DE102009002336A1

DE102009002336A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze

Info

Publication number: DE102009002336A1
Application number: DE102009002336A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmitt; Horst Blei; Guido RÄKE; Wolfgang Schmidbauer; Joachim Oehler; Volker Ohmstede; Norbert Greulich-Hickmann; Reiner Best
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: DE102009002336B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze in einem Läutertiegel oder einer Läuterwanne bei einer mittleren Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze. Die Vorrichtung weist eine erste Heizeinrichtung zum Heizen der Glasschmelze und einen Sensor zum Überwachen einer Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) und zum Ausgeben einer entsprechenden Temperaturinformation auf. Die Temperatur T_o wird während des Läuterns in einem Bereich von 100°C bis 900°C unter der Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze eingestellt. Hierzu ist eine über der freien Oberfläche (110) der Glasschmelze angeordnete Energiezu- und/oder -abführeinrichtung und eine mit dem Sensor in Verbindung stehende Steuereinrichtung zur Verarbeitung der Temperaturinformation und zur Steuerung der Energiezu- und/oder -abführeinrichtung vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze bei einer mittleren Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochtemperaturläuterung der Glasschmelze, d. h. bei Läutertemperaturen von mindestens 1700°C. Die Vorrichtung weist einen Läutertiegel oder eine Läuterwanne, eine erste Heizeinrichtung zum Heizen der Glasschmelze und einen Sensor auf, der zum Überwachen einer Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche und zum Ausgeben einer entsprechenden Temperaturinformation eingerichtet ist.
Unter Läuterung versteht man in Bezug auf Glasschmelzen die Entfernung von Gasblasen aus der Schmelze. Um höchste Fremdgas- und Blasenfreiheit zu erzielen, bedarf es der gründlichen Durchmischung und Entgasung des geschmolzenen Gemenges. Das Verhalten von Gasen bzw. von Blasen in einer Glasschmelze sowie deren Entfernung ist beispielsweise in „Glastechnische Fabrikationsfehler", herausgegeben von H. Jebsen-Marwedel und R. Brückner, 3. Auflage, 1980, Berlin, im vierten Kapitel oder im HVG-Fortbildungskurs von 1975, „Schmelze und Läuterung des Glases" beschrieben.
Es sind allgemein zwei prinzipielle Läuterverfahren bekannt, die sich im Wesentlichen durch die Art und Weise der Läutergaserzeugung unterscheiden: physikalische Läuterverfahren und chemische Läuterverfahren. Bei der physikalischen Läuterung wird beispielsweise die Viskosität der Glasschmelze durch Temperaturerhöhung erniedrigt. Insbesondere werden daher während der Läuterung höhere Temperaturen der Glasschmelze eingestellt als im Einschmelz- und Abstehbereich. Je höher die Läutertemperatur gewählt werden kann, umso effektiver ist die Blasenentfernung aus der Schmelze. Dabei sollte die Viskosität der Schmelze bekanntermaßen möglichst unter 10² dPas liegen. Die maximal zulässige Läutertemperatur hängt von der Bauart des Läutertiegels bzw. der Läuterwanne ab und wird durch die Temperaturbeständigkeit des Wandmaterials des verwendeten Einschmelzaggregats begrenzt. Die Grenze liegt beispielsweise bei Verwendung von Pt-Legierungen bei maximal 1600°C und bei feuerfestem Stein bei maximal 1650°C bis 1700°C.
Das Prinzip der chemischen Läuterverfahren besteht darin, dass der Schmelze Verbindungen zugesetzt werden, die sich zersetzen und Gase abspalten, oder Verbindungen, die bei höheren Temperaturen flüchtig sind, oder Verbindungen, die in einer Gleichgewichtsreaktion bei höheren Temperaturen Gase abgeben. Zur ersten Gruppe der Verbindungen gehören beispielsweise Sulfate, wie Na₂SO₄, MgSo₄, CaSO₄, SrSO₄, BaSO₄ oder La₂(SO₄)₃, wobei die Auswahl sich nach deren Löslichkeit in dem zu läuternden Glas und der Schmelztemperatur des Glases richtet. Zur zweiten Gruppe der Verbindungen, die bei hohen Temperaturen auf Grund ihres erhöhten Dampfdruckes wirken, sind Halogenide zu zählen, wie beispielweise die Chloride KCl, CaCl₂, BaCl₂, LaCl₃, CeCl₃, YbCl₂ und ErCl₃, Fluoride wie LiF, NaF, KF, ZnF₂, MgF₂, BaF₂, CeF₃ oder eine Reihe von Seltene-Erden-Fluoride. Auch eine Reihe von Bromiden können hierfür eingesetzt werden. Grundsätzlich ist hier darauf zu achten, dass die Temperatur, bei dem die Halogenide in den gasförmigen Zustand übergehen mit der Schmelztemperatur des zu läuternden Glases kompatibel ist. Auch bei der Halogenid-Läuterung ist ferner auf die Löslichkeit der Halogenide in dem Glas zu achten.
