DE10244807A1

DE10244807A1 - Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Einschmelzen insbesondere hochreiner aggressiver und hochschmelzender Gläser

Info

Publication number: DE10244807A1
Application number: DE10244807A
Authority: DE
Inventors: Sybill Nuettgens; Michael Leister; Volker Ohmstede; Uwe Kolberg; Guido Raeke; Hildegard Roemer; Karl Mennemann; Ernst-Walter Schaefer
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: CN1291929C; EP1432654A1; EP1432654B1; DE50204288D1; US7444837B2; DE10244807B4; US20050039492A1; AU2002350474A1; JP4392243B2; JP2005504707A; CN1639075A; ATE304516T1; WO2003031355A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Einschmelzen insbesondere hochreiner aggressiver und/oder hochschmelzender Gläser in einem Skulltiegel beschrieben, bei welchen zur Beheizung der Schmelze mittels einer den Skulltiegel umgebenden Spulenanordnung Hochfrequenzenergie in den Tiegelinhalt eingekoppelt wird und das Auflegen des Gemenges und das Abführen des aufgeschmolzenen Glases im oberen Tiegelbereich erfolgen und unaufgelöste Gemengebestandteile mittels einer gekühlten Brücke, die in die Schmelze eintaucht, zurückgehalten werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das Glas oberhalb der Spulenanordnung abgezogen und ohne den Spulenbereich zu durchströmen der Weiterverarbeitung zugeführt Dies hat den Vorteil, dass für die Verbindung der Einschmelzeinheit mit den weiterverarbeitenden Stationen einfache, konventionelle Bauteile verwendet und die Art der Verbindung so ausgewählt werden kann, dass Beeinträchtigungen der Glasqualität durch eine nicht optimale Verbindungstechnik vermieden werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Einschmelzen insbesondere hochreiner, aggressiver und hochschmelzender Gläser in einem Skulltiegel, bei welchem zur Beheizung der Schmelze mittels einer den Skulltiegel umgebenden Spulenanordnung Hochfrequenzenergie in den Tiegelinhalt eingekoppelt wird, und das Auflegen des Gemenges und das Abführen des aufgeschmolzenen Glases im oberen Tiegelbereich erfolgen, und unaufgelöste Gemengebestandteile mittels einer gekühlten Brücke, die von oben her wenigstens teilweise in die Schmelze eintaucht, zurückgehalten werden.

Aggressive Gläser mit der Anforderung an hohe Reinheit werden heute diskontinuierlich in Platintiegeln oder kontinuierlich in Platinwannen geschmolzen. Dabei bestehen sowohl die Einschmelzwanne als auch die Läuterwanne und die Homogenisierungswanne aus Platin. Diese Schmelztechnologie ist aufgrund der hohen Kosten des Edelmetalls als auch der kurzen Standzeiten solcher Platinaggregate nachteilig.

Insbesondere der Bereich des Einschmelzens, wo Gemengereaktionen ablaufen, ist starker Korrosion ausgesetzt und damit bezüglich der Standzeiten oft das begrenzende Bauteil einer Platinwanne. Bedingt durch die Beheizungstechnologie über die Platinwandung und die Stabilität des Platins sind mit solchen Aggregaten nur maximale Durchsätze von kleiner 1 t pro Tag möglich bei einem Volumen der Einschmelzwanne bzw. -tiegel von 90 l.

Bekannt sind neben Platineinschmelzaggregaten auch sogenannte Skulltiegel, die aus wassergekühlten, beabstandet zueinander angeordneten Metallrohren aufgebaut sind und in denen die Schmelze mittels Induktionsspulen, die den Tiegel umgeben, durch Einstrahlung von Hochfrequenzenergie beheizt wird. Solche Einschmelzaggregate haben den Vorteil, dass sich im Randbereich des Tiegels durch die Wasserkühlung zwangsweise eine Schutzschicht aus arteigenem Material ausbildet, die die Schmelze in Form eines arteigenen Tiegels umgibt und somit vor Verunreinigungen schützt.

Aus PETROV, YU. B. ET AL.: "Continuous casting glass melting in a cold crucible induction furnace", XV INTERNATIONAL CONGRESS ON GLASS 1989, PROCEEDINGS, Bd. 3a, 1989, Seiten 72-77, ist ein Tiegel der genannten Art zum Einschmelzen hochreiner Gläser bekannt. Bei diesem Tiegel wird das Gemenge im oberen Tiegelbereich zugeführt und das Glas ebenfalls im oberen Tiegelbereich abgezogen. Gemenge und Auslaufbereich sind durch eine gekühlte Brücke, die tief in die Schmelze eintaucht, um unaufgelöste Gemengenbestandteile zurückzuhalten, voneinander getrennt. Das aufgeschmolzene Glas wird am oberen Tiegelrand über eine innerhalb der Spule angeordnete Überlaufrinne abgezogen und fällt in Form eines Glasstrangs zwischen Tiegelwandung und Spuleninnenradius nach unten.

