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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Glas, umfassend eine Rührvorrichtung zum Rühren einer Glasschmelze.
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Die Verwendung wassergekühlter Stahlbauteile in bzw. an Einbauten und Geräten für die Schmelze und Formgebung von Glas ist bekannt. Beim direkten Kontakt von Bauteilen und Einbauten z.B. Elektroden, Thermoelementen, Rührern oder Plungern mit der Glasschmelze sind generell unterschiedliche Bauarten möglich. Je nach den folgend fünf gelisteten Bauarten ergeben sich unterschiedliche Vor- und Nachteile:
- 1) Feuerfestes keramisches Material:
– Mechanische Stabilität je Material und Temperatur ausreichend
– Bei geeigneter Wahl „gutmütiges“ Auflösungsverhalten in der Glasschmelze
– Nie gänzlich korrosionsstabil und somit auf Dauer nicht formstabil
– Keine filigrane Geometrie machbar
– Mechanisch hohe Sicherheitsaufschläge notwendig (wegen inhomogenem und z.T. anisotropem makroskopischem Aufbau)
- 2) Refraktärmetalle wie W oder Mo:
– Mechanisch stabil, hohe Festigkeit auch bei Temperaturen >1500°C
– Oxidationsneigung und gute Löslichkeit der Metalloxide in der Glasschmelze führt zu Verschleiß
– Hohe Dichte und folglich schwere Bauteile
– Fertigungstechnische Einschränkungen, z.B. sehr schlecht bis gar nicht schweißbar oder formbar
– Starke Oxidation an Luft oder anderer sauerstoffhaltiger Atmosphäre bereits weit unterhalb des Schmelzpunkts (ab z.T. 600°C) und folglich Oxidationsschutz notwendig
- 3) Edelmetallverkleidete Feuerfestmaterialien oder Refraktärmetalle
– Hohe Stabilität durch stabilen Refraktärmetallkern
– Kein Verschleiß, wenig Wechselwirkungen mit der Glasschmelze
– Hohe Materialkosten für das Edelmetall
– Elektrochemische Wechselwirkung zwischen Refraktärmetall und Edelmetall
- 4) Komplett-Edelmetall-Aufbauten:
– Bei geeigneter (z.T. oxidstabilisierter) Legierung mechanisch stabil
– Kein Verschleiß, wenig Wechselwirkungen mit der Glasschmelze
– Sehr hohe Materialkosten
- 5) Gekühlte Aufbauten aus Metall oder Metalllegierungen, meist verschweißte oder verschraubte Stahl-Hohlprofile wie z.B. Rohre mit Wasserkühlung oder Aerosolkühlung (meist Zwangsführung des Kühlmediums):
– Hohe Stabilität des gekühlten Stahlaufbaus
– Glasschmelze friert an Stahlflächen ein und folglich keine Wechselwirkung des Rührermaterials mit der Glasschmelze möglich
– Hoher Wärmeentzug durch die Kühlung und folglich hohe Energiekosten
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Gekühlte Vorrichtungen bzw. Verfahren, die gekühlten Vorrichtungen nutzen, zur Herstellung von Glas sind aus folgenden Schriften bekannt:
DE 1 060 109 ,
US 2,982,522 ,
DE 6604676 U ,
US 4,047,918 ,
DE 44 46 574 C1 ,
WO 98/38136 A1 ,
DE 696 01 339 T2 ,
DE 28 24 268 und
US 5,006,145. -
Die Schrift
DE 6604676 U beschreibt beispielsweise einen wassergekühlten Feuerfestmaterial-Aufbau, der außen Platin ummantelt ist.
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Die Schrift
DE 28 242 68 beschreibt Feuerfestmaterialrührer mit luftgekühltem Kern.
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Die gezeigten nicht wärmegedämmten Aufbauten haben einen sehr hohen Wärmeentzug aus der Glasschmelze heraus in das Kühlmedium, der einerseits die Energiekosten in die Höhe treibt und andererseits auch inhomogene Temperaturverteilungen in der Glasschmelze begünstigt.
