DE102004043458A1

DE102004043458A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Transport und zur Konditionierung von Schmelzen

Info

Publication number: DE102004043458A1
Application number: DE200410043458
Authority: DE
Inventors: Johannes Stinner; Katharina LÜBBERS; Erhard Dzick; Erich Fischer; Roland Fuchs; Alexander Hummer; Holger Hunnius; Wolfgang Münch; Janus Zborowski; Stefan Postrach
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-07
Also published as: DE102004043458B4

Abstract

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Leitung und Konditionierung von Schmelzen vor, welche einen geschlossenen Kanal zur Leitung der Schmelze mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung und eine Einrichtung zur Kühlung der Schmelze mit zumindest einen Hohlraum umfaßt, welcher den Kanal wenigstens teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kühlung der Schmelze eine Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Behandlung von Schmelzen, insbesondere betrifft die Erfindung den Transport von Schmelzen aus und in Aggregate zur Verarbeitung von Schmelzen, wie etwa Schmelz- Läuter- oder Formgebungsvorrichtungen.
Für viele Prozesse in der Hochtemperaturschmelztechnik ist es notwendig, die Temperatur der Schmelze schnell und möglichst exakt einzustellen. Dies ist beispielsweise bei der Konditionierung in Rinnensystemen von Glasschmelzanlagen der Fall, wenn der Aufschmelz- und Läuterprozess abgeschlossen ist und das Glas auf die gewünschte Formgebungstemperatur gebracht werden muß.

Für den Transport der Schmelze zwischen verschiedenen Aggregaten bei der Glasherstellung, wie etwa von einem Läuteraggregat zu einer Formgebungsvorrichtung werden verschiedene Formen von Transportrinnen verwendet, in welchen die Schmelze transportiert und auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Man unterscheidet hier insbesondere zwischen Rinnen mit offener Glasoberfläche und abgedeckten Rinnensystemen. Bei Rinnen mit offener Glasoberfläche können Glasbestandteile von der Oberfläche verdampfen. Hierdurch können bei besonders empfindlichen Spezialgläsern Inhomogenitäten entstehen, die schließlich zu Fehlern im Produkt führen. Für diese Arten von Gläsern werden daher bevorzugt abgedeckte Rinnen verwendet. Derartige Rinnen können beispielsweise als rundum geschlossene Kanäle mit meist rechteckigem Querschnitt und Stein- oder keramischen Wänden ausgeführt sein, die vollständig mit Glasschmelze gefüllt werden und in denen das durchfließende Glas elektrisch über in das Glasbad eintauchende Elektroden geheizt wird. Ebenso werden auch Edelmetall-Rohre mit direkter elektrischer Beheizung verwendet.

Eine direkte Beheizung der Schmelze über Elektroden kann nur bei Schmelzen verwendet werden, die eine definierte Leitfähigkeit besitzen, so dass ein hinreichender Energieeintrag über die Elektroden erfolgen kann. Bei manchen besonders empfindlichen Schmelzen können durch den Elektrodenkontakt und die Elektrodenkorrosion aber Verunreinigungen entstehen. Bei Glasschmelzen für optisch anspruchsvolle Gläser können diese Verunreinigungen zur Minderung der Transmission bis hin zur Unbrauchbarkeit des hergestellten Produkts führen.

Auch bei rohrförmigen Rinnen aus direkt beheiztem Edelmetall können Verunreinigungen durch metallischen Abtrag entstehen.

Insbesondere bei der Herstellung von hochwertigen Spezialgläsern, wie etwa von Rohrglas für Lampenanwendungen, Pharmaverpackungen, Laborglas, optisches Glas, Displayglas, Faserglas, Glaskeramik, Fernsehglas oder Flachglas darf das Glas keine Verunreinigungen aufweisen. Dadurch werden die Anforderungen an eine Transportrinne, wie insbesondere eine Konditionierrinne, mit welcher die Schmelze während des Transports auf eine vorgesehene Temperatur gebracht wird, entsprechend erhöht.

In der DE 351837 A1 wird eine Platinspeiserinne zum Temperaturausgleich des Glases offenbart, bei welcher der Heizstrom dem Metallrohr der Rinne über Zuführungselektroden zugeführt wird, die halbseitig mit am Metallrohr angeschweißten Kontaktringen stromschlüssig verbunden sind. Dadurch soll die Ausbildung von Äquipotentiallinien innerhalb des Platinrohren und damit verbunden eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden.

Gemäß der DE 19921289 A1 wird zur Erreichung einer möglichst homogenen Temperaturverteilung in der Schmelze vorgeschlagen, die Wandstärke des Rohrs entsprechend anzupassen.

Bei den wie in der DE 19921289 A1 oder der DE 351837 A1 vorgeschlagenen Rinnensystemen wird jedoch vergleichsweise teure elektrische Heizenergie eingesetzt.

In der DE 10032596 C2 wird ein Glasschmelze führender Kanal beschrieben, mit welchem die Blasenbidung am Platin vermieden werden soll. Dazu wird im Glaskontakt ein unbeheizter nahtloser Innenmantel, beispielsweise aus Quarzglas verwendet. Die Beheizung erfolgt indirekt über elektrische Beheizung mittels einer den Innenmantel umschließenden Heizeinrichtung. Durch das nahtlose Rohr ist die Glasschmelze vom beheizten Rohr getrennt. Dieses Verfahren ist jedoch ebenfalls nachteilig hinsichtlich der Verwendung von teurer elektrischer Energie und der vergleichsweise aufwendigen Konstruktion.

Bei dem in der DE 10128674 A1 beschriebenen glasführenden Kanal aus Refraktärmetall ist eine induktive Beheizung vorgesehen. Auch dieses Verfahren führt jedoch zu hohen Energiekosten.

Die DE 3528332 A1 beschreibt weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung von glasführenden Kanälen, Speiserinnen und Speiserköpfen vor Glasspeisern, bei welchem das die Glasführung bildende Feuerfestmaterial durch elektrisch leitfähige, stromdurchflossene wärmefeste keramische Heizplatten beheizt wird, welche außenseitig mit dem Feuerfestmaterial in wärmeleitendem Kontakt stehen und das Feuerfestmaterial teilweise umgeben. Allerdings ist diese Art der Temperatureinstellung relativ träge und ungenau.

In der EP 0175575 B1 wird eine Beheizung in einem Speiserkanal über indirekte Heizelemente im Oberofen beschrieben. Ein solches Verfahren ist allerdings nicht oder nur wenig geeignet für geschlossene Rinnensysteme.

Die US 4552579 A1 schlägt einen isolierten Bodenaufbau mit indirekter Luftkühlung vor. Hierdurch kann die Isolationswirkung in kleinen Bereichen variiert werden. Auch dieses System ist allerdings vergleichsweise träge, so dass eine schnelle und genaue Einstellung einer gewünschten Glastemperatur schwierig ist.

Die DE 4234939 offenbart weiterhin einen Kanal zum Transport und zur Kühlung von Schmelzen, bei welchem die Schmelze indirekt durch eine Luftzuführung an der Unterseite des Bodens des Kanals gekühlt wird. Allerdings muß die Wandstärke des Kanals so bemessen sein, dass er dem Gewicht der Schmelze standhält, was andererseits den Wärmeaustausch behindert, so dass diese Kühlung nur träge reagiert.

