DE102008025767B4

DE102008025767B4 - Verfahren zur Herstellung vollständig runder kleiner Kugeln aus Glas

Info

Publication number: DE102008025767B4
Application number: DE102008025767A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schlicke
Original assignee: BPI BEADS PRODUCTION INTERNAT; BPI BEADS PRODUCTION INTERNATIONAL GmbH
Current assignee: BPI BEADS PRODUCTION INTERNAT; BPI BEADS PRODUCTION INTERNATIONAL GmbH
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: DE102008025767A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung kleiner vollständig runder Glaskugeln mit Durchmessern d zwischen 0,15 mm und 0,5 mm bei engen Körnungsbändern von 0,03 mm aus einem senkrecht nach unten fließenden heißen Schmelzfaden unter Nutzung eines zahnradähnlichen Schlagrades, dadurch gekennzeichnet, dass ein horizontaler oder um einen Winkel von bis zu 30° ansteigender, mit einer Schlagfrequenz f erzeugter, mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s bis 150 m/s fliegender Partikelstrahl aus von dünnen Fadenresten abgesehenen kugelnahen Anhäufungen der Schmelze in gleichförmigen Abständen a auf einen als Zeitkonstante tK definierten als Quotient des Abstandes a mit dem Produkt von Kugeldurchmesser d und Schlagfrequenz f berechneten Wert a/d·f = tK = 21 μs bis 27 μseingestellt und nach Ablösen vom Schlagrad und einer Flugzeit von höchstens 10 ms für mindestes 10 ms durch den Kernbereich einer mit einer Flammentemperatur von 2.100°C brennenden Flamme geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kugeln aus Glas mit Durchmessern zwischen 0,15 mm und 0,5 mm, dessen Anwendung sich besonders vorteilhaft auf Glasschmelzen mit den Zusammensetzungen einfacher Alkali-Kalk-Silikatgläser, entsprechend etwa technischer Tafel-, Flach- oder Fenstergläser, anbietet.
Kugeln aus Glas werden beispielsweise für unterschiedliche Reflexionsschichten eingesetzt. Verwendet werden hierfür sowohl Kugeln mit Durchmessern unter 100 μm als auch verschiedene Größengruppen mit Durchmessern zwischen 0,2 mm und 2,5 mm. Andere Anwendungsgebiete sind der Einsatz als Mahlkugeln für Rührwerksmühlen oder als Füllkörper.
Bekannt ist die Herstellung von Glaskugeln mit Durchmessern im Millimeterbereich durch mechanisches Dispergieren eines Glasstranges und Nacherhitzen der erzeugten Partikel ( US 3 495 961 A ).
In der Schrift WO 2000020345 A1 wird eine Methode zur Herstellung von Glaskugeln beschrieben, bei der ein Faden geschmolzenen Glases in Faserstücke zerschlagen oder aufgebrochen wird und bei der diese Faserstücke unter der Wirkung der Oberflächenspannung des Glases Kugeln bilden.
In der Schrift DE 102 16 894 B4 findet sich eine ausführliche Darstellung der Methode und von Vorrichtungen für Kugeln mit Durchmessern zwischen 0,7 mm und 2,5 mm.
Für den Aufbau von Funktionsbeschichtungen werden Kugeln aus Glas mit engen Körnungsbändern von 0,03 mm mit extremer Rundheit in einem Durchmesserbereich zwischen 0,15 mm und 0,5 mm benötigt. Solche Kugeln können mit der bisher bekannten Verfahrensgestaltung des Zerschlagens von Fäden geschmolzenen Glases oder auch mit anderen bekannten Verfahren nicht hergestellt werden. Die Verfahren liefern nur Kugelgemische mit unzureichenden Ausbeuten für den Durchmesserbereich 0,15 mm bis 0,5 mm, die zudem noch keine ausreichenden Kugelanteile mit hoher Rundheit und in den benötigten engen Körnungsbändern haben. Aussieben und Sortieren auf hohe Rundheit sind entweder schon technisch oder doch wirtschaftlich ausgeschlossen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Glaskugeln für Funktionsbeschichtungen zu entwickeln, mit dem sehr hohe Rundheiten und für die geforderten engen Körnungsbäder so hohe Ausbeuten erreicht werden, dass lediglich Schutzsiebungen erforderlich werden.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9 dargestellt.
