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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Anlage zur Wärmebehandlung
von Flachglas mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1
bzw. von Anspruch 13.
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Um
aus normalem Flachglas beispielsweise Einscheibensicherheitsglas
entstehen zu lassen, muß man
der Glasplatte einen Spannungszustand einprägen, bei dem die Glasoberflächen unter
Druckspannungen und das Innere der Glasplatte unter Zugspannungen
steht. Durch diesen starken inneren Spannungszustand zerbricht eine
solche Glasplatte bei Überschreiten
einer Grenzbelastung in kleinste Teilchen.
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Der
gewünschte
Spannungszustand der Glasplatte wird durch Erwärmen der Glasplatte und anschließendes Abschrecken
beispielsweise durch Anblasen mit kalter Luft erzielt. Das Abschrecken setzt
also eine gleichmäßig auf
eine hohe Temperatur erwärmte
Glasplatte voraus. Das vorliegende Verfahren betrifft das Betreiben
einer Anlage zur Wärmebehandlung
von Flachglas in einem Rollenofen, in dem die Glasplatte bzw. eine
Gruppe von Glasplatten einer Charge auf die Temperatur (die normale
Betriebstemperatur) erwärmt
wird, von der ausgehend dann die anschließende Weiterbearbeitung, beispielsweise
das Abschrecken, erfolgen kann.
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Bei
der Lehre der Erfindung geht es somit um die Erwärmung von Flachglas in einem
Rollenofen im Chargenbetrieb von Umgebungstemperatur (beispielsweise
ca. 20°C)
auf die gewünschte
Temperatur (die normale Betriebstemperatur) des Flachglases von
mehreren hundert °C,
insbesondere von ca. 650°C.
Das soll in möglichst
kurzer Zeit erfolgen.
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Die
Lehre der vorliegenden Erfindung ist also in erster Linie auf die
Wärmebehandlung
von Flachglas, also plattenförmigem
Glas, gerichtet. Grundsätzlich
sind technisch ähnliche
Probleme aber auch bei anderen mit hohen Temperaturen einer Wärmebehandlung
zu unterziehenden plattenförmigen Werkstoffen
zu beobachten. Im Grundsatz läßt sich die
Lehre der vorliegenden Erfindung also auch auf Verfahren zur Wärmebehandlung
von anderen plattenförmigen
Werkstoffen, bei denen ähnliche
Aufgabenstellungen bestehen, übertragen.
Der Begriff ”Flachglas” in den
Patentansprüchen
soll also Flachglas im engeren Sinne sowie andere plattenförmige Werkstoffe
umfassen, bei denen sich ähnliche
Probleme der Wärmebehandlung
stellen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
betrifft das Betreiben einer Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas
im normalen Betriebszustand, also bei aufgewärmtem Rollenofen, dessen Kammerluft
insgesamt ungefähr
die normale Betriebstemperatur bereits erreicht hat.
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Ein
besonderes Problem besteht in der sogenannten Schüsselbildung
beim Einlaufen von Flachglas in einen solchen Rollenofen. Eine Schüsselbildung
führt zu
Qualitätsminderung
durch optische Fehler bis hin zum Glasbruch.
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Das
noch kalte, einlaufende Flachglas rollt auf den Keramikrollen einer
Fördereinrichtung,
die selbst die Temperatur der Kammerluft im Ofen, also eine Temperatur
von etwa 700°C
haben. Diese Keramikrollen sind ein Wärmespeicher, von denen Wärmeströme in erster
Linie durch Wärmestrahlung
und durch Wärmeleitung
die Glasplatte schnell von unten erwärmt. Der Wärmeübergang von den Keramikrollen
auf die Unterseite der Glasplatte ist sehr intensiv. Die die Glasplatte
von der Oberseite her erreichenden Wärmeströme hingegen sind weniger wirkungsvoll,
weil hier die Komponente der Wärmeleitung fehlt.
Die Wärmeleitung
innerhalb der Glasplatte von der Unterseite an die Oberseite ist
zunächst
noch gering, da die Glasplatte insgesamt noch eine geringe Temperatur
und eine noch geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Dadurch ergibt sich dann eine erhebliche Temperaturdifferenz
zwischen der Unterseite und der Oberseite der Glasplatte, so daß sich die Glasplatte
von ihrem Zentrum zu den Rändern
hin nach oben wölbt,
also eine Schüssel
bildet.
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Insbesondere
für sogenanntes ”low e-Glas”, also
Glas mit geringem Absorptionsgrad, erreicht durch eine reflektierende
Beschichtung auf der Oberseite der Glasplatte ist dies problematisch.
Hier ist eine gegenüber
normalem Flachglas wesentlich geringere Wärmeeinkopplung in die Glasplatte
durch Wärmestrahlung
möglich,
diese wird ja gerade reflektiert. Das prinzipiell vorhandene Pro blem
der Schüsselbildung
von Flachglas beim Einlaufen in die Anlage ist bei beschichtetem
Glas also noch größer.
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Hinsichtlich
der Bezeichnungen ”Luft”, ”Kammerluft” etc. ist
festzuhalten, daß bei
der vorliegenden Erfindung generell ein beliebiges Gas oder Gasgemisch
verwendet werden kann. Insbesondere kann die Anlage statt mit Luft
im engeren Sinne auch mit Schutzgas arbeiten, also in der Kammer
des Rollenofens eine Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein.
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Hinsichtlich
der Bezeichnung ”Keramikrollen” ist zu
vermerken, daß es
sich zwar wegen der hohen Temperatur im Regelfall um Rollen aus
keramischem Material handeln wird, daß aber im Grundsatz für die Rollen
alle Werkstoffe eingesetzt werden können, die bei der Betriebstemperatur
im Rollenofen störungsfrei
arbeiten.
