are exerted by the bed

Gewicht und die Umwälzung der Schüttung erzeugt werden. Etwaige Agglomerate der verglasten Körnung werden dabei wieder aufgelöst. Weight and the circulation of the bedding are generated. Any agglomerates of the glazed grain are dissolved again.

Die Granulatteilchen außerhalb der Einwirkung des Laserstrahls sowie die Innenwandung des Drehrohres bleiben vergleichsweise kühl. Durch die geringe thermi- sehe Belastung der Drehrohrwandung ergibt sich ein geringer Abtrag und Eintrag - - von Verunreinigungen in das Granulat. Die vergleichsweise kühlere Oberfläche nicht bestrahlter Granulatteilchen vermindert die Gefahr des Zusammenklebens und Verbackens. The granules outside the action of the laser beam and the inner wall of the rotary tube remain relatively cool. The low thermal load on the rotary kiln wall results in a low removal and entry - - of impurities in the granules. The comparatively cooler surface of unirradiated granule particles reduces the risk of sticking and caking.

Das Drehrohr ist vorzugsweise in einer Vakuumkammer angeordnet, so dass Schwierigkeiten beim Abdichten der Ein- und Auslaufenden des Drehrohres entfallen. The rotary tube is preferably arranged in a vacuum chamber, so that there are no difficulties in sealing the inlet and outlet ends of the rotary tube.

Für ein möglichst gleichmäßiges Verglasen der Granulatteilchen sind etwa gleichen Aufenthaltsdauern in Bereich der Auftrefffläche des Laserstrahls oder der Laserstrahlen auf der Schüttungs-Oberfläche und etwa gleiche Teilchengrößen vorteilhaft. Im Hinblick hierauf hat es sich bewährt, wenn die Granulatteilchen eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen, bei der der dem D90-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser maximal doppelt so groß ist wie der dem D 0-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser. For a uniform as possible vitrification of the granules about the same residence times in the area of the incident surface of the laser beam or the laser beams on the bed surface and about the same particle sizes are advantageous. In view of this, it has been found to be useful if the granules have a narrow particle size distribution at which the particle diameter assigned to the D 90 value is at most twice as large as the particle diameter assigned to the D 0 value.

Eine enge Teilchengrößenverteilung zeigt eine vergleichsweise geringe Schütt- dichte, was einer Agglomeration beim Verlasen entgegenwirkt. Außerdem entfällt bei im Idealfall monomodaler Größenverteilung der Granulatteilchen der Gewichtsunterschied zwischen den Teilchen als Parameter für eine etwaige Separierung innerhalb der Schüttung, was einem gleichmäßigeren Verglasen der Schüttung förderlich ist. Es hat sich als günstig erwiesen, die Granulatteilchen vor dem Verglasen mittels einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur von 800 °C bis 1200 °C vorzuheizen. A narrow particle size distribution shows a comparatively low bulk density, which counteracts agglomeration during desalination. In addition, in the ideally monomodal size distribution of the granules, the weight difference between the particles as a parameter for any separation within the bed, which promotes more uniform vitrification of the bed, is eliminated. It has proven to be advantageous to preheat the granules before glazing by means of a heater to a temperature of 800 ° C to 1200 ° C.

Durch das Vorheizen auf eine Temperatur im genannten Bereich werden die Granulatteilchen nicht oder nicht nennenswert verglast; es ergibt sich aber ein schnelleres und energetisch günstigeres Verglasen bei Einwirkung des Laser- Strahls. By preheating to a temperature in said range, the granules are not or not appreciably vitrified; However, it results in a faster and energetically favorable vitrification when exposed to the laser beam.

Das Vorheizen erfolgt dabei vorzugsweise in einer von außen beheizten Kammer, in die hinein der Laserstrahl zum Verglasen der Granulatteilchen gerichtet ist. Das Vorheizen des Granulats erfolgt in der gleichen Kannnner wie das Verglasen, also beispielsweise einem Drehrohrofen. Die Kammer wird beispielsweise durch elektrische Beheizung auf einer Temperatur gehalten, die in der Granulat- Schüttung eine Temperatur im genannten Bereich erzeugt. The preheating is preferably carried out in an externally heated chamber into which the laser beam is directed for vitrifying the granules. The preheating of the granules takes place in the same Kannnner as the vitrification, so for example a rotary kiln. The chamber is maintained, for example, by electrical heating at a temperature which produces a temperature in the granular bed in the said range.