Die letzte Gruppe von Verbindungen, die in einer Gleichgewichtsreaktion bei höheren Temperaturen Gase abgeben, umfasst die sogenannten Redox-Läutermittel wie beispielsweise As₂O₅, Sb₂O₅, SnO₂, CeO₂, Fe₂O₃, ZnO, TeO₂, V₂O₅, MoO₃, Wo₃, Bi₂O₅, PrO₂, Sm₂O₃, Nb₂O₅, Eo₂O₃, TdO₂ und/oder Yb₂O₃ oder auch einige Selten-Erden-Oxide. Auch bei der Zugabe von Redox-Verbindungen ist darauf zu achten, dass die Temperatur, bei der das Läutergas freigesetzt wird, mit der Schmelztemperatur des zu läuternden Glases kompatibel ist, so dass die Freisetzung nicht bereits beim Einschmelzen sondern erst im anschließenden Läutervorgang stattfinden kann.
Vorstehende physikalische und chemische Läuterverfahren sind beispielsweise in der DE 199 39 771 A1 beschrieben und in den Gegenstand der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. In genannter Druckschrift ist ferner ein Hochtemperatur-Läuterverfahren beschrieben, bei dem die Glasschmelze auf eine Temperatur zwischen 1580°C und 2800°C aufgeheizt wird und das Maximum der Läutergasabgabe durch Läutermittel oberhalb 1500°C erfolgt. Insbesondere auf eine solche Hochtemperatur-Läuterung bezieht sich auch der Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Vorteilhaft bei der Hochtemperatur-Läuterung ist unter anderem die verbesserte physikalische Läuterung. So ist beispielsweise die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit in einer 2400°C heißen Glasschmelze etwa 100-mal größer als in einer entsprechenden 1600°C heißen Schmelze.
Es werden in der Literatur zur Heizung einer Glasschmelze im Allgemeinen und zur Läuterung im Besonderen zwei Heizverfahren genannt. Das eine ist die konduktive Heizung mittels Elektroden, die einen elektrischen Kontakt mit der Glasschmelze herstellen. Beispielhaft wird auf die Druckschrift DE 10 2006 003 534 A1 verwiesen. Die Elektroden werden typischerweise in Stabform in die Schmelze eingeführt und bilden bei gegebener elektrischer Leitfähigkeit der Schmelze eine Ohm'sche Widerstandsheizung. Damit die Glasschmelze elektrisch leitfähig wird, muss das Glas zunächst meist mittels Gasbrennern vorgeschmolzen werden. Eine andere Anordnung einer konduktiven Heizeinrichtung ist beispielhaft in der DE 10 393 837 B4 vorgeschlagen, wonach die Elektroden einen Wand- oder Bodenabschnitt des Schmelzgefäßes bilden und gekühlt sind.
Als Maßnahme, ausreichend hohe Läutertemperaturen zu erreichen, ohne dass hierbei eine Zersetzung des Tiegel- bzw. Wannenmaterials auftritt, sind in der Vergangenheit zahlreiche Weiterentwicklungen der Läutertiegel vorgeschlagen worden. So schlägt beispielweise die DE 199 39 771 A1 , die DE 199 39 772 A1 , die DE 199 39 779 A1 oder die DE 199 39 780 A1 vor, die Glasschmelze in einem zwangsgekühlten Tiegel bzw. einer zwangsgekühlten Wanne zu erhitzen. In diesem Zusammenhang wird meist das zweite Heizverfahren, nämlich eine Hochfrequenzheizung in Verbindung mit einem hierzu geeigneten Tiegel (Skull-Tiegel) vorgeschlagen. Hohe Temperaturen werden hierbei durch induktive Einkopplung eines elektromagnetischen Feldes mit Frequenzen, vorzugsweise im Bereich von 10 kHz bis 5 MHz erreicht. Auch hierzu muss das Glas zunächst vorgeschmolzen sein, damit das elektromagnetische Feld in der elektrisch leitfähigen Glasschmelze Wechselströme erzeugen kann, die auf Grund der Joule'schen Wärme zu einem direkten Aufheizen der Schmelze auf die gewünschte Läutertemperatur führt. Da bei diesem Verfahren der Energieeintrag direkt in die Schmelze erfolgt, ist es möglich den Wandbereich des Schmelzaggregates zu kühlen. Dies kann durch freie Abstrahlung, Luftkühlung oder Wasserkühlung erfolgen. Bewährt als langzeitstabiles Läuteraggregat haben sich sogenannte Skull-Tiegel aus wassergekühlten Kupferrohren, wie sie z. B. für die Kristallzüchtung verwendet werden. Auch diese vorstehend beschriebene Technik wird von der folgenden Erfindung mit umfasst.
