Для чего нужны кварцевые трубки

Содержание

Кварцевые трубки нужны прежде всего для работы с высокими температурами. В отличие от обычного стекла, кварцевое выдерживает не только высокую температуру, но и термоудары, и ультрафиолет. Рабочая температура кварцевого стекла составляет 1200 °C длительно и до 1300 °C кратковременно, а температура размягчения – 1550 °C (ГОСТ 15130-86). Коэффициент теплового расширения составляет 5,5·10⁻⁷ K⁻¹, примерно в 6 раз ниже, чем у боросиликатного стекла (33·10⁻⁷ K⁻¹), поэтому трубка переносит резкий нагрев и охлаждение без образования трещин.

Где применяются кварцевые трубки

Высокотемпературные печи. В муфельных и трубчатых печах для обжига керамики, отжига металлов, диффузии примесей в кремниевых пластинах кварцевая трубка работает как реакционная камера. Стенка толщиной 2–5 мм выдерживает нагрев до 1200 °C непрерывно и до 1300 °C кратковременно. Боросиликатное стекло здесь не применимо: его рабочая температура – всего до 500 °C, температура размягчения – 820 °C.

ИК-нагреватели и сушильные установки. В термоформовочных машинах, сушилках лакокрасочных покрытий, оборудовании для термоусадки стоят трубки Ø10–25 мм с нихромовой или вольфрамовой спиралью внутри. Стекло марки КВ пропускает ИК-излучение в диапазоне 260–3500 нм почти без потерь – нагрев происходит за секунды.

УФ и бактерицидные лампы. Бактерицидные лампы работают на длине волны 254 нм, озонирующие – на 185 нм. Оба значения лежат в зоне прозрачности КУ-1: именно эта марка не имеет полос поглощения в диапазоне 170–250 нм, поэтому пригодна для колб ламп обеззараживания воды и генерации озона. Остальные марки кварцевого стекла в УФ работают хуже.

Полупроводниковая промышленность. В реакторах CVD, окислительных и диффузионных печах кварцевая трубка задает контролируемую среду при 900–1200 °C. От чистоты SiO₂ (99,99 %+) зависит выход годных пластин, поэтому в этой области берут стекло с минимумом металлических примесей.

Водоуказатели и уровнемеры. В котлах, бойлерах, аппаратах с давлением до 10 МПа ставят трубки Ø14–25 мм с торцевой шлифовкой. Их монтируют в указатели уровня Klinger и Bonetti взамен боросиликатных там, где температура среды выше 300 °C.

Химические реакторы и лаборатория. Кварцевые стаканы, колбы, змеевики и трубки нужны при работе с концентрированными кислотами, при окислительном отжиге, в UV-экспериментах. Обычное стекло реагирует со щелочами быстрее, но на температурах до 300 °C разница в стойкости невелика – кварц выигрывает выше.

Лазерная и тепловизионная техника. В проточных охладителях лазерных трубок, корпусах излучателей CO₂-лазеров, оптических окнах камер используется комбинация кварцевого стекла и специальных оптических материалов (ZnSe, CaF₂).

Физические свойства

Первое свойство – термостойкость. Почему кварц выдерживает то, что не выдерживает обычное стекло? Главная причина кроется в низком коэффициенте теплового расширения. Кварцевое стекло при нагреве с 20 до 1000 °C удлиняется примерно в 6 раз меньше, чем боросиликатное (ТКЛР 33·10⁻⁷ K⁻¹ против 5,5·10⁻⁷ K⁻¹), и в 16 раз меньше обычного натрий-кальциевого (90·10⁻⁷ K⁻¹). Отсюда и берется термостойкость: трубка, разогретая до 1000 °C, не трескается от брызг холодной воды.

Сравнение кварцевого, боросиликатного и обычного стекла по рабочей температуре и ТКЛР — инфографика

Второе свойство – прозрачность. КУ-1 пропускает УФ от 170 нм, чего не делает ни одно другое массовое техническое стекло.

Третье свойство – чистота: содержание SiO₂ в марках КУ и КВ превышает 99,99 %, примесей металлов – меньше 10 ppm.

Важно знать, что при длительной работе выше 1100 °C поверхность SiO₂ начинает постепенно кристаллизоваться, стекло мутнеет, появляются трещины. Для печей, работающих на верхнем пределе непрерывно, срок службы трубки – 6-12 месяцев.

