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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von Gläsern, Glaskeramiken oder Keramiken,
insbesondere von Gläsern, Glaskeramiken oder Keramiken
mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 1800°C. Genauer gesagt
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von Formkörpern, beispielsweise von Stäben
oder anderen Vollkörpern sowie von Rohren oder anderen
Hohlkörpern, aus Gläsern oder Glaskeramiken im
diskontinuierlichen Betrieb.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Allgemein
betrifft die vorliegende Erfindung Gläser oder Glaskeramiken,
die nur einen sehr geringen Anteil an Netzwerkwandlern, insbesondere
Alkalioxide, aufweisen und Gläser oder Glaskeramiken, die
einen hohen Anteil hoch schmelzender Oxide, wie beispielsweise SiO2, GeO2, Al2O3, ZrO2,
Nb2O5 oder Ta2O5, aufweisen. Gläser
oder Glaskeramiken der vorgenannten Art weisen relativ hohe Schmelztemperaturen
im Bereich von etwa 1700°C auf. Zu ihrer Herstellung muss
eine Glasschmelze oftmals während längerer Zeiträume auf
relativ hohe Temperaturen aufgeheizt werden, etwa zum Läutern
der Glasschmelze. Die notwendigen relativ hohen Temperaturen im
Dauerbetrieb stellen neue Herausforderungen an die Auslegung von
Schmelztiegeln.
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Eine
herkömmliche Vorrichtung zur Herstellung von Rohren und
Stäben im diskontinuierlichen Betrieb gemäß dem
Stand der Technik umfasst einen als Schmelzgefäß dienenden
Tiegel, der üblicherweise aus Pt und Pt-Legierungen, beispielsweise
PtRh30, gebildet ist. Unter dem Tiegel ist ein Rohr aus einem der
vorgenannten Edelmetalle angeschweißt, das über
einen oder mehrere von der Tiegelheizung unabhängige Heizkreise
beheizt wird. Dies gewährleistet, dass die Temperatureinstellung
des für den Heißformgebungsprozess entscheidenden
Rohres unabhängig von der Temperatureinstellung des Tiegels
realisiert werden kann.
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Diese
Anordnung hat sich in sehr vielen Fällen bewährt.
Nachteilig ist jedoch, dass die maximale Temperatur auf etwa 1760°C
beschränkt und die Lebensdauer der Vorrichtung bei derartig
hohen Temperaturen stark eingeschränkt ist. Gläser
oder Glaskeramiken, die nur einen sehr geringen Anteil an Netzwerkwandlern, speziell
Alkalioxiden, aufweisen oder Gläser oder Glaskeramiken,
die einen hohen Anteil hoch schmelzender Oxide wie beispielsweise
Al2O3, SiO2, GeO2, ZrO2, Nb2O5 oder
Ta2O5 aufweisen,
benötigen jedoch unter Umständen höhere
Schmelztemperaturen bzw. müssen bei den maximal möglichen
Temperaturen über unwirtschaftlich lange Prozesszeiträume
mehr zusammengesintert als geschmolzen werden.
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EP 1 160 208 A2 offenbart
einen Schmelztiegel zur kontinuierlichen Herstellung von Glas-Formkörpern.
Der Schmelztiegel ist aus einem Metall gefertigt, das der Schmelztemperatur
des Glases standhält, nämlich aus Molybdän
oder Wolfram. Damit Oxide der Schmelztiegelwand nicht in die Glasschmelze
hinein diffundieren, wo sie zu Verfärbungen des Glases
und zu Einschlüssen in dem Glas führen können,
ist die Schmelztiegelwand mit einer Schicht aus einem reaktionsträgen,
erst bei hoher Temperatur schmelzenden Metall ausgekleidet. Die
Auskleidung besteht aus Rhenium, Osmium, Iridium oder Legierungen
dieser Metalle.
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Der
doppelwandige Aufbau des Schmelztiegels ist vergleichsweise aufwändig
und erfordert einen relativ komplexen Aufbau, der den Aufbau einer
wasserstoffhaltigen Schutzgasatmosphäre im Innen- und Außenraum
des Schmelzgefäßes ermöglichen muss,
um das Verbrennen von Molybdän oder Wolfram bei den verwendeten
hohen Temperaturen zu unterdrücken. Dieses wasserstoffhaltige
Gas bedingt jedoch verschiedene Probleme: Zum ersten ist es brennbar
und setzt teure Sicherheitssysteme voraus, zum zweiten kann es zu
Materialversprödungen bei Konstruktionswerkstoffen kommen
und zum dritten, was für die Glasschmelze von großer
Bedeutung ist, verhindert das wasserstoffhaltige Gas den Einsatz von
Glasbestandteilen mit verschiedenen Oxidationsstufen und leicht
reduzierbaren Komponenten. So sind insbesondere die in der Glaschemie üblichen
Redoxläutermittel As2O3,
Sb2O3 und SnO2 nicht verwendbar, sondern es muss mit teurem
Helium geläutert werden, was relativ ineffizient ist.
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Zur
Gemengezufuhr sind bei dieser Vorrichtung Schleusensysteme notwendig
und es kann kein Ziehrohr mit Düse zur Formgebung verwendet
werden, was für die Viskositätseinstellung des
Glases für eine präzise Formgebung unumgänglich
ist. Somit eignet sich diese Vorrichtung zwar für hochreines
Kieselglas, bei dem ohnehin keine Läutermittel (= Verunreiniger)
zugesetzt werden dürfen. Doch für eine kostengünstige
und einfach zu handhabende Fertigung von Glasteilen hoher Präzision
im diskontinuierlichen Betrieb ist diese Vorrichtung zumeist zu
komplex und zu teuer.
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Zur
Herstellung hoch schmelzender, kristallisierender Gläser
offenbart
US 6 482
758 B1 die Verwendung eines Ir-Tiegels. Allerdings wird
der Tiegel nach dem Läutern aus der Beheizungseinheit entnommen
und ausgekippt. Es versteht sich von selbst, dass diese Vorgehensweise
nur für relativ kleine Tiegel praktikabel ist, etwa für
Experimente im Labormaßstab, weil große Tiegel
aus Gewichtsgründen nicht einfach manuell entnommen werden
können bzw. bei der zu Hilfenahme von Kränen unter
dem Eigengewicht deformieren bzw. nicht bezahlbare Wandstärken
aufweisen müssten. Weiter ist bei dieser Vorrichtung auch
keine komplexe bzw. definierte Formgebung wie Rohrzug möglich,
sondern nur der Guss in eine blockförmige Kompaktform.
Ein weiterer Nachteil besteht gerade bei zur Kristallisation neigenden
Gläsern darin, dass bei Guss über die Kante durch
unkontrollierte Temperaturführung und/oder am oberen Rand
sitzende Verdampfungsprodukte die unerwünschte Kristallisation
ausgelöst werden kann.
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Aus
dem Stand der Technik sind auch Schmelztiegel aus Iridium oder einer
hochiridiumhaltigen Legierung bekannt. Solche Schmelztiegel werden
in der Kristallzucht verwendet, beispielsweise zur Kristallzucht nach
dem bekannten Czochralski-Verfahren. Dabei werden ebenfalls Ausgangsmaterialien
bei hohen Temperaturen aufgeschmolzen. Allerdings handelt es sich
bei Kristallen um eine vollständig andere Substanzklasse mit
ganz anderen Verarbeitungseigenschaften. So entfallen bei der Kristallzucht
der bei Gläsern bekannte Läuterprozess und die
Zugabe eines Läutermittels. Gänzlich anders ist
auch die Formgebung, denn die Form eines gezogenen Kristalls wird
durch den verwendeten Impfkristall und die Formgebung der zumeist
sehr komplexen Ziehvorrichtung vorgegeben. Kristall-Ziehvorrichtungen
können zur Herstellung von Gläsern deshalb nicht
verwendet werden. Da Kristalle ein schlagartiges Erstarrungsverhalten
bei definierter Temperatur zeigen, sind außerdem Heißformgebungsprozesse über
ein Rohrsystem und über eine Temperaturabsenkung mit nachfolgender
Viskositätserhöhung über viele hundert
Grad prinzipiell nicht möglich.
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US 4,938,198 offenbart eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung stark reduzierender
Phosphatgläser, mit einem Gefäß zum Aufnehmen
einer Glasschmelze und mit einem Behälter, der das Gefäß aufnimmt,
wobei das Gefäß einen rohrförmigen Auslass
aufweist, das Gefäß und der rohrförmige
Auslass aus sauerstoffdurchlässigem Platin oder einer sauerstoffdurchlässigen
Platinlegierung gebildet sind, und wobei der Behälter ausgelegt
ist, um das Gefäß und den rohrförmigen
Auslass unter einer Sauerstoffatmosphäre aufzunehmen.
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Dieser
Druckschrift ist ferner der Hinweis zu entnehmen, dass das Gefäß zum
Aufnehmen der Schmelze nicht aus Iridium oder einer Iridiumlegierung
bestehen sollte, da Iridium nur unter einem vergleichsweise hohem
Aufwand zu einem Gefäß verarbeitet werden kann
und die Außenoberfläche des Gefäßes
mit einem inerten Metall, beispielsweise Rhodium, beschichtet werden
muss, was aufwändig ist.
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JP 02-022132 A offenbart
eine Vorrichtung zur Herstellung von Glasschmelzen im Temperaturbereich von
1000°C bis 2000°C. Offenbart wird ferner, dass
Iridium prinzipiell als Hochtemperaturwerkstoff geeignet ist, um
eine Korrosion, die durch die bei hohen Temperaturen vorliegende
Schmelze hervorgerufen wird, mit dem Gefäß zum
Aufnehmen der Glasschmelze zu unterbinden. Allerdings werden keine
konkreten Maßnahmen zur Beheizung, zur Wahl des Feuerfestmaterials,
zur Heißformgebung, zur verwendeten Glasart, zur Anlagensteuerung
und zur Stabilisierung des Iridiums bzw. der Iridium-Legierung offenbart.
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Die
2 zeigt
in einem schematischen Teilschnitt einen als Gefäß zur
Aufnahme einer Glasschmelze dienenden Schmelztiegel
2 mit
einem Auslaufrohr
4 gemäß der
DE 103 48 466 A1 ,
entsprechend der
US 2005/0109062
A1 der Anmelderin, deren Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme
ausdrücklich in der vorliegenden Anmeldung mit beinhaltet
sei. Im oberen Teil weist der Schmelztiegel
2 eine Tiegelwand
6 auf,
die aus einem Blech gefertigt ist, das geeignet zugeschnitten wird
und entlang der Schweißnaht
8 durch Schweißen stoffschlüssig
verbunden wird. Geeignete Einkerbungen in dem Blech sorgen dafür,
dass auch der Boden
9 geeignet gebildet und mittels einer
nicht dargestellten Schweißnaht mit dem Rest der Tiegelwand
6 verbunden wird.
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In
der Mitte des Bodens 9 beginnt das als rohrförmiger
Auslass dienende Auslaufrohr 4, das aus mehreren Segmenten 10 bis 14 gebildet
ist. Bei dem dargestellten Beispiel weist das Auslaufrohr 4 einen
runden Querschnitt auf. Das Auslaufrohr 4 kann auch einen
anderen geeigneten Querschnitt aufweisen. Die einzelnen Segmente 10 bis 14 sind
jeweils aus einem Blech gefertigt, das geeignet zugeschnitten und
entlang der jeweiligen Schweißnaht 16 zu einem
rohrförmigen Gebilde verbunden wird. Das oberste Segment 10 ist
konisch geformt und ist mit dem Boden 9 des Schmelztiegels 2 verbunden.
Die konische Form unterstützt ein Auslaufen der Glasschmelze
aus dem zylindrischen Teil des Schmelztiegels 2 in das
Auslaufrohr 4. Die weiteren Segmente 11 bis 14 sind
im Wesentlichen geradlinig ausgebildet. In dem oberen Teil A des
Auslaufrohrs 4 bestehen die Segmente 10 bis 13 aus
Iridium oder einem hoch-iridiumhaltigen Material, nämlich
einer Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält,
wie nachfolgend ausgeführt. In dem unteren Teil B des Auslaufrohrs 4 besteht
das Segment 14 oder die mehreren Segmente (nicht dargestellt)
aus einer oxidationsbeständigen Legierung, bevorzugt aus
PtRh30 oder PtRh20.
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Am
unteren Ende des Auslaufrohrs 4 ist eine Ziehdüse 15 angeordnet,
die als Heißformgebungseinrichtung dient, um die aus dem
Auslaufrohr 4 austretende Glasschmelze zu einem Formkörper
zu formen. Das Auslaufrohr 4 wird mit Hilfe eines elektrischen
Stroms, der durch die Wände der Segmente 10 bis 14 fließt, widerstandsbeheizt.
