DE102006039225A1

DE102006039225A1 - Hochtemperatureinschmelzen und -läutern von Materialien

Info

Publication number: DE102006039225A1
Application number: DE200610039225
Authority: DE
Inventors: Carsten Schumacher; Michael Dr. Leister; Hildegard Dr. Römer
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-08-22
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: DE102006039225B4

Abstract

Um eine einfache Möglichkeit zu schaffen, auch solche Materialien in einem Skulltiegel induktiv beheizen zu können, die erst bei sehr hohen Temperaturen einen ausreichenden spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen, schafft die Erfindung ein Verfahren für die Durchführung einer Startphase vor der eigentlichen Betriebsphase, in welcher insbesondere ein Glas induktiv beheizt wird, mit folgenden Schritten der Startphase sowie eine Schmelz- und/oder Läutervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens: a) Bereitstellen zumindest einer anorganischen Substanz, insbesondere zumindest eines Glases, in einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung, b) Aufheizen der Substanz auf eine Temperatur T1, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand rho1 der Substanz einen derartigen Wert aufweist, daß eine direkte elektrische Beheizung der Substanz möglich ist, c) Aufheizen der Substanz auf eine Temperatur T2, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand rho2 der Substanz einen derartigen Wert aufweist, daß eine direkte induktive Beheizung der Substanz, insbesondere in einem Frequenzbereich von etwa 100 kHz bis etwa 2 MHz, möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Durchführung einer Startphase vor der eigentlichen Betriebsphase einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung, wobei in der Betriebsphase zumindest eine anorganische Substanz in der Schmelz- und/oder Läutervorrichtung induktiv beheizt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beim kontinuierlichen Einschmelzen und/oder Läutern von anorganischen Substanzen wie zum Beispiel Gläsern und/oder Glaskeramiken sowie anderer Materialien kann die Schmelze in sogenannten Skullgefäßen durch direktes Einkoppeln von Hochfrequenzenergie beheizt werden.
Unter einem Skulltiegel wird ein Gefäß verstanden, dessen Wände kühlbar sind und beispielsweise aus eng nebeneinander angeordneten, wassergekühlten Metallrohren bestehen. Die Dichtigkeit des Tiegels wird durch Einfrieren der Schmelze in unmittelbarer Umgebung der Rohre gewährleistet. Somit kann auf Feuerfest-Material verzichtet werden.
Der Skulltiegel ist von einer Hochfrequenzspule umgeben. Zwischen den metallischen Rohren muss ein Zwischenraum sein, damit die Hochfrequenz in die Schmelze einkoppeln kann. Durch das direkte Einkoppeln von Hochfrequenzenergie in die Schmelze kann diese im Randbereich des Schmelzaggregates kälter sein als in der Mitte. An den gekühlten Wänden bildet sich eine Skullschicht aus arteigenem Material aus, die sich immer wieder selbst erneuern kann.
Ein Vorteil des Schmelzens von Materialien in solchen hochfrequenzbeheizten Skullgefäßen ist, dass es für die Schmelztemperaturen keine praktischen Obergrenzen gibt, das heißt, das zu schmelzende Material kann bei Bedarf weit über 2000°C hinaus aufgeheizt werden. Zudem gibt es aufgrund der Ausbildung einer erstarrten Skullkruste aus arteigenem Material zwischen der Schmelze und dem Schmelzgefäß keinen nennenswerten Eintrag von Fremdmaterial in die Schmelze. Ebenso ist das Schmelzgefäß durch die sich ausbildende Skullkruste vor Angriffen und Korrosion durch die Schmelze geschützt.
Mit diesem Verfahren lassen sich also insbesondere hochschmelzende und/oder korrosive Materialien und Schmelzen einschmelzen, läutern und konditionieren. Ein weiterer Vorteil der möglichen hohen Temperaturen liegt in der Verwendbarkeit sogenannter Hochtemperaturläutermittel. Dies ermöglicht es, auf umweltschädliche und toxische Läutermittel wie As₂O₅ oder Sb₂O₅ zu verzichten und statt dessen beispielsweise das weniger bedenkliche SnO₂ als Läutermittel zu verwenden.
Das Beheizen der Schmelze mit Hilfe von Hochfrequenzenergie hat jedoch den Nachteil, dass die zu schmelzenden Materialien, Gläser, Glaskeramiken, Keramiken oder Kristalle für ihre Prozesstemperatur eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen müssen, damit die mit Hilfe der Hochfrequenzstrahlung eingetragene Energie größer ist, als die über die Skullwände abgeführte Wärmemenge.
Der praxistaugliche Wert für die elektrische Mindestleitfähigkeit σ_min liegt bei etwa 0,1 Ω^–1·Cm^–1, was einem spezifischen elektrischen Widerstand ρ von 10 Ω·cm entspricht. Bei diesem Wert des betreffenden Materials wird das Einkoppeln von Energie aus dem Hochfrequenzfeld möglich, so daß eine positive Energiebilanz entstehen kann. Je nach Anlage und Randbedingungen kann dieser auch etwas variieren und stellt daher eher einen Bereich als eine feste Grenze dar.
Im allgemeinen ist die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen und Materialien eine temperaturabhängige Größe, da die Beweglichkeit der Ladungsträger temperaturabhängig ist. Speziell im Falle von nichtmetallischen Gläsern, Glaskeramiken, Keramiken und Kristallen, deren Leitfähigkeit in wesentlichen auf Ionen beruht und durch deren Beweglichkeit bestimmt ist, nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zu.
Im Falle von kristallinen Stoffen und Materialien steigt beim Phasenübergang fest-flüssig, dem Schmelzpunkt, mit dem dadurch verbundenen Zusammenbruch des-strukturellen Netzwerkes die elektrische Leitfähigkeit oft sprunghaft an. Gläser und Glaskeramiken verhalten sich normalerweise anders. Da es keinen definierten Phasenübergang fest-flüssig und damit auch keinen Schmelzpunkt gibt, bricht hier das strukturelle Netzwerk nicht schlagartig zusammen, sondern löst sich auf.
Sind in das Glasnetzwerk leicht bewegliche Ionen wie zum Beispiel Alkaliionen eingebunden, so werden diese mit zunehmender Temperatur beweglicher, und die Leitfähigkeit steigt kontinuierlich an. Ist die Konzentration dieser Ionen ausreichend gross, koppeln Gläser dieses Typs, zum Beispiel Alkali-Zink-Silicat-Gläser, verhältnismäßig leicht in Hochfrequenzfelder ein. Ebenso leicht koppeln Gläser in Hochfrequenzfelder ein, deren Glasnetzwerk sich bereits bei tiefen Temperaturen auflöst und bereits vorher strukturell fest gebundene Ionen wie Erdalkalien, Lanthanide oder Fluoride zur Leitfähigkeit beitragen, so zum Beispiel Lanthan-Borat-, oder Fluor-Phosphat-Gläser.
