DE102009033502A1

DE102009033502A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Glasprodukten aus einer Glasschmelze

Info

Publication number: DE102009033502A1
Application number: DE102009033502A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Kolberg; Sybill Dr. Nüttgens; 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: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: JP5787494B2; JP6010178B2; DE102009033502B4; US8530804B2; KR20110007059A; CN101955313B; JP2011020919A; CN101955313A; KR101781212B1; JP2015129093A; US20110011849A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Glas- und Glaskeramikprodukten aus einer Glasschmelze. Um einen Wechsel zwischen zwei Glassorten zu vereinfachen, ist eine Schmelzvorrichtung für Gläser vorgesehen, welche - einen Einschmelztiegel und - eine Induktionsspule umfasst, welche sich vorzugsweise um den Einschmelztiegel herum erstreckt, um eine Glasschmelze mittels eines durch die Induktionsspule erzeugten Induktionsfeldes aufzuheizen, und - Wandelemente, welche die Seitenwandung des Tiegels bilden und - Kühlkanäle aufweisen, durch welche ein Kühlfluid geleitet werden kann, so dass die Glasschmelze sich an der Wandung verfestigt und eine Skullschicht bildet, wobei - die Innenseite der Wandelemente zumindest teilweise durch eine aluminiumnitridhaltige Keramik gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Glas- und Glaskeramikprodukten aus einer Glasschmelze.
Glasprodukte, wie ins besondere 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 Platin und/1oder Streueffekte an eingetragenen Platin-Teilchen sowie Schlieren und andere Inhomogenitäten durch Auflösung des Kieselglas-Tiegelmaterials in der Glasschmelze.
Außerdem sind Glasschmelzen für hochreine Gläser und Glaskeramiken oft recht aggressiv gegenüber den jeweils verwendeten Tiegelmaterialien. Es kommt folglich zum Verschließ 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), welche auch als ”Kühlfinger” bezeichnet werden. 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 hohe 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 bedienenden Personen dar.
Es kommt zur Erzeugung von Blindleistungen von 10 bis 20% der Gesamtleistung, insbesondere durch Spannungsabfall am Tiegel.
Außerdem wird in den palisadenförmig angeordneten metallischen Rohren, die die Wandung des Tiegels bilden, sowie im metallischen Boden Energie absorbiert oder reflektiert, die dem Schmelzprozess nicht mehr zur Verfügung steht. Um ein Aufheizen der Schmelze mittels des angelegten elektrischen Hochfrequenzfeldes 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- und 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.
Ein weiteres Problem stellt bei Schmelztiegeln allgemein, also auch bei Skulltiegeln das Wechseln der Glaszusammensetzung in einer kontinuierlich arbeitenden Anlage dar. Ein üblicher Weg besteht darin, im Verlauf des Einschmelzens einfach die Zusammensetzung des eingelegten Gemenges zu wechseln. Hierbei besteht das Problem, dass das erzeugte Glas nach dem Wechsel der Gemengezusammensetzung erst allmählich die gewünschte Zusammensetzung annimmt. Hierbei können, zumindest sofern der Unterschied der Zusammensetzung für die gewünschten Glaseigenschaften erheblich ist, erhebliche Mengen an erzeugtem Glas mit einer Mischzusammensetzung nicht verwendet werden. Zudem führt der unproduktive Zeitraum bis zum Erreichen der gewünschten Glaszusammensetzung zu erhöhten Produktionskosten.
Wird der Tiegel abgekühlt, müssen andererseits die erstarrten Glasreste entfernt werden. Diese haften allerdings an den Flächen des Tiegels, die mit der Schmelze in Kontakt stehen. Wird das Glas abgeschlagen, kann der Tiegel beschädigt werden.
Es ist daher auch die Aufgabe der Erfindung, den Wechsel zwischen zwei Glassorten zu vereinfachen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß ist eine Schmelzvorrichtung für Gläser vorgesehen, welche

– einen Einschmelztiegel und
– eine Induktionsspule umfasst, welche sich vorzugsweise um den Einschmelztiegel herum erstreckt, um eine Glasschmelze mittels eines durch die Induktionsspule erzeugten Induktionsfeldes aufzuheizen, und
– Wandelemente, welche die Seitenwandung des Tiegels bilden und
– Kühlkanäle aufweisen, durch welche ein Kühlfluid geleitet werden kann, so dass die Glasschmelze sich an der Wandung verfestigt und eine Skullschicht bildet, wobei
– die Innenseite der Wandelemente zumindest teilweise durch eine aluminiumnitridhaltige Keramik, insbesondere eine Aluminiumnitrid-Keramik gebildet wird.