Die Schrift gibt keine Auskunft darüber, auf welche Art und Weise der Glasstrang aufgefangen und der Weiterverarbeitung zugeführt wird. Es liegt jedoch auf der Hand, dass bei der beschriebenen Anordnung die Möglichkeiten der Verbindung der Schmelzeinheit mit den weiterverarbeitenden Einheiten sehr beschränkt sind. Zudem ist bei der bekannten Verfahrensführung damit zu rechnen, dass die Glasmenge im Glasstrang zeitlichen Schwankungen unterliegt, so dass allenfalls nur eine quasikontinuierliche Prozessführung möglich ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Fallhöhe des Glasstrangs sehr groß sein muss, da das Glas wenigstens die gesamte Spulenhöhe durchfallen muss, bevor es in einer außerhalb der Spule angeordneten Rinne oder Wanne aufgefangen werden kann. Als Folge hiervon ist damit zu rechnen, dass Blasen in die Schmelze eingeschlagen werden und die Schlierenqualität verschlechtert wird. Die Abkühlung des Glases im Glasstrang kann weiterhin bei hochschmelzenden Gläsern problematisch sein. Diese Problematik kann darin bestehen, dass das Glas nicht geführt wird und es dadurch zum Spritzen des Glases kommen kann. Weiterhin können elektrische Überschläge zwischen Spule und Glasstrang oder zwischen Glasstrang und Tiegel auftreten, die zur Zerstörung der Spule oder/und des Tiegels führen können.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Einschmelzverfahren bzw. Vorrichtung der bekannten Art so weiterzubilden, dass zur Anbindung der Einschmelzeinheit an die weiterverarbeitenden Stationen einfache, möglichst konventionelle Bauteile verwendet und Beeinträchtigungen der Glasqualität durch eine nach dem Stand der Technik zwingend vorgegebene Verbindungstechnik vermieden werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst.

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass es für ein gleichmäßiges Aufschmelzen des Tiegelinhalts nicht unbedingt erforderlich ist, das gesamte Schmelzvolumen, so wie aus dem Stand der Technik bekannt, innerhalb der Induktionsspule anzuordnen - eine Maßnahme, die im Stand der Technik dazu dienen soll, die Hochfrequenzenergie möglichst gleichmäßig in das gesamte Schmelzvolumen einzutragen, die aber andererseits dazu führt, dass die Verbindung des Schmelztiegels aufgrund der störenden Spulenanordnung mit der nächsten Einheiten der Weiterverarbeitung mit konventionellen Bauteilen nicht möglich ist.

Gemäß der Erfindung ragt der Glasstand in dem Tiegel wenigstens so weit über das obere Ende der Spulenanordnung hinaus, dass der Glasauslauf vollständig oberhalb der Spulenanordnung angeordnet werden kann. Weiterhin ragt das äußere Ende des Glasauslaufs über den Außenradius der Induktionsspule hinaus. Damit ist das Glas, ohne den Spulenbereich zu durchströmen, der Weiterverarbeitung zuführbar. Die Verbindung des Schmelztiegels mit der nächsten Weiterverarbeitungseinheit ist, da keine störenden Spulen im Weg sind, in einfacher und kostengünstiger Weise mit konventionellen Bauteilen möglich. Bezüglich der Auswahl der nachfolgenden Bauteile bestehen keinerlei Beschränkungen, so dass bei der Auswahl einer geeigneten Verbindungstechnik mögliche Beeinträchtigungen der Glasqualität durch die Art der Verbindung gering gehalten werden können.

Dass es bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung bzw. Vorrichtung zu keiner nennenswerten Abkühlung der Schmelze oberhalb des Spulenbereichs kommt, überrascht. Eine wesentliche Rolle scheinen hierbei die Beheizungsart und die dadurch induzierten Konvektionsströmungen zu spielen. Durch die Hochfrequenzbeheizung wird die heißeste Zone im Glas mitten im Schmelzvolumen in der Mitte der Spulengeometrie erzeugt. Die Tiegelwände sind dagegen durch die Wasserkühlung kalt. Als Folge hiervon scheint sich eine starke Konvektionswalze auszubilden, die große Wärmemengen aus dem heißen Kern in die oberen kälteren Bereiche des Schmelzvolumens transportiert (siehe hierzu Fig. 1). Die Ausbildung der Konvektionswalze kann, wie weiter unten noch erläutert wird, durch zusätzliches Bubbling noch unterstützt werden.

Es hat sich gezeigt, dass dieser Effekt noch durch den Einsatz der gekühlten Brücke verstärkt werden kann. Schmelze, die in den Bereich der gekühlten Brücke gelangt, wird von dieser gekühlt und sinkt nach unten in Richtung Boden ab. Es bildet sich eine Abwärtsströmung aus, die in der Schmelze offensichtlich eine Art "Kälte-" bzw. "Strömungsvorhang" erzeugt. Dieses Verhaltens verstärkt ebenfalls die Umwälzung der gesamten im Schmelzbereich des Tiegels befindlichen Schmelze. Brücken an sich sind in der Schmelztechnik bekannt und werden üblicherweise dazu eingesetzt, unaufgelöste Gemengebestandteile am direkten Durchströmen zum Glasauslauf hin zu hindern. Zusätzlich zu ihrer rein mechanischen Trennwirkung zwischen Einschmelz- und Auslaufbereich trennt die wassergekühlte Brücke gemäß der Erfindung die beiden Bereiche somit auch noch thermisch durch die Ausbildung des beschriebenen "Kälte-" bzw. "Strömungsvorhanges". Die Trennwirkung der Brücke reicht damit viel weiter in das Glasvolumen hinein als es ihren geometrischen Ausmaßen Entspricht.

