Устройство для очистки сточных вод

Устройство для очистки сточных вод

Реферат

 

Использование: устройство относится к очистке сточных вод, в частности к устройствам биологической и глубокой очистки малых количеств сточных вод. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, аэрационную камеру с полупогружной перегородкой и пористыми перегородками, аэратор с погружным насосом, трубопроводы подачи и отвода сточных вод. Аэратор и погружной насос установлены с противоположных сторон каркаса с пористыми перегородками, аэратор установлен между корпусом и полупогружной перегородкой со стороны подачи сточных вод. Достигаемый технический эффект - повышение эффективности работы устройства путем улучшения условий перемешивания и создания постоянного контакта микрофлоры с очищаемой сточной водой в аэрационной камере. 2 ил.

Изобретение относится к очистке сточных вод, в частности к устройствам биологической и глубокой очистки малых количеств сточных вод.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для очистки сточных вод, содержащее корпус, аэрационную камеру, аэратор, трубопроводы подачи и отвода сточной воды, сетчатые перегородки /см. авторское свидетельство СССР N 1502485, C 02 F 3/02, 1989/.

Недостатком этого устройства является конструктивная сложность и неустойчивость гидродинамических условий очистки, а именно неравномерность поступления перемешиваемых сточных вод в пространство между перегородками, что приводит к снижению эффективности процесса очистки. Кроме того, для создания условий перемешивания и, следовательно, постоянного контакта сточной воды с закрепленной на сетчатых перегородках микрофлорой, обеспечивающей очистку, необходимо с большой точностью устанавливать величину заглубления кромки сетчатых перегородок под уровень воды, что на практике осуществлять сложно.

Все это снижает эффективность очистки сточных вод.

Указанные недостатки прототипа препятствуют повышению эффективности работы устройства путем улучшения условий перемешивания и создания постоянного контакта микрофлоры с очищаемой сточной водой в аэрационной камере.

Такой технический результат достигается тем, что аэрационная камера снабжена полупогружной перегородкой, аэратор и погружной насос установлены с противоположных сторон каркаса с пористыми перегородками, аэратор установлен между корпусом и полупогружной перегородкой со стороны трубопровода подачи сточных вод.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 схематично изображено устройство, поперечный разрез; на фиг. 2 - то же, план.

Устройство для очистки сточных вод содержит корпус 1 с трубопроводами подачи 2 и отвода 3 сточных вод, образующий аэрационную камеру 4. Аэрационная камера оборудована аэратором 5 с погружным насосом 6 и каркасом 7 с полупогружной перегородкой 8 и рядом пористых перегородок 9, установленным в центральной части аэрационной камеры. Полупогружная перегородка установлена на каркасе со стороны расположения трубопровода подачи сточных вод. Погружной насос и аэратор установлены на противоположных сторонах каркаса, при этом аэратор установлен со стороны расположения трубопровода подачи сточных вод между корпусом и полупогружной перегородкой.

Устройство работает следующим образом.

Неочищенная сточная вода по подводящему трубопроводу поступает в аэрационную камеру для биологической очистки. Перемешивание и подача кислорода в сточную воду осуществляется аэратором с помощью погружного насоса. Микрофлора, осуществляющая биологическую очистку сточных вод, фиксируется на пористых перегородках в виде биопленки. Шероховатая пористая структура перегородок способствует наилучшей фиксации микрофлоры. Избыточная микрофлора отделяется от пористых перегородок и оседает на дно аэрационной камеры. Накопившийся осадок периодически удаляется.

Неочищенные сточные воды поступают в зону интенсивной аэрации - под аэратор между корпусом и полупогружной перегородкой, интенсивно перемешиваются и полупогружной перегородкой направляются в нижнюю часть аэрационной камеры. Погружным насосом, установленным на противоположной стороне каркаса с пористыми перегородками, сточная вода отсасывается и подается в аэратор. Таким образом, поступающая сточная вода принудительно многократно прокачивается между пористыми перегородками с закрепленной на них микрофлорой, омывая их поверхности и исключая образование застойных зон.