Erfindungsgemäß wird also die Schmelzkontaktfläche der seitlichen Innenwandung des Tiegels zumindest teilweise durch eine Aluminiumnitrid-Keramik oder einer aluminiumnitridhaltigen Keramik gebildet. Aluminiumnitrid hat den Vorzug, dass dieser Werkstoff einerseits elektrisch isolierend, andererseits auch gut wärmeleitend ist. Aufgrund der guten Wärmeleitung kann die Tiegelwandung sogar ganz aus Aluminiumnitrid-Keramik aufgebaut sein. Mit anderen Worten werden die sonst für Skulltiegel üblichen Metallrohre durch aluminiumnitridhaltige Keramikelemente ersetzt, so dass der Tiegel Wandelemente aus aluminiumnitridhaltiger Keramik aufweist.
Die Wandelemente können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form von nebeneinander verlaufenden Rohren ausgebildet sein, deren Inneres jeweils einen Kühlkanal bildet, durch welchen das Kühlfluid geleitet wird.
Alternativ oder zusätzlich können plattenförmige Wandelemente vorgesehen werden, bei welchen zumindest die Innenseite die aluminiumnitridhaltige Keramik aufweist.
Da Aluminiumnitrid auch elektrisch isolierend ist, wird das Feld der Induktionsspule nicht oder nur unwesentlich durch die Wandelemente beeinflusst, sofern die Wandelemente aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere vollständig aus aluminiumnitridhaltiger Keramik gefertigt sind. Die oben genannten Probleme, die sich aufgrund der üblichen Metallrohr-Konstruktion der Skull-Tiegel ergeben, entfallen somit.
Aufgrund der Vorzüge des Material kann auch ein Bodenelement des Tiegels vorgesehen werden bei welchem zumindest die Innenseite aus aluminiumnitridhaltigem Material gebildet ist.
Vorzugsweise erfolgt die Kühlung des Tiegels mit Wasser.
Um eine hinreichend gute Wärmeleitfähigkeit zu erhalten, ist es besonders bevorzugt, wenn die Innenseite der Wandelemente durch eine aluminiumnitridhaltige Keramik gebildet wird, welche zu überwiegendem Stoffmengenanteil Aluminiumnitrid enthält. Vorzugsweise beträgt der Stoffmengenanteil von Aluminiumnitrid in der Keramik zumindest 70%. In Weiterbildung der Erfindung kann dann die aluminiumnitridhaltige Keramik der Schmelzkontaktfläche gegebenenfalls als zusätzlichem Bestandteil Bornitrid enthalten. Bornitrid weist ebenfalls eine gute, wenn auch geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Die Beimengung von Bornitrid ergibt allerdings eine leichtere Bearbeitbarkeit des Materials, was günstig für die Herstellungskosten der Schmelzvorrichtung ist.
Unabhängig davon, ob eine reine Aluminiumnitrid-Keramik eingesetzt wird, oder Beimengungen, wie etwa das vorstehend genannte Bornitrid enthalten sind, ist es günstig, wenn die Keramik eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 85 W/m·K, gemessen bei 20°C aufweist. Bei reinen Aluminiumnitrid-Keramiken oder solchen mit geringeren Beimengungen, etwa von Bornitrid können sogar Werte der Wärmeleitfähigkeit von mehr als 130 W/m·K erreicht werden.
Um ein nahezu ungehindertes Durchdringen des elekromagnetischen Feldes zu gewährleisten, ist es weiterhin günstig, wenn die elektrische Leitfähigkeit der aluminiumnitridhaltigen Keramik bei einer Temperatur von 20°C kleiner als 10^–8 S/m ist. Die elektrische Leitfähigkeit reiner Aluminiumnitrid-Keramik liegt beispielsweise noch deutlich unter diesem Wert.
Es hat sich gezeigt, dass Aluminiumnitrid als Material selbst bei vielen aggressiven Schmelzen eine hohe Langzeitbeständigkeit aufweist. Die Schmelzvorrichtung ist daher besonders bevorzugt ausgebildet zum kontinuierlichen Schmelzen von Gläsern, wobei die Vorrichtung einen Glasschmelze-Auslass aufweist, durch welchen im Betrieb kontinuierlich Glasschmelze abführbar ist, sowie eine Einlegeeinrichtung zum kontinuierlichen oder portionsweisen Einlegen von Schmelzgut.
Hinzu kommt als besondere Eigenschaft von Aluminiumnitrid als Schmelzkontaktmaterial, dass Glas nicht oder kaum daran haftet. Erstarrte Glasschmelze löst sich im allgemeinen sogar von selbst von der Keramik ab. Damit ergibt sich als besonderer Vorteil, dass ein Tiegel nach dem Entleeren oder Erkalten sehr einfach von Glasresten befreit werden kann. Es erschließt sich damit die Möglichkeit, in kontinuierlich arbeitenden Schmelztiegeln das aufwendige und kostenintensive Umschmelzen zu umgehen, bei welchem eine erste Schmelzenzusammensetzung durch eine zweite im laufenden Betrieb ersetzt wird, wobei sich die Zusammensetzung des geschmolzenen Glases dementsprechend allmählich ändert.