Die vorgenannten Druckschriften gehen davon aus, dass einer Abkühlung durch Strahlung und Wärmeleitung der Schmelze an deren freier Oberfläche, also an der Oberfläche, die nicht durch eine der Tiegel- bzw. Wannenwände bzw. -böden begrenzt ist, und über die Gasabgabe aus der Schmelze an die Umgebung erfolgt, entgegen gewirkt werden muss. Hierzu werden als geeignete Maßnahmen das Abdecken des Raumes über der Glasschmelze (Oberofen) und das Anordnen eines oder mehrerer Gasbrenner in dem Oberofen vorgeschlagen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Läutern einer Glasschmelze effizienter zu gestalten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche während des Läuterns in einen Bereich von 100°C bis 900°C unter der Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze eingestellt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art ist dahingehend weiter gebildet, dass eine über der freien Oberfläche der Glasschmelze angeordnete Energiezu- und/oder -abführeinrichtung und eine mit dem Sensor in Verbindung stehende Steuereinrichtung vorgesehen ist, die zur Verarbeitung der Temperaturinformation und zur Steuerung der Energiezu- und/oder -abführeinrichtung der Gestalt eingerichtet ist, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche während des Läuterns in einem Bereich von 100°C bis 900°C unter der Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze eingestellt ist.
Unter „Einstellen” wird im Sinne der Erfindung ein gesteuerter und vorzugsweise geregelter Eingriff in den Energieaustausch der freien Ober fläche der Glasschmelze mit der Umgebung, insbesondere mit dem Oberofen, verstanden.
Als „freie Oberfläche” wird im Sinne der Erfindung der Abschnitt der Glasoberfläche verstanden, der nicht mit einer Tiegel- oder Wannenwand in Berührung steht oder unmittelbar an diese angrenzt. Bei der Messung der Temperatur T_o ist zu beachten, dass diese nicht in unmittelbarer Nähe zu einer (gekühlten) Tiegelwand erfolgt.
Als Oberflächentemperatur T_o wird im Sinne der Erfindung die Temperatur der Glasschmelze an der Grenzfläche zur umgebenden Atmosphäre verstanden. Gemessen wird diese beispielsweise mittels eines Thermoelementes, welches im Bereich einer Wand des Oberofens oberhalb der freien Glasoberfläche, vorzugsweise bündig mit der Innenwand des Oberofens abschließend, angeordnet ist. Da die freie Glasoberfläche und die darüber liegende Wand im direkten Strahlungsaustausch miteinander stehen, kann für beide eine annährend gleiche Temperatur angenommen und die gemessene Wandtemperatur oberhalb der freien Glasoberfläche gleich der Oberflächentemperatur der Glasschmelze gesetzt werden.
Die Messung der Läutertemperatur T_i erfolgt unter Verwendung spezieller Hochtemperatur geeigneter Thermoelemente auf Basis Ir und Ir40/Rh. Mittels solcher Elemente wird in Abhängigkeit der zugeführten elektrischen Heizenergie eine Temperatur-Eichkurve erstellt. Dies ist erforderlich, da die Thermoelemente bei den hohen Temperaturen nur kurzzeitig betrieben werden können. Dauerhafte Temperaturmesssysteme für das Innere von Glasschmelzen bei Temperaturen > 1700° sind bisher nicht verfügbar.
Entgegen der gemeinhin erwarteten Verschlechterung des Läuterergebnisses bei einer gegenüber der Glasschmelze abgekühlten Oberflä che haben die Erfinder festgestellt, dass der beanspruchte Temperaturgradient zwischen der Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze und der Temperatur T_o an deren freier Oberfläche den Läutervorgang oder zumindest die Blasenfreiheit im Inneren der Schmelze begünstigt. Es gibt zwei Erklärungsansätze für diese Beobachtung. Einerseits wird angenommen, dass aufgrund des Temperaturgradienten im Übergang von der Oberfläche der Glasschmelze zum Oberofen sich hier ein Partialdruckgefälle einstellt, welches das Ausgasen der aus der Schmelze aufgetriebenen Blasen erleichtert. Auch das Aufplatzen von Schaumlamellen/blasen wird durch Partialdruckunterschiede verbessert. Desweiteren konnte festgestellt werden, dass die aus der Schmelze aufgetriebenen Gasblasen bei Kontakt mit der kälteren und somit zäheren Oberflächenschicht an dieser haften bleiben und somit auch bei (konvektiver) Umwälzung der Glasschmelze im Inneren nicht wieder in das Innere der Glasschmelze zurück gelangen. Dies sorgt jedenfalls für eine höhere Blasenfreiheit im Inneren der Schmelze.