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Allen den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Glas ist ein sehr hoher Wärmebedarf gemeinsam, der einerseits Energiekosten in die Höhe treibt und andererseits auch inhomogene Temperaturverteilungen in der Glasschmelze begünstigt, die zu fehlerhaften Glasartikeln führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Glas, umfassend eine Rührvorrichtung zum Rühren einer Glasschmelze, zu finden, wobei der Glasschmelze weniger Wärmeenergie entzogen werden soll und wobei inhomogene Temperaturverteilungen in der Glasschmelze reduziert werden sollen.
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Gemäß Anspruch 1 wird die Aufgabe gelöst, durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas, umfassend eine Rührvorrichtung zum Rühren einer Glasschmelze, wobei die Rührvorrichtung wenigstens folgende Mittel umfasst:
- – einen Rührermantel, der mit der Glasschmelze in Kontakt steht,
- – ein Rührerkern, der nicht mit der Glasschmelze in Kontakt steht und der kühlbar ist, und
- – eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht, die den Wärmeentzug aus der Glasschmelze durch die Rührvorrichtung verringert.
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Der Begriff Glas umfasst sowohl Glas und als auch Glaskeramik.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. deren technischer Merkmale werden im Folgenden beschrieben:
- – Der Rührermantel kann aus wenigstens einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Edelmetalle oder Edelmetalllegierungen, insbesondere Platin oder Platinlegierungen.
- – Der Rührermantel kann eine Dicke von 0,1 bis 4 mm aufweisen.
- – Der Rührerkern kann aus wenigstens einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Metalle oder Metalllegierungen, insbesondere Stähle, Refraktärmetalle oder Refraktärmetalllegierungen.
- – Der Rührerkern kann eine Wandung mit einer Dicke von 1 bis 6 mm aufweisen.
- – Der Rührerkern kann mittels eines Kühlmediums kühlbar sein, insbesondere mittels Wasser.
- – Eine Wandung des Rührerkerns, der das Kühlmedium führt, kann eine Dicke von 1 bis 6mm aufweisen.
- – Die Wärmedämmungsschicht kann aus wenigstens einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe der anorganischen Feststoffe, insbesondere aus der Gruppe der anorganischen Faserwerkstoffe oder der Gruppe der anorganischen Feuerfestmaterialien.
- – Die Wärmedämmungsschicht kann mehrlagig aufgebaut sein.
- – Die Wärmedämmungsschicht kann aus einer anorganischen Faserwerkstoffschicht in Kontakt mit dem Rührerkern und einer anorganischen Feuerfestmaterialschicht in Kontakt mit dem Rührermantel bestehen.
- – Die Wärmedämmungsschicht kann eine Dicke von 3 bis 80 mm aufweisen.
- – Das Kühlmedium kann im Rührerkern als Zwangsführung in Reihe geschalteten einzelnen Abschnitte geführt werden, insbesondere um Kurzschlussströmungen zu vermeiden und die Kühlung des kompletten Rührerkerns sicherzustellen.
- – Das Kühlmedium kann nur die Rührerwelle und nicht die Rührerflügel durchströmen, so dass die Rührerflügel nicht direkt gekühlt werden.
- – Die Vorrichtung zur Herstellung von Glas kann folgende Mittel umfassen:
– Einschmelzvorrichtung zum Herstellen einer Glasschmelze,
– Lautervorrichtung zum Läutern der Glasschmelze,
– Durchführvorrichtung zum Durchführen der Glasschmelze von einer Teil-Vorrichtung zur nächsten, insbesondere zur und von der Rührvorrichtung,
– Konditioniervorrichtung zum Konditionieren der Glasschmelze,
– Heißformgebungsvorrichtung zum Formgeben der Glasschmelze.
- – Die Rührvorrichtung kann einen geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen, insbesondere einen um den Faktor 5 bis 30 geringeren, als eine vergleichbare Rührvorrichtung ohne eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht.
- – Die Rührvorrichtung kann bei einer Temperatur eines verwendeten Kühlmediums von 30°C und einer Temperatur der Glasschmelze von 1400°C einen geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen, insbesondere einen um den Faktor 5 bis 30 geringeren, als eine vergleichbare Rührvorrichtung ohne eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht.
- – Die Rührvorrichtung kann einen geringeren Wärmeentzug der Glasschmelze aufweisen, als eine vergleichbare Rührvorrichtung ohne eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht.