Очищенная вода по трубопроводу отводится из устройства. Изобретение повысит эффективность работы и производительность устройства за счет более полного использования объема аэрационной камеры и создания наилучших гидродинамических условий для контакта сточной воды и микрофлоры, осуществляющей очистку.

Изобретение относится к индукционной печи для тепловой обработки и устройству и способу для обработки крупногабаритных синтетических стеклоподобных кремнийдиоксидных масс, а также способам получения стекла с помощью указанного устройства и способа.

Производство высокочистых стекловидных кремнийдиоксидных масс приобретает все более растущее промышленное значение, что обусловлено, в частности, потребностями оптиковолоконной и полупроводниковой отраслей промышленности. Первоначально потребности этих отраслей индустрии можно было удовлетворять расплавленным кварцевым стеклом, приготовленным сплавлением высокочистых кварцевых кристаллических порошков с помощью электротехники или техники плавления в пламени.

Однако по мере возрастания требований, предъявляемых к чистоте, с использованием встречающегося в природе кристаллического сырья становилось все труднее достигать заданной степени чистоты, поэтому внимание исследователей переключилось на поиски других, искусственных источников стеклоподобной двуокиси кремния. Было опубликовано множество работ, посвященных этим альтернативным путям, самыми важными из которых оказались техника осаждения из паров и золь-гелевая или родственная ей техника.

Так, например, крупногабаритные массы из пористой синтетической стеклоподобной двуокиси кремния теперь можно получать осаждением наслоения из двуокиси кремния из пламени, когда четыреххлористый кремний или другое летучее кремнийсодержащее соединение гидролизуют или окисляют в водород-кислородном или метан-кислородном пламени.

Поток кремнийдиоксидных микрочастиц обычно направляют на вращающуюся цилиндрическую подложку, на которую они осаждаются в виде пористой массы чистой стекловидной двуокиси кремния, часто называемой кремнийдиоксидной наслаиваемой массой. Эту наслаиваемую массу в дальнейшем подвергают конверсии в стекло в процессе спекания (также называемом как уплотнение или стеклование).

Добавлением в пламя соответствующих легирующих реагентов наслаиваемую массу можно легировать либо металлическими, либо неметаллическими агентами. Так, например, с целью увеличить показатель преломления получаемого стекла в качестве легирующей присадки можно добавлять германий, фосфор и тому подобное, а для уменьшения показателя преломления можно применять фтор или бор.

Такие пористые стеклоподобные кремнийдиоксидные изделия по другому варианту можно изготовлять путем литьевого формования с использованием шламов ультратонкодисперсных синтетических стеклоподобных кремнийдиоксидных порошков (например, как это изложено в работе П.К. Бахманна и др., Shape Forming of Synthetic Silica Tubes by Layerwise Centrifugal Particle Deposition, опубликованной в Ceramic Bulletin, 68(10), 1989), сухого брикетирования таких порошков [1] или даже литья из осажденных кремнийдиоксидных золей, хотя осуществление этого последнего метода при изготовлении крупногабаритных изделий сопряжено с необходимостью разрешения проблем.

Следует иметь в виду, что в случае, когда в данном описании имеется ссылка на наслаиваемую массу, если это позволяет контекст, в качестве альтернативной возможности предусмотрено изделие из пористой синтетической двуокиси кремния, полученной по другому способу.

Осуществление вышеуказанных способов обычно позволяет получать сплошные или полые цилиндрические изделия из пористого кремнийдиоксидного стекла, обычно плотностью от 0,4 до 1,0 г/мл, которые могут быть в дальнейшем очищены, например нагреванием в хлорсодержащем газе. В ходе такой обработки происходит конверсия нежелательных примесей, содержащихся в стекле, в летучие хлориды, которые таким образом можно удалять. Типичные хлорсодержащие соединения охватывают Cl₂, SiCl₄, SOCl₂, COCl₂ и CCl₄. Удаление переходных металлов, например железа, иллюстрируется следующим уравнением.

Удаление OH (гидроксила) из стекла осуществляется за счет образования газообразного хлористого водорода таким образом , В соответствии с другим газофазным способом, который обычно осуществляют при получении легированных стеклопродуктов для оптиковолоконной отрасли промышленности, предусмотрена обработка этой пористой массы во фторсодержащем газе, в результате чего, как указано выше, образуется стекло с пониженным коэффициентом преломления. Типичные легирующие газы охватывают SiF₄, SF₆, CF₄ и другие фторуглероды или хлорфторуглероды.

