DE10107540B4

DE10107540B4 - Verfahren zum kontinuierlichen Umschmelzen mit gestufter Einlage zur Vermeidung von Dichteunterschieden zwischen altem und neuem Glas

Info

Publication number: DE10107540B4
Application number: DE10107540A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Nüssle; Andreas Sprenger; Holger Kasprzik
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2001-02-17
Filing date: 2001-02-17
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2021-02-18
Also published as: DE10107540A1

Abstract

Verfahren zum kontinuierlichen Umschmelzen eines bereits in einem Schmelzaggregat befindlichen Ausgangsglases A auf ein Zielglas B, das eine andere Dichte als das Ausgangsglas A aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten:
1.1 die Dichtedifferenz zwischen dem Glas A und dem neu einzulegenden Glas, das in seiner Zusammensetzung und seiner Dichte zunächst noch nicht dem Zielglas B entspricht, da die Dichtedifferenz zwischen A und B zu groß ist, wird auf einen Soll-Bereich zwischen 0.02 und 0.10 g/cm³ begrenzt;
1.2 es wird die Dichte des am Ausgang des Schmelzaggregates befindlichen Glases durch Entnahme von und Messung an diesen Proben bestimmt;
1.3 aus dem Messergebnis sowie einer für das Schmelzaggregat geltenden Verweilzeitfunktion wird der durchschnittliche Wert der Dichte der Schmelze im Schmelzaggregat ermittelt;
1.4 es werden in zeitlicher Reihenfolge Chargen von Gemenge und/oder Scherben, die eine aufgrund der für das jeweilige Schmelzaggregat geltenden Verweilzeitfunktion vorausberechnete Mischung aus Gemenge und/oder Scherben von...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Umschmelzen eines ersten Glases A auf ein zweites Glas B. Das zweite Glas wird im folgenden "Zielglas" genannt.
Die immer anspruchsvolleren Anforderungen an Glasprodukte, veränderte energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen, eingegangene Verpflichtungen zum Umweltschutz und immer kürzer werdende Produktlebenszyklen erfordern auch in der Glasherstellung innovative und kostengünstige Schmelzkonzepte, mit denen sich eine wachsende Vielzahl von Spezialgläsern effizient, schnell und den Markterfordernissen entsprechend darstellen lässt.
Bislang wurde versucht, möglichst jedes darzustellende (Spezial-)Glas in einem separaten Aggregat zu schmelzen. Bei der recht hohen Anzahl verschiedenartigster Gläser und sehr unterschiedlichen Schmelzmengen ergibt sich eine große Anzahl an Schmelzaggregaten, für die allesamt eine entsprechende Infrastruktur erforderlich ist. Des weiteren sind dadurch oftmals Auslastungsprobleme der Wannen vorprogrammiert.
Durch die oben erwähnten, veränderten Randbedingungen wäre es an sich im Hinblick auf den Schmelzprozess günstiger, nur ein einziges Schmelzaggregat für verschiedenartige Gläser zu betreiben. Das Schmelzaggregat hätte eine deutlich verbesserte Auslastung; trotzdem wären sehr flexible Reaktionen und schnelle Glaswechsel möglich.
Mit diesen häufigen Glaswechseln sind Probleme verbunden. Die verschiedenen Gläser weisen oft größere Unterschiede sowohl in ihrer Zusammensetzung als auch in ihren physikalischen Eigenschaften auf.
Beispiele hierfür sind Glaswechsel von Duran® auf die verschiedenen Brandschutzsicherheitsgläser oder auf Lithiumoxid-Aluminiumoxid-Glaskeramiken.
Oftmals sind auch die Glassysteme nicht miteinander kompatibel, d.h. Mischungen zweier Gläser untereinander führen im Verlauf des Umschmelzens zu extremen Eigenschaftsänderungen, beispielsweise in der Viskosität.
Ein besonderes Problem beim Umschmelzen zweier Gläser besteht in folgendem: häufig gibt es Dichteunterschiede zwischen dem ersten Glas A und dem Zielglas B. Diese Dichteunterschiede verzögern das Umschmelzen. So ist es aus der Literatur bekannt, dass größere Dichtedifferenzen zwischen altem und neuem Glas zu Entmischungen in der Schmelzwanne führen. Besonders kritisch ist dabei das Umschmelzen von einem schwereren auf ein leichteres Glas, da dann das neue Glas einfach über das alte schwimmt, durch die Entnahmeströmung in der Wanne sofort abgezogen wird und die Durchmischung der beiden Gläser stark beeinträchtigt wird. Die Folge sind extrem verlängerte Umschmelzvorgänge, die mit entsprechend hohen Kosten verbunden sind.
Eine mögliche Umgehung des gesamten eben geschilderten Umschmelzproblems könnte darin bestehen, die Wanne einfach abzulassen und wieder mit Zielglas vollzuschmelzen. Allerdings ergeben sich bei diesem Vorgehen einige Probleme. Nicht immer sind ausreichend Scherben für das Vollschmelzen verfügbar, vor allem bei erstmalig zu erschmelzenden Spezialgläsern. Somit müsste die Wanne mit reinem Gemenge vollgelegt werden. Dies ist einerseits aus energiewirtschaftlichen Gründen ungünstig, andererseits entstehen Probleme durch die Verstaubung des Gemenges. Darüber hinaus führt dieses Vorgehen gerade bei hochschmelzenden Spezialgläsern zu länger andauernden Qualitätsproblemen, wie Blasen, Schlieren, Steinchen, Kristalle etc., die die folgende Produktionskampagne erheblich beinträchtigen können. Manche Wannen sind mit Refraktärmetall-Einbauten aus Molybdän, Wolfram, Iridium etc. versehen, die an Luft bei hohen Temperaturen nicht oxidationsstabil sind. Diese Wannen können bis zum Ende ihrer Wannenreise nicht abgelassen werden. Für diese Wannen ist bei einem Glaswechsel ein floatendes Umschmelzen zwingend erforderlich.
Damit ergeben sich folgende Anforderungen an Umschmelzvorgänge:

– floatendes Umschmelzen ohne Wannenablass
– Begrenzung von Dichtedifferenzen beim Einschmelzen
– Vermeidung von hoch- oder niedrigviskosen Zwischengläsern
– Kontrolle des Umschmelzvorganges bzw. Verfolgung des Umschmelzgrades durch vorausberechnete Umschmelzkurven

WO 98/055 99 beschreibt ein Verfahren zur Modifizierung einer Grundglaszusammensetzung, wobei die Glasschmelze durch einen waagerechten Kanal fließt, indem an einer bestimmten Stelle der Schmelze weitere Stoffe zugesetzt und in ihr verteilt werden. Anschließend wird die Schmelze homogenisiert und einer Formgebungseinheit zugeführt. Dieses Vorgehen beschreibt somit eine Feederfärbung, die beispielsweise in der Hohlglasindustrie Verwendung findet. Umschmelzvorgänge unter den oben genannten Anforderungen sind damit nicht möglich.
EP 0 787 692 A1 versucht die Probleme mit der Mischung von zwei Gläsern beim Umschmelzen dadurch zu umgehen, dass die Dichten der beiden Gläser konstant gehalten werden und sich maximal um 0.01 g/cm³ unterscheiden dürfen. Hierzu muss das Zielglas bis zu 5% Fe₂O₃ enthalten. Damit ist man in der sowohl in der chemischen Zusammensetzung als auch in der Erzielung bestimmter gewünschter Glaseigenschaften stark eingeschränkt. Außerdem ist der Einsatzbereich solcher Gläser durch den hohen Eisengehalt stark begrenzt.
Gemäß US-A-3 915 684 werden Umschmelzvorgänge ohne Ablassen der Wanne aufgeführt. Durch die Zurücknahme des Glasdurchsatzes und die Anpassung der Beheizung wird versucht, bei einem Wechsel der Glaszusammensetzung die Konvektionsströmungen im Schmelzaggregat aufrechtzuerhalten. Die beschriebenen Glaswechsel beziehen sich auf die Färbung von Kalk-Natron-Gläsern bzw. auf kleinere Eigenschaftskorrekturen. Dabei bleibt die Glas-Grundzusammensetzung im wesentlichen unverändert. Ein Umschmelzen wie zum Beispiel der Glaswechsel von einem Kalk-Natron-Glas auf ein Borosilicatglas ist ausgeschlossen.
RU 205 6375 beschreibt das Umschmelzen von Wannenglasschmelzöten zur Herstellung von Farbglas. Allerdings wird in diesem Patent nur auf bestimmte bevorzugte Geometrien des Schmelzaggregates eingegangen, die das Umschmelzen fördern und der Energieeinsparung dienen sollen. Lösungsansätze zur Vermeidung von Entmischungen im Schmelzaggregat beim Umschmelzen oder Ansätze zum Umschmelzen bei grundsätzlich voneinander verschiedenen Glassystemen werden nicht genannt.
EP 0 599 403 A2 befasst sich mit dem Färben von Glasschmelzen. Hierzu wird der Schmelze in einer sogenannten Färbekammer ein färbendes Additiv zugesetzt und die Schmelze anschließend homogenisiert. Auch diese Erfindung geht letztendlich nur auf die Feederfärbung ein.
