DE102005033330B3 - Glasschmelzwanne - Google Patents

Abstract

Es wird eine Glasschmelzewanne mit einer Schmelzzone und einer durch einen Wall davon getrennten Läuferzone beschrieben, die eine, in Materialflussrichtung gesehen, kontinuierlich abnehmende Breite besitzt und vorzugsweise ein an der Spitze abgeschnittenes gleichschenkliges Dreieck bildet.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist eine Glasschmelzwanne, bestehend aus einer Schmelzzone und einer Läuterzone, die voneinander durch einen Wall getrennt sind.
• Eine Glasschmelzwanne besteht im wesentlichen aus einer Schmelz- und einer Läuterzone, die mehr oder weniger stark voneinander getrennt sind. In der Schmelzzone wird das Gemenge auf das Glasbad aufgebracht und eingeschmolzen, in der Läuterzone werden, im allgemeinen bei höherer Temperatur, Restgase aus der Schmelze entfernt, um ein blasenfreies Glas zu bekommen. Im Anschluss an die Läuterzone schließt sich ein Konditionierteil an, in dem das Glas auf seine (niedrigere) Verarbeitungstemperatur gebracht wird.
• Läuterzone und Schmelzzone sind voneinander durch einen bis kurz unter die Glasbadoberfläche reichenden Wall, häufig auch Schwelle genannt, getrennt. Über den Wall fließt das Glas in verhältnismäßig dünner Schicht, so dass Rückströmungen des geläuterten Glases in die Schmelzzone unterdrückt werden, wodurch der thermische Wirkungsgrad steigt. Der Wall wird zur Verbesserung der Standzeit häufig gekühlt.
• In der Schmelzzone hingegen sind Rückströmungen erwünscht, um zu verhindern, dass nicht aufgeschmolzenes, auf der Glasoberfläche schwimmendes Gemenge in die Läuterzone gelangt. Infolge seiner höheren Dichte sinkt das in der Nahe der Wannenwand kältere Glas ab, wodurch sich in den heißen Zonen eine aufsteigende Glasströmung (Quellströmung) bildet. Das Glas strömt an der Glasoberfläche stets von dieser Quellzone (Quellpunkt, heißer Punkt, Hot Spot) zu den Seitenwänden hin. Die Quellströmung sorgt dafür, dass das reagierende Gemenge nicht über den Quellpunkt hinaus in Richtung Läuterwanne schwimmen kann. Im allgemeinen und besonders bei thermisch gut isolierten Wannen wird die Quellströmung durch besondere Maßnahmen verstärkt. Hierzu gehören eine elektrische Zusatzheizung (Boosting) in der Quellzone, die eine zusätzliche Konvektion erzeugt oder das Einblasen von Gasen (Sauerstoff oder Luft) (Bubbling) in die Quellzone, das ebenfalls eine starke, zur Oberfläche hin gerichtete Strömung erzeugt. Durch diese jedem Fachmann wohlbekannten Maßnahmen kann die Kapazität der Glaswanne bzw. die Glasqualität deutlich gesteigert werden, sie werden daher auch bei fast allen größeren Wannen durchgeführt.
• Aus US 2 539 694 A ist ein Glasschmelzofen bekannt, der eine große fast quadratische Schmelzkammer besitzt, die mit einer langen, schmalen rechteckigen Läuterzone verbunden ist. Zur Erzeugung einer gleichmäßigen Strömung nimmt die Badtiefe in Richtung auf den Auslass zu. Die Wanne soll insbesondere für die Herstellung von Opak-Glas, das einen sehr hohen Anteil von unlöslichen Bestandteilen besitzt, geeignet sein. Durch die besondere Konstruktion soll das Absetzen der opaken Bestandteile vermieden werden. Allerdings ist die Bildung von Totzonen bei dieser Konstruktion unvermeidbar.
• In US 3 498 779 A ist eine Wanne zur Erschmelzung von hochkorrosivem Glas beschrieben, die mit einer Vielzahl von Platin-Einbauteilen, z.B. Liner, Rührer, Prall- und Lochblechen versehen ist. Die Läuterkammer ist aus Platin gebaut, hat die Form eines an der Spitze abgeschnittenen Dreiecks und ist vor der Auslassöffnung mit einem Lochblech versehen, das ungelöste Teilchen ausfiltern soll. Die komplizierte Wanne hat sich auf dem Markt nicht durchgesetzt.