Die EP 0167402 B1 beschreibt einen elektrisch geheizten Speiserkanal, bei welchem die Heizelemente im Oberofen oberhalb der Schmelzenoberfläche angeordnet sind. Bei einer solchen offenen Glasoberfläche ergibt sich jedoch bei vielen Gläsern das Problem, dass die Verdampfung von Glasbestandteilen zu stark ist, was zu unerwünschten lokalen Änderungen der Glaszusammensetzung führt.

Die US 3650726 beschreibt einen kontinuierlichen Glasschmelztiegel, dessen Boden mit einer Anordnung von Isolationsblöcken thermisch isoliert ist, die selektiv in Kontakt mit dem Boden gebracht werden können, um eine selektive Isolierung zu erreichen.

Die DE 10223606 A1 offenbart außerdem eine Vorrichtung zum Aufnehmen oder Leiten einer Glasschmelze, bei welcher ein Mantel mit einem die Schmelze enthaltenden Hohlraum von einer hülsenförmigen Stützkonstruktion gestützt wird, die von einer Isolationshülle umschlossen wird. Die Isolationshülle kann im Betrieb der Vorrichtung ausgetauscht und ersetzt werden, um beispielsweise den Wärmehaushalt des Bauteiles zu variieren. Sowohl bei einer Vorrichtung gemäß der US 3650726 , als auch gemäß der DE 10223606 A1 kann eine Regelung der Kühlung jedoch nur stufenweise eingestellt werden.

Die US 5599182 A1 beschreibt eine geheizte Tiegelvorrichtung, welche die Einstellung eines Temperaturprofils innerhalb einer Verbrennungskammer ermöglicht, wobei die Verbrennungskammer den Tiegel umgibt. Dazu wird eine sub- oder superstöchiometrische Mischung von Treibstoff und einem Oxidationsmittel eingeführt und der Fluss des Oxidationsmittels für eine substöchiometrische oder der Treibstoffzufluss für eine superstöchiometrische Verbrennung geändert, um die Wärmefreisetzung in bestimmten Regionen der Verbrennungskammer zu regeln. Zur Erreichung eines gewünschten Temperaturprofils wird die Zusammensetzung des Verbrennungsgases und damit die Wärmefreisetzung aufgrund der Verbrennung durch sekundäre Einspritzung von Oxidationsmittel und Treibstoff entlang bestimmter Abschnitte des Tiegels geändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und gezielte Konditionierung einer Schmelze zu erreichen. Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demgemäß sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Leitung und Konditionierung von Schmelzen vor, welche einen geschlossenen Kanal zur Leitung der Schmelze mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung und eine Einrichtung zur Kühlung der Schmelze mit zumindest einem Hohlraum umfaßt, welcher den Kanal wenigstens teilweise umschließt, wobei die Einrichtung zur Kühlung der Schmelze eine Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas umfasst. Als Einrichtung zur Kühlung wird im Sinne dieser Erfindung eine Einrichtung verstanden, mit welcher eine definierte Abkühlung der Schmelze herstellbar ist. Dies kann insbesondere eine einstell- oder steuerbare Abkühlung der Schmelze auf eine vorbestimmte Temperatur sein.

Insbesondere kann der Hohlraum den Kanal entlang seiner Umfangsrichtung und zumindest teilweise entlang seiner Längsrichtung umschließen. Bevorzugt wird diesbezüglich ein den Kanal in Umfangsrichtung vollständig umschließender Hohlraum.

Das Verfahren gemäß der Erfindung, das insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann, sieht vor, eine Schmelze zu transportieren und zu konditionieren, indem die Schmelze durch einen geschlossenen Kanal geleitet wird, welcher von einem Hohlraum zumindest teilweise umschlossen ist, und wobei die Schmelze während des Flusses von einem zum anderen Ende des Kanals insgesamt auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt wird, wobei der Hohlraum mit Kühlgas beschickt wird, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu klein ist und der Hohlraum mit Heizgas beschickt wird, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu groß ist.

Als Heizgas wird im Sinne der Erfindung Gas verstanden, welches beim Eintritt in den Hohlraum eine Temperatur aufweist, die größer ist als dessen Austrittstemperatur aus dem Hohlraum. Heizgas ist dementsprechend Gas, welches den Wänden des Hohlraums insgesamt Wärme zuführt. Überraschenderweise kann also erfindungsgemäß auch die Zuführung von Heizgas zur definierten Kühlung der Schmelze verwendet werden, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze zur Abkühlung auf die vorgesehene Temperatur über die Vorrichtung insgesamt zu groß ist, die Schmelze also kühler als gewünscht aus dem Kanal austreten würde. Umgekehrt ist Kühlgas im Sinne der Erfindung Gas, welches beim Eintritt in den Hohlraum eine Temperatur aufweist, die niedriger ist als dessen Temperatur beim Austritt, so daß das Kühlgas den Wänden, welche den Hohlraum begrenzen, Wärme entzieht.

Durch den geschlossenen Kanal wird ein Abdampfen von der Schmelze verhindert. Damit werden mögliche Inhomogenitäten der Schmelze, die sonst aufgrund einer offenen Schmelzenoberfläche entstehen können, vermieden oder zumindest verringert. Das erfindungsgemäße Konditionieren mittels Heiz- und Kühlgas ist außerdem kostengünstiger, als etwa eine direkte strombetriebene Zwischenheizung. Indem sowohl Heizgas, als auch Kühlgas zugeführt werden kann, wird weiterhin eine sehr gezielte Konditionierung, in Form einer genauen und gleichmäßigen Temperatureinstellung der die Vorrichtung verlassenden Schmelze erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas wenigstens einen Brenner. Das Erzeugen von Heizgas mittels eines Brenners ist im Vergleich zu etwa einer elektrischen Beheizung besonders kostengünstig. Durch den geschlossenen Kanal der Vorrichtung wird auch eine Kontamination der Schmelze durch die Brennergase vermieden, so daß sich der Einsatz eines oder mehrerer Brenner nicht negativ auf die Qualität der unter Verwendung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Artikel auswirkt. Die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas kann auch zumindest einen Plasmabrenner umfassen, um hohe Temperaturen und damit einen weiten Regelbereich für die geforderte Kühlleistung zu erhalten.

Noch eine Möglichkeit, um Heizleistung für eine gezielte Konditionierung der Schmelze im Verlauf des Durchflusses durch den Kanal zu erzielen, ist die Verwendung von Abgas, wie beispielsweise Rauchgas, welches aus einem anderen Prozeß stammt und dem Hohlraum mittels einer geeigneten Einrichtung zugeführt wird. Dies ermöglicht eine besonders energiesparende Betriebsweise.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß dem Hohlraum an mehreren in axialer Richtung des Kanals angeordneten Stellen Heizgas zugeführt wird, beispielsweise, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu groß ist, oder auch um eine Zwischen- oder Abschlußbeheizung der Schmelze durchzuführen. Damit kann zum Beispiel ein gewünschtes Wärmeabfuhr-, beziehungsweise Kühlleistungsprofil entlang des Kanals eingestellt werden. Geeignet zur Realisierung eines solchen Verfahrens sind beispielsweise mehrere in axialer Richtung des Kanals angeordnete Brenner.

Ebenso können auch vorteilhaft mehrere in axialer Richtung des Kanals angeordnete Einrichtungen zur Beschickung des Hohlraums mit Kühlgas vorhanden sein, um ein bestimmtes Kühlleistungsprofil zu ermöglichen.

