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Die Erfindung betrifft einen Ofen zum Schmelzen von Glas mit einer Schmelzwanne zur Aufnahme des Glases, auf welches die zur Bildung und Aufrechterhaltung der
Schmelze benötigte Wärmeenergie zumindest teilweise durch Konvektion übertragen wird.
Bei der Herstellung von Gegenständen aus Glas kommt dem Schmelzprozess des Glases eine wesentliche Rolle zu. In einem Ofen, der in der Regel aus einem keramischen Feuerfestmaterial aufgebaut ist werden die verschiedensten Stufen des Glasschmelzens, Läutems und Homogenisierens als Hochtemperatur-Prozess durchgeführt. Der Energiebedarf zur Herstellung der Glasschmelze ist sehr hoch, weshalb insbesondere bei der Massenglasproduktion jede Massnahme in Richtung Verminderung dieses Energiebedarfes einen entscheidenden Einfluss auf den wirtschaftlichen Erfolg einer Produktion hat. Bei der Erzeugung der Glasschmelze wird der Energietransport und die Homogenisierung der Schmelze durch Konvektionsströmungen, die durch unterschiedliche Temperaturbereiche und Dichtegradienten innerhalb der Schmelze entstehen, entscheidend unterstützt.
Man ist daher bestrebt, diese Konvektionsströmungen durch zusätzliche Massnahmen mechanischer Art, z. B. durch spezielle Ofenkonstruktionen, durch gezieltes Einblasen von Gasen (bubbling) oder durch Massnahmen thermischer Art wie gezieltes Einbringen von Energie in die Schmelze durch elektrisch beheizte Glasschmelzelektroden, zu verstärken.
Nachteilig dabei ist, dass es durch derartige Massnahmen vielfach zu starken unerwünschten Turbulenzen in der Schmelze kommen kann, die zu erhöhten
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Korrosionserscheinungen der Feuerfestmaterialien der Schmelzwanne des Glasschmelzofens führen können.
Die US 3 378 618 beschreibt einen Glasschmelzofen, der durch eine spezielle Anordnung der einzelnen Glasschmeizelektroden derartige unkontrollierte Turbulenzen verhindern soll, ohne die erwünschte Konvektionsströmung zu verhindern. Nachteilig dabei ist, dass die Konvektionsströmung relativ stark eingeschränkt wird, so dass der Energietransport in die Glasschmelze nicht optimal verläuft.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Ofen zum Schmelzen von Glas zu schaffen, bei dem die Ausbildung einer Konvektionsströmung zum Energietransport auf die Glasschmelze optimiert ist und bei dem möglichst keine unerwünschten Turbulenzen in der Glasschmelze auftreten können.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der bzw. die Abschnitte im Boden der Schmelzwanne, die sich in der Umgebung des bzw. der Quellbereiche der Konvektionsströmung (en) in der Schmelze befinden, zumindest an der unmittelbar mit der Schmelze in Berührung stehenden Oberfläche, im Vergleich zu den restlichen Abschnitten der Schmelzwanne aus einem Werkstoff mit einer kleineren thermischen Emissionszahl hergestellt sind.
Durch diesen gezielten Einsatz von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Emissionszahlen wird der Temperaturunterschied und Dichtegradient innerhalb der Glasschmelze vergrössert und damit die Konvektionsströmung verstärkt und der Wärmeenergietransport in die Glasschmelze verbessert. Durch gezielte Abstimmung
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der Grössenordnungsbereiche der Wannenabschnitte mit unterschiedlichen thermischen Emissionszahlen und der Differenzwerte in den thermischen
Emissionszahlen, lässt sich eine gleichmässige Verstärkung der Konvektionsströmung erreichen, ohne dass es zu unerwünschten Turbulenzen in der Schmelze kommt.
Grundsätzlich wird der Glasschmelzprozess in der Schmelzwanne funktional in vier
Bereiche unterteilt : den Gemengebereich in dem das zu erschmelzende Glas als Rohstoff zugeführt wird und die Oberfläche der Schmelze bedeckt * den Schmelzbereich in dem die Schmelze nicht mehr vom Rohstoffgemenge bedeckt ist * den Läuterbereich in dem Gasblasen aus der Glasschmelze ausgetrieben werden sowie * den Konditionierungsbereich im Bereich der Gasentnahme in dem die gesamte
Schmelze auf möglichst gleichmässige Verarbeitungstemperatur gebracht wird.
Diese einzelnen Bereiche stehen durch Strömungen in der Glasschmelze miteinander in Verbindung. Eine Hauptströmung in der Glasschmelze wird durch eine Konvektionswalze verursacht, deren Quellbereich in der Regel zwischen dem Schmelzbereich und dem Läuterbereich liegt, während ihre Senken im Bereich der seitlichen Wände der Schmetzwanne und im Gemengebereich liegen. Weitere kleinere Nebenströmungen in der Glasschmelze mit Quellbereichen und Senken sind im Läuterbereich und im Konditionierungsbereich möglich.
