DE102009033500B4

DE102009033500B4 - Verfahren und Vorrichtung mit Barriere zur kontinuierlichen Herstellung von Produkten aus einer Schmelze

Info

Publication number: DE102009033500B4
Application number: DE200910033500
Authority: DE
Inventors: Dr. Kolberg Uwe; Dr. Nüttgens Sybill; Andreas Gross; Thomas Kirsch; Ernst-Walter Schäfer
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: DE102009033500A1

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Produkten aus einer Schmelze, wobei das Verfahren wenigstens folgende Verfahrensschritte aufweist: Zuführen der Schmelzrohstoffe oder einer Vorschmelze über einen Zufluss in einen Induktortiegel, Erhitzen der Schmelze auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Induktortiegel mittels eines hochfrequenten Wechselfeldes, kontinuierliches Abführen der auf die vorbestimmte Temperatur erhitzten Schmelze über einen Abfluss, wobei die Wandung des Induktortiegels einen elektrisch leitfähigen Induktor und einen Boden umfaßt oder bildet, wobei die Wandung und der Boden gekühlt werden, wobei die Wandung des Induktortiegels gleichzeitig die Spule zur Applikation des Hochfrequenzfeldes umfaßt und wobei zwischen Zufluss und Abfluss eine Barriere aus elektrisch nicht leitfähigem, jedoch wärmeleitfähigem Material angeordnet ist und wobei die Barriere eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/m·K aufweist und die elektrische Leitfähigkeit des Barrierematerials kleiner als 10–3 S/m bei 20°C ist und wobei die Barriere eine nitridhaltige Keramik umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Produkten aus einer Schmelze, insbesondere von Glas- oder Glaskeramikprodukten aus einer Glasschmelze.
Glasprodukte, wie insbesondere hochreine Gläser und Glaskeramiken, werden im allgemeinen in Schmelzgefäßen aus Edelmetallen, wie Platin oder Platinlegierungen, sowie aus Kieselglas hergestellt. Diese weisen jedoch bekannte Nachteile auf, wie beispielsweise eine Gelbfärbung durch in die Glasschmelze eingetragenes ionisches Patin und/oder Streueffekte an eingetragenen Platin-Teilchen sowie Schlieren und andere Inhomogenitäten durch Auflösung des Kieselglas-Tiegelmaterials in der Glasschmelze.
Außerdem sind Glasschmelzen für hochreine Glaser und Glaskeramiken oft recht aggressiv gegenüber den jeweils verwendeten Tiegelmaterialien. Es kommt folglich zum Verschleiß der Anlagen und zum vorzeitigen Ende der Produktion.
Aus der DE 102 44 807 A1 ist eine Behebung dieser Nachteile durch Verwendung einer sogenannten Skull-Schmelzanlage bekannt geworden, bestehend aus einer aus wassergekühlten Kupferrohren aufgebauten, mehrwindigen Spule und einem Skulltiegel aus parallel zur Spulenachse palisadenförmig angeordneten Rohren aus Metall (Cu, Al, Ni-Cr-Fe-Legierung oder eventuell Pt). Die Rohre des Skulltiegels müssen einen Mindestabstand aufweisen, um dem angelegten elektrischen Hochfrequenzfeld das Eindringen in das in dem Skulltiegel befindliche flüssige Glas zu ermöglichen und dieses durch direkte Einkopplung unter Erzeugung von Wirbelströmen weiter aufzuheizen. Zwischen gekühltem Tiegel aus Metall und heißem Glas bildet sich eine Kruste aus erstarrtem/kristallisiertem arteigenem Material aus. Diese hat die Funktion des Schutzes des metallischen Tiegels vor korrosivem Glasangriff, des Schutzes des Glases vor dem Eintrag von Verunreinigungen aus dem Metall, bildet einen Auslaufschutz und bewirkt eine Verminderung der Wärmeverluste aus dem Glas an das Kühlmedium.
Diese Funktionen werden von dem genannten Schmelzverfahren erfüllt. Es lassen sich ferner Glasprodukte mit guter Qualität herstellen. Allerdings weist das Schmelzverfahren noch die nachfolgend dargestellten Nachteile auf.
Durch die hohen Betriebsspannungen von mehreren 1000 V kommt es insbesondere in staubiger Umgebung immer wieder zu Überschlägen, meist zwischen Spule und Tiegel. Dies kann zu lang andauernden Betriebsunterbrechungen und damit zu hohen Produktionskosten führen.
Die hohen Spannungen stellen eine potentielle Gefahrenquelle für die die Anlage bedienende Personen dar.
Der Bau des Tiegels ist bedingt durch die komplexe Ausführung zeitaufwendig und kostenintensiv.
Es sind zwei Kühlkreisläufe, nämlich jeweils für Spule und Tiegel, erforderlich. Dies verursacht zusätzliche Kosten.
Es kommt zur Erzeugung von Blindleistungen von 10 bis 20% der Gesamtleistung, insbesondere durch Spannungsabfall am Tiegel.
Für das teilkontinuierliche Schmelzen von keramischen Materialien sind in der Literatur Anlagen bekannt, die mit einem Induktortiegel arbeiten, z. B. DE 41 06 537 A1 , DE 41 06 536 A1 , DE 41 06 535 A1 . Diese betreffen Verfahren zum teilkontinuierlichen Schmelzen keramischer Materialien durch induktive Beheizungen in Hochfrequenz- und Mittelfrequenz-Induktionsschmelzöfen, deren Schmelzspule einen Sinterkrustentiegel (Skulltiegel) umhüllt und eine Auslaufvorrichtung enthält. Die Anlage wird in den Schriften beispielhaft zum Schmelzen von Zirkonsand verwendet. Die Schmelztemperaturen liegen bei ca. 2700°C.
Des Weiteren wird beschrieben, monoklines Zirkonoxid mit einem SiO₂-Gehalt von 1% zu verwenden. Das geschmolzene Material wird beim Abstich in ein gekühltes Rinnensystem überführt, das wiederum zum Abschrecken des Schmelzgutes eingesetzt wird.
Die in vorstehend angegebenen Schriften beschriebenen Schmelzvorrichtungen können jedoch zum Herstellen von Glas oder Glaskeramiken nicht verwendet werden, da beide Substanzklassen dazu neigen, nur relativ dünne Sinterkrusten auszubilden. Daher wird die sich ausbildende Sinterkruste oder auch sogenannte Skullschicht das Schmelzvolumen nur in sehr geringem Umfang von der wassergekühlten Spule isolieren. Es kann zu Überschlägen zwischen Spule und Glasvolumen kommen. Des weiteren besteht der Nachteil, daß die dünne Skullschicht dazu führt, daß eine große Menge an Energie aus dem Schmelzvolumen an das Kühlwasser abgegeben wird. Außerdem ändert sich die Viskosität der Glasschmelzen stetig im Gegensatz zu der von keramischen Materialien, die am Schmelzpunkt einen Sprung im Viskositätsverlauf aufweisen. Dies führt oft dazu, daß die Kruste nicht starr ist, sondern weich und deformierbar bleibt. Teilweise bildet sich ein Gemisch von kristallisierten und glasigen Bereichen. Diese Kruste bei Gläsern ist daher mechanisch oft nicht allzu sehr belastbar.