Вышеуказанные процессы газовой обработки обычно проводят при 800 - 1200^oC.

После любой такой обработки с целью очистки или легирования пористую стеклоподобную кремнийдиоксидную массу спекают, как правило, в атмосфере гелия или, возможно, гелия совместно с хлор- или фторсодержащим газом. На долю гелия приходится основная часть атмосферы, поскольку он несколько растворим в стеклоподобной двуокиси кремния; он быстро диффундирует через стекло. Таким образом, когда по ходу процесса спекания закрытой порой или пузырьком захватывается некоторое количество газа, если этот газ состоит в основном из гелия, он в состоянии быстро удалиться через стекло за счет диффузии, что позволяет, таким образом, получать прозрачный продукт, не содержащий газовых пузырьков.

В настоящее время вышеуказанные способы являются обычными в оптиковолоконной производственной технике, и их осуществляют с получением удовлетворительных результатов в малых масштабах, однако получаемая продукция дорога, поэтому крайне необходима возможность осуществления крупномасштабного и более дешевого процесса при одновременном сохранении качества и чистоты продукции.

Сейчас разрабатываются способы получения более крупных пористых синтетических стеклоподобных кремнийдиоксидных тел, из которых важнейшими являются способы с использованием техники наслаивания, а именно, ВОП (внешнего осаждения пара, т.е. осаждения кремнийдиоксидной сажи на поверхность вращающегося цилиндрического сердечника) и ПОО (парофазного осевого осаждения, то есть осаждения кремнийдиоксидного наслоения на нижний конец цилиндрического тела, вращающегося вокруг вертикальной оси). Такие способы можно приспособить для осуществления в крупномасштабном производстве цилиндрических наслаиваемых тел, но очистка, легирование и спекание этих тел в крупномасштабном производстве при низкой себестоимости порождает новые проблемы.

Существующие до настоящего времени печи для спекания пористых кремнийдиоксидных наслаиваемых масс обычно представляют собой вертикальные трубчатые печи, включающие в себя цилиндрические муфельные трубки, выполненные из окиси алюминия или расплавленного кварца, нагреваемые извне только в центральной зоне электропечами с нагревательными элементами, которые изготовлены из огнеупорного металла, карбида кремния или графита, причем такие муфельные трубки приспособлены для содержания в них выбранной для спекания газовой атмосферы (например, гелия) и для изолирования кремнийдиоксидной наслаиваемой массы от загрязнений, выделяемых нагревательными элементами или попадаемых из внешней окружающей среды.

Таким образом, наслаиваемую массу можно подвергать тепловой обработке в хлор- или фторсодержащем газе внутри муфельной трубки посредством поднимания или опускания через центральную горячую зону. В дальнейшем эту массу можно постепенно спекать аналогичным путем при медленном прохождении со скоростью несколько миллиметров в минуту, через горячую зону с более высокой температурой, чем создаваемая при предыдущей тепловой обработке.

В некоторых случаях процессы дегидратации и спекания проводят одновременно на стадии спекания в одной единственной зоне при относительно высокой температуре. Такая муфельная печь и окись алюминия в качестве подходящего материала для муфельной трубки предлагаются в описании к заявке на европейский патент [2].

Печь такого типа удовлетворительно работает при обработке малых масс, но ей свойственны некоторые недостатки. Алюминийоксидная муфельная трубка содержит примеси, например ионы щелочных металлов, которые в виде летучих компонентов могут мигрировать в высокочистый кремнийдиоксидный продукт и привести к нежелательным загрязнениям.

Кроме того, изготовление элементов большой длины из окиси алюминия, соединение трубок между собой сопряжено с затруднениями технологического порядка, а монтаж фланцев для высокотемпературных процессов порождает проблемы.

В данном описании термин "муфельная трубка" использован для обозначения самой внутренней стенки печи, нагреваемой за счет прохождения электрического тока или излучения от одного или нескольких нагревателей, которые ее окружают, и внутри которой подвергают тепловой обработке кремнийдиоксидную массу. Такой способ тепловой обработки может представлять собой вышеописанный способ с зоной нагрева или же, по другому варианту, быть таким, при осуществлении которого обеспечивается поддержание практически одной и той же температуры всей массы.