US 3 296 003 A beschreibt ein Verfahren, wobei ein Ausgangsglas durch Zugabe einzelner Oxide gezielt modifiziert werden, um die Dichte möglichst konstant zu halten.
Dabei werden keinerlei quantifizierbare Dichteunterschiede genannt. Vielmehr sollen gezielt dotierte Gläser dargestellt werden, die sich von einem Ausgangsglas nicht oder nicht wesentlich unterscheiden.
Mit jenem Verfahren ist es nicht möglich, in der Wanne ein Zielglas mit einer Dichte zu erlangen, das von der Dichte des Ausgangsglases verschieden ist.
Größere Probleme beim Umschmelzen treten immer dann auf, wenn Ausgangs- und Zielglas größere Dichteunterschiede aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum kontinuierlichen Umschmelzen von einem Glas A auf ein Zielglas B anzugeben, bes welchem ein Ablass von Schmelze aus der Schmelzwanne vermieden wird, bei welchem Dichtedifferenzen beim Einschmelzprozess minimiert werden, bei welchem nur in geringem Maße oder überhaupt nicht hoch- oder niedrigviskose Zwischengläser entstehen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Lösung besteht im wesentlichen darin, dass vorausbestimmte, veränderliche Gemengezusammensetzungen in zeitlicher Abfolge in das Schmelzaggregat eingelegt werden. Zur Berechnung der erforderlichen Stufung wird der Einschmelzteil des Schmelzaggregates als einstufige Rührkesselkaskade betrachtet. Dafür gilt die Übergangsfunktion F (τ).

Die Zugabe der genannten Chargen erfolgt somit gestuft oder zeitlich intermittierend.

Zur Berechnung der erforderlichen Stufung wird der Einschmelzteil des Schmelzaggregates als einstufige Rührkesselkaskade betrachtet. Dafür gilt die Übergangsfunktion F(τ) (1) F1 = 1 – e–τ mit
τ eine dimensionslose Zeit, die sich aus der Formel τ = Zeit/mittlere Verweilzeit des Schmelzaggregates errechnet

Entsprechend der Erfindung wird die Dichtedifferenz k zwischen neu einzulegendem und dem im Einschmelzteil befindlichen Glas auf einen vorgegebenen Wert k begrenzt. Die Begrenzung erfolgt durch Zumischen von Scherben und/oder Gemenge des Ausgangsglases zu den Scherben bzw. zum Gemenge des Zielglases. Über den Ansatz (2) k = ϱz – ϱ mit
ϱz Dichte des eingelegten Glases zum Zeitpunkt τ
ϱ Dichte des im Einschmelzteil befindlichen Glases bei τ
ergeben sich die erforderlichen Anteile des Ausgangsglases χ zu

mit
χ Anteil des Ausgangsglases
k vorgegebene zulässige Dichtedifferenz
ϱ_A Dichte des Ausgangsglases
ϱ_E Dichte des Zielglases
τ dimensionslose Zeit

