DE10142405B4

DE10142405B4 - Vorrichtung, deren Verwendung und Verfahren zum Einleiten von aggressiven Gasen in eine Glasschmelze

Info

Publication number: DE10142405B4
Application number: DE2001142405
Authority: DE
Inventors: Christian Kunert; Dr. Kiefer Werner; Dr. Roemer Hildegard; Dr. Kolberg Uwe; Alfred James Thorne; Paul Joseph Finnerty
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2021-09-01
Also published as: US6912874B2; FR2813536B1; US20020069673A1; DE10142405A1; JP2002145625A; JP5075311B2; FR2813536A1

Abstract

Vorrichtung zum Einleiten von aggressiven Gasen in eine Glasschmelze, wobei die Vorrichtung (1) ein Rohr (2) zum Einleiten von Gas und einen das Rohr (2) umgebenden Kühlmantel (3) enthält, wobei ein Kühlmedium in den Kühlmantel (3) eingeleitet und ausgeführt werden kann, wobei die Kontaktflächen des Rohrs (2) zu dem Gas mit einer gegen das Gas bei den herrschenden Temperaturen chemisch beständigen Schicht, bestehend aus einem hochfluorhaltigen Kunststoff, überzogen sind, und wobei der Kühlmantel (3) das Rohr (2) bis zu dessen Mündung (2a) umgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, deren Verwendung und ein Verfahren zum Einleiten von aggressiven Gasen in eine Glasschmelze.
Bei der kontinuierlichen Herstellung von Laserglas für Hochleistungslaser werden die Glasrohstoffe in einem Einschmelzbecken eingeschmolzen. Bei Verlassen des Einschmelzbeckens ist der Wassergehalt für eine Verwendung als Laserglas deutlich zu hoch. Daher wird das Glas in eine Reinigungs- und Trocknungsstufe geleitet, in der eine Mischung aus Sauerstoff und Chlorgas in unterschiedlichen Anteilen in die Schmelze eingeleitet wird. Die Temperaturen in der Schmelze betragen etwa 1400°C. Anschließend wird das Glas hinsichtlich Homogenität und Temperatur für die Formgebung eingestellt und in die gewünschte Form gebracht.
Zur Erreichung der geforderten geringen Absorption bei einer Lichtwellenlänge oberhalb von 2,7 μm muss ein sehr niedriger Wassergehalt, daher sehr niedriger Gehalt an Hydroxyl-Gruppen, gewährleistet werden. Der geforderte niedrige Wassergehalt kann bei diskontinuierlichen Schmelzen durch eine lange Haltezeit der Schmelze und Einleitung von Sauerstoff erreicht werden.
Bei einem kontinuierlichen Aggregat sind so lange Halte- und Durchlaufzeiten wirtschaftlich nicht durchführbar. Als sehr effizientes Trocknungsmittel wird Chlorgas in die Schmelze eingeleitet. Da Platinmetall üblicherweise gegenüber der Glasschmelze bei den auftretenden Temperaturen beständig ist, wird zur Einleitung des Chlorgases ein Platinrohr verwendet. Dieses wird von oben bis nahe oberhalb des Bodens in den Tiegel eingetaucht. Durch das Platinrohr wird Chlorgas eingeleitet. Das Chorgas durchsprudelt von unten die Schmelze. Dabei erfolgt die Trocknungswirkung. Da sich das Platinrohr in der heißen Schmelze befindet, erreicht es ebenfalls Temperaturen von über 1000°C. Es hat sich gezeigt, dass ein Platinrohr bei diesen Temperaturen innerhalb kurzer Betriebszeit durch das aggressive Chlorgas perforiert und teilweise aufgelöst wird. Die Funktion der Gaseinleitung ist dann nicht gewährleistet, so dass der Wassergehalt auf unzulässig hohe Werte ansteigt. Zusätzlich kommt es durch das aufgelöste Platin zu einer unzulässig hohen Zahl von Platineinschlüssen im Glas. Als Folge muss die Produktion bereits nach kurzer Zeit gestoppt werden.
Bei der Herstellung von Gläsern, die hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen, ist es ein gängiges Verfahren, Gase in die Glasschmelzen einzuleiten, um durch die eingeleiteten Gase bestimmte Reaktionen hervorzurufen. Durch die Einleitung von Sauerstoff oder von reduzierenden Gasen können im Glas enthaltene färbende polyvalente Ionen gezielt in ihrer Oxidationsstufe eingestellt werden, um so eine gewünschte Farbe des Glases zu erzielen oder auch um eine ungewünschte Verfärbung des Glases zu verhindern. In kleinen Schmelzaggregaten werden dazu üblicherweise geeignet gebogene Rohre aus Materialien, die den Schmelztemperaturen widerstehen und die Schmelze nicht verunreinigen, wie Kieselglas oder Platin, von oben bis nahe oberhalb des Tiegelbodens in die Schmelze eingeführt.
In großtechnischen Aggregaten werden ebenfalls an verschiedenen Steilen Gase in die Schmelze eingeleitet. Größtenteils dienen die sogenannten Bubblingdüsen zu einer gezielten Beeinflussung des Strömungsverlaufes in den Glasschmelzwannen. In solchen Fällen wird zumeist Sauerstoff, seltener Luft oder inerte Gase verwendet. Durch reaktive Gase kann auch Einfluss auf chemische Reaktionen in der Glasschmelze genommen werden.
