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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung verhältnismäßig großer Glasgegenstände
und Glasmassen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von verhältnismäßig großen Glasgegenständen und Glasmassen aus einem kontinuierlichen
Strom geschmolzenen Glases, wobei diese Massen nur Gesamtschwankungen ihres Brechungsindexes
zeigen, die wesentlich geringer als die Brechungsindexschwankungen des genannten
Glasstromes im Laufe längerer Zeit sind.
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Bekanntlich ändert sich beim kontinuierlichen Schmelzen von Glas der
Brechungsindex des von der Schmelzwanne oder einem anderen Gefäß durch den Vorherd
oder eine andere Beschickungsvorrichtung fließenden Glasstromes sowohl in der Längsrichtung
(d. h. mit der Zeit) wie auch in der Querrichtung (d. h. im Stromquerschnitt zu
jedem gegebenen Zeitpunkt). Veränderungen in der Längsrichtung rühren im allgemeinen
von Schwankungen in der Beschickung und den Schmelzbedingungen her, Veränderungen
in der Querrichtung von der Verdampfung einzelner Bestandteile des geschmolzenen
Glases und von der Korrosion oder Erosion der feuerfesten Stoffe her, aus denen
die Schmelzgefäße bestehen, und machen sich in Form von Schlieren oder Streifen
bemerkbar.
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Das Vorhandensein solcher Verschiedenheiten ist bei der Herstellung
der meisten Glasgegenstände von keiner besonderen Bedeutung. Wird jedoch Glas geschmolzen,
das für optische und augenärztliche Zwecke bestimmt ist, so erlangen diese Unterschiede
größte Bedeutung, da die Eigenschaften der erhaltenen Gegenstände davon abhängen.
Die Verminderung oder wesentliche Beseitigung dieser Unterschiede ist deshalb zur
Herstellung brauchbarer Erzeugnisse entscheidend, bei denen der Grad der Homogenität
oder die Abweichungen des Brechungsindexes bei dem einzelnen Gegenstand innerhalb
bestimmter zulässiger Grenzen liegen müssen.
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Zur möglichsten Homogenisierung von Glasschmelzen hat man bereits
Misch- und Rührvorrichtungen vorgeschlagen, wobei diese Vorrichtungen auch Schneideeinrichtungen
enthielten, um den Glasstrom kurz vor dem Verlassen der Schmelzanlage nochmals zu
zerschneiden und zu zerteilen. Mit derartigen Misch- und Rührverfahren hat man Schwankungen
des Brechungsindexes innerhalb der Längsrichtung des Glasstromes innerhalb verhältnismäßig
enger Abweichungen erhalten können, in einigen Fällen innerhalb eines Bereiches,
der ± 2 - 10-4 nicht überschritt. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen die Gesamtschwankungen
noch geringer sein müssen, z. B. höchstens ± 5 - 10-5. Für diese Fälle haben sich
die bekannten Verfahren als nicht ausreichend erwiesen, und zwar auch bei guter
Überwachung des Schmelzverfahrens nicht.
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Solch große Glasmassen werden zur Herstellung von Linsen für Luftbildkameras,
Windkanalfenster u. dgl. verwendet und können jeweils von 9 bis zu 45 kg wiegen;
bei ihnen darf der Gesamtunterschied im Brechungsindex nicht mehr als ± 3 - 10-5
betragen, möglichst aber noch weniger.
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Wie leicht festgestellt werden kann, bewirkt der Rührer, der zweckmäßigerweise
mit senkrechter Achsenstellung betrieben wird, vorwiegend eine horizontale oder
quer verlaufende Homogenisierung der Schlieren des durchströmenden Glases. Zwar
kann sich dabei auch teilweise das Glas im ganzen vermischen, doch ist das Ausmaß
dieser Durchmischung in jedem Falle sehr begrenzt, so daß die Brechungsindexänderungen
in der Längsrichtung des Glases nahezu unverändert bleiben.
