石英ガラス加工

ハロゲンランプの知識

石英ガラスの加工はガスバーナ等で高温(約2000℃)にしてカーボンや金属の棒などを押しつけて変形させたり、金属製の金型でプレスしたりして加工します。

ガスバーナとしては酸素-水素炎が理想的です。ガスバーナには酸素と水素を予め混合しておき、それをノズルから高速て吹き出して燃焼させる「根元混合型ガスバーナ」と、酸素を空気中に吹き出させ、それに水素を巻き込ませて混合させると同時に燃焼させる「先端混合型ガスバーナ」があります。後者の方が炎の流速が小さいので、広い面積の石英加工に適しています。

根元混合型はノズル内を高速流にすることで燃焼がノズル内に進入するのを防いでいますので、基本的に炎も高速流となります。このガスバーナ形式は小さい面積のスポット加熱に適します。

もしこの根元混合型ガスバーナでノズルの流速が低下すると燃焼がノズル内にまで入り込み(逆火現象)、こうなるとガスバーナ内の酸素-水素混合気体が一気に爆発燃焼して大きな爆発音が発生します。またこの状態で放置するとガス混合器内で燃焼が続いている場合があり、そうなると混合器付近が焼損する事になります。

石英加工にも経済的な理由からメタンガスやプロパンガスと酸素の混合炎が使われる事もあります。この場合、これらの燃料ガスは水素ほど迅速に酸素と混合されず、また燃焼温度も低めなので、それをカバーするために「根元混合式ガスバーナ」がほとんどです。

そのため、かなり扱いにくいガスバーナになります。広い面積を加熱するには、多数のノズル穴で構成されるガスバーナとなります。そして加熱ポイントはノズルからかなり近く(10mm程度)炎の流速が早いので加熱軟化したガラスを押して変形させやすい傾向があります。またこのガスバーナは、いきなりガスを止めるとノズルの流速が低下して逆火し、爆発音が出ます。

これを回避するには先に酸素の方をゆっくりと止めてから燃料ガスを止めるか、又は先に燃料ガスを止めて吹き消えさせる方法です。どちらにしても流速が落ちるので逆火が起こりやすくなりますし、迅速な遮断動作もできません。迅速な遮断動作をさせるには、燃焼ガスを止めると同時にエアーを混合器に吹き込み、ノズルの流速を低下させずに吹き消すことです。

このガスバーナは点火も注意が必要です。やはり燃料ガスを先に出して火をつけ、次に酸素を出すのか普通ですが、このとき赤い炎が出ますし、迅速な着火もできません。燃料ガスと酸素を予め設定しておいた流量で同時に出し、点火専用バーナ(水素炎)て点火するという方法が頻繁な点火に対応できます。

ガラスが高温になり、十分に軟化すれば加工することになります。カーボン材ならば問題ないですが、金属金型でのプレス加工などでは金属に石英ガラスが付着する場合があります。これを防ぐ離形材としてはカーボンが有効です。カーボンは高温の石英に接すると、それを還元してCOxを生じ、強力に離形します。カーボンの補給方法としては一般的には油を塗布します。

石英を強熱して軟化させると、その周辺部にシリカが付着し、白く濁ります。これは加熱により石英が蒸発し、それが低温部に付着するものです。これをできるだけ防ぐには、シリカが付着しやすい部分にエアーやガスバーナの遠火を当てるといった方法があります。

また石英の蒸発は還元炎の場合にひどくなります。これは石英が還元されてSiOになり、それが蒸発しやすいためと考えられます。したがって加工用の炎は酸素過剰炎にしてやればシリカは着きにくくなります。しかしこのような炎は流速の割に火力が弱くなり、また還元作用が無いことから封止作業などではモリブデン箔が酸化して切れやすい、といった難点があります。

いったん着いてしまったシリカは酸素過剰炎で焼き飛ばすか、前項のHF処理などで除去することになります。ただし封止後のランプにHF処理はできません。

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