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Das
konische Segment 10 ist mit dem Boden 9 des Schmelztiegels 2 über
eine Schweißnaht verbunden. Auch die weiteren Segmente 11 bis 13 aus
Iridium oder aus der Iridiumlegierung sind bevorzugt mittels Schweißverbindungen
miteinander verbunden. Die Schmelztemperaturen von Iridium oder
einer Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält,
und anderen oxidationsbeständigen Legierungen, die zur Ausbildung
des Segments 14 des unteren Abschnittes B des Auslaufrohrs 4 verwendet
werden, unterscheiden sich deutlich. Deshalb kann das Segment 14 aus
der niedrig schmelzenden oxidationsbeständigen Legierung nicht
mittels Schweißverbindung mit dem Segment 13 aus Iridium
oder aus der Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium
enthält, verbunden werden. Zur Verbindung dient deshalb
eine Art Steckverbindung, bei der das Segment 13 eng anliegend
in das Segment 14 hineingeschoben wird. Bei den hohen Betriebstemperaturen
kommt es zu einer Art „Überschmelzen" der unterschiedlichen
Materialien und so zu einem adhäsiven Zusammenhalten der
unterschiedlichen Materialien. Der Außendurchmesser des
Segments 13 und der Innendurchmesser des Segments 14 sind
so aufeinander abgestimmt, dass sich beim Ausbilden der Steckverbindung
eine Art Wulst aus dem Material der niedrig schmelzenden oxidationsbeständigen
Legierung des Segments 14 um das Material des Segments 13 anlegt,
die zur Abdichtung des Auslaufrohrs 4 in dem Übergangsbereich 39 zwischen
dem Abschnitt A und dem Abschnitt B dient.
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Die
1 zeigt
in einem schematischen Querschnitt eine Vorrichtung zur Herstellung
von hochschmelzenden Gläsern oder hochschmelzenden Glaskeramiken,
im diskontinuierlichen Betrieb gemäß der
DE 103 48 466 A1 ,
entsprechend der
US
2005/0109062 A1 der Anmelderin. Die Vorrichtung
1 umfasst
den Schmelztiegel
2 gemäß der
2,
der in einem Behälter aufgenommen ist, der aus einem unteren
Behälterabschnitt
19 und dem oberen Behälterabschnitt
20 gebildet
ist. Der Schmelztiegel
2 ist in dem Behälter so
aufgenommen, dass der obere Rand des Schmelztiegels
2 nicht über
den oberen Rand des oberen Behälterabschnitts
20 vorsteht.
Der obere Behälterabschnitt
20 ist von einer Abdeckung
21 bedeckt.
Insgesamt ist der so ausgebildete Behälter ausreichend
zu der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen, sodass in dem
Innenraum des Behälters, wo der Schmelztiegel
2 aufgenommen
ist, eine Schutzgasatmosphäre ausgebildet werden kann,
sodass eine unerwünschte Oxidbildung des Iridiums oder
der Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält,
des Schmelztiegels
2 und des Abschnittes A des Auslaufrohrs
4 (siehe
2)
verhindert werden kann.
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Um
den Schmelztiegel 2 herum ist eine wassergekühlte
Induktionsspule 3 angeordnet, die spiralförmig und
mit nicht verschwindender Steigung um den Schmelztiegel 2 herum
verläuft. Die Induktionsspule 3 ist unter einem
geringen Abstand zu der Außenwand des Schmelztiegels 2 angeordnet,
bevorzugt unter einem Abstand von etwa 60 bis 80 mm. Zwischen der
Induktionsspule 3 und dem Schmelztiegel 2 befindet
sich ein feuerfester Zylinder 23, der den Schmelztiegel 2 radial
umgibt und an der Unterseite durch das zweite Bodenelement 26 und
das erste Bodenelement 25 abgeschlossen ist. Der so entstehende
Zwischenraum zwischen der Innenumfangsoberfläche des feuerfesten
Zylinders 23 und der Außenumfangsoberfläche
des Schmelztiegels 2 ist mit MgO-Kügelchen 24 aufgeschüttet,
um eine ausreichende Formstabilität des Schmelztiegels 2 auch bei
Temperaturen von oberhalb von etwa 2000°C zu gewährleisten.
Die Kügelchen der Kugelschüttung 24 müssen
bei den angegebenen Temperaturen ausreichend temperatur- und formstabil
und oxidationsbeständig sein. Bevorzugt wird deshalb MgO
als Material der Kugelschüttung verwendet. Eine Verwendung
von ZrO2 ist beispielsweise auch realisierbar.
Die Kügelchen der Kugelschüttung 24 können
auch eine von der Kugelform abweichende Oberflächengestalt
aufweisen. Insgesamt wird jedoch in dem Zwischenraum zwischen der
Innenumfangsoberfläche des Zylinders 23 und der
Außenumfangsoberfläche des Schmelztiegels 2 ein
ausreichender Gasfluss, insbesondere Schutzgasfluss, aufrecht erhalten,
sodass der Schmelztiegel 2 von einem inerten Schutzgas
umströmt wird, um eine unerwünschte Oxidbildung
des Iridiums oder der Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-%
Iridium enthält, des Schmelztiegels 2 zu verhindern.
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Ein
ausreichender Gasfluss in dem vorgenannten Zwischenraum kann gewährleistet
werden, wenn die Kügelchen der Kugelschüttung 24 einen
Durchmesser von zumindest etwa 2,0 mm aufweisen, bevorzugter von
zumindest etwa 2,5 mm und noch bevorzugter von zumindest etwa 3,0
mm.
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Bei
der Anwendung der Vorrichtung gemäß den 1 und 2 stellte
sich jedoch heraus, dass es nach einer gewissen Betriebszeit, beispielsweise
nach zwei bis drei Monaten, zu einem Versagen des Auslaufrohrs kam,
insbesondere durch Undichtigkeiten in dessen Umfangswand, was zu
einem unerwünschten, unkontrollierten seitlichen Austritt
der Glasschmelze führte.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, womit sich hoch schmelzende Gläser oder
hoch schmelzende Glaskeramiken noch zuverlässiger und mit
geeigneter Qualität herstellen lassen.
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Diese
Aufgabe wird durch Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung
nach Anspruch 36 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
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Somit
geht die vorliegende Erfindung aus von einem Verfahren zur Herstellung
von hochschmelzenden Gläsern oder Glaskeramiken gemäss
der
DE 103 48 466
A1 entsprechend der
US 2005/010 9062 A1 , wobei ein Gefäss
zum Aufnehmen einer Glasschmelze verwendet wird, das einen rohrförmigen
Auslass aufweist, das Gefäss in einem Behälter
angeordnet ist, das Gefäss und der gesamte rohrförmige
Auslass aus Iridium oder einer Iridiumlegierung, die wenigstens
50 Gewichts-% Iridium enthält, hergestellt sind und in
dem Behälter eine Schutzgasatmosphäre ausgebildet
ist, derart, dass das Gefäss und ein Abschnitt des rohrförmigen
Auslasses in dem Behälter unter der Schutzgasatmosphäre
aufgenommen sind, die eine Oxidbildung des Iridiums oder der Iridiumlegierung,
die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält, verhindert.
Dabei ragt ein vorderes freies Ende des rohrförmigen Auslasses
durch eine in einem Boden des Behälters befindliche Öffnung
in die Umgebungsatmosphäre. Erfindungsgemäss wird
die Temperatur des sich ausserhalb des Behälters befindlichen
vorderen freien Endes des rohrförmigen Auslasses so gesteuert
oder geregelt, dass diese stets niedriger als etwa 1.000°C
ist, bevorzugter niedriger als etwa 950°C, ausser während
des Auslaufens der Glasschmelze aus dem rohrförmigen Auslass.
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Bei
einer solchen Prozesssteuerung oder -regelung kann der vorgenannte
Ausfall des rohrförmigen Auslasses auch über längere
Betriebsdauern, die einen Zeitraum von zwei bis drei Monaten deutlich übersteigen,
zuverlässig verhindert werden. Untersuchungen der Erfinder
haben ergeben, dass bei der Vorrichtung nach der
DE 103 48 466 A1 Ursache
für das Versagen des rohrförmigen Auslasses stets
die Verbindung des aus dem Iridium oder der Iridiumlegierung, die
wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält, bestehenden Abschnittes
des Auslaufrohrs mit dem aus der oxidationsbeständigen
Legierung, beispielsweise PtRh20, hergestellten Abschnitt war. Durch
aufwendige metallographische Untersuchungen haben die Erfinder ferner
festgestellt, dass Elemente der Platingruppe des aus der oxidationsbeständigen
Legierung hergestellten Abschnittes, insbesondere Pt bzw. Rh, unter
Zurücklassung einer Fehlstelle in den aus Iridium oder
aus der Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält,
hergestellten Abschnitt diffundieren. Diese Fehlstellen akkumulierten
sich im Laufe der Zeit, wodurch sich im Material des rohrförmigen
Auslasses Poren bildeten. Sobald die Anzahl der Poren eine gewisse
Grössenordnung überschritten hat, wies die Verbindungsstelle
zwischen den beiden aus unterschiedlichen Materialien hergestellten
Abschnitten des rohrförmigen Auslasses keine ausreichende
Festigkeit mehr auf, sodass die Verbindungsstelle schliesslich bei
mechanischer Belastung abriss. Als weitere mögliche Fehlerursache
kommen lokale Überhöhungen des Heizstroms aufgrund
von Materialinhomogenitäten in dem rohrförmigen
Auslasse in Betracht, was zu einem lokalen Abschmelzen des Restmaterials
führt. Weil erfindungsgemäß der gesamte
rohrförmige Auslass aus Iridium oder der Iridiumlegierung,
die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält, hergestellt
ist, ist diese Schwachstelle des rohrförmigen Auslasses
erfindungsgemäss eliminiert. Denn eine Diffusion von Legierungsbestandteilen
kann nicht mehr auftreten, da die treibende thermodynamische Kraft
nicht mehr vorhanden ist.
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Dem
vorgenannten Stand der Technik kann entnommen werden, dass Teile
des Tiegels oder Auslaufrohrs, die der sauerstoffhaltigen Umgebungsatmosphäre
ausgesetzt sind, aufgrund der Abdampfung von gasförmigem
Iridiumoxid rasch zersetzt werden. Deshalb wurde gemäss
dem Stand der Technik ein Aufbau gewählt, bei dem der Schmelztiegel
und ein erster Abschnitt des rohrförmigen Auslasses in
einem Behälter unter einer Schutzgasatmosphäre
aufgenommen sind, und das vordere freie Ende des rohrförmigen
Auslasses, das der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt ist,
aus einem anderen Material als Iridium oder der Iridiumlegierung, die
wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält, hergestellt ist,
nämlich aus einer oxidationsbeständigen Legierung
der Platingruppe. Aufwändige Versuchsreihen der Erfinder
haben jedoch ergeben, dass auch durch geeignete Prozessführung
und optional weitere Massnahmen eine oxidative Zersetzung des Iridiums
oder der Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium
enthält, welches das der Umgebungsatmosphäre ausgesetzte
vordere freie Ende des rohrförmigen Auslasses ausbildet,
zuverlässig verhindert werden kann.
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Als
erste Massnahme zur Verhinderung der vorgenannten oxidativen Zersetzung
wird erfindungsgemäss eine geeignete Temperatursteuerung
gewählt. Dem liegt die überraschende Erkenntnis
zugrunde, dass das der Umgebungsatmosphäre ausgesetzte
vordere freie Ende des rohrförmigen Auslasses die meiste
Zeit, jedenfalls bei diskontinuierlichem Betrieb der Vorrichtung,
ausreichend kühl gehalten werden kann, damit die vorgenannte
oxidative Zersetzung nicht in nennenswertem Ausmasse auftritt. Zum
Oxidationsverhalten von Elementen der Platingruppe sei beispielhaft
auf „Reactions of Oxygen with the platinum metals",
von J. C. Chaston, Platinum metals review 1965, 9(2), 51–56 verwiesen.
Es hat sich gezeigt, dass eine frische Oberfläche aus einem
Material aus Iridium oder einem hochiridiumhaltigen Material bei
Erwärmung mit einer sehr dünnen Schicht aus Oxid überzogen
ist, die vermutlich als Barriere wirkt, um ein weiteres Wachsen
der Oxidschicht zu verhindern. Bei weiterer Erwärmung auf
Temperaturen oberhalb von etwa 400°C kann ein beginnendes Wachstum
der Oxidschicht beobachtet werden. Diese Oxidschicht wirkt dennoch
weiterhin schützend gegen eine unkontrollierte oxidative
Zersetzung. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass
die vorgenannte oxidative Zersetzung des vorderen freien Endes des
Auslaufrohrs jedenfalls bei der beengten Geometrie, wie diese am
vorderen freien Ende des Auslaufrohrs vorliegt, mit begrenztem Austausch
mit der Umgebungsatmosphäre, dünne Oxidschichten
auf der Aussenseite des der Umgebungsatmosphäre ausgesetzten
vorderen freien Endes des rohrförmigen Auslasses bei Temperaturen
bis hinauf zu 1.000°C die vorgenannte oxidative Zersetzung
in ausreichendem Masse unterbinden. Bei der Prozessführung
ist erfindungsgemäss jedoch darauf zu achten, dass die
Gesamtzeitdauer, während der das der Umgebungsatmosphäre
ausgesetzte vordere freie Ende des rohrfömigen Auslasses
sich auf hoher Temperatur befindet, minimiert ist.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Temperatursteuerung
dergestalt, dass das der Umgebungsatmosphäre ausgesetzte
vordere freie Ende mit Ausnahme der Phase, während der
die Glasschmelze aus dem rohrförmigen Auslass ausläuft,
stets auf einer Temperatur unterhalb von etwa 950°C gehalten
wird, also deutlich unterhalb der vorgenannten Grenztemperatur von
1.000°C, um der vorgenannten oxidativen Zersetzung in ausreichendem
Masse entgegenzuwirken.