Eine weitere Gruppe stellen die Gläser und Glaskeramiken dar, die relativ geringe Konzentration an beweglichen Ionen enthalten und deren Netzwerk relativ stabil ist. Diese Gläser, zu denen zum Beispiel die Bleisilicate gehören, koppeln erst bei deutlich höheren Temperaturen in Hochfrequenzfelder ein. Oft führt das dazu, dass die notwendigen Prozesstemperaturen bereits so hoch liegen, dass eine Verdampfung oder gar die thermische Zersetzung (thermische Reduktion des Bleioxids) der Gläser zu befürchten ist. Gläser dieses Typs sind daher nur sehr eingeschränkt mittels Hochfrequenzenergie beheizbar.
Eine andere Gruppe bilden die Gläser und Glaskeramiken, deren Netzwerk extrem stabil ist und die nur geringe Mengen an leitfähigen Ionen enthalten. Die Temperaturen, bei denen Gläser dieser Gruppe eine ausreichende Leitfähigkeit aufweisen, um Hochfrequenzenergie zu absorbieren, liegen üblicherweise so hoch, dass sich durch die einsetzende Verdampfung der koppelnden Spezies die elektrische Leitfähigkeit der Schmelze wieder verschlechtert. Zudem neigt diese Glasgruppe so wenig zur Kristallisation, dass es nicht oder nur teilweise zur Ausbildung einer stabilen hochreflektierenden Skullkruste kommt. Die Energiebilanz wird dadurch deutlich verschlechtert. Diese Gruppe von Gläsern, zu denen die Borosilicate gehören, können in der Praxis bisher nicht stabil hochfrequenzbeheizt werden.
Eine besondere Gruppe bilden die Gläser, die praktisch keine leicht beweglichen Ionen in ihrem Glasnetzwerk enthalten, da die elektrischen Isolationseigenschaften bei Raumtemperatur eine wichtige Produkteigenschaft darstellen. Zu diesen Gläsern gehören zum Beispiel alkalifreie Alumo-Silikatgläser.
Diese Gläser entsprechen in ihrem Temperatur-Eigenschafts-Verhalten bereits weitgehend kristallinen Stoffen. Die Kristallisationseigenschaften dieser Gläser sind hervorragend geeignet, um stabile, hochreflektierende Skullkrusten zu bilden. Zudem sind in den Gläsern praktisch keine leicht verdampfenden Komponenten enthalten, die das Schmelzen und Läutern dieser Gläser bei hohen Temperaturen verbieten würde.
Die elektrische Leitfähigkeit eines alkalifreien Alumo-Silikatglases nimmt mit steigender Temperatur extrem zu und erreicht bei Temperaturen oberhalb von 1700°C Werte, die eine Beheizung mit Hochfrequenzenergie zulassen. Bisher ist es jedoch in der Praxis nicht möglich, diese Gläser auf eine derart hohe Temperatur vorzuheizen, um sie in einem Skulltiegel stabil hochfrequenzbeheizen zu können.
Zum Starten hochfrequenzbeheizter Anlagen muß das zunächst die Hochfrequenzenergie nicht absorbierende Material in den schmelzflüssigen Zustand überführt werden. Das kann auf sehr unterschiedliche Art und Weise geschehen. Beispielsweise können im festen Zustand koppelnde Suszeptoren wie zum Beispiel Graphit- oder Metallringe verwendet werden. Diese Suszeptoren erwärmen damit das umgebende Material bis zum schmelzflüssigen Zustand und werden entweder nach dem Einkoppeln aus der Schmelze entfernt, so zum Beispiel Suszeptoren aus Graphit, oder lösen sich gutartig unter Aufoxidation in der Schmelze auf wie zum Beispiel Zirkonium.
Diese Vorgehensweise ist aber aus verschiedenen Gründen für den Einsatz unter Produktionsbedingungen nachteilig. So erfordert die Entfernung von sich nicht auflösenden Suszeptoren ein Manipulieren innerhalb des unmittelbaren Schmelz- und damit des Gefahrenbereiches. Zudem besitzen Suszeptoren aus Graphit und unedlen Metallen ein sehr hohes Reduktionspotential und beeinflussen die Qualität des Produktes negativ. Ein Neustart der Anlage ist bei einem Anlagenausfall nicht möglich, da in das Volumen zunächst erst wieder ein Suszeptorring eingebracht werden müsste. Suszeptoren aus unedlen Metallen, die sich gutartig unter Aufoxidation in der Schmelze auflösen würden, sind zudem sehr teuer und daher unwirtschaftlich. Die meisten Metalle wären wäre wegen ihres zu geringen Schmelzpunktes auch gar nicht als Suszeptormaterial geeignet.
Die Überführung von Materialien in den schmelzflüssigen Zustand kann auch durch eine Strahlungsheizung erreicht werden. Dafür in Frage kommen eine fossile Beheizung mit einem oder mehreren Brennern, aber auch elektrisch oder gasbeheizte Strahlungselemente sind möglich. Die mit dieser Art der Beheizung maximal erreichbaren Temperaturen in der Schmelze sind natürlich von der jeweiligen Strahlungsleistung und den Anlagengegebenheiten abhängig. Jedoch sind Temperaturen oberhalb von etwa 1600°C in Glasschmelzen nicht zu erreichen. Zudem wird der Oberofenbereich, auf den ja ca. 50% der Strahlungsleistung wirken würden, extrem hoch belastet. Im Falle gefärbter beziehungsweise stark wärmeabsorbierender Materialien ist eine Durchheizung des gesamten Volumens mit einer einseitigen Strahlungsbeheizung ausgeschlossen.
Es ergibt sich daher eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache Möglichkeit zu schaffen, um auch solche Materialien in einem Skulltiegel induktiv beheizen zu können, die erst bei sehr hohen Temperaturen, insbesondere oberhalb von 1600°C einen ausreichenden spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen.
Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, um gefärbte beziehungsweise stark wärmeabsorbierende Materialien in einem Skulltiegel in ihrem gesamten Volumen auf eine solche Temperatur aufheizen zu können, daß sie dann induktiv beheizt werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, das induktive Beheizen von Gläsern wie Alumosilikatgläsern oder Borosilikatgläsern in einem Skulltiegel zu ermöglichen.
Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren und einer Vorrichtrung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils zugeordneten Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbeeinflussung einer Schmelze sowie ein Verfahren zum Einschmelzen, Läutern und/oder Reinigen von Schmelzen. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Temperaturbeeinflussung und/oder zum Einschmelzen und/oder zum Läuten und/oder Reinigung von Schmelzen, sowie ein Produkt, insbesondere ein Glasprodukt, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder in der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschmolzen und/oder geläutert und/oder gereinigt und/oder hergestellt wurde.
Die Erfindung stellt ein Verfahren für die Durchführung einer Startphase vor der eigentlichen Betriebsphase einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung zur Verfügung, wobei in der Betriebsphase zumindest eine anorganische Substanz, insbesondere zumindest ein Glas, in der Schmelz- und/oder Läutervorrichtung induktiv über das Einkoppeln von Hochfrequenzenergie beheizt wird, mit folgenden Schritten der Startphase:

a) Bereitstellen zumindest einer anorganischen Substanz, insbesondere zumindest eines Glases, in einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung,
b) Aufheizen der Substanz auf eine Temperatur T₁, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₁ der Substanz einen derartigen Wert aufweist, daß eine direkte konduktive elektrische Beheizung der Substanz möglich ist,
c) Aufheizen der Substanz auf eine Temperatur T₂, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₂ der Substanz einen derartigen Wert aufweist, daß eine direkte induktive Beheizung der Substanz, insbesondere in einem Frequenzbereich von etwa 100 kHz bis etwa 2 MHz, möglich ist.

Das zu erhitzende Material weist bei dieser Temperatur T₁ eine elektrische Leitfähigkeit auf, die eine direkte konduktive elektrische Beheizung ermöglicht. Mit Hilfe dieser Beheizung wird nun die Schmelze weiter erhitzt, bis eine Temperatur T₂ erreicht wird. Das zu erhitzende Material weist bei dieser Temperatur T₂ eine elektrische Leitfähigkeit auf, die ein direktes Einkoppeln und die Absorption hochfrequenter Strahlung in der Schmelze ermöglicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt in Schritt b) ein Aufheizen auf eine Temperatur T₁, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₁ der Substanz im Bereich von etwa 10 Ω·cm bis etwa 500 Ω·cm, bevorzugt im Bereich von etwa 20 Ω·cm bis etwa 100 Ω·cm liegt, so daß eine konduktive Beheizung unter Verwendung von Elektroden ermöglicht wird.
Zum Aufheizen auf die Temperatur T₁ wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Strahlungsheizung verwendet, vorzugsweise mit zumindest einem Brenner, beispielsweise einem Brenner, der mit fossilen Brennstoff betrieben wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in Schritt c) ein Aufheizen auf eine Temperatur T₂ erfolgt, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₂ der Substanz im Bereich von etwa 1 Ω·cm bis etwa 12 Ω·cm, bevorzugt bei etwa kleiner 10 Ω·cm bis 5 Ω·cm liegt.
Zum Aufheizen auf die Temperatur T₂ wird vorzugsweise eine elektrische Beheizung, insbesondere eine direkter konduktive Beheizung unter Verwendung von Elektroden durchgeführt. Wegen der im Vergleich mit der Schmelzfläche geringen Elektrodenfläche wirken diese vorteilhafterweise nicht als Suszeptoren. Zwar geht mit dem Einsatz von Elektroden die Kontaktlosigkeit der induktiven HF-Beheizung zur Schmelze verloren, jedoch bleibt im Vergleich zur Verwendung von Suszeptoren die Schmelze ausreichend sauber. Die Zugabe von Suszeptoren wie zum Beispiel Na erfordert ein sehr zeitaufwendinges Ausspülen des mit dem Suszeptor verunreinigten Materials, während das Ausspülen von Verunreinigungen aufgrund der Verwendung von Elektroden, sollten diese nicht toleriert werden können, vergleichsweise schnell vonstatten geht. Daher bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, günstige Elektroden, beispielsweise auf der Basis von Molybdän, zu verwenden.
Im Rahmen der Erfindung wird in Schritt c) das Aufheizen auf eine Temperatur T₂ mittels konduktiver Beheizung in einem Skulltiegel durchgeführt wird, welcher ansonsten gerade deshalb verwendet wird, um den Einsatz von Elektroden zu vermeiden. Die Erfinder haben jedoch erkannt, daß es vorteilhafte synergistische Effekte des Einsatzes von Elektroden zum konduktiven Beheizen in einer Startphase und des induktiven Beheizens im eigentlichen Betrieb des Skulltiegels gibt, welche ausgenutzt werden können, um eine wirtschaftlich günstige Gesamtbilanz im Hinblick auf die Effizienz der Energienutzung zu erreichen.
Die Erfindung stellt zudem ein Verfahren zum Schmelzen und/oder Läutern zumindest einer anorganische Substanz, insbesondere zumindest eines Glases, mit folgenden Schritten zur Verfügung