Dazu ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Schmelzen von Gläsern, insbesondere mittels einer wie oben beschriebenen Vorrichtung vorgesehen, bei welchem kontinuierlich oder portionsweise

– Schmelzgut für eine erste Glaszusammensetzung in einen Tiegel eingelegt und
– das Schmelzgut im Tiegel in einer darin vorhandenen Glasschmelze eingeschmolzen wird, wobei die Schmelze
– durch das von einer Induktionsspule erzeugte elektromagnetische Feld aufgeheizt wird, wobei
– die Wandung des Tiegels gleichzeitig mittels Durchleiten eines Kühlfluids durch Kühlkanäle gekühlt wird, so dass eine Skullschicht an der Tiegelwandung aufrechterhalten wird,
– und wobei kontinuierlich Schmelze aus dem Tiegel abgezogen wird, und
– wobei zumindest ein Teil der Innenseite des Tiegels, an welchem die Skullschicht anhaftet, durch eine aluminiumnitridhaltige Keramik gebildet wird, und
– Wechseln der Zusammensetzung der Glasschmelze. Das Wechseln der Zusammensetzung der Glasschmelze umfasst die weiteren Schritte
– Abkühlen der Schmelze oder von Resten der Schmelze, wobei sich die abgekühlte Schmelze von der durch die aluminiumnitridhaltigen Keramik gebildeten Innenseite der Wandung ablöst,
– Entfernen der abgekühlten Schmelze,
– Einfüllen von Schmelzgut einer zweiten Glaszusammensetzung,
– Aufschmelzen eines Bereichs des eingefüllten Schmelzguts,
– Einkoppeln elektromagnetischer Energie in den aufgeschmolzenen Bereich des Schmelzguts durch die Induktionsspule und weiteres Aufheizen des Schmelzguts, worauf das übrige Schmelzgut mit aufgeschmolzen wird und sich eine neue Skullschicht an der gekühlten Tiegelwandung bildet, und
– Fortsetzen des kontinuierlichen Schmelzprozesses mit der zweiten Glaszusammensetzung durch kontinuierliches oder portionsweises Einlegen von Schmelzgut und kontinuierlichem Abführen des geschmolzenen Glases.

Im allgemeinen ist es beim Wechseln der Glasschmelze natürlich günstig, vor dem Abkühlen der Schmelze, beziehungsweise vor dem Ausschalten des Wechselfeldes der Induktionsspule den Tiegel zu entleeren.
Typischerweise lässt sich die im Tiegel verbliebene Glasschmelze ohne weiteres, also auch ohne den Einsatz von Meisseln oder ähnlichen Werkzeugen von den Schmelzkontaktflächen aus aluminiumnitridhaltiger Keramik ablösen, da die niedrige Oberflächenenergie von Aluminiumnitrid die Anhaftung des Glases verhindert. Dies gilt auch für eine Schmelzkontaktfläche mit Beimischung von Bornitrid, also bei einer Bornitrid-Aluminiumnitrid-Keramik, da auch Bornitrid eine niedrige Oberflächenenergie aufweist.
Besonders geeignete Gläser für das erfindungsgemäße Verfahren, beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung sind vorzugsweise arsen- und alkalifreie Aluminium-Silikatgläser, Fluorphosphatgläser, und Lanthanboratgläser.
Gegenüber diesen Gläsern zeigt Aluminiumnitrid zusätzlich noch gute Notlaufeigenschaften. Im Speziellen ist der Angriff der Schmelze auf das Aluminiumnitrid gering, sofern die Kühlung ausfallen und die Skullschicht aufschmelzen sollte.
Demgegenüber zeigte sich bei einigen anderen Gläsern, wie etwa einem arsenhaltigen Glas für optische Fasern ein starker Angriff der Schmelze mit heftiger Blasenbildung. Selbstverständlich können aber auch solche Gläser verwendet werden, sofern eine dauerhafte Kühlung sichergestellt ist.
Jedenfalls kann auch zwischen sehr verschiedenartigen Gläsern, wie etwa zwischen den oben genannten Glastypen ohne weiteres gewechselt werden, da sich die Reste der Schmelze leicht und damit auch praktisch rückstandsfrei aus dem Tiegel entfernen lassen.
Bei einigen Gläsern, etwa dem vorgenannten arsenhaltigen Glas für optische Fasern, Lanthanboratglas und Fluorphosphatglas zeigt sich nach einer gewissen Betriebsdauer die Ausbildung einer kristallisierten Schicht aus der Schmelze an der aluminiumnitridhaltigen Keramik. Es hat sich dabei gezeigt, dass die Kristallschicht ebenso leicht zu entfernen ist, wie eine erstarrte Glasschicht und auch kein merklicher Angriff der Keramik erfolgt.
