УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для формования кварцевого стекла путем выдавливания (экструзии) вертикально вниз, в частности, формованию труб или стержней вытягиванием с помощью неподвижных инструментов.
Известно устройство непрерывного действия для получения изделий из кварцевого стекла (РФ, п. №2177914, МПК С03B 20/00. от 11.05.2000 г., опубл. 10.01.2002 г.).
Устройство содержит корпус, внутри которого установлен плавильный тигель, систему подачи кварцевой крупки в плавильный тигель, нагревательное устройство. Нагревательное устройство установлено вне зоны подачи кварцевой крупки.
Устройство предназначено для изготовления стержней и трубок из полностью расплавленной массы кварцевого стекла.
Недостатком указанного устройства является: ограниченная номенклатура получаемых изделий, низкое качество изделий вследствие наличия большого количества пузырей и включений, свильности и мелкозернистой неоднородности, высокое содержание остаточных гидроксильных ОН групп в объеме получаемого кварцевого стекла, не сохранение исходной чистоты кварцевого стекла вследствие контакта кварцевой крупки с материалами рабочих частей устройства и атмосферой печного пространства, низкая точность геометрических параметров изделий, что в совокупности выше указанных недостатков делает невозможным использование изделий, получаемых на данном устройстве, в качестве компонентов для производства оптического волокна и световодов, большой расход электроэнергии необходимый для расплавления кварцевой крупки.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели, является расширение номенклатуры изделий, а именно получение труб-заготовок большого диаметра, стержневых заготовок, которые могут быть использованы для производства компонентов оптоволоконных систем, а также осесимметричных и плоскосимметричных (квадрат, прямоугольник, треугольник и т.д.) изделий из кварцевого стекла, за счет разнообразия сменной оснастки экструзионной головки, с одновременным улучшением качества изделий за счет использования для экструзии, предварительно полученного, блока кварцевого стекла с заданными свойствами и эффективной системы терморегулирования и бесконтактной системы регулирования параметров изделий.
Поставленный результат достигается тем, что в устройстве для изготовления изделий из кварцевого стекла, например, трубчатых или стержневых заготовок, содержащем камеру прессования, включающую водоохлаждаемый и тепло-изолированный корпус, внутри которого размещен поршневой экструдер, вертикально ориентированный рабочий цилиндр для размещения экструдируемого материала, взаимодействующего с поршнем экструдера, нагревательное устройство, экструзионная головка, при этом с основанием корпуса камеры прессования сопряжена приемная камера, имеющая водоохлаждаемый корпус с системой удержания-вытяжки, кроме того устройство содержит систему управления, систему охлаждения, систему терморегулирования, согласно полезной модели, рабочий цилиндр установлен на опоре, выполненной в виде полого опорного цилиндра, установленного на нижнем основании корпуса камеры прессования, экструзионная головка снабжена сменной оснасткой в виде фильеры и/или фильеры и дорна, при этом фильера установлена на опорной плите, расположенной между рабочим и опорным цилиндрами, верхняя часть дорна связана с системой захвата экструдируемого изделия и установлена в полом цилиндре, а нижняя - с опорой, установленной на нижнем основании корпуса приемной камеры, корпус камеры прессования связан с корпусом приемной камеры посредством разъемного соединения, рабочий и полый цилиндры, а также верхняя часть дорна выполнены из теплопроводного материала и снабжены защитными экранами, кроме того, устройство снабжено системой высоковакуумной откачки, взаимодействующей одновременно с камерой прессования и приемной камерами, системой подачи инертного газа, бесконтактной лазерной системой для измерения геометрических размеров готовых изделий.
В качестве экструдируемого материала используют цилиндрический блок кварцевого стекла.
Нагреватель выполнен в виде объединенных в несколько секций вольфрамовых стержней, снабженных термопарами и расположенных по контуру рабочего и опорного цилиндров.
Сменная оснастка экструзионной головки выполнена из молибдена.
В качестве теплопроводного материала рабочего и опорного цилиндров, опорной плиты, верхней части дорна и системы захвата экструдируемого изделия использован графит.
Рабочий цилиндр, опора в виде полого цилиндра, верхняя часть дорна, выполнены из разъемных кольцевых элементов, снабженных фиксаторами.
Защитные экраны выполнены из листового молибдена.
Система управления содержит персональную ЭВМ и пульт управления.
Устройство размещено на эстакаде, снабженной лестницей.
