DE10211183A1

DE10211183A1 - Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze mit einer Unterdruck-Läuterkammer

Info

Publication number: DE10211183A1
Application number: DE10211183A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmitt; Klaus Jochem; Wolfgang Jost; Wolfgang Muench
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: DE10211183B4

Abstract

Im weit verbreiteten Umfang erfolgt dieses Läutern mit einer Unterdruck-Läuterkammer, die einer Glasschmelzwanne nachgeschaltet ist, und der ein Steigschacht (1) für die Zufuhr der zu läuternden Glasschmelze zu einer Läuterbank (5) der Läuterkammer sowie ein Fallschacht für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist. DOLLAR A Bei den Läuterkammern nach dem Stand der Technik ist das Steigrohr vertikal angeordnet, was ein schlechtes Verhältnis zwischen freier Glasoberfläche zur Menge an aufsteigenden Blasen bedingt. Dieses Verhältnis kann erfindungsgemäß dadurch verbessert werden, daß das Steigrohr (1) um einen Winkel von 45-85 DEG gegenüber der Horizontalen geneigt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze, mit einer Unterdruck-Läuterkammer, der ein Steigrohr für die Zufuhr einer zu läuternden Glasschmelze zu einer Läuterbank der Unterdruck- Läuterkammer sowie ein Fallrohr für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist.

Beim Schmelzen von Glas entstehen als Folge der chemischen Umsetzung der Ausgangsstoffe, des Gemenges, beachtliche Mengen an Gasen. Eine grobe Schätzung besagt, daß man aus 1.2 kg Gemenge etwa 1 kg Glas erschmilzt, d. h. während des Einschmelzens ≍ 1/5 des Gemengegewichts in Form von Gas freigesetzt werden. Andere Gase werden körperlich durch das Gemenge mitgeführt oder durch die Verbrennungs-Wärmequellen in das schmelzende Glas eingebracht.

Das meiste Gas entweicht zwar während des anfänglichen Aufschmelzens des Glases, jedoch wird ein beachtlicher Teil des Gases in der Schmelze eingefangen. Ein Teil des eingefangenen Gases wird in der Glasschmelze gelöst, der andere Teil verbleibt als örtliche Gaseinschlüsse, als sogenannte Blasen, in der Schmelze. Dabei wachsen oder schrumpfen die Blasen, wenn der Blaseninnendruck höher oder niedriger ist als der Gleichgewichtsdruck der gelösten Gase. Die Gasblasen haben dabei eine unterschiedliche Größe.

Da diese Gasblasen die Qualität eines aus der Glasschmelze hergestellten Glas- bzw. Glaskeramikkörpers nachteilig beeinträchtigen würden, wird die Glasschmelze von dem Gas geläutert.

Unter dem Läutern von Glas versteht man daher einen dem "eigentlichen" Aufschmelzvorgang in sogenannten Läuterbereichen nachgeschalteten Schmelzverfahrensschritt, der

- eine weitgehende Beseitigung von Gasblasen definierter Größenklassen und
- eine gezielte Einstellung des Gasgehalts der Glaschmelze sicherstellt und dabei gleichzeitig
- in eine komplexe Abfolge von Schmelzprozeßschritten zu integrieren ist.

Dabei ist in der Regel eine scharfe Trennung dieser Verfahrensschritte nicht möglich.

Die Läuterung des Glases ist demnach von höchster Bedeutung für die Qualität des am Ende des Schmelzprozesses vorliegenden Produkts. Der durch den Läuterprozeß eingestellte Zustand der Schmelze ist insbesondere für den nächsten Prozeßschritt des Konditionierens wichtig, da dort die Abläufe wie Resorption von Blasen im Glas als auch Neuentstehen von Blasen im Glas auftreten können.

Für das Läutern haben sich in bekannter Weise verschiedene Methoden herausgebildet.

