DE1457123B2

DE1457123B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Homogenisierung von geschmolzenem Glas

Info

Publication number: DE1457123B2
Application number: DE1457123A
Authority: DE
Inventors: Thomas Charles Allison Park Pa. Bour (V.St.A.)
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1964-09-23
Filing date: 1965-09-21
Publication date: 1974-02-21
Also published as: US3331673A; NL144245B; NL6512284A; BE669970A; DE1457123C3; DE1457123A1; GB1089460A

Description

"' 1,02 -10-³,u· Q

worin P die Dichte der Glasschmelze in g/cm³, L der zwischen 1,3 und 30,5 cm betragende Abstand in cm, μ die Viskosität in Poise und Q die Volumgeschwindigkeit in cm³/Sek. ist, eine Zahl N_m zwischen 2000 und 25 000 ergeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Volumgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch den Gasdruck des den Flüssigkeitsstrom umgebenden Milieus erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer oberen Vorschmelzkammer mit am Boden befindlicher Öffnung zur Abgabe der Glasschmelze und einer im Abstand davon und unterhalb der Vorschmelzkammer angeordneten beheizten Kammer mit einer Vielzahl zur Faserbildung ausgestatteter Öffnungen am Boden dieser Kammer, gekennzeichnet durch ein über der Öffnung der Vorschmelzkammer befestigtes Durchlaßteil (17), das derart ausgebildet ist, daß es beim Betrieb in die Flüssigkeit im unteren Behälter ragt und dabei einen Gasraum (46) einschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel zur Regelung des Gasdruckes in dem geschlossenen Gasraum.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Homogenisierung von geschmolzenem Glas, insbesondere ohne Anwendung von mechanischen Rührwerken oder komplizierten Durchflußkanälen. Bei bestimmten Ausführungen gemäß der Erfindung wird die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Glases durch die Vorrichtung automatisch geregelt.

Bei der Herstellung von Glasfasern ist es häufig üblich, das Glas durch Schmelzen von rohen Beschickungsmaterialien in einem Vorschmelzverfahren herzustellen und anschließend dieses vorgeschmolzene Glas zu kleinen Kugeln oder Murmeln zu verformen. Die Rohmaterialien werden zunächst geschmolzen und gereinigt, bis das Glas ausreichend frei von Blasen, Knoten, Schlieren und anderen Verunreinigungen ist, die die Qualität der fertigen Glasfasern beeinträchtigen würden. Diese Kugeln oder Murmeln werden erneut geschmolzen, um daraus die Textilfaden oder -stränge herzustellen. Das erneute Schmelzen erfordert jedoch unerwünschte zusätzliehe Kosten.

Es wurden auch verschiedene übliche Vergütungsmethoden bei und vor der Murmelherstellung angewendet. So wurde versucht, das vergütete Glas während seiner Förderung zu der murmelformenden Vorrichtung zu homogenisieren, siehe z. B. die USA.-Patentschrift 2 577 213. Bei diesem Verfahren fließt das vergütete Glas aus einer Öffnung in Form eines gedämpften Stromes herunter in einen Vorofen. Die Dämpfung des Stromes dient zur Verringerung der Bildung von Knoten und von anderen Unregelmäßigkeiten im Glas und zur verstärkten Verteilung. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird der gedämpfte Strom zurückgefaltet und über sich selbst entlang rückgeführt, bis er in einem anderen Körper aus geschmolzenem Glas niedergeschlagen wird. Dieses Falten erfordert die Verwendung einer Hilfsausrüstung, die zusätzliche Kosten für Anschaffung und Instandhaltung der Faltvorrichtung bedeutet. Darüber hinaus ist auch ein größerer Raum für die Glasherstellung erforderlich. Aus den USA.-Patentschriften 3 048 640 und 3 056 846 ist ebenfalls bekannt, zur Homogenisierung einer Glasschmelze zwei Kammern übereinander anzuordnen und die Schmelze durch eine feststehende Öffnung in die untere Kammer fließen zu lassen. Der Homogenisiereffekt dieser bekannten Vorrichtungen ist jedoch noch nicht voll befriedigend.