Bei kleinen Gefäßen, bei welchen der schmelzflüssige Inhalt einen geringen hydrostatischen Druck ausübt, mag dies ausreichend sein. Bei großen Schmelzanlagen mit hohem hydrostatischen Druck kann es dagegen zum Durchbruch mit nachfolgendem Auslaufen des Schmelzgutes kommen.
Außerdem wird in der Spule, die als Induktor fungiert, und in dem metallischen Boden Energie absorbiert, die dem Schmelzprozess nicht mehr zur Verfügung steht. Um ein Aufheizen mit dem Induktortiegel überhaupt zu ermöglichen, muss ein möglichst effizienter Energieeintrag gewährleistet sein. Es müssen Verluste in metallischen Materialien, die zur Schmelzanlage gehören, möglichst minimiert werden. Gegen die Verwendung von Keramiken in der Schmelzanlage spricht allerdings die hohe Korrosivität gegenüber keramischen Materialien, die viele Glas- oder Glaskeramikschmelzen aufweisen. Verwendet man Keramiken als feuerfeste Bauteile für die Schmelzanlage, hat man daher keinen ausreichenden Auslaufschutz. Außerdem entstehen durch die Auflösungsprodukte der keramischen Umhüllungen Schlieren, Blasen, Farbstörungen und andere Fehler im Glas, welche die Qualität des Produktes erheblich beeinträchtigen können.
Mit dem diskontinuierlichen Schmelzen von insbesondere von Glasschmelzen in einem Induktortiegel beschäftigt sich die Dissertation ”Prozessorientierte Analyse der induktiven Skull-Melting-technologie bei Verwendung eines Transistorumrichters” von Torge Behrens. Die hier beschriebenen Tiegel weisen allerdings den Nachteil auf, dass ihre Standzeiten vergleichsweise kurz sind.
Im Falle des kontinuierlichen Schmelzens von insbesondere Glasschmelzen wird dem Tiegel stetig Schmelze zugeführt. Dies kann entweder auf dem Wege geschehen, dass bereits geschmolzenes Material, das eine niedrigere Temperatur aufweist, als die bereits im Tiegel befindliche Schmelze über einen Zufluss dem Tiegel zugeführt wird, oder dass das zu schmelzende Material zerkleinert, in noch nicht geschmolzenem Zustand portionsweise in die Schmelze gegeben wird.
Hierbei tritt das Problem auf, dass gerade zugegebenes Material sich umgehend zum Abfluss bewegt und den Tiegel wieder verlässt ohne die gewünschte Temperatur erreicht zu haben.
Hierzu ist es bekannt zwischen Zufluss und Abfluss eine Barriere oder Brücke anzuordnen, wodurch der Abfluss vom Zufluss mit dem sich daran anschließenden Einschmelzbereich abgeschirmt wird. Die bekannten Brücken in Hochfrequenzschmelzanlagen bestehen aus wassergekühlten Metallrohren. Als metallische Materialien für derartige Brücken werden beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Iridium, ggfs. mit einer Teflonbeschichtung verwendet. Mittels einer derartigen Barriere wird verhindert, dass unaufgeschmolzenes Gemenge direkt vom Einschmelzbereich zum Abfluss gelangt und im weiteren Prozessverlauf zu Glasfehlern führt. Aufgrund der Verwendung einer Barriere entsteht gleichzeitig ein ”Beruhigungsbereich” zwischen Barriere und Abfluss. In diesem Beruhigungsbereich finden auf mikroskopischer Ebene Auflösungsreaktionen sowie eine Grob- oder Vorläuterung statt.
Die Verwendung einer Barriere aus Metall ist aber mit verschiedenen Nachteilen verbunden. Da die Brücke aus Metall besteht, absorbiert sie einen Teil des Hochfrequenzfeldes. Da hierdurch die elektrische Energie in Wärme umgewandelt und über das Kühlwasser abgeführt wird, wird der Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung gemindert.
Ferner verursacht das Metall der Brücke eine Verdrängung des Hochfrequenzfeldes, so dass eine Aufheizung des Schmelzgutes zum überwiegenden Teil nur noch im Bereich zwischen Zufluss und Barriere stattfindet. Im Bereich zwischen Barriere und Abfluss wird nur noch ein kleiner Teil der Energie abgegeben. Hierdurch wird das Nutzvolumen des Skulltiegels verringert. Auch können im Bereich zwischen Barriere und Abfluss stattfindende Schmelz- und Läuterreaktionen nicht optimal mit Energie versorgt werden.
Da die Brücke aus Metall besteht, können zwischen Skull und Barriere Überschläge auftreten, welche die Betriebsabläufe stören und zu Totzeiten der Anlage führen, was wiederum mit Kosten verbunden ist.
Eine Brücke aus Metall kann lediglich eine geschlitzte Form aufweisen, da eine Ausführung als massive Platte das von außen angelegte Hochfrequenzfeld vollständig absorbieren würde. Aufgrund dieser notwendigerweise geschlitzten Ausführungsform können kleine Gemengeeinheiten doch in den Bereich zwischen Barriere und Abfluss gelangen, was die weiteren Prozessabläufe erschwert und Glasfehler verursachen kann. Auch kann die Notwendigkeit auftreten, die Temperatur der Läuterkammer zu erhöhen.
Sofern das Brückenmaterial vergleichsweise weich ist, kann in Form von Scherben zugegebenes Material mit scharfen Kanten die Barriere mechanisch beschädigen. Dies verursacht eine Verringerung der Lebensdauer der Vorrichtung und eine Verunreinigung der Glasschmelze.
Ist die Barriere nur teilweise in die Schmelze eingetaucht, so befindet sich ein Teil der Barriere in der Gasphase oberhalb der Schmelze. Sofern die Brücke mit Teflon beschichtet ist, so kann beim Schmelzen von Glas, das F, P₂O₅ oder SO₃ enthält, zusammen mit Wasser aus dem Brenner oder der Umgebung über die Gasphase ein saurer Angriff auf das Brückenmaterial stattfinden, da im Bereich oberhalb der Schmelze keine schützende Skullschicht vorliegt.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Produkten aus einer Schmelze zur Verfügung zu stellen, wobei das kontinuierlich zugegebene Material den Tiegel nicht vorzeitig verlassen kann, wobei mit der Erfindung gleichzeitig die für den Fall der Verwendung einer metallischen Brücke vorstehend diskutierten Nachteile, wie mangelnde Überschlagsfestigkeit und hohe Energieverluste vermieden und die positiven Effekte wie hohe Reinheit des Produktes beibehalten werden sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Produkten aus einer Schmelze weist folgende Verfahrensschritte auf:
Zuführen der Schmelzrohstoffe oder einer Vorschmelze über einen Zufluss ineinen Induktortiegel,
Erhitzen der Schmelze auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Induktortiegel mittels eines hochfrequenten Wechselfeldes,
kontinuierliches Abführen der auf die vorbestimmte Temperatur erhitzten Schmelze über einen Abfluss,