Муфельные трубки из расплавленного кварца могут быть выполнены с более высокой степенью чистоты, чем алюминийоксидные трубки, характеризуются низким коэффициентом расширения и могут быть снабжены фланцами. Однако муфельная трубка из расплавленного кварца сохраняет и некоторые присущие ей недостатки. При температурах свыше приблизительно 1300^oC трубка из расплавленного кварца подвержена вязкому течению, которое приводит к изгибу или деформации.

По этой причине давление внутри муфеля, значительно отличающееся от наружного, оказывается недопустимым, поскольку в противном случае трубка деформируется. При температуре свыше приблизительно 1150^oC расплавленный кварц проявляет тенденцию к расстекловыванию, а если частично расстеклованной трубке дать остыть, плохое сочетание коэффициентов расширения стеклянной и кристаллической фаз приводит к возникновению напряжений, которые могут вызвать разрушение трубки. Наконец, при высокой температуре и в атмосфере, содержащей фтор, муфельная трубка из расплавленного кварца подвергается травлению, в особенности в случае присутствия влаги. Оба эти явления сокращают срок службы трубки и вызывают порожденное газом загрязнение, поскольку примеси, выделяемые трубкой из расплавленного кварца, мигрируют в синтетическую кремнийдиоксидную массу, вызывая ее загрязнение.

Несмотря на все эти затруднения муфельные трубки из стеклообразной двуокиси кремния и расплавленного кварца находят широкое применение, в особенности в оптиковолоконной производственной отрасли, либо в печах зонного спекания, где масса движется через горячую зону, либо в печах зонного спекания другого типа, где горячая зона движется вдоль массы.

В описании к вышеупомянутой заявке на европейский патент [2] предлагается муфельная трубка из расплавленного кварца внутри графитовой печи с относительно короткой горячей зоной, а что касается удлиненного варианта, то в описании к американскому патенту [3] предлагается печь, в которой муфельная трубка окружена удлиненным сусцептором, выполненным из графита, который снабжен теплоизоляцией и включает трубку из расплавленного кварца, заполненную инертным газом.

Упомянута, муфельная трубка из графита или окиси алюминия, но муфельная трубка из двуокиси кремния предпочтительнее. Эффект зонного спекания обеспечивается за счет перемещения короткой индукционной катушки, которая охватывает внешнюю кремнийдиоксидную трубку вверху или внизу устройства. Это обуславливает короткое перемещение горячей зоны в графитовом сусцепторе и обеспечивает возможность проведения регулируемых процессов нагревания и спекания. Достоинство такой конструкции состоит в уменьшении общей высоты установки, необходимой для продольного перемещения вертикально подвешенной массы, которая приближается к минимуму в 2 L, где L - длина массы.

Более удобное техническое решение со стационарной горячей зоной и подвижной массой требует высоты установки по меньшей мере (4L + 2H), где L - также длина массы, а H - длина секции зонного спекания печи.

Несмотря на это достоинство печи, предлагаемой в описании к американскому патенту [3] свойственен ряд серьезных недостатков. Описанная конструкция нуждается в тщательной разработке мер предосторожности, обеспечивающих возможность расширения и сжатия компонентов. С целью избежать разрушения, которое могло бы последовать за неизбежным расстекловыванием муфельной трубки во время ее эксплуатации, температуру внутренней кремнийдиоксидной муфельной трубки необходимо поддерживать на уровне выше 1050^oC.

В то время как температура является важной переменной, управляющей рассматриваемыми процессами, тот факт, что горячая зона подвижна, обуславливает затруднения технического порядка при измерении температуры. При температуре спекания массы, равной 1450^oC, стеклоподобная кремнийдиоксидная муфельная трубка находится в размягченном состоянии и склонна к деформации, что обуславливает необходимость проявлять заботу при ее эксплуатации и поддерживать повышенное внутреннее давление с целью предотвратить смятие этой муфельной трубки.