Установка рабочего цилиндра на опоре, выполненной в виде полого опорного цилиндра, установленного на основании камеры прессования, позволяет поместить блок кварцевого стекла в средней части нагревателя, т.е. в зоне равномерного распределение температурного поля по его высоте, что обеспечивает равномерный нагрев блока кварцевого стекла.
Наличие сменной оснастки у экструзионной головки в виде фильеры и/или фильеры и дорна позволяет расширить номенклатуры выпускаемых изделий, а именно, изготовить трубы-заготовки большого диаметра, стержневые заготовки, которые могут быть использованы для производства компонентов оптоволоконных систем, а также осесимметричные и плоскосимметричные (квадрат, прямоугольник, треугольник и т.д.) изделия из кварцевого стекла.
Установка фильеры на опорной плите, между рабочим и опорным цилиндрами, обеспечивает размещение фильеры в горячей зоне нагревателя и поддержание ее температуры в процессе экструзии.
Связь верхней части дорна с системой захвата экструдируемого изделия и установка их в полом опорном цилиндре, обеспечивает затекание размягченной стекломассы из рабочего цилиндра в полость системы захвата и затвердевание стекломассы в ней, с одновременным формированием внутренней поверхности экструдируемой трубы фильерой дорна, при изготовлении трубчатой заготовки. При перемещении системы захвата вниз по опорному цилиндру, температура готового изделия постепенно снижается и при поступлении изделия в приемную камеру, стекломасса изделия приобретает свойства конструкционного материала.
Связь верхней части дорна с опорой, установленной на нижней основании приемной камеры, обеспечивает поддержку фильеры дорна и формирование фильерой внутренней поверхности трубы-заготовки до полной переработки блока кварцевого стекла. Опора выполнена трубчатой, что обеспечивает подачу охлаждающей воды и придает дополнительную жесткость системе удержания-вытяжки при экструзии трубы-заготовки.
Связь корпуса камеры прессования, с корпусом приемной камеры, посредством разъемного соединения, обеспечивает возможность их разъединения, что позволяет подъем, перемещение и снятие камеры прессования, со смонтированными в ней нагревателем и системой теплоотражающих экранов, для монтажа верхней части дорна, опорного и рабочего цилиндров, установки сменных элементов экструзионной головки (фильеры), установки блока кварцевого стекла и т.д.
Выполнение рабочего и полого цилиндров, а также верхней части дорна из теплопроводного материала обеспечивает быстрый и равномерный нагрев блока кварцевого стекла до пластичного состояния.
Наличие защитных экранов обеспечивает поддержание необходимой для экструзии температуры в процессе экструдирования, что экономично за счет снижения расхода электроэнергии.
Наличие системы высоковакуумной откачки, позволяет производить одновременную откачку и создание вакуума в рабочих объемах камеры прессования и приемной камеры.
Наличие системы подачи инертного газа, позволяет производить параллельный автоматический или ручной напуск газа, в рабочие объемы камер, до давления превышающего атмосферное, при аварийной разгерметизации установки и для равномерного охлаждения экструдированного изделия по окончании процесса экструзии.
Наличие бесконтактной измерительной лазерной системы обеспечивает измерение диаметра, овальности, конусности, отклонение формы экструдированного изделия во всем диапазоне размеров.
Использование в качестве экструдируемого материала, предварительно полученного цилиндрического блока кварцевого стекла, позволяет использовать кварцевое стекло с заданными свойствами, которые сохраняются в процессе экструзии, что дает возможность получать изделия высокого качества по сравнению с изделиями, получаемыми из кварцевой крупки.
Выполнение нагревателя в виде объединенных в несколько секций вольфрамовых стержней, расположенных по контуру рабочего цилиндра, в совокупности с термопарами позволяет осуществить регулирование температурного режима отдельно по каждой секции нагревателя и поддержание равномерного температурного поля, с заданной температурой переформования, по всей поверхности блока кварцевого стекла и, как следствие, его равномерный прогрев и равномерное истечение стекла через фильеру, что способствует получению изделия с заданными геометрическими характеристиками.
Выполнение сменной оснастки экструзионной головки и фильеры дорна из молибдена, обладающего высокой термостойкостью и износостойкостью, при заданных температурах, увеличивает срок эксплуатации сменной оснастки, что экономично.