wobei die Wandung des Induktortiegels einen elektrisch leitfähigen Induktor und einen Boden umfasst oder bildet,
wobei die Wandung und der Boden gekühlt werden,
wobei die Wandung des Induktortiegels gleichzeitig die Spule zur Applikation des Hochfrequenzfeldes umfasst und
wobei zwischen Zufluss und Abfluss eine Barriere aus elektrisch nicht leitfähigem, jedoch wärmeleitfähigem Material angeordnet ist und wobei die Barriere eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/m·K aufweist und die elektrische Leitfähigkeit des Barrierematerials kleiner als 10^–3 S/m bei 20°C ist und wobei die Barriere eine nitridhaltige Keramik umfasst.
Die Barriere ist so angeordnet, dass sie in die Schmelze eintaucht und damit verhindert, dass eingelegtes, auf der Schmelze aufschwimmendes und noch nicht aufgeschmolzenes Schmelzgut oder Gemenge direkt zum Abfluss gelangt.
Das Kühlen der Wandung und des Bodens erfolgt dabei insbesondere derart, dass sich eine Skullschicht ausbildet.
Das Erhitzen der Schmelze erfolgt vorzugsweise mittels elektromagnetischer Felder im Frequenzbereich von 70 kHz bis 2 MHz. Es hat sich dabei überraschend gezeigt, daß für Gläser auch ein Betrieb mit Frequenzen unter 100 kHz, sogar unter 90 kHz ermmöglicht wird. Dies ist unter anderem hinsichtlich der verringerten elektromagnetischen Abstrahlung der Anlage von Vorteil.
Eine Brücke gemäß der Erfindung ist in Verbindung mit einem Induktortiegel von besonderem Vorteil, weil Überschläge zwischen Brücke und der stromführenden Wandung vermieden werden.
Der Induktor, beziehungsweise die Tiegelwandung kann dabei insbesondere einwindig ausgestaltet sein. Dies reduziert die Gefahr von Überschlägen deutlich, da hier nur im Bereich des Induktorspalts höhere Potentialdifferenzen auftreten. Zudem sinkt gegenüber mehrwindigen Tiegeln die Betriebsspannung, was die Arbeitssicherheit erhöht.
Besonders vorzugsweise wird das Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Glasprodukten aus einer Glasschmelze als Einschmelzaggregat eingesetzt. Auch für die kontinuierliche Herstellung und/oder das kontinuierliche Läutern von Gläsern für Glaskeramiken haben sich die Vorrichtung und das Verfahren als geeignet erwiesen. Unter einer Glaskeramik wird dabei im Sinne der Erfindung insbesondere ein Material mit Kristalliten und einer Restglasphase verstanden, wobei die Restglasphase einen Anteil von zumindest 0,01, vorzugsweise 0,1 Volumenprozent umfasst.
Eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramikprodukten aus einer Glasschmelze weist wenigstens folgende Merkmale auf:
Mittel zum Zuführen der Schmelzrohstoffe oder zum Zuführen einer Vorschmelze,
einen Induktortiegel zum Erhitzen der Schmelze auf eine vorbestimmte Temperatur,
wobei die Wandung des Induktortiegels einen elektrisch leitfähigen Induktor umfaßt,
Mittel zum Kühlen der Wandung und des Bodens
Mittel zum kontinuierlichen Abführen der auf die vorbestimmte Temperatur erhitzten Schmelze mit einem Abfluss,
wobei zwischen den Mitteln zum Zuführen der Schmelzrohstoffe oder einer Vorschmelze und den Mitteln zum kontinuierlichen Abführen der auf die vorbestimmte Temperatur erhitzten Schmelze eine Barriere aus elektrisch nicht leitfähigem, jedoch wärmeleitfähigem Material angeordnet ist und wobei die Barriere eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/m·K aufweist und die elektrische Leitfähigkeit des Barrierematerials bevorzugt kleiner als 10^–3 S/m bei 20°C ist und wobei die Barriere eine nitridhaltige Keramik umfasst.
Die Vorrichtung kann als Schmelz- und/oder Läuteraggregat ausgebildet sein.
Die zwischen Zufluss und Abfluss angeordnete Barriere ist entweder fest mit der Wandung des Tiegels verbunden oder wird von oben in den Tiegel bis in eine gewünschte Tiefe abgesenkt, so dass sie in die Schmelze hineinragt.
Als wärmeleitfähige Materialien für die Barriere oder Brücke zwischen Zufluss und Abfluss werden im Sinne der Erfindung allgemein solche Materialien angesehen, die eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/m·K aufweisen.
Die Wärmeleitfähigkeit des Barrierematerials ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise größer als 85 W/m·K, insbesondere größer als 150 W/m·K.
Die elektrische Leitfähigkeit des Barrierematerials ist bevorzugt kleiner als 10^–3 S/m, besonders bevorzugt kleiner als 10^–8 S/m, bei 20°C.
Als geeignetes Barrierematerial haben sich vorteilhaft aluminiumnitridhaltige Werkstoffe, vorzugsweise Keramiken, insbesondere auch Keramiken aus Aluminiumnitrid erwiesen.
Weitere geeignete Stoffe sind unter anderem Titannitrid, Bornitrid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid. Titannitrid weist zwar eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, ist aber in reiner Form metallisch. Um eine zu hohe Stromleitung zu vermeiden, kann dieses Material beispielsweise in Mischung, oder als Mischverbindung mit einem anderen Material verwendet werden. Allgemein können für das Barriereelement die vorgenannten Materialien miteinander oder mit weiteren Materialien in Mischung oder Mischverbindung vorliegen. Auch ist daran gedacht, diese Materialien als Beschichtungen einer Barriere einzusetzen.
Besonders günstig hinsichtlich hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger elektrischer Wärmeleitfähigkeit ist Aluminiumnitrid, welches als Isolatormaterial eine außerordentlich hohe Wärmeleitfähigkeit mit hoher Temperaturbeständigkeit und hoher elektrischer Isolationsfähigkeit aufweist. Dieses Material kann aber gegebenenfalls mit anderen Materialien kombiniert werden, um die Eigenschaften weiter zu verbessern. Möglich ist beispielsweise eine Beschichtung oder Beimengung anderer Materialien, um etwa die chemische Resistenz zu verbessern.
Ein mögliche Beimischung ist Bornitrid. Bornitrid-haltige Aluminiumnitridkeramik weist zwar gegenüber einer reinen Aluminiumnitrid-Keramik eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit auf, allerdings ergeben sich erhebliche Vorzüge. Im Allgemeinen können diese Vorzüge erreicht werden, wenn die Wärmeleitfähigkeit immerhin noch mindestens 85 W/m·K beträgt. So erweist sich diese Mischkeramik als wesentlich leichter bearbeitbar. Noch ein Vorzug ist die niedrigere Dielektrizitätskonstante. Für reines Aluminiumnitrid wird im Allgemeinen ein Wert der Dielektrizitätskonstante bei 1 Mhz von etwa 9 angegeben.
