DE102006019647B4

DE102006019647B4 - Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze sowie drehbare Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006019647B4
Application number: DE200610019647
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmitt; Ansgar Karnehm; Frithjof Karbach; Werner Dr. Kiefer; Fank-Thomas Dr. Lentes; Horst Dr. Loch; Peter-Franz Skiba; Mathias Stauder
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: DE102006019647A1

Abstract

Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4), insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas, wobei
die drehbare Vorrichtung (2) rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse mit einer Gesamthöhe H, einem Durchmesser D_ein am Einlass (20), einem Durchmesser D_aus am Auslass (29) und mit einer Innenwandfläche F derart dimensioniert wird,
dass die Kontur (z, r) der Innenwandfläche F der drehbaren Vorrichtung (2) zwischen Einlass (20) und Auslass (29) in Abhängigkeit von der Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze (4) am Auslass (29) bestimmt wird, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Bestimmen des Zusammenhangs zwischen der Qualität Q der Schmelze (4) und der Verweilzeit t bei einer gegebenen Temperatur T durch Ermitteln einer Reaktionsrate k(T)
b) Festlegen einer Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze (4) nach dem Durchlaufen der Schmelze vom Einlass (20) bis zum Auslass (29) der drehbaren Vorrichtung (2)...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas, ein Element für eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, eine Anlage zum Herstellen einer Schmelze sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas. Das Dokument GB 1 421 121 A zeigt einen Rotationsschmelztiegel sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Je nach Anwendungszweck können verschiedene Formen gewählt werden.
Zum Herstellen einer Schmelze wird Gemenge in eine Schmelzwanne eingelegt und dort beheizt, so dass es aufschmilzt. Schmelzwannen können ein Einschmelzbecken und ein Läuterbecken umfassen. Beide Becken können auch ohne räumliche Trennung direkt ineinander übergehen. Das Gemenge wird als Gemengeteppich auf eine bereits vorhandene Schmelze aufgelegt. Das Gemenge kann von oben beheizt werden und löst sich langsam in der unter dem Gemengeteppich befindlichen Schmelze auf. Im Einlegebereich ist der Gemengeteppich relativ dick, so dass dort die Wärmestrahlung der Beheizung nahezu nur an der Oberfläche des Gemengeteppiches wirksam ist. Das Gemenge wird dabei im Wesentlichen durch die zurückfließende Schmelze aufgelöst.
Derartige Wannen werden auch zum Einschmelzen von Glas verwendet. Ein Nachteil solcher Wannen besteht darin, dass das Gemenge nur relativ langsam einschmilzt und sich zusätzlich das zurückfließende, bereits geschmolzene Glas wieder mit neuem Gemenge vermischt. Bei derartigen Schmelzwannen muss daher ein sehr großes Volumen zur Verfügung gestellt werden, um ein großes Verhältnis von fertiger Glasschmelze zu nicht eingeschmolzenem Gemenge zu erhalten und somit einen ausreichend hohen Aufschmelzgrad des Gemenges zu erreichen. Das Verhältnis des Volumens von Glas in der Wanne zu dem an einem Tag durchgesetzten Volumen liegt bei solchen Wannen bei 2:1 bis 1:1. Das Umschmelzen solcher Wannen, das heißt das Wechseln von einer einzuschmelzenden Glasart auf eine andere, dauert daher mehrere Tage.
Um eine Vermischung von fertiger Glasschmelze mit frischem Gemenge zu vermeiden, werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Eine Vermischung von fertiger Schmelze mit neuem Gemenge kann beispielsweise vermieden werden, wenn eine Rückströmung der fertigen Glasschmelze zum Einlegebereich, in welchem neues Gemenge aufgelegt wird, unterbunden wird. Ein solches Verfahren ist das Schmelzen in einem sich drehenden Schmelzaggregat, bei dem ein konstanter Fluss des Gemenges beziehungsweise der Schmelze vom Einlegen hin zum Austragen ohne Rückströmung erfolgt.
Bei sich drehenden Schmelzaggregaten wird unterschieden zwischen schräg liegenden Schmelzaggregaten, den sogenannten Drehrohröfen und senkrecht stehenden Schmelzaggregaten, den sogenannten Rotationswannen. Bei Rotationswannen wird Gemenge am oberen Rand der rotierenden Wanne aufgelegt. Das aufschmelzende Gemenge fließt nach unten und durch eine Öffnung im Boden der Rotationswanne ab.
Um ein Gemenge in einer Rotationswanne aufzuschmelzen und gleichzeitig zu läutern, wird in dem Dokument US 2,006,947 A eine Rotationswanne beschrieben, welche aus einem Stahlbehälter besteht, der mit einer Wärmedämmschicht und einem keramischen Feuerfestmaterial ausgekleidet ist. Die keramische Auskleidung ist in ihrem mittleren Bereich parabelförmig ausgebildet und hat an ihrem oberen Ende eine Verengung, um ein Auslaufen von Schmelze nach oben bei hohen Drehzahlen zu vermeiden. Das untere Ende der keramischen Auskleidung läuft konisch zu und endet in einer Ablaufdüse, die direkt als Speiser für das fertig geschmolzene Glas dient.
Das Gemenge wird von oben in die rotierende Wanne eingegeben und von oben mit Hilfe von Brennern beheizt. Das Gemenge wird in der Wanne aufgeschmolzen und anschließend in derselben rotierenden Wanne geläutert. Die in der rotierenden Wanne geschmolzene und geläuterte Glasschmelze wird durch die Ablaufdüse direkt der Formgebung zugeführt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere bei einer kontinuierlichen Fahrweise die Gefahr besteht, dass die nach dem Aufschmelzen sehr blasenreiche Schmelze in der Rotationswanne aufgrund ihrer geringeren Viskosität in die in einem weiter unten liegenden Bereich befindliche, schon geläuterte Schmelze hinein läuft und sich mit dieser vermischt. Die Wanne kann daher gemäß ihrer Bestimmung zuverlässig nur mit sehr kleinen Durchsätzen gefahren werden.
Im Hinblick auf das rasche Aufschmelzen von Gemenge in Rotationswannen beschreiben die Dokumente US 4,381,934 A und DE 34 19 575 A1 Rotationswannen, in welchen das Gemenge nur eingeschmolzen und nicht noch zusätzlich geläutert wird. Diese Rotationswannen bestehen aus einem Stahlbehälter mit einer Öffnung nach oben zum Einlegen von Gemenge und einer Öffnung im Boden zum Ablassen der Glasschmelze. Die Innenwand des Behälters ist mit einer stabilen Schicht aus feinpulverigem Gemenge ausgekleidet. Zumindest ein Teil dieser stabilen Gemengeschicht muss jedoch im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung besitzen wie das Gemenge des Glases, welches eingeschmolzen werden soll.
In die rotierende Wanne mit der stabilen Wandauskleidung aus Gemenge wird Gemenge über den oberen Rand der rotierenden Wanne zugegeben. Dieses zugegebene Gemenge wird durch Brenner, die sich im Innenraum befinden, erhitzt und aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Gemenge fließt entlang der Innenwand, die durch das stabile Gemenge gebildet wird, nach unten und durch die Öffnung im Boden ab. Die Gemengezufuhr muss dabei jedoch so geregelt werden, dass die stabile Innenwand aus Gemenge eine weitgehend konstante Dicke aufweist.
Dennoch ist es möglich, dass ein Teil des aufgegebenen Gemenges nach unten in den unteren Bereich der Innenwand aus Gemenge fällt. An der Innenwand aus Gemenge können daher Korrosionen erfolgen.
Das ausfließende Glas enthält gemäß US 4,381,934 A noch etwa 15% unaufgeschmolzenes Gemenge. Das bedeutet, nur etwa 85% des aufgegebenen Gemenges können mit der bekannten Vorrichtung eingeschmolzen werden. Für das abfließende Gemenge wird eine maximale Temperatur von 1325°C beschrieben, so dass sich die bekannten Rotationswannen für hochschmelzende Gläser nicht eignen.
Auch gemäß den Dokumenten US 4,381,934 A und DE 34 19 575 A1 wird die Stahlwand des rotierenden Schmelzaggregates durch eine pulverförmige Schicht aus Gemenge thermisch geschützt.
Die Rotationsgeschwindigkeit muß dabei mindestens so hoch sein, dass das lose Gemenge infolge der Zentrifugalkraft an der Innenwand gehalten wird, um statt einer Stahlwanne eine genügend isolierte Vorrichtung zum Schmelzen von Glas zur Verfügung zu haben. Eine Schmelzwanne zur Aufnahme einer Schmelze existiert daher nur, während die Vorrichtung rotiert. Dadurch wird die Handhabung der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Masse des die Schicht bildenden Gemenges und des Ausmaßes der Vorrichtung limitiert, da immer eine Mindestzentrifugalkraft aufgebracht werden muß. Eine freie Wahl der Drehzahl ist somit nicht möglich.
Die Aufrechterhaltung der isolierenden Schicht aus dem Gemenge bereitet in der Praxis jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Gemäß dem Dokument US 4,676,819 A wird daher vorgeschlagen, im oberen Randbereich, in dem die stabile Schicht relativ dünn ist, zur Außenwand hin zur thermischen Isolierung zusätzlich zur pulverförmigen Gemengeschicht eine Schicht aus Feuerfestmaterial anzubringen. In dem Dokument EP 0 230 049 A1 wird ferner eine zusätzliche Kühlung des oberen Wannenbereichs vorgeschlagen.
Die beschriebenen Rotationswannen haben zudem den Nachteil, dass die Qualität der Schmelze nicht vorgegeben und zuverlässig eingehalten werden kann. Da das Gemenge auf einer stabilen Schicht aus Gemenge eingeschmolzen wird, entsteht in der Zwischenschicht zwischen einzuschmelzendem Gemenge und Gemenge der stabilen Schicht eine nur zum Teil eingeschmolzene Glasschmelze. Insbesondere über diese nur zum Teil eingeschmolzene Glasschmelze in der Zwischenschicht finden Austauschvorgänge zwischen dem einzuschmelzenden Gemenge und der stabilen Schicht aus Gemenge statt. Die beschriebenen Rotationswannen eignen sich daher nicht für Anwendungen, bei welchen von einer Glasart auf eine andere Glasart zügig umgeschmolzen werden muss, da die stabile Schicht zum Teil am Schmelzvorgang teilnimmt.
Die stabile Schicht weist von der Innenwand bis zur Außenwand hin ein relativ steiles Temperaturgefälle auf. Beim Umschmelzen auf eine andere Glaszusammensetzung müsste die stabile Schicht aus Gemenge weitgehend ausgetauscht werden. Je niedriger jedoch die Temperatur in der stabilen Gemengeschicht ist, desto langsamer nimmt sie an dem Austauschvorgang teil. Der Austauschvorgang ist dabei jedoch auch nicht langsam genug, als dass er sich nicht in der Zusammensetzung des Folgeglases bemerkbar machen würde.
Daher ist insbesondere bei Farbgläsern ein Umschmelzen mit den bekannten Vorrichtungen, wenn überhaupt, nur über einen sehr langen Zeitraum möglich. Ein weiterer Nachteil im Hinblick auf das Umschmelzen ist zudem, dass eine sehr große Menge an Glasschmelze in dem Folgeaggregat umgeschmolzen werden muss.
Ein weiterer Nachteil ist, dass das ausfließende Glas bei den bekannten Vorrichtungen noch etwa 15% unaufgeschmolzenes Gemenge enthält. Sowohl die hohen Anteile an Restquarz als auch der extrem hohe Gasgehalt in der Schmelze machen zusätzlich eine intensive Nachschmelze in einem Folgeaggregat notwendig. Der Gasgehalt der Glasschmelze ist so hoch, dass die Dichte der Schmelze lediglich 1,9 g/cm³ im Vergleich zu 2,5 g/cm³ eines geläuterten Glases zeigt. Diese Werte für die Dichte wurden an einer erstarrten Schmelze bei Raumtemperatur gemessen. Eine Glasschmelze mit einem derart hohen Gasgehalt bereitet jedoch bei dem nachfolgenden Schmelzvorgang erhebliche Schwierigkeiten, da die Glasschmelze aus der rotierenden Wanne aufgrund der deutlich geringeren Dichte auf einer Glasschmelze gleicher Zusammensetzung und Temperatur, aus der das Gas zumindest teilweise entweichen konnte, aufschwimmt.
Es ergibt sich daher eine Aufgabe der Erfindung, eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas bereitzustellen, welche die Möglichkeit schafft, eine vorbestimmte Glasqualität am Auslass der Vorrichtung zuverlässig einhalten zu können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze zu schaffen, in welcher ein schnelles Umschmelzen von einer Art der Schmelze auf eine andere Art der Schmelze möglich ist.
Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, das angelegte Gemenge in der drehbaren Vorrichtung möglichst vollständig aufschmelzen zu können.
Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen möglichst geringen Gasgehalt der Schmelze am Auslass der drehbaren Vorrichtung zu erhalten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze zu schaffen, in welcher hohe Schmelztemperaturen realisierbar sind.
Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine flexibel einsetzbare drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, für eine vorbestimmbare Glasqualität am Auslass der drehbaren Vorrichtung eine drehbare Vorrichtung mit möglichst kleinen Abmessungen zu schaffen.
Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst mit einem Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze und mit einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelzegemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas, zur Verfügung, bei welchem die drehbare Vorrichtung rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse mit einer Gesamthöhe H, einem Durchmesser D_ein am Einlass, einem Durchmesser D_aus am Auslass und mit einer Innenwandfläche F derart dimensioniert wird, dass die Kontur (z, r, wobei z und r Koordinaten in Höhen- und Radiusrichtung sind) der Innenwandfläche F der drehbaren Vorrichtung zwischen Einlass und Auslass in Abhängigkeit von der Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) (Minimale Qualität, minimaler Aufschmelzgrad, Gasgehalt der Schmelze) der Schmelze am Auslass bestimmt wird.
Mit diesem Verfahren lassen sich die Anforderungen, insbesondere nach einem schnellen Einschmelzen und nach einer sehr guten Glasqualität nach dem Einschmelzen in diskontinuierlich und insbesondere in kontinuierlich arbeitenden Rotationswannen sicher erfüllen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zudem die Möglichkeit geschaffen, die Glasqualität am Auslauf der Rotationswanne vorzugeben und durch Verwenden einer erfindungsgemäß dimensionierten Rotationswanne zum Einschmelzen sicher einzuhalten.
Zudem wird durch das erfindungsgemäße Dimensionieren der drehbaren Vorrichtung ein schnelles Umschmelzen von einer Art der Schmelze auf eine andere Art der Schmelze in dieser Vorrichtung ermöglicht. Das eingelegte Gemenge kann zudem in der erfindungsgemäß dimensionierten Vorrichtung nahezu vollständig aufschmelzen, wobei ein sehr geringer Gasgehalt der Schmelze am Auslass der drehbaren Vorrichtung einstellbar ist. Das erfindungsgemäße Dimensionieren bietet zudem die Möglichkeit, flexibel einsetzbare drehbare Vorrichtungen zum Herstellen einer Schmelze zu fertigen, wobei für eine vorbestimmbare Glasqualität am Auslass der drehbaren Vorrichtung minimal erforderliche Abmessungen ermittelt werden können.
Die Glasqualität der rotierenden Wanne wird durch den Mindestaufschmelzgrad A_min und durch den Gasgehalt c_Gas des Glases bestimmt, wobei Werte herangezogen werden, die am Auslauf der Rotationswannee gemessen werden. Zur Bestimmung des Mindestaufschmelzgrades A_min wird der amorphe Glasanteil in Proben gemessen, welche am Auslauf der Rotationswanne genommen werden. Der Mindestaufschmelzgrad A_min gibt an, welcher Anteil des Gemenges aufgeschmolzen ist. Die Bestimmung von A_min kann beispielsweise durch XRD-Messungen mit anschließender Berechnung über Rietveldanalyse durchgeführt werden. Die Bestimmung des Gasgehaltes des Glases erfolgt mit Hilfe von Dichtemessungen. Es wird die Dichte einer Glasprobe ohne Blasen mit der Dichte einer Glasprobe aus der Rotationswanne verglichen.
Das erfindungsgemäße Dimensionierungsverfahren bietet die Möglichkeit, drehbare Vorrichtungen zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere einer Glasschmelze zu schaffen, die durch ihre speziell dimensionierte Kontur der Innenwandfläche das Einstellen einer sehr engen Temperaturverteilung in der Glasschmelze auf der Innenwandfläche erlauben. Damit ist ein deutlich schnelleres Einschmelzen als mit herkömmlich dimensionierten drehbaren Vorrichtungen zum Herstellen von Glasschmelzen möglich.
Der Begriff ”Schmelze” umfasst im Sinne der vorliegenden Anmeldung geschmolzenes Aufgabegut, in welchem der Anteil von festem Gemenge kleiner als 100% ist. Im Zusammenhang mit Glas bedeutet dies, dass eine Schmelze im wesentlichen aufgeschmolzenes Glas bezeichnet. Dieses aufgeschmolzene Glas kann jedoch nicht aufgeschmolzenes Gemenge und/oder Schmelzrelikte umfassen.
Die gezielte Auslegung einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze in Abhängigkeit von der Glasqualität wird erfindungsgemäß bevorzugt dadurch erreicht, dass die benötigte, das heißt die minimale Verweilzeit t_min der Schmelze zur Erreichung der erforderlichen Qualität in der drehbaren Vorrichtung experimentell ermittelt wird.
Zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze kann gemäß der Erfindung mit folgenden Schritten vorgegangen werden:

a) Bestimmen des Zusammenhangs zwischen der Qualität Q der Schmelze und der Verweilzeit t bei einer gegebenen Temperatur T durch Ermitteln einer Reaktionsrate k(T)
b) Festlegen einer Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze nach dem Durchlaufen der Schmelze vom Einlass bis zum Auslass der drehbaren Vorrichtung
c) Festlegen der Behandlungstemperatur Tm
d) Bestimmen der zur in Schritt b) ermittelten Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) erforderlichen Verweilzeit t_min der Schmelze in der drehbaren Vorrichtung bei der in Schritt c) festgelegten Behandlungstemperatur T_m, wobei die Verweilzeit t_min aus der in Schritt a) bestimmten Reaktionsrate k(T) bestimmt wird
e) Festlegen des Massenstroms M an Schmelze und/oder Gemenge durch die drehbare Vorrichtung
f) Festlegen der Zielrotationsfrequenz f* der drehbaren Vorrichtung
g) Bestimmen der Größe der Innenwandfläche F der Schmelzanlage in Abhängigkeit von der in Schritt
d) bestimmten Verweilzeit t_min, dem in Schritt e) festgelegten Massenstrom M und der in Schritt g) festgelegten Zielrotationsfrequenz f* der drehbaren Vorrichtung,

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dimensionieren kann vorteilhafterweise auch ein Element für eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas dimensioniert werden, wobei das Element ein Ausschnitt aus einem rotationssymmetrischen Hohlkörper mit einer Durchgangsöffnung ist, welcher eine Gesamthöhe H, einen Durchmesser D_ein an einem Ende der Durchgangsöffnung, einen Durchmesser D_aus am anderen Ende der Durchgangsöffnung und eine Innenwandfläche F aufweist, wobei der Hohlkörper nach einem oben beschriebenen Verfahren dimensioniert wird.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die benötigte Verweilzeit t_min der Glasschmelze zum Erreichen der gewünschten Glasqualität Q_min in der drehbaren Vorrichtung mit Hilfe einer Reaktionsrate k(T) für das Aufschmelzen von Gemenge in Abhängigkeit von der Temperatur in Laborexperimenten bestimmt werden kann.
Zur Ermittlung der Reaktionsrate k(T) wird Gemenge bei konstanten Temperaturen eingeschmolzen. Nach unterschiedlich langen Zeitintervallen wird der Aufschmelzgrad gemessen. Bei der Ermittlung der Reaktionsrate im Labormaßstab wird das Gemenge und die sich bildende Glasschmelze über die gesamte Dauer des betreffenden Zeitintervalls einer konstanten Schmelztemperatur ausgesetzt. Es wurde gefunden, dass die im Labormaßstab ermittelten Reaktionsraten k(T) durch ein Scale-up übertragbar sind, indem die drehbare Vorrichtung derart ausgelegt wird, dass die gesamte Glasschmelze beim Durchlaufen der erfindungsgemäß dimensionierten drehbaren Vorrichtung mindestens der betreffenden Schmelztemperatur ausgesetzt ist.
Die Erfindung sieht daher vorteilhafterweise vor, dass der Zusammenhang zwischen der Qualität Q der Schmelze und der Verweilzeit t bei einer gegebenen Temperatur T in Schritt a) durch die Funktion
bestimmt wird. Für die gezielte Auslegung einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze in Abhängigkeit von der Glasqualität wird daher zum einen die Reaktionsrate k(T) bestimmt. Die Reaktionsrate k(T) ist abhängig von der Schmelztemperatur und der Zusammensetzung des zu schmelzenden Glases.
Zum zweiten bietet die Erfindung vorteilhafterweise die Möglichkeit, dass eine definierte Schichtdicke über die gesamte Innenwand der drehbaren Vorrichtung erreicht wird. Daher kann die Forderung erfüllt werden, dass jedes Fluidelement der Glasschmelze zumindest die Verweilzeit t_min in der drehbaren Vorrichtung verbracht hat. Da über die gesamte Innenfläche der drehbaren Vorrichtung eine weitgehend gleichmäßig dicke Schmelzschicht erzielt werden kann, wenn die drehbare Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dimensioniert wurde, lässt sich mit Hilfe der Reaktionsrate k von T die minimale Verweilzeit t_min der Glasschmelze in der drehbaren Vorrichtung ermitteln, die zum Erlangen der geforderten Glasqualität benötigt wird. In einem ersten Ansatz wird die geforderte Glasqualität vom Mindestaufschmelzgrad A_min bestimmt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze wird daher bevorzugt die Mindestverweilzeit t_min in Schritt d) durch den Zusammenhang
bestimmt. Durch Umformen dieser Gleichung lässt sich auch der minimale Aufschmelzgrad A_min berechnen, wenn die minimale Verweilzeit t_min der Schmelze in der drehbaren Vorrichtung die Schmelztemperatur T und die Reaktionsrate k(T) bekannt sind. Der minimale Aufschmelzgrad A_min beträgt dann
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dimensionierungsverfahrens wird die Größe F der Innenwandfläche der drehbaren Vorrichtung mit der Kontur (z, r) in Schritt g) durch die Funktion
mit
und ω = 2πf (6)bestimmt.
Wenn die Innenwandkontur (z, r) der drehbaren Vorrichtung die Form einer der Drehzahl angepassten Gleichgewichtsparabel aufweist, hat die Schmelzschicht auf der Innenwand über die gesamte Innenwandfläche weitgehend die gleiche Dicke.
Die minimale Verweilzeit t_min für die Auslegung der drehbaren Vorrichtung erfolgt in Kenntnis der Glaszusammensetzung, der Schmelztemperatur und des gewünschten minimalen Aufschmelzgrades. Für die Auslegung wird des Weiteren der gewünschte Durchsatz M festgelegt. Aus dem Durchsatz M und der minimalen Verweilzeit t_min zum Erreichen der gewünschten Glasqualität Q_min kann gemäß der Erfindung in vorteilhaft einfacher Weise, wie oben dargelegt, der benötigte Flächenbedarf F der Innenwandkontur der drehbaren Vorrichtung bestimmt werden.
Die Dichte ρ der Glasschmelze in der drehbaren Vorrichtung hängt vom Gasgehalt beziehungsweise vom Blasengehalt der Glasschmelze beim Einschmelzprozess ab. Während des Einschmelzprozesses findet eine ständige Änderung der Dichte statt. Am oberen Rand wo das Gemenge aufgelegt wird, wird je nach Gehalt gebundener Gase im Gemenge sehr viel Gas freigesetzt. Auf dem Weg nach unten zum Auslauf hin ändert sich die Dichte ständig durch die Verminderung des Gasgehaltes der Schmelze, bis die Glasschmelze im Auslauf einen End- oder Zielwert erreicht. Für Silicatgläser mit einer Dichte von etwa 2500 kg/m³ (bei Raumtemperatur) kann in der drehbaren Vorrichtung mit einer mittleren Dichte von 1500 bis 2000 kg/m³ gerechnet werden. Am Auslauf beträgt die Dichte etwa 2400 kg/m³. Durch die Volumenausdehnung oberhalb der Glas-Transformationstemperatur entspricht ein Gasgehalt von 5 Volumen-% bei Raumtemperatur etwa 10 Volumen-% bei 1600°C.
Aus den oben genannten Gleichungen ergeben sich mögliche Kombinationen von Innenwandkonturen und Drehzahlen, welche die geforderte Fläche liefern können. In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, als weitere Parameter die Höhe H sowie den Bereich der Drehzahl für die drehbare Vorrichtung festzulegen, um die Dimensionierung weiterzuführen. Damit kann für eine Gleichgewichtsparabel die Innenfläche F als Funktion der Drehzahl wie folgt berechnet werden
Mit dieser Gleichung ergibt sich eine Kurvenschar für die Fläche einer Gleichgewichtsparabel der Innenwandkontur als Funktion des Durchmessers der drehbaren Vorrichtung am Einlauf D_ein und der Auslauföffnung D_aus für verschiedene Drehzahlen f. Für eine gegebene Fläche F der Innenwandkontur (z, r) ergeben sich mehrere Wertesätze von Höhe, Durchmessern und Drehzahl.
Die Erfindung bietet des Weiteren den Vorteil, die Viskosität der Schmelze und damit ihr Fließverhalten in den Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung zu berücksichtigen. Dazu ist vorgesehen, dass zwischen der Mindestverweilzeit t_min, der Kontur der Innenwandfläche (z, r), welche einen Steigungswinkel α(r) aufweist, der Größe F der Innenwandfläche, dem Massenstrom M und der Geschwindigkeit u(z, r) der Schmelze mit der Dichte ρ und der Viskosität η auf der Innenwandfläche, auf der die Schmelze eine Schicht mit der Dicke d(r) bildet, die folgenden Zusammenhänge
mit C = g·sin(α(r)) – ω2·r·cos(α(r)) (9)und D = ω2·sin(α(r))·cos(α(r)) (10)sowie
eingehalten werden, wobei t_min durch das Integral über u(z, r) entlang der Kontur (z, r) der Innenwandfläche F bestimmt wird.
Nach diesem Ansatz der Erfindung kann für jeden vorgegebenen Durchsatz M, jede vorgegebene Schmelztemperatur T_m und jede gewünschte Glasqualität auf systematische Weise ein kleinstmögliches Aggregat konstruiert werden, an dessen Auslass der Mindestaufschmelzgrad gemäß Gleichung (3) eingehalten wird. Durch Einsetzen der mit der Gleichung (7) gewonnenen Wertepaare für einen vorgegebenen Flächenbedarf der Innenwandkontur lassen sich mit Hilfe dieser Gleichungen die mittleren Schichtdicken der Schmelze als Funktion der Drehzahl berechnen.
Unter Berücksichtigung der Viskosität η der Schmelze und damit des Fließverhaltens der Schmelze an der Wand bei gleichem Wert für die Fläche F der Innenwandkontur (z, r) wird die mittlere Schichtdicke der Schmelze um so dünner, je höher die Drehzahl und damit auch – unter Einhaltung der oben dargelegten Zusammenhänge – die Höhe H der drehbaren Vorrichtung ist.
Die oben angegebenen Gleichungen für die Fließgeschwindigkeit u und den Durchsatz M beschreiben das Fließgleichgewicht unter konstanten Randbedingungen wie Temperatur, Durchsatz und Drehzahl. Die Gleichungen für die Fließgeschwindigkeit u und den Durchsatz M haben sich als sehr gute Näherung der Lösung der allgemeinen stationären Navier-Stokes-Gleichungen für den Fall erwiesen, dass die Schichtdicke d(r) klein gegenüber den Abmessungen H, D_ein und D_aus der drehbaren Vorrichtung ist und dass die Wandkrümmungen ebenfalls klein sind. Dieser Fall wird als ”Dünnschichtnäherung” bezeichnet.
Des Weiteren wurde davon ausgegangen, dass die Temperatur der Schmelze in der drehbaren Vorrichtung nur in Abhängigkeit von der Höhe z variiert, jedoch über den jeweiligen Radius r über die dortige Glasdicke d(r) konstant ist. Das heißt, dass kein signifikanter Wärmetransport senkrecht zur Wand der drehbaren Vorrichtung stattfindet, also sogenannte ”lokal isotherme” Verhältnisse herrschen.
Die Gleichungen gelten formal für alle Drehzahlen. Führen die Gleichungen im Ergebnis zu einer negativen Glasdicke, bedeutet dies, dass die Zentrifugalkraft an dieser Stelle r größer als die Schwerkraft ist. Es gibt dann in der hier betrachteten sogenannten ”Dünnschichtnäherung” an dieser Stelle r, z keinen Durchsatz nach unten. Wird die drehbare Vorrichtung mit der Drehzahl f betrieben, so liegt die Glaskontur oberhalb der zu dieser Drehzahl f gehörenden Gleichgewichtskontur.
Die größte Abwärtsgeschwindigkeit hat die Schmelze an der Oberfläche, das heißt, die kleinste Verweilzeit wird durch den Partikelpfad entlang der Oberfläche der Schmelze bestimmt. Für die Viskosität η kann vorteilhafterweise eine Näherung herangezogen werden, welche der Mischung aus noch unaufgelöstem Feststoff und bereits vorhandener Schmelze eine Viskosität zuschreibt. Dazu kann folgendes vereinfachtes Mischungsgesetz für die Viskosität angesetzt werden, wobei T die Temperatur und c_S den Feststoffanteil bezeichnet. lgη(T, cS) = cS·lgηS + (1 – cS)·lgηmelt(T) (12)
Darin wird mit dem Index ”S” der noch ungelöste Feststoff gekennzeichnet, sowie mit dem Index ”melt” die Schmelze.
In einer bevorzugten Weiterbildung sieht die Erfindung vor, dass der Mindestaufschmelzgrad A_min im Bereich von Werten größer oder gleich 95%, insbesondere im Bereich von Werten größer oder gleich 98% liegt. Des Weiteren kann gemäß der Erfindung der Gasgehalt c_Gas vorteilhafterweise im Bereich von Werten kleiner oder gleich 10 Vol.-%, insbesondere im Bereich von Werten kleiner oder gleich 5 Vol.-% liegen. Somit kann mit der Erfindung vorteilhafterweise das Gemenge nahezu vollständig aufgeschmolzen werden und der Gasgehalt der Schmelze nach dem Einschmelzen deutlich reduziert werden.
Die Erfindung stellt des Weiteren eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas zur Verfügung, welche einen rotationssymmetrischen Hohlkörper mit einer Durchgangsöffnung umfasst, welcher eine Gesamthöhe H, einen Durchmesser D_ein an einem Ende der Durchgangsöffnung, einen Durchmesser D_aus am anderen Ende der Durchgangsöffnung und einen Innenwandfläche F aufweist, wobei der Hohlkörper derart dimensioniert ist, dass die Kontur (z, r) seiner Innenwandfläche F zwischen dem einen und dem anderen Ende der Durchgangsöffnung auf eine Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze abgestimmt ist.