Es wurde nun gefunden, daß bei solchem Arbeiten mit zwei Kammern durch geeignete Fallhöhe eines flüssigen Glasstroms von bestimmter Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit eine verstärkte Diffusion der Unregelmäßigkeiten nach Ablagerung des Stromes in einer weiteren Masse aus geschmolzenem Glas erreicht werden kann, dann nämlich, wenn die genannten Parameter so aufeinander abgestimmt sind, daß die Glasschmelze sich auf der Oberfläche des unteren Schmelzbades in einem spiralförmigen Muster ablagert. Die Entstehung des spiralförmigen Musters erfolgt dann von selbst als Ergebnis der natürlichen Eigenschaften des frei fallenden Flüssigkeitsstroms. Es müssen keine weiteren Stufen durchgeführt oder zusätzliche Vorrichtungen verwendet werden, um das gewünschte spiralförmige Muster beim Ablagern zu entwickeln oder beizubehalten.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist daher ein Verfahren zum Homogenisieren von geschmolzenem Glas mit einer Viskosität zwischen 1 und 3000 cP unter Verwendung von zwei übereinander angeordneten Kammern, wobei die Schmelze durch eine feststehende öffnung aus der oberen Kammer in die untere Kammer fließt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der aus der oberen Kammer ausfließende Flüssigkeitsstrom durch einen Gasraum in die untere Kammer gelangt und dort in einem spiralförmigen Muster

fi5 auf der Flüssigkeitsoberfläche abgelagert wird, indem man Dichte, Abstand zwischen der Öffnung der oberen Kammer und Flüssigkeitsoberfläche in der unteren Kammer, Viskosität und Volumgeschwindig-

keil der Flüssigkeit am Austritt durch die Öffnung innerhalb solcher Grenzen hält, daß sie in der Gleichung

1,02-10-V ß

worin P die Dichte der Glasschmelze in g/cm³, L der zwischen 1,3 und 30,5 cm betragende Abstand in cm, μ die Viskosität in Poise und Q die Volumgeschwindigkeit in cm³/Sek. ist, eine Zahl N_m zwischen 2000 und 25 000 ergeben. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung mit einer oberen Vorschmelzkammer mit am Boden befindlicher Öffnung zur Abgabe der Glasschmelze und einer im Abstand davon und unterhalb der Vorschmelzkammer angeordneten beheizten Kammer mit einer Vielzahl zur Faserbildung ausgestatteter Öffnungen am Boden dieser Kammer, die gekennzeichnet ist durch ein über der Öffnung der Vorschmelzkammer. befestigtes Durchlaßteil (17), das derart ausgebildet ist, daß es beim Betrieb in die Flüssigkeit im unteren Behälter ragt und dabei einen Gasraum (46) einschließt. ..

Der Homogenisierungsvorgang gemäß der Erfindung verläuft theoretisch gemäß der nachfolgenden Beschreibung. Während der Dauer des freien Falls wird der Glasstrom auf Grund der vereinten Wirkungen von Schwerkraft und Oberflächenspannung gedämpft. Um einen kontinuierlichen Fluß bei steigender Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, ist es erforderlich, daß der Querschnitt des Stromes gleichzeitig abfällt. Dadurch wird erreicht, daß sich eine größere Oberfläche je Volumeinheit in dem Glasstrom ausbildet. Der Strom behält seine verhältnismäßig große Oberfläche im Vergleich zum Volumen; wenn er in einem spiralförmigen Muster auf der Oberfläche eines weiteren Schmelzbades abgelagert wird. Das sogar nach Eindringen des Flüssigkeitsstromes unter die Oberfläche des Schmelzbades aus viskoser ; Flüssigkeit; aufrechterhaltene vergrößerte Verhältnis von Oberflächezu Volumen ermöglicht die Aufrechterhaltung einer stärkeren Diffusion der Unregelmäßigkeiten in dem weiteren Schmelzbad.