• Die derzeit überwiegend benutzten Wannen haben einen rechteckigen Grundriss, die Breite der Wannen ist in der Regel konstant. Das Verhältnis der Oberflächen von Schmelzzone zu Läuterzone beträgt je nach Anlage etwa 2 bis 3. Es sind auch Schmelzwannen bekannt, bei denen die Oberfläche der Läuterzone deutlich größer ist (z.B. DE 34 06 613 C2 , 2 sowie Spalte 9, Z. 32ff.)
• Nachteilig bei den bekannten Wannen ist, dass durch Abschmelzfehler (Gemenge nicht vollständig aufgeschmolzen) oder Knotenbildung durch SiO₂-Anreicherung infolge der Verdampfung von Glasbestandteilen in der Läuterzone oder durch Blasenbildung infolge ungenügender Läuterung, weil das Glas in der Aufschmelzzone nicht vollständig reagieren konnte, fehlerhaftes Glas zur Weiterverarbeitung gelangen kann.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Glaswanne mit einer Schmelzzone und einer davon durch einen Wall abgetrennten Läuterzone zu finden, die die Glasqualität (Blasen und Knoten) besonders bei Borosilikatgläsern verbessert durch Optimierung der Verweildauer, Oberfläche und Temperaturprofil. Die Totzonen in den Ecken einer konventionellen Schmelzwanne sollen vermieden werden.
• Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 beschriebene Glaswanne gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die erfindungsgemäße Schmelzwanne hat eine in Materialflussrichtung, d.h. von dem Einlegebereich des Gemenges in der Schmelzzone bis hin zum Glasauslaß aus der Läuterzone kontinuierlich abnehmende Breite; der Grundriss der Schmelzwanne verjüngt sich kontinuierlich.
• Zwischen der Schmelzzone und der Läuterzone ist ein Wall angeordnet, der die beiden Zonen trennt. Der Wall reicht in an sich bekannter Weise vom Wannenboden bis kurz unter die Glasoberfläche und dient dazu, unerwünschte thermische Konvektionsströmungen zu unterbinden und damit den Energieverbrauch der Wanne zu verringern. Der Wall endet üblicherweise etwa 5 bis 20 cm unter der Glasoberfläche. Die Höhe des Walls wird so eingestellt, dass sich über ihm eine im wesentlichen lineare Strömung in Richtung Läuterzone einstellt.
• Der Wall ist vorzugsweise temperaturgeregelt. Im Gegensatz zu den bekannten Wällen, die entweder gekühlt werden zwecks Erhöhung ihrer Lebensdauer oder die geheizt werden, um eine Konvektionsströmung zu erzielen, ist der vorliegende Wall je nach Erfordernis mit Mitteln zu seiner Erwärmung und/oder seiner Abkühlung versehen und enthält Mittel zur Temperaturerfassung, so dass sich der Wall unter Zuhilfenahme geeigneter Regeleinrichtungen stets auf einer vorbestimmten Temperatur halten lässt. Das ist besonders vorteilhaft, weil dadurch sichergestellt werden kann, dass der Wall weniger und dafür gleichmäßiger verschleißt. Die Standzeit des Walles wird dadurch verlängert. Außerdem wird dadurch das Strömungsprofil beeinflusst und gesteuert.
• In der sich in Glasflussrichtung hinter dem Wall befindlichen bzw. auf dem Wall beginnenden Läuterzone, würde sich bei konstanter Glasbadtiefe eine zum Auslass hin zunehmende Fließgeschwindigkeit des Glases einstellen, die nachteilige Folgen für die Glasqualität hätten. Um dieses zu vermeiden wird die Glasbadtiefe in der Läuterzone so gewählt, dass das Produkt aus Breite der Läuterzone mal Glasbadtiefe annähernd gleich bleibt. Um diese Bedingung zu erfüllen, senkt sich der Wannenboden in der Läuterzone kontinuierlich. Durch diese Maßnahme wird eine konstante Fließgeschwindigkeit in der Läuterzone erreicht. Unter "annähernd gleich" wird verstanden, dass Abweichungen von bis zu 30 Prozent von der durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit ohne Qualitätsverlust toleriert werden können. Die Fließgeschwindigkeit in der Läuterzone soll üblicherweise der mittleren Fließgeschwindigkeit in der Schmelzzone entsprechen. Je nach den Produktionsgegebenheiten kann die Fließgeschwindigkeit in der Läuterzone aber auch deutlich höher oder tiefer liegen. Eine höhere Fließgeschwindigkeit ist insbesondere dann angezeigt, wenn in der Einschmelzzone schwierige Glaser erschmolzen werden, die eine lange Einschmelzzeit benötigen.