Mit der Erfindung wird damit vorteilhafterweise die Möglichkeit geschaffen, das kleinstmögliche Aggregat, das heißt eine mit minimalen Abmessungen dimensionierte drehbare Vorrichtung zu konstruieren. Ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen DE 10 2006 019 646 A1 welche am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben. Die Offenbarung der Anmeldung DE 10 2006 019 646 A1 zum Aufbau der Vorrichtung wird durch Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Da die drehbare Vorrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich mit herkömmlichen Rotationswannen weniger umbauten Raum aufweist, kann sie deutlich billiger gefertigt werden, da ein geringere Bedarf an Feuerfestmaterial besteht.
Mit der erfindungsgemäßen drehbare Vorrichtung wird vorteilhafterweise die Möglichkeit geschaffen, eine vorbestimmte Glasqualität am Auslass der Vorrichtung zuverlässig einzuhalten. Des Weiteren ist mit der erfindungsgemäßen drehbaren Vorrichtung ein schnelles Umschmelzen von einer Art der Schmelze auf eine andere Art der Schmelze möglich. Ferner kann das aufgelegte Gemenge in der drehbaren Vorrichtung nahezu vollständig aufgeschmolzen werden, wobei ein sehr niedriger Gasgehalt der Schmelze am Auslass der drehbaren Vorrichtung erhalten wird.
In der drehbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung sind vorteilhafterweise zudem hohe Schmelztemperaturen realisierbar. Die drehbare Vorrichtung ist darüber hinaus flexibel einsetzbar, wobei für eine vorbestimmbare Glasqualität am Auslass der drehbaren Vorrichtung eine drehbare Vorrichtung mit möglichst kleinen Abmessungen zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst der rotationssymmetrische Hohlkörper zumindest eine Lage eines Feuerfestmaterials. Der rotationssymmetrische Hohlkörper kann insbesondere ein einlagiges oder ein mehrlagiges Feuerfestmaterial umfassen. Der rotationssymmetrische Hohlkörper kann in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung als Feuerfestmaterial ein hochzirkonhaltiges (ZrO₂ > 90%) und/oder ein hochtonerdehaltiges (Al₂O₃ > 90%) und/oder ein Aluminium-Zirkon-Silikat-Material (Al₂O₃ von 45 bis 55%, ZrO₂ von 30 bis 45%, SiO₂ von 10 bis 15%, und/oder ein Zirkon-Silikat-Material (ZrO₂ von 60 bis 70%, SiO₂ von 30 bis 40%) und/oder ein hochsiliziumdioxydhaltiges Material (SiO₂ > 90%) umfassen.
Die drehbare Vorrichtung umfaßt des Weiteren in einer bevorzugten Ausgestaltung einen Mantel. Zwischen dem Mantel der drehbaren Vorrichtung und der feuerfesten, insbesondere keramischen Innenwand kann aus Gewichtsgründen und zur weiter verbesserten Wärmedämmung ein feuerfestes Wärmedämmmaterial eingebaut werden. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper zumindest eine Lage eines Isoliermaterials umfasst, welche die zumindest eine Lage eines Feuerfestmaterials umschließt.
Mit dem Begriff ”umschließen” wird dabei eine Anordnung gekennzeichnet, bei der ein Material um ein anderes herum angeordnet ist, wobei die beiden Materialien in Kontakt stehen können, es aber auch möglich ist, dass die beiden Materialien voneinander beabstandet angeordnet sind.
Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße drehbare Vorrichtung bei sehr hohen Schmelztemperaturen betrieben werden soll, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, zum weiteren Schutz des Mantels vor Überhitzung zu der oben beschriebenen Wärmedämmschicht zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen. Insbesondere kann der rotationssymmetrische Hohlkörper ein einlagiges oder ein mehrlagiges Isoliermaterial umfassen. Bei einem Mehrschichtaufbau kann vorgesehen sein, dass die Materialien eine derart geformte äußere Kontur aufweisen, dass sie sich im zusammengebauten Zustand miteinander verzahnen und sich gegenseitig stabilisieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der rotationssymmetrische Hohlkörper als Isoliermaterial einen Isolationsaufbau aus Isolierstein, insbesondere aus Feuerleichtstein, zum Beispiel der ASTM-Temperaturklasse 26 umfassen. Derartige Feuerleichtsteine der ASTM-Temperaturklasse 26 werden beispielsweise von der P-D Group unter den Bezeichnungen EL 143/10, EL 143/12 und OFL 84 A angeboten.
Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper als Isoliermaterial eine Isoliermasse, insbesondere eine Schüttung aus Isoliersplitt und/oder Isoliergries, insbesondere aus Silikat- und/oder Quarzgutmaterial umfasst. Des Weiteren kann der rotationssymmetrische Hohlkörper als Isoliermaterial eine monolithische Stampfmasse umfassen. Es ist daher gemäß der Erfindung vorteilhafterweise möglich, die Wärmedämmung der Wandung der drehbaren Vorrichtung auf unterschiedliche Weise den für die jeweilige Anwendung einzuhaltenden Anforderungen anzupassen.
Indem eine monolithische Stampfmasse als Übergangsmaterial zwischen den Isoliersteinen und dem eigentlichen Glaskontaktmaterial zur Verfügung gestellt wird, kann vorteilhafterweise die parabelförmige Kontur der Innenwandfläche der drehbaren Vorrichtung sehr genau aus einzelnen Steinen abgebildet werden. Insgesamt werden mit dem erfindungsgemäßen Aufbau die Wärmeverluste durch die Wandung der drehbaren Vorrichtung vorteilhafterweise gering gehalten und gleichzeitig die Gesamtwanddicke ebenfalls nicht zu groß gewählt, um die Dimensionen der Anlage klein zu halten.
Die Erfindung kann mit verschiedenen Aufbauarten realisiert werden. Zum einen kann die Innenwandfläche der drehbaren Vorrichtung aus einzelnen Steinformaten, welche separat zugeschnitten und bearbeitet werden, aufgebaut sein. Zum anderen kann die parabelförmige Kontur der Innenwandfläche durch einen gestuften Aufbau angenähert nachgebildet werden, wodurch vorteilhafterweise der Bearbeitungsaufwand reduziert und auf Stampfmasse weitgehend verzichtet werden kann.
Gemäß der Erfindung umfasst die drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze des Weiteren einen Mantel des rotationssymmetrischen Hohlkörpers, welcher insbesondere aus Metall, insbesondere aus Stahl gefertigt werden kann, wobei der Mantel die zumindest eine Lage des Isoliermaterials und die zumindest eine Lage des Feuerfestmaterials umschließt. Die drehbare Vorrichtung kann gemäß der Erfindung also beispielsweise einen Stahlzylinder umfassen, welcher im Innern eine nach oben sich öffnende parabelförmige Innenwand aus feuerfestem Material enthält, wobei sich zwischen dem Stahlzylinder und der feuerfesten keramischen Innenwand ein feuerfestes Wärmedämmmaterial befindet.
Mit der Erfindung ist es zudem möglich, die drehbare Vorrichtung komponentenweise aufzubauen. Die Erfindung stellt daher des Weiteren ein Element für eine drehbare Vorrichtung zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas, wie sie oben beschrieben wurde, zur Verfügung, wobei das Element ein Ausschnitt aus einem rotationssymmetrischen Hohlkörper mit einer Durchgangsöffnung ist, welcher eine Gesamthöhe H einen Durchmesser D_ein an einem Ende der Durchgangsöffnung, einen Durchmesser D_aus am anderen der Durchgangsöffnung und einen Innenwandfläche F aufweist, wobei der Hohlkörper derartig dimensioniert ist, dass die Kontur (z, r) seiner Innenwandfläche F zwischen dem einen und dem anderen Ende der Durchgangsöffnung auf eine Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze abgestimmt ist.
Gemäß der Erfindung sind die äußeren Abmaße sowie die Drehzahl bei der drehbaren Vorrichtung zum einen an den geforderten Durchsatz, aber auch an die geforderte Glasqualität, mit der die Glasschmelze die drehbare Vorrichtung verlassen soll, angepasst.
Die Erfindung stellt daher zudem eine Anlage zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas zur Verfügung, welche zumindest eine drehbare Vorrichtung, insbesondere eine drehbare Vorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, und zumindest eine Schmelzwanne umfasst. Die Schmelze, welche die drehbare Vorrichtung verlässt, wird demgemäß der Schmelzwanne zugeführt. Insbesondere kann die drehbare Vorrichtung auf einer erhöht angeordneten Plattform stehen, unter der sich die Schmelzwanne als Sekundäraggregat befindet.
Das Aufschmelzen des Gemenges kann gemäß der Erfindung daher in zwei Schritten erfolgen, nämlich dem Aufschmelzen in der drehbaren Vorrichtung und dem Fertigschmelzen in dem Sekundäraggregat. Nach dem Durchlaufen des Sekundäraggregats kann die erfindungsgemäße Anlage beispielsweise ein Läuteraggregat umfassen. In der drehbaren Vorrichtung können Gemenge und eventuell zugegebene Scherben aufgeschmolzen werden. Als Sekundäraggregat kann eine kleine modifizierte konventionelle Schmelzwanne dienen.
Der Ausdruck „klein” in diesem Zusammenhang bedeutet eine Reduzierung vom im Aggregat befindlichen Glasvolumen um einen Faktor 5 bis 15 im Volumen gegenüber konventionellen Schmelzwannen. Eine Modifizierung der Geometrie wird bei der Verkleinerung durchgeführt, da durch die Verkleinerung nicht alle Dimensionen gleichmäßig verkleinert werden, und deshalb, um bestimmte Strömungseffekte zu erzielen, entsprechende Modifikationen gegenüber konventionellen Wannendesigns erforderlich sind.
Das Sekundäraggregat dient dazu, das restliche Gemenge soweit es nach dem Durchlaufen der drehbaren Vorrichtung noch vorhanden ist aufzuschmelzen und den Blasengehalt weiter zu verringern, je nachdem, welche weiteren Behandlungsschritte, insbesondere in einem Läuterteil durchgeführt werden sollen. Die drehbare Vorrichtung und die Schmelzwanne als Sekundäraggregat bilden gemäß der Erfindung eine Einheit. Das Aufschmelzen in der drehbaren Vorrichtung ist dabei wesentlich schneller als in einer konventionellen Wanne. Vorteilhafterweise kann mit der erfindungsgemäßen Anlage die Nachbehandlung in dem Sekundäraggregat daher deutlich verkürzt werden, und zwar um so mehr, je höher die Glasqualität nach dem Durchlaufen der drehbaren Vorrichtung ist.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird die Möglichkeit geschaffen, eine vorbestimmte Glasqualität am Auslass der Vorrichtung zuverlässig einzuhalten. Zudem kann sehr schnell von einer Art der Schmelze auf eine andere Art der Schmelze umgeschmolzen werden. Insbesondere wird das aufgelegte Gemenge in der drehbaren Vorrichtung bereits weitestgehend aufgeschmolzen, wobei am Auslass der drehbaren Vorrichtung einen sehr geringer Gasgehalt der Schmelze erhalten wird. Zudem bietet die erfindungsgemäße Anlage die Möglichkeit, das Gemenge in der drehbaren Vorrichtung bei hohen Schmelztemperaturen aufzuschmelzen, und nach Erreichen einer Zielqualität unter geringerem spezifischen thermischen Energieeintrag in die Schmelze in dem Sekundäraggregat weitere Behandlungsschritte zu vollziehen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Anlage zumindest eine Einlegevorrichtung zum Einlegen des Gemenges umfasst, welche derart positioniert ist, dass das Gemenge im Wesentlichen auf den oberen Rand der Innenwand des rotationssymmetrischen Hohlkörpers der drehbaren Vorrichtung aufgelegt werden kann. Somit bietet die Erfindung vorteilhafterweise die Möglichkeit, das Gemenge gezielt am oberen Rand der Innenwand auflegen zu können. Das definierte Auflegen des Gemenges im oberen Teil der Innenwandparabel trägt zur Sicherstellung einer vorbestimmten Glasqualität bei.
Die Gemengeinlage ist ein wichtiger Bestandteil der Vorrichtung und hat ebenfalls Einfluss auf die Glasqualität.
Als Einlegevorrichtung kann im einfachsten Fall ein Rohr verwendet werden. Eine definierte Gemengeeinlage lässt sich in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, dass das Gemenge über eine Dosiereinrichtung wie zum Beispiel Schraubeneinleger oder über eine gewichtsabhängige Steuerung dosiert und über ein Rohr mittels eines Fördergases (zum Beispiel Luft oder bevorzugt brennbare Gase wie zum Beispiel Methangas) an die Innenwand der drehbaren Vorrichtung gebracht wird.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung ermöglicht die Vorrichtung zur Gemengeeinlage eine große Variabilität. Die Einlagemenge kann stark variiert und Einlageort, Einlagefläche und Art der Einlage können nahezu frei gewählt werden. Die Einlegeart kann dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich mit frei wählbarem Einlage-Intervall unter Einbeziehung einer Orts- und/oder Flächenkonstanz variiert werden. Dabei wird das Gemenge durch eine Lanze, die gekühlt sein kann, mittels eines Fördergases wie zum Beispiel Luft oder andere Gase, bevorzugt brennbare Gase wie zum Beispiel Methangas in den Ofenraum gefördert.
