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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Formkörpern aus hochkieselsäurehaltigen Rohstoffen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Formkörpern aus geschmolzenen hochkieselsäurehaltigen, elektrisch nicht leitenden Rohstoffen, insbesondere Quarz oder Sand, wobei Widerstands- oder Induktionserhitzung zum Schmelzen des Gutes verwendet wird.
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Formkörpern, wie Stangen oder Rohren, aus geschmolzenen hochkieselsäurehaltigen Rohstoffen, insbesondere Quarz bekannt. Bei einem bekannten Verfahren wird zum Schmelzen von Quarz od. dgl. ein Schachtofen mit einem rohrförmigen Schmelzbehälter mit am Boden angebrachter ringförmiger Ziehdüse zum fortlaufenden Abziehen von Rohren verwendet, wobei der rohrförmige Schmelzbehälter aus schwer schmelzbarem Metall, wie Tantal, Wolfram oder Molybdän, besteht und von einem elektrisch beheizten Mantel umgeben ist. Es ist dabei ein in der Bodenöffnung des Behälters axial angeordnetes und mit ihm zusammen die ringförmige Ziehdüse bildendes Kernrohr aus schwer schmelzbarem Metall vorgesehen, das voneinander getrennte Schutzgaszuführungen besitzt.
Bei dem bekannten Verfahren befindet sich in dem rohrförmigen Schmelzbehälter übereinandergeschichtet ein wesentlicher Vorrat des Quarzgutes, das erst am unteren Ende des Schmelzbehälters in die Schmelze übergeht, so dass die Oberfläche der Schmelze stets mit einer Packung von noch ungeschmolzenen Körnern bedeckt ist, die nach diesem Verfahren erzeugten Quarzrohre sind nicht völlig homogen und frei von Blasen.
Es sind noch verschiedene andere Vorschläge gemacht worden, um verbesserte Erzeugnisse zu erhalten, wobei jedoch ebenfalls entweder ein grösserer Vorrat von Schmelzgut eingeschmolzen oder das Schmelzgut kontinuierlich oder absatzweise in einer Menge zugeführt wird, welche der Menge der ablaufenden Schmelze entspricht. Auch hiebei kann nicht gewährleistet werden, dass ein genügend homogenes und blasenfreies Enderzeugnis erhalten wird.
Eine Läuterung der Schmelze ist infolge der Zähflüssigkeit des Schmelzgutes nahezu unmöglich.
Durch das lange Schmelzintervall des Rohmaterials, das mit einem Erweichen beginnt und nie einen tatschlich flüssigen Zustand erreicht, klebt das zugeführte Rohmaterial bereits in einem Zustand zusammen, in dem eine plastische Verformung noch nicht möglich ist. Dadurch werden im Schmelzgut mehr oder weniger grosse und kleine Luftblasen oder Hohlräume mit eingeschlossen, die sich nie mehr ganz oder auch nur teilweise in einer zufriedenstellenden Weise beseitigen lassen.
Es ist insbesondere nicht möglich, durch einen mehr oder weniger grossen Tiegelinhalt und dadurch bedingten Selbstdruck oder durch Anwendung von zusätzlichem äusserem Druck oder von Vakuum diese Luftblasen oder Hohlräume restlos zu entfernen. Die geschilderten Mängel lassen sich auch nicht durch komplizierte Arbeitsweisen, welche ein- oder mehrmaliges Umschmelzen einschliessen, in zufriedenstellender Weise restlos beseitigen. Derartige besondere Aufbereitungs- und Umschmelzarbeitsweisen lassen sich nur auf bestimmte Rohstoffe anwenden, sind aussergewöhnlich kompliziert, zeitraubend und kostspielig und haben nicht zu einem völlig befriedigenden Ergebnis geführt.
Es ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von rohr- oder stangenförmigen Gegenständen aus Quarz, Quarzglas und anderem Hartglas bekannt, bel welchem eine Schmelzkammer verwendet wird, in der ein verhältnismässig grosser Vorrat geschmolzenen Materials enthalten ist.