aa) Durchführen einer Startphase mit zumindest den Schritten b) und c) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche,
bb) Durchführen einer Betriebsphase, in welcher die Substanz induktiv beheizt wird, so daß die Substanz eine Temperatur T_Betrieb ≥ T₂ hat.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Beheizung auf die Temperatur T₂ in Schritt b) in einer ersten Schmelz- und/oder Läutervorrichtung und die Beheizung auf die Temperatur T_Betrieb in Schritt bb) in einer zweite Schmelz- und/oder Läutervorrichtung durchgeführt.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren stellt die Erfindung zudem eine Schmelz- und/oder Läutervorrichtung bereit mit zumindest einem Skulltiegel mit zumindest einer kühlbaren Seitenwand und zumindest einer Bodenplatte, zumindest einer Einrichtung zum induktiven Beheizen einer Substanz in dem von der Seitenwand und der Bodenplatte des Skulltiegels definierten Innenraum, und zumindest zwei Elektroden, welche in dem Innenraum positionierbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schmelz- und/oder Läutervorrichtung umfaßt diese des Weiteren eine Einrichtung zum Positionieren der Elektroden, mit welcher zur Durchführung von Schritt c) der Startphase die Elektroden in dem von der Seitenwand und der Bodenplatte definierten Innenraum positioniert werden, und für die Durchführung von Schritt bb) der Betriebsphase die Elektroden aus dem Innenraum entfernt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand von ausführungsbeispielen näher erläutert. Dieselben Bezugszeichen kennzeichnen in den Figuren dieselben Bauteile. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt,
2 eine schematische Darstellung einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt,
3 eine schematische Darstellung einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt,
4 eine schematische Darstellung einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt in der Startphase (4A) und in der Betriebsphase (4B), und
5 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands von der Temperatur für verschiedene, exemplarisch ausgewählte Glasarten.
Je nach Aufgabenstellung und einzustellendem Temperaturprofil können verschiedene Fahrweisen des Prozesses und der Anlage realisiert werden. Zum einen können die Strahlungsheizung, die direkte elektrische Beheizung über Elektroden und die Hochfrequenzbeheizung auf dasselbe Schmelzvolumen wirken. Eine entsprechende Schmelz- und/oder Läutervorrichtung ist in 1 dargestellt.
Eine Schmelze 1 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Zufuhrsystems in den Skulltiegel eingebracht und mit einem Entnahmesystems 4 aus dem Skulltiegel entnommen. Der Innenraum des Skulltiegels wird von Seitenwänden 2 und einer Bodenplatte definiert. Die Bodenplatte umfaßt eine Isolierung 3. Die Isolierung 3 kann beispielsweise eine korrosionsbeständige elektrische Isolationsschicht sein.
Die Schmelze 1 kann über eine fossile Strahlungsheizung 8 von oben aus einem Oberofen 9 heraus beheizt werden. Zudem kann die Schmelze 1 konduktiv mit Hilfe von Elektroden 5 beheizt werden. Die Elektroden 5 sind mit einer Energieversorgung 6 verbindbar. Um den Skulltiegel herum ist ein Induktor 7 angeordnet, welcher zum induktiven Beheizen der Schmelze 1 verwendet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird statt der fossilen eine elektrische Strahlungsbeheizung 12 eingesetzt. Eine entsprechende Schmelz- und/oder Läutervorrichtung ist in 2 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird die Schmelze über ein Zufuhrsystem 10 dem Skulltiegel zugeführt, und über eine Entnahme 4 aus dem Skulltiegel entnommen. Der Skulltiegel umfaßt Seitenwände 2, welche in den Bodenbereich des Skulltiegels übergehen. Die Elektroden 5 sind durch den Boden des Skulltiegels in diesen eingeführt, wobei die unmittelbare Umgebung der Durchführungen für die Elektroden 5 im Boden eine elektrische Isolation 11 der Elektroden umfaßt.