Bei einer bornitrid-haltigen Aluminiumnitridkeramik mit der oben angegebenen Mindest-Wärmeleitfähigkeit kann dieser Wert auf kleiner als 8,0 abgesenkt werden. Allgemein erweisen sich Materialien mit solchen Dielektrizitätskonstanten als günstig, um dielektrische Verluste im Barriereteil zu minimieren.
Aluminiumnitrid als Werkstoff für die Barriere, vorzugsweise auch für den Boden weist zwar eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf, ist allerdings oxidationsempfindlich bei hohen Temperaturen. Sauerstoff in der Keramik verringert andererseits die Wärmeleitfähigkeit. Hier kann es bei der Verwendung von Aluminiumnitrid oder aluminiumnitridhaltigen Werkstoffen als gekühltes Element eines Skulltiegels zu einem selbstverstärkenden Prozeß kommen. Die oberste, an das Glas angrenzende Schicht weist naturgemäß eine höhere Temperatur auf als das Material im Inneren. Der Gradient wird um so größer, je niedriger die Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Oberfläche ist. Kommt es dadurch zu einer teilweisen Oxidation, sinkt die Wärmeleitfähigkeit und die Oberflächentemperatur steigt infolgedessen. Dies wiederum begünstigt eine weitere Oxidation. Um diesen die Standzeit beeinträchtigenden Effekt zu vermeiden, hat es sich als günstig erwiesen, eine Aluminiumnitrid-keramik für die Brücke und gegebenenfalls weitere Teile des Tiegels, wie etwa den Boden zu verwenden, die von vorneherein einen niedrigen Sauerstoffgehalt von weniger als 2 Mol% aufweist. In besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird zur Vermeidung des oben beschriebenen Effekts die Aluminimnitrid-Keramik weiterhin so gekühlt, dass dessen Oberflächentemperatur an der zur Schmelze gewandten Seite geringer als 750°C, vorzugsweise geringer als 500°C ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt. Unter einem kontinuierlichen Betrieb wird eine Betriebsweise verstanden, bei welcher kontinuierlich erschmolzenes Material abgeführt wird. Die Zuführung des Einschmelzguts kann ebenfalls kontinuierlich oder portionsweise erfolgen.
Die Schmelze kann kontinuierlich durch die elektrisch leitende Wandung des Induktortiegels hindurch abgeführt werden. Ebenso bietet sich auch eine Zuführung der Schmelze durch die elektrisch leitende Wandung des Induktortiegels hindurch an, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung als Aggregat zum kontinuierlichen Läutern von Gläsern und/oder Glaskeramiken eingesetzt wird. Bei einem Edelmetallrohr kann hier ein Isolationselement vorgesehen werden, welches die Induktorwand elektrisch von dem Rohr isoliert.
Die zwischen Zufluss und Abfluss angeordnete erfindungsgemäße Barriere absorbiert das angelegte Hochfrequenzfeld nicht, da sie aus Keramik besteht. Ferner wird das Hochfrequenzfeld auch nicht verdrängt, so dass es sichsowohl im Bereich zwischen Zufluss und Brücke als auch im Bereich zwischen Brücke und Abfluss gleichmäßig ausbreiten kann. Hierdurch wird das zur Verfügung stehende Nutzvolumen vergrößert, und Schmelz- und Läuterreaktionen im Bereich zwischen Barriere und Abfluss können besser durchgeführt werden.
Da, wie bereits eingangs erwähnt, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit ausführbare Verfahren, insbesondere in dem Falle, dass auch der Boden des Tiegels aus einer geeigneten Keramik besteht, auch für solche Materialien geeignet sind, die nur eine dünne Skull-Schicht ausbilden, ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anwendung auch für sogenannte kurze Gläser. Kurze Gläser sind solche Gläser, die einen steilen Viskositätsverlauf aufweisen. Insbesondere ist dabei das Verfahren zum Schmelzen und/oder Läutern von solchen ”kurzen” Gläsern geeignet, bei denen zwischen den Viskositätswerten 10^7,6 dPa·s und 10³ dPa·s ein Temperaturintervall von höchstens 500°C liegt. Ein steiler Viskositätsverlauf wird oft bei Boratgläsern mit hohem Boratgehalt beobachtet. Hier wird ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Schmelz- und/oder Läuterverfahrens erzielt. Zunächst einmal sind die Glaser chemisch sehr aggressiv. Aufgrund des nichtleitenden Bodens in Verbindung mit dem Prinzip des Induktortiegels wird eine sehr homogene Feldverteilung erreicht. Gerade bei kurzen Gläsern, wie auch bei nichtglasigen, bei definierter Temperatur schmelzenden Werkstoffen führt die Homogenität des Feldes zu einer entsprechend homogeneren Temperaturverteilung und damit zu einer Ausbildung einer gleichmäßigeren Skull-Schicht. Damit wird ein Kontakt der Schmelze mit dem Boden und/oder der Wandung trotz einer nur dünnen Skullschicht wirksam vermieden. Inhomogenitäten der Skullschicht-Dicke können ansonsten zu schneller Korrosion oder sogar zu einem Durchbrechen der Schmelze führen. Dies gilt um so mehr bei hoch-borsäurehaltigen Werkstoffen, die eine hohe chemische Aggressivität aufweisen.
Bei hoch borsäurehaltigen Gläsern kommt hinzu, daß diese oft hohe Abbé-Zahlen aufweisen und daher gute optische Gläser ergeben. Gerade bei solchen Gläsern ist aber eine hohe Reinheit wünschenswert. Auch diese wird durch die besonders gleichmäßige Skull-Schicht in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet.
Nicht alle borathaltigen Glaser sind jedoch für direkte induktive Beheizung geeignet, da einige Gläser nicht hinreichend an das Feld ankoppeln. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Gläser nur einen geringen Alkali-Gehalt aufweisen. Letzterer ist wünschenswert, da Alkalioxide die ohnehin tendenziell schlechtere chemische Beständigkeit hoch borsäurehaltiger Gläser weiter herabsetzen. Auf der anderen Seite erhöhen Alkalioxide die Leitfähigkeit der Schmelze erheblich, was die Ankopplung an das elektromagnetische Feld bei induktiver Beheizung verbessert.
Als geeignet erweisen sich aber borathaltige Gläser, welche als Bestandteil zumindest ein Metalloxid, dessen Metallionen zwei- oder höherwertig sind, mit einem Stoffmengenanteil von zumindest 25 mol% aufweisen, und wobei das Verhältnis der molaren Stoffmengen von Siliziumdioxid zu Borat im Schmelzgut kleiner oder gleich 0,5 ist. Dabei kann der Stoffmengenanteil alkalihaltiger Verbindungen im Schmelzgut kleiner als 2%, bevorzugt kleiner als 0,5% sein. Diese Gläser koppeln also unabhängig vom Alkaligehalt an das Wechselfeld an.