Die verbesserte Läuterwirkung konnte bei einer Temperaturdifferenz ΔT = T_i – T_o von 100°C bis 900°C zwischen der Temperatur T_i im Inneren und der Oberflächentemperatur T_o beobachtet werden. Bei einer geringeren Temperaturdifferenz als 100°C nahm der Effekt signifikant ab. Bei einer höheren Temperaturdifferenz als 900°C nimmt der Energieaufwand zum Beheizen des Inneren der Schmelze erheblich zu und ferner stellt sich eine zu dicke und zähe Gradienten- oder Grenzschicht an der Oberfläche ein, die den Effekt wiederum abschwächt. Die Zähigkeit der Oberflächenschicht sollte einen Wert von 5000 dPas nicht übersteigen, um das Aufsteigen und Austreten der Blasen aus der Oberfläche nicht gänzlich zu verhindern. Sie sollten diesen Prozess lediglich verlangsamen. Bevorzugt ist eine Temperaturdifferenz in einem Bereich zwischen 150°C und 500°C. Besonders bevorzugt liegt die Temperaturdifferenz zwischen der freien Oberfläche der Gasschmelze und dem Inneren der Glasschmelze in einem Bereich von 200°C bis 400°C, wobei die verbesserte Läuterwirkung durch eine Anhebung der Untergrenze auf 200°C sich noch verstärkt, während eine Absenkung der Temperaturdifferenz auf 400°C einer Verfahrensoptimierung im Hinblick auf den Energiebedarf Rechnung trägt.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich uneingeschränkt zur Läuterung von bekannten Gläsern wie beispielsweise LAS-Basisgläsern zur Erzeugung einer Glaskeramik, alkalifreien Gläsern, Borosilikatgläsern, Alumosilikatgläsern, Alumoborosilikatgläsern, Kalk-Natron-Gläsern oder optischen Gläsern einsetzen. Die erfindungsgemäße physikalische Läuterung kann durch Zugabe von Läutermitteln, insbesondere Hochtemperaturläutermitteln, z. B. auf Zinn-, Arsen-, Antimon-, Cer-Basis oder dergleichen bzw. durch die eingangs erwähnten chemischen Läuterverfahren unterstützen. Die erfindungsgemäße physikalische Läuterung kann jedoch auch ohne gezielte Zugabe von Läutermitteln erfolgen.
Entscheidend für das Erzielen des verbesserten Läuterergebnisses ist, dass durch die abgesenkte Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche die Viskosität η_o der Glasschmelze höher ist als die im Inneren der Glasschmelze. Vorteilhafterweise wird die Viskosität η_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche während des Läuterns wenigstens 100 dPas höher eingestellt als die Viskosität η_i im Inneren der Glasschmelze.
Vorteilhafterweise ist die Energiezuführeinrichtung in Form einer zweiten Heizeinrichtung in einem Raum über der freien Glasoberfläche (Oberofen) ausgebildet.
Eine solche Heizeinrichtung im Oberofen, beispielsweise in Form eines Gasbrenners, ist grundsätzlich bekannt. Neu an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass diese Heizeinrichtung mittels der Steuereinrichtung der Gestalt angesteuert wird, dass die von der Glasschmelze abgegebene Energie durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung höher ist als die in der Summe von dem Oberofen in die Glasschmelze eingebrachte Energie und zwar soviel höher, dass sich die vorgenannte erfindungsgemäße Temperaturdifferenz ΔT bzw. die vorgenannte erfindungsgemäße Viskositätsdifferenz Δη einstellt. Der überwiegende Teil der von dem Oberofen an die Glasschmelze abgegebenen Energie stammt aus der zweiten Heizeinrichtung, so dass hier eine gezielte Einstellung der Oberflächentemperatur T_o technisch am einfachsten realisierbar ist. Besonders bevorzugt werden für die zweite Heizeinrichtung flächig abstrahlende Heizelemente, insbesondere Gasbrenner, Flachflammenbrenner oder dergleichen die durch Steuerung der Brennstoffzuführung in ihrer Energieabgabe beeinflusst werden. Der übrige Teil der von dem Oberofen an die Glasschmelze abgegebenen Energie resultiert aus der in dem Oberofen gespeicherten Energie und der von einer geeigneten Abdeckung des Oberofens reflektierten Strahlung.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorgenannten zweiten Heizeinrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, als Energieabführeinrichtung eine Kühleinrichtung im Oberofen über dem Läutertiegel anzuordnen.