Um die benötigte Heizenergie zu verringern, oder auch um eine geringere Kühlleistung bereitzustellen, kann mittels einer geeigneten Einrichtung auch vorgewärmtes Gas zugeführt werden. Das vorgewärmte Gas kann dann -je nach dessen Temperatur- als Kühlgas verwendet, oder auch zum Heizen eingesetzt werden. Vorgewärmtes Gas kann zur Beschickung mit Heizgas auch durch eine oder mehrere Heizeinrichtungen, wie etwa einen oder mehrere fossile Brenner weiter aufgeheizt werden.

Zur Beschickung des Hohlraums mit Kühlgas kann die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Kühlgebläse umfassen. Mit einem Kühlgebläse läßt sich in einfacher und kostengünstiger Weise Kühlgas in großer Menge erzeugen.

Um das Heiz- oder Kühlgas in den Hohlraum einzubringen, kann außerdem zumindest eine in den Hohlraum mündende Düse als Bestandteil der Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas vorgesehen sein. Allgemein kann es zweckmäßig sein, den Gasfluß im Hohlraum entlang vordefinierter Richtungen zu führen, um eine verbesserte Kühlung oder Heizung zu erreichen. Beispielsweise kann eine Einrichtung zur Führung des Heiz- oder Kühlgases entlang der Umfangsrichtung des Kanals vorhanden sein. Wird das Gas im Hohlraum entlang der Umfangsrichtung des Kanals geleitet, kann unter anderem eine homogenere Verteilung der Kühl- und/oder Heizleistung in Umfangsrichtung erreicht werden. Auch kann mittels entsprechender Einrichtungen das Heiz- oder Kühlgas in axialer Richtung des Kanals und/oder entlang einer Spirale um den Kanal geführt werden. Bei einer axialen Führung des Gases kann ein kontrollierter und gleichmäßiger Fluß des Gases entlang des Kanals und damit eine homogenere Wärmeabfuhr erreicht werden. Eine spiralförmige Führung ist unter anderem vorteilhaft, um den Weg des Gases innerhalb der Vorrichtung zu verlängern und damit die Heiz- oder Kühlleistung zu erhöhen.

Zur Führung des Gases entlang vordefinierter Richtungen kann der zumindest eine Hohlraum beispielsweise wenigstens einen Gasführungskanal umfassen. Der Verlauf des Gasführungskanals bestimmt dann dementsprechend die Gasflußrichtung, beispielsweise spiralförmig, axial oder in Umfangsrichtung.

Für die Einstellung der Kühl- oder Heizleistung -auch lokal entlang des Kanals oder im Hohlraum- sind verschiedene, auch miteinander kombinierbare Maßnahmen möglich. So kann zur Einstellung der gewünschten Temperatur der Schmelze die Gasmenge von Heiz- oder Kühlgas eingestellt werden. Ebenso ist es möglich, zur Einstellung der gewünschten Temperatur der Schmelze die Heizleistung bei der Bereitstellung von Heizgas oder Kühlgas einzustellen. Auch kann zumindest ein Abschnitt des Hohlraums mit Heizgas beschickt werden, indem Kühlgas aufgeheizt wird. Dies kann beispielsweise durch Einspritzung und Zündung von Brennstoffen geschehen. Noch eine weitere Möglichkeit besteht darin, zumindest einen Abschnitt des Hohlraums mit Kühlgas und zumindest einen weiteren Abschnitt mit Heizgas zu beschicken.

Aufgrund des Abkühlens -sei es durch Beschickung mit Kühlgas oder ein gebremstes Abkühlen durch Beschickung mit Heizgas- wird im allgemeinen ein Temperaturgradient in radialer Richtung in der Schmelze im Kanal verursacht. Dabei kühlen die Randbereiche der Schmelze, die nahe der Innenwandung des Kanals sind, stärker aus, als zentrale Bereiche des Schmelzenstrangs. Gewünscht ist aber im allgemeinen eine möglichst homogene Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze. Um den durch die Kühlung verursachten Temperaturgradienten in radialer Richtung zu verringern, kann es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung von Vorteil sein, wenn die Schmelze vor dem Austrittsende des Kanals durch Zuführung von Heizgas wieder aufgeheizt wird. Mit dieser lokal, insbesondere kurz vor dem Austreten der Schmelze aus der Vorrichtung vorgenommenen Aufheizung wird der Schmelze wieder Wärme über die Innenwandung des Kanals zugeführt, so daß sich ein dem Temperaturgradienten entgegengesetzter Wärmefluß vom Rand der Schmelze in Richtung auf das Zentrum hin ergibt. Dadurch läßt sich ein vorhandener Temperaturgradient zumindest teilweise wieder ausgleichen.

Vielfach kann sich ein Temperaturgradient, beziehungsweise eine Temperaturdifferenz vom Zentrum des Schmelzenstrangs zu dessen Rand von über 10 °C einstellen. Damit verbunden ist eine Variation der Viskosität der Schmelze über den Querschnitt des Schmelzenstrangs im Kanal. Dies kann unter anderem zu Schwierigkeiten bei der Prozeßsteuerung führen, da eine nichtlineare Variation der Viskosität auch das Fließverhalten der Schmelze in nichtlinearer Weise beeinflußt. Mit der Weiterbildung der Erfindung kann die Schmelze vor dem Austrittsende des Kanals aber zum Beispiel so aufgeheizt werden, daß der Temperaturgradient der Schmelze in radialer Richtung kleiner als 10 °C, bevorzugt kleiner als 8 °C, besonders bevorzugt kleiner als 6 °C ist.

Eine Homogenisierung der Temperaturverteilung der Schmelze kann auch durch geeignete Wahl des Temperatur- oder Kühlleistungsprofils entlang des Kanals erreicht werden. So kann die Schmelze beim Durchfluss in unterschiedlichen Abschnitten des Kanals unterschiedlich stark gekühlt werden. Wird beispielsweise die Schmelze beim Durchfluß zunächst stark und dann schwächer oder gar nicht mehr gekühlt, so kann sich die Temperaturverteilung aufgrund der nur noch schwachen Kühlung bis zum Austritt aus dem Kanal dann zumindest teilweise wieder kompensieren.

Um den Kanal mechanisch zu stabilisieren, kann der zumindest teilweise umgebende Hohlraum mit einer Schüttung versehen sein. Eine Schüttung ist auch vorteilhaft, um einen diffusen Gasfluß und damit eine gleichmäßige Verteilung des Gases zu erreichen.

Noch eine Möglichkeit zur Stabilisierung ist ein vorgespannter Kanal. Diese Weiterbildung ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn der Gasfluß durch die Schüttung nicht behindert werden soll.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht außerdem einen in axialer, beziehungsweise Längsrichtung des Kanals segmentierten Hohlraum vor. Mit einer solchen Ausführungsform kann die Kühl- und/oder Heizleistung entlang des Kanals definiert aufgeteilt und die Kühl- und/oder Heizleistung in den einzelnen Abschnitten definiert eingestellt werden. Ebenso können auch mehrere Hohlräume vorhanden sein, um beispielsweise eine segmentweise Kühlung zu erreichen, und/oder um eine stabilere Konstruktion zu ermöglichen. Die Segmente können beispielsweise hinsichtlich Volumen und/oder Querschnitt auch unterschiedlich sein, was beispielsweise eine in Längsrichtung variierende Kühlleistung ermöglicht.

