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Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Mineralien mit Hilfe einer
Drehrohrofenanlage.
Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen von
Glassilikaten und anderen, in der Hitze plastischen Stoffen und schwer schmelzbaren Mineralien, insbesondere von Oxyden, mit Hilfe einer Drehrohrofenanlage, deren Trommel mit so hoher Geschwindigkeit um ihre Längsachse gedreht wird, dass das zugeführte Sehmelzgut sieh über die innere Oberfläche der Trommel ungefähr gleichmässig verteilt. Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art ist diese Trommel waagrecht oder schwach geneigt gelagert und an einem ihrer Enden mit einem Brenner ausgestattet, von dem aus eine Heizflamme so in die umlaufende Trommel hineinschlägt, dass das in der Trommel verteilte Schmelzgut getroffen wird.
Durch das Aufschlagen der Flamme werden jedoch turbulente Strömungen und Wirbelungen im Innern der Trommel erzeugt, die eine unerwünsehte Staubbildung zur Folge haben und das Durchschmelzen des Schmelzgutes verzögern. Bei einer bekannten, zur Trommel zentrsischen Flammenanordnung wird die Verbrennungsluft so zugeführt, dass die Flamme selbst eine ringförmige Hülle um den Luftstrahl bildet mit dem Erfclge, dass sie nach der Ofenwand hin abgedrängt wird und gleichfalls Wirbelbildungen entstehen. Die Beschickung und Entleerung der Trommel erfolgt meist in der Weise, dass das Schmelzgut in die Trommel fortlaufend oder absatzweise hineingebracht und in eine homogene Schmelze umgewandelt wird, und dass diese Schmelze durch Abfliessen zur Weiterverarbeitung aus der Trommel entnommen wird.
Dieses Vorgeh en i st unzweck- mässig, besonders wenn es sich um Stoffe handelt, die sehr zähflüssig sind und leicht erstarren.
Die genannten Nachteile werden durch die Erfindung in der Weise beseitigt, dass die Heizflamme im Innern der Trommel ohne Beaufschlagung des Schmelzgutes, also wirbelfrei geführt wird, so dass die Wärmeübertragung von der Flamme zum Schmelzgut nur durch Strahlung erfolgt, und dass nach Vollendung des Schmelzvorgangs die Austragung des gesamten zu entnehmenden Schmelzgutes aus dem Schmelzraum gleichzeitig erfolgt. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei der Verarbeitung von schwer schmelzbaren Oxyden, wie diese zur Herstellung von besonders gearteten Gegenständen der Technik, wie z. B. Quarzglas, Sinterkorund usw. in Frage kommen, die Betriebsweise gemäss der Erfindung zu besseren Ergebnissen führt.
Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, die an sich bekannten feuerungstechnischen Vorwärmungsmethoden anzuwenden, besonders aber verflüssigte Luft oder Sauerstoff der Wärmequelle zuzuführen. Die Verwendung von Sauerstoff unter zentrischer Flammenführung im Gegensatz zu der bisherigen Gepflogenheit, die Sauerstoff-Flamme gegen das Schmelzgut schlagen zu lassen, führt überraschenderweise besser zum Ziel, insofern, als insbesondere beim Quarzschmelzen die sonst sehr störende Verdampfung des Schmelzgutes herabgedrückt wird.
Damit die erzeugte, hochtemperierte Flamme ein hohes Strahlungsvermögen aufweist, so dass ohne Beaufschlagung des Schmelzgutes durch die Flamme eine intensive Wärmeübertragung sichergestellt bleibt, kann es zweckmässig sein, durch künstliche Zugabe eines den Sehmelzvorgang nicht beeinträchtigenden Körpers, z. B. von fein gemahlenem Einsatzstaub, das Strahlungsvermögen der Flamme über das Mass der eigenen Strahlungsfähigkeit hinaus zu erhöhen. Infolge der ausserordentlich hohen Temperaturen, die man damit praktisch ausnutzen kann, erfolgen die gewünschten physikalischen bzw. physikalisch-chemischen Umwandlungen rasch und gleichmässig.
Die gleichzeitige Austragung des gesamten zu entnehmenden Schmelzgutes aus dem Schmelzraum, indem man den ganzen Trommelinhalt auf einmal entleert, nachdem der gewünschte Verarbeitungsgrad der Schmelze erreicht wurde,
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ist besonders für schwer schmelzbare Stoffe günstig, insoferne als nicht so grosse Abkühlungsverluste entstehen können. wie bei einer in einem verhältnismässig dünnen Strahl abfliessenden Schmelze, die eine vorzeitige, für die weitere Formgebung unerwünschte Erstarrung hervorrufen. Die rasch dem
Ofen entnommene, sehr hoch erhitzte Schmelze wird nun in einem ortsfesten Aufnehmer unter hoher
Temperatur gehalten und gegebenenfalls unter derselben Temperatur oder einer oberhalb der Um- gebungstemperaturliegenden Temperatur der Formgebung, z.