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Was
den Begriff ”Keramikträger” im Zusammenhang
mit den Heizstrahlern betrifft, so kann es sich nicht nur um einen
durchgehenden Keramikträger,
sondern auch um einen aus mehreren einzelnen Teilen oder Abschnitten
bestehenden Keramikträger handeln.
Dieser muß auch
nicht unbedingt die Heizstrahler im engeren Sinne tragen, er befindet
sich nur normalerweise an oder in der Nähe der Heizstrahler und hat
zumeist eine Halterungsfunktion für die Heizstrahler oder Anschlüsse der
Heizstrahler. Auch hier gilt, daß als Werkstoff statt Keramikmaterial
im engeren Sinne auch andere Werkstoffe in Frage kommen, wenn sie
bei der hohen Betriebstemperatur im Rollenofen störungsfrei
funktionieren.
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Die
Heizstrahler sind normalerweise und in den meisten Fällen als
elektrische Widerstandsheizstrahler ausgeführt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, in
einem solchen Rollenofen mit Gasheizstrahlern (geschlossen oder
offen) zu arbeiten.
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Das
Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die Keramikrollen im Rollenofen
geschieht mit normalerweise derselben Geschwindigkeit wie das Auslaufen der
vorherigen, bereits erwärmten
Glasplatte aus dem Rollenofen in die anschließende Vorspann- und Abkühlstation.
Ein typische Geschwindigkeit für
diesen Zustand liegt bei 0,5 m/s. Befindet sich die eingelaufene
Glasplatte im Rollenofen, so wird diese während des Erwärmens im
Rollenofen vor und zurück gefahren, um
zu vermeiden, daß sich
das weicher werdende Glas zwischen den Keramikrollen nach unten
verformt. Dieses Vor- und Zurückfahren
der Glasplatte im Rollenofen, das beispielsweise und typischerweise
mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,25 m/s oder weniger abläuft, nennt
man Pendeln.
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Beim
Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die Keramikrollen im Rollenofen,
die beispielsweise eine Oberflächentemperatur
von 550 bis 650°C
haben, entsteht wie erläutert
ein intensiver Wärmestrom
durch Wärmestrahlung
und Wärmeleitung
zu der Glasplatte (50 bis 70 kW/m2).
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Um
einen entsprechenden Wärmestrom auch
zur Oberseite der Glasplatte bereitzustellen, wird bei dem aus dem
Stand der Technik bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht
(
DE 40 08 516 A1 )
mit oberen Heizstrahlern in einem oberen Keramikträger gearbeitet,
die vom Einlauf ausgehend steuerungstechnisch in mehreren aufeinanderfolgenden
Bereichen, sogenannten Heizzonen, zusammengefaßt sind. Die Heizstrahler sind
hier als elektrische Widerstandsheizstrahler ausgeführt, die mit
einer geringen thermischen Zeitkonstante arbeiten, also eine relativ
hohe Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, beispielsweise eine solche
von ca. 10°C/s
bis ca. 25°C/s,
mit Mittelwerten z. B. bei 18°C/s,
erreichen.
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Jedem
Heizstrahler ist mindestens eine entsprechende Temperaturmeßstelle
im Ofen zugeordnet. Der Sollwert für die Temperatur der oberen
Heizstrahler in Heizzonen mit Glasplatten wird höher gewählt als der Sollwert für die Heizstrahler
in Heizzonen, welche Glasplatten der Charge nicht direkt beaufschlagen.
Im Zuge der zunehmenden Erwärmung der
Glasplatte der Charge wird die Sollwertdifferenz zwischen den Heizzonen
verringert.
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Zu
dem erläuterten
Verfahren, bei dem beim Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die
Keramikrollen im Rollenofen die Heizleistung der oberen Heizstrahler
zumindest in dem am Einlauf liegenden Bereich vorübergehend
erhöht
wird, um eine Schüsselbildung
der einlaufenden Glasplatte zu vermeiden, ist bereits durch den
Einsatz von Treibluftgebläsen oberhalb
der Keramikrollen und unterhalb der oberen Heizstrahler ein zusätzlicher
Wärmestrom
durch Konvektion in Richtung der Oberseite der Glasplatte vorgeschlagen
worden (
DE 103 30
196 A1 ). Damit wird zwar die beim Einlaufen einer kalten
Glasplatte auf die Keramikrollen im Rollenofen besonders stark wirksame,
bei low-e-Glas nochmals problematischere Asymmetrie der Wärmeaufnahme
von der Unterseite der Glasplatte einerseits und von der Oberseite der
Glasplatte andererseits deutlich vermindert. Das hauptsächliche
Problem des bekannten Verfahrens, daß nämlich zur Kompensation nur Änderungen
von Temperatursollwerten der Heizstrahler zur Verfügung stehen,
die auf irgendwo in der Kammer des Rollenofen gemessenen Temperaturen
beruhen, ist damit noch nicht angegangen worden.