Um die Kühlleistung zu variieren oder sogar auch ein Zwischenheizen zu ermöglichen, sind gemäß einer Weiterbildung mehrere Einrichtungen zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas entlang des Kanals vorgesehen.

Insbesondere für längere Kanäle kann es aus konstruktiven Gründen zweckmäßig sein, einen Kanal mit mehreren Rohrsegmenten vorzusehen. Bei solchen Kanälen, wie auch bei einem Kanal mit nur einem Segment besteht jedoch oft das Problem, die Anschlußstelle, beziehungsweise die Verbindung des oder der Rohrsegmente zu benachbarten Teilen abzudichten, um einen Austritt der Schmelze an dieser Stelle zu verhindern. Erfindungsgemäß ist dazu gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, die Schmelze durch einen geschlossenen Kanal mit zumindest einem Segment zu leiten, wobei der Verbindungsbereich des Segments durch Kühlung der Schmelze abgedichtet wird. Dazu kann vorteilhaft eine Kühldichtung zur Abdichtung des oder der Verbindungsbereiche vorgesehen werden. Die Schmelze wird im Bereich der Kühldichtung lokal so stark abgekühlt, daß sie erstarrt oder zumindest ihre Viskosität so groß wird, daß sie durch den Verbindungsbereich des Segments zu angrenzenden Teilen nicht mehr nach außen treten kann.

Ein bevorzugtes Material für den Kanal ist Keramik. Insbesondere kann der Kanal Feuerfestmaterialien mit den Hauptkomponenten Zirkonoxid (ZrO₂), Zirkon-Silikat (ZrSiO₄), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumoxid (SiO₂) enthalten. Außerdem sind Mischwerkstoffe wie ZAC (ein SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂-Mischwerkstoff) und/oder Mullit in gesinterter oder schmelzgegossener, beispielsweise elektrothermisch erschmolzener und/oder plasmagespritzter Form aufweisen.