- – Die Rührvorrichtung kann bei einer Temperatur eines verwendeten Kühlmediums von 30°C und einer Temperatur der Glasschmelze von 1400°C einen geringeren Wärmeentzug der Glasschmelze aufweisen, insbesondere einen um den Faktor 5 bis 30 geringeren, als eine vergleichbare Rührvorrichtung ohne eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht.
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Weiterhin wird die Aufgabe gelöst mittels eines Verfahrens zur Herstellung von Glas, wobei eine vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Glas verwendet wird, umfassend eine Rührvorrichtung zum Rühren einer Glasschmelze, wobei die Rührvorrichtung wenigstens folgende Mittel umfasst:
- – einen Rührermantel, der mit der Glasschmelze in Kontakt steht,
- – ein Rührerkern, der nicht mit der Glasschmelze in Kontakt steht und der kühlbar ist, und
- – eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht, die den Wärmeentzug aus der Glasschmelze durch die Rührvorrichtung verringert.
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Weiterhin wird die Aufgabe gelöst mittels eines Verfahrens zur Herstellung von Glas umfassend wenigstens folgende Schritte:
- a) Rühren einer Gasschmelze mittels einer Rührvorrichtung, wobei die Rührvorrichtung wenigstens folgende Mittel umfasst:
– einen Rührermantel, der mit der Glasschmelze in Kontakt steht,
– ein Rührerkern, der nicht mit der Glasschmelze in Kontakt steht und der kühlbar ist, und
– eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht;
- b) Kühlen des Rührerkerns mittels eines Kühlmediums, wobei der Glasschmelze weniger Wärme entzogen wird, als bei Verwendung einer vergleichbaren Rührvorrichtung ohne eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht.
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Ausführungsbeispiele:
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Vorrichtung zur Herstellung von Glas (oder Glaskeramik), umfassend eine Rührvorrichtung zum Rühren einer Glasschmelze, wobei die Rührvorrichtung wenigstens folgende Mittel umfasst:
- – einen Rührermantel, der mit der Glasschmelze in Kontakt steht,
- – ein Rührerkern, der nicht mit der Glasschmelze in Kontakt steht und der mittels eines Kühlmediums (Wasser) kühlbar ist, und
- – eine zwischen Rührermantel und Rührerkern angeordnete Wärmedämmungsschicht, die den Wärmeentzug aus der Glasschmelze durch die Rührvorrichtung verringert.
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Typische, untersuchte Rührermanteloberflächen lagen zwischen 0,1 m
2 und 1,0 m
2. Die sich ergebenden Wärmedurchgangskoeffizienten unterschiedlicher Wärmedämmungsschichten und der daraus folgende Wärmeverlust der Rührvorrichtung sind in der folgenden Tabelle dargestellt (die Werte wurden für eine erfindungsgemäße Vorrichtung (ein erfindungsgemäßes Verfahren) umfassend einen Rührerkern aus 3 mm dickem Stahl, einer Kühlwassertemperatur von 30°C und einer Temperatur der Glasschmelze von 1400°C ermittelt): Tabelle:
| | Berechnete Wärmedurchgangskoeffizienten | Wärmeentzug Rührvorrichtung |
| Rührer mantel oberfläche | ohne Wärmedämmung | Dämmung:
10 mm
Feuerfestmaterial | Dämmung:
5 mm
Faserwerkstoff
10 mm
Feuerfest material | ohne Dämmung | Dämmung:
10 mm
Feuerfestmaterial | Dämmung:
5 mm
Faserwerk stoff
10 mm
Feuerfest material |
| m2 | W/m2·K | W/m2·K | W/m2·K | kW | kW | kW |
| 0,1 | 300 | 40 | 10 | 41 | 5,5 | 1,4 |
| 0,5 | 300 | 40 | 10 | 206 | 27,4 | 6,9 |
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Für komplexe Rührergeometrien wie sie für eine gute Homogenisierung der Glasschmelze notwendig sind, wie z.B. Rührer mit Förderwirkung mit mehreren Flügeln, existieren derzeit keine umsetzbaren Wärmedämmschichten.