Dadurch, daß die Strahlungsheizung, die direkte elektrische Beheizung über Elektroden und die Hochfrequenzbeheizung in einem Skulltiegel auf dasselbe Schmelzvolumen einwirken können, sind besonders hohe Temperaturen erreichbar und bestimmte Zonen des Schmelzvolumens können gezielt überhitzt werden. Das ist besonders für ein leistungsfähiges Hochtemperatur-Einschmelzaggregat von Nutzen. Dadurch können schwer schmelzbare Materialien schnell und effektiv in den schmelzflüssigen Zustand überführt werden. Das hat, besonders bei Gemengen die Bestandteile mit hohen und niedrigen Schmelzpunkten haben, den Vorteil, dass es, aufgrund der hohen Einschmelzgeschwindigkeit mit dem der Einschmelzprozess abläuft, nicht zu einer Separation der Bestandteile kommt.
Zum anderen können lediglich die direkte elektrische Beheizung über Elektroden und die Hochfrequenzbeheizung auf dasselbe Schmelzvolumen wirken. Auch in dieser Kombination sind besonders hohe Temperaturen erreichbar und bestimmte Zonen des Schmelzvolumens können durch die Hochfrequenzabsorption gezielt überhitzt werden. Besonderer Vorteil in dieser Anordnung ist der kalte Oberofen. Diese Form des klassischen "cold-top" Schmelzens kann in verschiedenen vollelektrisch beheizten Wannen praktiziert werden und sorgt auch für eine homogenes Einschmelzen aller Bestandteile mit dem besonderen Vorteil der geringen Verstaubung im Oberofenbereich. Im Falle der Verwendung als Läuteraggregat kann das Temperaturprofil so eingestellt werden, dass ein besonders effektiver Blasenaufstieg bis zur Oberfläche der Schmelze ermöglicht wird.
Eine weitere Möglichkeit ist, daß die direkte elektrische Beheizung über Elektroden und die Hochfrequenzbeheizung nacheinander in verschiedenen Schmelzvolumina wirken. In dieser Kombination wird in einem ersten Bereich der Schmelzanlage die Schmelze durch eine direkte elektrische Beheizung, optional durch Strahlungsheizung unterstützt, auf eine Temperatur aufgeheizt, die deren Leitfähigkeit soweit erhöht, dass in einem zweiten Bereich der Schmelzanlage das Schmelzvolumen durch die Einkopplung hochfrequenter Strahlung weiter aufgeheizt werden kann. Diese Kombination der Reihenschaltung beider Beheizugsprozesse ist vorteilhaft, wenn extrem hohe Temperaturen in der Schmelze erreicht werden sollen, um diese beispielsweise zu entgasen. Sind Temperaturen oberhalb von etwa 2200°C in der Schmelze zu erreichen, besteht die Gefahr, daß die Elektroden weich werden beziehungsweise deren Korrosionsstabilität deutlich sinkt.
In 3 ist eine entsprechende Schmelz- und/oder Läutervorrichtung dargestellt. Eine Schmelze 1 tritt durch einen Einlaß 10 mit einer Temperatur T₁ in einen ersten Skulltiegelbereich ein. In diesem ersten Skulltiegelbereich wird die Schmelze 1 konduktiv mit Hilfe von Elektroden 5 auf eine Temperatur T₂ aufgeheizt. Die Schmelze 1 tritt dann mit der Temperatur T₂ in einen zweiten Skulltiegelbereich ein, in welchem sie induktiv mit Hilfe des Induktors 7 auf eine Temperatur T₃ aufgeheizt wird, die der Betriebstemperatur T_Betrieb entspricht.
Eine vierte Möglichkeit besteht darin, die direkte elektrische Beheizung über Elektroden und die Hochfrequenzbeheizung zeitlich nacheinander in einem Schmelzvolumen wirken zu lassen. Die räumliche Nacheinanderschaltung der direkten elektrischen Beheizung und der Hochfrequenzbeheizung hat den Vorteil, der höheren Anlagenstabilität. Fällt aus irgendeinem Grund die Hochfrequenzbeheizung aus, kann diese jederzeit wieder zugeschaltet werden, da die direkte elektrische Beheizung das Glas auf die notwendige Koppeltemperatur aufheizt.
Bei dieser Prozessführung ist das Gesamtvolumen der Anlage relativ gross, um die Temperaturfelder zu trennen. Zudem verbleiben die Elektroden immer im Schmelzkontakt und es kommt notwendigerweise zu einem Eintrag von Elektrodenmaterial in die Schmelze. Um diesen Eintrag praktisch auszuschließen und die Schmelze ohne Kontakt zu artfremdem Material zu erhitzen, ist es vorteilhaft, die direkt elektrisch beheizten Elektroden nur in der Startphase zu verwenden. Eine entsprechende Anordnung für diese Prozeßführung ist in 4 dargestellt. In 4A ist die Anordnung im Zustand der Startphase gezeigt.
Sobald das Schmelzvolumen auf die zum Einkoppeln von Hochfrequenzenergie notwendige Temperatur T₂, aufgeheizt ist, übernimmt die Hochfrequenzstrahlung die Beheizung und die Leistung der Elektroden wird allmählich reduziert. Nach dem Abschalten der direkten elektrischen Beheizung werden die Elektroden einfach aus dem Schmelzvolumen herausgezogen. Dafür umfaßt die Schmelz- und/oder Läutervorrichtung eine nicht dargestellte Einrichtung zum Positionieren der Elektroden 5. Der Zustand dieser Betriebsphase ist in 4B dargestellt.