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Als
weitere Maßnahme zur Verhinderung der vorgenannten oxidativen
Zersetzung wird gemäss einer weiteren Ausführungsform
der innere Teil des vorderen freien Endes des rohrförmigen
Auslasses gegen den Einfluss der Umgebungsatmosphäre durch
einen darin ausgebildeten Glaspfropfen geschützt. Aufwändige Versuchsreihen
der Erfinder haben überraschenderweise ergeben, dass Glas
sehr gut geeignet ist, um den inneren Teil des vorderen Endes des
rohrförmigen Auslasses gegen den Einfluss der Umgebungsatmosphäre in
ausreichendem Masse zu schützen, sodass auch das vordere
freie Ende aus Iridium oder der Iridiumlegierung, die wenigstens
50 Gewichts-% Iridium enthält, hergestellt sein kann. Zweckmässig
wird hierzu dasjenige Glas verwendet, das ohnehin im Tiegel geschmolzen
werden soll, was insbesondere von der Erweichungstemperatur der
verwendeten Glassorte abhängig ist. Zur Ausbildung eines
geeigneten Glaspfropfens wird die Auslauföffnung des rohrförmigen
Auslasses mit einem Verschlusskörper verschlossen, der
bevorzugt gekühlt ist und aus einem Metall ausgebildet
ist, beispielsweise Kupfer, und werden dann Scherben bevorzugt derselben Zusammensetzung
wie das herzustellende Glas oder einer anderen Zusammensetzung in
kaltem Zustand in Form von Scherben in den rohrförmigen
Auslass eingebracht. Anschließend wird der rohrförmige
Auslass bis über die Erweichungstemperatur des eingebrachten
Scherbenmaterials erhitzt. Weil die Auslauföffnung des rohrförmigen
Auslasses durch den Verschlusskörper verschlossen ist,
kann während der Phase des Einfüllens und Erhitzens
das eingebrachte Scherbenmaterial nicht herausrieseln. Während
der Phase des Erhitzens wird dabei die vorgenannte Grenztemperatur
von etwa 1.000°C, bevorzugter 950°C, ab der eine
Schädigung des Iridiums oder der Iridiumlegierung, die
wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält, eintritt, nicht überschritten. Es
bildet sich im unteren Teil des rohrförmigen Auslasses
ein kompakter Pfropfen aus geschmolzenem, gasdichten Glas, der spaltfrei
am Material des rohrförmigen Auslasses anliegt und in Kontakt
zum bevorzugt gekühlten Verschlusskörper ist.
Auf diese Weise wird erfindungsgemäss der innere Teil des
vorderen freien Endes des rohrförmigen Auslasses gegen
die Umgebungsatmosphäre hin abgedichtet.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform können die vorgenannten
Schritte des Einbringens von Scherbenmaterial, des Erhitzens des
rohrförmigen Auslasses über die Erweichungstemperatur
des Scherbenmaterials und des Abkühlens des rohrförmigen
Auslasses bis zum Ausbilden des Pfropfens solange wiederholt werden,
bis der gesamte rohrförmige Auslass, d. h. bis zum Übergangsbereich
zum Schmelztiegel, mit einem Pfropfen abgedichtet sind. Dabei wird
der sich im Behälter befindliche Teil des Tiegels und des
rohrförmigen Auslasses so gegen die Umgebungsatmospäre
geschützt, wie in der
DE 103 48 466 A1 bzw.
US 2005/010 9062 A1 der
Anmelderin beschrieben. Dabei braucht der Schmelztiegel selbst gemäss
einer weiteren Ausführungsform garnicht erhitzt werden,
wenn Schmelztiegel und rohrförmiger Auslass über
getrennte Heizeinrichtungen beheizt werden können.
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Weil
das in den rohrförmigen Auslass eingebrachte Scherbenmaterial
Glasscherben sind, kommt es beim Aufschmelzen der Glaseinwaage nicht
zu einer Gasfreisetzung, die eine unerwünschte Oxidation
auf der Innenseite des rohrförmigen Auslasses bzw. Schmelztiegels
hervorrufen würde. Bevorzugt wird zur Ausbildung des vorgenannten
Glaspfropfens eine Temperaturführung mit steilen Temperaturrampen,
so dass die Temperatur des rohrförmigen Auslasses rasch
auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur hochgefahren
und anschliessend wieder abgesenkt werden kann. Zu diesem Zweck
wird es bevorzugt, wenn das vordere freie Ende des rohrförmigen
Auslasses aktiv gekühlt wird, was durch eine zusätzliche Kühleinrichtung im
Bereich des der Umgebungsatmosphäre ausgesetzten vorderen
freien Endes des rohrförmigen Auslasses zusätzlich
unterstützt werden kann. Gemäss einer weiteren
Ausführungsform ist jedoch der Verschlusskörper aktiv
gekühlt und aus einem Metall ausgebildet, sodass durch
innigen Kontakt des Verschlusskörpers mit dem Material
des rohrförmigen Auslasses ein ausreichender thermischer
Kontakt gewährleistet werden kann, um dem vorderen freien
Ende rasch Wärme zu entziehen.
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Insbesondere
für den Fall, dass die Erweichungstemperatur des herzustellenden
Glases oberhalb von 1.000°C liegt, können zur
Ausbildung des vorgenannten Pfropfens in dem rohrförmigen
Auslass auch Fremdscherben eines nicht-oxidierenden beliebigen anderen
Glases verwendet werden. Bei einer solchen Ausführungsform
werden somit die Schritte des Einbringens des Scherbenmaterials
mit einer anderen Zusammensetzung als dem herzustellenden Glas in
den rohrförmigen Auslass, des Erhitzens des rohrförmigen
Auslasses über die Erweichungstemperatur des in den rohrförmigen
Auslass eingebrachten Scherbenmaterials und des Abkühlens
des rohrförmigen Auslasses zum Ausbilden des Pfropfens
solange wiederholt, bis in dem rohrförmigen Auslass ein
diesen gasdicht abdichtender Glaspfropfen ausgebildet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform, bei der zur Ausbildung des Glaspfropfens
eine andere Glassorte verwendet wird, wird eine Rückvermischung
des Rohrinhalts mit dem Schmelztiegel dadurch verhindert, dass im
nicht-strömenden Zustand der Vorrichtung, d. h. dann, wenn
der rohrförmige Auslass von dem Verschlusskörper
verschlossen ist, die Temperatur im rohrförmigen Auslass
um mindestens 100°C kälter gehalten wird als im
Schmelztiegel, was insbesondere mittels getrennter Heizeinrichtungen
für den Schmelztiegel und den rohrförmigen Auslass
ohne weiteres bewerkstelligt werden kann. Beim Auslaufen der Glasschmelze
wird bei einer solchen Ausführungsform zunächst
der erste Teil des Gusses verworfen und erst dann, wenn der Inhalt
des rohrförmigen Auslasses vollständig ausgegossen
ist, die Glasschmelze zur Herstellung eines Formkörpers
aus Glas oder Glaskeramik verwendet. Da das Volumen des rohrförmigen
Auslasses im Vergleich zum Volumen des Schmelztiegels jedoch gering
ist, ist dies auf wirtschaftlich sinnvolle Weise möglich.
Nach dem ersten Guss ist der rohrförmige Auslass für
alle weiteren Zyklen bis zu einem Glaswechsel oder einem Anlagenausbau
bevorzugt mit dem herzustellenden Glas gefüllt.
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In
allen Phasen ausserhalb der Gussphase (diskontinuierlicher Betrieb)
kann das sich ausserhalb des Behälters befindliche vordere
freie Ende des rohrförmigen Auslasses dadurch geschützt
werden, dass über die Kühlleistung des aktiv gekühlten
Verschlusskörpers, beispielsweise aus Kupfer, soviel Wärme
aus diesem Rohrabschnitt entzogen wird, dass die Temperatur unterhalb
der für die vorgenannte oxidative Zersetzung kritischen
1.000°C bleibt, bevorzugter unterhalb von 950°C.
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Wie
dem Fachmann ohne weiters ersichtlich sein wird, ist die Innenseite
des sich ausserhalb des Behälters befindlichen vorderen
freien Endes des rohrförmigen Auslasses auch für
die Zeit des Gusses bzw. für einen kontinuierlichen Betrieb
weiterhin durch das ausfliessende Glas geschützt, auch
wenn die Temperatur nun, abhängig von den Eigenschaften
der Glassorte, oberhalb von 1.000°C liegt. Für
die Phase des Gusses bzw. Auslaufens der Glasschmelze aus dem rohrförmigen
Auslass sind deshalb gemäss einer weiteren Ausführungsform
weitere Massnahmen erforderlich, um die Aussenseite des sich ausserhalb
des Behälters befindlichen vorderen freien Endes des rohrförmigen
Auslasses gegen ein unkontrolliertes oxidatives Zersetzen zu schützen.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform wird dies durch Blasen eines
inerten Schutzgases auf die Aussenseite des sich ausserhalb des
Behälters befindlichen freien Endes des rohrförmigen
Körpers bewerkstelligt. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass aufgrund der begrenzten und nach oben hin abgeschlossenen Geometrie
im Bereich des Auslassöffnung des rohrförmigen
Auslasses nur ein begrenzter Gasaustausch mit der Sauerstoff enthaltenden
Umgebungsatmosphäre stattfindet. Denn das vordere freie
Ende des rohrförmigen Auslasses ist in einem nach oben
hin abgeschlossenen zylindrischen Hohlraum angeordnet. Wird dieser
zylindrische Hohlraum mit einer ausreichenden Menge an inertem Schutzgas
gespült, so kann die vorgenannte unkontrollierte oxidative
Zersetzung des vorderen freien Endes des rohrförmigen Auslasses
zuverlässig verhindert werden.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform ist über das sich
ausserhalb des Behälters befindliche vordere freie Ende
des rohrförmigen Auslasses ein gelochter oder poröser,
zylinder- oder ringförmiger Körper gestülpt,
der das inerte Schutzgas über die Aussenseite des rohrförmigen
Auslasses leitet. Bevorzugt ist dieser gelochte oder poröse
Körper aus einem Metall ausgebildet, was insbesondere das
Temperaturmanagement und eine aktive Kühlung des vorderen
freien Endes wirkungsvoll unterstützt. Alternativ kann
auch ein keramischer oder metallischer Sinterkörper verwendet
werden.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform ist der poröse
Körper ein Sinterkörper aus Metall oder ein Metallschaum.
Der gelochte oder poröse Körper kann aktiv gekühlt
werden, beispielsweise von einem Kühlmedium durchströmt
werden. Zu diesem Zweck kann auch das inerte Schutzgas den gelochten
oder porösen Körper in gekühltem Zustand
in flüssiger und/oder gasförmiger Phase durchströmen.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform umfasst das inerte Schutzgas
N2 und/oder ein Edelgas oder besteht aus diesen Gasen. Gemäss
einer weiteren Ausführungsform kann dem inerten Schutzgas
H2 beigemischt sein, sodass schädlicher Sauerstoff nicht
nur physikalisch verdrängt sondern auch durch chemische Reaktion,
nämlich durch Oxidation des Wasserstoffs, entfernt werden
kann.
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Zusätzlich
oder alternativ zur vorgenannten Abschirmung der Aussenseite des
rohrförmigen Auslasses kann die Aussenseite des sich ausserhalb
des Behälters befindlichen freien Endes des rohrförmigen
Auslasses auch mittels einer gasdichten, dünnen Schicht
aus einem hochtemperaturfesten keramischen Material überzogen
sein. Auch der Schmelztiegel kann auf der Außenseite mit
einem hochtemperaturfesten keramischen Material überzogen
sein, insbesondere als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme
für den Fall eines Ausfalls der Schutzgasatmosphäre
oder zur Verminderung der Abdampfung von Schmelztiegelmaterial.
Dieses hochtemperaturfeste keramische Material kann insbesondere
mittels eines Plasma-Sprayverfahrens aufgebracht werden. Für
weitere Einzelheiten betreffend einen solchen Überzug aus
hochtemperaturfesten keramischen Materialien sei auf die
WO 02/44 115 A2 ,
entsprechend der
US
2004/0067369 A1 , der Anmelderin hingewiesen, deren gesamter
Inhalt hiermit ausdrücklich im Wege der Bezugnahme in der
vorliegenden Anmeldung mit beinhaltet sei. Solche hochtemperaturfesten
keramischen Materialien können insbesondere aus ZrO
2, Y
2O
3, MgO
oder aus Mischungen daraus bestehen. Die Schicht ist dabei ausreichend
dick ausgebildet, sodass diese gasdicht ist, gleichzeitig jedoch
aufgrund der stattfindenden Temperaturänderungen nicht
zu Abplatzungen führt.