5 Vorzugsweise weist die Kammer eine aus Quarzglas bestehende Innenwandung auf. Preferably, the chamber has an inner wall made of quartz glass.

Insbesondere bei hohen Temperaturen können die Quarzglasteilchen durch Abrieb des Materials der Kammerwandung verunreinigt werden. Dieser Kontaminationsgefahr wird durch eine aus Quarzglas bestehende Kammer-Innenwandung 10 entgegengewirkt. Especially at high temperatures, the quartz glass particles can be contaminated by abrasion of the material of the chamber wall. This risk of contamination is counteracted by a chamber inner wall 10 made of quartz glass.

Im Hinblick auf ein schnelles Verdichten und einen schnellen Verglasungsprozess hat sich eine Verfahrensvariante bewährt, bei der der Laserstrahl eine Energiedichte aufweist, die ausreicht um diese beim Auftreffen auf eine Temperatur von mindestens 1400 °C zu erhitzen. With regard to a fast compaction and a rapid glazing process, a method variant has proven in which the laser beam has an energy density sufficient to heat them when hitting a temperature of at least 1400 ° C.

15 Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Laserstrahl mittels eines CO2-Lasers erzeugt wird und beim Auftreffpunkt auf die Schüttung einen Brennfleck mit einem Durchmesser von mindestens 30 mm und eine Flächenleistung von mindestens 40 W/cm2 aufweist. Furthermore, it has proved to be favorable when the laser beam is generated by means of a CO 2 laser and at the point of impact on the bed has a focal spot with a diameter of at least 30 mm and a surface power of at least 40 W / cm 2 .

Mittels CO2-Lasers kann energiereiche Laserstrahlung mit einer Wellenlänge um 20 10 m erzeugt werden, die im transparenten, verglasten Quarzglas weniger stark absorbiert wird als von porösem Quarzglas. Durch die Wahl einer Arbeitsstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 10 μιτι wird somit erreicht, dass die Laserenergie vorzugsweise in die nicht und nicht vollständig verglasten Bereiche der Granulat-Schüttung eingeleitet wird. By means of CO 2 laser energy-rich laser radiation with a wavelength of 20 10 m can be generated, which is less strongly absorbed in the transparent, glazed quartz glass than by porous quartz glass. By choosing a working radiation with a wavelength of about 10 μιτι is thus achieved that the laser energy is preferably introduced into the not and not completely vitrified areas of the granular bed.

25 Ausführungsbeispiel 25 embodiment

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Als einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung - - The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and a drawing. The sole figure shows a schematic representation - -

Figur 1 einen Drehrohrofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Seitenansicht. 1 shows a rotary kiln for carrying out the method according to the invention in a side view.

Figur 1 zeigt eine Vakuumkammer 1 mit einem Anschluss 2 zu einer Vakuumpumpe, innerhalb der ein Drehrohrofen 3 auf Laufrollen 4 gelagert ist. Am Aus- lauf-Ende 5 des Drehrohrofens 3 ist ein Austraggehäuse 6 angeordnet. Die Innenwandung des Drehrohrofens 3 ist mit einem Quarzglasrohr ausgekleidet. Am Außenmantel ist eine Widerstandsheizeinrichtung 10 vorgesehen, mittels der eine Schüttung 1 1 aus SiO2-Granulat auf eine Temperatur von 1 100 °C aufgeheizt werden kann. An der Einlaufseite 7 des Drehrohrofens 3 sind mehrere CO2-Laser 8 (Typ TLF 3000 Turbo) mit einer maximalen Strahlleistung von 3 kW im Fokus angeordnet. Der Primärstrahl wird jeweils mittels einer Aufweitoptik zu Laserstrahlen 12a, 12b aufgeweitet, die in der Mitte des Drehrohres 3 in streifendem Einfall auf die Granulat-Schüttung 1 1 gerichtet sind, wobei sich jeweils ein ovaler Brennfleck mit einem Durchmesser von maximalen 20 mm und einer Flächenleistung von etwa 50 W/cm2 ergibt. Die Einfallswinkel zwischen der Oberfläche der Granulat- Schüttung 1 1 und dem jeweiligen Laserstrahl 12a; 12b unterscheiden sich geringfügig und liegen zwischen 20 und 30 Grad. FIG. 1 shows a vacuum chamber 1 with a connection 2 to a vacuum pump, within which a rotary kiln 3 is mounted on rollers 4. At the outlet end 5 of the rotary kiln 3, a discharge housing 6 is arranged. The inner wall of the rotary kiln 3 is lined with a quartz glass tube. On the outer jacket, a resistance heater 10 is provided, by means of which a bed of 1 1 of SiO 2 granules can be heated to a temperature of 1 100 ° C. On the inlet side 7 of the rotary kiln 3 several CO 2 laser 8 (type TLF 3000 Turbo) are arranged with a maximum beam power of 3 kW in the focus. The primary beam is expanded in each case by means of an expanding optics to laser beams 12a, 12b, which are directed in the middle of the rotary tube 3 in grazing incidence on the granular bed 1 1, each with an oval focal spot with a diameter of 20 mm and a maximum area performance of about 50 W / cm 2 . The angles of incidence between the surface of the granulate bed 1 1 and the respective laser beam 12a; 12b differ slightly and are between 20 and 30 degrees.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand der in Figur 1 schematisch dargestellten Vorrichtung näher beschrieben: In the following, an exemplary embodiment of the method according to the invention will be described in more detail with reference to the apparatus shown schematically in FIG.