In erster Linie ist es sinnvoll, die Hauptströmung der Konvektion durch die erfindungsgemässe Verwendung von Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen
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Emissionszahlen zu verstärken. Aber ebenso kann es sinnvoll sein, auch eventuelle Nebenströmungen auf erfindungsgemässe Weise zu verstärken.
Die Lage des oder unter Umständen auch mehrerer Quellbereiche von Konvektionsströmungen in einer Glasschmeize hängt von vielen Parametern wie Geometrie der Schmelzwanne, Tiefe der Glasschmelze, Anordnung der Glasschmelzelektroden usw. ab und kann auch während des Schmelzbetriebes von verschiedenen variablen Parametern, wie Energieverteilung auf die unterschiedlichen Brenner, spektrale Eigenschaften der Schmelze, Gemengebedeckungsgrad usw., beeinflusst werden. Die genaue Festlegung der Quellbereiche der Konvektionsströmungen muss für jede einzelne Wannenkonstruktion für sich mittels Erfahrungswerten und empirisch durch Ermittlung der Strömungsverhältnisse hochviskoser Öle in verkleinerten Wannenmodellen erfolgen. Der bzw. die Quellbereiche werden aber immer über dem Boden der Schmelzwanne liegen.
Je nach der speziellen Konstruktion der Schmelzwanne und Lage der Quellbereiche, wird man daher entweder die dem bzw. den Quellbereichen nächstliegenden Teilabschnitte des Bodens der Schmetzwanne oder unter Umständen auch den gesamten Boden der Schmelzwanne, zumindest an der mit der Schmelze in Berührung stehenden Oberfläche aus dem Werkstoff mit einer kleinen thermischen Emissionszahl herstellen. Gegebenenfalls weiter entfernt liegende Abschnitte des Bodens der Schmelzwanne und vor allem die Seitenwände der Schmelzwanne werden hingegen im wesentlichen aus einem Werkstoff mit einer grösseren thermischen Emissionszahl hergestellt.
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Als Richtwert kann man annehmen, dass bei grossflächigen Glasschmelzwannen in der Umgebung des Quellbereiches der Hauptkonvektionsströmung etwa 10% bis
20% Anteile von der Gesamtbodenfäche aus einem Werkstoff mit einer niedrigen thermischen Emissionszahl hergestellt werden, während die Anteile in der
Umgebung der Quellbereiche von Nebenströmungen deutlich niedriger sind oder auch ganz entfallen können.
Insbesondere bei kleinflächigen Glasschmelzwannen kann es auch sinnvoll sein, den gesamten Bodenbereich der Glasschmelzwanne aus dem Werkstoff mit der niedrigen thermischen Emissionszahl herzustellen.
Die unterschiedlichen thermischen Emissionszahlen der einzelnen Abschnitte der Schmelzwanne können durch unterschiedliche Massnahmen, wie Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe und/oder spezielle Oberflächenbehandlung der Werkstoffe erreicht werden. So ist bei Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe insbesondere auch die Kombination von keramischen Feuerfestmaterialien und metallischen Werkstoffen denkbar. Als metallische Werkstoffe kommen beispielsweise Molybdän oder Platin in Betracht. Insbesondere Molybdän bietet sich aufgrund seines günstigen Preises an, es muss jedoch in der Regel mit einer oxidationshemmenden Beschichtung, z. B. einer Silizium-Bor-Kohlenstoffschicht versehen sein, um den Antemperprozess der Schmelzwanne ohne starke Korrosion zu überstehen.
Bei keramischen Feuerfestmaterialien liegt die durchschnittliche mittlere thermische Emissionszahl im Temperaturbereich von 1200 C bis 1300 C bei etwa 0, 5, während die thermische Emissionzahl von Molybdän bei diesem Temperaturbereich je nach Art der Oberflächengüte, ob poliert oder aufgerauht im Bereich zwischen 0, 15 und
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0, 36 liegt. Das bedeutet, dass für den Bodenbereich der Schmelzwanne in der
Umgebung der Quellbereiche die metallischen Werkstoffe insbesondere Molybdän zum Einsatz kommen, während für den übrigen Bereich, insbesondere den Wandbereich der Schmelzwanne, welcher mit der Glasschmelze in Berührung kommt, keramische Feuerfestmaterialien verwendet werden.
Aber ebenso ist die Verwendung ausschliesslich metallischer Werkstoffe zur
Realisierung der Erfindung geeignet. So kann allein durch die unterschiedliche Oberflächenbehandlung ein und desselben metallischen Werkstoffes beispielsweise durch Polieren oder durch Aufrauhen, eine derart unterschiedliche thermische
Emissionszahl in den einzelnen Abschnitten der Schmelzwanne erreicht werden, dass eine deutliche Verstärkung der Konvektionsströmung erreicht wird. In diesem
Fall würde man also beispielsweise für den Boden der Schmelzwanne poliertes Molybdän einsetzen, während für die Wände der Schmelzwanne Molybdän mit einer aufgerauhten Oberfläche zum Einsatz kommen würde.