Gemäß der Erfindung kann man Glasschmelzen mit einer Reynoldschen Zahl unter 2000 und insbesondere mit Reynoldschen Zahlen zwischen 0,001 und 10,0 homogenisieren. Typisch für viskose Flüssigkeiten mit Laminarströmung ist Glas, dessen Reynoldsehe Zahl immer unter 2000 und in den meisten Fällen unter 1,0 liegt.

Die veränderlichen Bedingungen, die bei der praktischen Durchführung der Erfindung geregelt werden müssen, sind Viskosität des Glases in einem oberen und einem unteren Behälter, die Größe, Länge und Anzahl der Öffnungen, durch die das flüssige Material fließt, die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes, die Höhe des freien Falls der Flüssigkeit, ehe sie die Oberfläche der Flüssigkeit in dem unteren Behälter berührt, der wirksame Druck an den öffnungen und die Drücke in den verschiedenen Teilen der Homogenisierungsvorrichtung auf Grund der verschiedenen Flüssigkeitsspiegel in den verschiedenen Teilen der verwendeten Vorrichtung.

Das spiralförmige Mischmuster, das zu einer vergrößerten Homogenität der Flüssigkeit führt, wird nicht bei jeder Kombination dieser veränderlichen Bedingungen gebildet. Wenn der Abstand, durch den die viskose Flüssigkeit fallen gelassen wird, für eine gegebene Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit verhältnismäßig kurz ist, dringt der gedämpfte Strom der Flüssigkeit tief in den unteren Behälter ein, ohne daß eine spiralförmige Ablagerung auf der Oberfläche erfolgt, wobei nur eine geringe oder überhaupt keine Vermischung stattfindet. Vergrößert man den Abstand des freien Falls, so ergibt sich eine bessere spiralförmige Ablagerung. Wenn dagegen der Abstand für den freien Fall für eine Flüssigkeit gegebener Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit zu groß ist, erfolgt eine Übereinanderlagerung des viskosen Materials auf der Flüssigkeitsoberfläche bei der Berührung in dem unteren Behälter, wodurch unerwünschte Blasen in die Flüssigkeit eingeschlossen werden.

Bei bestimmten Ausführungen der Erfindung können der Flüssigkeitsspiegel in dem unteren Behälter und die Strömungsgeschwindigkeit des Glases zum unteren Behälter automatisch geregelt werden. Dies wird erreicht, indem man den Gasraum, durch den der Strom zwischen den Behältern fällt, mit einer Wandung umgibt, die sich bis unter die Oberfläche der Flüssigkeit in dem unteren Behälter erstreckt. Der eingeschlossene Raum zeigt veränderliches Volumen und Druck in Abhängigkeit von der Veränderung des Flüssigkeitsspiegels in dem unteren Behälter,' wodurch der wirksame Druck an den Auslaßöffnungen des oberen Behälters beeinflußt wird. Höhere Gasdrucke verringern die Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung oder Öffnungen, während niedrigere Gasdrucke sie erhöhen. Es handelt sich somit um ein sich selbst regelndes System, das dazu dient, im wesentlichen konstante Strömungsgeschwindigkeit und Flüssigkeitsspiegel aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsformen werden nachstehend in Verbindung mit einer Beschreibung der Figuren der beigefügten Zeichnungen erläutert.

In den Zeichnungen stellt dar

F i g. 1 einen Aufriß, der die Beziehungen zwischen dem Vorschmelzer, dem Durchlaß und unterer Kammer zeigt; ■■ ■

F i g. 2 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung der F i g. 1 längs der Linie II-II der F i g. 1;

F i g. 3 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung von F i g. 1 längs der Linie IH-III von F i g. 2;

F i g. 4 ist eine Darstellung einer weiteren erfindungsgemäß verwendbaren Vorrichtung;

F i g. 5 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung von F i g. 4 längs der Linie IV-IV von F i g. 4;

F i g. 6 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung von F i g. 4 längs der Linie V-V von F i g. 5;

F i g. 7 zeigt den Homogenisator und die untere Kammer von F i g. 6 mit einem angeschnittenen Teil, um die inneren Einzelheiten zu erläutern;