Durch Anpassung der Lanzengeometrie, speziell Leitungsquerschnitt und Austrittsdüse lässt sich die Einlagefläche gemäß der gewählten Einlagemenge sowie Impuls des austretenden Gemenges anpassen. Die Lanzen werden dabei über frei bewegliche Halter in den Ofenraum eingeführt und können eine starre Einlegeposition einnehmen oder mittels entsprechender Vorrichtungen in Höhe und Drehwinkel variiert und bewegt werden. Die Gemengeeinlage kann auch über mehrere Einlegelanzen oder Einlegesysteme erfolgen.
Als vorteilhaft hat es sich dabei des Weiteren erwiesen, wenn das Gemenge mit Hilfe einer gekühlten Einlegevorrichtung eingelegt wird. Daher sieht die Erfindung ferner vor, dass die Anlage zumindest eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Einlegevorrichtung zum Einlegen des Gemenges mittels eines Kühlfluids, insbesondere mittels Kühlwasser aufweist. Als Einlegevorrichtung kann im einfachsten Fall ein Rohr verwendet werden. Eine noch genauere Gemengeeinlage lässt sich in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, dass das Gemenge über eine Schraube beziehungsweise über einen Schneckeneinleger gefördert oder durch ein Einlegerohr mit Hilfe von Druckluft an die Innenwand der drehbaren Vorrichtung gesprüht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anlage einen Oberofen, durch den hindurch sich die Einlegevorrichtung erstreckt, so dass Gemenge von außerhalb des Oberofens auf die Innenwand des rotationssymmetrischen Hohlkörpers transportiert werden kann, und durch den hindurch sich zumindest ein Brenner zum Beheizen des Gemenges auf der Innenwand des rotationssymmetrischen Hohlkörpers erstreckt. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Anlage kann insbesondere derart ausgeführt werden, dass über der rotierenden Vorrichtung ein feststehender Oberofen aus feuerfestem Material angeordnet wird. Durch den Oberofen erfolgt die Zugabe des Gemenges. Im Oberofen befinden sich Öffnungen für Brenner und den Abzug der Verbrennungsgase. Das Aufschmelzen des Gemenges kann beispielsweise mit Gas-Sauerstoff-Brennern erfolgen. Des Weiteren kann der Oberofen Öffnungen für Messgeräte und Steuerelemente der Anlage enthalten. Gemäß der Erfindung wird die Anlage insbesondere mit einem feststehenden Oberofen, das heißt mit einem Oberofen, welcher sich nicht mit der drehbaren Vorrichtung mitdreht, betrieben.
Bei der Umstellung von einem Glas auf ein anderes Glas können sich bei gleicher vorgegebener Glasqualität am Ausgang der drehbaren Vorrichtung die einzuhaltenden Ausmaße der Schmelzwanne des Sekundäraggregats deutlich ändern. Die Erfindung sieht dafür vorteilhafterweise vor, dass einzelne Teile der gesamten Anlage verschoben werden können. Auch der Oberofen ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung daher so aufgebaut, dass er insbesondere nach oben abgehoben und verfahren werden kann. Die Anlage umfasst vorteilhafterweise zudem eine Hebevorrichtung zum Anheben des Oberofens.
Zum Schutz des Mantels der drehbaren Vorrichtung gegen Überhitzung kann der Mantel gekühlt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Anlage zumindest eine weitere Kühlvorrichtung zum Kühlen der drehbaren Vorrichtung umfasst. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung zumindest eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Kühlfluids, insbesondere Wasser, sowie zumindest eine Düse zum Aufbringen, insbesondere zum Aufsprühen des Kühlfluids auf den Mantel der drehbaren Vorrichtung umfasst. Der Mantel der drehbaren Vorrichtung kann von einem Kühlsystem, das aus mindestens einem Düsensystem besteht, umgeben sein.
Aufgrund der bevorzugt parabelförmigen Gestalt der Kontur der Innenfläche der drehbaren Vorrichtung ist der obere Bereich der drehbaren Vorrichtung gegen Überhitzung stärker gefährdet als der untere. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, mit einem doppelten unabhängigen Düsensystem zu arbeiten, so dass der obere Bereich des Mantels der drehbaren Vorrichtung stärker gekühlt werden kann als der untere. Die Erfindung sieht daher vorteilhafterweise vor, dass die Kühlvorrichtung mehrere Einrichtungen zum Bereitstellen eines Kühlfluids, insbesondere Wasser mit mehreren Düsen zum Aufbringen, insbesondere Aufsprühen des Kühlfluids auf den Mantel der drehbaren Vorrichtung umfasst, wobei die Einrichtungen mit den Düsen in zumindest zwei vertikal voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind. Damit kann vorteilhafterweise der komplette Mantel von der Kühlflüssigkeit erreicht werden. Als Kühlflüssigkeit kann vorteilhafterweise Wasser verwendet werden, es können jedoch auch andere Kühlflüssigkeiten eingesetzt werden.
Die Anlage kann des Weiteren vorteilhafterweise zumindest eine Kapsel, insbesondere eine feststehende Kapsel umfassen, welche die drehbare Vorrichtung derart umschließt, dass von dem Mantel der drehbaren Vorrichtung ablaufende Kühlflüssigkeit in der Kapsel gesammelt werden kann und dass die Anlage zumindest eine Rückführvorrichtung zum Rückführen der in der Kapsel gesammelten Kühlflüssigkeit in die Einrichtung zum Bereitstellen eines Kühlfluids aufweist.
Insbesondere kann die Kühlung der drehbaren Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass der rotierende Stahlzylinder außen von einem feststehenden Stahlmantel umgeben ist. Die Kühlflüssigkeit kann durch den feststehenden Stahlmantel nicht nach außen treten und wird in einer feststehenden Wanne aufgefangen. Die Kühlflüssigkeit kann nach der Verwendung beispielsweise in einem Kühlturm abgekühlt und den Düsen wieder zugeführt werden.
Um die drehbare Vorrichtung in der erfindungsgemäßen Anlage betreiben zu können, kann die Anlage eine Lagervorrichtung zum Lagern der drehbaren Vorrichtung umfassen. Beispielsweise kann die drehbare Vorrichtung auf einer Plattform stehen, welche die Lagervorrichtung aufweist. Die Lagervorrichtung kann insbesondere zumindest ein Kugellager umfassen. Außer Kugellagern können im Rahmen der Erfindung Lager mit beliebigen Wälzkörpern eingesetzt werden, zum Beispiel auch Lager mit tonnenförmigen Wälzkörpern. Die Lagervorrichtung kann ein einziges Großlager umfassen. Unter dem Begriff ”Großlager” werden Wälzkörperlager mit Durchmessern von 20 cm bis 3 m verstanden, die für Drehzahlen im Bereich von 5 min^-1 bis 200 min^-1 hinsichtlich Lauffläche und Beanspruchbarkeit der Wälzkörper ausgelegt sind.
Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass die Lagervorrichtung mehrere voneinander unabhängige Lager umfasst, um die radial und vertikal auftretenden Kräfte der drehbaren Vorrichtung aufnehmen zu können. Gemäß der Erfindung kann die Lagerung der drehbaren Vorrichtung im unteren Drittel der drehbaren Vorrichtung erfolgen. Eine zusätzliche Unterstützung im oberen Bereich der drehbaren Vorrichtung ist daher vorteilhafterweise nicht nötig. Gemäß der Erfindung kann die drehbare Vorrichtung somit besonders einfach aus- und eingebaut werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Anlage eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der drehbaren Vorrichtung. Vorteilhafterweise kann die Antriebsvorrichtung einen Reibradantrieb zum Antreiben der drehbaren Vorrichtung aufweisen. Gemäß der Erfindung kann die Antriebsvorrichtung insbesondere zumindest zwei, insbesondere zwei unabhängig voneinander betreibbare Reibräder, insbesondere mit zwei voneinander unabhängigen Antrieben aufweisen.
In einer Ausgestaltung der drehbaren Vorrichtung kann die drehbare Vorrichtung einen Stahlzylinder mit Boden umfassen, der auf einem Lager steht. Das Lager besteht beispielsweise aus einem Kugellagerkranz. Der Stahlzylinder wird durch einen Reibradantrieb angetrieben. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Reibradantrieb aus zwei Rädern besteht, von denen jedes für sich ausreicht, um die gewünschte Drehzahl zu erreichen. Der Vorteil zweier Antriebsräder liegt darin, dass bei Ausfall eines Rades der Betrieb der drehbaren Vorrichtung aufrecht erhalten werden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage ist vorgesehen, dass die Antriebsvorrichtung zumindest eine Vorrichtung zum Einstellen des Antriebsdruckes der Reifen der Reibräder umfasst. Insbesondere kann die Antriebsvorrichtung zwei voneinander unabhängig betreibbare Vorrichtungen zum jeweiligen Einstellen des Antriebsdruckes der Reifen zweier Reibräder umfassen. Damit kann vorteilhafterweise Redundanz sichergestellt werden. Durch die voneinander autarken Systeme ist der Wechsel auch im Betrieb möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage bilden die Lagervorrichtung und die Antriebsvorrichtung eine von der drehbaren Vorrichtung unabhängige Einheit.
Indem die Lagervorrichtung und die Antriebsvorrichtung eine von der drehbaren Vorrichtung unabhängige Einheit bilden, kann vorteilhafterweise die Flexibilität der Anlage erhöht werden. So ist ein Wechsel der drehbaren Vorrichtung sowohl im Hinblick auf andere Anforderungen an ihre Funktion, als auch im Hinblick auf die erforderliche Größe jederzeit schnell möglich.
Zur vorteilhaften Ausgestaltung der drehbaren Vorrichtung beziehungsweise der Anlage gemäß der Erfindung trägt auch die gezielte Gestaltung der Übergänge von rotierenden zu feststehenden Komponenten bei.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Anlage zumindest eine feststehende Einrichtung umfasst, insbesondere ein Übergangselement, welche im Bereich des Auslasses der drehbaren Vorrichtung positioniert ist und die Schmelze von der drehbaren Vorrichtung der Weiterbehandlung zuführt, wobei zwischen der drehbaren Vorrichtung und der feststehenden Einrichtung, insbesondere zwischen dem Auslass der drehbare Vorrichtung und dem Übergangselement, zumindest ein Spalt vorbestimmbarer Breite ausgebildet ist. In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Spalt zwischen der drehbaren Vorrichtung und der feststehenden Einrichtung, insbesondere zwischen dem Auslass der drehbaren Vorrichtung und dem Übergangselement gegenüber der die Anlage umgebendenen Atmosphäre abgedichtet ist. Dies gilt auch für den Übergang von rotierendem Topf zum stehenden Oberofen analog.
Insbesondere kann die Anlage zumindest eine Wasserdichtung zur Abdichtung des Spaltes zwischen der drehbaren Vorrichtung und der feststehenden Einrichtung, insbesondere zwischen dem Auslass der drehbaren Vorrichtung und dem Übergangselement, gegenüber der die Anlage umgebenden Atmosphäre umfassen. Eine Wasserdichtung wird zur Vermeidung von Übergängen von Gasen von innen nach außen beziehungsweise umgekehrt durch Ausbildung eines wasserführenden Kanals mit eintauchenden Leitblechen, so daß ein direkter Gasaustausch unterbunden wird beziehungsweise nur durch den Wasserkanal möglich wäre, eingesetzt.
Durch diese Art der Abdichtung wird vorteilhafterweise mit einfachen Mitteln der Staubaustrag aus der Anlage in die Umgebung vermieden und eine erhöhte Wärmeabstrahlung nach außen erfindungsgemäß unterbunden.
Um eine flexible Handhabung der erfindungsgemäßen Anlage und ihrer Komponenten zur Verfügung zu ermöglichen, ist gemäß der Erfindung des Weiteren vorgesehen, dass die Anlage zumindest eine Wechselvorrichtung zum Auswechseln der drehbaren Vorrichtung und/oder der Schmelzwanne umfasst. Die Wechselvorrichtung zum Auswechseln der drehbaren Vorrichtung kann in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Hebevorrichtung zum Anheben der drehbaren Vorrichtung oder des Mantels der drehbaren Vorrichtung umfassen.
Die drehbare Vorrichtung und/oder die zumindest eine Schmelzwanne sind insbesondere verschiebbar, beispielsweise auf Schienen positioniert. So können einzelne Teile der gesamten Anlage verschoben werden. Die drehbare Vorrichtung kann beispielsweise von der Lagerung abgehoben und ausgetauscht werden. Die drehbare Vorrichtung kann sich auch mitsamt der Lagereinrichtung auf Schienen befinden und somit seitlich verfahren werden. Auch die Schmelzwanne kann auf Schienen positioniert sein und somit leicht verfahren werden. Alle Komponenten der erfindungsgemäßen Anlage können daher auf vorteilhaft einfache Weise gegen Aggregate mit anderen Abmaßen ausgetauscht werden. Die Anlage kann erfindungsgemäß mehrere drehbare Vorrichtungen und/oder mehrere Schmelzwannen umfassen, welche parallel und/oder in Reihe zu Schmelzeinheiten verbindbar sind.
Die Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer Schmelze, insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas zur Verfügung mit folgenden Schritten:

a) Bereitstellen eines Gemenges
b) Einlegen des Gemenges in den Einlass einer oben beschriebenen drehbaren Vorrichtung, so dass auf der Innenwand der drehbaren Vorrichtung eine Schicht aus Gemenge gebildet wird,
c) Drehen der Vorrichtung mit einer Drehzahl f
d) Beheizen des Gemenges und/oder der sich durch das Beheizen bildenden Schmelze auf der Innenwand der Vorrichtung
e) Entnehmen der Schmelze und/oder des Gemisches aus Schmelze und Gemenge aus dem Auslass der drehbaren Vorrichtung,

_min

_Gas

Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Schmelze kann vorteilhafterweise eine vorbestimmte Glasqualität am Auslass der Vorrichtung zuverlässig eingehalten werden. Zudem ist ein schnelles Umschmelzen von einer Art der Schmelze auf eine andere Art der Schmelze möglich. Insbesondere kann das aufgelegte Gemenge mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Schmelze nahezu vollständig aufgeschmolzen werden, wobei die Schmelze am Auslass der drehbaren Vorrichtung einen sehr geringen Gasgehalt hat.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Schmelze kann zudem vorteilhafterweise mit hohen Schmelztemperaturen realisiert werden. Es ist möglich, Gemenge in einer drehbaren Vorrichtung derart aufzuschmelzen, dass die Glasschmelzschicht auf der Innenwand der drehbaren Vorrichtung so dick ist, dass die Wärmestrahlung auch die unmittelbar an der keramischen Innenwand befindliche Glasschmelzschicht erreicht und damit die gesamte Glasschmelze die eingestellte Schmelztemperatur erreicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Schmelze wird zudem die Möglichkeit geschaffen, sicherzustellen, dass der Glasfluss nur in eine Richtung erfolgt, so dass bereits aufgeschmolzenes Material sich nicht in noch nicht aufgeschmolzenem Material rückmischen kann. Durch die enge Temperaturverteilung aufgrund der gezielt eingestellten Schichtdicke der Glasschmelze auf der Innenwand der drehbaren Vorrichtung wird zudem die Möglichkeit geschaffen, besonders hohe Temperaturen für nahezu alle Fluidelemente der Schmelze realisieren zu können. Die Temperaturverteilung für alle Fluidelemente ist damit vorteilhafterweise sehr eng.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Schmelze ist vorgesehen, dass die Dicke d* der Schmelze auf der Innenwand der drehbaren Vorrichtung kleiner oder gleich 5 cm, insbesondere kleiner oder gleich 3 cm ist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass bei Schichtdicken unter 5 cm, vorzugsweise unter 3 cm eine sehr gleichmäßige Erwärmung über die gesamte Schmelzschicht hinweg stattfindet. Bei einer Glasschmelze mit einer sehr hohen Wärmetransmission bei der Schmelztemperatur könnten auch Schichten mit Dicken von mehr als 5 cm von der Wärmestrahlung noch vollständig durchdrungen werden. Insbesondere bei Farbgläsern, die im Bereich des Infrarot eine hohe Absorption haben, sollte die Schicht gemäß der Erfindung eine Dicke von weniger als 3 cm, vorzugsweise von weniger als 2 cm aufweisen.
Schichtdicken von weniger als 5 cm, insbesondere von weniger als 3 cm in der drehbaren Vorrichtung können insbesondere dann sicher erzielt werden, wenn des Gemenge auf einer Innenwand aus feuerfestem Material aufgebracht wird und abschmilzt. Eine Innenwand aus feuerfestem Material nimmt an dem Einschmelzprozess praktisch nicht teil. Sie limitiert dadurch die Gemenge- oder Glasschmelzschicht zur Wand hin in definierter Weise. In diesem Fall ist der Temperaturabfall in der Glasschmelze von der Oberfläche zur keramischen Innenwand hin relativ gering. Der Temperaturabfall nach außen hin erfolgt erst im Feuerfestmaterial. Zur Berechnung der minimalen Verweilzeit t_min wird die Temperatur der Schmelze an der Oberfläche der Innenwand der drehbaren Vorrichtung herangezogen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur T_m in der drehbaren Vorrichtung größer oder gleich 1600°C, insbesondere größer oder gleich 1650°C ist. Damit ist mit Hilfe der Erfindung vorteilhafterweise ein Hochtemperatureinschmelzen möglich. Damit bietet die Erfindung die Möglichkeit, auch hochschmelzende Gläser wie Alumino-Silikat-, Boro-Silikat-, Boro-Alumino-Silikat-Gläser oder alkaliarme beziehungsweise alkalifreie Gläser zu schmelzen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Schmelze kann der Mindestaufschmelzgrad A_min im Bereich von Werten größer oder gleich 95%, insbesondere im Bereich von Werten größer oder gleich 98% liegen. Der Gasgehalt c_Gas kann im Bereich von Werten kleiner oder gleich 10 Vol.-%, insbesondere im Bereich von Werten kleiner oder gleich 5 Vol.-% liegen.
Im Rahmen der Erfindung wird die drehbare Vorrichtung bevorzugt mit einer Drehzahl gefahren, die der Drehzahl entspricht, welche zur Einstellung einer Gleichgewichtskontur an der Innenfläche der drehbaren Vorrichtung entspricht. Die Erfindung bietet jedoch auch die Möglichkeit, die Drehzahl zu variieren.
Dazu ist in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Schmelze vorgesehen, dass die Drehzahl f zum Drehen der drehbaren Vorrichtung gemäß Schritt c) auf einen Wert im Bereich von größer oder gleich des 0,9-fachen der Zielrotationsfrequenz f* bis kleiner oder gleich der Zielrotationsfrequenz f*, insbesondere im Bereich von größer oder gleich des 0,9-fachen bevorzugt von größer oder gleich des 0,95-fachen der Zielrotationsfrequenz f* bis zum Wert der Zielrotationsfrequenz f*, insbesondere auf den Wert von f* eingestellt und/oder gesteuert, und/oder geregelt wird.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass das Dünnschichtschmelzen in einer drehbaren Vorrichtung mit einer der Drehzahl angepassten Innenwandkontur zu einem extrem kleinen Verhältnis von Glasinhalt der drehbaren Vorrichtung zum jeweiligen Tagesdurchsatz führt. Vorteilhafterweise bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, dass das Verhältnis der Menge der Schmelze in der drehbaren Vorrichtung m_schmelze zu der Menge der Schmelze, welche an einem Tag durch die drehbare Vorrichtung läuft m_{schmelze_d} auf einen Wert im Bereich von kleiner oder gleich 1:20, insbesondere einen Wert im Bereich von kleiner oder gleich 1:50 eingestellt und/oder gesteuert und/oder geregelt wird.
Vorteilhafterweise kann insbesondere der Umschmelzvorgang weiter beschleunigt werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit den weiteren Schritten

f) Stoppen der Drehung der drehbaren Vorrichtung,
g) Entleeren der drehbaren Vorrichtung