Die Gasblasen haben von Hause aus durch ihren statischen Auftrieb das Bestreben, in der Schmelze aufzusteigen und dann ins Freie zu entweichen. Dieser Vorgang braucht ohne äußere Einflüsse jedoch eine beträchtliche Zeit, die den Produktionsprozeß wegen langer Standzeiten verteuern würde. Es ist daher bekannt, in der Läuterungszone höhere Temperaturen zu erzeugen, um so die Viskosität der Schmelze und damit die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen zu erhöhen, sowie den Blasendurchmesser zu vergrößern. Diese zusätzliche Temperaturerhöhung erfordert allerdings eine beachtliche Energie, was ebenfalls den Produktionsprozeß kostenmäßig stark belastet.

Bewährt und weitgehend optimiert ist auch die Methode des chemischen Läuterns von Glas mit Oxiden mit temperaturabhängigen Oxidationsstufen. Hierbei kommen insbesondere als Läutermittel Sb(V)-Oxid, As(V)-Oxid und Sn(IV)-Oxid in Frage. Auch ist die NaCl- oder die Sulfatläuterung bekannt. Daneben gibt es exotische Läutermittel sowie ein Mix aus verschiedenen Läutermitteln. Hierbei sollte auch immer der Umweltaspekt berücksichtigt werden. Bei der chemischen Läuterung werden die Aufstiegsgeschwindigkeiten kleiner Blasen dadurch erhöht, indem man sie mit dem Läutergas, z. B. mit O₂ aufpumpt, das aus den Läutermitteln entsteht.

Das chemische Läutern besteht letztlich aus einer Abfolge zeitlich und räumlich miteinander verwobener Elementarschritte. Zunächst werden die in der Rauhschmelze fein dispergierten Blasen durch das Läutergas, z. B. O₂ so stark aufgebläht, daß eine drastische Verkürzung der Aufstiegszeiten eintritt. Gleichzeitig extrahieren die Läuterblasen die im Glas gelösten Gase. In abschließenden Abkühlschritten findet eine möglichst vollständige Resorption der unvermeidlichen Restblasen statt. Als Zielgrößen für eine gelungene Einstellung des Gasgehalts im Glas gelten u. a. Farbe, Wassergehalt und die Reboilbedingungen im wesentlichen von O₂ und SO₂. Eine einmal erreichte befriedigende Blasenqualität darf sich im Absteh- oder Formgebungsprozeß nicht wieder verschlechtern.

Das chemische Läutern hat einige prinzipbedingte Nachteile:

- die Methode funktioniert nicht für jedes Glassystem in befriedigender Weise oder nur bei hoher Temperatur,
- der Läutervorgang benötigt viel Zeit, da die Gasdiffusion in der Schmelze sehr langsam verläuft. Dadurch müssen die Läuterbereiche eine relativ große Ausdehnung haben, was die Produktionskosten erhöht,
- die Läutermittel ändern die Chemie des Glases und damit dessen Eigenschaften; sie sind darüber hinaus z. T. toxisch (Arsen, Antimon).

Wegen dieser Nachteile sind auch sog. physikalische Läuterverfahren bekannt geworden, die die Chemie des Glases weitgehend unbeeinträchtigt lassen. Das physikalische Läutern einer Glasschmelze beruht darauf, daß Blasen mit physikalischen Methoden "gezwungen" werden, an die Oberfläche der Schmelze aufzusteigen, die dann dort zerplatzen und ihren Gasinhalt freigeben oder sich in der Schmelze auflösen.

Ein weitverbreitetes physikalisches Läuterverfahren stellt dabei das sogenannte Unterdruckläutern dar, das in zahlreichen einschlägigen Veröffentlichungen beschrieben wird. Beispielhaft sei hierzu auf die EP 0 231 518 B1 verwiesen. Durch die DE 198 22 437 C1 ist es dabei auch bekannt, eine Unterdruckläuterung mit einer Überdruckläuterung zu kombinieren.