Таким образом, печь этого типа можно применять только при давлениях, близких к атмосферному, и, следовательно, описанная технология нуждается в использовании гелия в качестве газа для спекания. Однако гелий является редким газом, стоимость которого составляет значительную долю общих затрат на производство спеченного кремнийдиоксидного продукта, причем малораспространенность этого газа составляет серьезную проблему для будущего широкого внедрения такой технологии.

Поскольку, помимо возможности проводить процесс под давлениями, близкими к атмосферному, гелий не дает самому процессу ничего, кажется очевидной попытка проводить тепловую обработку и спекания пористой кремнийдиоксидной массы в вакууме или под соответствующим (низким) давлением газообразного реагента (например, хлора, тетрафторида кремния и тому подобного).

Однако в литературе имеется несколько ссылок на такую вакуумную тепловую обработку пористых синтетических кремнийдиоксидных масс. Основная причина этого, возможно, кроется в том, что в последнее время стало трудно строить с приемлемыми затратами крупные практичные, вакуумные печи, которые могут работать в исключительных условиях сверхвысокой чистоты, необходимой в данной области техники.

В описании к заявке на патент Великобритании [4] предлагается вариант исполнения вакуумной печи, в которой отсутствует муфельная трубка и где синтетическую кремнийдиоксидную наслаиваемую массу спекают в вакууме или под низким давлением гелия внутри нагреваемой за счет индукции графитовой трубки, которая вращается вокруг горизонтальной оси. Утверждается, что достоинство такого способа состоит в возможности получения цилиндрического спеченного продукта даже в том случае, если предшествующая наслаиваемая масса не имела формы совершенного цилиндра, то есть в размягченном состоянии геометрические неоднородности стеклянной массы могут быть устранены за счет вращающего действия печи.

Однако при попытке внедрения этой технологии в крупномасштабное производство она страдает рядом серьезных недостатков, включая сюда проблемы механического повреждения хрупкой наслаиваемой массы, например при загрузке в горизонтальную печь, вследствие чего можно ожидать образование нежелательной поверхности или даже загрязнения в массе из-за постоянного контакта кремнийдиоксидной массы с графитовой сусцепторной трубкой при вращении внутри нее. Присутствие реакционноспособных газов могло бы вызвать существенные затруднения технологического порядка из-за необходимости поддерживать высокую температуру подвижных деталей в среде реакционноспособных газов и одновременно с этим избегать коррозии оборудования и загрязнения высокочистого стекла.

Эта концепция сложна для практического инженерного воплощения, поскольку требует создания крупногабаритной вакуумной камеры для размещения в ней вращающейся печи.

Сложность и наличие подвижных деталей означают, что процесс с соблюдением чистоты и отсутствием пыли становится непрактичным для тех потребителей, которые сами настаивают на условиях соблюдения чистоты в ходе процесса и могли бы предпочесть получение исходного материала в таких чистых условиях.

В описании к американскому патенту [5] предлагается разнообразие других типов печей для спекания, причем во всех этих печах для нагрева вертикальной трубки предусмотрено наличие нагревателя обычной конструкции (например, электротехнически нагреваемого угольного нагревателя), но в горячей зоне использована муфельная трубка, выполненная из высокочистого углерода.

Ключевая отличительная особенность этой конструкции состоит в том, что угольной муфельной трубке необходимо придать непроницаемость, благодаря чему реакционноспособные газы внутри этой муфельной трубки не в состоянии выделяться во внешние участки и вступать с компонентами нагревателя в реакцию, которая сопровождается образованием потенциальных загрязнений и сокращением срока службы нагревателя.

В качестве материала непроницаемого внешнего слоя предложено использовать карбид кремния как таковой. В другом варианте в форме тонкого пиролитического осадка на внутренней поверхности трубки из расплавленного кварца может быть предусмотрен углерод. Эта сложность обусловлена тем, что для предлагаемых печей существенное значение имеет отделение нагревательных средств от реакционноспособных газов внутри муфельной трубки.