Das Umschmelzen, beziehungsweise der Wechsels zwischen zwei verschiedenen Glaszusammensetzungen und die Reinigung des Tiegels kann besonders auch dadurch erleichtert werden, wenn sich der Umfang der inneren Tiegelwandung sich zum Boden, beziehungsweise Bodenelement hin vergrößert und Boden und Wandung voneinander lösbar sind. Die innere Tiegelwandung hat aufgrund des sich erweiternden Umfangs mit anderen Worten zumindest im an deren unteren Rand anschließenden Bereich einen sich erweiternden Querschnitt oder eine sich nach unten hin vergrößernde Querschnittsfläche. Beispielsweise kann der Tiegel sich glockenförmig oder konisch erweitern.
Das Wechseln der Schmelzenzusammensetzung kann dann wie folgt erfolgen:
Wie oben dargelegt, wird zunächst die im Tiegel verbliebene Schmelze abgekühlt. Das Entfernen der abgekühlten Schmelze erfolgt nun einfach dadurch, dass Boden und Wandung voneinander in vertikaler Richtung getrennt werden, beispielsweise indem der Boden nach unten oder die Wandung nach oben bewegt wird. Durch den sich zum Boden hin erweiternden Umfang der Wandung wird erreicht, dass die erstarrte Schmelze nicht an der Wandung anhaftet, sondern auf dem Boden liegen bleibt. Die erstarrten Schmelzenreste können dann auf dem freiliegenden Boden sehr einfach entfernt werden, da die Schmelze nicht mehr ringförmig von der Wandung umgeben ist. Beispielsweise kann die Schmelze dazu seitlich vom Boden abgeschoben oder abgekippt werden. Nach dem Entfernen werden Boden und Wandung wieder zusammengesetzt und es erfolgt das Einfüllen von Schmelzgut der zweiten Glaszusammensetzung.
Aluminiumnitrid erweist sich überdies als besonders geeignet für lange Betriebsdauern im Daurtbetrieb aufgrund eines nur geringen Angriffs der Schmelze auf die gekühlten Wandungen. Dementsprechend können lange Zeitintervalle zwischen dem Wechseln der Schmelzenzusammensetzung liegen. So kann der Tiegel im Dauerbetrieb eine Standzeit von mindestens zwei Monaten aufweisen, beziehungsweise zumindest zwei Monate im Dauerbetrieb betrieben wird. Es sind mit dem erfindungsgemäßen Tiegel auch noch wesentlich längere Standzeiten möglich. Vorzugsweise beträgt die Betriebsdauer zumindest ein halbes Jahr. Auch ein kurzzeitig unterbrochener Betrieb, etwa aufgrund des oben beschriebenen Wechsels der Glaszusammensetzung wird dabei noch als Dauerbetrieb erachtet, solange der Tiegel mindestens 85% der Zeit innerhalb der Betriebsdauer im Schmelzbetrieb betrieben wird.
Vorteilhafter Weise werden Nitridkeramiken, beziehungsweise allgemein aluminiumnitridhaltige Keramiken mit geringen Sauerstoffgehalten verwendet, weil die Wärmeleitfähigkeit, von Aluminiumnitrid stark vom Sauerstoffgehalt abhängig ist. Allerdings ist Sauerstoff ein typischer Bestandteil von Aluminumnitrid-Keramiken. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt nimmt die Wärmeleitfähigkeit asymptotisch ab. Aus diesem Grund wird Aluminiumnitrid-Keramik mit einem Sauerstoffgehalt von kleiner 2 Mol-% bevorzugt verwendet.
Alumimiumnitrid ist darüber hinaus vergleichsweise leicht oxididerbar, wobei die Oxidationsgeschwindigkeit linear mit der Temperatur zunimmt. Eine ausreichende Kühlung des Aluminiumnitrid-haltigen Materials ist daher wichtig, um die Oxidation zum einen durch Luftsauerstoff, v. a. aber durch Sauerstoff aus der Schmelze zu vermeiden. Setzt dieser Prozess erst einmal ein, führt er zu einem selbstverstärkenden Vorgang: die erhöhte Temperatur führt zu verstärkter Oxidation, verstärkte Oxidation erniedrigt die Wärmeleitfähigkeit des Materials und führt so wiederum zu erhöhten Temperaturen. Insbesondere werden in besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung Innenseite der Wandelemente so gekühlt, dass dessen Oberflächentemperatur an der zur Schmelze gewandten Seite, beziehungsweise dessen Innenseite geringer als 750°C, vorzugsweise geringer als 500°C ist. Werden hingegen Aluminiumnitridkeramiken mit dem vorstehend genannten niedrigen Sauerstoffgehalt als Wandungsmaterial eingesetzt, kann ein solcher selbstverstärkender Prozess auf lange Zeit wirksam unterdrückt und somit eine lange Standzeit erzielt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Zeichen.
