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Gegenstand
der Erfindung ist ein rieselfähiges Beschickungsmaterial für
Glasschmelzöfen sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Die
Rohstoffe für die Glasherstellung sind hinlänglich
bekannt. Stellvertretend sei auf die Rohstoffe Siliziumdioxid (SiO2), Al2O3,
ZnO, TiO2, Natriumcarbonat (Na2CO3) oder Kaliumcarbonat (K2CO3), Kalziumoxyd (CaO) sowie Zirkondioxyd
(ZrO2) hingewiesen, die typischerweise in
kristalliner Form vorliegen. Diese Rohstoffe in der jeweils gewünschten
Zusammensetzung und Menge bilden das so genannte Gemenge.
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Die
Dauer des Einschmelzprozesses zur Umwandlung der Rohstoffe in eine
Schmelze mit der weitgehend endgültigen Zusammensetzung
wird bestimmt durch die Umsetzung der Rohstoffe in den schmelzflüssigen
Zustand. Dabei ist es bekannt, dass durch bestimmte Rohstoffe, z.
B. SiO2 oder ZrO2,
der Aufschmelzprozess wegen ihrer schweren Löslichkeit
stark verzögert wird.
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Es
hat daher nicht an Versuchen gefehlt, das Einschmelzverhalten der
Rohstoffe dadurch zu verbessern, dass die Rohstoffe in teilreagierter
Form dem Gemenge zugefügt werden.
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So
ist z. B. aus
DE 15
96 383 C3 bekannt, mit Natriummetasilikat umhüllte
Quarzkörnchen für die Glasherstellung einzusetzen.
Diese mit Natriummetasilikat umhüllten Quarzkörnchen
werden durch Umsetzen von Quarzsand im Überschuss mit Natriumhydroxid
bei erhöhter Temperatur erzeugt. Die Reaktion des Natriumhydroxids
mit der Oberfläche der SiO
2-Partikel
erfolgt bei 320°C bis 450°C. Diese hohe Reaktionstemperatur
führt dazu, dass das Verfahren in Folge des hohen Energieverbrauchs
nur bedingt wirtschaftlich ist und daher keinen Eingang in die Praxis
gefunden hat.
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Ein
weiteres Verfahren ist aus
DE
102 06 665 A1 bekannt, bei dem ein von der endgültigen
Glaszusammensetzung abweichendes Vorgemenge außerhalb des
Produktionsaggregates für den endgültigen Werkstoff
separat aufgeschmolzen und in einen glasig-amorphen Zustand überführt
wird.
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Auch
dieses Verfahren hat sich nicht durchsetzen können.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein preiswert herstellbares
rieselfähiges Beschickungsmaterial für Glasschmelzöfen
zu finden, mit dem sich insbesondere die Einschmelzzeit für
den SiO2-Anteil im Gemenge verringern lässt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein geeignetes
Verfahren zur Herstellung dieses Beschickungsmaterials zu finden.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein rieselfähiges Beschickungsmaterial
für Glasschmelzöfen, das aus Partikeln besteht,
die einen Kern aus Quarz besitzen, der mit einer Schicht aus Alkalicarbonat überzogen
ist.
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Um
eine gute Einschmelzbarkeit zu gewährleisten, sollten die
Partikel eine Größe von 0,05 mm bis 1 mm besitzen. Überschreiten
die Partikel eine Größe von 1 mm, so verlangsamen
sich die Einschmelzzeiten wieder und das Verfahren ist gegenüber
herkömmlichen Verfahren nicht mehr im Vorteil.
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Das
Verhältnis zwischen Quarz und Alkalicarbonat beträgt
vorzugsweise 1:0,01 bis 1:0,1. Unterschreitet man dieses Verhältnis, so
ist eine Auswirkung auf das Abschmelzverhalten nicht mehr gegeben, überschreitet
man dieses Verhältnis, so ist die Stabilität der
Oberflächenschicht auf dem Quarzgut nicht mehr ausreichend
beständig gegen mechanischen Abrieb. Die Schichtdicke aus
Alkalicarbonat liegt im μm-Bereich und ändert
die Kornverteilung des Quarzgutes nicht messbar bei herkömmlichen Korngrößenmessungen.
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Die
Schicht aus Alkalicarbonat kann aus Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat,
Lithiumcarbonat oder Mischungen davon bestehen. Im Allgemeinen wird
als Alkalicarbonat Natriumcarbonat und/oder Kaliumcarbonat eingesetzt,
da derart beschichtete Quarzpartikel am universellsten einsetzbar
sind.