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Solange die Masse oder das Volumen des gewünschten Glasgegenstandes,
z. B. eines Linsenrohlings für Augengläser, im Vergleich zu demjenigen der Rührvorrichtung
sehr klein ist, machen sich solche Änderungen in der Längsrichtung bei dem einzelnen
Glasgegenstand nicht sehr bemerkbar; man kann dabei Rohlinge erhalten, deren Gesamtabweichungen
des Brechungsindexes unter ± 5 - 10-5 liegen. Wird das Volumen des Glasgegenstandes
jedoch größer,. so machen sich diese Änderungen in der Längsrichtung des Glasstromes
zunehmend bemerkbar, und es ist nicht möglich, Gußstücke herzustellen, die in ihrem
Volumen
an dasjenige des Rührwerkes heranreichen oder es überschreiten und bei denen sich
der Brechungsindex nur innerhalb der Grenzen ändert, die unter derjenigen des von
dem Schmelzgefäß nach dem Rührwerk geleiteten geschmolzenen Glasstromes liegen.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird in der Schmelzvorrichtung
der von oben kommende, noch Streifen und Schlieren enthaltende Glasstrom in eine
Mischzone geleitet, die von der Schmelzvorrichtung getrennt ist. In der Mischzone
wird die zufließende Glasmasse mit der schon vorhandenen vermischt, und anschließend
wird die gemischte Glasschmelze zwecks Homogenisierung durch eine an die Mischzone
unmittelbar anschließende Rührzone geschickt, in der etwa noch vorhandene Schlieren
und Streifen praktisch völlig beseitigt werden. Die Mischzone kann z. B. aus einer
Kammer mit einem darin senkrecht angeordneten, an beiden Enden offenen Stutzen bestehen,
in dem sich eine Rührvorrichtung befindet, wobei der Stutzen im Vergleich zu der
Kammer verhältnismäßig klein ist.
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Auf diese Weise wurden Glasmassen mit einem Gewicht von 23 bis 27
kg an aufwärts hergestellt, die frei von Streifen und Schlieren waren und deren
Gesamtabweichungen des Brechungsindexes ± 3 - 10-5 betrugen, und zwar aus kontinuierlich
geschmolzenen Glasströmen, deren Brechungsindex im Laufe der Zeit um ± 2 - 10-4
schwankte.
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Es ist-zwar schon die Anordnung einer Umwälzvorrichtung in einer der
Glasschmelzwanne vorgelagerten Mischzone beschrieben worden, wobei ebenfalls ein
wiederholtes Abschneiden der Flüssigkeitsströme möglich ist; jedoch fehlte bei dieser
bekanntgewordenen Vorrichtung eine Trennung zwischen Mischzone und Schmelzraum des
Ofens; ferner war nur eine einzige Rührvorrichtung vorhanden, und von einer Unterteilung
in Schmelzzone und Rührzone wie im vorliegenden Falle konnte auch keine Rede sein.
Die Folge davon war, daß die durch die Umwälzvorrichtung geführte Schmelze immer
wieder in den allgemeinen Schmelzraum zurückkehrte und dort denselben Einflüssen
wieder ausgesetzt war wie beim Schmelzvorgang selbst, wodurch sich die Zusammensetzung
des Glasflusses immer wieder ändern konnte, z. B. durch Erosion der Schmelzraumwände
oder durch Verdampfung von Glasbestandteilen. Dadurch aber wird die umwälzende und
zerschneidende Wirkung der Pumpe praktisch illusorisch, und es gelang deshalb niemals,
einen so homogenen Glasstrom zu erzeugen oder gar in einem größeren Raum für die
nachfolgende Weiterverarbeitung bereitzuhalten, wie es nach vorliegender Erfindung
möglich ist.
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Eine geeignete Anlage zur Durchführung der Erfindung besteht in einer
Vorrichtung zur Erzeugung eines senkrechten und vorzugsweise abwärts fließenden
Glasstromes in einer in der Mitte der Mischvorrichtung liegenden abgegrenzten Zone
mit einer Geschwindigkeit, die wesentlich größer ist als diejenige, bei der der
Strom des kontinuierlich geschmolzenen Glases in die Mischvorrichtung eingeführt
wird, während vorteilhaft gleichzeitig diesem sich in senkrechter Richtung bewegenden
Glas noch eine kreisende Bewegung verliehen wird. Die Vorrichtung besteht demgemäß
aus einem aufrecht stehenden zylindrischen Stutzen, der in der Mitte einer Mischzone
unterhalb des Spiegels des darin befindlichen Glases angebracht ist, unten Öffnungen
hat und eine Rührvorrichtung enthält. Um eine angemessene Homogenisierung des einströmenden
Glases sicherzustellen, wird das vermischte Glas aus der Mischzone an einer Stelle
entnommen, die von der Eintrittsstelle des frischen kontinuierlich geschmolzenen
Glases möglichst entfernt liegt.
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In der Zeichnung wird eine die Mischanlage nach der Erfindung schematisch
erläuternde Ausführungsform dargestellt.
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F ig. 1 ist ein Grundriß dieser Ausführungsform, wobei einige Teile
weggelassen wurden, Fig. 2 ein teilweiser Aufriß entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.