Es zeigen:
1 in aufgeschnittener Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine Ansicht von Teilen einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 einen Querschnitt durch einen Kühlfinger aus Aluminiumnitridkeramik zum Testen der Eigenschaften der Keramik in verschiedenen Glasschmelzen, und
4 bis 6 Verfahrensschritte zum Wechseln der Schmelzenzusammensetzung.
1 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtung 1 für Gläser mit einem Einschmelztiegel 10.
Eine Induktionsspule 3 erstreckt sich ringförmig um den Einschmelztiegel 10 herum, um eine Glasschmelze mittels eines durch die Induktionsspule 3 erzeugten Induktionsfeldes aufzuheizen.
Die Seitenwandung 4 des Tiegels 10 wird durch Wandelemente in Form von Rohren 5 einer aluminiumnitridhaltigen Keramik, vorzugsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, optional mit einer Beimengung von Bornitrid gebildet. In den Rohren 5 verläuft jeweils ein Kühlkanal 50, durch welchen im Betrieb des Tiegels Kühlwasser geleitet wird, so dass die Glasschmelze sich an der Wandung verfestigt und eine Skullschicht bildet. Die Kühlkanäle 50 sind an einem gemeinsamen Zuführungskanal 51 angeschlossen.
Die Rohre 5 aus aluminiumnitridhaltiger Keramik sind elektrisch isolierend. Damit kann das elektromagnetische Wechselfeld der Induktionsspule 3 ungehindert in die Schmelze eindringen. Anders als bei üblichen Skulltiegeln für die Glasschmelze, die aus Metallrohren aufgebaut sind, werden in den Rohren 5 der Seitenwandung durch das Feld, keine elektrischen Ströme induziert. Die für die Rohre 5 verwendete aluminiumnitridhaltige Keramik weist weiterhin eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 85 W/m·K und eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 10^–8 S/m bei 20°C auf. Vorzugsweise wird dazu eine Aluminiumnitrid-Keramik mit einem Sauerstoffgehalt kleiner 2 Mol-% verwendet. Um zu vermeiden, dass die Aluminiumnitrid-Keramik im Betrieb des Tiegels oxidiert, werdem die Rohre 5 zudem so gekühlt, dass deren Oberflächentemperatur bei kleiner als 750°C, vorzugsweise kleiner als 500°C bleibt.
Die Unterseite des Tiegels 10 wird durch ein Bodenelement 7 gebildet, welches ebenfalls über Kühlkanäle 71 gekühlt wird. Auch das Bodenelement 7, zumindest dessen Innenseite ist vorzugsweise aus aluminiumnitridhaltiger Keramik gebildet. Ist auch das Bodenelement 7 ebenso wie die Wandung elektrisch isolierend, kann das Feld der Spule 3 völlig ungehindert in die Schmelze eindringen. Auf diese Weise wird eine erheblich verbesserte Effizienz der Schmelzvorrichtung 1 erreicht.
Die oberen Enden der Rohre 5 sind mittels eines Rings 9, beispielsweise aus Quarzal oder einem anderen temperaturbeständigen Material fixiert. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind im Ring 9 und im Bodenteil 7 Zuleitungskanäle 51 vorgesehen, über welche das Kühlwasser für die Rohre 5 zu-, beziehungsweise abgeführt wird.
Im Bodenteil 7 ist außerdem ein Auslass 72 vorgesehen. Dieser Auslass 72 wird zum stetigen Abführen der Schmelze im kontinuierlichen Betrieb, etwa mittels eines daran angeschlossenen Steigrohres, sowie zum Ablassen der Schmelze beim Wechsel der Glaszusammensetzung eingesetzt.
Alternativ kann zum Abführen der Schmelze auch ein Abfluss im Bereich der Schmelzenoberfläche vorgesehen werden. In diesem Fall ist es günstig, eine in die Schmelze eintauchende Barriere vor dem Abfluss vorzusehen, mit welcher verhindert wird, dass noch nicht aufgeschmolzenes, eingelegtes Schmelzgut direkt zum Abfluss gelangt.
2 zeigt Teile einer Vorrichtung 1 gemäß einer Variante des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. Bei dieser Variante ist die Seitenwandung des Tiegels 10 aus plattenförmigen Elementen 6 einer aluminiumnitridhaltigen Keramik zusammengesetzt. In den plattenförmigen Elementen 6 sind ebenfalls Kühlkanäle 50 vorgesehen, durch die im Betrieb zur Ausbildung einer Skullschicht Kühlwasser geleitet wird. Nicht dargestellt sind die Induktionsspule und der gegebenenfalls vorgesehene Ring 9.
Nachfolgend werden einige Versuche mit Aluminiumnitrid als Schmelzkontaktmaterial für die vorstehend beschriebene Vorrichtung beschrieben.