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Im
Allgemeinen sind die einzelnen Quarzpartikel vollständig
mit der Alkalicarbonatschicht überzogen. Es stört
aber auch nicht weiter, wenn, z. B. durch Bruchvorgänge
eines beschichteten Quarzpartikels, an einzelnen Stellen die SiO2-Oberfläche des Partikels noch
zum Vorschein kommt. Weiterhin ist es für die Anwendbarkeit
der beschichteten Partikel nicht schädlich, wenn sich eine
Reihe von beschichteten Partikeln zu Agglomeraten zusammen legen,
sofern eine ausreichende Rieselfähigkeit des Agglomerats bestehen
bleibt und ein Durchmesser des Agglomerats von ca. 4 mm nicht überschritten
wird.
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Ein
geeignetes Verfahren zur Herstellung dieses Beschickungsmaterials
besteht darin, dass man ein Gemisch von Quarzpartikeln mit einem Feuchtigkeitsgehalt
von 2 bis 6 Gew.-% Wasser erzeugt, dieses feuchte Quarz-Partikelgemisch
mit Alkalicarbonat im Gewichtsverhältnis Quarz:Alkalicarbonat
von 1:0,01 bis 1:0,1 mischt und anschließend diese Mischung
trocknet.
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Der
Wassergehalt der angefeuchteten Quarzpartikeln kann 2 Gew.-% bis
6 Gew.-% bezogen auf die gesamte Quarz/Wasser-Mischung betragen.
Bevorzugt wird allerdings ein Wassergehalt von 4 bis 5 Gew.-%. Wird
der Wassergehalt in dem Gemisch zu hoch, so kann beim anschließenden
Trocknen die Alkalilösung teilweise verdampfen und der Energieaufwand
zum Trocknen wird unwirtschaftlich. Unterschreitet der Wassergehalt
in dem Gemisch 2 Gew.-%, so nimmt die Haftfestigkeit der Beschichtung
deutlich ab.
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Das
Gemisch aus Wasser- und Quarzpartikeln kann auf beliebige Art und
Weise hergestellt werden, z. B. in einem Taumelmischer, einem Schraubenmischer
oder in sonstigen bekannten Mischern, jedoch vorzugsweise in Gegenstrom-Intenivmischern.
Die Auswahl des Mischers richtet sich vor allem nach der Menge der
angefeuchteten Quarzpartikel, die hergestellt werden sollen. Bei
großen Mengen werden kontinuierliche Mischer bevorzugt.
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Nachdem
die Quarzpartikel, d. h. im Allgemeinen der Sand, angefeuchtet worden
sind, erfolgt die Zugabe des Alkalicarbonats. Das Alkalicarbonat hat
dabei die bei der Glasherstellung übliche Korngröße
von 0,1 mm bis 2 mm, jeweils bezogen auf den mittleren Durchmesser
d50. Während der intensiven Mischung
wird Alkalicarbonat durch das Anfeuchtwasser gelöst oder
angelöst und haftet auf der Oberfläche des Sandes
an.
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Die
Mischung von Alkalicarbonat mit den Quarzpartikeln kann in einem
Taumelmischer, einem Schraubenmischer oder ähnlichen Mischern
erfolgen. Als besonders geeignet hat sich ein Gegenstrom-Intensivmischer
erwiesen. Die Mischung ist je nach Mischertyp in wenigen Minuten
abgeschlossen, z. B. dauert die Mischung in einem Gegenstrom-Intensivmischer
etwa 10 Minuten. Bei Verwendung anderer Mischer ist die optimale
Mischdauer ggf. durch einige Vorexperimente zu klären.
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Als
Alkalicarbonate kommen in erster Linie Lithium-, Natrium- und Kaliumcarbonat
in Frage. Diese Alkalioxide können einzeln oder gemeinsam
zugegeben werden, im Allgemeinen bevorzugt man jedoch die Zugabe
nur eines Alkalicarbonats, da dadurch das Endprodukt universeller
einsetzbar ist. Die Alkalicarbonate kommen in der Form und Korngröße, wie
sie auch sonst üblicherweise dem Gemenge zugesetzt werden,
zur Anwendung, d. h. in Partikelgrößen von 0,1
mm bis 2 mm, jeweils bezogen auf den mittleren Durchmesser d50. Bevorzugt wird das Alkalicarbonat in
kristallwasserfreier Form zugesetzt. In diesem Fall geht das Alkali
vollständig oder zu einem dem Löslichkeitsprodukt
entsprechenden Teil in Lösung. Durch die frei werdende
Lösungswärme erwärmt sich die Mischung
aus Quarzpartikeln und Alkalicarbonat auf Temperaturen von bis zu
50°C. Beispielsweise erreicht das Gemisch bei der Verwendung
von wasserfreiem Kaliumcarbonat eine Temperatur von bis zu 40°C.