_W

Die Wechselzeit oder Umschmelzdauer definiert die Dauer vom Beginn des Umschmelzvorganges, also der Eingabe des ersten Gemenges des Zielglases, bis zum Erreichen der Ziel-Spezifikation des Zielglases hinsichtlich der definierten Parameter wie beispielsweise chemische Zusammensetzung, Eigenschaften, Glasqualität, etc.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer bevorzugten Weiterbildung die weiteren Schritte

h) Bereitstellen einer Schmelzwanne,
i) Überführen der Schmelze aus der drehbaren Vorrichtung in die Schmelzwanne und
j) Behandeln der Schmelze in der Schmelzwanne

Die Schmelzwanne kann aus einer beheizten Wanne mit einem Oberofen, einem Zulauf in der Decke und einem Ablauf, der beispielsweise zu einer Läuterkammer führen kann, bestehen. Als Befeuerung für die Schmelzwanne können sowohl Brenner als auch Elektroden dienen. Der Oberofen der Schmelzwanne enthält beispielsweise auch einen Abzug für die Verbrennungsgase.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zumindest einen Teil der Abgase nach unten durch den Wannenauslauf der drehbaren Vorrichtung zu ziehen. Dadurch wird das aus der drehbaren Vorrichtung abfließende Glas heiß gehalten, und Verstopfungen des Ausflusses der drehbaren Vorrichtung können vorteilhafterweise vermieden werden.
Die aus der drehbaren Vorrichtung in die Schmelzwanne fließende Glasschmelze kann noch einen relativ hohen Gehalt an Blasen enthalten. Die Dichte dieser Glasschmelze kann deutlich geringer als die Dichte einer Glasschmelze ohne Blasen sein. Aufgrund der geringeren Dichte der Glasschmelze aus der drehbaren Vorrichtung besteht die Gefahr, dass diese Schmelze auf einer Glasschmelze mit geringerem Blasengehalt aufschwimmt.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Schmelzwanne, beispielsweise im Boden, Blasdüsen oder Elektroden enthält, welche die Glasschmelze in der Schmelzwanne zwangsdurchmischen. Als besonders vorteilhaft hat sich das sogenannte Längs-Bubbling erwiesen. Beim Längs-Bubbling sind Blasdüsen in Flussrichtung der Glasschmelze durch die Wanne hintereinander in der Wanne angeordnet. Gemäß der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Behandeln der Schmelze in der Schmelzwanne ein Begasen der Schmelze umfasst, insbesondere ein Begasen mit durch entlang der Strömungsrichtung der Schmelze durch die Schmelzwanne in der Schmelzwanne, insbesondere im Boden der Schmelzwanne angeordneten Düsen eingetragenem Gas.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Verfahren zum Herstellen einer Schmelze gemäß der Erfindung den weiteren Schritt

k) Läutern der Schmelze, insbesondere Hochtemperaturläutern der Schmelze

Die Temperatur während des Läuterns der Schmelze kann erfindungsgemäß in bevorzugter Weiterbildung oberhalb von 1600°0 liegen, so daß vorteilhafterweise auch hochschmelzende Gläser mit der Erfindung schnell und mit hoher Qualität der Schmelze aufgeschmolzen werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dieselben Bauteile sind auf allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage mit drehbarer Vorrichtung und nachgeschalteter Schmelzwanne im Querschnitt,
2 eine schematische Darstellung einer Lagerung für die drehbare Vorrichtung in Aufsicht,
3 Konturen (z, r) in Form von Gleichgewichtsparabeln für verschiedene Drehzahlen für die Innenfläche der drehbaren Vorrichtung, indem die Höhe über dem Radius aufgetragen und in dem resultierenden Diagramm nur eine Hälfte der rotationssymmetrischen Kontur dargestellt ist,
4 eine schematische Darstellung der drehbaren Vorrichtung mit Oberofen im Querschnitt,
5 ein Diagramm, in welchem die Reaktionsrate k(T) als Funktion der Temperatur für verschiedene Glaszusammensetzungen aufgetragen ist,
6 ein Diagramm, in welchem die minimale Verweilzeit t_min als Funktion der Temperatur für verschiedene Glasqualitäten aufgetragen ist,
7 ein Diagramm, in welchem der Flächenbedarf für ein Alumino-Silikat-Glas als Funktion der Glasqualität A_min für einen gegebenen Durchsatz, eine gegebene Schmelztemperatur, eine gegebene Dichte der Glasschmelze und eine gegebene Dicke der Glasschmelzschicht aufgetragen ist,
8 ein Diagramm, in welchem der Radius der drehbaren Vorrichtung am Einlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl für verschiedene Höhen der drehbaren Vorrichtung aufgetragen ist,
9 ein Diagramm, in welchem der Wert für die Innenfläche der drehbaren Vorrichtung mit der Kontur einer Gleichgewichtsparabel als Funktion des Radius der drehbaren Vorrichtung am Einlauf für verschiedene Höhen der drehbaren Vorrichtung aufgetragen ist,
10 ein Diagramm, in welchem das Verhältnis des Tagesdurchsatzes in Tonnen pro Tag (t/d) zum Wanneninhalt als Funktion der Glasqualität A_min für verschiedene Dicken der Glasschmelze aufgetragen ist.
In 1 ist eine Ansicht der erfindungsgemäßen Anlage 1 dargestellt. Auf einer feststehenden Plattform 3 ist eine drehbare Vorrichtung 2 gelagert. Unter der drehbaren Vorrichtung 2 ist eine Schmelzwanne 5 angeordnet. Oberhalb der drehbaren Vorrichtung 2 befindet sich ein Oberofen 8 der drehbaren Vorrichtung 2. Des Weiteren sind im Oberofen 8 der drehbaren Vorrichtung 2 Brenner 82 angeordnet. Der Oberofen 8 der drehbaren Vorrichtung 2 weist des Weiteren einen Abzug 81 auf. Der Innenraum des Oberofens 8 der drehbaren Vorrichtung 2 sowie der drehbaren Vorrichtung 2 selbst kann über Messgeräte, wie beispielsweise Pyrometer und/oder Kamera 83 überwacht werden.
Die drehbare Vorrichtung 2 hat eine parabelförmige Kontur ihrer Innenwandfläche 21 des Glaskontaktmaterials. Als Glaskontaktmaterial kann ein Feuerfestmaterial eingesetzt werden. Die drehbare Vorrichtung 2 hat außen einen Mantel 25, welcher insbesondere als Stahlmantel ausgebildet sein kann. Zwischen dem Glaskontaktmaterial 21 und dem Mantel 25 ist ein Zwischenraum, welcher mit unten näher beschriebener Isolation versehen ist.
Die drehbare Vorrichtung 2 hat einen Einlauf 20 und einen Auslauf 29. Verlässt das Glas die drehbare Vorrichtung 2 durch den Auslauf 29, gelangt es in die Schmelzwanne 5. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird die Glasschmelze 4 in der Schmelzwanne 5 zunächst einem Längs-Bubbling durch Begasung durch die Düsen 52 der Schmelzwanne 5 hindurch unterzogen, um danach durch einen Durchlass 53 unter einem Wall 54 in eine Rinne 55 zu gelangen, von wo aus die in der Schmelzwanne 5 behandelte Schmelze 4 der Weiterverarbeitung zugeführt werden kann. Die Schmelzwanne 5 hat einen Oberofen 9, in welchem zur Beheizung der Schmelze 4 in der Schmelzwanne 5 Brenner angeordnet werden können. Der Oberofen 9 weist einen Abzug 91 auf.
Die drehbare Vorrichtung 2 ist in der feststehenden Plattform 3 über eine Lagervorrichtung 7 gelagert. Die Lagerung der drehbaren Vorrichtung 2 erfolgt dabei im unteren Drittel der drehbaren Vorrichtung. Eine zusätzliche Unterstützung im oberen Bereich der drehbaren Vorrichtung 2 ist nicht erforderlich. Die drehbare Vorrichtung 2 kann daher sehr einfach aus- und eingebaut werden, da sie ohne aufwendige Arbeiten zum Ausbau eines oberen Lagers einfach aus der Lagerung 7 im Bereich ihres unteren Drittels herausgehoben werden kann.
In 2 ist eine Aufsicht auf eine derartige Lagervorrichtung 7 gezeigt. Man erkennt die Plattform 3 sowie Antriebseinrichtungen 6, von denen in dem in 2 gezeigtem Beispiel zwei in Gestalt von Motoren 61 gezeigt sind. Die Lagereinrichtung 7 besteht in dem in 2 gezeigten Beispiel aus einem Großlager. Von dem Großlager erkennt man den äußeren feststehenden Ring 71 Zeichnung ändern, welcher mit der Plattform 3 verbunden ist. Der innere bewegliche Ring 72 ist mit dem Mantel 25 der drehbaren Vorrichtung 2 verbindbar. Zwischen dem inneren und äußeren Ring 72, 71 des Lagers 7 befinden sich Wälzkörper 75.
Für die Innenwandkontur der drehbaren Vorrichtung 2 sind in 3 Gleichgewichtsparabeln für verschiedene Drehzahlen von 20 min^–1 bis 100 min^–1 für eine drehbare Vorrichtung 2 mit einem Durchmesser am Einlauf 20 von 0,8 m gezeigt. Die jeweilige Höhe z ist proportional zum Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit und dem Quadrat des jeweiligen Radius der drehbaren Vorrichtung 2. Die angegebenen Kurven beschreiben im hydrostatischen Fall die Oberfläche einer in einem drehenden Hohlzylinder ruhenden Flüssigkeit. Auf dieser Oberfläche heben sich Zentrifugal- und Schwerkraftwirkung gerade auf.
Wird in diesem hydrostatischen Zustand auf einer Höhe Z > 0 eine waagerechte Ebene eingeschoben, um einen Auslauf 29 der drehbaren Vorrichtung 2 zu definieren, ändert sich an diesem Kräftegleichgewicht nichts. Die sogenannte hydrostatische Oberfläche der drehbaren Vorrichtung mit Auslauföffnung entspricht daher der gezeigten Gleichgewichtsparabel, welche soweit nach unten geschoben ist, dass sie gerade den Rand der Auslauföffnung schneidet. Die verschobene Parabel ist die Gleichgewichtskontur der drehbaren Vorrichtung 2.
In 4 ist der Innenaufbau der drehbaren Vorrichtung im Längsschnitt genauer dargestellt. Außer der drehbaren Vorrichtung 2 ist der Oberofen 8 der drehbaren Vorrichtung 2 zu erkennen. Des Weiteren ist in 4 eine Einleglanze 84 dargestellt, mit welcher Gemenge auf das Glaskontaktmaterial 21 im Gemengeauflagebereich 41 aufgelegt werden kann. Auf der Innenwandfläche der drehbaren Vorrichtung 2 schmilzt das aufgelegte Gemenge ab, so dass Glasschmelze 4 vom Bereich der Gemengeauflage 41 auf der Innenwandfläche der drehbaren Vorrichtung 2 zum Auslauf 29 der drehbaren Vorrichtung 2 hin läuft. Von der drehbaren Vorrichtung 2 ist der rotationssymmetrische Hohlkörper 200 gezeigt. Die dargestellte Längsachse ist die Rotationsachse des rotationssymmetrischen Hohlkörpers 200.
Der rotationssymmetrische Hohlkörper 200 der drehbaren Vorrichtung 2 umfasst einen Mantel 25 und ein Glaskontaktmaterial 21, welches die Innenwandkontur der drehbaren Vorrichtung 2 bildet. Der Mantel kann beispielsweise als Stahlmantel ausgeführt sein. Die Gestalt des Mantels kann variiert werden, insbesondere kann der Mantel 25 konisch, zylindrisch oder parabelförmig ausgeführt sein.
Das Glaskontaktmaterial 21 ist im in 4 gezeigten Beispiel aus einzelnen Steinen aufgebaut. Zwischen dem Stahlmantel 25 und dem Glaskontaktmaterial 21, welches die Innenfläche der drehbaren Vorrichtung 2 definiert, ist eine Isolation 22 vorgesehen. Im gezeigten Beispiel sind Isoliersteine, beispielsweise Feuerleichtsteine der ASTM-Klassifizierung 26, in einer Lage eingesetzt.
Um die parabelförmige Innenwandkontur des Glaskontaktmaterials 21 sehr genau ausbilden zu können, ist zwischen der Isolation 22 und dem Glaskontaktmaterial 21 eine monolithische Stampfmasse 23 als Übergangsmaterial vorgesehen. Um den Zwischenraum zwischen dem Stahlmantel 25 und der keramischen Isolation 22 auszufüllen, ist Isoliersplitt beziehungsweise Isoliergries 24 eingesetzt.
In 4 sind des Weiteren Düsen 10 gezeigt, mit welchen ein Kühlfluid auf das Äußere des Mantels 25 gesprüht werden kann, was durch die mit gestrichelten Linien skizzierten Sprühkegel in 4 angedeutet ist. Man erkennt, dass Düsen 10 in mehreren vertikalen Bereichen angeordnet wurden, um die gesamte Außenwand des Mantels 25 kühlen zu können.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert. Für dieses Beispiel wird eine drehbare Vorrichtung für folgende Parameter konzipiert:

Glasart: Alumino-Silikat-Glas

Durchsatz: 10 Tonnen pro Tag

Schmelztemperatur: 1650°C

Mindestaufschmelzgrad: 99,5%
Von dem Alumino-Silikat-Glas wird zunächst die Reaktionsrate k(T) wie folgt bestimmt. In einzelnen Tiegeln werden Proben von purem Gemenge gleicher Masse bei jeweils konstanter Temperatur geschmolzen. Nach einer Zeit t wird der Schmelzvorgang abgebrochen. Die zumindest teilweise aufgeschmolzene Probe wird abgeschreckt und zum Homogenisieren gemahlen. Anschließend wird das Verhältnis von kristallinem zu amorphem Feststoff der Probe mittels Bestimmung des Siliziumdioxyds mittels XRD-Messungen ermittelt. Die Angabe des Verhältnisses von kristallinem zu amorphem Feststoff erfolgt in Gewichtsprozent.
Durch die beschriebenen Messungen erhält man einen Datensatz von Aufschmelzgraden A in Form des Verhältnisses von amorphem zu kristallinem Feststoff und den zugehörigen Zeiten t bei der betrachteten Temperatur T. Für die Auslegung wird ein Wert des Aufschmelzgrades als mindestens geforderter Aufschmelzgrad A_min herangezogen. An die über der Zeit t aufgetragenen Werte für den amorphen Massenanteil wird eine Reaktionsfunktion zweiter Ordnung angefittet. Der amorphe Massenanteil entspricht dem Anteil von aufgeschmolzenem Gemenge c_melt. Für die Reaktion zweiter Ordnung gilt folgender Zusammenhang:
In Abhängigkeit von der jeweils betrachteten Temperatur T lässt sich aus den gefitteten Reaktionsfunktionen die jeweilige Reaktionsrate k(T) berechnen.
In 5 sind die ermittelten Reaktionsraten k(T) als Funktion der Temperatur T in Grad Celsius dargestellt. Neben den Daten für das Alumino-Silikat-Glas sind noch die Reaktionsraten von einem Alumino-Borosilikatglas und einem Borosilikatglas eingezeichnet. Aus dem Diagramm in 5 geht die starke Abhängigkeit der Reaktionsrate k(T) sowohl von der Temperatur als auch von der Glaszusammensetzung hervor.
Den Kurven in 5 liegt folgende Gleichung und experimentell ermittelte Werte zur Ermittlung der Reaktionsrate k(T) als Funktion der Temperatur zugrunde:

Alumino-Borosilikatglas: lg(k₀) = 6,4; T₀ = 14725,

Alumino-Silikat-Glas: lg(k₀) = 9,648; T₀ = 20020,

Borosilikatglas: lg(k₀) = 7,6; T₀ = 15040.
Die Reaktionsraten k(T) bei 1650°C sind für

Alumino-Silikat-Glas: 0,1725 s^–1,

Alumino-Borosilikatglas: 0,055 s^–1,

Borosilikatglas: 0,601 s^–1.
Die Reaktionsraten werden im Wesentlichen durch die Auflösung von Quarzsand, das heißt von SiO₂, bestimmt. Die Quarzsand-Löslichkeit ist sowohl von der Temperatur als auch von der Zusammensetzung des Glases abhängig. Für das Alumino-Silikat-Glas, für das die Auslegung im betrachteten Beispiel erfolgt, ergibt sich für k(T) bei T = 1650°C ein Wert von 0,1725 s^–1. Mit Hilfe der Reaktionsrate lässt sich unter der Voraussetzung, dass die Innenwand der drehbaren Vorrichtung die Form einer Gleichgewichtsparabel besitzt, die minimale Verweilzeit t_min der Glasschmelze in der Rotationswanne berechnen, welche die Glasschmelze benötigt, um die geforderte Glasqualität zu erreichen.
In 6 ist die minimale Verweilzeit t_min als Funktion der Temperatur T für verschiedene Mindestanforderungen A_min für das Alumino-Silikat-Glas dargestellt. Für das Alumino-Silikat-Glas ergibt sich bei einer Temperatur von 1.650°C eine Reaktionsrate von 0,1725 s^–1 und einem Aufschmelzgrad A_min von 99,5% eine minimale Verweilzeit t_min von 19,2 Minuten.
Aus dem Diagramm in 6 geht die starke Temperaturabhängigkeit der minimalen Verweilzeit t_min bei konstantem Aufschmelzgrad A_min hervor. Die Verweilzeit in der drehbaren Vorrichtung kann deutlich verringert werden, wenn es gelingt, die Temperatur T in der drehbaren Vorrichtung zu erhöhen. Bei einer Temperaturerhöhung um 100 K kann die Verweilzeit bis zu einem Faktor 3 verkürzt werden.
Aus 6 wird auch ersichtlich, dass bei gleicher Verweilzeit ein starker Temperaturgradient in einer Schicht zu einem sehr unterschiedlichen Aufschmelzgrad führt. Die minimale Verweilzeit t_min für einen vorgegeben Aufschmelzgrad Arm wird dabei durch die niedrigste Temperatur im betrachteten Fluidelement bestimmt. Ein schnelles und gutes Aufschmelzen erfordert daher eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Gemenge- und/oder Glasschmelzeschicht, welche sich auf der Innenwand der drehbaren Vorrichtung ausbildet.
Experimentell wurde gefunden, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Dimensionierens für kurze Aufschmelzzeiten bei gleichzeitig hoher Glasqualität, das heißt hohem Aufschmelzgrad Temperaturen von 1600°C und darüber hinaus von mehr als 1650°C in der Glasschmelze zu erreichen sind.
Die minimale Verweilzeit t_min kann auch experimentell mit Hilfe von Tracer-Versuchen bestimmt werden. Dazu wird Gemenge mit einem Tracer in die drehbare Vorrichtung aufgegeben und die Zeit (t_min) bestimmt, nach der das erste Fluidelement, welches Tracer enthält, am Auslauf der drehbaren Vorrichtung erscheint. Die Verweilzeit t_min ist dabei die kürzeste Verweilzeit der Schmelze in der drehbaren Vorrichtung.
Im Diagramm in 7 ist die am Auslauf der drehbaren Vorrichtung gemessene Tracer-Konzentration in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Als Tracer wurde SrO verwendet, die Einheit ”lmp./min” bedeutet Impulse der RFA pro Minute.
Der Tracer-Versuch für Alumino-Silikat-Glas wurde bei 1600°C durchgeführt. Dieser reale Tracerversuch dient als Erläuterung und zeigt, daß sich bei T = 1600°C und t_min = 6 min ein Aufschmelzgrad gemäß dem Diagramm in 6 von > 95 beziehungsweise < 99% ergibt. Dies stimmt mit den real gemessenen Werten von 98% gut überein
Das Scale-up der in den Tiegelschmelzversuchen ermittelten Werte auf die drehbare Vorrichtung gelingt dann besonders zuverlässig, wenn in der drehbaren Vorrichtung die Fluidelemente der Glasschmelze nahezu dieselbe Temperatur-Zeit-Historie und das dasselbe Temperaturprofil erfahren wie beim Schmelzen im Tiegel. Ist die drehbare Vorrichtung besonders zuverlässig isoliert und besteht die Innenwand aus einem keramischen Feuerfestmaterial, hat es sich gezeigt, dass diese Randbedingungen gut eingehalten werden können.
Der nächste Schritt bei der Konzipierung der drehbaren Vorrichtung ist eine Abschätzung des Flächenbedarfs der Innenwandkontur. Die Berechnung der Fläche der Innenwandkontur erfolgt mit Hilfe der Gleichung (4). Zur Berechnung des Flächenbedarfs für das Alumino-Silikat-Glas sind der Durchsatz mit 10 Tonnen pro Tag, das entspricht 6,9 Kilogramm pro Minute, und die minimale Verweilzeit t_min mit 19,2 Minuten für einen Aufschmelzgrad von 99,5% bei einer Temperatur von 1650°C herangezogen worden.
Die Dichte der Glasschmelze in der drehbaren Vorrichtung ist aufgrund des hohen Blasengehaltes während des Aufschmelzprozesses geringer als am Auslauf der drehbaren Vorrichtung. Die Dichte in der drehbaren Vorrichtung liegt im Mittel bei 1500 und 2000 Kilogramm pro Kubikmeter. Im Folgenden wird mit einer Dichte von 1500 Kilogramm pro Kubikmeter gerechnet.
In 7 ist der Flächenbedarf als Funktion der Glasqualität A_min für einen Durchsatz von 10 Tonnen pro Tag, einer Glasdichte von 1.500 Kilogramm pro Kubikmeter und einer Schichtdicke von 10 mm gezeigt. Man erkennt, dass der Flächenbedarf sehr stark abhängig ist von der Qualitätsanforderung A_min. Insbesondere bei Qualitätsanforderungen über 98% steigt der Flächenbedarf stark an.
Nachdem der Flächenbedarf abgeschätzt ist, werden die Maße wie insbesondere Durchmesser am Einlauf, Durchmesser am Auslauf und Höhe der keramischen Innenwand der drehbaren Vorrichtung festgelegt. Die in den Tiegelschmelzversuchen erhaltenen Werte lassen sich dann besonders gut auf die drehbare Vorrichtung übertragen, wenn die Innenwand von der Glasschmelze möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche bedeckt ist. Dies ist gemäß der Erfindung dann der Fall, wenn die Innenwand die Form einer Gleichgewichtsparabel aufweist.
Die zu einer vorgegebenen Drehzahl gehörende Gleichgewichtsparabel ist definitionsgemäß gerade die Wandkontur, auf der Kräftegleichgewicht zwischen der Fliehkraft und der Schwerkraft herrscht. In diesem Fall ist die Glasschicht auf der Wandkontur der drehbaren Vorrichtung fast schwerelos. Es wurde gefunden, dass bei einer solchen Innenwandkontur zudem die geringste Korrosion an Feuerfestmaterial durch die abfließende Glasschmelze stattfindet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der Gleichgewichtsparabel-Form die Gravitationskräfte und die Fliehkräfte gleich sind und somit die Glasschmelze sich an der Grenze zum Feuerfestmaterial kaum bewegt.
Basierend auf der Randbedingung, dass die Innenwand die Form einer der Drehzahl angepassten Innenwandkontur besitzen soll, ergibt sich nach Gleichung (5) eine Beziehung zwischen der Höhe, dem Radius und der Drehzahl. Zwei dieser Größen können frei gewählt werden, während sich die dritte Größe gemäß Gleichung (5) ergibt.
In der Praxis kann die Höhe eine limitierende Größe für die drehbare Vorrichtung sein. Für das betrachtete Beispiel werden daher Höhen von 0,5 m bis 4 m berücksichtigt. Eine weitere Limitierung kann in Bezug auf die Drehzahl bestehen, da bei sehr hohen Drehzahlen die Beherrschung der Fliehkräfte den konstruktiven Aufwand stark erhöhen. Im betrachteten Beispiel werden Drehzahlen von 30 min^–1 bis 90 min^–1 betrachtet.
In 8 ist der Radius der drehbaren Vorrichtung am Einlauf als Funktion der Drehzahl für verschiedene Höhen aufgetragen. Für die vorgegebenen Höhen und Drehzahlen liegen die Einlaufradien zwischen 0,35 m und 2,8 m.
Die Fläche einer Gleichgewichtsparabel kann unter Berücksichtigung der Durchmesser von Ein- und Auslass der drehbaren Vorrichtung mit Hilfe der Gleichung (7) berechnet werden.
In 9 ist die nach obiger Gleichung berechnete Fläche der Innenwandkontur der drehbaren Vorrichtung als Funktion des Radius der drehbaren Vorrichtung an der Einlassöffnung bei einem konstanten Radius der drehbaren Vorrichtung an der Auslassöffnung von 0,1 m für die Frequenzen 30, 50, 70 und 90 min^–1 aufgetragen. Erster Punkt aller Kurven ist immer die Höhe von 0,5 m, dann kommen die Punkte für 1 m, 2 m, 3 m und 4 m. Für die Drehzahl 50 min^–1 ist der Punkt für 4 m nicht mehr im Diagramm, für die Drehzahl von 30 min^–1 fehlen die Punkte für 3 m und 4 m.
Für den oben berechneten Flächenbedarf von 8,5 m² ergeben sich aus 9 vier Wertepaare von Drehzahl und Radius. Durch Einsetzen dieser Wertepaare in die Gleichung (5) für z(r) können die dazugehörigen Höhen ermittelt werden.
Bei den bisherigen Betrachtungen wurde die Viskosität der Glasschmelze noch nicht berücksichtigt. Im Folgenden wird auch die Viskosität der Schmelze und damit das Abfließen der Schmelze in der drehbaren Vorrichtung betrachtet. Mit dem Formelsatz der folgenden Gleichungen kann für jeden vorgegebenen Durchsatz jede vorgegebene Schmelztemperatur und jede geforderte Glasqualität auf systematische Weise ein kleinstmögliches Aggregat konstruiert werden, das die Anforderungen im Hinblick auf die Einhaltung eines vorgegebenen Aufschmelzgrades erfüllt. Dazu werden die Gleichungen (8) bis (11) herangezogen.
Durch Einsetzen der mit Gleichung (7) für den Flächeninhalt F gewonnenen Werte für einen vorgegebenen Flächenbedarf der Innenwandkontur ergeben sich damit die mittleren Schichtdicken der Glasschmelze als Funktion der Drehzahl. Die jeweiligen Datensätze sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Drehzahl (min^–1) 0,5·Durchmesser am Einlauf (m) Höhe (m) Max.Schichtdicke (mm)