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Die
Nutzung von Konvektion zum Erwärmen der
Oberseite der Glasplatte, um so eine Schüsselbildung zu vermeiden, ist
auch aus anderem Stand der Technik bekannt (
US 4,390,359 A ). Aus diesem Stand
der Technik ergeben sich auch einige theoretische Berechnungen und
Angaben für
Werte von Durchbiegungen von Glasplatten bestimmter Dicke. Der hier
angegebene Wert von 0,5 mm auf eine Länge von 1 m (angegeben für eine Differenz
der Wärmeströme oben/unten
von 1 kW/m
2) im wesentlichen unabhängig von
der Dicke der Glasplatte (
US 4,390,359
A , Spalte 5, Zeilen 15 bis 19) erscheint allerdings etwas
gering, richtiger dürften
1,0 bis 1,5 mm sein. Richtig ist, daß tendenziell die Durchbiegung von
der Dicke der Glasplatte wenig abhängig ist. Eine größere Dicke
der Glasplatte senkt die Durchbiegung tendenziell, allerdings ist
die Temperaturdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite der Glasplatte größer, was
zu einer Erhöhung
der Durchbiegung führen
müßte. Beides
gleicht sich im wesentlichen aus. Interessant sind hier die Berechnungen
zu den Wärmeströmen und
den Energiebilanzen, so daß zu diesem
Zwecke inhaltlich in vollem Umfange auf diesen Stand der Technik
Bezug genommen wird.
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Ein
weiteres Problem des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens
zum Betreiben einer Anlage zur Wärmebehandlung
von Flachglas besteht darin, daß die
Erwärmung
einer kompletten Beladung des Rollenofens mit einer Glasplatte oder,
vorzugsweise, einer Gruppe von Glasplatten, einer sogenannten ”Charge”, nach
Ablauf einer Heizzeit beendet wird, die man experimentell mit Bruchbildern von
testweise erwärmten
Glasplatten ermittelt. Die Anfangsbedingungen für eine Charge ändern sich
jedoch je nach Belegung des Rollenofens in der speziellen Charge
und nach der zeitlichen Chargenfolge. Das Ende der Heizzeit wird
daher experimentell in einen Bereich gelegt, in dem die Temperatur
der Glasplatte die gewünschte
normale Betriebstemperatur an Unterseite und Oberseite mit Sicherheit
gleichmäßig erreicht
hat, also in einem Bereich, in dem die Glastem peratur insgesamt
nur noch sehr langsam ansteigt. Das bedeutet, daß die Heizzeit prinzipiell länger ist
als sie vom konkreten Prozeß her
sein müßte. Eine
längere
Heizzeit bedeutet eine schlechtere Nutzung des Rollenofens.
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Der
Lehre liegt das Problem zugrunde, das bekannte Verfahren zum Betreiben
einer Anlage zur Wärmebehandlung
von Flachglas hinsichtlich der Schüsselbildung der Glasplatte
bzw. der Glasplatten einer Charge zu optimieren.
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Das
zuvor angesprochene Problem ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Grundlage
für die
Lehre der Erfindung ist die Analyse der Wärmeströme und der Wärmespeicher, von
denen diese Wärmeströme ausgehen.
Der Erwärmungsprozeß der Glasplatte
kann kurzfristig nur von solchen Wärmespeichern beeinflußt werden,
deren Temperatur schnell verändert
werden kann. Die größten Wärmeströme zur Glasplatte
liefern die Keramikrollen der Fördereinrichtung.
Die Temperatur der Keramikrollen kann jedoch nur indirekt beeinflußt werden,
nämlich
in einem praktisch erheblichen Maße nur durch Strahlung von
den unteren Heizstrahlern und dem unteren Keramikträger. Daher kann
die Temperatur der Keramikrollen nur langsam geändert werden, beispielsweise
mit einer Änderungsgeschwindigkeit
von weniger als 0,5°C/s.
Dasselbe gilt für
die Änderungsgeschwindigkeit
der Temperatur des unteren Keramikträgers. Auch dort ist nur eine
geringe Temperaturänderungsgeschwindigkeit realisierbar
von beispielsweise unter 0,5°C/s,
eher unter 0,3°C/s.
Mit anderen Worten, die Keramikrollen und der untere Keramikträger reagieren
mit ihrer Temperatur sehr träge.
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Auch
der obere Keramikträger
ist, wenn auch schneller als der untere Keramikträger, insgesamt noch
recht träge.
Selbst bei passender Auslegung hat er kaum mehr als 2°C/s Änderungsgeschwindigkeit.
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Die
Analyse ergibt also, daß nur
die oberen Heizstrahler selbst der geeignete Wärmespeicher sind, um hinreichend
große
Wärmeströme zur Oberseite
der Glasplatte beim Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die Keramikrollen
im Rollenofen bereitzustellen. Die weiter oben angegebenen Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten
sprechen dazu für
sich. Um das zu erreichen, muß die
Heizlei stung der oberen Heizstrahler vorübergehend so weit erhöht werden, daß von den
oberen Heizstrahlern eine erheblich erhöhte Arbeitstemperatur, vorzugsweise
mindestens 80°C,
insbesondere mindestens 100°C, über der
normalen Betriebstemperatur erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist nun
erkannt worden, daß man
das zuvor beschriebene Verfahren zweckmäßig mit einer Aufteilung der
Gesamtzeit zur gleichmäßigen Erwärmung der
Glasplatte bzw. der Glasplatten einer Charge auf deren normale Betriebstemperatur
in eine erste Phase und eine zweite Phase umsetzt. In der ersten
Phase kommt den Isttemperaturen der unteren und oberen Keramikträger keiner Bedeutung
zu. Diese reagieren mit ihrer Temperatur ja ohnehin nur träge. In dieser
ersten Phase beim Einlaufen der kalten Glasplatte bzw. der Glasplatten einer
Charge auf die Keramikrollen im Rollenofen wird die Heizleistung
der oberen Heizstrahler zumindest in dem am Einlauf liegenden Bereich
schlagartig auf einen so hohen Wert eingestellt, daß von den Heizstrahlern
eine erhöhte
Arbeitstemperatur erheblich über
der normalen Betriebstemperatur erreicht wird. Hier wird also eine
Heizleistung einfach vorgegeben, es wird nicht geregelt. In der
zweiten Phase hingegen wird durch Regelung der Heizleistung der unteren
und oberen Heizstrahler die Temperatur der unteren und oberen Keramikträger auf
ihre jeweilige normale Arbeitstemperatur geregelt. Das alles geschieht
in der ersten und der zweiten Phase so, daß die Temperaturdifferenz zwischen
der Oberseite und der Unterseite der Glasplatte bzw. der Glasplatten
einer Charge während
der Erwärmung
stets möglichst gering
ist.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Ansprüche
2 bis 12.