Mit q_k als Parameter zwischen > 0 ... < 1 gibt die jeweilige Kurve den zeitlichen Verlauf des Anteils des Ausgangsglases im einzulegenden Glas an, wenn die Differenz zwischen neu einzulegendem und dem im Einschmelzteil befindlichen Glas auf den entsprechenden Wert zwischen > 0 ... < 1 reduziert werden soll.

Eine stetige Änderung der Gemengezusammensetzung ist technisch nicht möglich. Daher wird die entsprechende Kurve im Diagramm durch eine Stufenkurve ersetzt, die möglichst gut durch eine entsprechende Anzahl Stufen angenähert wird.

Für die Vorausberechnung physikalischer und chemischer Daten beim Umschmelzen muss zunächst die (dimensionslos angegebene) Übergangsfunktion des Schmelzaggregates F(τ) beispielsweise durch Tracerversuche bestimmt werden. Unter der Voraussetzung linearer Abhängigkeiten zwischen den Daten des Ausgangs- und des Zielglases erhält man durch Kopplung der Übergangsfunktion mit der Mischungsregel die Beziehung.

mit
χ aktuelle Eigenschaft (z.B. Dichte) des Umschmelzglases
χ_A Eigenschaft des Ausgangsglases χ_E Eigenschaft des Zielglases
mit deren Hilfe eine Beziehung zwischen den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Ausgangs-, Ziel- und aktuellem Umschmelzglas hergestellt werden kann. Damit lassen sich die physikalischen und chemischen Daten des Glases während des Umschmelzens zur Kontrolle des Umschmelzvorganges vorausberechnen.

Dabei wird die Toleranzdichtedifferenz, d.h. die Differenz zwischen der Dichte der Glasschmelze im Einschmelzteil und dem neueinschmelzenden Glas < als 0,02 bis 0,10 g/cm³ gewählt, zum Beispiel mit 0,10 g/cm³ , oder 0,08 g/cm³ oder 0,05 g/cm³

Im folgenden werden zwei Beispiele zum Umschmelzen vorgestellt. Um den Vergleich mit anderen Schmelzaggregaten zu erleichtern wurde für die Zeitachse eine dimenslose Darstellung gewählt, d. h., alle dimensionsbehafteten Zeitwerte wurden durch die mittlere Verweilzeit des jeweiligen Schmelzaggregates geteilt.

1 zeigt die vorausberechnete Kurve (durchgezogene Linie) für ein erfindungsgemäßes Umschmelzen mit gestufter Einlage.

Der Dichteunterschied zwischen Glas A und Glas B beträgt 0.53 g/cm³. Ausgehend von Gleichung (2) ergibt sich bei einer zulässigen maximalen Dichtedifferenz von 0.10 g/cm³ der Parameter q_k aus (3) zu 0.167.

Bei τ = 1.8 ist nach (3) der Anteil des Ausgangsglases im Einschmelzteil auf 0 abgesunken. Ab diesem Zeitpunkt kann reines Zielglas (Glas B) in das Schmelzaggregat eingelegt werden.

Am Ausgang der Wanne wurden in regelmäßigen Abständen Proben genommen, um den Umschmelzprozess verfolgen und kontrollieren zu können. An diesen Proben wurde die Dichte bestimmt. Diese gemessenen Werte sind als Folge einzelner Quadrate in 1 eingetragen. Im Diagramm zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen vorausberechnetem und tatsächlichem Umschmelzverlauf.