Am Boden der Schmelzkammer ist eine Abzugsöffnung vorgesehen, von welcher sich eine ringförmige
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Verlängerung in die Schmelzkammer und damit in das Schmelzgut hinein erstreckt. Die Schmelzwärme wird von einem Brenner erhalten, der in einer Wand der Schmelzkammer etwas über dem Spiegel des Schmelzbades angeordnet ist.
Die Zufuhr des Schmelzgutes erfolgt durch eine gleichzeitig als Abzugsöffnung für die Verbrennungsgase des Brenners dienende Öffnung in der Wand der Schmelzkammer. Für die Zufuhr des Schmelzgutes ist ein wassergekühlter Träger in Form einer kreisförmigen Platte vorgesehen, deren Durchmesser dem Durchmesser der in der Schmelzkammer angeordneten ringförmigen Verlängerung entspricht. Dieser Tra- ger wird mit einer einzigen Schicht von stückförmigem Schmelzgut beladen jedesmal dann in die Schmelzkammer eingeführt, wenn neues Schmelzgut zugeführt werden soll. Bei dieser bekannten Ausführung erfolgt die Zufuhr des stückförmigenSchmelzgutes absatzweise in grösseren Zeitabständen in vergleichsweise komplizierten Arbeitsgängen.
Es kann auch nicht mit Sicherheit verhindert werden, dass Verbrennungsgase des Brenners in die Schmelze eingesaugt werden und zu einer Blasen- oder Schlierenbildung führen.
Ein Zweck der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden und ein einfaches Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Form-
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halten werden, die praktisch völlig frei von Blasen, Hohlräumen oder andern inhomogenen Stellen sind.
Erreicht wird dieser Zweck bei einem Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Formkörpern aus geschmolzenen, hochkieselsäurehaltigen, elektrisch nicht leitenden Rohstoffen, insbesondere Sand oder Quarz unter Verwendung von Widerstands- cder Hochfrequenzerhitzung, bei dem das zu schmelzende
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es der zur Verarbeitung kommenden Schmelze entspricht, gemäss der Erfindung dadurch, dass man das körnige Rohmaterial der Oberfläche der zwischen zwei getrennt aufheizbar beheizte Formwerkzeuge bildende Zonen bereits geschmolzenen kleinen Vorratsmenge derart zuführt, dass die zugeführten Körner keine die Korngrösse übersteigende Schicht auf der Oberfläche der geschmoizenen Vorratsmenge bilden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens eine der beheizte Formwerkzeuge bildenden Zonen in Schwingungen versetzt, und die Zufuhrgeschwindigkeit des körnigen Rohmaterials, die Schwingungsfrequenz und/oder-amplitude sowie die Abzugsgeschwindigkeit des Erzeug-
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grösse nicht übersteigenden Schicht erfolgt.
DieVorrichtung zurDurchführung desVerfahrens gemäss derErfindung weist zur Bildung der Schmelzzone zusammenarbeitende, elektrisch beheizbare Teile auf, zwischen denen eine geschmoizene Vorrats- menge gebildet wird, ferner eine Einrichtung zur kontinuierlichen Zuführung des körnigen Rohmaterials in die Schmelzzone und eine Einrichtung zum kontinuierlichen Abziehen des geformten Erzeugnisses. Sie ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die zwei zusammenarbeitenden, getrennt elektrisch beheizbaren Teile aus einem Tiegel aus schwer schmelzbarem Werkstoff mit einer Bodenöffnung und einem aus schwer schmelzbarem Werkstoff hergestelltem Dorn bestehen, der mit der Bodenöffnung des Tiegels eine Formöffnung bildet.