Neben den mechanischen Oberflächenbehandlungen der metallischen Werkstoffe wie Polieren oder Aufrauhen sind auch chemische Oberflächenbehandlungen wie Ätzen oder eine Beschichtung mit anderen oxidationsbeständigen Materialien denkbar.
Da der Werkstoff mit der kleineren thermischen Emissionszahl erfindungsgemäss im Bodenbereich zum Einsatz kommt, wird gleichzeitig der positive Nebeneffekt erreicht, dass der Energieabfluss aus der Glasschmelze über den Boden verringert wird.
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Darüberhinaus werden durch Einsatz ausschliesslich metallischer Werksstoffe für den mit der Glasschmelze in Kontakt stehenden Schmelzwannenbereich unerwünschte
Wechselwirkungen zwischen der Schmelze und keramischen Feuerfestmaterialien verhindert. Derartige Wechselwirkungen führen vielfach zu einer"Steinchenfracht"in die Glasschmelze, welche das fertige Glasprodukt negativ beeinträchtigt. Aber auch in der Schmelze aufgelöstes Feuerfestmaterial erzeugt eine chemisch veränderte
Schmelze, die sich z.
B. in den optischen Eigenschaften von der Basisschmeize abhebt und durch Schlieren im Glas signifikant wird.
Bei Verwendung metallischer Werkstoffe wird es in der Regel sinnvoll sein, nicht die gesamte Wandstärke der Schmelzwanne der Ofenkonstruktion aus dem metallischen Werkstoff zu fertigen, sondern eine Grundkonstruktion aus keramischem Feuerfestmaterial einzusetzen und nur den unmittelbar mit der Glasschmelze in Berührung stehenden Oberflächenteil mit dem metallischen Werkstoff auszukleiden. Zur Fixierung der metallischen Auskleidungen am Feuerfestmaterial können beispielsweise Bohrungen in das Feuerfestmaterial eingebracht werden, über welche die Auskleidungen mit passenden Bolzen aus dem selben Material wie das Auskleidungsmaterial fixiert werden.
Aufgrund des stärkeren Ausdehnungsverhaltens des metallischen Werkstoffes, ergibt sich bei Betriebstemperatur des Ofens eine Verkeilung der Bolzen in den Bohrungen und eine sichere Verbindung der Auskleidung mit dem Feuerfestmaterial.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung ist es, wenn die Schmelzwanne derart hergestellt ist, dass sich die thermischen Emissionszahlen kontinuierlich oder
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abschnittsweise von einem Kleinstwert im bzw. in den Quellbereichen auf einen Höchstwert in den quellfernsten Bereichen ändern. Auf diese Art und Weise wird eine besonders feinfühlige Steuerung der Konvektionswalze (n) ohne wesentliche unerwünschte Turbulenzen erreicht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert : Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Schmelzwanne eines Glasschmelzofens und demonstriert die in der Glasschmelze herrschenden Strömungsverhältnisse.
Die Schmelzwanne -1- ist im wesentlichen in vier funktionale aneinanderstossende
EMI8.1
EMI8.2
EMI8.3
zugeführtSchmelze ausgetrieben werden und schliesslich den Konditionierungsbereich IV, in dem die Glasschmelze vor der Entnahme aus der Entnahmeöffnung -5- auf gleichmässige Temperatur gebracht wird.
Im Übergang zwischen Schmetzbereich 11 und Läuterbereich 111 liegt der Quellbereich - für die Hauptkonvektionsströmung in der Schmelze die durch Pfeile angedeutet ist.
Erfindungsgemäss ist der Abschnitt -2- des Bodens der Schmelzwanne in der Umgebung des Quellbereiches -3- zumindest an der mit der Schmelze in Kontakt stehenden Oberfläche aus einem Werkstoff mit einer niedrigen thermischen Emissionszahl, z. B. Molybdän, hergestellt. Die restlichen Abschnitte des Bodens sowie die Seitenwände der Schmelzwanne im Bereich der Senken der Konvektionsströmung sind aus einem Material mit einer vergleichsweise höheren
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thermischen Emissionszahl, z. B. aus einem keramischen Feuerfestmaterial hergestellt.
Im Konditionsierungsbereich IV der Schmelzwanne -1- ist durch die Pfeile eine Konvektionsnebenströmung mit einem Quellbereich -3- angedeutet. Auch dieser Abschnitt -2- des Bodens der Schmelzwanne ist aus einem Material mit einer niederen thermischen Emissionszahl hergestellt.