Wesentlich für die Erfindung ist, dass dieser Effekt bereits bei nur geringen Eintauchtiefen der Brücke auftritt. Zu große Eintauchtiefen der gekühlten Brücke könnten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Vorrichtung, da der obere Bereich des Schmelzvolumens wie auch der Glasauslauf oberhalb des Bereichs der Hochfrequenzenergieeinstrahlung liegen, zum Einfrieren des Glasauslaufs führen.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung in einem Vertikalschnitt einen Einschmelztiegel gemäß der Erfindung (mit Darstellung der Konvektionswalzen und der heißen Kernzone); Fig. 2a und b zwei verschiedene Ausführungsformen für die Bodenplatte eines Skulltiegels;

Fig. 3a,b,c in schematischer Darstellung in Draufsicht drei bevorzugte Ausführungsformen für die Ausführung und Anordnung der gekühlten Brücke gemäß der Erfindung;

Fig. 4 in schematischer Darstellung in einem Vertikalschnitt eine gekühlte Brücke in einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 5a,b in schematischer Darstellung in Vorder- und Seitenansicht die Anordnung der elektrischen Kurzschlussverbindungen im Auslaufbereich;

Fig. 6 in schematischer Darstellung in Draufsichr von oben ein Einschmelztiegel gemäß der Erfindung mit zwei Ausläufen;

Fig. 7a in schematischer Darstellung in Seitenansicht eine Wanne mit direkter Verbindung zwischen HF-Einschmelztiegel und Platinrinne zur kontinuierlichen Prozeßführung;

Fig. 7b in schematischer Darstellung in Seitenansicht eine Wanne mit freifallendem Glasstrang zwischen dem HF-Einschmelztiegel und der Platinrinne.

Fig. 1 zeigt eine Einschmelzvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Skulltiegel 1. Der Skulltiegel 1 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform eine zylindrische Tiegelwandung 1.1.

Nachfolgend werden Details des Tiegelaufbaus beschrieben, die aber zur besseren Übersichtlichkeit in der Figur nicht alle dargestellt sind:

Die Tiegelwandung 1.1 ist aus einem Kranz von vertikalen, oben und unten mäanderartig miteinander verbundenen Metallrohren aufgebaut. Auch der Tiegelboden 1.2 kann aus Metallrohren oder -segmenten bestehen, oder aber auch aus Feuerfestmaterial.

Die Metallrohre sind an wenigstens eine Kühlmittelzufuhr bzw. Kühlmittelabfuhr angeschlossen. In der Regel wird Wasser als Kühlmittel eingesetzt. Die Kühlmittelführung ist gemäß der Anordnung der Metallrohre mäanderförmig. Je nach Tiegelgröße können mehrere Kühlmittelkreisläufe zur Kühlung einzelner Ringsegmente vorgesehen sein. Die Metallrohre sind im Bodenbereich des Tiegels bei kleineren Edelstahl-Tiegeln mit einem Volumen bis zu 50 l beabstandet gehalten und nicht miteinander elektrisch leitend verbunden. Bei Kupfertiegeln können auch größere Tiegel bis 100 l mit beabstandeten Rohren ausgeführt sein. Um einen elektrischen Kurzschluss hier zu verhindern, werden beispielsweise Glimmerplättchen zwischen benachbarten Rohren positioniert. Bei Tiegeln mit sehr großen Schmelzvolumina kann es günstig sein, so wie in der DE 199 39 780.5 A1 beschrieben, auch im Bodenbereich einen elektrischen Kurzschluß der Rohre zusätzlich zu positionieren. Am oberen Tiegelende sind alle Rohre miteinander elektrisch kurzgeschlossen.

Der Boden 1.2 des Skulltiegels 1 ist elektrisch von der Tiegelwandung 1.1 isoliert. Dies wird beispielsweise durch eine Quarzal- oder Glimmerplatte erreicht. Es können hier natürlich auch andere elektrisch nicht leitfähige Material en verwendet werden. Der Boden 1.2 ist ebenfalls gekühlt und kann, wie in Fig. 2 dargestellt, beispielsweise aus mäanderförmig geführten Rohren 1.2.1 bestehen oder aus tortenförmig angeordneten metallischen Stücken 1.2.2 aufgebaut sein. Es liegt auf der Hand, dass die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausgestaltungen des Tiegels beschränkt ist. Auch andere Tiegelformen, geometrische Anordnungen der Metallrohre bzw. Ausgestaltungen des Tiegelbodens sind von der Erfindung mit umfasst.

Die Beheizung des Tiegels 1 erfolgt in üblicher Weise durch eine Induktionsspule 1.3, die die Tiegelwandung 1.1 umgibt und über welche Hochfrequenzenergie in den Tiegelinhalt einkoppelbar ist. In dem Tiegel 1 befindet sich die Glasschmelze 10. Die Oberfläche der Glasschmelze 10 ist in Fig. 1 mit 10.1 bezeichnet.