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Sind
die Heizstrahler als elektrische Widerstandsheizstrahler ausgeführt, so
muß man
die Netzanschlußleistung
der gesamten Anlage auf die Höchstbelastung
auslegen. Die gewählte
Netzanschlußleistung
muß man
mit verbrauchsunabhängigen
Anschlußkosten
bezahlen. Außerdem
muß die Anlage
insgesamt auf die Netzanschlußleistung
einschließlich
einer Sicherheitsmarge konstruktiv ausgelegt sein.
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Nach
einer weiteren Lehre der Erfindung, der in diesem Zusammenhang besondere
Bedeutung zukommt, wird das erfindungsgemäße Verfahren nun so betrie ben,
daß eine
vergleichsweise niedrige elektrische Netzanschlußleistung erreichbar ist. Die
zuvor dargestellte Analyse der Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten
der verschiedenen Wärmespeicher führt nämlich dazu,
daß das
erfindungsgemäße Verfahren
mit Heizstrahlern als elektrische Widerstandsheizstrahler vorzugsweise
so betrieben wird, daß während der
ersten Phase des Betriebs, also des Betriebs der oberen Heizstrahler
mit der auf einen hohen Wert eingestellten Heizleistung, die Heizleistung der
unteren Heizstrahler vorübergehend
so stark verringert wird, daß eine
vorgesehene Netzanschlußleistung
der oberen und unteren Heizstrahler insgesamt nicht überschritten
wird. Im Extremfall werden die unteren Heizstrahler während des
Betriebs der oberen Heizstrahler mit der erhöhten Heizleistung gänzlich abgeschaltet.
Wegen der Trägheit
der für
die Erwärmung
der Glasplatte von der Unterseite her hauptsächlich verantwortlichen Wärmespeicher ”Keramikrollen” und ”unterer
Keramikträger” hat die
vorübergehende
Abschaltung der unteren Heizstrahler kaum einen Einfluß. Die Schüsselbildung
kann in der gewünschten
Weise vermieden werden, ohne die Netzanschlußleistung der Anlage erhöhen zu müssen.
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Nach
einer Lehre der Erfindung gemäß Anspruch
13, der eigenständige
Bedeutung zukommt, wird in der Kammer des Rollenofens eine unmittelbare
Messung der Temperatur der Oberseite der Glasplatte realisiert.
Das Ende der Heizzeit im Rollenofen wird dadurch wesentlich genauer
und auf direktem Wege ermittelt.
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Nach
einer Weiterbildung der Lehre der Erfindung ist vorgesehen, daß die normalen
Arbeitstemperaturen des unteren und/oder des oberen Keramikträgers sowie
die erhöhte
Heizleistung der oberen Heizstrahler in der ersten Phase abhängig von Chargenbeladung
und Chargenfolge unterschiedlich eingestellt werden dergestalt,
daß bei
geringer Chargenbeladung und/oder langsamer Chargenfolge die dann
höhere
Betriebstemperatur der Keramikrollen ausgeglichen wird. Werden Chargen
mit geringer Beladung gefahren oder ist die Chargenfolge weit, so nehmen
die Keramikrollen eine höhere
mittlere Temperatur als Betriebstemperatur an. Als Einflußgrößen kommt
hier als in der Praxis wichtigste Faktor die Vorheizzeit in Frage,
im übrigen
auch die erhöhte
Heizleistung der oberen Heizstrahler in der ersten Phase sowie schließlich die
Arbeitstemperatur insbesondere des oberen Keramikträgers.
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Im
folgenden wird die Erfindung nun anhand einer lediglich ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel darstellenden
Zeichnung näher
erläutert.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre der Erfindung
werden in diesem Zusammenhang weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 das
grundsätzliche
Schema eines Rollenofens zur Wärmebehandlung
von Flachglas in einer entsprechenden Anlage,
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2 einen
Ausschnitt des Rollenofens aus 1 in schematischer
Darstellung, nicht maßstabgerecht,
mit Angabe der Wärmespeicher
und Wärmeströme zur Glasplatte,
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3 ein
Diagramm mit den Verlaufen der Heizleistung über die Zeit für einen
typischen Zyklus beim Erwärmen
einer Glasplatte in einem Rollenofen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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4 zwei Diagramme, die die Verläufe der Glastemperaturen
an der Oberseite und der Unterseite der Glasplatte sowie die Temperaturdifferenz Glas
oben/Glas unten ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (4a)
und mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (4b) zeigen.
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1 zeigt
eine Anlage zur Wärmebehandlung
von Flachglas in einem Rollenofen 1, der eine Wärmekammer 2 mit
einem Einlauf 3 und einem Auslauf 4 aufweist.
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Dem
Rollenofen 1 in dieser Anlage vorgeschaltet ist eine Beladestation 1' für die Aufgabe
der noch nicht wärmebehandelten
Glasplatte 6. Diese läuft
in 1 soeben in die Wärmekammer 2 des Rollenofens 1 ein.