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Unter
hoch schmelzenden Gläsern oder hoch schmelzenden Glaskeramiken
im Sinne dieser Anmeldung seien insbesondere Gläser oder
Glaskeramiken verstanden, die zur Herstellung einen Prozess durchlaufen,
während dem die Temperaturen die üblicherweise
durch das platinhaltige Material des Schmelztiegels vorgegebene
Maximaltemperatur von 1760°C übersteigen. Dies
schließt nicht aus, dass der Schmelzpunkt der Glasschmelze
selbst unterhalb von 1760°C liegt. Wie nachfolgend noch
ausführlicher beschrieben werden wird, lassen sich erfindungsgemäß jedoch
Temperaturen von etwa 2000°C oder gar bis zu etwa 2200°C
erzielen. Weil zum Schmelzen und Läutern der Glasschmelze
erfindungsgemäß höhere Temperaturen erzielt
werden können, lassen sich so hoch schmelzende Gläser
oder Glaskeramiken mit überraschend vorteilhaften Eigenschaften
erzielen, insbesondere hinsichtlich der optischen Transmission,
des thermischen Ausdehnungsverhaltens und der Verwendung als Übergangsgläser
zur Verbindung zweier Glassorten mit unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten.
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Eine
weitere Verwendung ist die als Aufdampfgläser in Vakuumanlagen.
Hiezu ist es erforderlich, dass die Glasschmelze keine Alkalioxide
enthält, sodass sehr hohe Schmelztemperaturen realisiert
werden können, dass die Glasschmelze keine Blasen enthält,
was eine sehr gute Läuterung, insbesondere bei sehr hohen
Temperaturen, erfordert, und dass die Glasschmelze keine gelösten
Gase enthält, die im Vakuum aufschäumen könnten,
was ebenfalls eine sehr gute Läuterung, insbesondere bei
sehr hohen Temperaturen, erfordert.
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Die
Erfinder haben herausgefunden, dass sich die vorgenannten relativ
hohen Temperaturen ohne weiteres bei Verwendung von Iridium oder
einer Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält,
erzielen lassen. Bekanntermaßen weist Iridium selbst einen
Schmelzpunkt von etwa 2410°C bis etwa 2443°C auf.
Auch hoch-iridiumhaltige Legierungen weisen einen nur geringfügig
niedrigeren Schmelzpunkt auf. Wenngleich somit erfindungsgemäß Verarbeitungstemperaturen
bis hin zu etwa 2400°C grundsätzlich denkbar sind,
sollte erfindungsgemäß aus Sicherheitsgründen
ein Temperaturabstand von etwa 100°C bis etwa 200°C
zu dieser Obergrenze eingehalten werden, etwa zur Vermeidung einer
lokalen Überhitzung, einer unzureichenden Temperaturmessung
oder einer Stabilitätsverringerung aufgrund von Korngrenzenwachstum des
Iridiums. Aufwändige Versuchsreihen der Erfinder haben
ergeben, dass Iridium selbst bei den vorgenannten hohen Temperaturen
nur relativ wenig mit der Glasschmelze reagiert.
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Erfindungsgemäß lässt
sich eine Oxidbildung des Iridiums oder der Iridiumlegierung, die
wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält, bei hohen Temperaturen
in Gegenwart von Sauerstoff in überraschend einfacher Weise
dadurch verhindern, dass der Behälter derart ausgelegt
ist, dass das Iridium oder die Iridiumlegierung, die wenigstens
50 Gewichts-% Iridium enthält, der Vorrichtung, insbesondere
des Gefäßes und des ersten Abschnittes des rohrförmigen
Auslasses, unter einer Schutzgasatmosphäre aufgenommen
wird. Vorteilhaft ist, dass sich so eine langzeitstabile Vorrichtung
erzielen lässt. Zu weiteren Einzelheiten bezüglich
Aufbau, Betrieb und Auslegung des Behälters und der Vorrichtung
sei auf die
DE 103
48 466 A1 bzw.
US 2005/0109062 A1 der Anmelderin verwiesen,
deren Inhalt hiermit ausdrücklich im Wege der Bezugnahme
in der vorliegenden Anmeldung mit beinhaltet sei.
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Bevorzugt
weist das den Tiegel und den rohrförmigen Auslass ausbildende
Iridium einen Iridium-Anteil von mindestens etwa 99%, bevorzugter
von mindestens etwa 99,5% und noch bevorzugter von mindestens etwa
99,8% auf. Ganz besonders bevorzugt beträgt der Edelmetallanteil
des Iridiums zumindest 99,95%. Dem Iridium können weitere
Elemente der Platingruppe beigemischt sein, bevorzugt mit Konzentrationen
unterhalb von etwa 1000 ppm. Grundsätzlich eignet sich
als Iridiumlegierung auch eine Platingruppe-Metalllegierung mit einem
Iridium-Anteil von mindestens etwa 95%, bevorzugter von mindestens
etwa 96,5% und noch bevorzugter von mindestens etwa 98%. Die vorgenannten
Materialien können ohne weiteres in Form von Blechen hergestellt
und zu dem Gefäß oder dem rohrförmigen
Auslass mit der gewünschten Gestalt geformt werden. Selbst
dünnwandige Profile weisen bei den vorgenanten relativ
hohen Temperaturen noch eine ausreichende Formstabilität
auf.
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Bevorzugt
werden das Gefäß und der rohrförmige
Auslass mit Hilfe von zumindest zwei unabhängig voneinander
steuer- oder regelbaren Heizvorrichtungen beheizt. Somit lässt
sich gewährleisten, dass das Gefäß selbst
auf den vorgenannten relativ hohen Temperaturen gehalten wird, beispielsweise
zum Läutern der Glasschmelze, während der rohrförmige
Auslass oder zumindest dessen vorderes freies Ende auf einer Temperatur
unterhalb der Erweichungstemperatur des Glaspfropfens gehalten werden
kann. Weiterhin lässt sich auch während der Heißformgebung
der Glasschmelze ein geeignetes Temperaturprofil in der Vorrichtung
realisieren, beispielsweise auch geringfügig unterschiedliche
Temperaturen im Gefäß und in dem Auslaufrohr.
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Der
rohrförmige Auslass kann von einer externen Heizvorrichtung
beheizt werden, beispielsweise von einer externen Induktionsspule,
die den Auslass umgibt. Bevorzugt wird der rohrförmige
Auslass elektrisch mittels einer Widerstandsheizung beheizt. Ganz
besonders bevorzugt wird der Heizstrom direkt an die Wandung des
rohrförmigen Auslasses angelegt.
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Bevorzugt
ist das Gefäß zur Aufnahme der Glasschmelze von
einer Abdeckung abgedeckt, die einer thermischen Isolierung der
Glasschmelze und/oder einem weiteren Schutz der Glasschmelze vor
der Umgebungsatmosphäre dient. Die Abdeckung kann aus einer
Keramik gebildet sein. Bevorzugt weist die Abdeckung einen Deckel
auf, der beim Niederschmelzen des Scherbenmaterials der Glasschmelze
zum Einführen weiteren Scherbenmaterials geöffnet
werden kann, beispielsweise durch Schwenken oder Verschieben. Bevorzugt ist
der Deckel aus einer oxidationsbeständigen Legierung gebildet,
bevorzugt aus einer PtRh20-Legierung, die kostengünstig
erhältlich ist und ausreichend formstabil und reaktionsträge
ist. Es können aber auch Ir oder Ir-Legierungen als Deckel
verwendet werden. Hierbei besteht analog zum Oxidationsschutz des
Ablaufrohrs die Möglichkeit, für den Deckel eine
Kombination mit einem oxidationsbeständigen Edelmetall
bzw. einer Edelmetalllegierung und mit Iridium oder einer Iridiumlegierung,
die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält, zu verwenden,
wobei das Iridium bzw. die Iridiumlegierung innerhalb des Behälters
mit der Schutzgasatmosphäre angeordnet ist und das oxidationsbeständige
Edelmetall bzw. die Edelmetalllegierung auch außerhalb
des Behälters mit der Schutzgasatmosphäre angeordnet
sein kann. Bevorzugt wird als Edelmetalllegierung bei dieser Ausführungsform
eine Pt/Rh20-Legierung verwendet wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform können das Gefäß und
die Abdeckung druckdicht ausgelegt sein. Zu diesem Zweck können
der obere Rand des Gefäßes und ein Innenumfangsrand
der Abdeckung plan geschliffen sein und kann ein Dichtmittel, beispielsweise
ein Metallring, auf dem oberen Rand des Gefäßes
vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform weist das Gefäß einen
Gaseinlass auf, sodass dem Innenvolumen des Gefäßes
ein unter Überdruck stehendes Gas zugeführt werden
kann, um den Austritt der Glasschmelze aus dem rohrförmigen
Auslass weiter zu fördern. Der Überdruck in dem
Gefäß kann beispielsweise auch den abnehmenden
hydrostatischen Druck beim Austritt der Glasschmelze aus dem Gefäß ausgleichen.
Zur Steuerung oder Regelung des Überdrucks in dem Gefäß kann
eine Steuer- oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein, der ein
Signal eines in dem Gefäß oder in der Abdeckung
vorgesehenen Druckaufnehmers eingegeben wird.
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Zum
Aufbau eines gewissen Überdruckes in dem Gefäß wird
bevorzugt ein inertes Gas verwendet. Besonders bevorzugt weist dieses
inerte Gas dieselbe Zusammensetzung wie das zum Aufbau einer Schutzgasatmosphäre
in dem Behälter verwendete Gas auf.
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Bevorzugt
wird dem Behälter zum Aufbau einer ausreichenden Schutzgasatmosphäre
zumindest vorübergehend ein inertes Schutzgas zugeführt.
Zu diesem Zweck weist der Behälter einen Gaseinlass zum
Zuführen eines inerten Schutzgases in das Innenvolumen
des Behälters auf, der den Behälter mit einem
Gasreservoir verbindet. Bevorzugt ist das inerte Schutzgas so ausgelegt,
um in dem Innenvolumen des Behälters neutrale bis leicht
oxidierende Bedingungen aufrecht zu erhalten.
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Als
inertes Schutzgas eignen sich insbesondere Argon oder Stickstoff,
die einfach zu handhaben und kostengünstig erhältlich
sind. Die Erfinder haben in aufwändigen Versuchsreihen
herausgefunden, dass Gemische mit einem Sauerstoffgehalt zwischen
etwa 5 × 10–3% und etwa
5% und bevorzugter zwischen etwa 0,5% und etwa 2% von Vorteil sind,
weil diese Reaktionen zwischen dem Material des Gefäßes
und den Glaskomponenten unterbinden können, insbesondere
durch Reduktion von Glaskomponenten mit anschließender Legierungsbildung.
Im Vergleich zu herkömmlichen Schmelztiegeln, bei denen überwiegend
Wolfram oder Molybdän als Trägermaterial für
eine Innenauskleidung des Schmelztiegels verwendet wird, kann erfindungsgemäß auf
die Verwendung eines wasserstoffhaltigen Schutzgases ganz verzichtet
werden, was zu einer Vereinfachung des Aufbaus und zu einer größeren
Anwendungsbreite hinsichtlich der Glaszusammensetzung fuhrt. Weiter
können erfindungsgemäß die üblichen
Redoxläutermittel, beispielsweise As2O3, Sb2O3,
SnO2, verwendet werden. Auf die Verwendung
von teurem He zur Blasenverminderung beim Läutern der Glasschmelze kann
grundsätzlich auch verzichtet werden.