Geeignet sind hierbei besonders borathaltige, alkaliarme Werkstoffe, wie insbesondere hochborsäurehaltige Borosilicatgläser oder Boratgläser, welche folgende Zusammensetzung aufweisen:

B₂O₃	zu 15 bis 75 mol%,
SiO₂	zu 0 bis 40 mol%,
Al₂O₃, Ga₂O₃, In₂O₃	zu 0 bis 25 mol%,
ΣM(II)O, M₂(III)O₃	zu 15 bis 85 mol%,
ΣM(IV)O₂, M₂(V)O₅, M(VI)O₃	0 zu 20 mol%, und
ΣM(I)₂O	zu weniger als 0,50 mol%
vorhanden sind, und wobei
X(B₂O₃)	> 0,50 ist,

mit
X(B₂O₃) = B₂O₃/(B₂O₃ + SiO₂),
M(I) = Li, Na, K, Rb, Cs,
M(II) = Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Pb, Cu,
M(III) = Sc, Y, ⁵⁷La-⁷¹Lu, Bi,
M(IV) = Ti, Zr, Hf,
M(V) = Nb, Ta,
M(VI) = Mo, W.

Mit dem Summenzeichen ”Σ” wird dabei die Summe aller nach dem Summenzeichen aufgelisteten Stoffmengenanteile bezeichnet. Die Prozentangaben sind Stoffmengenanteile in mol%. X(B₂O₃) = B₂O₃/(B₂O₃ + SiO₂) bezeichnet weiterhin den Molenbruch der Stoffmengenanteile der Netzwerkbildner B₂O₃ zu SiO₂.
Innerhalb dieses Zusammensetzungsbereiches wird insbesondere zur Herstellung glasartiger Werkstoffe, wie hoch borsäurehaltige Borosilikatgläser oder Boratgläser dabei die Zusammensetzung der Schmelze vorteilhaft so gewählt, daß der Stoffmengenanteil von B₂O₃ 15 bis 75 mol% beträgt und der Molenbruch X(B₂O₃) > 0,52 ist. Besonders bevorzugt wird für die Zusammensetzung des Schmelzguts der Anteil von B₂O₃ im Bereich zwischen 20 bis 70 mol%, der Anteil von ΣM(II)O, M₂(III)O₃, also der Summe der Stoffmengenanteile von Oxiden mit zwei- und dreiwertigen Metallionen im Bereich zwischen 15 bis 80 mol%, und X(B₂O₃) > 0,55 gewählt.

Innerhalb der oben angegebenen Bereiche von Zusammensetzungen des borhaltigen Schmelzguts ist weiterhin ein Zusammensetzungsbereich für die optischen Eigenschaften der Glaser besonders vorteilhaft, bei welchem im Schmelzgut der Anteil von

B₂O₃	28 bis 70 mol%, der Anteil von
B₂O₃ + SiO₂	50 bis 73 mol%, der Anteil von
Al₂O₃, Ga₂O₃, In₂O₃	0 bis 10 mol% und der Anteil von
ΣM(II)O, M₂(III)O₃	27 bis 50 mol% beträgt, und
X(B₂O₃)	> 0,55 ist.

Besonders bevorzugt wird dabei zur Herstellung von hochborsäurehaltigen Borosilicatgläsern und Boratgläsern eine Zusammensetzung des Schmelzguts gewählt, bei welcher:

B₂O₃	zu 36 bis 66 mol%,
SiO₂	zu 0–40 mol%,
B₂O₃ + SiO₂	zu 55–68 mol%,
Al₂O₃, Ga₂O₃, In₂O₃	zu 0–2 mol%,
ΣM(II)O, M₂(III)O₃	zu 27 bis 40 mol%, und
ΣM(IV)O₂, M₂(V)O₅, M(VI)O₃	zu 0 bis 15 mol% vorhanden ist
und
X(B₂O₃)	> 0,65 beträgt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die besonders zur Herstellung von hochborsäurehaltigen Borosilicatgläsern und Boratgläsern für optische Anwendungen geeignet ist, wird die Zusammensetzung des Schmelzguts so gewählt, daß der Stoffmengenanteil von:

B₂O₃	45 bis 66 mol%, von
SiO₂	0 bis 12 mol%, von
B₂O₃ + SiO₂	55 bis 68 mol%, von
Al₂O₃, Ga₂O₃, In₂O₃	0 bis 0,5 mol%, von
ΣM(II)O	0 bis 40 mol%, von
ΣM₂(III)O₃	0 bis 27 mol%, von
ΣM(II)O, M₂(III)O₃	27 bis 40 mol%, von
ΣM(IV)O₂, M₂(V)O₅, M(VI)O₃	0 bis 15 mol% beträgt.

Dabei werden die Stoffmengenanteile von B₂O₃ und SiO₂ außerdem so gewählt, daß X(B₂O₃) > 0,78 ist.
Bei dieser Variante des Verfahrens werden als zweiwertige Metallionen, M(II) insbesondere Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Pb zugesetzt. Die Transmission der damit erhaltenen optischen Gläser kann ferner dadurch verbessert werden, indem das Schmelzgut kein stark färbendes CuO aufweist. Die Netzwerkwandler PbO und CdO sind hinsichtlich ihrer toxischen Wirkung bekannt. Es ist daher vorteilhaft und teilweise sogar vom Gesetzgeber verlangt auf diese Komponenten beim Zusammensetzen der Schmelze zu verzichten und PbO- und CdO-freie Zusammensetzungen zu wählen.

Wird eine Zusammensetzung des Schmelzguts gewählt, bei welchem:

B₂O₃	zu 30 bis 75 mol%,
SiO₂	zu < 1 mol%,
Al₂O₃, Ga₂O₃, In₂O₃	zu 0 bis 25 mol%,
ΣM(II)O, M₂(III)O₃	zu 20 bis 85 mol%, und
ΣM(IV)O₂, M₂(V)O₅, M(VI)O₃	zu 0 bis 20 mol%, vorhanden sind,

und wobei das Verhältnis der Stoffmengen von Borat und Siliziumoxid so gewählt wird, daß X(B₂O₃) > 0,90 ist, so lassen sich beispielsweise neben Boratgläsern auch kristallisierende borhaltige Werkstoffe, wie insbesondere Glaskeramiken mit dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, die besonders für die Herstellung kristallisierender borhaltiger Werkstoffe, wie etwa Glaskeramiken geeignet ist, wird eine Zusammensetzung des Schmelzguts gewählt, bei welcher die Stoffmengenanteile von

B₂O₃	20 bis 50 mol%, von
SiO₂	0 bis 40 mol%, von
Al₂O₃, Ga₂O₃, In₂O₃	0 bis 25 mol%, von
ΣM(II)O, M₂(III)O₃	15 bis 80 mol%, und von
ΣM(IV)O₂, M₂(V)O₅, M(VI)O₃	0 bis 20 mol%, betragen, und
wobei X(B₂O₃)	> 0,52 ist.