Ist die Glasplatte 6 vollständig in den Rollenofen 1 eingelaufen,
beispielsweise mit einer Einlaufgeschwindigkeit von ca. 0,5 m/s,
so beginnt ein langsameres Hin und Herfahren der Glasplatte 6 (Pendeln),
beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,25 m/s.
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Nachgeschaltet
ist dem Rollenofen 1 eine Vorspann- und Abkühlstation 1'', in der durch Abschrecken der
heißen
Glasplatte 6 der gewünschte innere
Span nungszustand erzeugt und die Glasplatte 6 dann auf
Handhabungstemperatur abgekühlt
wird. Es folgt schließlich
eine Entladestation 1'''.
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Es
gelten die generellen Bemerkungen aus dem allgemeinen Teil der Beschreibung,
auf die hier nochmals ausdrücklich
hingewiesen werden darf.
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2 in
Verbindung mit 1 läßt erkennen, daß der Rollenofen 1 versehen
ist mit einem Einlauf 3 und einem Auslauf 4, mit
Keramikrollen 5 zur Lagerung und Förderung der Glasplatte 6 bzw. der
Glasplatten einer Charge von Glasplatten, mit unteren Heizstrahlern 7 unter
den Keramikrollen 5 und einem unteren Keramikträger 8 für die unteren
Heizstrahler 7 sowie mit oberen Heizstrahlern 9 oberhalb der
Keramikrollen 5 bzw. oberhalb der Glasplatte 6 auf
den Keramikrollen 5 und einem oberen Keramikträger 10 für die oberen
Heizstrahler 9.
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Nicht
zwingend vorhanden, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aber realisiert
sind Treibluftgebläse
11 oberhalb
der Keramikrollen
5, d. h. oberhalb der Glasplatte
6 auf
den Keramikrollen
5, und unterhalb der oberen Heizstrahler
9.
Die Treibluftgebläse
11 dienen
der Erzeugung von Luftwirbeln
12 in der Wärmekammer
2,
die auf die Glasplatte
6 gerichtet sind und diese streifen,
so daß die
Glasplatte
6 von der Oberseite her durch Konvektion erwärmt wird bzw.
ein guter Wärmeaustausch
zwischen der heißen
Kammerluft und der Oberseite der Glasplatte
6 bewirkt wird.
(Im einzelnen dazu die
DE
103 30 196 A1 , deren Offenbarungsgehalt in den Offenbarungsgehalt
der vorliegenden Patentanmeldung durch Bezugnahme mit aufgenommen
wird).
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Die
Heizstrahler 7, 9 sind hier als elektrische Widerstandsheizstrahler
ausgeführt.
Grundsätzlich können die
Heizstrahler auch als Gasheizstrahler ausgeführt sein, und zwar mit offener
Flamme oder geschlossen. Ersteres bedeutet eine besonders hohe Temperaturänderungsgeschwindigkeit
der Gasheizstrahler, letzteres hat sicherheitstechnische Vorteile.
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Die
Keramikrollen 5, Heizstrahler 7, 9 und Keramikträger 8, 10 wirken
als Wärmespeicher,
von denen ausgehende Wärmeströme durch
Strahlung, Leitung und Strömung
die Glasplatte 6 erwärmen. 2 zeigt
die entstehenden Wärmeströme angedeutet
mit Pfeilen und den folgenden Bezugnahmen:
- a)
- Wärmestrahlung oberer Heizstrahler
in oberen Keramikträger
- b)
- Wärmestrahlung unterer Heizstrahler
in unteren Keramikträger
- c)
- Wärmestrahlung unterer Keramikträger an Keramikrollen
- d)
- Wärmestrahlung obere Heizstrahler
an Oberseite Glasplatte
- e)
- Wärmestrahlung oberer Keramikträger an Oberseite
Glasplatte
- f)
- Wärmestrahlung Keramikrollen
an Unterseite Glasplatte
- g)
- Wärmeleitung Keramikrollen an
Unterseite Glasplatte
- h)
- Wärmestrahlung unterer Keramikträger an Unterseite
Glasplatte
- i)
- Wärmekonvektion an Oberseite
Glasplatte
- j)
- Wärmeleitung innerhalb des Glases
zwischen der Oberseite und der Unterseite
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Für die unterschiedlichen
Wärmespeicher gelten
unterschiedliche Trägheiten.
Im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt beispielsweise
für die
Keramikrollen 5 eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit
von ca. 0,3°C/s.
Träger
ist der untere Keramikträger 8 mit
im Ausführungsbeispiel einer
Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von ca. 0,2°C/s. Etwas flinker ist der obere,
hier weniger voluminöse
Keramikträger 10 mit
einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 2°C/s. Wirklich flink sind nur
die Heizstrahler 7, 9 mit Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten
von im Ausführungsbeispiel
ca. 18°C/s.
Gewünscht
und benötigt
sind dabei in dieser Form nur die oberen Heizstrahler 9,
da nur insoweit eine schnelle Veränderung der Temperatur des
entsprechenden Wärmespeichers
benötigt
wird.
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Im
Betrieb wird für
die unteren und oberen Keramikträger 8, 10 eine
normale Arbeitstemperatur von mehreren hundert °C eingestellt, beispielsweise oben
670°C und
unten 690°C.
Die Wärmekammer 2 des
Rollenofens 1 wird dadurch auf einer normalen Betriebstemperatur
von mehreren hundert °C
gehalten. Vorgesehen ist, daß die
Isttemperaturen der unteren und oberen Keramikträger 8, 10 mittels
entsprechender Temperatursensoren gemessen werden.
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Die
Keramikrollen 5 und die auf diesen rollende Glasplatte 6 nehmen
im temperaturausgeglichenen Zustand des Ofens bei im wesentlichen
vollständig
aufgeheizter Glasplatte 6 etwa die gleiche normale Betriebstemperatur,
beispielsweise eine Betriebstemperatur von ca. 650°C, ein.