Beim Unterdruckläutern wachsen ebenfalls die in der Schmelze vorhandenen Blasen. Das Blasenwachstum ist einmal bedingt durch das Boyle-Mariottesche Gesetz "p.V = const.", d. h. fällt der Druck p ab, so steigt das Volumen V und zum anderen dadurch, daß der Partialdruck der in den Blasen vorhandenen Gase unter den Partialdruck der Gase in der Schmelze erniedrigt wird. Ferner findet eine Diffusion der Gase aus der Schmelze in die Blasen statt. Die Blasen werden durch diese Effekte größer, steigen schneller an die Oberfläche der Schmelze auf, zerplatzen dort oder werden "abgeschröpft". Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß eine spontane Neublasenbildung der gelösten Gase an sogenannten Keimen (Wandung, Miniblasen) stattfindet, was in der Regel zu Schaum führt, der mit geeigneten Methoden bekämpft werden kann.

Es sind weitere Maßnahmen bekannt, um das Unterdruckläutern zu verbessern. So beschreibt die US 1 598 308 das sogenannte Pike-Verfahren, bei dem das Glas zunächst in einer Wanne geschmolzen und dann über einen Vorbau einer Unterdruck-Läuterkammer zugeführt wird. Um Schwankungen im Glasstand auszugleichen, ist die gesamte Läuterkammer in der Höhe verstellbar. Das geschmolzene Glas gelangt dabei über einen Steigschacht zur Läuterbank der Läuterkammer, auf der die Glasschmelze von den Blasen "befreit" wird. Nach der Läuterung wird das geschmolzene Glas über einen getrennten, zum Steigschacht beabstandet angeordneten Fallschacht der Weiterverarbeitung zugeführt.

Eine Reihe von weiteren Dokumenten der Patentliteratur beschreiben Verbesserungen des Pike-Verfahrens. Hierzu seien stellvertretend die EP- Dokumente 0 939 058 A1, 1 078 891 A2, 1 044 929 A1, 0 967 179 A1 und 0 963 955 A1 genannt.

Die vorbeschriebenen bekannten Vorrichtungen zum Läutern einer Glasschmelze mit einer Unterdruck-Läuterkammer weisen sämtlich ein vertikales Steigrohr für die Zufuhr der zu läuternden Glasschmelze zu der Läuterbank auf.

Bei senkrechtem Steigrohr besteht jedoch ein schlechtes Verhältnis zwischen freier Glasbadoberfläche am Ende des Steigrohres zur Menge an aufsteigenden Blasen. Dies führt einerseits zu starker Schaumbildung an der Oberfläche, die mit anderen Mitteln/Methoden bekämpft werden muß. So wird beispielsweise in der EP 0 967 180 die Eindüsung von Substanzen zur Schaumzerstörung vorgeschlagen. Dies bedeutet aber einen Eingriff in die Dichtheit des Unterdrucksystemes, funktioniert nicht für alle Gläser und erzielt nur einen begrenzten Erfolg.

Andererseits gelangen Blasen direkt in die Entnahmeströmung und so evt. direkt ins Produkt. Diesem Problem wird u. a. mittels Barrieren, wie beispielsweise in EP 0 908 417, DE 100 55 967 und DE 100 55 968 beschrieben bzw. mittels spezieller Geometrien der waagerechten Läuterbank entgegengewirkt (EP 1 044 929, DE 100 55 970).

Ein weiteres Problem bei senkrechtem, unbeheizten Steigrohr ist der Anfahrprozeß. Das heiße Glas muß schnellstmöglich in das Steigrohr gesaugt werden, um durch einen stetigen Durchfluß für die Beheizung des Steigrohres zu sorgen, so wie es in der EP 0 939 058 beschrieben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete Vorrichtung so auszubilden, daß ein größeres Verhältnis zwischen freier Glasbadoberfläche zur Menge an aufsteigenden Blasen erreicht werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze mit einer Unterdruck-Läuterkammer, der ein Steigrohr für die Zufuhr einer zu läuternden Glasschmelze zu einer waagrechten Läuterbank der Unterdruck-Läuterkammer sowie ein Fallrohr für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist, gemäß der Erfindung dadurch, daß das Steigrohr um einen Winkel von 45-85° gegenüber der Horizontalen geneigt ist.