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Zum
Aufbau der Schutzgasatmosphäre kann der Behälter
kontinuierlich von dem Schutzgas durchströmt werden. Bevorzugt
weist der Behälter eine Abdeckung auf, die nicht nur der
thermischen Isolierung des in dem Behälter angeordneten
Gefäßes dient, sondern auch einer gewissen Rückhaltung
des Schutzgases in dem Innenvolumen des Behälters. Auf
diese Weise kann ein Fließgleichgewicht der Schutzgasatmosphäre
bei geringem Durchfluss des Schutzgases gewährleistet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann der Behälter druckdicht
ausgelegt sein, so dass ein Austausch des Schutzgases in dem Innenvolumen
des Behälters mit der Umgebungsatmosphäre gänzlich
unterdrückt werden kann. Zum Abbau eines Überdrucks
kann ein Überdruckventil in dem Behälter vorgesehen
sein. Ferner kann ein Gasauslass zum Auslassen des inerten Schutzgases
aus dem Innenvolumen des Behälters vorgesehen sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird das Gefäß von
einer Induktionsspule beheizt, die um das Gefäß gewickelt
ist. Die Grundform der Induktionsspule ist bevorzugt an die Grundform
des Gefäßes angepasst, wobei das Gefäß bevorzugt
punktsymmetrisch innerhalb der Induktionsspule angeordnet ist. Die
Induktionsspule ist unter einem geeigneten, geringen Abstand zu
dem Gefäß angeordnet und erstreckt sich bevorzugt über
die gesamte Höhe des Gefäßes. Bevorzugt
ist die Induktionsspule spiralförmig mit einer von 0° verschiedenen
Steigung um das Gefäß gewickelt, weil sich so
noch homogenere Temperaturprofile erzielen lassen. Die Induktionsspule
kann jedoch auch mäanderformig, von der Seite aus betrachtet
in rechteckförmige Segmente unterteilt, um das Gefäß gewickelt
sein, mit einer Steigung der einzelnen Segmente der Induktionsspule
von im wesentlichen 0°. Bevorzugt ist die Induktionsspule
wassergekühlt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist zwischen der Seitenwand des
Gefäßes und der Induktionsspule eine hitzebeständige
Hülle, bevorzugt mit derselben Grundform wie das Gefäß,
angeordnet. Sofern der Querschnitt des Gefäßes
kreisförmig ist, ist die Hülle als Zylinder ausgebildet.
Das Material des Zylinders oder der Hülle soll den in der
Umgebung des Gefäßes vorherrschenden Temperaturen
standhalten. Bevorzugt werden deshalb Materialien, die auch bei
Temperaturen von etwa 1750°C noch ausreichend formstabil
sind, beispielsweise Keramikfaserschutzrohr aus ZrO2-
oder Al2O3-Fasern.
Die Verwendung von Fasermaterialien erweist sich aufgrund einer
niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als bei massiven
Keramikmaterialien als vorteilhaft. Es können aber auch
keramische Werkstoffe verwendet werden, welche bei 1750°C
eine ausreichende Stabilität und Isolationswirkung aufweisen,
beispielsweise Silimannit.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist zwischen der Seitenwand des
Gefäßes und der Hülle oder dem Zylinder
eine Schüttung von hitzebeständigen Kügelchen
vorgesehen. Die Kügelchen brauchen nicht zwingend kugelförmig
ausgebildet sein, sondern können auch beispielsweise eine
elliptische Form aufweisen oder unregelmäßig gestaltet
sein. Die sowohl an der Außenwand des Gefäßes
als auch an der Innenwand des Zylinders oder der Hülle
anliegende Schüttung bewirkt eine Vergleichmäßigung
der Drücke und einer Aufnahme von mechanischen Spannungen
um das Gefäß herum. Die Schüttung wirkt
somit etwaigen Verformungen des Gefäßes, etwa
aufgrund einer Erweichung der Seitenwände des Gefäßes, entgegen.
Insgesamt lässt sich somit auch bei den erfindungsgemäß sehr
hohen Temperaturen bis ca. 2000°C, bevorzugt ca. 2200°C,
eine ausreichende Formstabilität des zum Glasschmelzen
und Läutern verwendeten Gefäßes erzielen.
Weiterhin gewährleisten sie eine ausreichende Isolationswirkung,
um die o. g. Materialien als hitzebeständige Hülle
verwenden zu können.
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Bevorzugt
strömt das zum Aufbau der Schutzgasatmosphäre
verwendete inerte Gas auch durch die Kugelschüttung hindurch,
um eine Oxidbildung des Gefäßes zu verhindern.
Aufwändige Versuchsreihen der Erfinder haben ergeben, dass
sich ein ausreichender Gasdurchfluss dann realisieren lässt,
wenn die Kügelchen der Kugelschüttung einen Durchmesser
von mindestens etwa 2,0 mm, bevorzugter von mindestens etwa 2,5
mm und noch bevorzugter von mindestens etwa 3,0 mm aufweisen. Grundsätzlich
kann ein ausreichender Gasdurchfluss aber auch durch eine unregelmässige
Oberflächengestaltung der Kügelchen bewirkt werden, bis
hin zu einer Grundform, die eher quaderförmig sein kann.
Bevorzugt sind die Kügelchen der Kugelschüttung
aus Magnesiumoxid (MgO) gebildet, weil dieses Material ausreichend
hitze- und oxidationsbeständig und formstabil ist. Die
Verwendung von ZrO2 ist ebenfalls möglich.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform ist alternativ zwischen
der Seitenwand des Gefässes und der Hülle oder
dem Zylinder eine Lage aus MgO-Steinen angeordnet. Dadurch kann
ein Zusammensintern und Zusammensacken einer Kugelschüttung
verhindert werden. Damit kann eine komplette Umhüllung
des Tiegels besser gewährleistet werden, so dass die thermische
Isolierung auch über einen längeren Betrieb zuverlässig gewährleistet
werden kann. In formstabile MgO-Steine können ferner Bohrungen
für nachträglich einsetzbare Thermoelemente oder
dergleichen eingebracht werden, was die Temperaturmessung deutlich
vereinfacht.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird auch eine
Vorrichtung zur Herstellung von hoch schmelzenden Gläsern
oder Glaskeramiken bereitgestellt, wie vorstehend ausgeführt.
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Eine
solche Vorrichtung wird bevorzugt nacheinander in zwei unterschiedlichen
Betriebszuständen betrieben. In einem ersten Betriebszustand
wird das Gemenge zum Niederschmelzen in das Gefäß eingebracht. Anschließend
wird die Temperatur des Gefäßes auf die vorgenannten
relativ hohen Temperaturen erhöht, bei denen die Glasschmelze
in bekannter Weise geläutert wird. Diese Temperaturen liegen
weit oberhalb der später gewählten Verarbeitungstemperatur
der Glasschmelze. In dem ersten Betriebszustand wird der rohrförmige Auslass
bevorzugt auf einer deutlich niedrigeren Temperatur gehalten, bei
der die Glasschmelze erstarrt oder sich verfestigt, um in dem rohrförmigen
Auslass einen Pfropfen zu bilden, der den rohrförmigen
Auslass verstopft und ein Auslaufen der Glasschmelze verhindert.
Um ein noch homogeneres Endprodukt zu erzielen, kann deshalb der
erste Teil der bei der späteren Heißformgebung
austretenden Glasschmelze auch ausgesondert werden. Während
des Läuterns kann die Heizung des rohrförmigen
Auslasses ausgeschaltet sein oder zur Kompensation von Wärmeverlusten
geeignet gesteuert oder geregelt werden.
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In
einem nachfolgenden zweiten Betriebszustand wird nach dem Läutern
die Temperatur der Glasschmelze auf die eigentliche Verarbeitungstemperatur
abgesenkt und wird der rohrförmige Auslass auf die Verarbeitungstemperatur
erwärmt, so dass sich der Pfropfen löst und die
Glasschmelze aus dem rohrförmigen Auslass austritt. In
dem zweiten Betriebszustand können das Gefäß und
der rohrförmige Auslass auf denselben oder auf unterschiedlichen
Temperaturen gehalten werden.
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Erfindungsgemäß lassen
sich Temperaturen während des ersten Betriebszustands von
zumindest etwa 1800°C, bevorzugter von zumindest etwa 2000°C
und noch bevorzugter von zumindest etwa 2200°C realisieren.
Bei diesen Temperaturen können grundsätzlich beliebige
Glaszusammensetzungen behandelt werden.
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Besonders
bevorzugt werden erfindungsgemäß Glaszusammensetzungen
behandelt, die etwa 80 Gewichts-% bis etwa 90 Gewichts-% SiO2, etwa 0 Gewichts-% bis etwa 10 Gewichts-%
Al2O3, etwa 0 Gewichts-% bis
etwa 15 Gewichts-% B2O3 und
weniger als etwa 3 Gewichts-% R2O umfassen,
wobei der Anteil von Al2O3 und
B2O3 zusammen etwa
7 Gewichts-% bis etwa 20 Gewichts-% beträgt und R für
ein Alkali-Element einer Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb und
Cs steht. Wie nachfolgend noch ausführlicher dargelegt
werden wird, lassen sich auf diese Weise Übergangsgläser
mit noch vorteilhafteren Eigenschaften erzielen, insbesondere im
Hinblick auf deren optische Transmission, deren Wärmeausdehnung
und deren Homogenität. Ferner lassen sich auch Cordierit-Gläser
mit noch vorteilhafteren Eigenschaften herstellen.
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Zweckmäßig
kann die Glaszusammensetzung zusätzlich noch weitere hoch
schmelzende Oxide bis etwa 20 Gewichts-% MgO und/oder bis etwa 10
Gewichts-%, bevorzugter bis etwa 5 Gewichts-% weiterer hoch schmelzender
Oxide, wie beispielsweise TiO2, ZrO2, Nb2O5,
Ta2O5, WO3 oder MoO3 oder
Mischungen daraus, umfassen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann ein Teil des SiO2,
nämlich bis zu etwa 50% des SiO2, durch
GeO2 und/oder P2O5 ersetzt sein.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Glasschmelze
in dem Gefäß während des ersten Betriebszustands
bzw. während des Läuterns mit einer Rührvorrichtung,
die aus Iridium oder einer Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-%
Iridium enthält, mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften
gebildet ist, gerührt wird. Die Rührvorrichtung
kann mit einem Gasreservoir verbunden sein, um zum Reduzieren der
Glasschmelze ein Gas einzublasen. Weiterhin kann hiermit die Schmelze
zusätzlich homogeniert werden. Weitere Effekte liegen in
einer Beschleunigung des Aufschmelzverhaltens und der Läuterung.
Auch ein Trocknen des Glases bzw. eine Verminderung der OH (Wasserabsorptionsbande)
im NIR ist durch das Einblasen eines Gases zu erreichen. Auch kann
hierdurch der Restgasgehalt des Glases abgesenkt werden, was vorteilhaft
für eine spätere Heißnachverarbeitung
sein kann. Eine weitere bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen
Glases stellt die Verwendung als Aufdampfglas dar.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird somit ein hoch schmelzendes
Glas oder eine hoch schmelzende Glaskeramik bereitgestellt, umfassend:
etwa 80 Gewichts-% bis etwa 90 Gewichts-% SiO2,
etwa 0 Gewichts-% bis etwa 10 Gewichts-% Al2O3, etwa 0 Gewichts-% bis etwa 15 Gewichts-%
B2O3, und weniger
als etwa 3 Gewichts-% R2O, wobei der Anteil
von Al2O3 und B2O3 zusammen etwa
7% bis etwa 20% beträgt und wobei R für ein Alkali-Element
aus einer Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb und Cs steht. Das Glas
oder die Glaskeramik zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch
aus, dass eine Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich
zwischen etwa 400 nm und etwa 800 nm, bezogen auf eine Substratdicke
von etwa 20 mm, zumindest etwa 65%, bevorzugter zumindest etwa 75%
und noch bevorzugter zumindest etwa 80% beträgt. Bevorzugt
wird das Glas oder die Glaskeramik mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens
bereitgestellt. Gläser oder Glaskeramiken der vorgenannten Zusammensetzung
und mit der vorgenannten vorteilhaft hohen Transmission im sichtbaren
Wellenlängenbereich sind aus dem Stand der Technik derzeit
nicht bekannt. Diese Gläser können beispielsweise
als Sichtgläser in Ofenanlagen oder dergleichen verwendet
werden.
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Bevorzugt
beträgt die Transmission im Bereich einer Wasser-Absorptionsbande
bei etwa 1350 nm, bezogen auf eine Substratdicke von 20 mm, zumindest
etwa 75% und/oder beträgt die Transmission im Bereich einer
Wasser-Absorptionsbande bei etwa 2200 nm, bezogen auf eine Substratdicke
von 20 mm, zumindest etwa 50%, bevorzugter zumindest etwa 55%. Solche
vorteilhaft hohen optischen Transmissionen im nahen infraroten Spektralbereich
für Gläser der vorgenannten Zusammensetzung sind
aus dem Stand der Technik derzeit nicht bekannt.
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Das
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Glas eignet sich als Übergangsglas zur Verbindung zweier
Glassorten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
beispielsweise zur Herstellung einer Schmelzverbindung zwischen
Quarzglas und Duranglas, die aufgrund der großen Unterschiede
in der Wärmeausdehnung (α – Wert: Quarzglas
0,5 × 10–6 K–1;
Duranglas 3,3 × 10–6 K–1) schwierig zu realisieren ist.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Gläser
speziell in ihrem Ausdehnungsverhalten aufeinander abgestimmt und
werden diese erfindungsgemäß in Stufen von α =
1,3 × 10–6 K–1 über α =
2,0 × 10–6 K–1 bis α=
2,7 × 10–6 K–1 miteinander
verschmolzen, mit einer Toleranz von etwa 0,1 × 10–6 K–1.