B. in üblicher Weise durch Blasen, Pressen usw. zugeführt. Die letztere Massnahme bedingt eine bessere Verarbeitungsmöglichkeit und verhindert unerwünschte Wärmeverluste, so dass reinste Oxyde, die bekanntlich enge Erweichungsgrenzen besitzen, verhältnismässig bequem und wirtschaftlich erschmolzen und weiterverarbeitet werden können. Es hat sich gezeigt, dass man besonders wirtschaftlich arbeiten kann, wenn man die Schmelze in der beschriebenen Weise wenigstens vorformt, um sie dann in einem ebenfalls, jedoch weniger hoch geheizten
Raum fertig zu verformen.
MankanninAnlehnungan bekannte Verfahren die Umlaufgeschwindigkeit der Trommel so wählen, dass der auf den Trommelinhalt wirkende radiale Zentrifuge Idruek gerade eine gleichmässige Verteilung des Schmelzgutes im Trommelinnern bewirkt. Besonders vorteilhaft ist jedoch beim Schmelzen schwer schmelzender Stoffe, wie Quarz, eine wesentlicheWeitererhöhung der Umlaufgeschwindigkeit, wodurch während der Ausbreitung des schmelzenden oder teigigen Inhaltes der Trommel auch ein grösserer radialer Zentrifugaldruck auf den Trommelinhalt sich einstellt.
Diese Druekerhöhung, welche sich sowohl oberflächlich wie auch in den tieferen Schichten auswirkt, bezweckt eine Unterbindung der
Verdampfung auf technisch einfachem Wege, ohne dass der Gasdruck innerhalb des Verbrennungsraumes gesteigert zu werden braucht. Das ist ein ausserordentlicher praktischer Vorteil, der einen erheblichen technischen Fortschritt für die Quarztechnologie bedeutet. Es ist selbstverständlich, dass die Arbeitweise nach dem Verfahren gemäss der Erfindung eine erhebliche Zugbeanspruchung des Trommelmantels zur Folge hat. Dieser Umstand bietet jedoch keinerlei Schwierigkeiten, weil die hiebei auftretende Beanspruchung innerhalb der zulässigen Grenzen für den in Frage kommenden Baustoff, z. B. Stahlblech, bleibt.
Eine Drehrohrofenanlage zur Ausübung des Verfahrens wird zweckmässig mit einem Brenner zur Erzeugung der Heizflamme ausgestattet, der in bekannter Weise mit einem geeigneten Gas, Öl oder sonstigen, von Fall zu Fall zu wählenden Brennstoff gespeist wird und dessen Mündung als doppelwandiges Rohr ausgebildet ist, bei dem der Innenraum und der ringförmige Raum zwischen der Doppelwand der Zufuhr des Brennstoffes und des Verbrennungssauerstoffs dienen und welches so angeordnet ist, dass die Rohrachse mit der Trommelachse zusammenfällt, so dass die Heizflamme zentrisch und axial in den Trommelraum gerichtet ist, und dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, um den Ofen wechselweise mit dem Brenner und mit einem beheizten Aufnehmer für die Schmelze in Verbindung zu bringen.
Man kann den Ofen selbstverständlich auch elektrisch heizen, jedoch ist die thermische Wärme billiger.
Die erwähnte Brennergestaltung zum Zwecke der Flammenbildung bzw.-führung im Sinne des vorliegenden Verfahrens hat zur Folge, dass turbulente Strömungen und Wirbeluns : en möglichst vermieden werden, damit kein lästiger Staub sich bilden kann. Mit Rücksicht auf die angewandte hohe Umlaufgeschwindigkeit der Trommel ist es angebracht, die Trommel mit einem Panzer zu versehen, der zur Aufnahme sehr hoher Innendrücke geeignet ist. Eine wesentliche Verbesserung der Anlage bedeutet auch die Ausrüstung mit einer Vorrichtung zur gleichzeitigen vollständigen Entleerung, beispielsweise einer Kippvorrichtung für die Trommel, die so eingerichtet ist, dass der Ofen wechselweise mit dem
Brenner und mit einem beheizten Aufnehmer für die Schmelze in Verbindung gebracht werden kann.
Dabei ist es besonders zweckmässig, den Aufnehmer so auszubilden, dass er aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht und der Oberteil mit einer Heizvorriehtung ausgestattet ist, welche geeignet ist, verschiedene Zonen des Aufnehmerraumes auf verschieden hohe Temperaturen zu erhitzen. Dieser Aufnehmer kann dann in der Weise verwendet werden, dass die Schmelze aus dem Ofen in den hocherhitzten Teil entleert wird, dagegen innerhalb des weniger hoch erhitzten Teiles, z.
B. durch Blasen in Hohlformen, mindestens teilweise verarbeitet wird, wobei die erzeugten Halbfabrikate ausserhalb des temperierten Raumes endgültig verformt werden können. Man kann selbstverständlich hinsichtlich der räumlichen Einrichtung der beiden Hauptteile der Schmelzanlage, nämlich der Sehmelztrommel und des Aufnehmers, so verfahren, wie es am zweckmässigsten für den jeweiligen Fabrikationsbedarf erscheint, wenn nur das Prinzip erhalten bleibt, dass nach erfolgter Schmelze im kontinuierlichen Rotationsbetriebe unter Vermeidung jeder Abkühlung der gesamte Ofeninhalt rasch in den Aufnehmer zur Formgebung hinübergebracht wird.
