Onderzoek naar verwerkings- en gloeitechnieken van kwartsglas

Dit onderzoek naar de verwerkings- en gloeitechnieken van kwartsglas is gericht op de productie van glasvezel en aanverwante projecten. Het doel is om de stabiliteit van kwartsproducten bij hoge en normale temperaturen door oefening te verbeteren, waardoor een soepele toepassing van producten in verschillende scenario's wordt gegarandeerd.

Kwartsglas wordt geclassificeerd op basis van verwerkingsmethoden, toepassingen en uiterlijk, zoals gesmolten transparant kwartsglas, gesmolten kwartsglas, gasgeraffineerd transparant kwartsglas, synthetisch kwartsglas, ondoorzichtig kwartsglas, optisch kwartsglas, kwartsglas voor halfgeleiders en kwarts glas voor elektrische lichtbronnen. Deze zijn onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: transparant en ondoorzichtig. Op basis van zuiverheid is het onderverdeeld in drie categorieën: hoge zuiverheid, gewoon en gedoteerd.

De ontglazing van hittebestendig kwartsglas is een inherent defect. Kwartsglas heeft een hogere interne energie dan kristallijn kwarts, waardoor het een thermodynamisch onstabiele metastabiele toestand is. SiO2-moleculen versnellen de trilling en vormen kristallen na langdurige herschikking en oriëntatie. Kristallisatie vindt voornamelijk plaats op het oppervlak, gevolgd door interne defecten, omdat deze gebieden gevoelig zijn voor verontreiniging, wat leidt tot plaatselijke ophoping van onzuivere ionen. Vooral alkali-ionen (zoals K, Na, Li, Ca, Mg) verminderen de viscositeit wanneer ze het netwerk binnenkomen, waardoor de ontglazing wordt versneld.

Dit artikel bespreekt verwerkte kwartscomponenten, waarbij alleen transparant kwartsglas met synthetische condensatoren wordt behandeld.

Bij het verwerken van kwartsglas wordt doorgaans gebruik gemaakt van een waterstof-zuurstofvlam, met een verwerkingstemperatuur van ongeveer 1500-1600°C.

Glas is een slechte warmtegeleider. Wanneer een stuk kwartsglas (zonder druk) wordt verwarmd of gekoeld, wordt de buitenste laag van het kwartsglas direct verwarmd of begint eerst af te koelen, en wordt het interne glas verwarmd (door warmtegeleiding wordt externe warmte naar binnen overgebracht) of daarna afgekoeld . Hierdoor ontstaat er een temperatuurverschil tussen het oppervlak en de binnenkant van het kwartsglas. Bij verhitting is de oppervlaktetemperatuur van het direct verwarmde kwartsglas hoog en de interne temperatuur van het kwartsglas dat warmte ontvangt laag, waardoor de buitenste laag van het verwarmde kwartsglas uitzet. Het interieur met een lagere temperatuur probeert de oorspronkelijke staat te behouden, waardoor de uitzetting van de buitenlaag wordt belemmerd. Er treden dus uitzetting en anti-uitzetting op in het kwartsglas, waardoor door interactie twee soorten spanning ontstaan: drukspanning en trekspanning. De kracht die probeert te voorkomen dat de buitenste laag kwartsglas naar binnen uitzet en op de buitenste laag inwerkt, wordt drukspanning genoemd, terwijl de kracht die wordt uitgeoefend door de buitenste laag kwartsglas die naar binnen uitzet bekend staat als trekspanning.

Omdat de druksterkte van kwartsglas veel groter is dan de treksterkte, zijn de binnen- en buitenlagen van kwartsglas bestand tegen aanzienlijke temperatuurverschillen tijdens verwarming. Bij verwerking met een lamp kan kwartsglas direct worden verwarmd in een waterstof-zuurstofvlam zonder te breken. Omgekeerd, wanneer kwartsglas dat tot 500°C of hoger is verwarmd, in koelwater wordt geplaatst, barst het gemakkelijk.

De spanningsverdeling die wordt gegenereerd door de lampverwerking is grofweg als volgt:

1. Stress bij rotatiesmelten De handen van de operator draaien en smelten de glazen buis in de fakkelvlam. Omdat de glazen buis wordt verwarmd door rotatie in plaats van door het gesmolten deel, manifesteert spanning zich als cirkelvormige lijnen.
2. Stress bij zijsmelten Bij openingen, zijverbindingen en dwarsbinnenkernlassen van kwartsbuizen roteert de kwartsbuis niet, waardoor een andere spanningsverdeling ontstaat dan hierboven vermeld. Op dit moment wordt de spanning verdeeld over het gesmolten deel.
3. Stress in ringgewrichten Ringverbindingen verwijzen naar het lassen van de binnenkern.
4. Spanning in afgedichte uiteinden van mantelproducten Kwartsinstrumentomhulsels zijn er in verschillende vormen, maar zijn allemaal verzegeld. Als in een standaard rechte condensorbuis bijvoorbeeld beide uiteinden zijn afgedicht, is er niet alleen spanning op de buitenmantel maar ook op de binnenkern, wat tot aanzienlijke spanningen leidt.

De grootte van de spanning varieert met het temperatuurverschil en de dikte van het kwartsglas. Hoe groter het temperatuurverschil en hoe dikker het glas, hoe groter de spanning. Daarom is het verwijderen van stress bijzonder belangrijk.

Thermische spanning in kwartsglasproducten kan worden onderverdeeld in tijdelijke spanning en permanente spanning.

Tijdelijke spanning treedt op wanneer de temperatuurverandering van het glas onder de rekpunttemperatuur ligt, wat resulteert in een ongelijkmatige totale warmte als gevolg van een slechte thermische geleidbaarheid, waardoor een bepaalde thermische spanning ontstaat. Deze thermische spanning ontstaat als gevolg van het temperatuurverschil en staat bekend als tijdelijke spanning.