-
FIGURENÜBERSICHT
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösenden
Aufgaben ergeben werden, die ausdrücklich Gegenstand der
vorliegenden Anmeldung sein sollen. Es zeigen:
-
1 in
einem schematischen Querschnitt eine herkömmliche Vorrichtung
zur Herstellung von hoch schmelzenden Gläser oder Glaskeramiken;
-
2 in
einem schematischen Teilschnitt einen Schmelztiegel mit einem Auslaufrohr
bei der Vorrichtung gemäß der 1;
-
3 in
einem schematischen Querschnitt eine Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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4 in
einer perspektivischen Ansicht einen Verschlusskörper zum
Verschließen des rohrförmigen Auslasses bei der
Vorrichtung gemäß der 3;
-
5a und 5b in
einem schematischen Teilschnitt das vordere, freie Ende des rohrförmigen
Auslasses einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach einer weiteren Ausführungsform; und
-
6 die
spektrale Transmission eines beispielhaften Glases gemäß der
vorliegenden Erfindung.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Wie
in der 3 gezeigt, weist der obere Teil des Schmelztiegels 2 insgesamt
eine schlanke Grundform auf, sodass eine den Schmelztiegel 2 umgebende
Heizvorrichtung, wie beispielhaft in der 3 dargestellt,
für eine gleichmäßige Erwärmung
der in dem Schmelztiegel 2 aufgenommenen Glasschmelze sorgt.
Ein Öffnungsverhältnis h/L des zylindrischen Teils
des Schmelztiegels 2 ist bevorzugt zumindest größer
als etwa 2,0, bevorzugter größer als etwa 3,0
und noch bevorzugter größer als etwa 4,0, wobei
h eine maximale Innenhöhe des zylindrischen Teils des Schmelztiegels 2 und
L ein maximaler Abstand von Seitenwänden bzw. der Durchmesser
des zylindrischen Teils des Schmelztiegels 2 ist.
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In
entsprechender Weise wie in der 2 dargestellt,
ist der Boden 9 um einen Winkel alpha im Bereich von bis
zu 20°, bevorzugt im Bereich von etwa 10°, radial
einwärts geneigt, um ein Auslaufen der Glasschmelze zu
unterstützen. Grundsätzlich kann der Boden 9 auch
gewölbt oder flach ausgebildet sein.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Tiegelwand 6 des
Schmelztiegels 2 aus einem Blech mit einer Länge
von etwa 510 mm und einer Wandstärke von etwa 1,0 mm gefertigt.
Der zylindrische Teil des Schmelztiegels 2 weist somit
ein theoretisches Fassungsvermögen von etwa 17 Litern auf.
Zur Ausbildung von Schmelztiegeln mit größerem
Fassungsvermögen kann die Höhe des zylindrischen
Teils vergrößert oder sowohl die Höhe
als auch der Durchmesser des zylindrischen Teils 6 unter
Skalierung des vorgegebenen Öffnungsverhältnisses
h/L erhöht werden. Dabei ist zu beachten, dass die den
zylindrischen Teil 6 des Schmelztiegels 2 umgebende
Heizvorrichtung (siehe 3) derart ausgelegt wird, dass über
den Durchmesser und die Höhe des zylindrischen Teils 6 des
Schmelztiegels 2 ein homogenes Temperaturprofil erzielt
werden kann.
-
Die 3 zeigt
schematisch den Aufbau einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden
Erfindung, die grundsätzlich denselben Aufbau wie die herkömmliche
Vorrichtung nach der 1 aufweist.
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Abweichend
zur 1 sind insbesondere die folgenden Massnahmen getroffen:
Der gesamte rohrförmige Auslass 4 des Schmelztiegels 2 ist
aus Iridium oder einer Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-%
Iridium enthält, ausgebildet, wie vorstehend beschrieben.
Durch ein Loch im Boden des Behälters 20 ragt
das vordere freie Ende des Auslaufrohrs 4 in den unteren
Behälterabschnitt 19. Dort kann das vordere freie
Ende des Auslaufrohrs 4 insbesondere durch Widerstandsheizen
erwärmt werden. Der untere Behälterabschnitt 19 an
seinem unteren Ende von einem Deckel 320 verschlossen,
der eine zentrale Bohrung aufweist, die in die zentrale Öffnung 33 des
Behälterabschnitts 19 übergeht. Ein Blech 321,
das mit dem vorderen Ende des rohrförmigen Auslasses 4 verschweißt
ist oder diesem zumindest berührt, deckt die zentrale Öffnung 33 des
Behälterabschnitts 19 ab, sodass nur der vorderste,
vergleichsweise kurze Abschnitt des rohrförmigen Auslasses
mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt steht. Der obere
Behälterabschnitt 20 und der untere Behälterabschnitt 19 sind
im Bereich des Verbindungsflansches 45 miteinander verbunden. Über
die Kühlmittelanschlüsse 35, 36 bzw. 37, 38 können
der obere bzw. untere Behälterabschnitt 20, 19 getrennt
voneinander gekühlt werden. Im oberen Behälterabschnitt 20 ist
zwischen der Seitenwand des Schmelztiegels 2 und dem Zylinder 23 aus
dem feuerfesten Material eine Lage aus MgO-Platten anstelle einer
Kugelschüttung, wie in der 1 gezeigt,
angeordnet. In Verlängerung der Durchführung 28 ist
in den MgO-Platten eine Hülse 27 zur Aufnahme
eines Temperatursensors eingebracht. Auch in dem unteren Behälterabschnitt 19 ist
eine Durchführung 41 zur Durchführung
der Drähte eines Temperatursensors sowie eine Thermoelementfahne 40 nahe
der Auslauföffnung des Auslaufrohrs 4 vorgesehen.
-
Der
obere Rand 7 des Schmelztiegels 2 ist flach ausgebildet.
Auf dem oberen Rand 7 wird, wie in der 3 dargestellt,
eine Abdeckung 31 aufgelegt, die einer thermischen Isolierung
der in dem Schmelztiegel 2 aufgenommenen Glasschmelze und
einem weiteren Schutz der Glasschmelze vor der Umgebungsatmosphäre
dient. Die Abdeckung 31 kann auf dem oberen Rand 7 aufgelegt
sein. Die Abdeckung 31 kann auch so auf dem oberen Rand 7 aufgelegt
und mit diesem verbunden sein, dass der Schmelztiegel 2 in
gewissem Maße druckdicht abgeschlossen ist, sodass eine
Atmosphäre mit einem gewissen Überdruck in dem
Schmelztiegel 2 aufgebaut werden kann durch Einströmen
eines Gases, bevorzugt eines Schutzgases, durch einen nicht dargestellten
Gaseinlass in den Innenraum des Schmelztiegels 2 oberhalb
des Pegels der Glasschmelze. Dieser Überdruck kann beispielsweise
dazu verwendet werden, um den beim Austritt der Glasschmelze aus
dem Auslaufrohr 4 geringer werdenden hydrostatischen Druck
der Glasschmelze auszugleichen.
-
Die
Tiegelwand 6 und das Auslaufrohr 4 sind aus Iridium
mit einem Iridium-Anteil von mindestens etwa 99%, bevorzugter von
mindestens etwa 99,5% und noch bevorzugter von mindestens etwa 99,8%
gebildet, sodass deren Schmelzpunkt etwa bei 2400°C liegt.
Ganz besonders bevorzugt wird ein Iridium mit einem Iridium-Anteil
von mindestens etwa 99,8% und einem Anteil von Elementen aus der
Platingruppe von mindestens etwa 99,95%. Dabei beträgt
der Anteil von Pt, Rh und W jeweils maximal etwa 1000 ppm, der Anteil
von Fe maximal etwa 500 ppm, der Anteil von Ru maximal etwa 300
ppm, der Anteil von Ni etwa 200 ppm, der Anteil von Mo, Pd jeweils
maximal etwa 100 ppm, der Anteil von Cu, Mg, Os, Ti jeweils maximal
etwa 30 ppm und der Anteil von Ag, Al, As, Au, B, Bi, Cd, Cr, Mn,
Pb, Si, Sb, V, Zn, Zr jeweils maximal etwa 10 ppm.
-
Als
Materialien der Tiegelwand 6 und des Auslaufrohrs 4 kommen
grundsätzlich auch Iridiumlegierungen, gebildet aus einer
Platingruppe-Legierung, mit einem Iridium-Anteil von mindestens
etwa 95%, bevorzugter von mindestens etwa 96,5% und noch bevorzugter
von mindestens etwa 98% in Betracht. Bei der Verarbeitung der vorgenannten
Materialien ist zu beachten, dass diese relativ spröde
sind und erst bei vergleichsweise hohen Temperaturen duktil werden.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Induktionsspule 3 durch
einen Umrichter mit einer Anschlussleistung von etwa 50 kW bei einer
Frequenz von etwa 10 kHz betrieben. Somit lassen sich auch im Langzeitbetrieb
Temperaturen von oberhalb 2000°C in dem zylindrischen Abschnitt
des Schmelztiegels 2 erzielen.
-
Das
den Schmelztiegel 2 abstützende erste Bodenelement 25 aus
MgO, der feuerfeste Zylinder 23 und die Induktionsspule 3 liegen
auf einem zweiten Bodenelement 26 auf, das auf dem Boden
des unteren Behälterabschnitts 19 abgestützt
ist. Das zweite Bodenelement 26 dient einer mechanischen
Abstützung dieser Anordnung sowie einer ausreichenden thermischen
Isolation. Zu diesem Zweck wird die Dicke des zweiten Bodenelements 26 ausreichend
gewählt. Das Material des zweiten Bodenelements 26 muss
ausreichend temperatur- und formstabil sowie oxidationsbeständig
sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das zweite
Bodenelement 26 aus ZrSiO4 gebildet.
Das Bodenelement 26 kann auch zweigeteilt sein und durch
ein oberes Bodenelement aus ZrSiO4 und ein
unteres Bodenelement aus einem Standard-Feuerfestmaterial (beispielsweise
L300) ersetzt sein.
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Das
erste Bodenelement 25 und das zweite Bodenelement 26 weisen
eine Öffnung auf, durch die hindurch das Auslaufrohr 4 in
den unteren Behälterabschnitt 19 durchgeführt
ist. Über die zentrale Öffnung in dem Bodenblech 321 ist
das vorderste Ende des rohrförmigen Auslasses 4 schließlich
der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt. Der untere zylindrische
Abschnitt des unteren Behälterabschnitts 19 umgibt
das Auslaufrohr 4. Das Auslaufrohr 4 befindet
sich bis auf einen geringen Anteil in dem unteren Behälterabschnitt
und wird durch den als Verschlussteil wirkenden Deckel 320 zum
Behälterabschnitt 19 gasdicht verschlossen, um
ein Eindringen von Luftatmosphäre in den unteren Behälterabschnitt 19 zu
verhindern.
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Erfindungsgemäß wird
es bevorzugt, wenn nur ein kurzer Abschnitt des Auslaufrohrs 4 der
Umgebungsatmosphäre ausgesetzt ist. Die Lage des Übergangsbereichs
in der 3 soll deshalb nur der Erläuterung dienen
und soll nicht maßstabsgetreu ausgelegt werden.
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Wie
in der 3 dargestellt, befindet sich in dem unteren Behälterabschnitt 19 ein
Gaseinlass 22, der der Zufuhr eines Schutzgases in das
Innenvolumen des Behälters dient. Der Gaseinlass 22 ist
mit einer nicht dargestellten Gasleitung und einem nicht dargestellten
Gasreservoir verbunden. Insgesamt wird somit der Behälter
von einem Schutzgas durchspült und wird der in dem Behälter
aufgenommene Schmelztiegel 2 von dem Schutzgas umspült,
um eine unerwünschte Oxidbildung des Iridiums oder der
Iridiumlegierung, die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält,
des Schmelztiegels 2 sowie des ersten Abschnittes des Auslaufrohrs 4 wirkungsvoll
zu verhindern.
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Das
Schutzgas hält in dem Innenvolumen des Behälters
neutrale bis leicht oxidierende Bedingungen aufrecht. Zu diesem
Zweck kann ein Schutzgas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen etwa
5 × –10–3% und etwa
5% und bevorzugter zwischen etwa 0,5% und etwa 2% verwendet werden.
Insgesamt ist das verwendete Schutzgas reaktionsträge und
reagiert mit dem Iridium oder Iridiumlegierung, die wenigstens 50
Gewichts-% Iridium enthält, in vernachlässigbarem
Umfang. Als inertes, reaktionsträges Schutzgas kommen insbesondere Argon
oder Stickstoff in Betracht. Die vorgenannten geringfügigen
Sauerstoffzusätze können Reaktionen zwischen dem
Material des Schmelztiegels und Glaskomponenten unterbinden (Reduktion
von Glaskomponenten mit anschließender Legierungsbildung).
Weiterhin wird der Innenraum des Schmelztiegels mit Schutzgas gespült,
um die Tiegelinnenwand gegen Oxidation durch Luftsauerstoff zu schützen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Außenraum
zwischen Schmelztiegel 2 und Behälter 19/20 unter
einer neutralen bis leicht reduzierenden Schutzgasatmosphäre
gehalten, da hier keine Schmelze mit reduzierbaren Bestandteilen
vorhanden ist. Der Innenraum des Schmelztiegels 2 kann
dann durch eine Gaszuführung durch den Deckel 18 bzw. 31 wie
beschrieben unter eine neutralen bis leicht oxidierenden Schutzgasatmosphäre
beaufschlagt werden. Hier macht es sich vorteilhaft bemerkbar, dass
Iridium im Gegensatz zu Platin nicht gasdurchlässig ist.