Es wurde gefunden, dass vollständig runde Kugeln aus Glas mit engen Körnungsbändern von 0,03 mm in einem Durchmesserbereich zwischen 0,15 mm und 0,5 mm aus einem senkrecht nach unten fließenden, sehr heißen Schmelzfaden unter Nutzung eines zahnradähnlichen Schlagrades hergestellt werden können, wenn beim Zerschlagen des Schmelzfadens am Schlagradumfang ein horizontaler oder um einen Winkel von bis zu 30° ansteigender, mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s bis 150 m/s fliegender, scharf gebündelter oder praktisch wenig divergierender, sehr heißer Partikelstrahl gebildet und für kurze Zeit in einer 2.100°C heißen Flamme, zumindest an den Partikeloberflächen, um 50 K bis 100 K weiter aufgeheizt wird.
Es wurde weiter gefunden, dass die erforderliche scharfe Bündelung des Strahls nur erreicht werden kann, wenn der auf den Kugeldurchmesser d bezogene Partikelabstand a im Strahl, also der Ausdruck a/d, in einem ganz bestimmten Verhältnis zur Schlagfrequenz f steht. Für diese neue verfahrensmäßige Lösung ergibt sich damit als bestimmender Verfahrensparameter ein kurzer Zeitabschnitt, hier als Zeitkonstante tK bezeichneter oder definierter Quotient: a/d·f = tK = 21 μs bis 27 μs
Die mit dem vorstehenden Quotienten formulierte Bedingung wird zunächst ohne technisch-physikalische Hinterlegung als ausschlaggebend dafür angesehen, dass die beim ballistischen Flug des Teilchenstromes in der gasförmigen Umgebung auftretenden Kräfte nach Größe und Richtung und im Zusammenwirken mit den Werten für den Impuls und die kinetische Energie des Strahls die Strahlbündelung sicherstellen. Wie ausgeführt, ist die scharfe Bündelung des Partikelstrahls entscheidend für die Erzeugung von Glaskugeln hoher Qualität in einem schmalen Band der Kugeldurchmesser.
Es gehört zur erfindungsgemäßen Lösung, dass die Zeit von Bildung des Partikelstrahls am Schalgradumfang bis zum Eintritt in die Flamme höchstens 10 ms und die Aufenthaltszeit des Strahls in der Flamme mindestens 10 ms beträgt.
Zur erfindungsgemäßen Lösung gehört weiter, dass der senkrecht nach unten fließende Glasschmelzfaden für einen Durchmesserbereich der Kugeln zwischen 0,15 mm und 0,5 mm mit einem Massestrom zwischen 0,0008 kg/s und 0,016 kg/s und einer rechnerischen Ausströmgeschwindigkeit zwischen 0,018 m/s und 0,354 m/s an einer vollständig auf die Temperatur des geschmolzenen Glases erhitzten Düse gebildet wird und der herab fließende Faden nach einer Fallstrecke zwischen 0,30 m und 1,5 m mit einer Viskosität von 100 dPas entsprechend einer Temperatur von etwa 1.500°C auf das Schlagrad trifft. Der Glasschmelzfaden wird auf der Fallstrecke gegen Wärmeabstrahlung geschützt oder durch Beheizung temperiert oder nacherhitzt und gegen Luftströmungen abgeschirmt.
Für Kugeln im Durchmesserbereich zwischen 0,15 und 0,5 mm gehört zur erfindungsgemäßen Lösung schließlich, dass die Schlagfrequenz f am Knotenpunkt Glasschmelzfaden-Schlagrad-Partikelstrahl und bei einer Ablenkung zwischen 90° und 120° an diesem Punkt auf Werte zwischen 180.000 1/s und 90.000 1/s eingestellt und dass der Partikelabstand a zwischen 0,6 mm und 1,2 mm gewählt wird.