Auch die Kühleinrichtung sorgt in Verbindung mit der Steuereinrichtung zu einer aktiven und gezielten Steuerung der Oberflächentemperatur T_o. Die Kühleinrichtung weist vorzugsweise ein oder mehrere gegenüber der Glasschmelze und der Atmosphäre darüber abgeschlossenen Kühlelemente, beispielsweise in Form von Kühllanzen, Kühlfingern, Kühlrohren oder Kühltaschen im Oberofen auf, die mit einem Kühlfluid, beispielsweise Kühlwasser, beaufschlagt werden.
Die Kühleinrichtung sorgt auf diese Weise für eine Abkühlung des Oberofens und somit auch der Glasoberfläche. Grundsätzlich kann die Energieabführeinrichtung in Form der Kühleinrichtung in oder über dem Oberofen angeordnet sein. Der den Oberofen definierende Raum über der freien Glasoberfläche ist in der Regel durch eine Abdeckung begrenzt. Wie bei der Kühlung des Oberofens von innen kann auch die Kühlung des Oberofens von außen direkt, d. h. durch Kontakt von Kühlrohren, Kühlfingern, Kühlfallen oder dergleichen mit der Abdeckung bzw. durch zumindest teilweise Bildung der Abdeckung in Form von Kühlelementen (Skull) erfolgen.
Grundsätzlich kann eine innere oder äußere Kühlung des Oberofens auch indirekt erfolgen, indem der Strahlungsverlust von der Abdeckung in die Umgebung, die ihrerseits aktiv gekühlt wird, oder der Ableitung von Wärme nach außen, beispielsweise durch Abgasführung über die Außenseite der Abdeckung oder durch gezieltes Durchströmen des Oberofens mit einem Kühlmedium, z. B. durch Einsaugen von Falschluft, gesteuert werden.
Eine weitere zusätzliche oder alternative Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb vor, dass die Energieabführeinrichtung Mittel zum Zuführen eines gasförmigen Kühlmediums in oder über den Oberofen, umfasst. Gleichwirkend sind Mittel zum Absaugen von Gas aus dem Oberofen, die alleine oder in Kombination mit den Zuführmitteln eingesetzt werden können. Als Mittel zum Zuführen können beispielsweise auch bereits vorhandene Brenner genutzt werden, die anstelle des Brennstoffes mit einem kühlenden Fluid, beispielsweise Luft, Sauerstoff oder einem anderen Gas beaufschlagt werden.
Diese Mittel wirken nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls mit der Steuereinrichtung so zusammen, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche auf die erfindungsgemäße Temperaturdifferenz zum Inneren der Glasschmelze eingestellt wird. Als gasförmiges Kühlmedium kommen bevorzugt Luft, Sauerstoff, Edelgase, insbesondere Argon oder Helium, Stickstoff oder Kohlendioxid in Frage.
Alle vorgenannten Maßnahmen zur gezielten, aktiven Steuerung oder Regelung der Energiezu- bzw. -abführung zur freien Glasoberfläche können kombiniert werden. Grundsätzlich ist bei der konstruktiven Ausführung der Erfindung darauf zu achten, dass eine Kondensatbildung an den gekühlten Teilen nach Möglichkeit vermieden, zumindest aber eine Kondensatverunreinigung des Glases durch entsprechende bauliche Ausführungen des Oberofens verhindert wird. Als bauliche Maßnahmen können beispielsweise Konsolen oder Barrieren oder Abschirmelemente, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 00 6619 beschrieben werden, im Bereich der Kühleinrichtung vorgesehen sein, auf die eventuell entstehendes Kondensat tropfen und von dort abgeleitet werden kann.
Wie bereits Eingangs beschrieben, kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Läutervorrichtung mit einer ersten Heizeinrichtung für die Glasschmelze in Form der eingangs beschriebenen induktiven Heizung, der konduktiven Heizung und/oder zwangsgekühlter Tiegel- bzw. Wannenwände (Skull-Tiegel) kombiniert werden.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anlage zur Herstellung von Glas,
2 eine schematische Darstellung des Oberofens in einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in seitlicher Schnittdarstellung,
3 eine schematische Darstellung des Oberofens gemäß 2 in einer Schnittdarstellung quer zur Glastransportrichtung,
4 eine schematische Darstellung des Oberofens in einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in seitlicher Schnittdarstellung und
5 eine schematische Darstellung des Oberofens gemäß 4 in einer Schnittdarstellung quer zur Glastransportrichtung.