Dem evakuierten (200 mbar) und um seine Rotationsachse mit 8 U/min rotierenden Drehrohrofen 3 wird mit einer Zufuhrrate von 15 kg/h kontinuierlich amorphes, poröses SiO2-Granulat zugeführt. Das Granulat wird durch Granulation von pyrogen hergestelltem, nanoskaligem SiO2-Pulver erhalten und besteht im We- sentlichen aus porösen, sphärischen Granulatteilchen 13 mit einer Teilchengrößenverteilung mit einem D10-Wert von 300 μιτι, einem D90-Wert von 500 mm und einem mittleren Teilchen-Durchmesser (D50-Wert) von 400 μιτι. - - The evacuated (200 mbar) and rotating about its axis of rotation at 8 rev / min rotary kiln 3 is continuously supplied with a feed rate of 15 kg / h amorphous, porous SiO 2 granules. The granules are obtained by granulation of pyrogenically produced, nanoscale SiO 2 powder and consists essentially of porous, spherical granules 13 having a particle size distribution with a D 10 value of 300 μm, a D90 value of 500 mm and an average particle Diameter (D50 value) of 400 μιτι. - -

Das Drehrohr 3 ist in Längsrichtung im spezifischen Schüttwinkel der Granulatteilchen 13 geneigt, so dass sich über seine Länge eine gleichmäßige Dicke der Granulat-Schüttung 1 1 einstellt. The rotary tube 3 is inclined in the longitudinal direction in the specific angle of repose of the granules 13, so that over its length a uniform thickness of the granulate bed 1 1 sets.

Mittels der Widerstandsheizeinrichtung 10 wird das Granulat 13 innerhalb des Drehrohrofens 3 auf eine Temperatur um 1 100 °C erhitzt, wobei die offene Porosität bleibt dabei erhalten. Das Verglasen des Granulats 13 erfolgt beim Auftreffen der Laserstrahlen 12a, 12b. By means of the resistance heater 10, the granulate 13 is heated within the rotary kiln 3 to a temperature around 1 100 ° C, wherein the open porosity remains. The vitrification of the granules 13 takes place when the laser beams 12a, 12b strike.

Die vorgeheizte Granulat-Schüttung 1 1 wird kontinuierlich umgewälzt und dabei zur Drehrohrmitte in den Bereich der Laserstrahlen 12a; 12b transportiert und da- bei verglast. Infolge der lokal einwirkenden Laserstrahlen 12a, 12b werden vergleichsweise wenige Granulatteilchen erweicht. Die Temperatur der umliegenden Granulatteilchen 13 erhöht sich dadurch kaum. Auf diese Weise werden Verbackungen zwischen den Granulatteilchen 13 untereinander weitgehend vermieden. Kommt es dennoch zu Agglomeraten, werden diese infolge der mechanischen Beanspruchung in der sich bewegenden Granulat-Schüttung 1 1 wieder aufgelöst. Granulatteilchen 13, die mit der Wandung des Drehrohres in Kontrakt kommen sind ebenfalls relativ kühl (nicht heißer als 1 100 °C), so dass es nicht zu Anhaf- tungen an der Quarzglas-Auskleidung kommt. The preheated granulate bed 1 1 is continuously circulated and thereby to the rotary kiln center in the region of the laser beams 12 a; 12b and glazed. Due to the locally acting laser beams 12a, 12b comparatively few granules are softened. The temperature of the surrounding granules 13 hardly increases. In this way, caking between the granules 13 with each other are largely avoided. If agglomerates nevertheless occur, they are redissolved as a result of the mechanical stress in the moving granulate bed 11. Granulate particles 13 which come into contract with the wall of the rotary tube are also relatively cool (not hotter than 1100 ° C.), so that no adhesion to the quartz glass lining occurs.