Vorzugsweise ist mindestens einer der zusammenarbeitenden getrennt elektrisch beheizbaren Teile mit einer Vibrationseinrichtung verbunden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Fig. l zeigt im Schnitt eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der Erfindung zur kOl1tinuier- lichen Herstellung von Formkörpern aus geschmolzenen hochkieselsäurehaltigen Rohstoffen. Fig. 2 zeigt in vergrössertem Massstab die Formwerkzeuge für die Vorrichtung gemäss Fig. 1 in einer zur Herstellung
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tung gemäss Fig. 1 in einer zur Herstellung von Stangen geeigneten Stellung. Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen zusammenarbeitender Formwerkzeuge für die Herstellung von Bändern oder Streifen. Fig. 6 ist eine Draufsicht auf einen Tiegel aus schwer schmelzbarem Werkstoff mit einer Bodenöffnung. In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäss der Erfindung fur das Schmelzen und Verarbeiten von Quarz dargestellt.
Mit 1 ist ein Vorratsbehälter für das Rohmaterial bezeichnet, der an seinem unteren Ende in einen trichterförmigen Teil 2 ausläuft und eine Zuführeinrichtung 3 beschickt. Die Zuführeinrichtung 3 ist teilweise von einem Isoliermantel 4 umgeben und wird elektrisch derart beheizt, dass eine langsame V or- und A ufwärmung des zu fördernden Gutes erfolgt. Die abstrahlende Warme aus der Zuführeinrichtung wird zweckmässig um den Vorratsbehälter 1 geleitet und damit zu einer weiteren Aufwärmung des in
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dem Vorratsbehälter 1 befindlichen Rohmaterials ausgenutzt. Die Zuführeinrichtung 3 kann ein mit einem, eine fortschreitende Erhitzung gestattenden Widerstandsheizkörper versehenes Quarzrohr mit fla-' chem Boden umfassen, das von dem wärmeisolierenden Mantel ganz oder teilweise umgeben ist.
Zweckmässig wird die Zuführeinrichtung durch einen Schwingungsgenerator in Schwingung versetzt.
Die Rinne 3 mündet in einen drehbaren Verteiler in Form eines Trichters 5, der mittels einer geeigneten Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) zentrisch um ein in diesem Fall als Ziehdorn ausgebildetes Formwerkzeug 6 gedreht wird. Der Trichter 5 ist auf seiner Innenseite mit radialen Rillen versehen und seine Drehgeschwindigkeit wird so bemessen, dass das aus der Rinne 3 zugeführte Rohmaterial durch die Zentrifugalkraft und die Schwerkraft gleichmässig und zentrisch der Schmelzzone zugeführt wird. Die Schmelzzone wird durch den Ziehdorn 6 und eine am Boden eines Schmelztiegels 7 gebildete Ziehdüse oder Öffnung 8 gebildet. Der Schmelztiegel 7 ist von einer Halterung oder einem Gestell 9 getragen.
Der Ziehdorn 6 weist einen Fortsatz 10 von grösserem Durchmesser auf und ist mit einem Schwing- oderUltraschallgenerator 11 verbunden, dessen Energie in der Schmelzzone in axialer Richtung zur Auswirkung kommt.
Die Aufheizung der beiden Formwerkzeuge, d. h. des Ziehdornes 6 und des Tiegel ! : 7 mit Dü- senöffnung 8 erfolgt mittels direkter Widerstandserhitzung. Die Aufheizung kann jedoch auch durch Hochfrequenzerhitzung erfolgen.
Unterhalb der in Pig. 1 dargestellten Vorrichtung ist eine in bekannter Weise als Band- oder Rollenziehmaschine ausgebildete Ziehvorrichtung vorgesehen (nicht dargestellt), die mechanisch oder elektrisch mit der Erregung und Steuerung der Zuführungsrinne 3 und dem Drehantrieb des Trichters 5 derart regelbar verbunden ist, dass die Zuführung des Rohmaterials aus der Rinne 3 in den Trichter 5 und aus diesem in die Schmelzzone kontinuierlich und genau dosiert erfolgt, so dass sie der Materialmenge entspricht, die durch die Ziehvorrichtung abgezogen wird.