Химическая стойкость и ограничения

Кварцевое стекло выдерживает большинство кислот при любых концентрациях: соляную, серную, азотную, уксусную. Есть исключения, которые приведены в таблице ниже:

Марки кварцевого стекла для производства трубок из кварца

ГОСТ 15130-86 делит прозрачное кварцевое стекло на четыре основные марки по спектральному назначению. От марки зависит, где трубка может быть применена.

Размеры кварцевых трубок и обозначения

Типовое обозначение – «D×S×L», где D – внешний диаметр, S – толщина стенки, L – длина в миллиметрах. Пример: «20×2×1500» – трубка внешним диаметром 20 мм, стенкой 2 мм и длиной 1500 мм. Внутренний диаметр в этом случае равен 16 мм.

Схема обозначения диаметра, толщины стенки, длины кварцевой трубки

Производимые размеры кварцевых трубок укладываются в диапазон: диаметр Ø4–300 мм, толщина стенки 1–5 мм, длина до 3000 мм. Для крупных диаметров (от 200 мм) длина обычно ограничена 2000 мм – дальше начинаются сложности с вытяжкой и транспортировкой.

Допуск прямолинейности по ТУ: для трубок длиной до 1000 мм – не более 0,4 % длины; свыше 1000 мм – 0,6 %. Торцы трубок диаметром до 200 мм – ровно обрезаны или зашлифованы. Нестандартный размер (например, Ø85×3,2×1820) – не проблема: Кварц-Пром изготавливает трубки по чертежу заказчика, срок партии нестандартных позиций – обычно 3-6 недель.

Трубка кварцевая ГОСТ и ТУ

Трубка кварцевая не имеет ГОСТ как отдельного документа, на саму трубку действуют технические условия, но корневым документом на материал из которого она изготавливается в России, является ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия». В нем описаны марки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, КУВИ, КУВ, их спектральные характеристики и допустимые примеси.

ТУ 21-РСФСР-644-83 – самое распространенное на изделия из прозрачного кварцевого стекла. В документации заводов вводятся классы по методу производства: ТК – газопламенный, ТКГ – двухстадийный газопламенный из горного хрусталя, электротермический – отдельные ТУ заводов-изготовителей.

Что нужно для спецификации закупки:

• марка стекла (КУ-1 / КУ-2 / КВ / КИ) – по ГОСТ 15130-86;
• размеры D×S×L с допусками;
• класс по методу производства (ТК / ТКГ / электротермический);
• обработка торцов (ровный рез / шлифовка / оплавление);
• паспорт качества с указанием содержания OH-групп (для оптических задач – критично);
• сертификат соответствия и декларация о происхождении (для госзакупок).

Как производят кварцевые трубки

Производство кварцевых трубок начинается с обработки сырья. В качестве исходника идет горный хрусталь (природный кристаллический кварц чистотой 99,9 %+) либо искусственный гранулят SiO₂, полученный гидролизом тетрахлорсилана. Первый дает стекло с содержанием OH-групп от 5 до 30 ppm, второй – 150–400 ppm; в оптике и УФ-технике это принципиально.

Рассмотрим два основных метода:

1. Газопламенный метод (ТК, ТКГ). Сырье плавят в пламени водородно-кислородной горелки. Из расплава вытягивают штабик, затем калибруют в трубку на барабанной установке. Метод дает стекло марок КВ и КИ с повышенным содержанием OH-групп и полосами поглощения в районе 2600–2800 нм.
2. Электротермический метод. Гранулят плавят в вакуумной печи с графитовым или вольфрамовым нагревателем. Полученная заготовка продавливается через фильеру и вытягивается в трубку заданного сечения. Метод дает марки КУ-1 и КУ-2 – прозрачные в УФ, с минимумом примесей.

Четыре производственных шага от сырья до готовой трубки:

1. подготовка и очистка сырья (промывка, прокалка, контроль металлических примесей);
2. плавка – газопламенная или электротермическая;
3. вытяжка через фильеру с калибровкой диаметра и толщины стенки;
4. резка на мерные длины, отжиг для снятия внутренних напряжений, шлифовка торцов.