30 50 70 90 1,4 1,08 0,89 0,76 1,0 1,61 2,15 2,60 46 31 23 20
Es wurde gefunden, dass bei gleichem Flächeninhalt der Innenwandkontur von 8,5 m² die mittlere Schichtdicke der Glasschmelze um so dünner wird, je höher die Drehzahl und damit auch die Höhe der Innenwand der drehbaren Vorrichtung ist.
Mit der Erfindung wird ein sogenanntes Dünnschichtschmelzen in der drehbaren Vorrichtung ermöglicht, da die Schichtdicken der Glasschmelze auf der Innenwandkontur sehr klein sind. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass das Dünnschichtschmelzen in einer rotierenden Wanne mit einer der Drehzahl angepassten feuerfesten Innenwandkontur zu einem extrem kleinen Verhältnis von jeweiligem Glasinhalt der drehbaren Vorrichtung zu dem jeweiligen Tagesdurchsatz führt.
Im Diagramm in 10 ist das Verhältnis von Tagesdurchsatz zu Wanneninhalt als Funktion der geforderten Glasqualität A_min für verschiedene Schichtdicken der Glasschmelze aufgetragen. Selbst bei der sehr hohen Anforderung von A_min = 99,5 und einer Schichtdicke von 20 mm beträgt der Wanneninhalt nur 1/40 des Tagesdurchsatzes. Bei einem Aufschmelzgrad von 95% und einer Schichtdicke von 40 mm beträgt der Wanneninhalt sogar nur noch 1/800 des Tagesdurchsatzes.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet für das Umschmelzen von einem Glas auf ein anderes. Der Umschmelzvorgang kann dabei noch beschleunigt werden durch ein kurzzeitiges Anhalten der Rotation und Leerlaufenlassen der drehbaren Vorrichtung. Im Vergleich zu typischen Schmelzaggregaten ist somit ein extrem schneller Wechsel von einer Glasart zu einer anderen möglich. Beim Umschmelzen von einem Glas auf ein anderes ändern sich die apparativen Bedingungen, das heißt insbesondere die Fläche der Innenwand nicht.
Bei gleicher Schmelztemperatur, Schichtdicke der Glasschmelze in der drehbaren Vorrichtung und gleicher Dichte der Glasschmelze können die Glasqualität oder der Durchsatz noch geändert werden. Soll die Glasqualität beibehalten werden, muss der Durchsatz angepasst werden. Kann bei einem Alumino-Silikat-Glas die drehbare Vorrichtung mit einem Durchsatz von 10 Tonnen pro Tag gefahren werden, sind es beim Alumino-Borosilikatglas nur 3,2 Tonnen pro Tag. Bei Borosilikatgas können dagegen 34,4 Tonnen pro Tag durchgesetzt werden.
Die Temperaturen in der drehbaren Vorrichtung können mit Hilfe von Thermoelementen und/oder Pyrometermessungen und/oder IR-Messungen bestimmt werden.

1: Anlage
2: drehbare Vorrichtung
20: Einlassöffnung der drehbaren Vorrichtungen, Einlass
21: Feuerfestmaterial, Glaskontaktmaterial
22: Isolation
23: Isoliersplit, Isoliergries
24: monolithische Stampfmasse
25: Mantel, Stahlzylinder
29: Auslassöffnung der drehbaren Vorrichtungen, Auslass
3: Plattform
4: Schmelze, Glasschmelze
41: Gemengeauflage
5: Schmelzwanne
52: Blasdüsen
53: Durchlass
54: Wall
55: Rinne
6: Antrieb, Motor
62: Reibrad
63: Reibrad
7: Lagereinrichtung; Lager
71: Außenring
72: Innenring
75: Wälzkörper
8: Oberofen der drehbaren Vorrichtung
81: Abzug
82: Brenner
83: Pyrometer, Kamera
84: Einleglanze
9: Oberofen der Schmelzwanne
91: Abzug
10: Düsen, Kühlvorrichtung

Symbole und Formelzeichen

A_min

Mindestaufschmelzgrad

C_Gas

Gasgehalt der Schmelze

c_S

Feststoffanteil

C_melt

Schmelzeanteil

C

Konstante

d*

Dicke der Schmelzschicht

d

Schichtdicke

D

Konstante

D_ein

Durchmesser am Einlass der drehbaren Vorrichtung

D_aus

Durchmesser am Einlass der drehbaren Vorrichtung

f*

Zielrotationsfrequenz

F

Innenwandfläche der drehbaren Vorrichtung

g

Erdbeschleunigung

H

Höhe der drehbaren Vorrichtung

k(T)

Reaktionsrate

m_schmelze

Menge an Schmelze in der drehbaren Vorrichtung

m_{schmelze_d}

Menge an Schmelze, die an 1 Tag die drehbare Vorrichtung durchläuft

M

Massenstrom der Schmelze

Q

Qualität der Schmelze

Q_min

Zielqualität der Schmelze

r

radiale Position auf der Innenfläche der drehbaren Vorrichtung

t

Verweilzeit

t_min

Mindestverweilzeit, erforderliche Verweilzeit

T

Temperatur

T_m

Behandlungstemperatur

u(z, r)

Geschwindigkeit der Schmelze

z

axiale Position auf der Innenfläche der drehbaren Vorrichtung

(z, r)

Kontur der Innenfläche der drehbaren Vorrichtung

α(r)

Steigungswinkel der Kontur der Innenfläche

ρ

Dichte der Schmelze

η

Viskosität der Schmelze

η_s

Viskosität des Feststoffes

η_melt

Viskosität der Schmelze

Claims

Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4), insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas, wobei die drehbare Vorrichtung (2) rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse mit einer Gesamthöhe H, einem Durchmesser D_ein am Einlass (20), einem Durchmesser D_aus am Auslass (29) und mit einer Innenwandfläche F derart dimensioniert wird, dass die Kontur (z, r) der Innenwandfläche F der drehbaren Vorrichtung (2) zwischen Einlass (20) und Auslass (29) in Abhängigkeit von der Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze (4) am Auslass (29) bestimmt wird, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bestimmen des Zusammenhangs zwischen der Qualität Q der Schmelze (4) und der Verweilzeit t bei einer gegebenen Temperatur T durch Ermitteln einer Reaktionsrate k(T) b) Festlegen einer Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze (4) nach dem Durchlaufen der Schmelze vom Einlass (20) bis zum Auslass (29) der drehbaren Vorrichtung (2) c) Festlegen der Behandlungstemperatur T_m d) Bestimmen der zur in Schritt b) ermittelten Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) erforderlichen Verweilzeit t_min der Schmelze (4) in der drehbaren Vorrichtung (2) bei der in Schritt c) festgelegten Behandlungstemperatur T_m, wobei die Verweilzeit t_min aus der in Schritt a) bestimmten Reaktionsrate k(T) bestimmt wird e) Festlegen des Massenstroms M an Schmelze (4) und/oder Gemenge durch die drehbare Vorrichtung (2) f) Festlegen der Zielrotationsfrequenz f* der drehbaren Vorrichtung (2) g) Bestimmen der Größe der Innenwandfläche F der drehbaren Vorrichtung (2) in Abhängigkeit von der in Schritt d) bestimmten Verweilzeit t_min, dem in Schritt e) festgelegten Massenstrom M und der in Schritt f) festgelegten Zielrotationsfrequenz f* der drehbaren Vorrichtung (2), wobei die Innenwand (21) mit der Innenwandfläche F eine Kontur (z, r) aufweist, die derart geformt ist, dass sich bei Rotation der drehbaren Vorrichtung (2) mit der Zielrotationsfrequenz f* eine Schicht aus Schmelze (4) auf der Innenwand (21) der drehbaren Vorrichtung (2) ausbildet, wobei die Schicht an jeder vertikalen Position z die konstante Dicke d* aufweist.
Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen der Qualität Q der Schmelze (4) und der Verweilzeit t bei einer gegebenen Temperatur T in Schritt a) durch die Funktion
bestimmt wird.
Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestverweilzeit t_min in Schritt d) durch den Zusammenhang
bestimmt wird.
Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe F der Innenwand (21) mit der Kontur (z, r) in Schritt g) durch die Funktion
mit
und ω = 2πfbestimmt wird.
Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mindestverweilzeit t_min, der Kontur (z, r) der Innenwand (21), welche einen Steigungswinkel α(r) aufweist, der Größe F der Innenwandfläche, dem Massenstrom M und der Geschwindigkeit u(z, r) der Schmelze (4) mit der Dichte ρ und der Viskosität η auf der Innenwand (21), auf der die Schmelze (4) eine Schicht mit der Dicke d(r) bildet, die folgenden Zusammenhänge
mit C = g·sin(α(r)) – ω2·r·cos(α(r))und D = ω2·sin(α(r))·cos(α(r))sowie
eingehalten werden, wobei t_min durch das Integral über u(z, r) entlang der Kontur (z, r) der Innenwand (21) bestimmt wird.
Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindest-Aufschmelzgrad A_min im Bereich von Werten größer oder gleich 95%, insbesondere im Bereich von Werten größer oder gleich 98% liegt.
Verfahren zum Dimensionieren einer drehbaren Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgehalt c_Gas im Bereich von Werten kleiner oder gleich 10 Vol.-%, insbesondere im Bereich von Werten kleiner oder gleich 5 Vol.-% liegt.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4), insbesondere zum Einschmelzen und/oder Läutern von Glas, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) einen rotationssymmetrischen Hohlkörper mit einer Durchgangsöffnung umfasst, welcher eine Gesamthöhe H, einen Durchmesser D_ein an einem Ende (20) der Durchgangsöffnung, einen Durchmesser D_aus am anderen Ende (29) der Durchgangsöffnung und eine Innenwand (21) aufweist, wobei der Hohlkörper (200) derart dimensioniert ist, dass die Kontur (z, r) seiner Innenwandfläche (21) zwischen dem einen und dem anderen Ende (20, 29) der Durchgangsöffnung auf eine Zielqualität Q_min (A_min; c_Gas) der Schmelze (4) abgestimmt ist und wobei die Kontur (z, r) derart ausgebildet ist, dass zwischen einer vorgegebenen Mindestverweilzeit t_min, der Kontur (z, r) der Innenwand (21), welche einen Steigungswinkel α(r) aufweist, der Größe F der Innenwandfläche, dem Massenstrom M und der Geschwindigkeit u(z, r) der Schmelze (4) mit der Dichte ρ und der Viskosität η auf der Innenwand (21), auf der die Schmelze (4) eine Schicht mit der Dicke d(r) bildet, die folgenden Zusammenhänge
mit C = g·sin(α(r)) – ω2·r·cos(α(r))und D = ω2·sin(α(r))·cos(α(r))sowie
eingehalten werden, wobei t_min durch das Integral über u(z, r) entlang der Kontur (z, r) der Innenwand (21) bestimmt ist.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper (200) zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24) eines Feuerfestmaterials umfasst.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper (200) ein einlagiges oder ein zweilagiges Feuerfestmaterial (21) umfasst.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper (200) als Feuerfestmaterial ein hochzirkonhaltiges und/oder ein hochtonerdehaltiges und/oder ein Aluminium-Zirkon-Silikatmaterial und/oder ein Zirkon-Silikat-Material und/oder ein hochsiliziumdioxidhaltiges Material umfasst.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper (200) zumindest eine Lage eines Isoliermaterials (22, 23, 24) umfasst, welche die zumindest eine Lage (21) eines Feuerfestmaterials umschließt.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper ein einlagiges oder ein mehrlagiges Isoliermaterial (22, 23, 24) umfasst.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper (200) als Isoliermaterial (22, 23, 24) einen Isolationsaufbau (22) aus Isolierstein, insbesondere aus Feuerleichtstein, insbesondere der ASTM-Temperatur-Klassifizierung 26 umfasst.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper als Isoliermaterial (22, 23, 24) eine Isoliermasse (23), insbesondere eine Schüttung aus Isoliersplit und/oder Isoliergries, insbesondere aus Silica- und/oder Quarzgutmaterial umfasst.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper (200) als Isoliermaterial (22, 23, 24) eine monolithische Stampfmasse (24) umfasst.
Drehbare Vorrichtung (2) zum Herstellen einer Schmelze (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der rotationssymmetrische Hohlkörper (200) einen Mantel (25), insbesondere aus Stahl, umfasst, welcher die zumindest eine Lage des Isoliermaterials (22, 23, 24) und die zumindest eine Lage (21) des Feuerfestmaterials umschließt.