Weitere mögliche Materialien für den Kanal sind Quarzglas, Quarzgut, und/oder Edel- oder Refraktärmetall, wie beispielsweise Platin, Molybdän oder Legierungen mit diesen Metallen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht auch vor, einen Kanal, welcher einen schichtweisen Aufbau aus unterschiedlichen Materialien aufweist, zu verwenden. Beispielsweise kann dazu der Kanal ineinandersteckende Rohre aus unterschiedlichen Materialien oder ein Innenrohr mit einer oder mehreren aufgebrachten Schichten aus anderen Materialien umfassen. Mit einem solchen schichtweisen Aufbau können die Eigenschaften unterschiedlicher Materialien vorteilhaft miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise ein Innenrohr des Kanals aus einem Edelmetall und/oder Refraktärmetall, beispielsweise Platin und/oder Molybdän verwendet werden, welches mit einem äußeren Rohr des Kanals aus einem anderen, kostengünstigeren Material, wie etwa Keramik stabilisiert wird.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren, beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung ist das Konditionieren von Glasschmelzen. Insbesondere kann die Vorrichtung, beziehungsweise das Verfahren verwendet werden, um eine Glasschmelze aus einem Läuteraggregat zu transportieren und konditionieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Teil einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Variante der in 1 dargestellten Ausführungsform,
3A einen Querschnitt in axialer Richtung durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3B eine Querschnitt in radialer Richtung durch die in 3A gezeigte Ausführungsform entlang der Linie A-A,
4 einen Querschnitt durch Teile einer Ausführungsform mit mehreren Kanalsegmenten,
5 eine Variante der in 4 dargestellten Ausführungsform,
6 eine Variante der in den 3A und 3B dargestellten Vorrichtung 1,
7A und 7B Querschnitte durch eine Ausführungsform eines Kanals mit mehrschichtigem Aufbau, und
7C eine Variante der in 7A und 7B gezeigten Ausführungsform.
1 zeigt einen Teil einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung zur Leitung und Konditionierung von Schmelzen umfaßt einen geschlossenen Kanal 3 zur Leitung einer Schmelze 9, wobei 1 einen Querschnitt durch einen Abschnitt des Kanals 3 in dessen axialer Richtung zeigt. Die Eintritts- und Austrittsöffnung des Kanals, beziehungsweise dessen Enden sind dabei nicht dargestellt.
Die Flußrichtung der Schmelze 9 im Kanal 3 in axialer Richtung ist durch einen Blockpfeil verdeutlicht. Der Kanal kann zumindest teilweise aus keramischem Material gefertigt sein. Bevorzuge Materialien umfassen ZrO₂, Zirkon-Silikat, Al₂O₃, SiO2 sowie deren Mischungen (z. B. Mullit, ZAC). Diese Materialien können durch Sintern, Schmelzgiessen oder Plasmaspritzen zu Rohren für den Kanal 3 verarbeitet werden. Mögliche weitere Materialien für den Kanal sind beispielsweise Quarzglas, Quarzgut und/oder Edel-/Refraktärmetall.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Einrichtung zur Kühlung der Schmelze 9 mit einem Hohlraum 7 auf. Der Hohlraum 7 wird durch einen Außenmantel 13 begrenzt, der bei der in 1 gezeigten Ausführungsform eine Isolierung 15 und einen Stahlmantel 17 umfaßt. Der Hohlraum 3 umschließt dabei den geschlossenen Kanal 3. Durch den Hohlraum 3 wird Gas geleitet, wobei die Gasflußrichtung durch Pfeile verdeutlicht ist.
Um die Schmelze durch Kühlen für einen weiteren Bearbeitungsschritt zu konditionieren, wird der Hohlraum mit Kühlgas beschickt, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu klein ist und mit Heizgas beschickt, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu groß ist. Die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas ist in dem in 1 gezeigten Ausschnitt zum Zwecke der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Ziel ist es, die Schmelze 9, wie beispielsweise eine Glasschmelze über eine festgelegte Wegstrecke gezielt zu konditionieren. Hierfür wird durch das Innenrohr, beziehungsweise den Kanal 3 Energie übertragen. Bei einer Abkühlung muss beispielsweise die Wärme von der Schmelze 9 an den geschlossenen Kanal 3 und von dort aus an den Hohlraum 7 der Einrichtung zur Kühlung der Schmelze übertragen werden. Die Wärmeabfuhr wird unter anderem durch die Dicke des Rohres, die Wärmeleitfähigkeit des Materials und die Temperatur im Hohlraum bestimmt. Um schnell die Wärme abzuführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Wandung des Kanals 3 relativ dünn ausgeführt ist.
Von dem Hohlraum 7 wird die Wärme über die Isolierung 15 an die durch den Stahlmantel 17 gebildete Außenwand abgegeben. Der abgeführte Wärmestrom hängt ab von der Isolationsdicke und der Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials sowie der Gastemperatur und Gasgeschwindigkeit im Hohlraum 7.
Die gewünschte Wärmeabfuhr kann insbesondere auch einstellbar sein. Dies ist unter anderem dann besonders von Vorteil, wenn sich der Durchsatz der Schmelze 9 ändert, die Ein- und Austrittstemperaturen der Schmelze an der Eintritts- und Austrittsöffnung des Kanals aber beibehalten werden sollen.
Um die gewünschte Temperatur der Schmelze 9 am Ende des Kanals 3, beziehungsweise an dessen Austrittsöffnung zu erreichen, sind insbesondere zwei Fälle denkbar:
Fall 1: der Wärmestrom über den Außenmantel 13 aufgrund der Temperaturdifferenz zur Umgebung 11 der Vorrichung 1 ist größer, als der Wärmestrom, welcher der Schmelze 9 entzogen wird. In diesem Fall kann der Vorrichtung 1 Wärme zugeführt werden, um den Temperaturabfall der Schmelze 9 entlang des Kanals 3 zu verringern. Auch in diesem Fall wird die Schmelze während des Flusses von der Eintritts- zur Austrittsöffnung jedoch insgesamt gekühlt. Zur Zuführung der erforderlichen Wärme wird dazu der Hohlraum mit Heizgas beschickt, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu groß ist.
Fall 2: der Wärmestrom über die Außenwand 13 ist kleiner, als der Wärmestrom, welcher der Schmelze entzogen werden soll. Die zusätzliche Abkühlung zur Erreichung der gewünschten Temperatur der Schmelze 9 kann dann durch Beschickung des Hohlraums mit Kühlgas erfolgen, wenn, wie in diesem Fall die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu klein ist.
Mit der Erfindung können beide Fälle realisiert werden. Für den Fall das der Hohlraum 7 beheizt werden muss, kann man den Hohlraum beispielsweise mit vorgeheiztem Gas beschicken. Dies kann unter anderem mittels eines vorgeschalteten Brenners erfolgen. Dieser Brenner kann mit unterschiedlichen Brenngasen bzw. Oxidatoren betrieben werden, je nachdem welches Temperaturniveau gewünscht wird. Wenn sehr hohe Temperaturen des Heizgases gewünscht werden, kann man beispielsweise den Oxydator mit Sauerstoff anreichern. Dies hat außerdem den Vorteil, dass der Wärmeübergang zwischen Rohr und Gasströmung begünstigt wird.
Ein oder mehrere Brenner können auch direkt im Hohlraum 7 angeordnet werden. Allerdings sollte dann vermieden werden, dass das Rohrmaterial von Kanal 3 oder Isolierung 15 durch die Flammenbeaufschlagung beschädigt wird. Es kann aber auch vorgewärmte Luft mit einer entsprechenden Einrichtung erzeugt und der Hohlraum 7 damit beschickt werden.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Rauchgas, beziehungsweise Abgas, dass aus einem anderem Prozess stammt und gegebenenfalls durch Luft oder Brennstoffeinmischung auf die geforderte Temperatur gebracht wird.
Noch eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Plasmabrennern. Diese haben den Vorteil, dass man die Atmosphäre gezielt einstellen und auf das Material abstimmen kann, um die Korrosions-/Reduktionsbeständigkeit des Materials zu erhöhen.
Im Fall 2, in dem der Gasraum gekühlt wird, kann man Gebläseluft oder ein anderes Gas als Kühlgas in den Hohlraum leiten. Die Wärmeabfuhr kann unter anderem über die Variation der Gasmenge eingestellt werden.
Allgemein kann zur Einstellung der gewünschten Temperatur der Schmelze die Gasmenge von Heiz- oder Kühlgas eingestellt werden, um die geforderte Kühlleistung bereitzustellen.
Ist die geforderte Kühlleistung nur gering oder betreibt man die Anlage in einem Bereich, indem sowohl Fall 1 als auch Fall 2 auftreten kann, ist es eventuell sinnvoll die Gasmenge konstant zu halten und über die Variation der Gasvorwärmung die Kühlleistung zu variieren. Hierzu kann beispielsweise ein Brenner verwendet werden, dessen Leistung variiert werden kann. Dementsprechend wird hier zur Einstellung der gewünschten Temperatur der Schmelze 9 die Heizleistung bei der Bereitstellung von Heizgas oder Kühlgas eingestellt.