In der 1 ist eine Herstellanlage für Glas mit einem Einschmelzbecken 1 gezeigt, an das sich eine Überlaufrinne 2 zu der erfindungsgemäßen Läutervorrichtung, hier in Form eines Läutertiegels 3 anschließt. An die Läutervorrichtung schließt sich, verbunden über ein beheiztes Rinnensystem 4, eine Homogenisierungseinrichtung 5 mit einem Rührtiegel und Rührer an. Über allen genannten Bauteile befindet sich der Oberofen, der durch ein gemeinsames oder mehrere separate Gewölbe- bzw Gewölbeabschnitte 6 zur Abdeckung der Glasschmelze nach oben begrenzt ist.
In 2 ist ein Ausschnitt einer Anlage zum Herstellen von Glas im Bereich des hier nicht gezeigten Läutertiegels im Längsschnitt dargestellt. Das Glas, dessen Spiegel oder freie Oberfläche mit der Linie 110 gekennzeichnet ist, fließt, von der vorgeschalteten Überlaufrinne kommend, über einen Einlassbereich 132 in den Läutertiegel und in Richtung des Pfeils 130 über einen Auslassbereich 134 am Ende des Läutertiegels nach der Läuterung wieder ab.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Raum oder Oberofen 100 über der freien Glasoberfläche 110 von einer Abdeckung 120 be grenzt. Die Abdeckung 120 umfasst ein Gewölbe 122, das einen oberen Abschluss des Oberofens 100 bildet, und Seitenwände 124, die jeweils aus einem horizontalen Seitenwandabschnitt 126 und einem vertikalen Seitenwandabschnitt 128 bestehen und den Oberofen 100 in Richtung des Glastransportes beidseits begrenzen.
Sowohl in den vertikalen Seitenwandabschnitten 128 als auch in dem Gewölbe 122 sind jeweils Öffnungen 136 vorgesehen, durch welche entweder ein Kühlmedium in den Oberofen 100 eingeleitet werden kann, und/oder eine zweite Heizeinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung, beispielsweise in Form von Kühlfingern, in den Oberofen 100 eingeführt werden können. In der Ausführungsform gemäß 2 ist beispielsweise durch eine Öffnung in dem Gewölbe 122 ein gegenüber der Glasschmelze bzw. der Atmosphäre in dem Oberofen geschlossenes Kühlrohr in den Oberofen eingeführt. Durch das Kühlrohr wird ein fluides Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder Luft, hindurchgeleitet. Ferner ist durch eine Öffnung in dem Seitenwandabschnitt 124 ein Brenner 170, schematisch als Koaxialrohr dargestellt, in den Oberofen eingeführt. Die Rohrleitungen des Brenners werden mit dem benötigten Brennstoff, z. B. Gas oder Öl, und einem Oxidationsgas, z. B. Sauerstoff oder Luft versorgt. Durch eine kombinierte Steuerung des Kühlmittelstromes einerseits und des Brennstoffes und Oxidationsgases andererseits wird die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche eingestellt.
Schließlich ist in dem Gewölbe ein Thermoelement 150 zur (indirekten) Messung der Oberflächentemperatur T_o der Glasschmelze vorgesehen.
Ferner sind sowohl das Gewölbe 122 als auch die Seitenwände 124 zumindest abschnittsweise mit einer Isolierung 138 versehen, die einen Wärmeleitungsverlust über die Abdeckung 120 verringern. Unmittelbar über der Glasoberfläche im Bereich des Einlasses 132 und des Auslas ses 134 befinden sich als Mittel zum Absaugen von Gas aus dem Oberofen jeweils eine Abzugsvorrichtung 140.
In 3 ist die Abdeckung 120 des Oberofens 100 aus 2 in einem Schnitt quer zur Glastransportrichtung 130 dargestellt. Hiernach ist das Gewölbe 122 über Widerlagerelemente 142 auf beiden Seiten mit dem längs zur Glastransportrichtung 130 verlaufenden Seitenwänden 128' verbunden.
Die parallelen Seitenwände 128' erstrecken sich bis unter die Glasoberfläche 110. Die Schmelze berührt jedoch nicht die Seitenwände 128' sondern eine räumlich dazwischen angeordnete Palisade 144, welche aus einem speziellen feuerfesten Material gebildet wird.