Zur Ausgestaltung der Erfindung gehört, dass der horizontale oder mit einem Winkel von bis zu 30° ansteigende Partikelstrahl auf einer Strecke zwischen 0,8 m und 1,2 m durch den Kern einer mit einer Flammengeschwindigkeit von etwa 10 m/s bis etwa 15 m/s brennenden Gas-Sauerstoff-Flamme sowie weiter über etwa 1,5 m durch eine von dieser Flamme erhitzte Feuerbox geführt wird und dass der Strahl von oben, von der Seite oder von unten in die Flamme eintritt und mit ihr einen Winkel von 8° bis 12° bildet.
Die Verfahrenslösung der Erfindung wird vorzugsweise auf Glasschmelzen mit den Zusammensetzungen einfacher Alkali-Kalk-Silikatgläser, entsprechend etwa technischer Tafel-, Flach- oder Fenstergläser, angewendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert.
Für die Herstellung von Glaskugeln mit 400 μm Durchmesser wird ein Partikelabstand a von 1,08 mm gewählt. Für diesen Abstand wird ein Schlagrad angefertigt und eingesetzt, an dessen Umfang der Spitzenabstand der einzelnen Schlagzähne ebenfalls bei 1,08 mm liegt.
Gewählt werden für das Schlagrad, unter Berücksichtigung der für die so genannte Zeitkonstante tK gefundenen Beziehung, eine Zähnezahl 680 und damit ein Spitzenumfang von 734,4 mm bei einer Drehzahl von 10.000 Umdrehungen je Minute. Es ergeben sich eine Schlagfrequenz von 113.333 1/s und für a/d·f = tK ein Wert von 23,8 μs.
Aus der Schlagfrequenz f und dem Spitzen- oder Partikelabstand a oder auf anderem Weg aus dem Spitzenumfang und der Drehzahl erhält man für die Geschwindigkeit des Partikelstrahls 122,4 m/s.
Der Massestrom in dem auf das Schlagrad hinab fließenden Schmelzfaden wird als Produkt der Einzelkugelmasse 83,775 μg und der Schlagfrequenz 113.333 1/s ermittelt und auf 0,00949 kg/s entsprechend 570 g/min eingestellt.
Der Schmelzfaden wird aus einer Glasschmelze mit Tafelglaszusammensetzung von 1.520°C an einer ebenfalls 1.520°C heißen, kurzen rohrförmigen Platindüse mit einem Innendurchmesser von 5 mm gebildet. Die Platindüse befindet sich dabei in der oberen horizontalen Abdeckung einer nach unten offenen Edelmetall-Edelstahl-Rohrkombination von 40 mm Durchmesser, die durch die feuerfeste Ofenausklei dung 20 mm in das Glasbad hineingeführt wird. Über den Abstand des Glasspiegels im Schmelzofen zur Düse wird der Massestrom im Schmelzfaden gesteuert.
Für eine angenommene Dichte der Schmelze von 2,3 g/cm³ ergibt sich an der Platindüse eine rechnerische Ausflussgeschwindigkeit von 0,21 m/s. Der sich unter der Düse einschnürende und beschleunigende Schmelzfaden fällt zunächst durch die Edelmetall-Edelstahl-Rohrkombination und anschließend durch ein an allen Flächen auf Hochglanz poliertes, als Strahlungsabschirmung ausgebildetes, Doppelstahlrohr mit dünnen Einzelwänden und mit einem inneren freien Durchmesser von 60 mm und erreicht nach einer Strecke nach 1.000 mm mit 1.480°C bis 1.500°C das Schlagrad. Der benötigte Abwurfwinkel des Partikelstrahls wird über den in Drehrichtung vor einer Senkrechten zur Schlagradachse liegenden Auftreffpunkt eingestellt.