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1 zeigt den schichtweisen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es konnte gezeigt werden, dass Energieeinsparungen von über 90% gegenüber einem nichtwärmegedämmten Aufbau möglich sind. Durch den schichtförmigen Aufbau kann der beste Nutzen aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren gezogen werden:
- – Mechanische Stabilität durch wassergekühlten Edelstahl
- – Geringer Wärmeentzug durch Wärmedämmung
- – Geringes Potenzial zur Glasfehlerbildung durch dünne Edelmetallschicht als Glasschmelzkontaktwerkstoff
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Einsatz und Verfahren:
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- – Nutzung für die Herstellung von Glas oder Glaskeramik (vorzugsweise Gieß- und Walzverfahren)
- – Nutzung für die Herstellung von gefloateten Gläsern oder Glaskeramiken
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1 zeigt im Detail einen Teilquerschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Glas, umfassend eine Rührvorrichtung zum Rühren einer Glasschmelze, wobei die Rührvorrichtung wenigstens folgende Mittel umfasst:
- – einen Rührermantel 1 (z.B. aus 0,1 bis 4 mm, insbesondere 0,5 bis 2 mm dickem Edelmetall), der mit der Glasschmelze 6 in Kontakt steht,
- – ein Rührerkern 4 (z.B. aus 1 bis 6 mm, insbesondere 3 mm dickem Stahl), der nicht mit der Glasschmelze 6 in Kontakt steht und der mittels eines Kühlmediums 5 (z.B. Wasser) kühlbar ist, und
- – eine zwischen Rührermantel 1 und Rührerkern 4 angeordnete zweilagige Wärmedämmungsschicht, die den Wärmeentzug aus der Glasschmelze 6 durch die Rührvorrichtung verringert, wobei die Wärmedämmungsschicht (z.B. insgesamt 5 bis 50 mm dick) aus einer anorganischen Faserwerkstoffschicht 3 (z.B. 6 mm Faserwerkstoff-Matte) in Kontakt mit dem Rührerkern 4 und einer anorganischen Feuerfestmaterialschicht 2 (z.B. 10 bis 40 mm Feuerfestmaterial; Formstein) in Kontakt mit dem Rührermantel 1.
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Für diesen Aufbau konnten Energieeinsparungen von über 90% gegenüber einem vergleichbaren, nichtwärmegedämmten Aufbau erzielt werden.
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2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten, wassergekühlten Rührer umfassend einen Rührermantel 1 und einen Rührerkern 4.
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3 zeigt die Rührvorrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Glas, umfassend die Rührvorrichtung zum Rühren einer Glasschmelze, wobei die Rührvorrichtung wenigstens folgende Mittel umfasst:
- – einen Rührermantel 1, der mit der Glasschmelze in Kontakt steht,
- – ein Rührerkern 4 der nicht mit der Glasschmelze in Kontakt steht und der mittels eines Kühlmediums kühlbar ist, und
- – eine zwischen Rührermantel 1 und Rührerkern 4 angeordnete Wärmedämmungsschicht, die den Wärmeentzug aus der Glasschmelze 6 durch die Rührvorrichtung verringert, wobei die Wärmedämmungsschicht aus einer anorganischen Faserwerkstoffschicht 3 in Kontakt mit dem Rührerkern 4 und einer anorganischen Feuerfestmaterialschicht 2 in Kontakt mit dem Rührermantel 1.
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4 zeigt den Rührerkern 4 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem die Führung des Kühlmediums als Zwangsführung in Reihe geschalteter einzelner Abschnitte ausgeführt wird. Parallelschaltungen einzelner Abschnitte wird vermieden, um Kurzschlussströmungen auszuschließen und die Kühlung des kompletten Rührerkerns 4 sicherzustellen.
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5 zeigt einen Rührerkern 4 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem nur die senkrechten Teile der Rührerwelle gekühlt werden, während die eigentlichen Rührflügel vom Kühlmedium nicht durchströmt und somit auch nicht gekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1060109 [0003]
- US 2982522 [0003]
- DE 6604676 U [0003, 0004]
- US 4047918 [0003]
- DE 4446574 C1 [0003]
- WO 98/38136 A1 [0003]
- DE 69601339 T2 [0003]
- DE 2824268 [0003, 0005]
- US 5006145 [0003]