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Vorgesehen
ist nun, daß die
Gesamtzeit zur gleichmäßigen Erwärmung der
Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge auf deren
normale Betriebstemperatur in eine erste Phase und eine zweite Phase
aufgeteilt wird, daß in
der ersten Phase beim Einlaufen der kalten Glasplatte 6 bzw.
der Glasplatten einer Charge auf die Keramikrollen 5 im
Rollenofen 1 die Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 zumindest in
dem am Einlauf 3 liegenden Bereich schlagartig auf einen
so hohen Wert eingestellt wird, daß von den Heizstrahlern 9 eine
erhöhte
Arbeitstemperatur erheblich über
der normalen Betriebstemperatur erreicht wird, und daß in der
zweiten Phase durch Regelung der Heizleistung der unteren und oberen Heizstrahler 7, 9 die
Temperatur der unteren und oberen Keramikträger 8, 10 auf
ihre normale Arbeitstemperatur geregelt wird, dergestalt, daß insgesamt die
Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der
Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge während der
Erwärmung
stets möglichst
gering ist.
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Erfindungsgemäß teilt
man also das Verfahren der Erwärmung
der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge auf
deren Endtemperatur, also die normale Betriebstemperatur, in die
erste Phase ”Leistungsstellung” und die
dann folgende zweite Phase ”Regelung über die
Temperaturen der Keramikträger” auf. In
der ersten Phase erfolgt eine Einstellung der Heizleistung der oberen
Heizstrahler 9, so daß die
erhöhte
Arbeitstemperatur erreicht wird, vorzugsweise eine um mindestens
80°C, insbesondere
um mindestens 100°C über der
normalen Betriebstemperatur erhöhte
Arbeitstemperatur. Hier wird die Temperatur der Keramikträger 8, 10 nicht
geregelt. Die Regelung unter Nutzung der gemessenen Isttemperaturen
der Keramikträger 8, 10 setzt
in der zweiten Phase ein.
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In
einem zweckmäßigen Anwendungsbeispiel
ist die erste Phase etwa ein Drittel und die zweite Phase etwa zwei
Drittel der Gesamtzeit. Die Aufteilung kann aber je nach Dicke der
Glasplatte 6, Beladung des Ofens und Art des Glases, insbesondere Beschichtung,
auch sehr anders aussehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Temperaturkurve für
die Glasplatte 6 bereits von Anfang an dahingehend optimiert,
daß die
Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der
Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge stets möglichst
gering ist. Dadurch läßt sich die
Heizzeit insgesamt deutlich verkürzen.
Bisher wurde etwa das letzte Viertel der Heizzeit zum Ausgleich
von Unterschieden bei sehr langsamem Temperaturanstieg der Glasplatte 6 benutzt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite
der Glasplatte 6 während
der gesamten Aufheizzeit klein gehalten. Die letzte Phase der Heizzeit
kann daher entfallen.
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Im
dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt, daß die normale
Arbeitstemperatur der unteren und oberen Keramikträger 8, 10 auf
Werte zwischen 600 und 800°C,
vorzugsweise zwischen 650 und 700°C,
eingestellt wird (oben sind beispielhaft 670°C oben und 690°C unten angegeben
worden).
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
von 2 ist im übrigen
eine Abdeckung 13 für
den unteren Keramikträger 8 vorgesehen,
so daß die
Wärmestrahlung
ausgehend vom unteren Keramikträger 8 vergleichmäßigt ist.
Außerdem
schützt
die Abdeckung 13 die unteren Heizstrahler 7 gegen
Verschmutzungen.
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Für die normale
Betriebstemperatur gilt im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel, daß diese
auf Werte zwischen 600 und 700°C,
insbesondere auf etwa 650°C,
eingestellt wird. Letztlich haben also die Keramikrollen 5 am
Ende des Erwärmungsprozesses
eine nur ein wenig geringere Temperatur als die Glasplatte 6.
Natürlich
kann es da geringfügige
Abweichungen, auch lokaler Art geben.
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Was
die oberen Heizstrahler 9 betrifft, so gilt in dem hier
diskutierten, bevorzugten Ausführungsbeispiel,
daß die
erhöhte
Arbeitstemperatur der oberen Heizstrahler 9 auf Werte zwischen
800 und 1000°C,
vorzugsweise zwischen 850 und 950°C,
eingestellt wird. Hier läßt sich
die beim Einlauf des kalten Glases erforderliche zusätzliche
Heizleistung zur Oberseite der Glasplatte 6 von vorzugsweise
ca. 50 bis 70 kW/m2 erreichen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich weiter
durch eine Art ”Vorheizen” der oberen
Heizstrahler 9 optimieren. Dazu ist vorgesehen, daß die Heizleistung
der oberen Heizstrahler 9 zum Erreichen der erhöhten Arbeitstemperatur
bereits einige Sekunden, vorzugsweise etwa 5 bis 20 s, vor dem Einlaufen
einer kalten Glasplatte 6 erhöht wird. Da während dieser
Vorlaufzeit keine kalte Glasplatte 6 in der Wärmekammer 2 liegt,
jedenfalls nicht nahe dem Einlauf 3, kann die ge samte Heizleistung
in den Temperaturanstieg der oberen Heizstrahler 9 umgesetzt werden,
diese heizen mit maximaler Temperaturanstiegsgeschwindigkeit auf.
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Besonders
bevorzugt ist es, daß die
erhöhte Heizleistung
für die
oberen Heizstrahler 9 als im wesentlichen konstante Heizleistung
oder als sich stufenweise verändernde
Heizleistung oder als ein Leistungs-Zeit-Programm vorgegeben wird.