Die Betriebsweisen mit Beschickung des Hohlraums mit Heiz- oder Kühlgas, je nach geforderter Endtemperatur der Schmelze werden nachfolgend anhand von Beispielen nochmals erläutert. Der Kanal 3 hat einen Innendurchmesser von d_i, einem Außendurchmesser von d_a und dementsprechend einer Wandstärke von ½(d_a – d_i). Der Außenmantel 13 hat einen Innendurchmesser d_i, einen Außendurchmesser D_a und eine Wandstärke von ½(D_a – d_i). Bei den folgenden Beispielen soll jeweils eine Glasschmelze mit einem Durchsatz von 10 Tonnen pro Tag auf einer Länge des Kanals 3 von einem Meter bei einem Temperaturniveau von 1400 °C um ca. 65 °C abgekühlt werden. Das entspricht einer Abkühlleistung von etwa 10,5 kW. Diese Wärme muss dementsprechend über das Innenrohr abgeführt werden.
Das Innenrohr besteht bei den Beispielen jeweils aus einer Keramik mit einer mittleren Wärmeleitfähigkeit von 2,2 W/mK. Der Außendurchmesser des Innenrohrs d_a beträgt 200 mm und die Wandstärke ½(d_a – d_i) ist 30 mm. Der Temperaturgradient zwischen Rohrinnenseite und Rohraußenseite beträgt ca. 200 °C.
Die Wärme vom Innenrohr kann über den Außenmantel und den Gastrom abgeführt werden. Zur Verdeutlichung werden hierzu folgende beiden Beispielfälle betrachtet:
Fall A:
Der Außenmantel hat einen Durchmesser von ca. 400 mm. Die Dicke des Stahlmantels 17 beträgt 5 mm und die Wandstärke der Isolierung 15 beträgt 20 mm. Für die Isolierung 15 wird eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,3 W/mK angesetzt. Als Umgebungstemperatur wird 30 °C angenommen. Bei einer Temperatur von ca. 1200 °C im Gasraum, werden über die Isolierung 15 und die Aussenwand des Stahlmantels 17 circa 15 kW an Wärmeleistung abgeführt. Die Außenwandtemperatur beträgt dabei etwa 400 °C.
Da die abgeführte Energie über die Außenwand ca. 4,5 kW/m größer ist als die Wärme, die der Schmelze 9 entzogen werden soll, wird der Hohlraum 7 beheizt, um zur gewünschten Schmelzentemperatur am Austritt des Kanals 3 zu gelangen. Dies kann beispielsweise über einen vorgeschalteten Erdgas/Luftbrenner erfolgen. Bei einer Abgastemperatur von 1300 °C und einer nahezu stöchiometrischen Verbrennung benötigt man hierzu ca. 1,5 Nm³/h Erdgas.
Fall B:
Als Außenrohr wird gegenüber Fall A eine deutlich dickere Isolierung 15 mit einer Wandstärke von 50 mm angenommen. Die anderen Maße bleiben gleich. Die Wärmeabfuhr über die Außenwand verringert sich auf nur noch 7 kW. Die Wärmemenge die über die Außenwand abgeführt wird ist nun circa 3,5 kW/m geringer als die Wärme die der Schmelze entzogen wird. Damit man immer noch die geforderte Abkühlung trotz dickerer Isolierung 15 erreicht, muss ein Teil der Wärme über den Hohlraum abgeführt werden. Hierfür kann beispielsweise eine Luftkühlung verwendet werden, wozu die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas ein Kühlgebläse umfassen kann. Wenn die Lufttemperatur am Austritt des Hohlraums ca. 1000 °C beträgt, sind in diesem Beispiel ca. 15 Nm³/h Luft ausreichend, um die 3,5 kW abzuführen.
2 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist der Hohlraum 7 mit einer Schüttung 19 gefüllt. Die Schüttung kann beispielsweise aus Schamotte-Bruchstücken oder einem ähnlichen feuerfesten Material bestehen. Das Heiz- oder Kühlgas kann durch den Hohlraum 7 durch die Lücken zwischen den Schüttungssteinen strömen. Die Schüttung 19 sorgt für eine mechanische Stabilisierung des Kanals 3. Außerdem wird eine diffuse Gasströmumg im Hohlraum 7 und damit eine gute Verteilung des Heiz- oder Kühlgases bewirkt. Eine andere Möglichkeit, auch ohne Schüttung 19 eine mechanische Stabilisierung zu erreichen, ist, den Kanal 3 vorzuspannen.
Die 3A und 3B zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei 3A einen Querschnitt in axialer Richtung und 3B einen Querschnitt in radialer Richtung durch die Vorrichtung entlang der Linie A-A in 3A darstellen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Einrichtung. zur Kühlung der Schmelze 9, beziehungsweise deren Einrichtung 20 zur Beschickung des Hohlraums 7 mit Heiz- und Kühlgas einen Brenner 21. Der Brenner 21 mit der in den Hohlraum 7 mündenden Düse 27 ist dabei im Bereich eines der Enden des Kanals 3, beziehungsweise des den Kanal 3 umschließenden Hohlraums 7 angeordnet.
Der Brenner 21 ist als Luftbrenner ausgebildet und umfaßt dazu eine Brenngaszuführung 23 und eine Luftzuführung 25.
Im Brenner 21 können Brenngas und Luft gemischt und verbrannt werden, um Heizgas zu erzeugen und den Hohlraum 7 damit zu beschicken. Der Brenner 21 kann vorteilhaft auch mit einer automatischen Zündvorrichtung versehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Brenner 21 auch als Plasmabrenner ausgebildet sein.
Falls eine größere Kühlwirkung gewünscht wird, kann der Brenner 21 ausschließlich mit Luft ohne Brenngas, also auch ohne Flamme betrieben werden. Der Brenner 21 zusammen mit der Luftzuführung 25 dient dann als Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums 7 mit Kühlgas. Die Düse 27 ist, wie anhand von 3B zu erkennen ist, azentrisch bezüglich der Symmetrieachse des Kanals 3, insbesondere tangential zum Umfang des Kanals 3 angeordnet. Diese Anordnung dient als Einrichtung zur Führung des Heiz- oder Kühlgases entlang der Umfangsrichtung des Kanals 3. Aufgrund der azentrischen Anordnung des Brenners mit der Düse 27 strömt das beschickte Gas um den Kanal 3 in Umfangsrichtung, beziehungsweise in tangentialer Richtung herum. Die Gasflußrichtung ist in 3B durch einen Pfeil gekennzeichnet. Da der Hohlraum 7 in axialer Richtung des Kanals 3 außerdem langgestreckt ist und die Düse 27 und der Gasauslass, beziehungsweise Abzug 42 außerdem in axialer Richtung versetzt sind, wird das Heiz- oder Kühlgas außerdem in axialer Richtung geführt, so daß sich resultierend eine Spiralbewegung des Heiz- oder Kühlgases um den Kanal 3 ergibt. Wie anhand der Pfeile in 3A angedeutet ist, werden Heiz- oder Kühlgas im Gegenstrom zur Flußrichtung der Schmelze geführt, was eine effektivere Kühlung ergibt.
In den Hohlraum mündend sind in axialer Richtung versetzt außerdem weitere Düsen 27 mit Brenngaszuführungen 23 angeordnet. Diese dienen als weitere Einrichtungen zur Beschickung des Hohlraums 7 mit Heizgas. So kann beispielsweise bei Betrieb des Brenners 21 mittels der Luftzuführung 25 Luft in überstöchiometrischem Verhältnis zugeführt werden, so daß auch das mittels einer oder beider der weiteren Düsen 27 zugeführte Brenngas verbrannt werden kann, um zusätzliche Energie einzubringen. Ein solcher Betrieb kann nicht nur für eine schwache Abkühlung der Schmelze 9, sondern auch für eine Aufheizung der Schmelze 9 im Kanal 3 verwendet werden. Dies ist beispielsweise beim Anfahren des Fertigungsprozesses vorteilhaft, um eventuell im Kanal 9 erstarrte Schmelze aufzuschmelzen oder das gewünschte Temperaturniveau für den weiteren Betrieb zu erreichen. Die Anordnung mehrerer Einrichtungen zur Beschickung des Hohlraums mit Heizgas in axialer Richtung erlaubt auch, entlang des Kanals im Hohlraum 7 ein gewünschtes Temperaturprofil, beziehungsweise Kühl- und/oder Heizleistungsprofil einzustellen.
Zur Überprüfung der Betriebsparameter, insbesondere auch für eine Regelung des Betriebs der Vorrichtung können an einer oder mehreren Stellen der Vorrichtung 1 auch Temperaturmeßeinrichtungen 29 vorhanden sein. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3A und 3B befinden sich Temperaturmeßeinrichtungen 29 zur Messung der Temperatur des Heiz- oder Kühlgases im Bereich des Gaseintritts des Hohlraums 7, sowie im Bereich des Abzugs 42. Zusätzlich kann, wie in 3A dargestellt auch noch eine Temperaturmeßeinrichtung 29 etwa in mittiger Höhe des Kanals 3, beziehungsweise des diesen umgebenden Hohlraums 7 und/oder in der Zuführung zum Brenner 21 vorhanden sein. Um die Temperatur der Schmelze 9 messen zu können, sind weitere Temperaturmeßeinrichtungen 29 im Bereich der Eintritts- und Austrittsöffnungen 31, 33 angeordnet. Diese können beispielsweise pyrometrische Meßeinrichtungen sein, um die Temperatur der Schmelze 9 kontaktlos messen zu können.
Eine bevorzugte Konstruktion dieser Ausführungsform sieht vor, die Isolierung des Systems relativ dünn auszuführen, so dass in der Regel mehr Wärme über die Außenwand abgeführt wird, als Wärme der Schmelze entzogen werden soll. Daher wird im Regelfall die Vorrichtung 1 mit eingeschaltetem Brenner 21 betrieben.