F i g. 8 ist eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur Homogenisierung von Glas. Der Grad der Homogenisierung, der bei einem Trennungsabstand von 18,75 mm erreicht wird, wird durch die Menge an diffundiertem Farbstoff in dem unteren Behälter angezeigt;

F i g. 9 ist eine Vorderansicht der gleichen Vorrichtung von F i g. 8, die die Wirkung auf den Homogenisierungsgrad zeigt, die durch Vergrößerung des Trennungsabstandes erreicht wird;

Fig. 10 ist eine Vorderansicht der gleichen Vor-

richtung von F i g. 8, die einen weiteren Anstieg der Homogenisierung zeigt, der durch Vergrößerung des Trennungsabstandes auf 38,1 mm erreicht wird;

Fig. 11 ist eine Vorderansicht der gleichen Vorrichtung von F i g. 8, die den optimalen Trennungsabstand von 63,5 mm hat, die zu einer guten Homogenisierung ohne Einführung von unerwünschten Blasen führt.

Beispiel 1

In F i g. 1 ist eine typische Vorrichtung zur Glasfaserherstellung gezeigt. Die Hauptbestandteile von F i g. 1 sind eine Quelle für die Glasmurmeln 15, ein Vorschmelzer 16, ein Durchflußteil 17, eine untere Kammer 18 mit Faserdüsen 19, abgezogene Fasern 20.

Glasmurmeln einer geeigneten Glasfaserzusammensetzung werden aus einer Glasmurmelquelle zum Schmelzen in den Vorschmelzer 16 eingeführt. Wenn die Glasmurmeln in dem Vorschmelzer geschmolzen sind, gelangt das geschmolzene Glas durch den Durchlaß 17 herunter in die untere Kammer 18. Hier wird die Temperatur des geschmolzenen Glases geregelt, um eine geeignete Glasviskosität für das Ziehen der Glasfaden zu entwickeln. Das geschmolzene Glas wird durch die Faserdüsen 19 unter Bildung der Glasfaden 20 abgezogen.

Die F i g. 2 und 3 zeigen Einzelheiten eines Teils des Verfahrens zur Glasfaserherstellung, das erfindungsgemäß durchgeführt wird.

Der besonders interessierende Teil ist der Vorschmelzer 16, der Durchlaß 17 und die untere Kammer 18.

Der Vorschmelzer 16 besteht aus einer Legierung von 90°/o Platin und 10% Rhodium und hat die in den F i g. 2 und 3 gezeigte Form. Der Vorschmelzer ist 30,48 cm lang und hat oben eine Weite von 10,16 cm. Der untere Teil des Vorschmelzers ist spitz zulaufend ausgebildet, um mit dem oberen Teil des Durchlaßteils 17 zusammenzupassen. Im unteren Teil des Vorschmelzers, wo dieser mit dem Durchlaßteil verbunden ist, befindet sich eine einzige öffnung 31, die 6,34 mm Durchmesser hat und 1,16 mm lang ist. Im oberen Teil des Vorschmelzers sind zwei kreisförmige Zufuhröffnungen 32, durch die die Glaskügelchen unter Ausnutzung der Schwerkraft in den Vorschmelzer eingeführt werden. Die Größe der Zufuhröffnungen, durch die die Murmeln eingeführt werden, beträgt 28,6 mm. Der Vorschmelzer wird über elektrische Kontakte 33 in der Art eines Widerstandsofens erhitzt. Thermoelektrische Elemente 34 sind nahe der Durchflußöffnung des Vorschmelzers angebracht, um Messungen als Mittel zur automatischen Temperaturregelung im Vorschmelzer durchführen zu können.

Das Durchlaßteil ist in Form einer stumpfen regelmäßigen Pyramide von 7,6 zu 5,1 cm an der Basis und von 2 JS zu 1,25 cm an der Spitze ausgebildet. Es besteht aus einer Legierung von 90% Platin und 10 %> Rhodium. Seine Höhe beträgt 6,99 cm. Das Durchlaßteil ist am Vorschmelzer über der öffnung im unteren Teil des Vorschmelzers befestigt. Die Anordnung des Durchlaßteils mit Bezug zum Vorschmelzer und zur unteren Kammer läßt sich aus den F i g. 2 und 3 erkennen.