Die gängigen Verfahren zur Gaseinleitung in Schmelzen sind bei der kontinuierlichen Produktion von aggressiven Glasschmelzen, insbesondere von Phosphatglasschmelzen für Hochleistungsläser, nicht anwendbar. Von oben in die Schmelze eingetauchte Platinrohre werden in kurzer Zeit teilweise aufgelöst und perforiert, so dass das Rohr seine Wirkung nicht mehr erfüllen kann. Zusätzlich führt die starke Auflösung des Platins zur Bildung einer Vielzahl von kleinsten Platinteilchen in der Glasschmelze, wodurch aus der Schmelze hergestelltes Glas als Laserglas unbrauchbar wird.
Ein Ersatz des von oben in die Schmelze eingetauchten Platineinleitungsrohres durch Rohre aus anderen Materialien, wie Keramik oder Kieselglas führt nicht zu einer dauerhaften Lösung des Problems, da sich alle Materialien in der aggressiven Schmelze in wenigen Stunden auflösen und somit für eine kontinuierliche Glasproduktion nicht geeignet sind.
Eine Einleitung des Gases durch den Boden des die Schmelze enthaltenden Gefäßes war aufgrund der Korrosionswirkung der aggressiven Schmelze, die alle bekannten Materialien zerstörte, bisher nicht möglich. Die Korrosion und Zerstörung der Gaseinleitungsvorrichtung am Boden des Schmelzgefäßes hätte ein Auslaufen der gesamten Schmelze und damit eine erhebliche Gefährdung des Personals sowie eine längerfristige Unterbrechung der Produktion zur Folge.
Folgende Schriften befassen sich mit dem Einleiten von Gasen in Glasschmelzen.
Die Schrift JP 63035434 A beschreibt das Einleiten eines Gases mit 15 mol-% O₂ und 2100 ppm H₂O in einer Glasschmelze.
Die Schrift JP 55116633 A beschreibt das Einleiten eines Trägergases (wie O₂, N₂ oder Ar) zusammen mit Chlorgas mittels eines Rohres in eine Glasschmelze.
Die Schrift JP 01028245 A beschreibt das Einleiten eines Reaktionsgases, das ein Halogen oder ein Halid enthält (z. B. ClF₃, NF₃, CF₄, F₂, CCl₄, Cl₂ oder CCl₂F₂) in eine Fluoridglasschmelze. Das Einleiten erfolgt mittels eines Einleitungsrohres aus Kohlenstoff.
Aus der Schrift DE 19947729 A1 ist ein Leitungssystem zur Einleitung von gasförmigen Reaktionsstoffen in ein Schmelzbad bekannt, das u. a. eine Gaszuführung und ein mit dieser verbundenes Einleitungsrohr aufweist. Sowohl die Gaszufuhrleitung als auch das Einleitungsrohr, das mit der Schmelze in Berührung kommt, sind aus Graphit – mit einer gasdichten Auskleidung, die aus chemisch inertem, hitzebeständigem und/oder feuerfestem Material besteht.
Die Schrift US 4,600,425 beschreibt eine Vorrichtung zum Einleiten von Gasen, wie Stickstoff, in eine Glasschmelze. Die Vorrichtung besteht aus einem Rohr aus Molybdän, einer Molybdän-Legierung, rostfreiem Stahl oder einem anderen Refraktärmaterial. Das Rohr ist innerhalb des Wandmaterials des Glasschmelzaggregats mit einem Kühlmantel umgeben, um die Korrosion der Außenseite des Rohrs durch das Wandmaterial zu verhindern.
Die Schrift GB 658,141 beschreibt eine Vorrichtung zum Einleiten von Gasen oder Flüssigkeiten, wie Wasser, Pressluft, Sauerstoff, wässrige H₂O₂-Lösungen, wässrige Salpeter-Lösungen in eine Glasschmelze. Die Vorrichtung besteht aus einem Metallrohr, einer Düse und einem das Metallrohr umgebenden Kühlmantel. Die Düse ragt nur soweit aus dem Kühlmantel, dass diese nicht unnötig von der Glasschmelze erhitzt wird. Die Düse kann aber auch in die Glasschmelze hineinragen.
Die Schrift JP 02080328 A beschreibt ein keramisches Rohr zum Einleiten von Gasen in eine Glasschmelze. Das Rohr ist von einem Kühlmantel umgeben und umfasst ein horizontal angeordnetes Auslassrohr mit einer Auslassöffnung 3a.
Die Schrift US 2,155,315 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von wässeriger Flusssäure. Die Vorrichtung weist ein Misch- und Kühlrohr sowie eine Düse und einen Wassereinlass auf. Die Innenseite des Misch- und Kühlrohrs besteht aus einem Material, welches beständig gegenüber wässriger Flusssäure ist. Misch- und Kühlrohr, Düse und Einlass bestehen aus Platin oder Magnesium oder aus einem platin- oder magnesiumbeschichteten Material, welches beständig gegen wässrige Flusssäure ist. Im Misch- und Kühlrohr wird wässrige Flusssäure durch Mischen von gasförmigem HF und Wasser hergestellt. Die während der Mischung entstehende Reaktionswärme, die bei der Reaktion von gasförmigem HF mit Wasser entsteht, wird mittels einer das Rohr umgebenden Wasserkühlung abgeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren bereitzustellen, wobei Gase über längere Zeit in eine Glasschmelze eingeleitet werden, ohne dass es zu einer Beschädigung oder Auflösung der Vorrichtung durch das Gas kommt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zum Einleiten von aggressiven Gasen in eine Glasschmelze gelöst, wobei die Vorrichtung (1) ein Rohr (2) zum Einleiten von Gas und einen das Rohr (2) umgebenden Kühlmantel (3) enthält, wobei ein Kühlmedium in den Kühlmantel (3) eingeleitet und ausgeführt werden kann, wobei die Kontaktflächen des Rohrs (2) zu dem Gas mit einer gegen das Gas bei den herrschenden Temperaturen chemisch beständigen Schicht, bestehend aus einem hochfluorhaltigen Kunststoff, überzogen sind, und wobei der Kühlmantel (3) das Rohr (2) bis zu dessen Mündung (2a) umgibt.