Der Kanal 3 kann beispielsweise nahtlos aus dichter Keramik ausgeführt sein und umfaßt bei dem in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsbeispiel ein einzelnes Segment 35. Dieses ist an Anschlußsegmente 44, 45 an benachbarte Aggregate, wie zum Beispiel ein Läuteraggregat vor der Eintrittsöffnung 31 und/oder eine Formgebungseinrichtung am Austrittsende 33 des Kanals angeschlossen. Um ein Auslaufen der Schmelze 9 zwischen den Segmenten 35 und 44, beziehungsweise 35 und 45 zu verhindern, weist die Vorrichtung 1 außerdem Kühldichtungen zur Abdichtung des Verbindungsbereichs des Rohrsegments 35 des Kanals 3 auf. Die Kühldichtung kann beispielsweise Kühlschlangen an oder in den Anschlußsegmenten 44, 45 und/oder dem Segment 35 des Kanals 3 umfassen. Mittels der Kühldichtung wird der Verbindungsbereich des Segments 35 durch Kühlung der Schmelze abgedichtet, indem die Schmelze durch das Kühlen zähflüssiger wird oder sogar erstarrt und damit in der Naht zwischen den Segmenten 35, 44, beziehungsweise 35, 45 nicht weiter fließen kann.
In 4 sind Teile einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Kanal 3 zwei Segmente 35, 36. Um die Verbindungsbereiche der Segmente 35, 36 untereinander und mit den Anschlußsegmenten 44, 45 abzudichten, sind auch bei dieser Ausführungsform Kühldichtungen 40 vorgesehen. Diese befinden sich dementsprechend am Verbindungsbereich der beiden Segmente 35, 36 des Kanals 3 und an den Verbindungsbereichen der Segmente 35, 36 mit den Anschlußsegmenten 44, 45. Aufgrund dieser Konstruktion ist, wie 4 zeigt, auch der Hohlraum 7 in Längsrichtung, beziehungsweise axialer Richtung des Kanals 3 segmentiert. Alternativ können auf diese Weise auch zwei separate Hohlräume vorgesehen sein. Die Segmente des Hohlraums können beispielsweise separat mit Heiz- und/oder Kühlgas beschickt werden. Die Einrichtung zur Beschickung mit Heiz- und Kühlgas kann dabei entsprechend der in 3A dargestellten Ausführungsform ausgebildet sein. Um eine ausreichende Kühlung zum Einfrieren der Schmelze in der Naht zwischen den Segmenten 35, 36 zu erreichen, können die Kühldichtungen vorteilhaft Kühlschlangen umfassen.
5 zeigt eine Variante der in 4 dargestellten Ausführungsform. Auch bei dieser Variante umfaßt der Kanal 3 zwei Segmente 35, 36. Jedes der Segmente 35, 36 ist von einem separaten Hohlraum 7, 8 als Bestandteile der Einrichtung zur Kühlung der Schmelze 9 umgeben. Auch hier wird eine Abdichtung des Verbindungsbereiches durch eine Kühldichtung 40 erreicht, um ein Austreten der Schmelze durch Einfrieren in der Naht zwischen den Segmenten 35, 36 zu verhindern. Man nützt hier jedoch einen Kühlrippeneffekt. Dazu sind die Segmente 35, 36 des Kanals 3 am Übergang, beziehungsweise an deren Enden so dick ausgeführt, daß der Spalt nach außen zur Umgebung 11 der Vorrichtung 1 führt. Durch die Umgebungsluft und Wärmeleitung an der Außenseite der Vorrichtung wird die Schmelze 9 dann gekühlt, so daß die Schmelze 9 spätestens dort einfriert und nicht mehr austreten kann.
Mit dem segmentweisen Aufbau des Hohlraums 7, wie er in 4 dargestellt ist, oder auch mit mehreren getrennten Hohlräumen 7, 8, wie sie die in 5 dargestellte Vorrichtung 1 aufweist, kann auch eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens durchgeführt werden, bei welchem die Schmelze lokal vor dem Austritt durch die Austrittsöffnung 33 wieder aufgeheizt wird. Wird die Schmelze vor dem Austrittsende des Kanals, beziehungswise vor der Austrittsöffnung 33 durch Zuführung von Heizgas wieder aufgeheizt, kann ein sich durch die Abkühlung im Verlauf des Durchlusses durch den Kanal 3 eingestellter quer zur Flußrichtung verlaufender Temperaturgradient in der Schmelze 9 wieder teilweise ausgeglichen werden. Dazu kann beispielsweise in dem näher zur Austrittsöffnung befindlichen Segment des Hohlraums 7 in 4 Heizgas so zugeführt werden, daß sich die Schmelze wieder etwas erwärmt. Ebenso kann der Hohlraum 8 der in 5 dargestellten Vorrichtung 1 durch Zuführung von Heizgas so betrieben werden, daß die vorbeifließende Schmelze wieder leicht erwärmt wird. Der entstehende Wärmefluß von der Innenwandung zur Mitte des vorbeifließenden Schmelzenstrangs wirkt dann dem vorhandenen Temperaturgradienten entgegen und kompensiert diesen zumindest teilweise. Dabei kann die Schmelze wieder so aufgeheizt werden, daß der Temperaturgradient der Schmelze in radialer Richtung, beziehungsweise quer zur Flußrichtung kleiner als 10 °C, bevorzugt kleiner als 8 °C, besonders bevorzugt kleiner als 6 °C ist. Auch bei dieser Verfahrensweise kann insgesamt eine Abkühlung der Schmelze erreicht werden, indem etwa im ersten Segment oder Hohlraum mehr Wärme entzogen, als im weiteren Segment wieder zugeführt wird: Beispielsweise kann die Schmelze 9 insgesamt im Verlauf des Durchflusses durch den Kanal 3 um etwa 50 °C bis einschließlich 200 °C abgekühlt werden, um eine gewünschte Konditionierung der Schmelze für eine Weiterverarbeitung zu erreichen.
Eine derartige Verfahrensweise mit zusätzlicher lokaler Aufheizung der Schmelze 9 kann auch beispielsweise mit einer Vorrichtung, wie sie etwa in 3A dargestellt ist, durchgeführt werden, indem nur der am nächsten zur Austrittsöffnung angeordnete Brenner 21 betrieben, oder eine entsprechende Abstufung der Heizleistung von Brenner 21 und den weiteren in axialer Richtung angeordneten Düsen 27 mit Brenngaszuführungen 23 eingestellt wird.
Um einen Temperaturausgleich zu erzielen können auch beispielsweise die einzelnen Abschnitte des Kanals innerhalb der Segmente des Hohlraums 7 oder der separaten Hohlräume 7, 8 unterschiedlich stark gekühlt werden. Wird beispielsweise bei der in 5 gezeigten Vorrichtung 1 die Schmelze 9 im Bereich des Hohlraums 7 hinter der Eintrittsöffnung 31 stärker als im Bereich des Hohlraums 8 vor der Austrittsöffnung 33 gekühlt, so kann sich die Temperaturverteilung aufgrund der schwächeren Wärmeabfuhr vor der Austrittsöffnung 33 zumindest teilweise homogenisieren.
6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, eine Variante der in den 3A und 3B dargestellten Vorrichtung 1. Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung 1 wird das Gas im Hohlraum 7 in einer Spiralbewegung um den Kanal 3 geleitet. Als Einrichtung zur Führung des Heiz- oder Kühlgases entlang einer Spirale um den Kanal 3 umfaßt dazu der Hohlraum 7 einen spiralförmigen Gasführungskanal 47. Der Gasführungskanal 47 wird durch eine im Hohlraum zwischen Kanal 3 und Isolierung 15 des Außenmantels 13 angeordneten, sich in axialer Richtung entlang des Kanals 3 erstreckenden spiralförmigen Rippe 49 gebildet.
7A und 7B zeigen einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Kanals 3 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit schichtweisen Aufbau aus unterschiedlichen Materialien in axialer Richtung (7A), beziehungsweise radialer Richtung (7B), wobei der in 7B gezeigte Schnitt in radialer Richtung entlang der Linie A-A in 7A verläuft. Der Kanal dieser Ausführungsform hat eine runde Querschnittsform. Es sind jedoch auch andere Querschnittsformen, wie etwa polygonale Formen möglich. 7C zeigt eine solche Variante mit quadratischem Querschnitt, wobei die dargestellte Schnittebene wie in 7B gewählt wurde.
Der Kanal 3 dieser Ausführungsformen umfaßt ein den Innenraum 39 zur Führung der Schmelze umschließendes Innenrohr 37 aus einem ersten Material, welches von einem Mantel 38 aus einem zweiten Material 38 umgeben ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, als Material für das Innenrohr ein Edel- oder Refraktärmetall, wie insbesondere Platin oder auch Molybdän oder eine Legierung aus Refraktär- und-oder Edelmetallen zu verwenden. Refraktärmetalle als Schmelzkontaktmaterial ist beispielsweise zur Herstellung optischer Gläser von Vorteil. Der Mantel 38 kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus einer Keramik bestehen. Diese kann beispielsweise durch Plasmaspritzen direkt auf das Innnenrohr aufgebracht werden. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, auch für das Innenrohr ein Keramikmaterial zu verwenden. Die verschiedenen Materialien und deren Schichtabfolge können im allgemeinen hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und Kompatibilität mit dem. Schmelzenmaterial ausgewählt werden.
Allgemein kann als Keramik sowohl bei ein-, als auch bei mehrschichtigem Aufbau ein Keramikmaterial verwendet werden, das beispielsweise SiO₂, Al₂O₃ und/oder ZrO₂ enthält. Die Porosität sollte möglichst gering sein, so dass kein Glas oder ein anderes geschmolzenes Material von der Innenseite an die Außenseite gelangen kann. Hierzu eignen sich insbesondere gesinterte oder schmelzgegossene Rohre. Es ist auch möglich plasmagespritzte Materialien zu verwenden. Bei hohen Temperaturen kann der Einsatz von Zirkonsilikatrohren, Zirkonoxid-, Al₂O₃, SiO₂ und/oder Mullitrohren sinnvoll sein. Je nach Temperatur und Glasart ist auch der Einsatz von Quarzglas oder Quarzgut möglich.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.