Die untere Kammer 18 besteht aus einer etwa rechtwinklig geformten Kammer 35 mit einer öffnung am oberen Ende, durch die der untere Teil des Durchlaßteils in den Innenraum des Lagerteils eingeführt werden kann. Die Größe der Öffnung im oberen Teil des Lagerteils beträgt 8,89 zu 6,35 cm. Der untere Teil 36, der die Faserdüsen aufweist, ist 30,48 cm lang und 5,08 cm breit. An der Basis 36 sind 800 Faserdüsen 19 befestigt, die in 80 gleichmäßig angeordneten Reihen von jeweils 10 vorliegen. Jede einzelne Düse hat 0,12 cm Durchmesser und

ίο ist etwa 0,37 cm lang. Die untere Kammer ist an beiden Enden mit elektrischen Kontakten 37 versehen.

Zur Herstellung der Glasfäden gemäß der Erfindung wird der Vorschmelzer zu etwa drei Viertel seines Gesamtvolumens mit Glasmurmeln gefüllt. Durch den Vorschmelzer wird dann elektrischer Strom geschickt, um den Vorschmelzer zu erhitzen, damit dadurch die Glasmurmeln schmelzen. Die Temperatur des Vorschmelzers wird auf etwa 1260° C erhöht. Wenn die Glasmurmeln zu schmelzen beginnen, werden weitere Glasmurmeln durch die Schwerkraft in den Vorschmelzer eingeführt, um einen Glasspiegel 39 von etwa 10,16 cm im Vorschmelzer aufrechtzuhalten. Wenn die Glasmurmein schmelzen, tritt Glas durch die Öffnung 31 am Boden des Vorschmelzers durch den Durchlaß 17 in die untere Kammer 18, wo es gesammelt wird. Der Spiegel 40 des geschmolzenen Glases in der unteren Kammer steigt. Es wird elektrischer Strom durch die untere Kammer geführt, um das geschmolzene Glas auf einer geeigneten Temperatur und einer zur Faserbildung geeigneten Viskosität zu halten. Nach einiger Zeit steigt der Glasspiegel 40 auf einen ausreichenden Punkt, um Luft im Durchlaß einzuschließen.

Die Kammer 46 mit der eingeschlossenen Luft wird gebildet, wenn der Glasspiegel etwa eine Höhe von 8,89 cm erreicht hat. Der Spiegel beginnt zu steigen, bis die Strömungsgeschwindigkeit aus der unteren Kammer der Strömungsgeschwindigkeit aus dem Vorschmelzer entspricht. Der Abzug der Glasfasern, die einen mittleren Fadendurchmesser von etwa 45,72· 10~⁵ cm haben, erfolgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 3,05 m/Min.

Der elektrische Strom wird zum Vorschmelzer geführt, um im Vorschmelzer eine Temperatur von etwa 1260° C aufrechtzuhalten, wodurch eine Viskosität von etwa 440 Poise für die Glaszusammensetzung entwickelt wird. Der Glasspiegel 40 in der unteren Kammer wird bei etwa 10,16 cm und die Temperatur wird bei etwa 1260° C gehalten, wodurch für die Glaszusammensetzung eine Viskosität von etwa 440 Poise entwickelt wird.

Nach kurzer Zeit hat sich ein Gleichgewicht eingestellt, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases durch die öffnung 31 im unteren Teil des Vorschmelzers gleich der Glasabzugsgeschwindigkeit durch die Düsen 19 ist. Unter diesen Gleichgewichtsbedingungen bleibt der Glasspiegel im Vorschmelzer bei etwa 10,16 cm. Es müssen etwa 630 Murmeln mit einem Durchmesser von 1,87 cm je Stunde eingeführt werden, um diesen Glasspiegel im Vorschmelzer bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 6,80 kg je Stunde aufrechtzuhalten. Im Gleichgewicht bleibt der Glasspiegel 40 in der unteren Kammer bei etwa 10,16 cm.