Zur Beschleunigung der Entleerung der Trommel kann es zweckmässig sein, die Trommel zu diesem Zwecke bis ungefähr in die lotrechte Lage zu kippen. Es ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit, für welche Lage der Trommel während des Entleerungsvorgangs man sich entscheidet.
Steigert man nämlich die Heiztemperatur genügend, so ist es bei jedem schmelzbaren Stoffe möglich, die nötige Beschaffenheit des Schmelzflusses zu erzielen, damit allein die Schwerkraft genügt, die Schmelze mit der zur Verhütung von schädlicher Abkühlung nötigen Schnelligkeit aus der Trommel zu entleeren.
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Gegenständen. Zur vorteilhaften Erzeugung der letzten Körpergattung kann man auch die hocherhitzte
Schmelze aus dem Unterteil des Aufnehmers ohne weiteres in Giess- oder Walzvorrichtungen überführen. Die Schmelze hat eine gleichmässige Beschaffenheit und ist infolge ihrer hohen Temperatur leichter verarbeitbar, als wenn man sie nach den bisher benutzten Verfahren erzeugt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die der Zuführung des Schmelzgutes, der Lagerung und der Kühlung dienenden Teile weggelassen sind.
Das Beispiel hat eine Trommel 1, die um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. Die Trommel 1 ist an ihrem einen Ende durch eine Platte 2 verschlossen, in welcher ein Brenner.'} für ein Gemisch aus Sauerstoff und einem geeigneten gasförmigen Brennstoffe angebracht ist, dessen Mündung als doppelwandiges Rohr ausgebildet ist, dessen Innenraum der Brennstoffzufuhr und dessen ringförmiger Raum zwischen der Doppelwand der Sauerstoffzufuhr dient und dessen Rohrachse mit der Achse der Trommel 1 zusammenfällt, so dass die Flamme zentrisch und axial in das Trommelinnere gerichtet ist. Das andere Ende der Trommel 1 schliesst an ein Rohr 4 zur Abführung der Verbrennungsgase an.
Der Gasabzug4und die Platte 2 mit dem Brenner J sind beim Umkippen der Trommel 1, z. B. auf Rädern, verschieblich. Zur Anlage gehört ferner ein aus einem Unterteil 5'und einem auswechselbaren Oberteil 5 bestehender Aufnehmer. Der Oberteil 5 ist mit Stutzen zur Einführung einer Heizflamme und zur Abführung der Verbrennungsgase versehen.
Bei der Benutzung der Anlage wird der zu schmelzende Stoff, beispielsweise Quarzsand, durch die mit dem Gasabzug 4 versehene Öffnung in die Trommel 1 eingeführt und die Trommel 1 in schnelle Umdrehungen versetzt. Diese Umdrehungsbewegung der Trommel 1 bewirkt, dass sieh der Quarzsand in einer gleichmässig dicken Schicht über die innere Oberfläche der Trommel 1 verteilt. Alsdann wird die Flamme am Brenner J entzündet und dieser Flamme zum Zwecke der Vergrösserung der Wärmestrahlung fein gemahlener Staub zugesetzt. Unter dem Einflusse dieser Wärmestrahlung schmilzt der Quarzsand, wobei die schnelle Umdrehung der Trommel bewirkt, dass die geschmolzenen Schichten
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Aufnehmers an, der auf eine entsprechend hohe Temperatur vorgeheizt ist.
Der Trommelinhalt entleert sich in den Aufnehmer, der auch während der Entleerung weiter geheizt werden kann. In diesem Aufnehmer, dessen Oberteil 5 durch Einfügung einer Zwischenwand in zwei verschieden temperierte Zonen geteilt sein kann, kann nunmehr die Verformung des erweichten Sehmelzgutes vorgenommen werden.
Der Unterteil J'des Aufnehmers kann ausgetauscht werden, falls trotz der Beheizung eine unerwünschte Erstarrung des Schmelzgutes eintreten sollte.
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1. Verfahren zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Mineralien, insbesondere von Oxyden, mit Hilfe einer Drehrohrofenanlage, deren Trommel mit so hoher Geschwindigkeit um ihre Längsachse gedreht wird, dass das zugeführte Schmelzgut sich über die innere Oberfläche der Trommel ungefähr gleichmässig verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizflamme im Innern der Trommel ohne Beauf- schlagul1g des Schmel7gutes, also wirbelfrei geführt wird, so dass die Wärmeübertragung von der Flamme zum Schmelzgut nur durch Strahlung erfolgt,
und dass nach Vollendung des Schmelzvorgangs die Austragung des gesamten zu entnehmenden Schmelzgutes aus dem Schmelzraum gleichzeitig erfolgt.