Der Tiegel weist einen Einlass 1.4 zum Zuführen von Gemenge und einen Auslauf 1.5 zum Abführen des geschmolzenen Glases auf.

Wesentlich für die Erfindung ist, dass, wie in Fig. 1 dargestellt, nur der untere Teil des Tiegels von der Induktionsspule 1.3 umgeben ist. Der Tiegel 1 ist relativ zur Spule 1.3 so angeordnet, dass die Schmelze im Tiegel deutlich aus dem Spulenbereich herausragt, d. h. die Oberfläche 10.1 der Schmelze 10 befindet sich deutlich oberhalb des oberen Endes der Induktionsspule 1.3. Ebenso ist der Glasauslauf 1.5 oberhalb des oberen Spulenendes angeordnet und reicht über den äußeren Radius der Induktionsspule hinaus. Dadurch ist gewährleistet, dass die Schmelze außerhalb des von der Induktionsspule 1.3 umschlossenen Bereichs, d. h. ohne den Spulenbereich zu durchströmen, abgezogen und den Weiterverarbeitungseinheiten zugeführt werden kann. Der Glasauslauf 1.5 kann, da die Verbindungsstelle außerhalb des Induktionsspulenbereichs liegt, in einfacher Weise mittels konventioneller Bauteile mit beliebigen weiterverarbeitenden Einheiten verbunden werden.

Ein weiteres erfindungswesentliches Merkmal ist die Anordnung einer Brücke 2 im oberen Teil des Tiegels 1. Die Brücke 2 taucht wenigstens teilweise in die Schmelze ein und trennt so den Gemengebereich vom Überlauf- und Auslaufbereich. Geringe Eintauchtiefen reichen bereits aus, um den eingangs erwähnten Strömungsvorhang auszubilden.

Die richtige Dimensionierung von Tiegel, Auslauf und Brücke und deren Anordnung relativ zueinander hängt vom Einzelfall ab und kann vom Fachmann jederzeit mittels einiger einfacher Routineexperimente leicht ermittelt werden. Bei einem Skulltiegel mit einem Füllvolumen von 30 l haben sich folgende Werte für die Positionierung der Brücke, der Spule und des Glasauslaufs als günstig erwiesen: Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Brücke so tief in die Glasschmelze eintauchen zu lassen, dass sich ihr unteres Ende etwa 1 bis 2 cm unterhalb des Bodens des Glasauslaufs 1.5 befindet. Damit ist auf jeden Fall gewährleistet, dass unaufgelöste Gemengebestandteile nicht unter der Brücke durch und zum Auslauf hin strömen können. Dabei sollte sich die Brücke vorteilhafterweise aber immer noch oberhalb der Induktionsspule befinden, vorzugsweise etwa 1 cm. Stärker bevorzugt sollte der Abstand zwischen unterem Ende der Brücke und oberem Ende der Spule 2 cm betragen. Prinzipiell kann das Brückenende auch bis in den Spulenbereich hineinragen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das Hochfrequenzfeld um so mehr verdrängt wird, je tiefer die Brücke in den Spulenbereich eintaucht, mit der Folge, dass die Ankopplung sinkt und die Schmelze im Auslaufbereich einfrieren kann.

Der Glasstand im Auslauf sollte wenigstens 2 cm betragen. Andernfalls besteht auch hier die Gefahr des Einfrierens der Schmelze.

Das äußere Ende des Glasauslaufs sollte mindestens 2 cm über den äußeren Umfang der Spule hinausragen. Wird dieser Wert unterschritten, muss für eine elektrische Isolierung der sich an den Glasauslauf anschließenden Systeme gesorgt werden.

Generell gilt, dass die Geometrie der Brücke 2 variieren kann. Fig. 3 zeigt drei verschiedene bevorzugte Ausführungsformen für eine Brücke. Dargestellt sind jeweils in Draufsicht der zylindrische Skulltiegel 1 mit Glasauslauf 1.5 und eine bevorzugte Variante der Brücke 2. Die Brücke 2 kann einen geraden (Fig. 3a), eckigen (Fig. 3b) oder gebogenen (Fig. 3c) Querschnitt aufweisen.

Man erkennt in Fig. 3a, dass bei der "geraden" Ausführungsform der Brücke 2 sogenannte "tote" Bereiche 10.3 der Schmelze 10 auftreten, die durch die Brücke vom Einschmelzbereich abgetrennt werden. In diesen toten Bereichen 10.3 ist das Verhältnis von durch die Hochfrequenzstrahlung zugeführter zu durch die Kühlung abgeführter Energie sehr ungünstig und es besteht die Gefahr des Einfrierens der Schmelze. Zudem steht diese Fläche dem Aufschmelzbereich nicht zur Verfügung, was zu Lasten der Schmelzleistung geht. Bei kleinen Tiegeln ist dieser Effekt gering, so dass sich bei diesen Tiegeln der Einfachheit halber dennoch die Verwendung einer geraden Brücke empfiehlt. Geht man zu größeren Schmelzvolumina über (>70 l) ist es zweckmäßig, Maßnahmen zu ergreifen, um diese Bereiche dem Einschmelzbereich wieder zuzuführen. Mögliche Lösungen zeigen die runde und die eckige Brücke der Fig. 3b und c. Die "toten" Bereiche 10.3 sind bei diesen Ausführungsformen deutlich verkleinert, wobei die eckige Variante den Vorteil bietet, dass sie konstruktiv leichter zu realisieren ist.