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Im einzelnen bedeutet 11 in der Zeichnung eine Aufnahme- und Mischkammer
für geschmolzenes Glas, die vorzugsweise einen runden oder ähnlichen Grundriß hat
und vorzugsweise in der Mitte einen senkrecht angeordneten zylindrischen Stutzen
12 enthält. Der Stutzen 12 steht auf dem Boden 13 der Mischkammer und ist, an -diesem
befestigt, so angeordnet, daß sich seine obere Öffnung unterhalb des normalen Glasspiegels
15 befindet. In der Nähe seines Bodens ist der Stutzen konisch erweitert und .mit
ringförmig angeordneten Löchern 16 versehen, um eine Umlaufs- und möglichst symmetrische
Verbindung zwischen seinem Innern und dem übrigen Innenraum der Mischkammer 11 herzustellen.
Durch einen Kanal, 20 wird von einer Stammbeschickungskammer (hier nicht gezeigt)
aus geschmolzenes Glas in die Kammer 11 geleitet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich,
ist die Kammer 11 stark isoliert und zusammen mit dem Kanal 20 durch einen Deckel
22 verschlossen, in dem möglichst noch elektrische Heizwiderstände eingebettet sind,
so daß die in der Kammer 11 befindliche Glasschmelze auf praktisch gleichmäßiger
Temperatur gehalten werden kann.
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Ein Schraubenrührer 25, dessen Welle 26 durch den Deckel 22 aus dem
Behälter 12 herausragt und durch einen Riemen 27 angetrieben wird, rührt und mischt
das geschmolzene Glas innerhalb der Kammer 11
schnell durch. Zweckmäßig dreht
sich die Rührvorrichtung 25 in dem Sinne, daß die Glasschmelze in der durch die
gestrichelten Pfeile 28 angegebenen Richtung umläuft. Der Zwischenraum oder das
Spiel zwischen der Rührvorrichtung 25 und dem Stutzen 12 ist zweckmäßig so bemessen,
daß das geschmolzene Glas über den peripheren Rand der Rührschraube hinaus gleiten
kann.
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Mit der Öffnung 31 im Boden 13 der Kammer 11 steht ein zylindrisches
Gehäuse 32 in Verbindung, das einen wesentlich geringeren Rauminhalt als die Kammer
11 hat. Innerhalb dieses zylindrischen Gehäuses 32 befindet sich auf der durch die
Kammer 11 und den Deckel 22 reichenden Welle 43 ein Rührwerk 41, das aus einem Satz
von Rührelementen besteht. Wie insbesondere aus F ig. 1 ersichtlich, wird die Welle
43 gleichfalls durch den Riemen 27 angetrieben, jedoch zweckmäßig in entgegengesetzter
Richtung zu der Welle 26, um Oberflächenstörungen auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
An seinem anderen Ende hat das Gehäuse 32 ein Auslaßrohr 33 zur Ableitung des fertiggemischten
und verrührten Glases 44.
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Beim Betrieb der Vorrichtung fließt das geschmolzene Glas kontinuierlich
durch den Kanal 20 in die Kammer 11 und wird mit dem schon in dieser enthaltenen
geschmolzenen Glas durch wiederholten Umlauf dieses Glases auf die oben beschriebene
Weise kontinuierlich vermischt. Bei diesem Umlauf fließt die Schmelze vorteilhafterweise
wesentlich rascher, als die Zuflußgeschwindigkeit der frischen Glasschmelze in die
Mischkammer 11 ist, wodurch praktisch eine sofortige Vermischung dieses zufließenden
Glases mit der schon vorhandenen Schmelze in der Kammer erreicht
wird.
Da die in einer gegebenen Zeit in die Mischkammer 11 eingeführte Glasmenge die gleiche
wie die aus dem Rührgehäuse 32 austretende ist und da der Rauminhalt der Glasschmelze
in der Mischkammer vorzugsweise verhältnismäßig groß im Vergleich zu demjenigen
der zu gießenden Glasmasse ist, wird während dieser Zeit in die Mischkammer nur
eine verhältnismäßig kleine Raummenge frisch geschmolzenen Glases im Vergleich zu
der bereits darin vorhandenen eingeführt. Infolgedessen ändert sich bei der Vermischung
dieses Zustroms mit der vorhandenen Schmelze deren Brechungsindex nur sehr wenig,
auch wenn in der Längsrichtung des Stromes der Brechungsindex nicht ganz gleichbleibt.
Auf diese Weise lassen sich leicht die in der Längsrichtung auftretenden Schwankungen
des Brechungsindexes des zu der Rührzone 32 geleiteten vermischten Glases innerhalb
der zulässigen Grenzen regulieren.