Opgemerkt moet worden dat, aangezien de gewoonlijk verwerkte kwartskernstaven verschillende chemische stoffen bevatten, ze gevoelig zijn voor ongelijkmatige verwarming. Daarom moet na het lassen de vlam worden gebruikt om het staaflichaam gelijkmatig te verwarmen, waardoor de algehele temperatuurgradiënt zo soepel mogelijk wordt gemaakt, waardoor de tijdelijke spanning van de kwartskernstaaf aanzienlijk wordt verminderd.

Wanneer glas afkoelt boven de rekpunttemperatuur, verdwijnt de thermische spanning die wordt gegenereerd door het temperatuurverschil niet volledig na afkoeling tot kamertemperatuur, waardoor er enige spanning in het glas achterblijft. De omvang van de permanente spanning hangt af van de afkoelsnelheid boven de rekpunttemperatuur, de viscositeit van het kwartsglas, de thermische uitzettingscoëfficiënt en de dikte van het product.

Zoals hierboven vermeld, beïnvloedt de permanente spanning die wordt gegenereerd na het verwerken van de kwartsstaaf de daaropvolgende verwerking en productie. Daarom kan permanente spanning alleen worden geëlimineerd door uitgloeien.

Over het algemeen worden glasproducten na verwerking gegloeid. Gloeien verwijst naar een warmtebehandelingsproces tussen de overgangstemperatuur en de rekpunttemperatuur om thermische spanningen te elimineren die tijdens het productieproces worden gegenereerd. Typisch geldt: hoe groter de uitzettingscoëfficiënt van het glas, hoe groter de diameter en hoe complexer de producttoestand, hoe ernstiger de spanning. Zoals eerder vermeld, heeft de kwartsstaaf waarmee contact wordt gemaakt een grote diameter en bevat deze gemengde kernstaven, dus een strikte warmtebehandeling is vereist om spanning te verwijderen.

Bij de daadwerkelijke productie is het onmogelijk om de spanning in het staaflichaam tijdens het uitgloeien van de kwartsstaaf volledig te elimineren. De resterende hoeveelheid is echter zo klein dat deze zelfs onder een polariscoop niet gemakkelijk kan worden gedetecteerd.

Theoretisch betekent de hoogste gloeitemperatuur dat 95% van de spanning na 3 minuten kan worden geëlimineerd; de laagste gloeitemperatuur resulteert na 3 minuten in een spanningsvrijgave van 5%. In de productiepraktijk is de algemeen gebruikte temperatuur 50°C lager dan de hoogste gloeitemperatuur en 100°C hoger dan de laagste gloeitemperatuur. Er zijn veel manieren om te gloeien, maar de belangrijkste methode is gloeien in een oven, waar deze discussie zich op richt.

Volgens het hierboven genoemde uitgloeiprincipe is het uitgloeien van kwartsglas verdeeld in vier fasen: verwarmingsfase, constante temperatuurfase, afkoelfase en natuurlijke afkoelingsfase.

1. Verwarmingsfase Voor kwartsglas is dit werk gebaseerd op de gloeivereisten van optische producten. Het hele verwarmingsproces bestaat uit een langzame verwarming tot 1100°C. Volgens ervaring bedraagt de temperatuurstijging 4,5/R²°C/min, waarbij R de straal van het kwartsglasproduct is.
2. Fase met constante temperatuur Wanneer de kwartsstaaf de werkelijke hoogste gloeitemperatuur bereikt, wordt het ovenlichaam op een constante temperatuur gehouden om een uniforme verwarming van het product te garanderen en het voor te bereiden op de volgende afkoelstap.
3. Koelfase Om tijdens het koelproces van de kwartsstaaf zeer weinig permanente spanningen te elimineren of te produceren, moet de temperatuur langzaam worden verlaagd om een grote temperatuurgradiënt te voorkomen. De koelsnelheden zijn als volgt:
   • 1100°C tot 950°C: 15°C/uur
   • 950°C tot 750°C: 30°C/uur
   • 750°C tot 450°C: 60°C/uur
4. Natuurlijke koelfase Onder de 450°C wordt de stroom naar de gloeioven uitgeschakeld en blijft de omgeving behouden zonder de isolatieomgeving te veranderen totdat deze op natuurlijke wijze afkoelt tot onder de 100°C. Onder de 100°C wordt de isolatieomgeving geopend en koelt deze af tot kamertemperatuur.

De tijd en temperatuur die betrokken zijn bij de bovenstaande stappen zijn gebaseerd op theoretische en productiepraktijkresultaten. Figuur 1 toont mislukte experimentele producten als gevolg van ongelijkmatige verwarming veroorzaakt door een te korte verwarming of constante temperatuurtijd.

Tijdens het productieproces en de verwerking van kwartsglas kan er in elk stadium sprake zijn van spanning in de producten, zowel tijdelijk als permanent. Methoden zoals ‘vlam’, ‘HF-zuur’ en ‘gloeioven’ kunnen worden gebruikt om tijdelijke spanningen weg te nemen of permanente spanningen te verminderen. Het verwijderen van spanning is cruciaal voor het verbeteren van de mechanische stabiliteit en optische uniformiteit van kwartsproducten.

Bij GlobalQT (Global Quartz Tube) zijn we gespecialiseerd in hoogwaardige producten van kwartsglas met aanpasbare oplossingen om aan uw specifieke behoeften te voldoen. Bezoek voor meer informatie onze website of neem contact met ons op via e-mail op contact@globalquartztube.com.