В описании к американскому патенту [5] приведены дополнительные отличительные особенности, которые представляют интерес. В одном из вариантов предусмотрена первая или верхняя камера, в которой кремнийдиоксидную массу содержат в инертном газе или в вакууме, что позволяет удалить любую адсорбированную влагу или кислород. В результате снижается степень загрязнения и удлиняется срок службы плакировки из высокочистого углерода на муфельной трубке. Согласно еще одному варианту предлагается способ фактического спекания под пониженным давлением, хотя предусмотрено спекание "всей массы целиком", а не зонное спекание, что было бы предпочтительнее для сохранения хороших размеров цилиндрической наслоившейся массы.

Несмотря на то, что в описании к американскому патенту [5] детальная конструкция печи не пояснена, спекание в вакууме явно достигается размещением всего устройства, включая сюда и детали печи, питающую электропроводку и тому подобное, в вакуумной камере, что обуславливает затруднения и исключительную дороговизну такого технического решения, если необходима обработка крупногабаритных наслаиваемых масс, поскольку это связано с потребностью в вакуумной камере чрезмерных размеров. В данной конструкции предусмотрена также загрузка сверху через первую или верхнюю камеру, а это ограничивает возможность интеграции процессов осаждения и спекания в целом, что и составляет цель настоящего изобретения.

В описании к американскому патенту [5] в попытке предотвратить проникновение воздуха или кислорода в высокотемпературную графитовую печь для спекания предлагается использование двух раздельно нагреваемых камер. В описании к американскому патенту [6] представлена верхняя печь (для предварительного нагрева), плакированная расплавленным кварцем и отделенная от нижней печи (для спекания), плакированной графитом, заслонкой.

В процессе спекания движение тока гелия снизу вверх после клапана обеспечивает сведение парциального давления кислорода в камере спекания до минимального, благодаря чему, как указано, обеспечивается продолжительный срок службы графитовой муфельной трубки. Такое техническое решение требует, тем не менее, больших объемов гелия, которые можно было бы свести к минимуму или даже вообще исключить, если бы существовала возможность создать в печи вакуум. Еще один недостаток такой конструкции состоит в том, что массу необходимо загружать через верх печи. Таким образом, общая высота установки должна составлять по меньшей мере (4L + 2H), где L - высота массы, а H - длина сектора зонного спекания печи.

Было бы желательным загружать горячую наслоившуюся массу в предварительно нагретую печь, но в случае печи данного типа с загрузкой сверху конвекционное движение вверх печных газов может означать, что верхняя печь незамедлительно заполнится воздухом, который перед проведением процесса необходимо удалить продувкой с целью избежать окисления нагретых графитовых деталей, сокращения их срока службы и связанного с окислением загрязнения.

Продувка печи этого типа, работающей под давлениями, близкими к атмосферному, является процессом длительным, зависящим от диффузии инертного газа через печь, а более конкретно через поры кремнийдиоксидной наслоившейся массы, с вытеснением кислорода, водяного пара и тому подобного, содержащихся в системе. По конструкционным соображениям, в частности из-за использования кварцевой муфельной трубки, рабочая температура верхней печи ограничена 800^oC.

Сохраняется потребность в оптимальном способе получения синтетических кремнийдиоксидных масс, при осуществлении которого процессы осаждения, последующей обработки и спекания были бы максимально возможно объединены. Дополнительное требование состоит в том, чтобы на каждой стадии этого интегрированного способа сводился бы к минимальному риск механического повреждения или загрязнения получаемой стеклянной массы. Эти требования неправомерно предъявлялись к любой из вышеупомянутых технологий существующего уровня техники; целью настоящего изобретения является поиск возможностей удовлетворить этим требованиям уникальным образом.

Предпочтительным методом получения пористой синтетический кремнийдиоксидной массы является пламенный гидролиз или окисление соединения кремния, обычно тетрахлорида кремния, с целью осаждения пористой наслоившейся массы на боковую поверхность подложки (ВОП) или на конец вращающегося цилиндрического элемента (ПОО).

Непосредственно после осаждения горячая (например, при температуре 1000^oC) пористая синтетическая кремнийдиоксидная масса является хрупкой и легко загрязняется, например примесями, порожденными газами, или пылью из атмосферы. Они могут вызвать поверхностное загрязнение и обычно поверхностное расстекловывание или, возможно, загрязнение в массе, если такие примеси способны проникать в поры или диффундировать через стекло. Если его подвергнуть воздействию термических циклов, то, помимо очевидных тепловых и технологических несовершенств, возникнет также риск растрескивания благодаря напряжениям, возникающим в пористой синтетической кремнийдиоксидной массе или между этой массой и любыми поддерживающими средствами (затравочная деталь, рукоятка, подложка и тому подобное).