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1 läßt durch
senkrechte Striche erkennen, daß nach
bevorzugter Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wie grundsätzlich
auch bereits aus dem eingangs erläuterten Stand der Technik bekannt,
die oberen Heizstrahler 9 vom Einlauf 3 ausgehend
steuerungstechnisch in mehreren aufeinanderfolgenden Bereichen zusammengefaßt werden
und die Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 in den verschiedenen
Bereichen vom Bereich am Einlauf 3 ausgehend nach und nach
entsprechend der weiteren Bewegung der Glasplatte 6 erhöht wird. Die
erhöhte
Arbeitstemperatur der oberen Heizstrahler 9 wird also in
den verschiedenen Heizzonen vom Einlauf 3 beginnend nach
und nach eingeschaltet.
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Geht
man davon aus, daß die
einlaufende kalte Glasplatte 6 die volle Länge des
Rollenofens 1 von beispielsweise 6 m ausfüllt, so
dauert es bei der typischen Einlaufgeschwindigkeit von 0,5 m/s etwa
3 s, bis die Glasplatte 6 vollständig in die Wärmekammer 2 eingelaufen
ist, Gleichzeitig mit dem Einlaufen der kalten Glasplatte 6 vom
Einlauf 3 her verläßt eine vollständig erwärmte Glasplatte 6 die
Wärmekammer 2 am
Auslauf 4. Diese soll aber nicht ungewollt zusätzlich erwärmt werden,
sie ist ja hinsichtlich der Wärmebehandlung
gewissermaßen ”fertig”. Also wird
die Steuerung der erhöhten
Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 in der ersten Phase
so vorgenommen, daß diese
von Heizzone zu Heizzone der auslaufenden, erwärmten Glasplatte 6 optimalerweise
ein wenig hinterherläuft.
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Setzt
man elektrische Widerstandsheizstrahler als Heizstrahler 7, 9 ein,
so kommt, wie bereits oben erläutert,
der notwendigen Netzanschlußleistung
eine wesentliche Bedeutung zu. Hier kann man vorsehen, daß während der
ersten Phase des Betriebs der oberen Heizstrahler 9 mit
der erhöhten Heizleistung
die Heizleistung der unteren Heizstrahler 7 vorübergehend
so stark verringert wird, daß eine vorgesehene
Netzanschlußleistung
der unteren und oberen Heizstrahler 7, 9 insgesamt
nicht überschritten
wird. Dadurch ist es möglich,
die Netzanschlußleistung
der Elektroheizung des Rollenofens 1 insgesamt auf den
normalen Betriebszustand zu begrenzen, also die Sondersituation
beim Einlaufen der kalten Glasplatte 6 auf die Keramikrollen 5 hinsichtlich der
Netzanschlußleistung
zu ignorieren. Die erheblich höhere
Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 während dieser
ersten Phase wird hier dadurch kompensiert, daß die unteren Heizstrahler 7 mit
niedrigerer Heizleistung betrieben oder ganz abgeschaltet werden.
Die Trägheit
des unteren Keramikträgers 8 und
der Keramikrollen 5, also letztlich deren hohe Wärmekapazität, erlauben
diese Verfahrensweise ohne einen Schaden für das Verfahren insgesamt.
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In
der Praxis bleiben die unteren Heizstrahler 7 häufig bis
zu 30% der Aufheizzeit abgeschaltet. Wegen der niedrigen Temperaturänderungsgeschwindigkeit
von unter 0,3°C/s
ist jedoch der Temperaturabfall des unteren Keramikträgers 8 vernachlässigbar
gering.
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Diese
Art der Steuerung bzw. Einstellung der Heizleistungen der oberen
Heizstrahler 9 und unteren Heizstrahler 7 während der
ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens
gilt auch während
des ”Vorheizens” der oberen
Heizstrahler 9, das weiter oben erläutert worden ist.
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Die
Versorgungssysteme der unteren und oberen Heizstrahler 7, 9 sind
so ausgelegt, daß bei einer
vorgegebenen Netzanschlußleistung
ein bestimmter Freiraum für
zulässige
Stromspitzen einberechnet ist. Die zulässigen Stromspitzenintervalle
betragen einige Sekunden. Für
das erfindungsgemäße Verfahren
kann man das dadurch ausnutzen, daß bei dem Betreiben der oberen
Heizstrahler 9 mit einer erhöhten Heizleistung die für die Netzanschlußleistung insgesamt
zulässigen
Stromspitzenintervalle von jeweils einigen Sekunden steuerungstechnisch
ausgenutzt werden. Auch so gewinnt man noch einen gewissen Freiraum
für die
Steuerung der unteren Heizstrahler 7 und, insbesondere,
der oberen Heizstrahler 9, im Rahmen einer vorgegebenen,
nicht zu überschreitenden
Netzanschlußleistung,
für die
mit dem EVU der Versorgungsvertrag abgeschlossen worden ist.
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3 zeigt
ein Diagramm, das die Kurven der den Heizstrahlern 7, 9 zugeführten Heizleistungen über die
Zeit zeigt. Die mit ”7” bezeichnete
strichpunktierte Kurve zeigt die Heizleistung der unteren Heizstrahler 7,
die mit ”9” bezeichnete gestrichelte Kurve
die den oberen Heizstrahlern 9 zugeführte Heizleistung. Die mit
G bezeichnete Kurve zeigt die Gesamtheizleistung der unteren und
oberen Heizstrahler 7, 9. Man sieht, daß die Netzanschlußleistung
von 55 kW/m2 ausreicht wo bislang aus der Summe
der Heizleistungen eine Anschlußleistung von
70 kW/m2 notwendig gewesen wäre.