Die Eignung von Aluminiumnitrid-Keramik als Schmelzkontaktmaterial wurde mit einem arsenhaltigen Faserglas (Bezeichnung PW4), einem Fluorphosphatglas (Bezeichung N-PK52A) und einem Lanthanboratglas (Bezeichung N-LaSF31A) getestet. Zum Test wurde ein gekühlter Finger aus Aluminiumnitrid-Keramik hergestellt, wie er in 3 dargestellt ist. Im Finger 21 sind zwei Längsbohrungen 23, 24 eingefügt, welche über eine Querbohrung 25 am Ende 22 miteinander kommunizieren. Die Querbohrung 25 ist mit zwei Pfropfen 26 abgedichtet. An den Längsbohrungen 23, 24 sind Kupferrohre 27 angeschlossen, über welche Kühlwasser zu- und abgeführt wird. Die Flussrichtung ist anhand der Pfeile in den Längsbohrungen 23, 24 symbolisiert.
Der Kühlfinger 20 wurde mit dem Ende 22 in die Glasschmelze eingetaucht, darin bei jedem Test etwa 24 Stunden gehalten und dann herausgezogen.
Die Temperatur der Schmelze des arsenhaltigen Faserglases betrug 1350°C. Nachdem der Kühlfinger aus der Schmelze herausgenommen wurde, zeigte sich eine ca. 5 Millimeter dicke kristallisierte Schicht aus dem Schmelzenmaterial. Die Schicht haftet jedoch nicht fest an der Aluminiumnitrid-Keramik.
Die Temperatur einer Lanthanboratglas-Schmelze betrug etwa 1400°C. Direkt auf dem Kühlfinger fand sich eine Glasschicht von etwa 1–2 Millimetern Dicke, welche ihrerseits von einer etwa 6 bis 7 Millimeter dicken kristallisierten Schicht umgeben war. Auch diese Rückstände aus der Schmelze ließen sich problemlos ablösen.
Nach der Lagerung in einer Fluorphosphatglas-Schmelze von etwa 900°C zeigte sich lediglich eine Glasschicht auf dem Kühlfinger. Eine Kristallisierung wurde demgemäß nicht beobachtet. Die Glasschicht ließ sich ebenfalls leicht ablösen.
Bei keinem der oben genannten Tests wurde kein erkennbarer Angriff der Aluminiumnitrid-Keramik durch die Schmelze beobachtet.
Um den Angriff durch die Schmelze zu testen, wurde der Kühlfinger nochmals eine Woche lang in der Fluorphosphatglas-Schmelze gelagert. Auch nach einer Woche konnte kein erkennbarer Angriff durch die Schmelze beobachtet werden.
Außerdem wurden Tests mit einem in die Schmelze getauchten, ungekühlten Aluminiumnitridkeramik-Körper durchgeführt, um den Materialangriff bei einem Ausfall der Kühlung zu testen. Zusätzlich zu den oben genannten Glasschmelzen wurde auch die Schmelze eines arsen- und alkalifreien Aluminium-Silikatglases (Bezeichnung AF 37) getestet.
In der 1400°C heißen Schmelze des arsenhaltigen Faserglases wurde eine starke Reaktion mit Blasenbildung am Aluminiumnitrid-Körper und einem Überschäumen der Schmelze beobachtet, so dass der Test nach weniger als 15 Minuten abgebrochen wurde. Die Reaktion ist möglicherweise auf den Arsengehalt zurückzuführen.
Sind gute Notlaufeigenschaften gewünscht, ist die Erfindung daher insbesondere für das Schmelzen arsenfreier oder zumindest arsenarmer Gläser geeignet. Als arsenarm gilt hier im Sinne der Erfindung ein Glas mit einem Gehalt von As₂O₃ kleiner als 0,25 Gewichtsprozent.
Wird eine Ausbildung einer kristallisierten Schicht an der gekühlten Keramik beobachtet, kann auch dies die Notlaufeigenschaften erheblich verbessern, da die kristallisierte Schicht eine Abschirmung der Keramik gegenüber der Schmelze schafft.
In der 1350°C heißen Schmelze des Lanthanboratglases wurde demgegenüber nur eine leichte Reaktion beobachtet. Es zeigte sich allerdings hier ein starker Angriff des für den Test verwendeten Quarzaltiegels, so dass dieser Test nach etwa 30 Minuten abgebrochen wurde. Dies belegt, dass die Erfindung sehr gut auch für aggressive Schmelzen geeignet ist.
In der 950°C heißen Schmelze des Fluorphosphatglases war anfangs keine Reaktion erkennbar. Erst nach einer Weile zeigte sich eine leichte Blasenbildung. Es wurde eine allmähliche gleichmäßige Auflösung beobachtet. Der Test wurde nach ca. 150 Minuten beendet. Obwohl die Aluminiumnitrid-Keramik also durch die Schmelze leicht angegriffen wird, werden bei Fluorphosphatgläsern gute Notlaufeigenschaften ohne eine Zerstörung eines Tiegels mit Aluminiumnitrid-Wandung erreicht.