Durch die erfindungsgemäße Neigung des Steigrohres erreichen die aufsteigenden Blasen früher und auch großflächiger die obere Wandung des geneigten Steigrohres als bei einem vertikalen Steigrohr die relativ kleine freie Glasbadoberfläche am Ende des Steigrohres und können dort gezielt ohne Mitnahme in die Entnahmeströmung abgetrennt werden. Ferner findet mit Vorteil eine "Vorsortierung" der Blasen statt.

Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt wenn der Neigungswinkel im Bereich von 60-80° liegt.

Die Abtrennung der Gasblasen von der Entnahmeströmung läßt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auf konstruktiv einfache Weise dadurch bewerkstelligen, daß im oberen Bereich des Überganges vom geneigten Steigrohr zur waagrechten Läuterbank eine Schaumbarriere eingebaut ist.

Dieses Abtrennen kann gemäß einer Ausgestaltung dadurch unterstützt werden, daß an der Unterseite des geneigten Steigrohres mindestens eine Strömungsbarriere eingebaut ist.

Das Abziehen der aufgestiegenen Blasen kann alternativ oder auch ergänzend zu den Schaumbarrieren gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung dadurch erfolgen, daß an der Oberseite des geneigten Steigrohres mindestens ein Entlüftungs-/Saugstutzen angebracht sind.

Vorzugsweise ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Vorrichtung so ausgebildet, daß an der Unterseite des geneigten Steigrohres mindestens ein glas- und vakuumdicht verschließbarer Bodenablauf vorgesehen ist.

Durch diesen Bodenablauf in Verbindung mit dem Entlüftungs-/Saugstutzen kann einmal ein gestuftes Anfahren der Läuterkammer erreicht werden. Zum anderen kann bei einem Produktionsstillstand für einen Bypaß-ähnlichen Durchsatz der Glasschmelze gesorgt werden.

Diese Maßnahmen lassen sich besonders günstig durchführen, wenn mehrere Entlüftungs-/Saugstutzen oder Bodenabläufe beabstandet entlang der Steigrohr- Längsausdehnung angebracht sind.