• Die Tiefe der Einschmelzzone bleibt üblicherweise gleich, sie kann aber auch in Strömungsrichtung gesehen zunehmen. Es ist zweckmäßig, wenn die Tiefe vor dem Wall abnimmt, z.B. durch Einbau einer Strömungsrampe, die bis zur Oberkante des Walls oder bis kurz unter die Oberkante reicht, um die Strömungsverhältnisse in der Einschmelzzone zu verbessern.
• Die Seitenwände der Schmelzwanne müssen nicht geradlinig ausgeführt sein. Es ist vielmehr jegliche geometrische Gestaltung möglich, solange die Breite der Wanne in Förderrichtung (Einlage → Wall → Abfluss) kontinuierlich abnimmt (d Breite/dx < 0).
• Allerdings ist die Herstellung der für den Bau der Wannenwand benutzten Palisaden für gebogene Begrenzungen schwierig, aufwendig und teuer.
• Bevorzugt ist die Glasschmelzwanne so ausgebildet, dass ihr Grundriss ein an der Spitze abgeschnittenes gleichschenkliges Dreieck bildet.
• Das Verhältnis der Oberfläche von Schmelzzone zu Läuterzone soll zwischen 2 und 5, bevorzugt zwischen 3 und 4 liegen.
• Weiterhin soll die Breite der Wanne am Ende der Läuterzone, d.h. an der abgeschnittenen Spitze des Dreiecks wenigstens 20 Prozent der Breite der Läuterzone unmittelbar (in Strömungsrichtung) hinter dem Wall betragen. Die Entnahmeöffnung für das geläuterte Glas befindet sich in der abgeschnittenen Spitze des Dreiecks, bevorzugt mittig angeordnet.
• Wenn die Glasschmelzwanne als gleichschenkliges Dreieck ausgeführt wird, ist bevorzugt, dass der Basiswinkel zwischen 55° und 88°, insbesondere zwischen 70° und 86° liegt. In der Regel gelten diese Winkel für die gesamte Schmelzwanne, d.h. der Basiswinkel der Schmelzwanne und der Basiswinkel der Läuterwanne sind gleich. Als Basis gilt eine quer zur Flussrichtung gezogene Linie. Es ist aber auch möglich und für manche Glasarten vorteilhaft, wenn Schmelzzone und Läuterzone innerhalb des angegebenen Bereichs unterschiedliche Basiswinkel haben.
• Je nach Größe des Basiswinkels kann es vorkommen, dass sich im Einlegebereich der Schmelzwanne, d.h. an der Basis des Dreiecks in den Ecken Zonen mit sehr geringer Strömung oder sogar Totzonen ohne Strömung ausbilden. Insbesondere Totzonen sind unerwünscht. Daher sind in einer bevorzugten Ausführungsform die beiden an der Basis befindlichen Ecken des Dreiecks abgeschnitten.
• Die Erfindung wird nun anhand der schematischen Zeichnung weiter beschrieben.
• 1 zeigt schematisch in Draufsicht eine gefüllte Schmelzwanne mit Schmelz- und Läuterzone (S bzw. L)
• 2 zeigt dieselbe Wanne längs der Linie 2-2 der 1 geschnitten.
• Die Zeichnung ist rein schematisch. Stützkonstruktionen, Oberofen, Beheizungseinrichtungen sind weggelassen. Es wird lediglich das Prinzip gezeigt.