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Der
Behälter braucht nicht druckdicht ausgelegt sein, da es
ausreichend ist, wenn sich ein Fließgleichgewicht in dem
Innenvolumen des Behälters ausbildet, das eine ausreichenden
Schutzgasatmosphäre darin gewährleistet. Grundsätzlich
kann der Behälter 5 jedoch auch druckdicht ausgebildet
sein, um ein Eindringen von Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre
in das Innenvolumen des Behälters noch wirkungsvoller zu
unterdrücken.
-
Durch
die Verwendung von Iridium oder einer Iridiumlegierung, die wenigstens
50 Gewichts-% Iridium enthält, für den Schmelztiegel
können erfindungsgemäß Schmelztemperaturen
von etwa 2000°C oder darüber hinaus erreicht werden.
Hierdurch werden sämtliche physikalischen und chemischen
Abläufe des Schmelzprozesses wesentlich beschleunigt. Die
Prozesszeiten werden bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung
deutlich herabgesetzt. Somit lassen sich erfindungsgemäß Glaser
oder Glaskeramiken mit neuen, überraschend vorteilhaften
Eigenschaften erzielen.
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Ganz
allgemein wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben.
Zunächst wird durch Öffnen des Deckels 18 ein
Glasgemenge oder ein entsprechendes Scherbenmaterial sukzessive
in den Schmelztiegel 2 eingebracht. Während dieser
Phase des Niedrigschmelzens kann die Temperatur des Schmelztiegels 2,
je nach Glasgemenge bzw. Rohstoff, auch vergleichsweise niedrig
gewählt werden, bevorzugt wird die Temperatur des Schmelztiegels 2 jedoch
bereits während des Niedrigschmelzens auf oberhalb von
etwa 1800°C gehalten.
-
Zur
weiteren Behandlung der Glasschmelze, insbesondere zum Läutern,
wird die Temperatur des Schmelztiegels 2 mit Hilfe der
Induktionsspule 3 auf einer Temperatur weit oberhalb einer
späteren Verarbeitungstemperatur der Glasschmelze gehalten.
Aufgrund der sehr hohen Temperaturen, die erfindungsgemäß möglich
sind, können die Läuterprozesse sehr viel wirkungsvoller
ablaufen. In diesem ersten Betriebszustand wird die Temperatur des
Auslaufrohrs 4 vergleichsweise niedrig und unterhalb der
Schmelztemperatur der Glasschmelze gehalten. Dabei ist darauf zu
achten, dass mit Ausnahme der Phase des Ausgießens der
Glasschmelze aus dem Auslaufrohr das der Umgebungsatmosphäre
ausgesetzte vordere freie Ende des Auslaufrohrs auf einer Temperatur
unterhalb von 1000°C, bevorzugter unterhalb von 950°C,
gehalten wird. In dem Auslaufrohr 4 bildet sich somit ein
Pfropfen aus zähflüssiger oder erstarrter Glasschmelze
aus, der ein Auslaufen der Glasschmelze aus dem Schmelztiegel 2 und
eine oxidative Zersetzung auf der Innenseite des Auslaufrohrs 4 verhindert.
Während des Läuterprozesses werden in der Glasschmelze übliche
Läutermittel aktiviert. Zum Rühren der Glasschmelze
in dem Schmelztiegel 2 kann auch eine nicht dargestellte
Rührvorrichtung in dem Schmelztiegel 2 angeordnet
sein oder durch die Abdeckung 31 hindurch in diesen eingeführt
werden. Erfindungsgemäß besteht die Rührvorrichtung
aus dem vorgenannten Iridium oder aus der vorgenannten Iridiumlegierung,
die wenigstens 50 Gewichts-% Iridium enthält. Erfindungsgemäß kann
die Rührvorrichtung selbst auch zum Einblasen von, beispielsweise
reduzierenden, Gasen, verwendet werden.
-
Der Übergangsbereich
zwischen flüssiger Glasschmelze und hoch viskosem oder
erstarrtem Pfropfen ist fließend, befindet sich jedoch
bevorzugt innerhalb des Auslaufrohrs 4. Innerhalb des Schmelztiegels 2 wird somit
eine sehr homogene Glasschmelze ausgebildet.
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Während
des ersten Betriebszustandes braucht das Auslaufrohr 4 nicht
notwendiger Weise erwärmt werden, weil durch entsprechende
Auslegung des unteren zylindrischen Abschnittes des unteren Behälterabschnitts 19 für
eine ausreichende Kühlung des Auslaufrohrs 4 durch
Wärmeabstrahlung gesorgt werden kann. Grundsätzlich
kann das Auslaufrohr 4 jedoch auch während des
ersten Betriebszustands gesteuert oder geregelt erwärmt
oder gekühlt werden.
-
Wie
in der 3 gezeigt, wird die Auslauföffnung des
Auslaufrohrs 4 von einer als Verschlusskörper wirkenden
Kupferplatte 50 verschlossen, auf deren Oberseite ein konisch
zulaufender Dorn 51 ausgebildet ist, der in die Auslauföffnung
hineinragt und diese in innigem Kontakt zur Innenwand des Auslaufrohrs 4 verschliesst.
Alternativ kann die Oberseite der als Verschlusskörper
wirkenden Kupferplatte 50 auch ausgebildet sein. Die 4 zeigt
einen solchen Verschlusskörper 50 in einer perspektivischen
Darstellung. Wie schematisch in 3 gezeigt,
ist in den Verschlusskörper ein Kühlkanal 52 gebohrt
bzw. gefräst. Als Zuleitung werden zwei Kupferrohre 53, 54 in
die Bohrung eingelötet. Der Verschlusskörper kann
von Wasser oder einem anderen geeigneten Kühlfluid, auch
Luft, Luft-Wasser-Aerosol, Öl oder dergleichen durchströmt
werden. Der Verschlusskörper 50 wird nach Anschluss
an ein entsprechendes Kühlsystem mit der breiteren Fläche
unter dem Auslaufrohr 4 des Tiegels angebracht. Bei einem
Ausführungsbeispiel betrugen die Kantenmasse des Verschlusskörpers 50 100
mm × 40 mm × 20 mm und wurden als Zuleitung für
das Kühlmittel Kupferrohre mit einem Innendurchmesser von
13 mm, einem Aussendurchmesser von 15 mm und einer Länge
von 350 mm verwendet. Durch den vollflächigen Kontakt des
Dorns 51 und der flachen Oberseite des Verschlusskörpers 50 mit
dem vorderen Ende des Auslaufrohrs 4 kann ein ausreichender
thermischer Kontakt gewährleistet werden, um das der Umgebungsatmosphäre
ausgesetzte vordere freie Ende des Auslaufrohrs 4 ausreichend
zu kühlen. Insbesondere kann so das vordere Ende des Auslaufrohrs 4 während
der vorgenannten Phase der Läuterns der Glasschmelze auf
einer Temperatur unterhalb von 1.000°C, bevorzugter unterhalb
von 950°C, gehalten werden.
-
Nach
dem Läutern, wenn eine Glasschmelze mit ausreichender Qualität
in dem Schmelztiegel 2 ausgebildet worden ist, wird die
Temperatur der Glasschmelze in dem Schmelztiegel 2 zum
Einnehmen eines zweiten Betriebszustands auf eine Verarbeitungstemperatur
abgesenkt und wird das Auslaufrohr 4 auf die Verarbeitungstemperatur
erwärmt. Die Verarbeitungstemperatur wird so gewählt,
dass die Glasschmelze eine gewünschte Viskosität
aufweist bzw. zur Ausbildung von Formkörpern geeignet ist.
Die Verarbeitungstemperatur liegt oberhalb des Schmelzpunktes der
Glasschmelze und kann durch Ändern der Heizleistung der
Induktionsspule 3 und der Heizleistung des Heizstroms an
dem Auslaufrohr 4 verändert werden. Der Schmelztiegel 2 und das
Auslaufrohr 4 können auch auf unterschiedlichen
Temperaturen gehalten werden, beispielsweise mit einer Temperaturdifferenz
von etwa 10 bis 40°C.
-
In
dem zweiten Betriebszustand schmilzt oder erweicht der Pfropfen
in dem Auslaufrohr 4, sodass die Glasschmelze aus dem Auslaufrohr 4 ausläuft.
Ggf. muss hier mit einem Gasbrenner während eines begrenzten
Zeitraums zugeheizt werden. Dabei wird die Glasschmelze durch das
Profil des Auslaufrohrs 4 und/oder durch weitere Heißformgebungseinrichtungen,
beispielsweise eine Ziehdüse, wie diese in der 3 mit
dem Bezugszeichen 15 angedeutet ist, geformt. Gemäß der
Erfindung können sowohl Vollkörper, beispielsweise Stäbe,
als auch Hohlkörper, beispielsweise Rohre, ausgebildet
werden.
-
Statt
zu Formkörpern aus Glas kann die austretende Glasschmelze
auch abgeschreckt und somit zu Pulver weiter verarbeitet werden.
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Gemäss
einer weiteren Ausführungsform kann zur Ausbildung des
Pfropfens in dem Auslaufrohr 4 auch eine andere Glassorte
als die im Schmelztiegel 2 enthaltene Glassorte verwendet
werden, mit einer Erweichungstemperatur unterhalb von 1.000°C,
bevorzugter 950°C. Dabei wird bevorzugt ein nicht-oxidierendes,
ansonsten beliebiges Glas verwendet. Um eine Rückvermischung
des Rohrinhalts mit dem Tiegel zu verhindern, wird der Verschlusskörper
so stark gekühlt, dass die Temperatur im Auslaufrohr um
mindestens 100°C kälter gehalten ist als im Tiegel.
Allerdings muss bei dieser Ausführungsform der erste Teil
des Gusses, der ja aus dem anderen Glasmaterial besteht, verworfen
werden.
-
Anhand
der 5a und 5b werden
nachfolgend weitere Massnahmen zum Schutz der Aussenseite der Umgebungsatmosphäre
ausgesetzten vorderen freien Endes des Auslaufrohrs 4 beschrieben.
Gemäss der 5a ist um das Auslaufrohr 4 ein
zylinderförmiger oder ringförmiger, gelochter
oder poröser Körper 42 angeordnet, über
den ein Schutzgas über die Aussenseite des vorderen Endes
des Auslaufrohrs 4 geleitet wird. Der Körper 42 umschliesst
bevorzugt das Auslaufrohr 4 unter Berührung desselben.
Die Heizeinrichtung, beispielsweise eine Induktionsspule, zum Heizen
des Auslaufrohrs 4 ist bevorzugt auf dem Aussenumfang bzw.
ausserhalb des Körpers 42 angeordnet. Der Körper 42 füllt
bevorzugt den gesamten, der Umgebungsatmopsphäre ausgesetzten
hohlzylindrischen Abschnitt des unteren Behälterabschnittes
aus (vgl. 3). Für eine bessere
Wärmeleitung zwischen Heizeinrichtung (nicht dargestellt)
und Auslaufrohr 4 ist der Körper 42 bevorzugt
aus einem Metall ausgebildet, insbesondere aus einem gelochten Metallzylinder,
einem hohlzylindrischen metallischen Sinterkörper oder
einem hohlzylindrischen Metallschaum. Als Schutzgas eignet sich
N2 oder die bekannten Edelgase oder Mischungen der vorstehend genannten
Gase mit H2.
-
Bedarfsweise
kann der Körper 42 zusätzlich auch gekühlt
werden. Dies kann durch Hindurchleiten eines stark gekühlten
Schutzgases in der Gas- oder Flüssigphase bewerkstelligt
werden. Selbstverständlich können auch zusätzliche
Kühlmittel an bzw. in dem Körper 42 angeordnet
sein, insbesondere ein Kühlkanal, der von einem Kühlfluid
durchströmt wird.
-
Die
5b zeigt
ein weiteres Ausfürungsbeispiel, bei dem die Aussenseite
des der Umgebungsatmosphäre ausgesetzten vorderen freien
Endes des Auslaufrohrs
4 mit einer gasdichten und dünnen
Schicht aus einer hochtemperaturfesten Keramik überzogen
ist, die insbesondere mit Hilfe eines Plasma-Sprayverfahrens aufgebracht
ist. Zu weiteren Einzelheiten der Aussenbeschichtung
43 sei
auf die Inbezuggenommene
WO 02/44
115 A2 bzw.
US
2004/00673 69 A1 der Anmelderin oder
EP 1 722 008 A2 der Anmelderin
verwiesen.