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ein aggressives Gas geleitet, wobei die Kontaktflächen der Vorrichtung zu dem Gas durch eine geeignete Kühlung unterhalb einer kritischen Temperatur gehalten werden, oberhalb derer das Material der Vorrichtung mit dem aggressiven Gas reagieren würde.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Teile, die Kontakt zu Gasen, wie Chlorgas haben, ausreichend gekühlt. Somit wird das Rohr nicht heiß, während es mit Chlorgas in Kontakt steht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt durch eine geeignete Kühlung, dass alle vom Glas unbedeckten Flächen, die in Kontakt mit den Gasen kommen können, sich nicht über eine kritische Temperatur erhitzen, bei der die verwendete Beschichtung von den verwendeten Gasen aufgelöst werden. Der Kühlmantel umgibt das Rohr bis zu dessen Mündung.
Die gekühlten Kontaktflächen sind mit einer gegen Chlorgas bei den herrschenden Temperaturen chemisch beständigen Schicht überzogen. Die Schicht besteht aus hochfluorhaltigen Kunststoffen, wie z. B. Teflon. Durch die Kühlung ist gewährleistet, dass die Zersetzungstemperatur des Kunststoffes nicht überschritten wird. In dieser Ausführungsform können als Konstruktionsmaterial eine Vielzahl von Materialien, wie Stähle eingesetzt werden. Dadurch wird die eingesetzte Menge Edelmetall deutlich verringert, wodurch die Vorrichtung sowohl in der Herstellung als auch im Einsatz deutlich wirtschaftlicher wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden als Kühlmedium für den Kühlmantel Gas oder ein Gasgemisch, Öl oder ein Ölgemisch, Silikonöl oder ein Silikonölgemisch, insbesondere Wasser oder eine wässrige Lösung verwendet. Dieses Kühlmedium ist wirtschaftlich und umweltfreundlich.
Das aggressive Gas, wie Chlor, wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt in eine Glasschmelzwanne, ein Unterteil davon oder ein Tiegel eingeleitet. Weiter wird beispielsweise Chlor mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Läuterteilen und Konditionierteilen eingeleitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich durchgeführt. Bei der kontinuierlichen Herstellung von Laserglas wird bisher eine Einleitung des Chlorgases von unten ausgeschlossen, da ein Leck im Boden des Tiegels das Auslaufen des gesamten enthaltenen Glases zur Folge hätte. Dieses Problem wurde mit der erfindungsgemäßen Erfindung behoben.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, mit der aggressive Gase wie Chlorgas über längere Zeit in heiße Glasschmelzen sicher eingeleitet werden, ohne dass es zu einer Beschädigung oder Auflösung der Vorrichtung durch das aggressive Gas kommt.
Neben reinem oder technischem Chlorgas können auch chlorhaltige Gase, wie SiCl₄ oder CCl₄, oder ein Gemisch aus Chlorgas, chlorhaltigen Gasen und/oder anderen Gasen eingeleitet werden.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus 1 bis 3.
1 zeigt: eine erfindungsgemäße Vorrichtung (1), wobei das Reaktionsgas durch das Rohr (2) geleitet wird. Das Kühlmedium wird in den Kühlmantel (3) eingeleitet (4) und ausgeführt (5). Der Kühlmantel (3) umgibt das Rohr (2) bevorzugt bis zu dessen Mündung (2a).
2 zeigt: die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) wobei das Gas in der Reinigungs- und Trocknungsstufe von unten in die Schmelze (6) eingeleitet wird. Für die Schmelze (6) wird Glas vom Einschmelzen zugeleitet (7) und zur Weiterverarbeitung abgeführt (8). Die Vorrichtung (1) wird dazu gasdicht in eine Aussparung (9) im Boden (10) der Reinigungs- und Trocknungsstufe eingepasst und bei Bedarf eingeschweißt.
3 zeigt: die Reinigungs- und Trocknungsstufe wie in 2 mit dem Unterschied, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) das Gas von oben in die Schmelze (6) eingeleitet wird. Dazu taucht die Vorrichtung (1) von oben bis knapp oberhalb des Tiegelbodens (11) in die Schmelze (6) ein.
Die Ausführungsvariante gemäß 3 wird vorzugsweise dort angewandt, wo eine bestehende Anlage nachträglich um eine Gaseinleitungsvorrichtung ergänzt werden muss. Da die gekühlten Flächen, die Kontakt mit der Glasschmelze haben, deutlich größer sind als in 2, ist in diesem Fall auch der Wärmeentzug aus der Schmelze stärker. Dies muss durch eine entsprechend stärkere Beheizung der Schmelze kompensiert werden.