Das Anfahren kann dann feinstufiger erfolgen bzw. der Bypaß-ähnliche Durchsatz kann dann von einem höheren Niveau aus im Steigrohr abgeleitet werden.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in einer schematisierten Längsschnitt- Darstellung ein Steigrohr 1 einer Unterdruck-Läuterkammer, das um einen Winkel von 45-85°, bevorzugt 60-80°, gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Der Eingang des Steigrohres 1 ist über eine Speiserinne 2 mit einer Schmelzwanne 3 mit vorgegebenem Glasstand verbunden, in der Glas auf übliche Weise zu einer Glasschmelze 4 aufgeschmolzen wird, die es zu läutern gilt. Der Ausgang des Steigrohres steht in konventioneller Weise mit einer Läuterbank 5 bekannter Bauart in Verbindung, in der ebenfalls ein bestimmter Glasstand, dargestellt durch die Glaslinie, eingestellt ist.
An der Unterseite 1b des schrägen Steigrohres 1 ist mindestens eine Strömungsbarriere 6, im dargestellten Ausführungsbeispiel sind es zwei, eingebaut. Vor jeder Strömungsbarriere ist dabei ein Bodenablauf 7 eingebaut.
Eine weitere Schaumbarriere 8 ist im oberen Bereich des Überganges in die waagrechte Läuterkammer 5 eingebaut. Ferner sind an der Oberseite 1a des schrägen Steigrohres zusätzliche Entlüftungs-/Saugstutzen 9 angebracht.
Durch die erfindungsgemäße Neigung des Steigrohres 1 erreichen die aufsteigenden Blasen früher die obere Wandung 1a des geneigten Steigrohres als bei einem vertikalen Steigrohr die freie Glasbadoberfläche am Ende des Steigrohres. Sie können dann über die zusätzlichen Entlüftungs-/Saugstutzen 9 abgezogen werden oder gezielt durch die Barriere 8 von der Entnahmeströmung abgetrennt werden. Dies wird durch die zusätzlichen Strömungsbarrieren 6 an der Unterseite 1b des geneigten Steigrohres 1 unterstützt.
Beim Anfahren kann das Befüllen des Steigrohres 1 in Stufen erfolgen. Dazu wird über einen der Entlüftungs-/Saugstutzen 9 ein Unterdruck entsprechend der gewünschten Glasstandshöhe eingestellt und das Glas wird dann über den Bodenablauf 7, der jeweils gegenüber dem Entnahme-/Saugstutzen 9 angeordnet ist, entnommen. Dadurch ist ein Glasfluß und somit die ausreichende Beheizung des Steigrohres gewährleistet. Dieser Vorgang führt weiterhin dazu, daß durch die Abstrahlung des heißen Glases die restlichen, noch nicht mit Glas gefüllten Bereiche des Steigrohres vorgeheizt werden. Nach dem Anfahrvorgang werden die Bodenabläufe 7 mittels Stopfen oder ähnlichen Vorrichtungen glas- und gasdicht verschlossen.
Die Bodenabläufe 7 können auch dazu dienen, bei Produktionsstillständen für einen notwendigen Durchsatz zur Vermeidung des Einfrierens des Glases in den dem Läuterteil vorgelagerten Anlagenteilen, zu sorgen.
Als Materialien für Steigrohr 1, Barrieren 6, 7 und Entlüftungs-/Saugstutzen 9 bzw. Bodenabläufe 7 sind keramische Feuerfest-Materialien oder Refraktärmetalle wie Platin oder Molybdän und deren Legierungen denkbar.
Molybdän ist kostengünstiger als Edelmetalle, z. B. Platin, stabiler bei hohen Temperaturen und korrosionsfest bei den meisten Glasarten. Aber auch andere Refraktärmetalle, wie Iridium oder Wolfram oder andere Edelmetalle können pinzipiell verwendet werden.
Durch die Neigung des Steigrohres 1 wird weiterhin eine "Vorsortierung" der Blasen nach ihrer Größe erreicht. Große Blasen steigen schneller auf und können über die Entlüftungs-/Saugstutzen 9 abgezogen werden. Kleine Blasen steigen langsamer auf und gelangen eher in die Glasentnahmeströmung. Diese kleinen Blasen sind aber so klein, daß sie im weiteren Verlauf des Prozesses bei Rückkehr auf Normaldruck im Bereich des Fallrohres der Läuterkammer in der Glasmasse resorbiert werden können.

Claims

1. Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze (4) mit einer Unterdruck- Läuterkammer, der ein Steigrohr (1) für die Zufuhr einer zu läuternden Glasschmelze (4) zu einer waagrechten Läuterbank (5) der Unterdruck- Läuterkammer sowie ein Fallrohr für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (1) um einen Winkel von 45-85° gegenüber der Horizontalen geneigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel im Bereich von 60-80° liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich des Überganges vom geneigten Steigrohr (1) zur waagrechten Läuterbank (5) eine Schaumbarriere (8) eingebaut ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite (1b) des geneigten Steigrohres (1) mindestens eine Strömungsbarriere (6) eingebaut ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite (1a) des geneigten Steigrohres (1) mindestens ein Entlüftungs-/Saugstutzen (9) angebracht sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite (1b) des geneigten Steigrohres mindestens ein glas- und vakuumdicht verschließbarer Bodenablauf (7) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Entlüftungs-/Saugstutzen (9) oder Bodenabläufe (7) beabstandet entlang der Steigrohr-/Längsausdehnung angebracht sind.