Ähnliches konnte auch in der Schmelze des arsen- und alkalifreien Aluminosilikatglases bei immerhin 1600°C beobachtet werden. Auch hier zeigte sich nur eine leichte Reaktion mit leichter Blasenbildung, so dass der Test ohne vorzeitigen Abbruch nach etwa 120 Minuten beendet werden konnte.
Die 4 bis 6 zeigen Verfahrensschritte zum Wechseln der Glasschmelze mit einer Vorrichtung, welche eine Variante der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele mit sich nach unten hin im Umfang erweiternde Tiegelwandung darstellt. Die Vorrichtung 1 ist hierbei schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Kühlkanäle im Bodenelement 7 und in der Wandung 4 sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Wandung 4 kann beispielsweise aus Wandelementen in Form von Rohren 5, wie in 1 gezeigt, oder in Form plattenförmiger Elemente 6, wie sie in 2 dargestellt sind, aufgebaut sein. Wie anhand von 4 zu erkennen ist, erweitert sich die Wandung 4 zu deren unteren Rand 40 hin. Mit anderen Worten nimmt deren Umfang zum am unteren Rand 40 angeordneten Boden hin zu. Außerdem sind Bodenelement 7 und Wandung 4 voneinander lösbar gehaltert.
Zunächst ist, wie in 4 dargestellt, der Tiegel 10 noch mit Schmelze 11 einer ersten Zusammensetzung gefüllt. Um die Schmelze zu wechseln, wird nun zunächst die Schmelze 11 durch Abschalten der an die in 4 nicht dargestellte Induktionsspule 3 angelegten Induktionsspannung abgekühlt. Gegebenenfalls kann der Tiegel 10 vor dem Abkühlen entleert werden, so dass nur noch Reste der Schmelzenfüllung im Tiegel 10 verbleiben. In 4 ist daher auch der Tiegel 10 nicht vollständig gefüllt dargestellt. Zum Entleeren kann wie bei dem in 1 gezeigten Beispiel ein Auslass im Bodenelement 7 vorgesehen sein.
Nachfolgend werden, wie in 5 gezeigt, Bodenelement 7 und Wandung 4 in vertikaler Richtung auseinandergefahren und so voneinander räumlich getrennt. Da sich aufgrund der aluminiumnitridhaltigen Keramik der Innenwandung eine Ablösung der erstarrenden Schmelze von der Wandung 4 erfolgt, haftet die Schmelze nicht an der Innenseite der Wandung an, sondern bleibt auf dem Bodenelement 7 liegen. Die auf dem Bodenelement 7 liegende Schmelze 11 ist nun seitlich zugänglich und kann einfach entfernt werden.
Nachfolgend werden, wie in 6 dargestellt, Bodenelement 7 und Wandung 4 wieder zusammengesetzt, der Tiegel 10 mit loser, festen Schmelzgut 12 einer zweiten Glaszusammensetzung befüllt und der Tiegel mittels einer Zusatzheizung, beispielsweise einem Brenner 15 angeheizt, so dass sich lokal eine Schmelze 13 der zweiten Glaszusammensetzung bildet. Die Schmelze 13 wird dann weiter induktiv beheizt, so dass das übrige lose Schmelzgut aufgeschmolzen wird. Anschließend wird der kontinuierliche Schmelzbetrieb, bei dem Schmelzgut kontinuierlich oder portionsweise eingelegt und kontinuierlich abgeführt wird, mit der zweiten Schmelzenzusammensetzung fortgesetzt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr vielfältig im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche variiert werden kann. Insbesondere können auch die Merkmale der Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. So können beispielsweise plattenförmige Wandelemente aus aluminiumnitridhaltiger Keramik, wie sie 2 zeigt mit rohrförmigen Wandelementen gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10244807 A1 [0004]

Claims

Schmelzvorrichtung (1) für Gläser, umfassend – einen Einschmelztiegel (10) mit – einer Induktionsspule (3), welche sich vorzugsweise um den Einschmelztiegel (10) herum erstreckt, um eine Glasschmelze mittels eines durch die Induktionsspule (3) erzeugten Induktionsfeldes aufzuheizen, und – Wandelemente (5, 6), welche die Seitenwandung des Tiegels (10) bilden und – Kühlkanäle (50) aufweisen, durch welche ein Kühlfluid geleitet werden kann, so dass die Glasschmelze sich an der Wandung verfestigt und eine Skullschicht bildet, wobei – die Innenseite der Wandelemente (5, 6) zumindest teilweise durch eine aluminiumnitridhaltige Keramik gebildet wird.
Schmelzvorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (10) Wandelemente in Form von nebeneinander verlaufenden Rohren (5) umfasst, deren Inneres jeweils einen Kühlkanal (50) bildet, durch welchen das Kühlfluid geleitet wird.
Schmelzvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel plattenförmige Wandelemente (6) aufweist, deren Innenseite die aluminiumnitridhaltige Keramik aufweist.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (10) mit Wasser gekühlt ist.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Bodenelement (7) des Tiegels, wobei bei dem Bodenelement zumindest die Innenseite aus aluminiumnitridhaltigem Material gebildet ist.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandelemente (5, 6) aus elektrisch isolierendem Material gefertigt sind.
Schmelzvorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch Wandelemente (5, 6) aus aluminiumnitridhaltiger Keramik.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Wandelemente (5, 6) durch eine aluminiumnitridhaltige Keramik gebildet wird, welche zu überwiegendem Stoffmengenanteil, vorzugsweise zu einem Stoffmengenanteil von zumindest 70% Aluminiumnitrid enthält.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumnitridhaltige Keramik als zusätzlichem Bestandteil Bornitrid enthält.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ausgebildet zum kontinuierlichen Schmelzen von Gläsern, wobei die Vorrichtung einen Glasschmelze-Auslass aufweist, durch welchen im Betrieb kontinuierlich Glasschmelze abführbar ist, sowie eine Einlegeeinrichtung zum kontinuierlichen oder portionsweisen Einlegen von Schmelzgut.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumnitridhaltige Keramik eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 85 W/m·K bei 20°C aufweist.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit der aluminiumnitridhaltigen Keramik bei einer Temperatur von 20°C kleiner als 10^–8 S/m ist.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Umfang der inneren Tiegelwandung sich zum Boden hin vergrößert und Boden und Wandung voneinander lösbar sind.
Schmelzvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Wandelemente (5, 6) zumindest teilweise durch eine Aluminiumnitrid-Keramik mit einem Sauerstoffgehalt von kleiner 2 Mole gebildet wird.
Verfahren zum Schmelzen von Gläsern, insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich oder portionsweise – Schmelzgut für eine erste Glaszusammensetzung in einen Tiegel eingelegt und – das Schmelzgut im Tiegel (10) in einer darin vorhandenen Glasschmelze eingeschmolzen wird, wobei die Schmelze – durch das von einer Induktionsspule (3) erzeugte elektromagnetische Feld aufgeheizt wird, wobei – die Wandung des Tiegels (10) gleichzeitig mittels Durchleiten eines Kühlfluids durch Kühlkanäle (50) gekühlt wird, so dass eine Skullschicht an der Tiegelwandung aufrechterhalten wird, – und wobei kontinuierlich Schmelze aus dem Tiegel (10) abgezogen wird, und – wobei zumindest ein Teil der Innenseite des Tiegels (10), an welchem die Skullschicht anhaftet, durch eine aluminiumnitridhaltige Keramik gebildet wird, und – Wechseln der Zusammensetzung der Glasschmelze, umfassend die weiteren Schritte – Abkühlen der Schmelze oder von Resten der Schmelze, wobei sich die abgekühlte Schmelze von der durch die aluminiumnitridhaltigen Keramik gebildeten Innenseite der Wandung ablöst, – Entfernen der abgekühlten Schmelze, – Einfüllen von Schmelzgut einer zweiten Glaszusammensetzung, – Aufschmelzen eines Bereichs des eingefüllten Schmelzguts, – Einkoppeln elektromagnetischer Energie in den aufgeschmolzenen Bereich des Schmelzguts durch die Induktionsspule (3) und weiteres Aufheizen des Schmelzguts, worauf das übrige Schmelzgut mit aufgeschmolzen wird und sich eine neue Skullschicht an der gekühlten Tiegelwandung bildet, und – Fortsetzen des kontinuierlichen Schmelzprozesses mit der zweiten Glaszusammensetzung durch kontinuierliches oder portionsweises Einlegen von Schmelzgut und kontinuierlichem Abführen des geschmolzenen Glases.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abkühlen der Schmelze der Tiegel (10) entleert wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein arsen- und alkalifreies Aluminium-Silikatglas, ein Fluorphosphatglas oder ein Lanthanboratglas geschmolzen wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwandung wassergekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der aluminiumnitridhaltigen Keramik eine kristallisierte Schicht aus der Glasschmelze ausbildet.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Schmelzen in einem Tiegel erfolgt, bei welchem sich der Umfang der inneren Tiegelwandung sich zum Boden hin vergrößert und Boden und Wandung voneinander lösbar sind, und wobei nach dem Schritt des Abkühlens der Schmelze oder von Resten der Schmelze das Entfernen der abgekühlten Schmelze erfolgt, indem Boden und Wandung voneinander in vertikaler Richtung getrennt werden, wobei die erstarrte Schmelze auf dem Boden liegen bleibt und nach dem Trennen entfernt wird, und wobei nach dem Entfernen der Schmelze Boden und Wandung wieder zusammengesetzt werden und Schmelzgut der zweiten Glaszusammensetzung eingefüllt wird.