Vorteilhaft kann bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, um eine gute Ankopplung zu erreichen, die Zusammensetzung des Schmelzguts so gewählt werden, daß X(B₂O₃) > 0,55 ist.
Die Ankopplung einer derartigen Schmelze läßt sich dabei noch verbessern, wenn die Stoffmengenanteile von

ΣM(II)O 15 bis 80 mol% und

M₂(III)O₃ 0 bis 5 mol% im Schmelzgut betragen, und

X(B₂O₃) > 0,60 ist.
Gemäß noch einer vorteilhaften Variante dieses Verfahrens wird der Stoffmengenanteil von Substanzen aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Ga₂O₃ und In₂O₃ umfaßt, außerdem so gewählt, daß er 5 mol% nicht überschreitet.
Besonders bevorzugt wird eine Variante dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren, bei welchem der Stoffmengenanteil von Substanzen aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Ga₂O₃ und In₂O₃ umfaßt, 3 mol% nicht überschreitet und bei welchem der Stoffmengenanteil von ΣM(II)O in der Schmelze im Bereich von 15 bis 80 mol% liegt, wobei M(II) aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Zn, Pb und Cu umfaßt. Dabei wird die Zusammensetzung der Schmelze außerdem so gewählt, daß X(B₂O₃) > 0,65 ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird für das Schmelzgut eine Zusammensetzung gewählt, bei welcher die Stoffmengenanteile von:

B₂O₃	20 bis 50 mol%, von
SiO₂	0 bis 40 mol%, von
Al₂O₃	0 bis 3 mol%, von
ΣZnO, PbO, CuO	15 bis 80 mol%, von
Bi₂O₃	0 bis 1 mol%, und von
ΣM(IV)O₂, M₂(V)O₅, M(VI)O₃	0 bis 0,05 mol% betragen.

Bei dieser Ausführungsform wird die Zusammensetzung außerdem so gewählt, daß X(B₂O₃) > 0,65 ist.
Gemäß einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform des Verfahrens werden folgende Stoffmengenanteile gewählt:

B₂O₃ 20 bis 50 mol%,

SiO₂ 0 bis 40 mol%,

Al₂O₃ 0 bis 3 mol%,

ΣZnO, PbO, CuO 15 bis 80 mol%,

Bi₂O₃ 0 bis 1 mol%, und

ΣM(IV)O₂, M₂(V)O₅, M(VI)O₃ 0 bis 0,05 mol%.
Dabei werden die Stoffmengenanteile von Borat und Siliziumoxid vorteilhaft so gewählt, daß X(B₂O₃) > 0,65 ist.
Gerade für hohe Werte von X(B₂O₃), insbesondere bei X(B₂O₃) > 0,60 ergeben sich die Eigenschaften eines steilen Viskositätsverlaufs einerseits und einer hohen Abbézahl andererseits, so daß sich gerade für diese Werkstoffe besondere Vorteile hinsichtlich der Reinheit und Homogenität unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schmelztiegels mit einer erfindungsgemäßen Barriere in Draufsicht,
2 eine schematische Darstellung des Schmelztiegels in Querschnittansicht.
Vorrichtungen zur diskontinuierlichen Herstellung von Glasprodukten aus einer Glasschmelze, welche auch als Skulltiegel bezeichnet werden, sind beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 004 637 B4 mit dem Titel ”Induktiv beheizbarer Skulltiegel” zu entnehmen.
Vorrichtungen zur kontinuierlichen Herstellung von Glasprodukten aus einer Glasschmelze, welche auch als Skulltiegel bezeichnet werden, sind beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 10 2008 004 739 A1 mit dem Titel ”Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Schmelzen oder Läutern von Schmelzen” zu entnehmen.
Ferner zeigt die DE 100 41 757 C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze nach dem Skullprinzip. Zulauf und Ablauf sind im oberen Bereich des Tiegels angeordnet und liegen einander im wesentlichen diametral gegenüber.
Folglich soll, da dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt und auch um der Klarheit Willen, nachfolgend auf eine unnötige Beschreibung zusätzlicher Vorrichtungs- und Verfahrensanteile, welche bereits aus diesen Veröffentlichungen bekannt sind, verzichtet werden.
1 zeigt einen Induktortiegel 1 mit einem Zufluss 2, über den Schmelzrohstoffe oder eine Vorschmelze dem Tiegel 1 zugeführt werden. Alternativ können, wie auch in der Querschnittansicht der 2 dargestellt ist, die Schmelzrohstoffe über eine Einlegeöffnung 20 zugeführt und auf die Schmelze aufgelegt werden. Ferner weist der Tiegel 1 einen Abfluss 3 auf, über den eine auf die vorbestimmte Temperatur erhitzte Schmelze abgeführt wird.
Der Induktortiegel 1 ist üblicherweise aus Kupfer oder aus Aluminium gefertigt. Er kann jedoch auch aus anderen leitenden Materialien, z. B. einer Ni-Basislegierung bestehen und gegebenenfalls mit Teflon o. ä. beschichtet sein. Der Induktortiegel stellt allgemein einen Skulltiegel dar.
Am oberen Rand des Induktortiegels 1 ist ein Quarzalrand 10 mit Deckel 11 angebracht, um ein Luftvolumen über dem Glas sicherzustellen, das als Oberofen fungiert.
Um diesen Oberofen zu beheizen und dem Glas die zum Startprozess nötige Energie zuzuführen, ist die Apparatur des Weiteren mit einem Brenner 13 ausgestattet. Dieser Brenner 13 wird mittels eines fossilen Energieträgers beheizt und ermöglicht die Vorheizung des Glases bis zum schmelzflüssigen Zustand mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit, so dass die Hochfrequenzenergie eingekoppelt werden kann.
Der Brenner 13 wird oftmals mit einer Mischung aus Gas und Sauerstoff betrieben. Hierfür können verschiedene Gase oder auch Öl verwendet werden. Statt Sauerstoff kann auch Luft zum Einsatz kommen.
Der Induktortiegel 1 fungiert als einwindige Spule, in der durch Anlegen einer hochfrequenten Wechsselspannung ein Hochfrequenzfeld generiert wird. Bei ausreichender Leitfähigkeit des Schmelzgutes wird Energie in der Schmelze absorbiert.
Dies erfolgt durch das Induzieren eines Stroms im Schmelzgut, das durch die ohmschen Verluste aufgeheizt wird.
Insbesondere für kontinuierliche Schmelz- oder Läuterprozesse werden Tiegel bevorzugt, die ein Fassungsvermögen von mehr als 50 Litern aufweisen.
Abfluss 3 und Zufluss 2 für die Glasschmelze münden beide durch die elektrisch leitende Wandung des Induktortiegels in das Innere des Tiegels. Sowohl der Zufluss 2 als auch der Abfluss 3 sind als Rohre ausgebildet. Bei vollständiger Füllung der Rohre mit Schmelze kann ein Kontakt mit Luft verhindert werden. Alternativ sind auch Rinnen denkbar. Der Vorteil der Verwendung von Rinnen anstatt von Rohren liegt darin, dass eine sehr schnelle Abkühlung oder auch eine einfache Beheizung über Brenner oberhalb der Schmelze erfolgen kann. Für beide Rohre oder Rinnen kann Edelmetall als Material eingesetzt werden. In diesem Fall kann es günstig sein, die Rohre durch Isolationselemente von der Tiegelwandung zu isolieren, um eine Einkopplung des Hochfrequenzstromes in die Rohre zu vermeiden. Es bietet sich an, hierfür als Isolationselement eine elektrisch isolierende, aber wärmeleitfähige Keramik einzusetzen.
Im Falle eines kontinuierlichen Schmelz oder Läuterprozesses kann der Abfluss 3 als Auslauf ausgebildet sein, über welchen die erschmolzene und/oder geläuterte Schmelze abgeführt wird. Zu diesem Zweck kann der Abfluss 3 am oberen Rand des Gefässes des Induktortiegels 1 vorgesehen sein.
Sofern das Schmelzgut in nicht geschmolzenem Zustand portionsweise zugegeben wird, so erfolgt das Einlegen des Schmelzgutes auf die Schmelzbadoberfläche. In diesem Falle kann der Zufluss 2 entfallen.
Der Abfluss 3 kann auch als Konditionierstrecke ausgebildet sein.
Zwischen dem Zufluss 2 und dem Abfluss 3 ist eine Barriere 4 angeordnet. Diese Barriere 4 unterteilt den Innenraum des Tiegels 1 in einen Einschmelzbereich 5 und einen Beruhigungsbereich 6 und taucht in die Oberfläche 15 des geschmolzenen Glases ein. Die Barriere 4 verhindert damit, dass eingelegtes Schmelzgut bzw. eine über den Zufluss 2 zugeführte Vorschmelze direkt in den Abfluss 3 gelangt. Die Barriere taucht von oben in die Schmelze ein.
Sofern die Barriere 4 aus Metall besteht, so tritt eine Reihe von Nachteilen auf, die bereits oben diskutiert wurden.
Zur Vermeidung dieser Nachteile könnte die Barriere 4 aus den üblichen keramischen Feuerfestmaterialien bestehen. Dies hätte zur Folge, dass kein Verlust der Absorption der elektrischen Energie auftreten würde. Jedoch würden die teilweise recht aggressiven Schmelzen dazu führen, dass das Feuerfestmaterial nach und nach abgetragen würde. Die Auflösungsprodukte würden die Glasqualität verschlechtern.
Noch nachteiliger wäre jedoch, dass die Barriere immer dünner und irgendwann durchbrechen würde, was eine erhebliche Störung des Produktionsprozesses verursachen würde.
Eine solche Ausführung ist daher wenig praxistauglich.
Eine Luft- oder Wasserkühlung, wie sie bei Barrieren aus Metall üblich ist, ist bei den üblichen Feuerfestmaterialien nicht sinnvoll, da bei diesen die Wärmeleitfähigkeit zu niedrig ist.
Die sehr wünschenswerte Kombination aus sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit (Isolator) und guter thermischer Leitfähigkeit ist mit den üblichen metallischen oder feuerfesten Konstruktionswerkstoffen der Glasindustrie nicht erzielbar.
Jedoch haben die Erfinder erkannt, dass es überraschenderweise einige keramische Werkstoffe, meist auf nichtoxidischer Basis gibt, die diese ungewöhnliche Eigenschaftskombination in sich vereinen.
Ein besonders herausragender Vertreter dieser Stoffklasse ist das Aluminiumnitrid, AlN, jedoch ist die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht auf dieses Material beschränkt, sondern es existieren auch andere, wie beispielsweise Titannitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, sowie Si₃N₄ mit einer Wärmeleitfähigekeit von ca. 50 W/m·K. Diese Materialien weisen zwar eine vergleichsweise geringere Wärmeleitfähigkeit auf, allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit aller dieser Materialien immer noch höher als 20 W/m·K. Dies ist im allgemeinen ausreichend, um eine hinreichende Kühlung zur Ausbildung einer Skullschicht zu erzielen. Bei den nitridkeramischen Materialien, insbesondere bei dem besonders geeigneten Aluminiumnitrid wird ein niedriger Sauerstoffgehalt von weniger als 2 Mol% bevorzugt, um zu vermeiden, daß ein Kreislauf aus Oxidation und damit verbundener Absenkung der Wärmeleitfähigkeit in Gang gesetzt wird, welcher langfristig die Keramik zerstört. Gleichfalls wird dazu die Keramik so gekühlt, dass deren Oberflächentemperatur geringer als 750°C, vorzugsweise geringer als 500°C ist.
Der Einsatz einer solchen Nitridkeramik in Verbindung mit einer geeigneten Kühlung erlaubt einen sehr wirtschaftlichen Dauerbetrieb, da die Standzeit des Tiegels, beziehungsweise speziell der Barriere erheblich erhöht wird. Es kann ein durchgehender Dauerbetrieb von mindestens 2 Monaten gewährleistet werden. Vorzugsweise beträgt die Betriebsdauer sogar zumindest ein halbes Jahr. Auch ein kurzzeitig unterbrochener Betrieb wird dabei noch als Dauerbetrieb erachtet, solange der Tiegel mindestens 85% der Zeit innerhalb der Betriebsdauer im Schmelzbetrieb betrieben wird. Unterbrechungen können beispielsweise auftreten, wenn die Schmelzenzusammensetzung geändert werden soll.