Схема производства кварцевых трубок: 4 этапа от сырья до готовой трубки

Чем отрезать кварцевую трубку

Обычный стеклорез кварц не возьмет. Роликовый стеклорез рассчитан на мягкое натрий-кальциевое стекло; на кварце риска не образуется, а при попытке разлома трубка дает сколы в случайном направлении. Чем отрезать кварцевую трубку правильно – только алмазным инструментом. Вот четыре рабочих метода.

1. Алмазный диск на гравере Dremel. Диск Ø22–32 мм, обороты 20 000–30 000 об/мин. Трубку фиксируют в V-образной подставке, делают канавку по всей окружности за несколько проходов, затем надламывают через деревянный клин. Метод – для диаметров до 30 мм.

2. Болгарка с отрезным алмазным диском. Обычный алмазный диск Ø125 мм для плитки или камня. Трубку оборачивают изолентой в месте реза (снижает вибрацию и сколы), режут с подачей воды или на малых оборотах. Для диаметров от 30 до 150 мм – оптимально.

3. Алмазный надфиль. Вариант для тонких капилляров Ø до 10 мм. Острой гранью надфиля делают круговую риску, потом аккуратный слом через тонкую проволоку. Долго (на Ø8 мм – до 30 минут), но без сколов.

4. Метод «канавка + термоудар». Применяется для толстостенных трубок Ø 60 мм+. Алмазным диском делают риску на половину толщины стенки, наматывают нихром, нагревают 1 минуту, снимают и капают холодной водой. Локальный термоудар раскалывает трубку точно по риске.

Во всех случаях – защитные очки и респиратор: пыль SiO₂ при сухой резке вызывает силикоз. Если есть выбор, всегда резать с водой.

Частые вопросы

Какая рабочая температура у кварцевой трубки?

Длительно – до 1200 °C, кратковременно – до 1300 °C (ГОСТ 15130-86). Температура размягчения стекла – 1550 °C. При непрерывной работе выше 1100 °C срок службы сокращается из-за кристобализации.

Чем отличается КУ-1 от КВ?

КУ-1 прозрачен в УФ-диапазоне от 170 нм, без полос поглощения в интервале 170–250 нм – подходит для бактерицидных и озонирующих ламп. КВ прозрачен в видимой области и части ИК, но имеет полосу поглощения в УФ – его берут для ИК-нагревателей и обычных печей, где УФ-пропускание не требуется.

Какие размеры кварцевых трубок выпускаются?

Стандартный диапазон: внешний диаметр от 4 до 300 мм, толщина стенки от 1 до 5 мм, длина до 3000 мм. Обозначение формата «20×2×1500» означает внешний диаметр Ø 20 мм, стенка 2 мм, длина 1500 мм. Нестандартные размеры изготавливаются по чертежу.

Чем отрезать кварцевую трубку в домашних условиях?

Только алмазным инструментом – диском на гравере Dremel, алмазным надфилем или отрезным алмазным диском на болгарке. Обычный стеклорез не работает: на кварце он не оставляет риски. При резке обязательно использовать защитные очки и респиратор, желательно с подачей воды для связывания пыли SiO₂.

По какому ГОСТу производятся кварцевые трубки?

На материал действует ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое». На саму трубку – технические условия, чаще всего ТУ 21-РСФСР-644-83 (изделия из прозрачного кварцевого стекла). Заводы могут выпускать трубки и по собственным ТУ, которые должны ссылаться на ГОСТ 15130-86 в части характеристик стекла.

Можно ли использовать кварцевую трубку с плавиковой кислотой?

Нет. Плавиковая кислота (HF) – единственная из распространенных минеральных кислот, которая растворяет SiO₂ при любых концентрациях и температурах. Для HF применяют фторопласт (ПТФЭ) или специальные фторсодержащие полимеры. Щелочи при температуре выше 300 °C также быстро разрушают кварц.

Где купить кварцевые трубки 

Завод-производитель изделий из кварца ООО “ГК “Кварц-Пром” производит и поставляет трубки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ по ОСТ 2142-90, а так же по различным ТУ и ГОСТам советского образца. Для того, чтобы купить у нас, пришлите спецификацию или чертеж – подберем марку под спектральный и температурный режим и рассчитаем срок поставки.

Об авторе

Технолог по производству кварцевых трубок, ООО «ГК «Кварц-Пром».
Специализация: изготовление трубок из кварцевого стекла по чертежам и контроль качества партий.
Кварц-Пром работает с 2004 года, член Ассоциации «Инновационные предприятия Российской Федерации».