Nach einer Flugstrecke von 400 mm, entsprechend einer Flugzeit von 3 ms bis 4 ms, tritt der Partikelstrahl unter einem Winkel von 10° in eine Gas-Sauerstoff-Flamme mit einem Flammendurchmesser von 0,1 mm ein und verlässt die Flamme und die anschließende Feuerbox als Strahl mit diskreten Kugeln nach einem ab Schlagrad gerechneten Flugweg von 3 m.
Alle erzeugten Kugeln haben eine hohe Rundheit. Bei 75% aller Kugeln erreicht der Quotient aus über das Zentrum größtem und kleinstem Oberflächenabstand maximal 1,05. Es gibt keine Kugeln, bei denen dieser Quotient größer als 1,1 wird.
Im erzeugten Produkt befinden sich keine Kugeln mit mittleren Durchmessern unter 390 μm, nur 2% der Kugeln haben mittlere Durchmesser über 420 μm.

Claims

Verfahren zur Herstellung kleiner vollständig runder Glaskugeln mit Durchmessern d zwischen 0,15 mm und 0,5 mm bei engen Körnungsbändern von 0,03 mm aus einem senkrecht nach unten fließenden heißen Schmelzfaden unter Nutzung eines zahnradähnlichen Schlagrades, dadurch gekennzeichnet, dass ein horizontaler oder um einen Winkel von bis zu 30° ansteigender, mit einer Schlagfrequenz f erzeugter, mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s bis 150 m/s fliegender Partikelstrahl aus von dünnen Fadenresten abgesehenen kugelnahen Anhäufungen der Schmelze in gleichförmigen Abständen a auf einen als Zeitkonstante tK definierten als Quotient des Abstandes a mit dem Produkt von Kugeldurchmesser d und Schlagfrequenz f berechneten Wert a/d·f = tK = 21 μs bis 27 μseingestellt und nach Ablösen vom Schlagrad und einer Flugzeit von höchstens 10 ms für mindestes 10 ms durch den Kernbereich einer mit einer Flammentemperatur von 2.100°C brennenden Flamme geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrecht nach unten fließende Glasschmelzfaden mit einem Massestrom zwischen 0,0008 kg/s und 0,016 kg/s und einer rechnerischen Ausströmgeschwindigkeit zwischen 0,018 m/s und 0,354 m/s an einer vollständig auf die Temperatur des geschmolzenen Glases erhitzten Düse gebildet wird und der herab fließende Faden nach einer Fallstrecke zwischen 0,30 m und 1,5 m mit einer Viskosität von 100 dPas entsprechend einer Temperatur von etwa 1.500°C auf das Schlagrad trifft.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasschmelzfaden auf der Fallstrecke gegen Wärmeabstrahlung geschützt oder durch Beheizung temperiert oder nacherhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasschmelzfaden auf der Fallstrecke gegen Luftströmungen abgeschirmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagfrequenz f am Knotenpunkt Glasschmelzfaden-Schlagrad-Partikelstrahl und bei einer Ablenkung zwischen 90° und 120° an diesem Punkt auf Werte zwischen 180.000 1/s und 90.000 1/s eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabstand a für den angegebenen Kugelgrößenbereich zwischen 0,6 mm und 1,2 mm gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der horizontale oder mit einem Winkel von bis zu 30° ansteigende Partikelstrahl auf einer Strecke zwischen 0,8 m und 1,2 m durch den Kern einer mit einer Flammengeschwindigkeit von 10 m/s bis 15 m/s brennenden Gas-Sauerstoff-Flamme sowie weiter über etwa 1,5 m durch eine von dieser Flamme erhitzte Feuerbox geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrahl von oben, von der Seite oder von unten in die Flamme eintritt und mit ihr einen Winkel von 8° bis 12° bildet.
Verfahren nach den voran stehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es auf Glasschmelzen mit den Zusammensetzungen einfacher Alkali-Kalk-Silikatgläser, entsprechend etwa technischer Tafel-, Flach- oder Fenstergläser, angewendet wird.