Unabhängig von der speziellen Ausführungsform muss die Brücke 2 ebenfalls wie die gesamte Tiegelwandung 1.1 aus gekühlten, vorzugsweise metallischen Bauteilen aufgebaut sein. Um die Hochfrequenz möglichst wenig zu beeinflussen, ist die Brücke 2 vorzugsweise, so wie in Fig. 4 dargestellt, aus einzelnen, in bezug auf die Kühlmittelführung mäanderförmig angeordneten Rohren 2.2 aufgebaut, die an ihre oberen Enden noch elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Hier erfolgt auch mit Hilfe eines elektrischen Kontakts (Metallverbindung) zwischen der Brücke und dem restlichen Skulltiegel ein elektrischer Kurzschluss sowohl aller Rohre 2.2 der Brücke 2 bzw. der Brückenteile untereinander als auch mit dem Skulltiegel 1 selbst.

Der Einschmelztiegel 1 und die Brücke 2 können in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung aus Edelstahl, Platin, Kupfer oder Aluminium gefertigt sein. Welches Metall zweckmäßigerweise verwendet wird, hängt von der Zusammensetzung des zu schmelzenden Glases und den Anforderungen an dessen Reinheit ab. Bei Verwendung von Edelstahl oder Kupfer-Skulltiegeln kann die Korrosionsbeständigkeit des Tiegelmaterials auch durch Aufbringen einer Beschichtung aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff, dessen Zersetzungstemperatur unterhalb der Temperatur der Beschichtung im Kontaktbereich Beschichtung/Schmelze liegt, verbessert werden. Als Kunststoffmaterialien kommen beispielsweise hochfluorhaltige Kunststoffe, insbesondere PTFE, in Frage. Eine solche Beschichtung hat noch den weiteren Vorteil, dass freiliegende Teile des Tiegels vor dem Angriff durch verdampfende Komponenten aus der Glasschmelze geschützt sind. Die Dicke der Beschichtung ist so zu bemessen, dass die Kühlung durch die Metallrohre noch dazu ausreicht, die Kontakttemperatur zwischen Beschichtung und Schmelze unterhalb der Zersetzungstemperatur des Kunststoffs zu halten. Eine Beschichtung mit Kunststoff hat den weiteren Vorteil, dass ein Anhaften des Glases an den beschichteten Teilen nicht stattfindet und dass die Überschlagsneigung zwischen den metallischen Skullrohren vermindert wird. Ebenso ist es möglich, einen Tiegel aus einem wenig korrosionsbeständigen Metall mit einem Metall mit höherer Korrosionsbeständigkeit zu beschichten.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Auslauf 1.5 durch die im oberen Tiegelbereich um 90° abgeknickten gekühlten Rohre des Skulltiegels gebildet. Diese Rohre werden, wie in Fig. 5 dargestellt, an ihrem Ende elektrisch leitend miteinander verbunden, so dass auch der Auslaufbereich einen Kurzschlussring I besitzt, der den Auslauf 1.5 selbst und die Brücke 2 mit umschließt. Es hat sich zudem als günstig erwiesen, zusätzlich eine weitere Kurzschlussstrecke II vorzusehen, die alle um 90° abgeknickten Rohre unterhalb des Auslaufs 1.5 miteinander elektrisch leitend verbindet und jeweils noch die beiden den Auslauf auf beiden Seiten begrenzenden, wieder nach oben geführten Rohre mitumfasst. Auf diese Weise wird die Gefahr von HF-Überschlägen zwischen den abgewinkelten Rohren des Überlaufbereiches und den benachbarten nicht abgewinkelten Rohren der Skulltiegelwand minimiert.

Bei Tiegeln, in denen eine größere Aufschmelzleistung eines Glases (>200 ml/min) erreicht wird, können auch mehrere (zwei bis vier) Ausläufe vorgesehen sein. Eine Ausführungsform mit zwei Ausläufen 1.5.1/l.5.2 zeigt Fig. 6. Die Ausläufe 1.5.1 und 1.5.2 liegen sich bei diesem Ausführungsbeispiel diametral gegenüber (180°-Abstand). Dies hat den Vorteil, dass die Homogenisierungseinheiten 6 räumlich möglichst Wert voneinander entfernt angeordnet werden können. Auch möglich sind beispielsweise mehrere dichter beieinander liegende Ausläufe (z. B. 90°-Abstand). Diese könnten so nah beieinander angeordnet werden, dass sie mit einer gemeinsamen Brücke vom Gemenge abgeschirmt werden können. Ein Tiegel mit mehreren Ausläufen hat den Vorteil, dass bei einer komplizierten Heißformgebung, die nur geringe Glasdurchsätze verarbeiten kann, eventuell zwei Linien mit einem Tiegel bedient werden können. Diese Möglichkeit ist dann besonders interessant, wenn das Glas nach dem Einschmelzteil keine Läuterung mehr benötigt, da in diesem Fall nur eine zweite Formgebung notwendig ist und keine kostenaufwendige (wegen Pt) Pt-Läuterkammer.