Die sich an der vollständig verglasten Quarzglasteilchen werden mittels der Aus- tragseinrichtung 6 kontinuierlich entnommen. The particles which are completely glazed on the quartz glass particles are continuously removed by means of the discharge device 6.

Claims

Patentansprüche claims Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörnung durch Sintern einer Schüttung (1 1 ) eines rieselfähigen SiO2-Granulats aus porösen Granulatteilchen (13), indem diese erhitzt und unter Bildung von Quarzglasteilchen verglast werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verglasen der porösen Granulatteilchen (13) unter Vakuum oder in einer Helium enthaltenden Atmosphäre mittels mindestens eines Laserstrahls (12a, 12b) erfolgt, indem die Granulat-Schüttung (1 1 ) auf einem Träger erzeugt und mittels oder auf diesem beim Verglasen relativ zum Laserstrahl (12a, 12b) kontinuierlich bewegt wird, wobei die Granulatteilchen (13) eine mittlere Korngröße zwischen 200 und 1000 μιτι aufweisen und der Laserstrahl (12a, 12b) in streifendem Einfall auf die Granulat-Schüttung (1 1 ) gerichtet ist. Process for producing quartz glass grain by sintering a bed (1 1) of free-flowing SiO 2 granules of porous granules (13) by heating them and vitrifying them to form quartz glass particles, characterized in that the vitrification of the porous granules (13) under Vacuum or in an atmosphere containing helium by means of at least one laser beam (12a, 12b) by the granulate bed (1 1) generated on a support and by means of or on this during glazing relative to the laser beam (12a, 12b) is moved continuously, wherein the granules (13) have a mean particle size between 200 and 1000 μιτι and the laser beam (12a, 12b) is directed in grazing incidence on the granulate bed (1 1). Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Granulat-Schüttung (1 1 ) in einem um eine Mittelachse rotierenden Drehrohr (3) erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the movement of the granulate bed (1 1) takes place in a rotating about a central axis rotary tube (3). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) in einer Vakuumkammer (1 ) angeordnet ist. A method according to claim 2, characterized in that the rotary tube (3) in a vacuum chamber (1) is arranged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatteilchen (13) eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen, wobei der dem D90-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser maximal doppelt so groß ist wie der dem D 0-Wert zugeordnete Teilchendurchmesser. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granules (13) have a narrow particle size distribution, wherein the D 90 value associated with the particle diameter is at most twice as large as the D 0 value associated particle diameter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatteilchen (13) vor dem Verglasen mittels einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur von 800 °C bis 1200 °C vorgeheizt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granulate particles (13) are preheated by a heater to a temperature of 800 ° C to 1200 ° C before vitrification. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen in einer von außen beheizten Kammer erfolgt, in die hinein der Laserstrahl (12a, 12b) zum Verglasen der Granulatteilchen (13) gerichtet ist. 6. The method according to claim 5, characterized in that the preheating takes place in an externally heated chamber into which the laser beam (12a, 12b) is directed for vitrifying the granules (13). 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer eine aus Quarzglas bestehende Innenwandung aufweist. 7. The method according to claim 6, characterized in that the chamber has an existing of quartz glass inner wall. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (12a, 12b) eine Energiedichte aufweist, die ausreicht um beim Auftreffen auf den Granulatteilchen (13) diese auf eine Temperatur von mindestens 1400 °C zu erhitzen. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (12a, 12b) has an energy density sufficient to heat when hitting the granules (13) to a temperature of at least 1400 ° C. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (12a, 12b) mittels eines CO2-Lasers (8) erzeugt wird und beim Auftreffpunkt auf die Schüttung (1 1 ) einen Brennfleck mit einem Durchmesser von mindestens 30 mm und eine Flächenleistung von mindestens 40 W/cm2 aufweist. 9. The method according to claim 8, characterized in that the laser beam (12a, 12b) by means of a CO 2 laser (8) is generated and at the point of impact on the bed (1 1) a focal spot with a diameter of at least 30 mm and a Area performance of at least 40 W / cm 2 has.
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