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Es
gilt für
das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt,
daß dieses
mit einer elektronischen Steuerung 14, die in 1 bildlich
schematisch dargestellt ist, umgesetzt wird, heute üblicherweise
einer computergestützten,
vorzugsweise speicherprogrammierbaren Steuerung.
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Was
die Konvektionszusatzheizung betrifft, also den Betrieb der Treibluftgebläse 11 zur
Erzeugung der Luftwirbel 12, so empfiehlt es sich, daß beim Einlaufen
der kalten Glasplatte 6 auf die Keramikrollen 5 im
Rollenofen 1 die Treibluftgeblase 11 eingeschaltet
und dann gesteuert betrieben und zu gegebener Zeit wieder abgeschaltet
werden. Die Leistung der Treibluftgebläse 11 kann durch den Druck
der Treibluft beeinflußt
werden. Die Laufzeit der Treibluftgebläse 11 und die Beeinflussung
des Druckes der Treibluft können
unabhängig
von der Steuerung der Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 gesteuert
werden. Auch dazu dient insgesamt die Steuerung 14. Die
Treibluftgebläse 11 kann
man auch mit Ein/Ausschaltung, also mit einem bestimmten Tastverhältnis steuern
oder regeln.
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Im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders
zweckmäßig, wenn,
wie nach einer weiteren eigenständigen
Lehre der Erfindung vorgeschlagen wird, der Zeitpunkt, zu dem die
Glasplatte 6 den Rollenofen 1 verläßt, mittels einer
direkten Temperaturmessung der Temperatur an der Oberseite der noch
im Rollenofen 1 befindlichen Glasplatte 6 bestimmt
wird. Ein speziell dafür bestimmter
und geeigneter Wärmestrahlungssensor, der
die hohe Hintergrundstrahlung im Rollenofen 1 korrigiert,
ist Gegenstand einer weiteren parallelen Patentanmeldung (10 2005
047 432.2), auf die hier ausdrücklich
hingewiesen wird.
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Es
kann nicht verhindert werden, daß die Keramikrollen 5 eine
höhere
normale Betriebstemperatur einnehmen, wenn Chargen mit geringerer
Beladung gefahren werden oder größere Pausen
zwischen aufeinanderfolgenden Chargen vorliegen. Dies kann man im
Rahmen einer weiteren, unabhängigen
Lehre der Erfindung dadurch kompensieren, daß die Vorlaufzeit des oberen
Heizstrahlers 9, die erhöhte Heizleistung des oberen
Heizstrahlers 9 und oder die normale Arbeitstemperatur
des unteren Keramikträgers 8 und/oder,
vorzugsweise, des oberen Keramikträgers 10 abhängig von
Chargenbeladung und Chargenfolge unterschiedlich eingestellt werden dergestalt,
daß bei
geringer Chargenbeladung und/oder langsamer Chargenfolge die dann
höhere Betriebstemperatur
der Keramikrollen 5 ausgeglichen wird. Die Ursache für die höhere normale
Betriebstemperatur der Keramikrollen 5 liegt darin, daß die Keramikrollen 5 durch
Wärmeleitung
Wärme an die
darauf rollende Glasplatte 6 abgeben. Passiert das seltener,
so erreichen die Keramikrollen 5 eben eine höhere mittlere
Betriebstemperatur.
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Zur
Kompensation der höheren
Betriebstemperatur der Keramikrollen 5 eignet sich insbesondere der
obere Keramikträger 10,
weil er im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine etwas höhere
Temperaturänderungsgeschwindigkeit
hat, also etwas weniger träge
ist als der untere Keramikträger 8.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
genügt
die Temperaturänderungsgeschwindigkeit
von ca. 2°C/s
für den
oberen Keramikträger 10,
um eine Verstellung in der gewünschten
Weise bis zur nächsten
Charge umzusetzen.
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Zusätzlich zu
der anderen Regelung des oberen Keramikträgers 10 empfiehlt
es sich, auch die Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 in
diesem Fall in der ersten Phase nochmals ein wenig zu erhöhen. In
der Praxis besonders gut nutzbar ist für diese Beeinflussung der zeitliche
Vorlauf der erhöhten
Heizleistung der oberen Heizstrahler 9.
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4a und 4b zeigen
den Einfluß des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf die Temperaturverläufe
der Temperaturen Glas oben TGO und Glas unten
TGU und den Temperaturverlauf der Differenz der
Temperaturen TGOU. Man sieht den erheblichen Ausschlag
nach unten bei der Differenz TGOU. Wird das
erfindungsgemäße Verfahren
angewandt, so zeigt sich mit 4b, daß man an
der Kurve der Temperaturen einen Unterschied schon optisch nicht mehr
feststellen kann. Die Differenzkurve TGOU verläuft sehr
nahe der Nullinie. Die Optimierung ist gelungen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich, wie
bereits zuvor angesprochen, insbesondere mit einer computergestützten Steuerung
umsetzen. Damit ist es möglich,
durch eine Simulation die Arbeitsweise einer solchen Anlage zur
Wärmebehandlung von
Flachglas vorab zu prüfen.
Das experimentelle Arbeiten mit Glaschargen und Bruchbildern läßt sich dadurch
erheblich einschränken,
wenn nicht gar eliminieren. Ein solches Simulationsverfahren ist
Gegenstand einer zeitgleich eingereichten Anmeldung der vorliegenden
Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2005 047 433.0. Deren Offenbarungsgehalt
wird hier durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt auch der vorliegenden
Patentanmeldung gemacht.