1: Vorrichtung zur Leitung und Konditionierung von
: Schmelzen
3: Kanal
7, 8: Hohlraum
9: Schmelze
11: Umgebung von 1
13: Außenmantel von 1
15: Isolierung von 11
17: Stahlmantel von 11
19: Schüttung
20: Einrichtung zur Beschickung von 7 mit Heiz- und
: Kühlgas
21: Brenner
23: Brenngaszuführung
25: Luftzuführung
27: Düse
29: Temperaturmesseinrichtung
31: Eintrittsöffnung von 3
33: Austrittsöffnung von 3
35, 36: Segment von 3
37: Innenrohr von 3
38: Mantel von 3
39: Innenraum von 3
40: Kühldichtung
42: Abzug, Gasauslass
44, 45: Anschlußsegment
47: Gasführungskanal
49: Rippe

Claims

Vorrichtung zur Leitung und Konditionierung von Schmelzen, welche einen geschlossenen Kanal zur Leitung der Schmelze mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung und eine Einrichtung zur Kühlung der Schmelze mit zumindest einen Hohlraum umfaßt, welcher den Kanal wenigstens teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kühlung der Schmelze eine Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas wenigstens einen Brenner umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrere in axialer Richtung des Kanals angeordnete Einrichtungen zur Beschickung des Hohlraums mit Heizgas.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrere in axialer Richtung des Kanals angeordnete Einrichtungen zur Beschickung des Hohlraums mit Kühlgas.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas zumindest einen Plasmabrenner umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas eine Einrichtung zur Zuführung von Abgas umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas eine Einrichtung zur Zuführung vorgewärmten Gases umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas ein Kühlgebläse umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beschickung des Hohlraums mit Heiz- und Kühlgas zumindest eine in den Hohlraum mündende Düse umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum entlang der Längsrichtung des Kanals segmentiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Hohlräume.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Führung des Heiz- oder Kühlgases entlang der Umfangsrichtung des Kanals.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Führung des Heiz- oder Kühlgases in axialer Richtung des Kanals.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Führung des Heiz- oder Kühlgases entlang einer Spirale um den Kanal.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hohlraum wenigstens einen Gasführungskanal umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum mit einer Schüttung gefüllt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal vorgespannt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum den Kanal entlang der Umfangsrichtung des Kanals und zumindest teilweise entlang der Längsrichtung des Kanals umschließt.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kanal mit keramischem Material.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zumindest eines der Materialien - ZrO₂ – ZrSiO₄, Al₂O₃, SiO₂ – ZAC, – Mullit in gesinterter, oder schmelzgegossener oder plasmagespritzter Form aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kanal, welcher zumindest eines der Materialien Quarzglas, Quarzgut, Edel- oder Refraktärmetall aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kanal, welcher einen schichtweisen Aufbau aus unterschiedlichen Materialien aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kanal mit mehreren Rohrsegmenten.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühldichtung zur Abdichtung des Verbindungsbereichs zumindest eines Rohrsegments des Kanals, insbesondere durch lokale Abkühlung der Schmelze derart, daß sie zwischen dem Rohrsegment und dem angrenzenden Teil erstarrt oder so viskos wird, daß sie nicht mehr austreten kann.
Verfahren zum Transport und zur Konditionierung von Schmelzen, insbesondere mittels einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Schmelze durch einen geschlossenen Kanal geleitet wird, welcher von einem Hohlraum zumindest teilweise umschlossen ist, und wobei die Schmelze während des Flusses von einem zum anderen Ende des Kanals insgesamt auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt wird, wobei der Hohlraum mit Kühlgas beschickt wird, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu klein ist und der Hohlraum mit Heizgas beschickt wird, wenn die Wärmeabfuhr von der Schmelze durch den Kanal zur Erreichung der gewünschten Temperatur zu groß ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass Heizgas durch die Flamme wenigstens eines Brenners erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hohlraum an mehreren in axialer Richtung des Kanals angeordneten Stellen Heizgas zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hohlraum an mehreren in axialer Richtung des Kanals angeordneten Stellen Kühlgas zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorgewärmtes Gas zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlgas mittels eines Kühlgebläses erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Heizgas durch mehrere in axialer Richtung des Kanals angeordnete Brenner erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Temperatur der Schmelze die Gasmenge von Heiz- oder Kühlgas eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Temperatur der Schmelze die Heizleistung bei der Bereitstellung von Heizgas oder Kühlgas eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Hohlraum entlang der Umfangsrichtung des Kanals geleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Hohlraum in axialer Richtung des Kanals geleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Hohlraum in einer Spiralbewegung um den Kanal geleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas durch zumindest einen Gasführungskanal im Hohlraum geleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt des Hohlraums mit Heizgas beschickt wird, indem Kühlgas aufgeheizt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt des Hohlraums mit Kühlgas und zumindest ein weiterer Abschnitt mit Heizgas beschickt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasschmelze konditioniert wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasschmelze aus einem Läuteraggregat transportiert und konditioniert wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Schmelze durch einen geschlossenen Kanal mit zumindest einem Segment geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsbereich des oder der Segmente durch Kühlung der Schmelze abgedichtet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze vor dem Austrittsende des Kanals durch Zuführung von Heizgas aufgeheizt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze vor dem Austrittsende des Kanals so aufgeheizt wird, daß der Temperaturgradient der Schmelze in radialer Richtung kleiner als 10 °C, bevorzugt kleiner als 8 °C, besonders bevorzugt kleiner als 6 °C ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze beim Durchfluss in unterschiedlichen Abschnitten des Kanals unterschiedlich stark gekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze im Verlauf des Durchflusses von einem zum anderen Ende des Kanals um 50 °C bis einschließlich 200 °C abgekühlt wird.