Тем не менее осуществление ранее известных способов требует охлаждения наслоившейся массы перед ее загрузкой через верх печи для тепловой обработки/спекания. Перемещение в горячем состоянии наслоившейся массы позволило бы устранить вышеуказанные проблемы и, как дополнительное достоинство, сократить продолжительность обработки, поскольку, что совершенно очевидно, повторный нагрев большой массы пористой двуокиси кремния до однородной температуры вследствие низкой теплопроводности массы низкой плотности отнимает большое количество времени.

В заключение следует указать, что совершенно очевидна необходимость разработки способа осаждения с поддержанием высокой температуры массы и ее перемещения на последующие стадии процесса без задержек и без воздействия окружающей среды. Любому риску загрязнения масса должна подвергаться только после конверсии наслоившейся массы в полностью стеклованную стеклянную массу и ее охлаждения до комнатной температуры. Насколько известно авторам настоящего изобретения, этот идеальный способ проведения процесса оказывается невозможным в известной в настоящее время печи для тепловой обработки или спекания.

В соответствии с изобретением предлагается печь, применение которой позволяет экономично разрешить все проблемы, присущие вышеперечисленным ранее известным способам, и получать с достижением высокой производительности чистые и легированные синтетические кремнийдиоксидные массы очень больших размеров без использования больших количеств гелия.

Хотя печь в соответствии с изобретением может быть использована для тепловой обработки пористых кремнийдиоксидных масс, приготовленных по любому способу, включая сюда и золь-гелевые, а также наслаиваемые массы, наносимые на горизонтальном станке для осаждения, она особенно хорошо приспособлена для обработки пористой синтетической кремнийдиоксидной массы, полученной на вертикально сориентированном станке для осаждения, то есть в устройстве для осаждения наслоения, где кремнийдиоксидное наслоение осаждают с формированием цилиндра, продольная ось которого проходит вертикально и который вращается вокруг вертикальной оси. Примером таких способов служит способ ПОО.

В соответствии с одним аспектом изобретения предлагается печь, пригодная для тепловой обработки и/или спекания пористых синтетических кремнийдиоксидных масс в условиях высокой чистоты под атмосферным или пониженным давлением, включающая в себя трубчатый сусцептор, ось которого проходит вертикально, и охлаждаемую жидкостью индукционную катушку для повышения температуры сусцептора, причем этот сусцептор выполнен из графита и/или карбида кремния и заключен в вакуумный кожух, выполненный из стеклованной двуокиси кремния или расплавленного кварца; этот кожух окружен охлаждаемой жидкостью индукционной катушкой; конструкция устройства такова, что этот вакуумный кожух работает при температурах ниже тех, при которых может происходить либо расстекловывание, либо прогиб кожуха, даже тогда, когда трубчатый сусцептор нагревают до температуры 1700^oC; печь дополнительно снабжена валом, способным вращаться вокруг и перемещаться вдоль упомянутой вертикальной оси трубчатого сусцептора; указанный вал приспособлен служить опорой для нагреваемой массы.

В предпочтительном варианте трубчатый сусцептор окружен графитовым войлоком или сопоставимой огнеупорной теплоизоляционной средой, которая между трубчатым сусцептором и охлажденным вакуумным кожухом образует кольцевой слой.

Вакуумный кожух заканчивается снизу закрывающими средствами и опирается сверху на каретку или аналогичную подвижную опору, которая позволяет печи равномерно перемещаться в горизонтальном направлении от одного участка обработки к другому, а приведение в действие закрывающих средств позволяет соединять этот вакуумный кожух со следующей, соосно расположенной камерой тепловой обработки.

Печь этого типа может быть использована для тепловой обработки всей массы в целом или с использованием короткой горячей зоны для зонного спекания. Действительно, печь такой конструкции можно применять с короткой, но подвижной индукционной катушкой, когда она выполняет функции печи для вакуумной тепловой обработки и зонного спекания, аналогичной той, что предлагается в описании к американскому патенту [3], но обладающей заметными преимуществами перед такой конструкцией.