Claims

Vorrichtung zum Einleiten von aggressiven Gasen in eine Glasschmelze, wobei die Vorrichtung (1) ein Rohr (2) zum Einleiten von Gas und einen das Rohr (2) umgebenden Kühlmantel (3) enthält, wobei ein Kühlmedium in den Kühlmantel (3) eingeleitet und ausgeführt werden kann, wobei die Kontaktflächen des Rohrs (2) zu dem Gas mit einer gegen das Gas bei den herrschenden Temperaturen chemisch beständigen Schicht, bestehend aus einem hochfluorhaltigen Kunststoff, überzogen sind, und wobei der Kühlmantel (3) das Rohr (2) bis zu dessen Mündung (2a) umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Kühlmedium für den Kühlmantel (3) Gas oder ein Gasgemisch, Öl oder ein Ölgemisch, Silikonöl oder ein Silikonölgemisch, Wasser oder eine wässrige Lösung ist.
Verfahren zum Einleiten von aggressiven Gasen in eine Glasschmelze mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gas durch ein Rohr (2) in die Glasschmelze eingeleitet, das Rohr mittels einem das Rohr umgebenden Kühlmantel (3) gekühlt und ein Kühlmedium in dem Kühlmantel (2) eingeleitet und abgeführt wird und dass die Kontaktflächen des Rohrs (2) zu dem Gas durch das Kühlmedium unterhalb einer kritischen Temperatur gehalten werden, oberhalb derer das Material des Rohrs (2) mit dem Gas reagieren würde.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Gas Chlorgas oder ein Gemisch aus Chlorgas und anderen Gasen eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei als Gas ein chlorhaltiges Gas, wie SiCl₄ oder CCl₄, oder ein Gemisch aus Chlorgas, chlorhaltigen Gasen und anderen Gasen eingeleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Gas in eine Glasschmelzwanne, ein Unterteil davon oder einen Tiegel eingeleitet und in Läuterteilen sowie Konditionierteilen eingeleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Einleitung von Chlorgas, einem Gemisch aus Chlorgas und anderen Gasen oder chlorhaltigen Gasen in eine Schmelze aus der Glas für Laseranwendung hergestellt wird.