Für eine gute Läuterung des Glases benötigt man eine längere Verweilzeit im Läuteraggregat und dadurch können nur geringere Glasdurchsätze erreicht werden. Die maximale Schmelzleistung des HF-Aggregats kann mit einem Auslauf und einer Läuterkammer nicht ausgenutzt werden, da es an der Leistungsfähigkeit der Läuterkammer fehlen kann. Bei der Verwendung von zwei Ausläufen und entsprechend zwei Läuterkammern kann dieser Nachteil wiederum aufgefangen werden, allerdings sind hier die hohen Pt-Kosten der Läuterkammer mit Nachteilen behaftet. Ebenfalls könnte anstatt mit einer Pt-Läuterkammer mit einem weiteren HF- Aggregat geläutert werden.

Zur Erhöhung des Durchsatzes bzw. der Einschmelzleistung kann entweder die Schmelztemperatur nahezu beliebig erhöht werden, da hier keine Wandkontaktmaterialien als begrenzende Größen vorliegen. Zudem wirkt sich insbesondere bei Glasschmelzen mit hoher Viskosität eine Rührbewegung durch Bubbling günstig auf die Abschmelzleistung aus. Ein solches Bubbling kann in einem Skulltiegel (1) entweder durch wenigstens ein von oben eingesetztes Bubblingrohr oder, so wie in Fig. 1 dargestellt, durch im Tiegelboden 1.2 positionierte Bubblingdüsen 1.6 erfolgen.

Eine weitere Beschleunigung der Abschmelzleistung kann durch Einsatz von zusätzlicher Oberhitze im Bereich der Gemengeauflage erreicht werden. Hier kann entweder, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Brenner 3 oder aber auch eine elektrische direkte oder indirekte Beheizung eingesetzt werden.

Wird ein Brenner zur Erzeugung der Oberhitze verwendet, so kann es hilfreich sein, den Skulltiegel als Pilzskull, so wie er in der DE 199 39 772 C2 beschrieben ist, deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich miteinbezogen wird, auszubilden. Bei dieser Ausführungsform werden die gekühlten Metallrohre des Skulltiegels im oberen Tiegelbereich unterhalb der Schmelzoberfläche in die Horizontale abgebogen, so dass sie einen gekühlten Kragen kurz unterhalb der Schmelzoberfläche bilden. Die Temperatur der Schmelze nimmt im Bereich des Kragens nach außen hin ab. Die Glasschmelze kann dabei im Randbereich des Kragens so weit abgekühlt werden, dass auf diesen Rand als Fortsetzung der Tiegelwandung im oberen Tiegelbereich ein Ring aus Feuerfestmaterial aufgesetzt werden kann. Bei dieser Anordnung sind die gekühlten Metallrohre auf der der Schmelze zugewandten Seite vollständig mit Glasschmelze bedeckt und damit gegen die korrodierende Wirkung der Brennerabgase bzw. der Verdampfungsprodukte aus der Schmelze geschützt. Im Gegenzug verhindert die Glasschmelze auf den gekühlten Rohren, dass der Oberofenraum durch die Tiegelrohre zu stark abgekühlt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Überlauf- bzw. Auslaufbereich zusätzlich Oberhitze eingesetzt, um eine zu starke Abkühlung der Schmelze in diesem Bereich zu verhindern und den Glasfluss sicherzustellen. Für die Ausgestaltung des Tiegels 1 mit mehreren Ausläufen 1.5 ist es vorteilhaft, auch jeweils in den zusätzlichen Ausläufen Oberhitze einzubringen, um einen kontinuierlichen Gasfluss aus allen Ausläufen zu ermöglichen. Die Oberhitze kann, so wie in Fig. 1 dargestellt, mittels Brenner 4 erzeugt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor jedem einzelnen Auslauf 1.5 eine Brücke 2 angeschlossen. Diese Brücken 2 werden zweckmäßigerweise so gestaltet, dass die Fläche aller "toten" Bereiche 10.3 zusammen möglichst klein gehalten wird, um den Hochfrequenzeintrag in ein möglichst großes Schmelzvolumen und damit eine möglichst hohe Abschmelzrate des Gemenges zu gewährleisten. Es sind aber ohne weiteres auch Ausführungsformen denkbar, bei denen eine durchgehende Brücke für mehrere Ausläufe vorgesehen ist.

Die für den speziellen Anwendungsfall günstigste Zahl an Ausläufen, deren Positionierung im oberen Tiegelbereich, die Verwendung einer gemeinsamen oder mehrerer Brücken, sowie die geometrische Gestalt der Brücke(n) hängen vom Einzelfall ab und können vom Fachmann ohne erfinderisches Zutun leicht ermittelt werden.