• Die 1 und 2 zeigen schematisch eine Schmelzwanne 1 (fett dargestellt) mit Schmelzzone und Läuterzone. Die Schmelzzone S ist von der Läuterzone L durch den in der Draufsicht auf die Schmelze nicht sichtbaren Wall 3 getrennt. An der Basis 4 der Schmelzzone wird Gemenge auf das Glasbad aufgegeben, es fließt in Forderrichtung durch die Wanne 1, wird aufgeschmolzen, das Glas wird in der Läuterzone L geläutert und verlässt die Wanne am Ende der Läuterzone durch die Öffnung 5, um in eine nicht dargestellte Konditioniereinrichtung (Abstehwanne, Speiserrinne oder dergl.) einzutreten. Die Seitenwand der Schmelzzone S bildet mit der Basis 4 den Basiswinkel 6. Er ist durch die dünn dargestellten Hilfslinien dargestellt, da die Ecken zur Vermeidung von Totzonen gekappt sind. Die Läuterzone L besitzt gegenüber der Schmelzzone S einen spitzeren Basiswinkel 7. Im vorliegenden Fall laufen die Seitenwände der Läuterzone L etwa 2-3 Grad steiler aufeinander zu. Zur Verdeutlichung wird mit den dünn gezeichneten Hilfslinien 8 der Basiswinkel 6 der Schmelzzone S gezeigt, damit der unterschiedliche Basiswinkel 7 der Läuterzone L erkannt werden kann. In der Schmelzzone S verläuft der Wannenboden horizontal, geht jedoch kurz vor dem Wall 3 in eine schräge Strömungsrampe 9 über. Hinter dem Wall 3 fällt der Boden 10 der Läuterkammer L ab, um bei den immer näher zusammentretenden Seitenwänden 11 eine gleichmäßige Strömung in der Glaswanne zu gewährleisten.
• Die mit der erfindungsgemäßen Wanne erzielbaren Vorteile bestehen vor allem in einer großen Oberfläche im Bereich der Schmelzzone, die ein verbessertes Aufschmelzen durch einen breiteren Gemengeteppich und eine längere Verweildauer in der Schmelzzone ermöglicht und einer geringeren Oberfläche in der Läuterzone, durch die die Verdampfung aus der Glasoberfäche vermindert und die Anreicherung an SiO₂-Knoten verringert wird.
• Durch die größere Badtiefe in der Läuterzone ist ein tiefgelegener Durchfluss möglich, wodurch der Einzug von Oberflächenglas vermieden wird. Weiterhin bedingt die hohe Verweildauer in der Läuterzone eine gute Resorptionsdauer.
• Durch die Vermeidung von Totzonen erreicht man eine annähernd gleiche Verweilzeit für die Glasschmelze in allen Wannenbereichen und dadurch eine verbesserte Homogenität der Glasschmelze.
• Schließlich hat der temperaturgeregelte Wall eine gute Standzeit und unterliegt einem kontrollierten und gleichmäßigen Verschleiß und durch die Regelung der Temperatur des Walles kann das Strömungsprofil der Glasschmelze gesteuert werden.

Claims (8)

1. Glasschmelzwanne mit einer Schmelzzone und einer Läuterzone, wobei die Läuterzone von der Schmelzzone durch einen Wall getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Schmelz- und Läuterzone eine in Materialflussrichtung kontinuierlich abnehmende Breite haben und die Glasbadtiefe in der Läuterzone so gewählt ist, dass das Produkt aus Breite der Läuterzone mal Glasbadtiefe annähernd gleich bleibt.
2. Glasschmelzwanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss der Wanne ein an der Spitze abgeschnittenes gleichschenkliges Dreieck bildet.
3. Glasschmelzwanne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite am Ende der Läuterzone an der abgeschnittenen Spitze des Dreiecks 20 bis 60 Prozent der Breite am Anfang der Läuterzone unmittelbar hinter dem Wall beträgt.
4. Glasschmelzwanne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Oberfläche der Schmelzzone zu Oberfläche der Läuterzone 2 bis 5 beträgt.
5. Glasschmelzwanne nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiswinkel von Schmelz- und Läuterzone zwischen 55° und 88°, insbesondere zwischen 70° und 86° liegen.
6. Glasschmelzwanne nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Totzonen in der Schmelzzone die Ecken des Dreiecks an der Basis abgeschnitten sind.
7. Glasschmelzwanne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schmelz- und Läuterzone trennende Wall temperaturgeregelt ist.
8. Glasschmelzwanne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung der Läuterwanne mittig in der durch die abgeschnittene Spitze gebildete Querschnittsfläche angeordnet ist.