Однако, как указано выше, одной из целей настоящего изобретения является усовершенствование процедур манипуляций с такими массами, то есть предотвращение необязательных термических циклов, что позволяет избежать образования нежелательных механических напряжении, и сведение к минимуму воздействия окружающей среды.

Таким образом, в соответствии с дополнительным аспектом изобретения предлагается устройство для тепловой обработки и/или спекания синтетических кремнийдиоксидных наслаиваемых масс, включающее в себя по меньшей мере две печные камеры, причем верхняя из них представляет собой печь вышеописанного типа, которая способна перемещаться в положение над приспособлением, применяемым для осаждения кремнийдиоксидной наслаиваемой массы, что дает возможность на этом участке загружать наслаиваемую массу в такую печную камеру и ее транспортировать в условиях регулируемых газовой среды и температуры в положение над второй печной камерой, в которой операцию зонного спекания можно проводить также в регулируемой газовой среде и в регулируемых условиях температуры и давления.

Применение устройства в соответствии с этим дополнительным аспектом настоящего изобретения упрощает проведение обычных процессов отжига, дегидратации (то есть удаления гидроксильных групп) путем обработки хлорсодержащим газом, легирования путем обработки фторсодержащим газом и спекания синтетических кремнийдиоксидных наслаиваемых масс, а также позволяет осуществить необычный способ дегидратации кремнийдиоксидных наслаиваемых масс путем простой вакуумной дегидратации или сочетания вакуумной дегидратации с прерывистым или постоянным вводом инертного продувочного газа.

Более того, возникает возможность осуществления дегидратации наслаиваемой массы нагреванием восстановительного газа, например в присутствии водорода, или за счет обмена с дейтерийсодержащим газом, то есть введения OD-групп вместо расходуемых гидроксильных групп.

Эти ограничения соответствуют печному устройству, представленному в качестве примера на прилагаемых чертежах, где: фиг. 1 печное устройство, продольный разрез; фиг. 2 - вид верхней печи, в которую на участке загрузки вводят наслаиваемую массу; фиг. 3 - вид устройства, приведенного на фиг. 1, с наслаиваемой массой, проходящей из верхней части печи в промежуточную и нижнюю часть печи; фиг. 4 - вид верхней части печи (на фиг. 2, готовой к разгрузке.

Если обратиться к фиг. 1, печное устройство включает в себя верхнюю печь A, которая может работать самостоятельно или в сочетании со второй печью B. Снизу вторая печь B соединена с приемной камерой C для обработанного продукта.

Верхнюю печь A с помощью качающегося рычага, каретки, подъемного механизма, подъемного крана или других средств можно перемещать к одному или нескольким другим участкам внутри здания, причем три таких участка представлены на фиг. 2, 3 и 4. Так, например, печь A можно загружать на участке 1 (фиг. 2), вертикально над печью осаждения, обозначенном пунктирной линией 28, перемещать на участок II (фиг. 3), где ее можно соединять со второй печью B и камерой C, а после завершения операции тепловой обработки в печи B печь A можно перемещать на участок разгрузки III (показан на фиг. 4).

Далее предпочтительный вариант исполнения печного устройства более подробно описан ниже со ссылкой на фиг. 1.

Печь A представляет собой индукционную печь с полым цилиндрическим сусцептором 1, выполненным из высокочистого графита (предпочтительная зольность составляет менее 10 ч./1000000 ч.), карбида кремния или сочетания графита с карбидом кремния, который заключен внутри практически охлаждаемой воздухом трубки из расплавленной двуокиси кремния 2, которая служит также вакуумным кожухом. Этот сусцептор нагревают за счет индукции с помощью охлаждаемой водой катушки 3, установленной вне охлаждаемой трубки 2.

Сусцептор 1 и трубка 2 из двуокиси кремния разделены теплоизоляцией 4, например из высокопористого графитового войлока. Верхний конец печи A герметически закрыт (например, охлаждаемым водой металлическим фланцем 5 и охлаж