Diese erhöhten Temperaturen erhöhen die Löslichkeit
des Alkalicarbonats in der Feuchtigkeitsphase und führen
dadurch zu einer besonders intensiven Beschichtung.
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Die
beschichteten, noch feuchten Quarzpartikel werden anschließend
getrocknet. Je nach verwendetem Mischertyp kann die Trocknung noch
im Mischer geschehen, die beschichteten Quarzpartikel können
aber auch in einen gesonderten Trockner überführt
werden. Das Trocknen des Gemisches erfolgt unter weiterer Bewegung,
damit es nicht zu einer Klumpenbildung im Gemisch kommt. Das Trocknen
erfolgt mit angewärmter Luft, dabei ist es bei dem Verfahren
von besonderem Vorteil, dass keine hohen Temperaturen für
die Trocknung erforderlich sind, sondern das die Trocknung im Bereich
von 40°C bis 200°C, vorzugsweise bis 110°C
erfolgen kann, also sehr energiesparend stattfinden kann. Als Wärmequelle
für die Luft oder auch andere erwärmte Gase, z.
B. Verbrennungsabgase, mit denen der Trocknungsvorgang erfolgen
kann, wird bevorzugt die Abwärme der Glasschmelzöfen
eingesetzt. Dadurch ergibt sich ein ganz besonders kostengünstiges
Verfahren.
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Das
Verfahren kann auch in besonders wirtschaftlicher Form in die Herstellung
von für die Glaserzeugung geeigneten Sanden integriert
werden. Bei der Herstellung von solchen Sanden wird das Rohmaterial
gemahlen oder gesiebt, gereinigt, gewaschen und anschließend
getrocknet. Dieser Prozess muss nur um eine einzige weitere Verfahrensstufe, nämlich
das Mischen des gewaschenen, noch feuchten Sandes mit dem Alkalicarbonat
erweitert werden. Die anschließende Trocknung, die ohnehin
stattfinden muss, ergibt dann das rieselfähige mit Alkalicarbonat überzogene
Beschickungsmaterial. In diesem Fall muss für die Trocknung
des Alkalicarbonat/Quarzgemisches praktisch keine zusätzliche
Energie aufgewandt werden.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen vor allem darin, dass
die mit dem Alkalicarbonat beschichteten Quarzpartikel schneller
schmelzen als unbeschichtete Partikel. Versuche haben gezeigt, dass
die beschichteten Partikel etwa 25% schneller abschmelzen als die
unbeschichteten Partikel. Daraus kann der Schluss gezogen werden,
dass eine Leistungssteigerung eines vorhandenen Schmelzaggregats
um bis zu 25% möglich ist. Alternativ kann anstatt einer
Leistungssteigerung auch eine Absenkung der Schmelztemperatur erfolgen,
was zu deutlichen Energieeinsparungen bei der Glaserzeugung führen
kann.
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Beispiel
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50
kg Sand mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 4 bis 5 Gew.-% H2O wurden in einem Gegenstrom-Intensivmischer
(Hersteller: Firma Erich, Typ R08) mit 4,4 kg Kaliumcarbonat (kristallwasserfrei) 10
Minuten lang gemischt. Während dieser Mischung ging das
Kaliumcarbonat mit dem Anfeuchtwasser ganz bis teilweise in Lösung
und haftete auf der Oberfläche des Sandes an. Durch die
frei werdende Hydratationswärme erwärmt sich das
Gemisch auf etwa 40°C.
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Der
noch feuchte beschichtete Sand wurde anschließend in dem
Mischer bis auf 110°C erwärmt und durch weiteres
Mischen unter Zufuhr von vorgewärmter Luft, die eine Temperatur
von ca. 200°C hatte, getrocknet. Das Material ist anschließend
trocken und rieselfähig. Die einzelnen Partikel hatten
einen Durchmesser von max. 0,4 mm, die Dicke der Kaliumcarbonat-Schicht
auf den Quarzpartikeln war nicht messbar. Der vorliegende beschichtete
Sand hatte einen K2O-Gehalt von ca. 1,5
bis 2%.
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Die
Korngrößenverteilung, charakterisiert durch die
Sieblinie, ändert sich durch das Beschichten praktisch
nicht. Im Lichtmikroskop ist zwischen unbeschichtetem und beschichtetem
Material kein Unterschied erkennbar.
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Die
Sieblinie charakterisiert die Korngrößenverteilung
eines Schüttgutes in einem Diagramm mit der Korngröße
auf der x-Achse und dem %-Anteil auf der y-Achse. Die Sieblinie
wird durch die Beschichtung nicht messbar beeinflusst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1596383
C3 [0005]
- - DE 10206665 A1 [0006]