Wichtig ist, dass möglichst wenig Energie in der Barriere absorbiert wird. Deswegen wird ein Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet.
Ebenso wie der Induktortiegel wird die Barriere mit Wasser gekühlt, um zu vermeiden, dass die Keramik durch das Schmelzgut zu stark aufgeheizt wird und dadurch wiederum korrodieren kann. Deswegen muss ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet werden. Dies verhindert auf sichere Weise das Durchbrechen des flüssigen Glases.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform umfasst eine Aluminiumnitrid-Keramik, nachfolgend vereinfacht auch als AlN-Keramik bezeichnet.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Barriere 4 geschlitzt, d. h. sie besteht aus mehreren Stäben, zwischen denen sich Schlitze befinden. Jeder der Stäbe wird gekühlt. Diese Kühlung erfolgt mittels Kühlwasser, das durch im Inneren der Stäbe befindliche Kühlrohre strömt und so die Wärme ableitet.
Durch die Schlitze können kleinere noch nicht vollständig geschmolzene Bestandteile der Schmelze ”vorzeitig” zum Abfluss gelangen. Dies könnte Störungen des weiteren Produktionsprozesses und Glasfehler verursachen. Bildet sich aufgrund der Kühlung der Barriere hingegen eine geschlossene Skullschicht, oder wird zumindest das Glas im Bereich der Schlitze hinreichend hoch viskos, kann dieser Nachteil vermieden werden.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Barriere 4 als massive Platte ausgebildet. Die Kühlung dieser plattenförmigen Barriere 4 erfolgt mittels Kühlwasser, das durch im Inneren der Platte liegende gefräste Kühlkanäle strömt.
Die Barriere 4 wird von oben in den Induktortiegel 1 bis zu einer gewünschten Tiefe eingeführt. Vorstellbar ist auch, die Barriere 4 als festen Teil zu Tiegels 1 auszuführen, d. h. die Barriere fest mit der Wandung des Tiegels 1 zu verbinden.
Der Tiegel ist nach unten hin durch einen Boden in Form einer Platte 16 aus elektrisch isolierendem Feuerfestmaterial abgeschlossen. Dies erlaubt einen Durchtritt des elektromagnetischen Feldes durch die Platte 16. Insbesondere kann auch für diese Platte 16 ein Material entsprechend der Barriere 4 verwendet werden. Insbesondere kann auch die Platte, beispielsweise aus Aluminiumnitrid oder einer aluminiumnitridhaltigen Keramik, besonders bevorzugt einer bornitrid-haltigen Aluminiumnitridkeramik gekühlt werden.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Produkten aus einer Schmelze, wobei das Verfahren wenigstens folgende Verfahrensschritte aufweist: Zuführen der Schmelzrohstoffe oder einer Vorschmelze über einen Zufluss in einen Induktortiegel, Erhitzen der Schmelze auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Induktortiegel mittels eines hochfrequenten Wechselfeldes, kontinuierliches Abführen der auf die vorbestimmte Temperatur erhitzten Schmelze über einen Abfluss, wobei die Wandung des Induktortiegels einen elektrisch leitfähigen Induktor und einen Boden umfaßt oder bildet, wobei die Wandung und der Boden gekühlt werden, wobei die Wandung des Induktortiegels gleichzeitig die Spule zur Applikation des Hochfrequenzfeldes umfaßt und wobei zwischen Zufluss und Abfluss eine Barriere aus elektrisch nicht leitfähigem, jedoch wärmeleitfähigem Material angeordnet ist und wobei die Barriere eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/m·K aufweist und die elektrische Leitfähigkeit des Barrierematerials kleiner als 10^–3 S/m bei 20°C ist und wobei die Barriere eine nitridhaltige Keramik umfasst.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasschmelze erzeugt wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung einen einwindigen Induktor bildet, mit welchem das hochfrequente Wechselfeld erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von 70 kHz bis 2 MHz, vorzugsweise bis 300 kHz betrieben wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor mit einer Frequenz von höchstens 90 kHz betrieben wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Glasschmelze in einem Induktortiegel erfolgt, dessen Barriere zumindest eines der folgenden Materialien enthält: – Aluminumnitrid, – eine aluminiumnitridhaltige Keramik, – Titannitrid, – Bornitrid, – Aluminiumoxid.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere des Induktortiegels aus einer Aluminiumnitridkeramik besteht oder ein Aluminiumnitridkeramik-Element enthält, wobei der Sauerstoffgehalt der Aluminiumnitridkeramik kleiner als 2 Mol% beträgt.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere des Induktortiegels aus einer Aluminiumnitridkeramik besteht oder ein Aluminiumnitridkeramik-Element enthält und die Aluminiumnitrid-Keramik so gekühlt wird, dass deren Oberflächentemperatur an der zur Schmelze gewandten Seite geringer als 750°C, vorzugsweise geringer als 500°C ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit der Barriere bei einer Temperatur von 20°C größer als 85 W/m·K, vorzugsweise größer als 150 W/m·K ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glas geschmolzen oder geläutert wird, bei welchem zwischen den Viskositätswerten 10^7,6 dPa·s und 10³ dPa·s ein Temperaturintervall von höchstens 500°C liegt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein borathaltiges Glas geschmolzen und/oder geläutert wird, welches als Bestandteil zumindest ein Metalloxid, dessen Metallionen zwei- oder höherwertig sind, mit einem Stoffmengenanteil von zumindest 25 mol% aufweist, und wobei das Verhältnis der molaren Stoffmengen von Siliziumdioxid zu Borat im Schmelzgut kleiner oder gleich 0,5 ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze kontinuierlich durch ein Keramik- oder Edelmetallrohr abgeführt wird, welches am Boden des Tiegels angeschlossen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze kontinuierlich durch die elektrisch leitende Wandung des Induktortiegels hindurch abgeführt wird.
Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Produkten aus einer Schmelze, wobei die Vorrichtung umfaßt: Mittel zum Zuführen der Schmelzrohstoffe oder zum Zuführen einer Vorschmelze, einen Induktortiegel zum Erhitzen der Schmelze auf eine vorbestimmte Temperatur, wobei die Wandung des Induktortiegels einen elektrisch leitfähigen Induktor umfaßt, Mittel zum Kühlen der Wandung und des Bodens, Mittel zum kontinuierlichen Abführen der auf die vorbestimmte Temperatur erhitzten Schmelze mit einem Abfluss, wobei zwischen den Mitteln zum Zuführen der Schmelzrohstoffe oder einer Vorschmelze und den Mitteln zum kontinuierlichen Abführen der auf die vorbestimmte Temperatur erhitzten Schmelze eine Barriere aus elektrisch nicht leitfähigem, jedoch wärmeleitfähigem Material angeordnet ist und wobei die Barriere eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/m·K aufweist und die elektrische Leitfähigkeit des Barrierematerials bevorzugt kleiner als 10^–3 S/m bei 20°C ist und wobei die Barriere eine nitridhaltige Keramik umfasst.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einen einwindigen Induktortiegel.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 14 oder 15, ausgebildet als Schmelz- und/oder Läuteraggregat.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, ausgebildet zum Betrieb des Induktors mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von 70 kHz bis 1400 kHz, vorzugsweise bis 300 kHz.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der Barriere bei einer Temperatur von 20°C kleiner als 10^–3 S/m ist.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der Barriere des Induktortiegels bei einer Temperatur von 20°C kleiner als 10^–8 S/m ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere des Induktortiegels Nitridkeramik, insbesondere Aluminumnitrid oder eine aluminiumnitridhaltige Keramik enthält.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 20, gekennzeichnet durch eine Barriere mit einer bornitridhaltigen Aluminiumnitrid-Keramik.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Barriere eine Dielektrizitätskonstante kleiner als 8 bei einer Frequenz von 1 MHz aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit der Barriere bei einer Temperatur von 20°C größer als 85 W/m·K, vorzugsweise größer als 150 W/m·K ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Barriere Aluminiumnitrid-Keramik mit einem Sauerstoffgehalt von kleiner 2 Mol% umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 24, gekennzeichnet durch ein Keramik- oder Edelmetallrohr am Boden des Tiegels zum Abführen der Schmelze.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 25, gekennzeichnet durch einen Abfluss oder Zufluss für Schmelze, welcher durch die elektrisch leitende Wandung des Induktortiegels hindurch verläuft.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 26, gekennzeichnet durch einen Abfluss und/oder einen Zufluss für die Schmelze, welcher in einem ersten, in den Tiegel mündenden Abschnitt als keramisches Element, insbesondere als aluminiumnitrid-haltiges Keramikelement ausgebildet ist.