-
Selbstverständlich
kann auch die Außenseite des Schmelztiegels 2 vollständig
oder abschnittsweise in entsprechender Weise mit einer hochtemperaturfesten
Keramik überzogen sein, die insbesondere mit Hilfe des
vorgenannten Plasma-Sprayverfahrens aufgebracht ist.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich
grundsätzlich sämtliche bekannten Glassorten herstellen.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße
Vorrichtung jedoch für Gläser oder Glaskeramiken,
die nur einen sehr geringen Anteil an Netzwerkwandlern, insbesondere
Alkalioxiden, aufweisen oder für Gläser oder Glaskeramiken,
die eine hohen Anteil hochschmelzender Oxide, beispielsweise SiO2, GeO2, Al2O3, ZrO2,
Nb2O5 oder Ta2O5, aufweisen. Gemäß der
vorliegenden Erfindung umfasst das Glas oder die Glaskeramik einen
Anteil von SiO2 von etwa 80 Gewichts-% bis
etwa 90 Gewichts-%, einen Anteil von Al2O3 von etwa 0 Gewichts-% bis etwa 10 Gewichts-%,
einen Anteil von B2O3 von
etwa 0 Gewichts-% bis etwa 15 Gewichts-% und weniger als etwa 3%
R2O, wobei der Anteil von Al2O3 und B2O3 zusammen etwa 7 Gewichts-% bis etwa 20
Gewichts-% beträgt und R für ein Alkali-Element
einer Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb und Cs steht. Gläser
der vorgenannten Zusammensetzung konnten mit Schmelztiegeln aus
dem Stand der Technik nicht oder nicht in ausreichender Qualität
hergestellt werden. Bei den vorgenannten Gläsern kann bis
zur Hälfte (50%) des SiO2 durch
GeO2 und/oder P2O5 substituiert sein. Im Falle der Beimischung
von P2O5 bildet
sich bei Anwesenheit von Al2O3 AlPO4, das sich wie SiO2 verhält.
-
Zweckmäßig
kann die Glaszusammensetzung zusätzlich noch weitere hoch
schmelzende Oxide bis etwa 20 Gewichts-% MgO und/oder bis etwa 10
Gewichts-% %, bevorzugter bis etwa 5 Gewichts-% %, weiterer hoch
schmelzender Oxide umfassen, beispielsweise TiO2,
ZrO2, Nb2O5, Ta2O5,
WO3 oder MoO3 oder
Mischungen daraus. Weitere optionale Bestandteile können
CaO, SrO und BaO sein.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit zur
Herstellung so genannter Übergangsgläser, die
zur Herstellung einer Schmelzverbindung zwischen einem Glas mit
einem niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem Glas
mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dienen, beispielsweise
zwischen Quarzglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von 0,5 × 10–6 K–1 und zwischen Duranglas mit einem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 3,3 × 10–6 K–1.
Erfindungsgemäß lassen sich Übergangsgläser
mit speziell auf die beiden zu verbindenden Glassorten abgestimmten
thermischen Ausdehnungskoeffizienten herstellen, wie nachfolgend
beschrieben.
-
Weitere
herstellbare Gläser sind Aufdampfgläser und Displaygläser,
die gleichfalls alkalioxidfrei sind.
-
Zu
weiteren Einzelheiten bezüglich Zusammensetzung und Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Gläser oder Glaskeramiken
sei auf die in Bezug genommene
DE 103 48 466 A1 bzw.
US 2005/0109062 A1 der
Anmelderin verwiesen.
-
Die
Tabelle 1 fasst die Zusammensetzung und die ermittelten thermischen
Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Übergangsgläser
zusammen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
und dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel hergestellt wurden.
Oxide
in (Gew.-%) | 8228 | 8229 | 8230 | Neu
1 | Neu
2 |
SiO2 | 82,1 | 87,0 | 83,6 | 83,0 | 82,5 |
B2O3 | 12,3 | 11,6 | 11,0 | 12,5 | 8,6 |
Al2O3 | 5,3 | - | 2,5 | 4,5 | 5,5 |
Na2O | - | 1,4 | 2,2 | - | - |
K2O | - | - | 0,3 | | |
Läuterm. | 0,05–0,2 | 0,05–0,2 | 0,05–0,2 | 0,05–0,2 | 0,05–0,2 |
α(× 10–6) | 1,3 | 2,0 | 2,7 | 1,15 | 1,0 |
Tabelle
1
-
Die Übergangsgläser
mit den Schott-Typenbezeichnungen 8228, 8229 und 8230 weisen einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1,3 × 10–6 K–1,
2,0 × 10–6 K–1 bzw.
2,7 × 10–6 K–1 auf
und eignen sich deshalb hervorragend zur Herstellung einer Schmelzverbindung
zwischen Quarzglas und Duranglas. Sämtliche der vorstehend
in der Tabelle 1 bezeichneten Glassorten weisen einen Brechungsindex
von kleiner als etwa 1,47 auf. Die Glassorten der Spalten 4 und
5 der Tabelle 1 können mit herkömmlichen, nicht-iridiumhaltigen Schmelztiegeln
gemäß dem Stand der Technik nicht hergestellt
werden.
-
Aufgrund
der erfindungsgemäß möglich gewordenen
deutlich höheren Temperaturen lassen sich neuartige Gläser
und Glaskeramiken der vorgenannten Zusammensetzung mit noch nicht
da gewesenen Eigenschaften herstellen. Dies wird beispielhaft in
der 6 dargestellt, die die spektrale Transmission
der Glassorte 8228 gemäß der Tabelle 1 darstellt.
In der 6 wird die spektrale Transmission einer Glassorte
8228, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und gemäß dem nachfolgend ausführlich
dargelegten Ausführungsbeispiel 1 hergestellt
worden ist, verglichen mit der spektralen Transmission einer Glassorte
identischer Zusammensetzung, die mit einem üblichen, nicht-iridiumhaltigen
Schmelztiegel gemäß dem Stand der Technik bei
Temperaturen von 1760°C hergestellt worden ist. In der 6 bezeichnet
die obere Kurve die spektrale Transmission einer erfindungsgemäß hergestellten
Glassorte 8228 gemäß dem nachfolgend dargelegten
Ausführungsbeispiel 1 und bezeichnet die untere Kurve die
spektrale Transmission einer Glassorte 8228 gemäß dem
Stand der Technik. Wie der 6 entnommen
werden kann, ist die spektrale Transmission in dem nahen UV-Bereich
höher und setzt um etwa 30 nm früher ein.
-
Die
hohen Schmelztemperaturen ermöglichen weiterhin neben dem
Einsatz von hochschmelzenden Rohstoffen die Verwendung von nicht
toxischen Hochtemperaturläutermitteln wie z. B. SnO2 statt As2O3. Die Mengenzugabe des auf den PtRh30-Tiegel
abgestimmten Läutermittels kann entsprechend vermindert
werden. Glaszusammensetzungen, die aufgrund ihrer hohen Viskosität
nicht oder nur unter hohem Aufwand schmelzbar sind, können
im Iridium-Tiegel wirtschaftlich hergestellt werden. Neben den hohen
Temperaturen hat Iridium gegenüber der PtRh30-Legierung
den Vorteil, weniger Farbstich (Rh) im Glas zu verursachen. Somit
sind auch Produkte mit optischen Anforderungen darstellbar. Dies
ist in der 6 dargestellt. Man erkennt deutlich
die bessere Transmission im Sichtbaren der im Ir-Tiegel geschmolzenen
Probe. Visuell besteht hier ein leicht gelber Farbeindruck, während
bei Verwendung von PtRh30 ein deutlicher rötlich-bräunlicher
Farbstich auftritt. Im IR-Spektralbereich sind die Wasserbanden
weniger intensiv ausgebildet, was eine Folge der deutlich höheren
Schmelztemperatur ist.
-
Nachfolgend
sind weitere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
schmelzbare Gläser aufgeführt.
-
Cordieritähnliche
Glaskeramiken deren Zusammensetzung für SiO2 im
Bereich zwischen 40 Gewichts-% und 60 Gewichts-%, für Al2O3 im Bereich zwischen
25 Gewichts-% und 45 Gewichts-% und für MgO im Bereich
von 10 Gewichts-%–20 Gewichts-% liegt. Zweckmäßig
kann die Glaszusammensetzung zusätzlich noch weitere hoch
schmelzende Oxide bis etwa 10 Gewichts-%, bevorzugter bis etwa 5
Gewichts-% umfassen, beispielsweise TiO2,
ZrO2, Nb2O5, Ta2O5 oder
WO3 oder Mischungen daraus. Prinzipiell
ist auch MoO3 möglich, allerdings
könnte seine Verwendung zu einer Färbung des Glases,
je nach Anwendung, führen.
-
Wie
dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich werden
wird, beinhaltet die vorliegende Erfindung eine Reihe weiterer Gesichtspunkte,
die grundsätzlich auch gesondert unabhängig beansprucht
werden könnten.
-
Mit
dem vorgenannten Verfahren lassen sich grundsätzlich Glaskeramiken
beliebiger Zusammensetzungen herstellen. Bevorzugt werden Glaskeramiken
hergestellt, deren Zusammensetzung in den nachfolgenden Patenten
bzw. Patentanmeldungen offenbart ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit
im Wege der Bezugnahme ausdrücklich in dieser Patentanmeldung
mit beinhaltet sei:
EP
0 220 333 B1 entsprechend
US 5,212,122 ,
DE 43 21 373 C2 entsprechend
US 5,446,008 ,
DE 196 22 522 C1 entsprechend
US 5,922,271 ,
DE 199 07 038 A1 ,
DE 199 39 787 A1 entsprechend
WO 02/16279 ,
DE 100 17 701 C2 ,
DE 100 17 699 A1 und
EP 1 170 264 A1 entsprechend
US 6,515,263 .
-
- 1
- Schmelzvorrichtung
- 2
- Schmelztiegel
- 3
- Induktionsspule
- 4
- Auslaufrohr
- 6
- Tiegelwand
- 7
- oberer
Rand
- 8
- Schweißnaht
- 9
- Boden
- 10
- Konisches
Segment
- 11
- Rohrabschnitt
- 12
- Rohrabschnitt
- 13
- Rohrabschnitt
- 14
- Rohrabschnitt
- 15
- Ziehdüse
- 16
- Schweißnaht
- 17
- Anschlüsse
für Thermoelemente
- 18
- Deckel
- 19
- Unterer
Behälterabschnitt
- 20
- Oberer
Behälterabschnitt
- 21
- Abdeckung
des oberen Behälterabschnitts
- 22
- Gaseinlass
- 23
- Feuerfester
Zylinder
- 24
- Kugelschüttung/MgO-Platten
- 25
- Erstes
Bodenelement zur Lastaufnahme und thermischen Isolierung
- 26
- Zweites
Bodenelement zur Lastaufnahme und thermischen Isolierung
- 27
- Hülse
für Temperatursensor
- 28
- Durchführung
- 29
- Deckelstein
- 30
- Durchführung
für Medienversorgung
- 31
- Abdeckung
für Schmelztiegel 2
- 32
- Abschirmung
des Auslaufrohrs 4
- 320
- Abschlussdeckel
- 321
- Blech
- 33
- Öffnung
- 34
- Elektrischer
Anschluss
- 35
- Oberer
Kühlmittelanschluss zum oberen Behälterabschnitt 20
- 36
- Unterer
Kühlmittelanschluss zum oberen Behälterabschnitt 20
- 37
- Oberer
Kühlmittelanschluss zum unteren Behälterabschnitt 19
- 38
- Unterer
Kühlmittelanschluss zum unteren Behälterabschnitt 19
- 39
- Übergangsbereich
- 40
- Hülse
für Temperatursensor/Thermoelementfahne
- 41
- Durchführung
- 42
- Poröser
Körper/Sinterkörper
- 43
- Außenbeschichtung
- 45
- Verbindungsflansch
- 50
- Verschlusskörper
- 51
- Dorn/Vorsprung
- 52
- Kühlmittelkanal
- 53
- Kühlmitteleinlass
- 54
- Kühlmittelauslass
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1160208
A2 [0005]
- - US 6482758 B1 [0008]
- - US 4938198 [0010]
- - JP 02-022132 A [0012]
- - DE 10348466 A1 [0013, 0017, 0023, 0024, 0029, 0043, 0111]
- - US 2005/0109062 A1 [0013, 0017, 0023, 0029, 0043, 0111]
- - WO 02/44115 A2 [0039, 0105]
- - US 2004/0067369 A1 [0039, 0105]
- - EP 1722008 A2 [0105]
- - EP 0220333 B1 [0119]
- - US 5212122 [0119]
- - DE 4321373 C2 [0119]
- - US 5446008 [0119]
- - DE 19622522 C1 [0119]
- - US 5922271 [0119]
- - DE 19907038 A1 [0119]
- - DE 19939787 A1 [0119]
- - WO 02/16279 [0119]
- - DE 10017701 C2 [0119]
- - DE 10017699 A1 [0119]
- - EP 1170264 A1 [0119]
- - US 6515263 [0119]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Reactions
of Oxygen with the platinum metals", von J. C. Chaston, Platinum
metals review 1965, 9(2), 51–56 [0026]