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Man kann den zufließenden Strom aus geschmolzenem Glas nach Belieben
entweder in die vorgelegte Glasschmelze an deren Oberfläche einführen, so daß er
anfänglich praktisch vollständig durch den Stutzen 12 fließt und sich mit dem darin
abwärts fließenden Glasstrom vereinigt; man kann den Strom aber auch unterhalb des
Spiegels der in der Kammer 11 befindlichen Schmelze einführen. In jedem Fall ist
der Auslaß 31 von der Einführungsstelle möglichst entfernt anzuordnen, wobei die
besondere Lage durch das jeweilige Glasumlaufschema bestimmt wird, so daß ein »Kurzschluß«
des frisch eingeführten Glasstromes vermieden und eine angemessene Vermischung gewährleistet
wird. Zur Erzielung höchster Mischleistung wird die in der Kammer 11 befindliche
Schmelze auf so gleichmäßiger Temperatur wie möglich gehalten, und auch den zufließenden
Glasstrom hält man darin auf praktisch derselben Temperatur.
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Man kann zwar auch andere Umlauf- oder Pumpvorrichtungen benutzen,
doch haben sich schraubenförmige Rührwerke, wie das bei 25 gezeigte, als besonders
leistungsfähig zur wirksamen '\Termischung erwiesen. Es empfiehlt sich, die Pumpvorrichtung
so auszuwählen, daß sie dem durch den Stutzen 12 abwärts fließenden Glasstrom eine
kreisende Bewegung verleiht, wodurch der einfließende Glasstrom gleichmäßig in der
bereits in der Kammer 11 vorhandenen Schmelze verteilt wird und diese verdünnt.
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Da das Glas innerhalb der Kammer 11 umläuft, wird ein Teil des entstehenden
Gemisches kontinuierlich durch die Auslaßöffnung 31 in das Rührwerkgehäuse 32 geleitet,
in dem es von den Elementen des Rührwerkes 41 wiederholt, vorwiegend in der Waagerechten,
zerschnitten wird, wodurch etwa vorhandene Schlieren oder Streifen zerteilt und
beseitigt werden. Zwar vermindert der Umlauf innerhalb der Kammer 11 die Abweichungen
des Brechungsindexes in der Längsrichtung des in das Rührwerkgehäuse 32 eintretenden
Glasstromes schon wesentlich, doch kann infolge des großen Volumens der in Kammer
11 enthaltenen Glasschmelze und deren verhältnismäßig hoher Umlaufgeschwindigkeit
keine bedeutende Schneidwirkung gleichzeitig auf die Schmelze ausgeübt werden. Infolgedessen
sind etwaige, in dem der Kammer 11 zugeleiteten Glasbeschickungsstrom vorhandene
Schlieren praktisch noch in dem durch die Auslaßöffnung 31 abfließenden Glasstrom
festzustellen und werden erst durch das Rührwerk 41 beseitigt. Wie leicht einzusehen
ist, braucht übrigens das Rührwerkgehäuse 32 nicht unmittelbar unter der Auslaßöffnung
31 angeordnet zu werden, obgleich dies natürlich am zweckmäßigsten ist. Unter gewissen
Umständen kann es von Vorteil sein, die vorliegende Vorrichtung diskontinuierlich
oder absatzweise arbeiten zu lassen: In einem solchen Fall wird die Kammer 11 bis
zu einem -gewünschten Ausmaß mit geschmolzenem Glas gefüllt, daß man dann darin
umlaufen läßt und nach Bedarf durch das Rührwerkgehäuse 32 leitet. Wird nun die
Kammer 11 wieder mit geschmolzenem Glas nachgefüllt, so kann es vorkommen, daß der
durchschnittliche Brechungsindex des letzteren von demjenigen des in der Kammer
11 und dem Rührwerkgehäuse 32 noch vorhandenen Glases erheblich abweicht.
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Um eine ausreichende Gleichmäßigkeit des Brechungsindexes sicherzustellen,
muß man das in dem Rührwerkgehäuse 32 vorhandene Glas auch mit dem in der wiederaufgefüllten
Kammer vorhandenen Glas vermischen können, weshalb eine Hilfsleitung 45 vorgesehen
werden kann, die das untere Ende des Gehäuses 32 mit dein Boden der Kammer 11 verbindet
und so einen Mischungsausgleich ermöglicht. Den hierbei erforderlichen Umlauf erreicht
man durch entsprechende Drehung des Rührwerkes 41, dessen Elemente gegebenenfalls
gegeneinander versetzt angeordnet sein können, um eine verstärkte Pumpwirkung zu
erzielen. An Stelle oder neben dieser Anordnung kann auch ein nach unten pumpender
Propeller od. dgl. am unteren Ende der Welle 43 angeordnet sein. Will man bei dieser
Vorrichtung kein Glas durch die Leitung 45 zurückströmen lassen, so läßt man das
Glas darin einfach einfrieren.