Auch die längsverlaufenden Seitenwände 128 sind, zumindest abschnittsweise, mit einer Isolierung 138' versehen. Ebenfalls können auch in diesen Seitenwänden 128' Öffnungen 136' vorgesehen sein, durch die ein Kühlmedium eingeleitet oder Kühl- und/oder Heizelemente versorgt werden bzw. zugeführt werden können.
In der Summe aller „passiver Maßnahmen”, der Öffnungen 136, der Dimensionierung und Gestaltung der Seitenwände 124 sowie des Gewölbes 122, und der Isolierung 138, ist erfindungsgemäß darauf zu achten, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche 110 während des Läuterns in dem Bereich von 100°C bis 900°C, bevorzugt von 150°C bis 500° und besonders bevorzugt von 200°C bis 400°C unter der Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze aktiv eingestellt werden kann. Zur Einstellung sind die Energiezu- und/oder Abführeinrichtungen, hier die Abzugsvorrichtungen 140, so zu dimensionieren, dass dem Oberofen unter Berücksichtigung der passiven Maßnahmen die zur Einstellung der gewünschten Tempe raturdifferenz notwendige Energiemenge zugeführt bzw. aus diesem abgeführt wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 und 5 unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen dadurch, dass anstelle des geschlossenes Kühlrohres und des Brenners durch eine Öffnung in dem Gewölbe 122 als Mittel zum Zuführen eines gasförmigen Kühlmediums in den Oberofen ein zur Glasschmelze hin offenes Zuführrohr 180 vorgesehen ist. Durch das Zuführrohr wird ein gasförmiges Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Sauerstoff, in den Oberofen eingeleitet, welches diesem aufgrund seiner relativ niedrigeren Temperatur gezielt Wärme entzieht. Durch eine Steuerung der zugeführten Menge an Kühlmedium wird so die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche eingestellt. Erfindungsgemäß lassen sich alle vorgenannten Maßnahmen abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen einzeln oder in beliebiger Kombination einsetzen.

In einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit induktiver erster Heizeinrichtung wurde eine Glasschmelze bei gleich bleibender Temperatur T_i im Inneren zuerst mit höherer (Fall A) und anschließend mit geringerer Temperatur T_o an der freien Oberfläche (Fall B) geläutert. Bei beiden Versuchen wurde die Oberflächentemperatur überwacht und kontrolliert eingestellt, das heißt geregelt. Anschließend wurden die aus der jeweiligen Schmelze erzeugten Glaskörper auf Ihre Blasenqualität überprüft, indem die Anzahl der in einem kg des erkalteten Glases eingeschlossen Blasen unter dem Mikroskop gezählt wurde. Dabei konnten die in der folgenden Tabelle 1 dargelegten Läuterergebnisse festgestellt werden. Tabelle 1 – Induktive Beheizung

	Temperatur und Viskosität im Inneren der Glasschmelze		Temperatur und Viskosität an der freien Glasoberfläche		Anzahl Blasen im Gas
	T_i	η_i	T_o	η_o	Stück/kg
Fall A	Ca. 1950°C	ca. 5 dPAS	1700°C	ca. 50 dPAS	40
Fall B	Ca. 1950°C	ca. 5 dPAS	1560°C	ca. 200 dPAS	0

Im Vergleich von Fall A, bei dem eine Temperaturdifferenz ΔT = T_i – T_o = 250°C und ein Viskositätsunterschied Δη = η_i – n_o = 45 dPas vorlag, mit Fall B, bei dem eine Temperaturdifferenz ΔT = 390°C und ein Viskositätsunterschied Δη = 195 dPas vorlag, konnte eine signifikante Verbesserung der Blasenqualität aufgrund der abgesenkten Oberflächentemperatur nachgewiesen werden.

In einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit konduktiver Elektrodenheizeinrichtung und in Folge dessen bei einem geringeren Temperaturniveau im Inneren der Glasschmelze wurde derselbe Versuch wiederholt. Einzelheiten der Parameter können der folgenden Tabelle 2 entnommen werden. Tabelle 2 – Konduktive Beheizung

	Temperatur und Viskosität im Inneren der Glasschmelze		Temperatur und Viskosität an der freien Glasoberfläche		Anzahl Blasen im Gas
	T_i	η_i	T_o	η_o	Stück/kg
Fall C	Ca. 1850°C	ca. 50 dPAS	1650°C	ca. 250 dPAS	295
Fall D	Ca. 1850°C	ca. 50 dPAS	1550°C	ca. 600 dPAS	110

Auch bei konduktiver Beheizung der Glasschmelze bestätigt sich das Ergebnis qualitativ. Die Blasenqualität ist auch hier im Fall C bei einer Temperaturdifferenz ΔT = 200°C und einem Viskositätsunterschied Δη = 200 dPas signifikant besser als in Fall D, bei einer Temperaturdifferenz ΔT = 300°C und einem Viskositätsunterschied Δη = 550 dPas.