Wenn die Elektroden durch den Boden in das Schmelzvolumen geführt wurden, können diese vollkommen entfernt und durch gekühlte Einsätze ersetzt werden. Es ist jedoch auch möglich die Elektroden so zu positionieren, dass diese bündig mit dem Boden abschließen, anschließend Kühlmittel hindurchströmen zu lassen und somit eine dichte Skullkruste am Boden zu erzeugen. Die schlechtere Wiederanfahrbarkeit der Anlage wird durch die praktische Kontaktlosigkeit zu artfremden Materialien mehr als ausgeglichen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Topelektroden verwendet, die nach der konduktiven Beheizungsphase nach oben aus der Schmelze gezogen werden.
Allen Ausführungsformen gemeinsam ist, daß das zu erhitzende Material bei der Temperatur T₁ eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die eine direkte konduktive elektrische Beheizung ermöglicht. Mit Hilfe dieser Beheizung wird nun die Schmelze weiter erhitzt, bis eine Temperatur T₂ erreicht wird. Das zu erhitzende Material weist bei dieser Temperatur T₂ eine elektrische Leitfähigkeit auf, die ein direktes Einkoppeln und die Absorption hochfrequenter Strahlung in der Schmelze ermöglicht.
Die entsprechenden Zusammenhänge zwischen der elektrischen Leitfähigkeit beziehungsweise ihrem Kehrwert, dem spezifischen elektrischen Widerstand, und der Temperatur sind in 5 für exemplarisch für einige Glasarten dargestellt. Eingezeichnet in die schematische Darstellung sind die Bereiche, in welchen eine konduktive Beheizung (oberer Bereich in 5) beziehungsweise eine induktive Beheizung (unterer Bereich in 5) möglich ist. Der Übergangsbereich zwischen beiden liegt bei Werten für den spezifischen elektrischen Widerstand um 10 Ω·cm.
Das Schmelzgefäß für die erfindungsgemäße Schmelz- und/oder Läutervorrichtung ist im wesentlichen aus kühlmittelgekühlten sogenannten Skull-Segmenten aufgebaut. Das sind im Falle der Verwendung von Metallen mit mäanderformigen Kühlmittelkanälen versehene, geschlitzte Bauteile. Diese sind durch die Ausführung ihrer Schlitze nahezu vollständig durchlässig für hochfrequente Felder und Strahlung, haben aber eine so hohe Kühlwirkung, dass an der schmelzseitigen Kontaktfläche die Schmelze komplett flächig erstarrt.
Als Materialien können dafür sämtliche nichtmagnetischen Metalle und Metalllegierungen, insbesondere Kupfer, Aluminium und dessen Legierungen, Nickelbasislegierungen verwendet werden. Intensiv gekühlte nichtmetallische Materialien mit verhältnismäßig hohen Wärmeleitfähigkeiten, wie z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid, Kieselglas, gebrannte Körper aus gemahlenem Kieselglas oder Mischungen und/oder Verbindungen aus diesen sind ebenfalls als Materialien einsetzbar. In diesem Falle kann auf eine Schlitzung und eine mäanderförmige Führung der Kühlung verzichtet werden.
Eine vollflächige Kühlung mit hochfrequenzdurchlässigen Medien ist möglich. Wichtig dabei ist, dass sich an der Grenzschicht zur Schmelze eine erstarrte, zeitstabile, kristalline oder teilkristalline hochreflektierende Kruste aus schmelzeigenem Material ausbildet.
Der Bodenbereich der Anlage ist so auszuführen, dass die Elektroden gegeneinander elektrisch isoliert sind. Der restliche Bodenbereich ist ebenso als metallisches oder nichtmetallisches Skullsystem ausgeführt. Dabei kann der Boden eine eigene elektrisch. getrennte Einheit bilden oder in das Gesamtskullsystem integriert sein.
Als Elektrodenmaterialien kommen sämtliche Materialien in Frage, die eine elektrische Beheizung der Schmelze ermöglichen, mindestens den zur Hochfrequenzbeheizung notwendigen Starttemperaturen T₂ standhalten und möglichst nicht bzw. wenig durch die Schmelze angegriffen werden. Im Falle eines korrosiven Angriffs muss sich das Elektrodenmaterial möglichst gutartig im Glas auflösen. Die Reinheitsanforderungen des Endprodukts müssen dabei beachtet werden.
Als Materialien kommen bevorzugt hochtemperaturfeste Metalle wie beispielsweise, Platin und dessen Legierungen, Iridium und dessen Legierungen, Molybdän und Wolfram zum Einsatz. Es können jedoch auch leitfähige Oxide wie SnO₂ eingesetzt werden. Die Elektroden können dabei selbst gekühlt oder ungekühlt ausgeführt sein.
Ausführungsbeispiel 1
Optisches Glas für Abbildungssysteme
Glaszusammensetzung:

SiO₂ = 21,0%
B₂O₃ = 3,0%
La₂O₃ = 25,0%,
ΣXO₂ = 18,0% mit X = (Ti, Zr, Hf);
ΣRO = 27,0% mit R = (Mg, Ca, Sr, Ba, Zn)
Nb₂O₅ = 6,0%,

Startphase:
Beheizung mit fossilen oder elektrischen Strahlungsheizungen von Raumtemperatur auf T₁ von etwa 1050°C. Der spezifische elektrische Widerstand ρ bei T₁ = 1050°C beträgt etwa 400 Ω·cm.
Aufheizphase:
Beheizung über Elektroden durch direkte konduktive Erwärmung der Schmelze von T₁ von etwa 1050 auf T₂ von etwa 1300°C. Der spezifische elektrische Widerstand ρ bei T₂ = 1300°C liegt bei etwa 9 Ω·cm.
Beheizungsphase:
In dieser Betriebsphase erfolgt eine Beheizung über Hochfrequenzenergie durch direkte induktive Erwärmung der Schmelze auf eine Temperatur T_Betrieb im Bereich von etwa 1350°C bis etwa 1450°C. Der spezifische elektrische Widerstand ρ bei T_Betrieb = 1400°C liegt bei etwa 5 Ω·cm.
Ausführungsbeispiel 2
Technisches Glas für Verpackungen
Glaszusammensetzung:

SiO₂ = 75,0%;
B₂O₃ = 12,0%;
ΣR₂O = 6,0% mit R = Li, Na, K, Rb, Cs
CaO = 2,0%

Startphase:
Beheizung mit fossilen oder elektrischen Strahlungsheizungen von Raumtemperatur auf T₁ von etwa 1000°C. Dabei beträgt der spezifische elektrische Widerstand bei T₁ = 1000°C etwa 300 Ω·cm.
Aufheizphase:
Beheizung über Elektroden durch direkte konduktive Erwärmung der Schmelze von etwa 1000 auf T₂ von etwa 1600°C. Der spezifische elektrische Widerstand bei T₂ = 1600^°C beträgt etwa 9 Ω·cm.
Beheizungsphase:
In dieser Betriebsphase erfolgt eine Beheizung über Hochfrequenzenergie durch direkte induktive Erwärmung der Schmelze auf eine Betriebstemperatur im Bereich von etwa 1800°C bis etwa 1900°C, wobei der spezifische elektrische Widerstand bei T_Betrieb = 1900°C bei etwa 5,5 Ω·cm liegt.
Ausführungsbeispiel 3
Technisches Glas für Displayanwendungen
Glaszusammensetzung:

SiO₂ = 60,0%;
B₂O₃ = 8,0%
Al₂O₃ = 18%
ΣRO = 14,0% mit R = Mg, Ca, Sr, Ba

Startphase:
Beheizung mit fossilen oder elektrischen Strahlungsheizungen von Raumtemperatur auf T₁ von etwa 1000°C. Der spezifische elektrische Widerstand bei T₁ = 1000°C liegt bei etwa 300 Ω·cm.
Aufheizphase:
Beheizung über Elektroden durch direkte konduktive Erwärmung der Schmelze von etwa 1000°C auf etwa 1600°C. Der spezifische elektrische Widerstand bei T₂ = 1600°C liegt bei etwa 9 Ω·cm.
Beheizungsphase:
In dieser Betriebsphase erfolgt eine Beheizung über Hochfrequenzenergie durch direkte Erwärmung der Schmelze im Bereich von etwa 1800°C bis etwa 1900°C. Der spezifische elektrische Widerstand bei T_Betrieb = 1900°C liegt bei etwa 5,5 Ω·cm.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.

Claims

Verfahren für die Durchführung einer Startphase vor der eigentlichen Betriebsphase einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung, wobei in der Betriebsphase zumindest eine anorganische Substanz, insbesondere zumindest ein Glas, in der Schmelz- und/oder Läutervorrichtung induktiv über das Einkoppeln von Hochfrequenzenergie beheizt wird, mit folgenden Schritten der Startphase: a) Bereitstellen zumindest einer anorganischen Substanz, insbesondere zumindest eines Glases, in einer Schmelz- und/oder Läutervorrichtung, b) Aufheizen der Substanz auf eine Temperatur T₁, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₁ der Substanz einen derartigen Wert aufweist, daß eine direkte konduktive elektrische Beheizung der Substanz möglich ist, c) Aufheizen der Substanz auf eine Temperatur T₂, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₂ der Substanz einen derartigen Wert aufweist, daß eine direkte induktive Beheizung der Substanz, insbesondere in einem Frequenzbereich von etwa 100 kHz bis etwa 2 MHz, möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) ein Aufheizen auf eine Temperatur T₁ erfolgt, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₁ der Substanz im Bereich von etwa 10 Ω·cm bis etwa 500 Ω·cm, bevorzugt im Bereich von etwa 20 Ω·cm bis etwa 100 Ω·cm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) ein Aufheizen auf eine Temperatur T₁ im Bereich von etwa 800°C bis etwa 1700°C, vorzugsweise auf eine Temperatur T₁ im Bereich von etwa 900°C bis etwa 1400°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur T₁ von etwa 1000°C bis etwa 1200°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) das Aufheizen auf die Temperatur T₁ mittels einer Strahlungsheizung, vorzugsweise unter Verwendung von zumindest einem Brenner, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) ein Aufheizen auf eine Temperatur T₂ erfolgt, bei welcher der spezifische elektrische Widerstand ρ₂ der Substanz im Bereich von etwa 1 Ω·cm bis etwa 12 Ω·cm, bevorzugt im Bereich von etwa 5 Ω·cm bis etwa 10 Ω·cm, besonders bevorzugt bei kleiner 10 Ω·cm liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) ein Aufheizen auf eine Temperatur T₂ im Bereich von etwa 1000°C bis etwa 2000°C, vorzugsweise auf eine Temperatur T₂ im Bereich von etwa 1150°C bis etwa 1900°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur T₂ von etwa 1300°C bis etwa 1600°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) das Aufheizen auf eine Temperatur T₂ mittels elektrischer Beheizung, insbesondere mittels direkter konduktiver Beheizung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) das Aufheizen auf eine Temperatur T₂ mittels konduktiver Beheizung in einem Skulltiegel durchgeführt wird.
Verfahren zum Schmelzen und/oder Läutern zumindest einer anorganische Substanz, insbesondere zumindest eines Glases, mit folgenden Schritten aa) Durchführen einer Startphase mit zumindest den Schritten b) und c) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bb) Durchführen einer Betriebsphase, in welcher die Substanz induktiv beheizt wird, so daß die Substanz eine Temperatur T_Betrieb ≥ T₂ hat.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung auf die Temperatur T₂ in Schritt b) in einer ersten Schmelz- und/oder Läutervorrichtung und die Beheizung auf die Temperatur T_Betrieb in Schritt bb) in einer zweite Schmelz- und/oder Läutervorrichtung durchgeführt wird.
Schmelz- und/oder Läutervorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit zumindest einem Skulltiegel mit zumindest einer kühlbaren Seitenwand (2) und zumindest einer Bodenplatte, zumindest einer Einrichtung (7) zum induktiven Beheizen einer Substanz in dem von der Seitenwand und der Bodenplatte des Skulltiegels definierten Innenraum, und zumindest zwei Elektroden (5), welche in dem Innenraum positionierbar sind.
Schmelz- und/oder Läutervorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Positionieren der Elektroden, mit welcher zur Durchführung von Schritt c) der Startphase die Elektroden (5) in dem von der Seitenwand (2) und der Bodenplatte definierten Innenraum positioniert werden, und für die Durchführung von Schritt bb) der Betriebsphase die Elektroden (5) aus dem Innenraum entfernt werden.