Использование графита в качестве теплопроводного материала рабочего и опорного цилиндров, опорной плиты, верхней части дорна обеспечивает быстрый и равномерный прогрев блока кварцевого стекла и фильеры, а также сохранение конструкционных свойств используемого материала при высоких температурах экструзии.
Выполнение рабочего и опорного цилиндров и верхней части дорна из разъемных кольцевых элементов, позволяет производить быструю замену элементов при изменении диаметра блока кварцевого стекла, а также при смене оснастки для экструдирования, осуществлять быстрый монтаж и демонтаж рабочего и опорного цилиндров. А наличие фиксирующих элементов исключает самопроизвольный сдвиг кольцевых элементов относительно друг друга, что обеспечивает жесткость конструкции и препятствует разрушению элементов, т.е. повышает надежность.
Выполнение защитных экранов из листового молибдена обеспечивает оптимальную защиту за счет его термостойкости. Для предотвращения спекания молибденовых листов при высокой температуре, они могут быть выполнены с двухсторонним кернением, что препятствует их плотному прилеганию.
Наличие персональной ЭВМ с пультом управления обеспечивает автоматическое дистанционное управление всеми системами устройства.
Размещение устройства на эстакаде, снабженной лестницей обеспечивает функционально-оптимальное размещение оборудования и составных частей устройства, в двух уровнях, быструю сборку, монтаж и демонтаж сменных и расходуемых узлов устройства при подготовке и по окончании рабочего цикла, возможность проведения регулярного контроля над состоянием узлов и систем устройства, проведение регламентных и ремонтных работ, что обеспечивает удобство для операторов.
В результате проведенных патентных исследований не выявлено известных из уровня техники аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предполагаемой полезной модели условию патентоспособности «новизна», может найти применение в промышленности, т.е. соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид устройства, на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1.
Устройство для изготовления изделий из кварцевого стекла содержит установленные на эстакаде 1 камеру прессования 2 и приемную камеру 3. Эстакада 1 снабжена лестницей 4. Камера прессования 2 состоит из водоохлаждаемого корпуса 5, системы теплоизоляционных экранов 6, содержит поршень 7, связанный с приводом 8. В камере прессования 2 установлен вертикально ориентированный рабочий цилиндр 9, в котором устанавливают блок кварцевого стекла 10. Рабочий цилиндр 9 установлен на опоре, выполненной в виде полого цилиндра 11. По контуру цилиндров 9 и 11 установлен нагреватель 12, выполненный в виде объединенных в несколько, например, три секции вольфрамовых стержней 13, каждая секция снабжена термопарой 14. Вольфрамовые стержни 13 связаны в нижней части кольцевым элементом из молибдена 15, а в верхней части объединены в три секции молибденовыми секторами 16, которые связаны с источником питания (на фиг не показано) посредством охлаждаемых токовводов 17. Между рабочим цилиндром 9 и полым опорным цилиндром 11 установлена опорная плита 18, снабженная термопарой 14 для измерения температуры фильерного узла, на которой установлена экструзионная головка со сменной оснасткой фильеры 19. Дорн 20 установлен в полом опорном цилиндре 11 и его верхняя часть связана с системой захвата 21 экструдируемого изделия, а нижняя часть дорна 20 связана с водоохлаждаемой опорой 22, установленной на нижней крышке 23 водоохлаждаемого корпуса 24 приемной камеры 3. Корпус 5 камеры прессования 2 и корпус 24 приемной камеры 3 связаны посредством разъемного, например, болтового соединения с основанием камеры прессования 25. Приемная камера 3 снабжена дверью 26 и верхним фланцем 27, посредством которого связаны корпуса 5 и 24 камеры прессования 2 и приемной камеры 3, соответственно.
Полый опорный цилиндр 11, а также верхняя часть дорна 20 снабжены защитными экранами 28, 29. Рабочий цилиндр 9, полый опорный цилиндр 11, выполнены из разъемных кольцевых элементов 30, 31, 32 снабженных фиксаторами.
Устройство содержит также систему удержания - вытяжки 33, 34 экструдируемого изделия, размещенную в приемной камере 3, с приводом 35, систему вакуумной откачки газов (на фиг. не показано) из камер 2 и 3, подсоединяемую к приемной камере 3 посредством фланцевого соединения 36, систему подачи инертного газа (на фиг. не показано), систему измерения давления газа и вакуума (на фиг. на показано), рециркуляционную систему охлаждения (на фиг. не показано), систему электропитания (на фиг. не показано), систему управления (на фиг. не показано), систему терморегулирования (на фиг. не показано).