Fig. 7a zeigt einen Einschmelztiegel 1 gemäß der Erfindung in Kombination mit einer Platin-Läuter- 5 und Homogenisierungseinheit 6. Eine solche Anordnung kann beispielsweise als kontinuierliche Schmelzwanne für aggressive, hochreine Gläser eingesetzt werden. Hierbei sind verschiedene Möglichkeiten des Glasübergangs zwischen Einschmelztiegel 1 und Platinläuterkammer 5 denkbar. So kann die Platinläuterkammer 5 beispielsweise direkt an den metallischen Kurzschlussring am äußeren Ende des Glasauslaufs 1.5 des Einschmelztiegels 1 angeflanscht werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform fällt die Schmelze, so wie in Fig. 7b dargestellt, in Form eines Glasstrangs frei in die Platinläuterkammer 5 und es gibt keine direkte Verbindung zwischen dem Einschmelztiegel 1 und der nachfolgenden Läuterkammer 5 und der Homogenisierungsvorrichtung 6. Die Fallhöhe des Glases kann hierbei, da im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung, keine Spulenwindungen im Weg sind, so klein gewählt werden, dass der Einschlag von Blasen und die Ausbildung von Schlieren sich in tolerierbaren Grenzen halten.

Für extreme Anforderungen an Reinheit und insbesondere an Platinfreiheit empfiehlt es sich, Glasschmelzanlagen zu verwenden, in welchen zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Einschmelztiegel noch weitere hochfrequenzbeheizte Wannen, Tiegel bzw. Rinnen eingesetzt werden, beispielsweise eine Hochfrequenz-Läuterrinne, so wie in DE 199 39 782 Al, DE 199 39 784 A1 oder in DE 199 39 786 A1 beschrieben oder ein Hochfrequenz-Läutertiegel, so wie aus DE 199 39 772 C1 bekannt, die alle hiermit vollinhaltlich in die vorliegende Offenbarung miteinbezogen werden.

Werden keine allzu hohen Anforderungen an innere Qualität des Glases (Blasen, Schlieren) gestellt - dies trifft zum Beispiel für Lotgläser zu - kann der erfindungsgemäße Einschmelztiegel ohne weitere Zusatzbauteile (Läuter-, Homogenisierungstiegel) zum Einschmelzen des Glases verwendet werden.

Ausführungsbeispiel

Einschmelzen hochschmelzender Alumosilicatgläser

In einem erfindungsgemäßen Einschmelztiegel, so wie in Fig. 1 dargestellt, aus Inconel 600® wurde ein Alumosilicatglas (91280) DE 199 39 771.6 mit der Zusammensetzung SiO₂ = 65,0 Gew.-%; Al₂O₃ = 22,0 Gew.-%; Li₂O = 3,75 Gew.-%; Na₂O = 0,5 Gew.-%; BaO = 2,0 Gew.-%; MgO = 0,5 Gew.-%; TiO₂ = 2,5 Gew.-%; ZnO = 1,75 Gew.-%; ZrO₂ = 1,7 Gew.-% und V₂O₅ = 0,3 Gew.-% geschmolzen.
Das effektive Schmelzvolumen im Tiegel betrug ca. 25 l. Es wurde eine gekühlte Brücke gemäß der in Fig. 4 bzw. Fig. 3a dargestellten Ausführungsform verwendet. Die Eintauchtiefe der Brücke in der Schmelze betrug bei einem Glasstand im Glasauslauf von ca. 30 mm etwa 50 mm, d. h. die Unterkante der Brücke lag ca. 20 mm unterhalb des Bodens des Glasauslaufs. Damit wurde gewährleistet, dass keine unaufgelösten Gemengereste unter der Brücke hindurch zum Glasauslauf strömen konnten.
Einschmelztiegel, Brücke und Glasauslauf waren analog zu der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform miteinander elektrisch kurzgeschlossen.
Das Glas wurde bei einer HF-Frequenz von 386 kHz bei Generatorleistungen von ca. 250 kW geschmolzen. Zusätzlich wurde die Aufschmelzleistung im Einschmelzbereich durch einen Brenner und Bubbling mit Sauerstoff unterstützt. Das geschmolzene Glas wurde gemäß der Erfindung oberhalb der Induktionsspulenanordnung abgezogen und, ohne den Spulenbereich zu durchlaufen, der Weiterverarbeitung zugeführt. Dies wurde dadurch realisiert, dass der Boden des Glasauslaufs 30 mm oberhalb des oberen Endes der Induktionsspulenanordnung lag. Weiterhin ragte das äußere Ende des Glasauslaufs ca. 70 mm über den äußeren Spulenradius hinaus.
Da es aufgrund der hohen Viskosität solcher Gläser größerer Querschnitte und Durchsätze oder höherer Temperaturen im Überlaufbereich bedarf, wurde zur Unterstützung des Ausströmverhaltens ein Brenner in diesem Bereich eingesetzt.
Die Einschmelzleistung des Schmelzaggregates lag bei dem genannten Schmelzvolumen von 25 l zwischen 0,5 und 2 t Glas/Tag und war damit deutlich höher als bei den eingangs erwähnten konventionellen Schmelzverfahren (1,0 t Glas/Tag bei einem Schmelzvolumen von 90 l).