1: Einschmelzbecken
2: Überlaufrinne
3: Läutertiegel
4: beheiztes Rinnensystem
5: Homogenisierungseinrichtung
6: Gewölbe
100: Oberofen/Raum über der freien Glasoberfläche
110: Glasoberfläche oder Spiegel
120: Abdeckung
122: Gewölbe
124: Seitenwand
126: horizontaler Seitenwandabschnitt
128, 128': vertikaler Seitenwandabschnitt
130: Glastransportrichtung
132: Einlassbereich
134: Auslassbereich
136: Öffnung
138, 138': Isolierung
140: Abzugselement
142: Widerlager
144: Palisade
150: Thermoelement
160: geschlossenes Kühlrohr
170: Brenner
180: Zuführrohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19939771 A1 [0006, 0008]
- DE 102006003534 A1 [0007]
- DE 10393837 B4 [0007]
- DE 19939772 A1 [0008]
- DE 19939779 A1 [0008]
- DE 19939780 A1 [0008]
- DE 102004006619 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Glastechnische Fabrikationsfehler”, herausgegeben von H. Jebsen-Marwedel und R. Brückner, 3. Auflage, 1980, Berlin, im vierten Kapitel oder im HVG-Fortbildungskurs von 1975, „Schmelze und Läuterung des Glases” [0002]

Claims

Verfahren zum Läutern einer Glasschmelze in einem Läutertiegel oder einer Läuterwanne bei einer mittleren Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) während des Läuterns in einem Bereich von 100°C bis 900°C unter der Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität η_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) während des Läuterns wenigstens 100 dPas höher eingestellt wird als die Viskosität η_i im Inneren der Glasschmelze.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) mittels einer über der freien Glasoberfläche angeordneten Kühleinrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) durch gezielte Zuführung eines gasförmigen Kühlmediums in einen Raum über der freien Glasoberfläche (110) (Oberofen (100)) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) durch gezielte Absaugung von Gas aus einen Raum über der freien Glasoberfläche (110) (Oberofen (100)) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) mittels einer über der freien Oberfläche (110) angeordneten Heizeinrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) überwacht und eine entsprechende Temperaturinformation zur Verarbeitung an eine Steuereinrichtung für die Kühleinrichtung und/oder Mittel zum Zuführen und/oder Mittel zum Absaugen des gasförmigen Kühlmediums und/oder die Heizeinrichtung übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze auf 1700°C oder mehr eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasschmelze zumindest überwiegend induktiv oder konduktiv geheizt wird.
Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze bei einer mittleren Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze, mit einem Läutertiegel oder einer Läuterwanne, einer ersten Heizeinrichtung zum Heizen der Glasschmelze und einem Sensor, der zum Überwachen einer Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) und zum Ausgeben einer entsprechenden Temperaturinformation eingerichtet ist, gekennzeichnet durch eine über der freien Oberfläche (110) der Glasschmelze angeordnete Energiezu- und/oder abführeinrichtung und eine mit dem Sensor in Verbindung stehende Steuereinrichtung, die zur Verarbeitung der Temperaturinformation und zur Steuerung der Energiezu- und/oder abführeinrichtung der Gestalt eingerichtet ist, dass die Temperatur T_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) während des Läuterns in einem Bereich von 100°C bis 900°C unter der Läutertemperatur T_i im Inneren der Glasschmelze eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Viskosität η_o der Glasschmelze an deren freier Oberfläche (110) während des Läuterns wenigstens 100 dPas höher einzustellen als die Viskosität η_i im Inneren der Glasschmelze.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiezuführeinrichtung eine zweite Heizeinrichtung in einem Raum (100) über der freien Glasoberfläche (110) (Oberofen) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieabführeinrichtung eine Kühleinrichtung in oder über einem Raum (100) über der freien Glasoberfläche (110) (Oberofen) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieabführeinrichtung Mittel zum Zuführen eines gasförmigen Kühlmediums in einem Raum (100) über der freien Glasoberfläche (110) (Oberofen) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieabführeinrichtung Mittel zum Absaugen von Gas aus einem Raum (100) über der freien Glasoberfläche (110) (Oberofen) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizeinrichtung eine induktive Heizung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizeinrichtung eine konduktive Heizung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Läutertiegel oder die Läuterwanne wenigstens eine zwangsgekühlte Läutertiegel- bzw. Läuterwannenwand aufweist.