Корпус 24 приемной камеры 3 имеет горловину 37, на которой установлены щелевые смотровые окна 38 для монтажа первичных измерительных элементов бесконтактной лазерной системы (на фиг. не показано) для измерения геометрических параметров экструдируемого изделия. Дверь 26 корпуса 24 приемной камеры 3 имеет смотровое окно 39 для визуального контроля процесса экструзии.
Устройство работает следующим образом:
К рециркуляционной системе охлаждения (на фиг. не показано), подключаются соответствующие контуры водоохлаждения устройства, подается теплоноситель. Контроль над температурными режимами теплоносителя, по каждому контуру охлаждения, производится автоматической системой управления устройства (на фиг. не показано).
Включается система форвакуумной и высоковакуумной откачки рабочих объемов (на фиг. не показано) камер прессования 2 и приемной 3. После разгона насосов (на фиг. не показано) производится последовательная форвакуумная, а затем высоковакуумная откачка рабочих объемов камер 2 и 3 до заданного уровня вакуума. Контроль давления газов и уровня вакуума, в рабочих объемах камер 2 и 3 производится специальной системой измерения интегрированной в систему автоматического управления устройства (на фиг. не показано).
Производится подготовка к работе система подачи инертного газа в рабочие объемы камер 2 и 3. Управление подачей газа производится автоматической системой управления устройства (на фиг. не показано). Предусмотрена возможность ручной подачи инертного газа в рабочие объемы камер 2 и 3 (на фиг. не показано). При аварийной разгерметизации устройства, в процессе работы, для защиты нагревателя 12 производится автоматическая или ручная подача инертного газа, в камеры 2 и 3 устройства, до заданного системой управления давления. Подача инертного газа, по окончании процесса экструзии, производится для равномерного охлаждения экструдированного изделия.
При достижении заданного уровня вакуума, в рабочих объемах камер 2 и 3, включают систему управления нагревом (на фиг. не показано) и доводят температуру в камере прессования 2 до температуры переформования блока кварцевого стекла, которая определяется физическими свойствами кварцевого стекла, подлежащего экструдированию, но не ниже 1720°C. Заданная температура поддерживается с точностью ±10°C для равномерного прогрева блока кварцевого стекла 10 до температуры переформования определенное время, в зависимости от массы установленного блока.
Включают привод 8 поршня 7 и создают усилие, необходимое для прессования блока кварцевого стекла 10, поршень 7 начинает перемещаться вниз по рабочему цилиндру 9. Прогретая стекломасса оседает, проходит фильеру 19 и заполняет полость в форме "ласточкиного хвоста" в системе захвата 21.
Увеличивая нагрузку на поршень 7, включают привод 35 системы удержания-вытяжки 33, 34. Пока масса экструдированного изделия незначительна, то система удержания - вытяжки 33 используется как тяговое устройство с постепенным перемещением вниз каретки 34. При увеличении массы экструдируемого изделия для исключения самопроизвольного вытягивания и неконтролируемого изменения его геометрических характеристик, система удержания - вытяжки 33, 34 используется как для вытягивания изделия, так и для его поддержки за счет чего производится компенсации веса изделия и регулировка его геометрических параметров. По результатам работы бесконтактной лазерной системы измерения (на фиг. не показано), смонтированной на щелевых окнах 38 горловины 37 корпуса 24 приемной камеры 3, система управления регулирует режимы работы системы удержания-вытяжки 33, 34 (усилие удержания, тяговое усилие, скорость перемещения, положение каретки 34) и геометрические параметры экструдируемого изделия.
Система управления (на фиг. не показано) позволяет обеспечить автоматическое регулирование размеров готового изделия, температуры нагревателя 12 и сменной оснастки фильеры 19, давления газа и уровня вакуума в камерах прессования 2 и приемной 3, положение и скорость перемещения поршня 7, положение, направление и скорость перемещения каретки 34 системы удержания-вытяжки 33 экструдируемого изделия, тем самым обеспечивается регулирование скорости выхода готового изделия и экструзия изделия до полной переработки стекломассы блока кварцевого стекла 10.
Демонтаж готовой стержневой заготовки, производится через дверь 26 приемной камеры 3, а трубчатой заготовки через основание 25 камеры прессования с предварительным перемещением каретки 34 системы удержания-вытяжки 33 в верхнее положение.