Claims

1. Verfahren zum schnellen Einschmelzen insbesondere hochreiner, aggressiver und/oder hochschmelzender Gläser in einem Skulltiegel,
bei welchem zur Beheizung der Schmelze mittels einer den Skulltiegel umgebenden Spulenanordnung Hochfrequenzenergie in den Tiegelinhalt eingekoppelt wird,
und das Auflegen des Gemenges und das Abführen des aufgeschmolzenen Glases im oberen Tiegelbereich erfolgen, und unaufgelöste Gemengebestandteile mittels einer gekühlten Brücke, die in die Schmelze eintaucht, zurückgehalten werden,
dadurch gekennzeichnet, dass das Glas oberhalb der Spulenanordnung (1.3) abgezogen und ohne den Spulenbereich zu durchströmen der Weiterverarbeitung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas in einem kontinuierlichen Prozess aus dem Glasauslauf (1.5) ausströmt in ein fest mit dem Glasauslauf (1.5) verbundenes Bauteil der nachfolgenden Verarbeitungsstufe.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas am Glasauslauf (1.5) überströmt und in Form eines Glasstrangs nach unten fällt.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasschmelze während des Aufschmelzens gerührt wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasschmelze über mehrere Ausläufe (1.5.1, 1.5.2) abgezogen wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass im Gemengebereich und/oder im Überlauf bzw. Auslaufbereich zusätzlich Oberhitze zum Aufheizen der Glasschmelze eingesetzt wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas im Anschluss an das Einschmelzen geläutert und homogenisiert oder aber direkt einer Formgebungseinheit zugeführt wird.

8. Vorrichtung zum schnellen Einschmelzen insbesondere hochreiner, aggressiver und/oder hochschmelzender Gläser mit
einem Skulltiegel, der von einer Mehrzahl von gekühlten Metallrohren gebildet wird, die in gegenseitigen Abständen angeordnet sind,
einer den Skulltiegel umgebenden Spulenanordnung zum Einkoppeln von Hochfrequenzenergie in den Tiegelinhalt, Einrichtungen zum Auflegen von Gemenge und zum Abführen des aufgeschmolzenen Glases, die im oberen Tiegelbereich angeordnet sind,
und einer gekühlten Brücke, die in die Schmelze eintaucht und das Gemenge von der Einrichtung zum Abführen des Glases trennt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Abführen des geschmolzenen Glases ein Glasauslauf (1.5) ist, der oberhalb der Spulenanordnung (1.3) angeordnet ist und dessen äußeres Ende über den Außenradius der Induktionsspule (1.3) hinausragt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasauslauf (1.5) durch die im Auslaufbereich um vorzugsweise 90° nach außen hin abgeknickten gekühlten Rohre des Skulltiegels (1) gebildet wird, wobei die Rohrenden über den äußeren Radius der Spulenanordnung (1.3) hinausragen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden des Glasauslaufs (1.5) um wenigstens 2 cm über den äußeren Radius der Spulenanordnung (1.3) hinausragen.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Glasauslaufs (1.5) wenigstens 2 cm oberhalb des oberen Endes der Spulenanordnung (1.3) liegt.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (2) wenigstens 1 cm tief in die Schmelze eingetaucht ist.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (2) so angeordnet ist, dass ihr unteres Ende bis ca. 1-2 cm unterhalb des Bodens des Glasauslaufs (1.5) in den Skulltiegel (1) hineinragt.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (2) aus vertikal nebeneinander angeordneten gekühlten Rohren (2.1) besteht, die an ihren oberen und unteren Enden so miteinander verbunden sind, dass der Kühlmittelfluss durch die Rohre (2.1) mäanderförmig ist.

15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (2) in Draufsicht von oben geradlinig, rund oder eckig ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Skulltiegel (1) mehrere Glasausläufe (1.5) besitzt, wobei entweder jedem Auslauf (1.5) jeweils eine Brücke (2) zugeordnet ist oder aber eine einzige gemeinsame Brücke (2) den gesamten Auslaufbereich mit den mehreren Ausläufen (1.5) vom Gemengebereich abtrennt.

17. Vorrichtung nach Anspruch wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Skulltiegels (1) und der Brücke (2) aus Metall bestehen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallrohre des Glasauslaufs (1.5) an ihren äußeren Enden mit einem Kurzschlussring versehen sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallrohre (2.1) der Brücke (2) an ihren oberen Enden miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

20. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 19 dadurch gekennzeichnet, und dass zwischen Glasauslauf (1.5) und Brücke (2) eine elektrisch leitende Verbindung besteht.

21. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die den Glasauslauf (1.5) bildenden abgeknickten Rohre des Skulltiegels (1) unterhalb des Knicks untereinander und mit den jeweils ersten dem Glasauslauf (1.5) benachbarten, nicht abgeknickten, nach oben geführten Rohren des Skulltiegels kurzgeschlossen sind.

22. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Rühreinrichtung wenigstens ein von oben in den Skulltiegel (1) eingesetztes Bubblingrohr und/oder am Tiegelboden (1.2) angeordnete Bubblingdüsen (1.6) vorgesehen sind.

23. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberofenraum im Gemengebereich und/oder im Überlauf bzw. Auslaufbereich Einrichtungen zur Erzeugung von Oberhitze vorgesehen sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtungen Gasbrenner (3, 4) sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Skulltiegel (1) als Pilztiegel ausgebildet ist.

26. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einschmelztiegel (1) eine Läuter- (5) und eine Homogenisierungseinheit (6) oder direkt eine Formgebungseinheit nachgeschaltet ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Läutereinheit (5) und/oder Homogenisierungseinheit (6) als hochfrequenzbeheizte Skull-Rinne oder hochfrequenzbeheizter Skull-Tiegel ausgebildet sind.