In der Schmelzzone wird das körnige Gut in dünner Schicht auf eine zwischen den beiden beheizten Formwerkzeugen bereits geschmolzene Vorratsmenge 13 kontinuierlich aufgebracht, wobei die Zufuhrgeschwindigkeit des körnigen Rohmaterials und die Abzugsgeschwindigkeit des geschmolzenen Gutes derart geregelt werden, dass vorzugsweise jeweils nur eine einlagige Kornschicht auf die Oberfläche der geschmolzenen Vorratsinenge aufgebracht und dort geschmolzen wird. Dadurch wird in der Schmelzzone eine Anhäufung von noch nicht ganz oder nur teilweis- oder wenigangeschmolzenem Rohmaterial yer- mieden. Durch das gleichzeitig erfolgende Abziehen des geschmolzenen Gutes wird ein dauernder Fluss der Schmelze erreicht, so dass Hohlräume und Blasen schon dadurch praktisch ausgeschlossen sind.
Durch die auf die Schmelzzone dauernd einwirkende Energie des Schwing-oderniraschallgenerators 11 werden zudem etwa auftretende kleinste Hohlräume zerrissen und beseitigt. Die Schwingungsfrequenz
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Rohmaterial erfolgt.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 ist zweckmässig auf einer Grundplatte aufgebaut. Die Verteilereinrichtung (Trichter 5) und die Formwerkzeuge 6,7 sind in einem gasdichten Gehäuse 12, das wärmeisolierend und kühlbar ausgebildet sein kann, eingeschlossen. Ein weiteres Gehäuse 13 umgibt gasdicht den Schwing- oder Ultraschallgenerator 11 und die Verbindungsteile von dem Ziehdorn 6 zu dem Generator 11.
Der Ziehdorn 6 ist sowohl in axialer Richtung als auch seitlich einstellbar angeordnet, wobei beide
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sind.während des Betriebes, z. B. beim Ziehen von Rohren, die Dicke der Wandstärke genau und gleichmässig einzustellen.
Die Stromzuführungen und sonstigen, der Hitze stark ausgesetzten Teile, sind zweckm, ässig mit Wasserkühlung ausgerüstet.
Der Ziehdorn 6 und der Tiegel 7 können an den gekühlten Stromzuführungen mittels genormter Fassungen angeschlossen sein.
Die Formwerkzeuge, d. h. der Ziehdorn 6 und der Tiegel 7 mit Öffnung 8 sind aus schwer schmelzbarem Metall, wie Molybdän, hergestellt.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Formwerkzeuge so mit Bezug aufeinander eingestellt sind, dass kontinuierlich Rohre aus Quarz od. dgl. erzeugt werden können. Der Ziehdorn 6 weist einen Längsschlitz 14 und einen kurzen Querschlitz 15 auf, um eine gleichmässige Aufheizung durch Widerstandserhitzung mittels elektrischen Stromes zu gewährleisten.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Formwerkzeuge so mit Bezug aufeinander eingestellt sind, dass kontinuierlich Stangen aus Quarz od. dgl. erzeugt werden können.
Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform, mit welcher Bänder oder Streifen aus Quarz od. dgl. hergestellt werden können. Es ist in diesem Fall ein Ziehdorn 16 aus schwerschmelzbarem Metall mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen, der mit einer rechteckigen Öffnung 18 im Boden eines Tiegels 17 aus schwer schmelzbarem Metall zusammenarbeitet. Der Ziehdorn 16 weist einen Längsschlitz 24 und einen Querschlitz 25 auf, um eine gleichmässige Aufheizung bei der Widerstandserhitzung mittels elektrischen Stromes zu gewährleisten.