Im nicht erfindungsgemäßen zweiten Beispiel betrug die Dichtedifferenz zwischen Ausgangs- und Zielglas 0.13 g/cm³. Das Umschmelzen erfolgte nicht gestuft, sondern es wurde ohne Rücksicht auf die zu große Dichtedifferenz sofort Gemenge für Glas B eingelegt. Am Ausgang des Schmelzaggregates wurden wiederum in regelmäßigen Abständen Proben genommen und daran die Dichte bestimmt. Die gemessenen Werte sind in 2 als einzelne Quadrate dargestellt. Die durchgezogene Kurve beschreibt den theoretischen Umschmelzverlauf, wenn ohne Stufung gearbeitet wird.

Aus der Figur geht deutlich hervor, wie das leichtere Zielglas sofort über das schwerere Ausgangsglas gezogen wird, in die Entnahmeströmung gelangt und die Durchmischung der beiden Gläser stark beeinträchtigt wird. Immer wieder gelangen deshalb Reste des Ausgangsglases in das Produkt, und die Dichtekurve zeigt sehr große Schwankungen. Das Umschmelzen dauert deutlich länger und verläuft unkontrolliert.

Claims

Verfahren zum kontinuierlichen Umschmelzen eines bereits in einem Schmelzaggregat befindlichen Ausgangsglases A auf ein Zielglas B, das eine andere Dichte als das Ausgangsglas A aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten: 1.1 die Dichtedifferenz zwischen dem Glas A und dem neu einzulegenden Glas, das in seiner Zusammensetzung und seiner Dichte zunächst noch nicht dem Zielglas B entspricht, da die Dichtedifferenz zwischen A und B zu groß ist, wird auf einen Soll-Bereich zwischen 0.02 und 0.10 g/cm³ begrenzt; 1.2 es wird die Dichte des am Ausgang des Schmelzaggregates befindlichen Glases durch Entnahme von und Messung an diesen Proben bestimmt; 1.3 aus dem Messergebnis sowie einer für das Schmelzaggregat geltenden Verweilzeitfunktion wird der durchschnittliche Wert der Dichte der Schmelze im Schmelzaggregat ermittelt; 1.4 es werden in zeitlicher Reihenfolge Chargen von Gemenge und/oder Scherben, die eine aufgrund der für das jeweilige Schmelzaggregat geltenden Verweilzeitfunktion vorausberechnete Mischung aus Gemenge und/oder Scherben von Ausgangsglas A und Zielglas B sind, so lange eingelegt, bis die Dichtedifferenz zwischen dem Glas im Einschmelzteil, das jetzt seinerseits eine sich ständig verändernde Mischung aus Glas A und Glas B ist und demzufolge eine andere Dichte als Glas A aufweist, und dem Zielglas B unter den Wert der höchstzulässigen Dichtedifferenz fällt. Ab diesem Zeitpunkt ist das neu einzulegende Glas nur noch das Zielglas B.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschmelzen von Glas A zum Zielglas B zur Vermeidung des Auftretens von extrem zäh- und/oder dünnflüssigen Gläsern über ein Zwischenglas C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenglas C aus dem Zielglas B definiert wird, aber einen erhöhten Alkalioxid-Anteil enthält, der zu Kompensationszwecken vom Al₂O₃ Gehalt abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenglas C aus dem Zielglas B definiert wird, aber einen erniedrigten Alkalioxid-Anteil enthält, der auf den Al₂O₃ -Gehalt hinzugerechnet wird.
Verfahren nach einem des Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das anfallende Umschmelzglas wieder in Form von Scherben in den Schmelzprozess zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Glasdurchsatzes im Schmelzaggregat während des Umschmelzens und damit zur Verkürzung der erforderlichen Umschmelzzeit Bodenabläufe und/oder Uberläufe zur zusätzlichen Glasentnahme aus dem Schmelzaggregat geöffnet und betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die höchstzulässige Dichtedifferenz auf 0,08 g/cm³ festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die höchstzulässige Dichtedifferenz auf 0,05 g/cm³ festgelegt wird.