In Fig. 6 ist im einzelnen eine Ausführungsform für den Tiegel 7 mit Bodenöffnung 8 veranschaulicht, welche eine gleichmässige Aufheizung des Tiegels durch elektrische Widerstandsheizung gestattet. Der Boden des Tiegels 7 ist als Ring 19 ausgebildet, der durch Spalte 20 und 21 von den Seitenteilen 71 und 7" des Tiegels 7.. getrennt ist. Der Ring 19 weist zwei Anschlussstücke 22 und 23 zur elektrischen Verbindung auf, deren wirksame Querschnitte mindestens dem doppelten wirksamen Querschnitt des freien Ringes 19 entsprechen.
Die Seitenteile 71 und 7" sind durch Schweissen miteinander verbunden. Der ringförmige Boden ist an die Seitenteile angeschweisst, wobei entsprechende Ausschnitte für die Anschlussstücke 22 und 23 vorgesehen sind.
Gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Aufheizung des Ziehdornes- wie beschrieben-durch Widerstandserhitzung erfolgen, wahrend die Aufheizung des Tiegels durch Induktionerhitzung erfolgt.
Die zur Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung vorgesehene Vorrichtung, bei der die Formwerkzeuge aus hochhitzebeständigem Werkstoff hergestellt sind und zweckmässig unter dem jeweils für das betreffende Material erforderlichen Schutzgas arbeitet, hat den besonderen Vorteil, dass die Schmelze nicht wie bisher zum Zwecke einer Läuterung eine längere Zeit in Fluss gehalten werden muss, sondern dass sofort nach dem Erreichen des für das Abziehen geeigneten Enveichungsgrades abgezogen werden kann. Dadurch wird vor allem eine Verdampfung desSchmelzgutes, im besonderen bei der Schmelzung von Quarz, vermieden.
Die Vermeidung der sehr lästigen Materialverdampfungen, die nicht nur die ganze Anlage des Ofens verunreinigen und zu Betriebsstörungen Anlass geben, sondern sich auch am fertigen Erzeugnis absetzen und somit erheblichen Qualitätsverschlechterungen, Ausschuss und Betriebsunterbrechungen führen können, ist von besonderer technischer Bedeutung.
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung kommt für die Herstellung von Klarglasgegenständen als Rohmaterial Quarz, z. B. Bergkristall, und für undurchsichtige Gegenstände als Rohmaterial Quarzsand in Betracht.
Zur Erzielung optimaler Ergebnisse ist es zwecksmässig, das Rohmaterial so aufzuarbeiten, dass es in geeigneter Modifikation und frei von Fremdstoffen und Feinstoffen in Korngrössen von etwa 0, 5 bis 3 mm, vorzugsweise etwa 1 - 2 mm Durchmesser vorliegt.
Eine geeignete Aufbereitung kann wie folgt erfolgen : Das Rohmaterial in Form von Bergkristallstük ken (ct-Modifikation) wird im Drehrohrofen kontinuierlich bis zum Umwandlungspunkt (etwa 560 C) er- wärmt, die erhaltene ss-Modifikation wird in destilliertem Wasser abgeschreckt, zwischen Stahlbacken gebrochen, von Staub und Feinstoffen befreit und im Drehrohrofen schonend getrocknet.
PATENTANSPRÜCHE-
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Formkörpern aus geschmolzenen hochkieselsäure- haltigen, elektrisch nicht leitenden Rohstoffen, insbesondere Sand oder Quarz, unter Verwendung von Widerstands- oder Induktionserhitzung, bei welchem das zu schmelzende körnige Rohmaterial der Oberflä- che einer geschmolzenen Vorratsmenge in dem Masse zugeführt wird, wie es der zur Verarbeitung kom-
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dassOberfläche der zwischen zwei getrennt aufheizbaren, beheizte Formwerkzeuge bildenden Zonen bereits geschmolzenen kleinen Vorratsmenge derart zuführt, dass die zugeführten Körner keine die Korngrössé übersteigende Schicht auf der Oberfläche der geschmolzenen Vorratsmenge bilden.
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