Bei Betriebsunterbrechung der Vorrichtung muß die Zufuhr der Murmeln in den Vorschmelzer gestoppt und die Regeltemperatur von Vorschmelzer

und unterer Kammer auf etwa 871° C verringert werden.

Um das Verfahren wieder in Gang zu setzen, muß die Temperatur von Vorschmelzer und unterer Kammer erhöht werden und gleichzeitig Glaszufuhr zum Vorschmelzer beginnen. Es müssen weder untere Kammer noch der Vorschmelzer vor dem neuen Betriebsbeginn entleert werden.

Unter Gleichgewichtsbedingungen beträgt die Fallhöhe 45 aus der öffnung im unteren Teil des Vor-Schmelzers durch den Durchlaß und auf die Oberfläche des Glases in der unteren Kammer 6,35 cm. Die Strömungsgeschwindigkeit der Glaszusammensetzung durch die Öffnung beträgt bei 1260° C etwa 6,80 kg je Stunde im Gleichgewicht, was der Geschwindigkeit entspricht, mit der das Glas aus den Düsen abgezogen wird.

Die Regelung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung des Vorschmelzers wird durch Einstellung folgender veränderlicher Bedingungen vollständig: Höhe 39 des geschmolzenen Glases im Vorschmelzer über der Öffnung 31, Glasspiegel 40 in der unteren Kammer, Temperatur des geschmolzenen Glases im Vorschmelzer und Gasdruck in der Kammer 46 in dem Durchgangsteil 17. Die Geschwindigkeit der Glasströmung durch die Öffnung des Vorschmelzers hängt vom wirksamen Druck an der Öffnung und von der Viskosität des durch die öffnung fließenden geschmolzenen Glases ab. Der wirksame Druck an der Öffnung ist der Unterschied zwischen dem durch den Glasspiegel 39 im Vorschmelzer auf die Öffnung ausgeübten Druck und dem Gasdruck in der Kammer 46. Der Druck in der Kammer 46 des Durchlaßteils hängt wiederum von der Glashöhe 40 in der unteren Kammer ab.

Der Strom des geschmolzenen Glases durch die Öffnung wird während des Verfahrens zur Faserherstellung in folgender Weise automatisch geregelt: Wenn das geschmolzene Glas durch die Öffnung fließt und die untere Kammer füllt, steigt der Glasspiegel 40. Dadurch wird der Gasdruck in der Kammer 46 erhöht, der den wirksamen Druck an der Öffnung 31 verringert, der die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases durch die Öffnung verlangsamt. Wenn das Glas aus den Düsen 19 abgezogen wird, fällt der Glasspiegel 40. Der Gasdruck in der Kammer 46 fällt ab und erhöht den wirksamen Druck an der öffnung 31, wodurch eine größere Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases durch die Öffnung zum Auffüllen der unteren Kammer erreicht wird.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt den besten Weg zur Durchführung der Erfindung.

F i g. 4 ist eine Ansicht einer zur Glasfaserherstellung in einem kontinuierlichen direkten Schmelzverfahren verwendeten Vorrichtung. In F i g. 4 ist ein Glasschmelzbehälter 50 gezeigt, der einen langen engen Vorofen 51 hat, der vom Vergütungsende des Behälters ausgeht. In aufeinanderfolgender Anordnung längs des Vorofens sind mehrere Homogenisator- und elektrisch beheizte Lagerteile 52 und für jeden Homogenisator und Lagerteilkomplex Randstücke 53 am unteren Teil jedes Lagerteils, Glasfäden 54, die aus jedem Lagerteil gezogen werden, ein Schlichte-Applikator 55, ein Fadenführer 56 zum Zusammenfassen der Einzelfasern zu einem Strang 57, eine Umkehrvorrichtung 58, ein Formrohr 59 und eine Aufwickelvorrichtung 60 zum Antreiben des Formrohres befestigt.

Der Ansatz wird im Behälter 50 durch Strahlungswärme aus üblichen Gasbrennern geschmolzen, und das geschmolzene Glas fließt durch die Schwerkraft in den Vorofen 51. Das geschmolzene Glas fließt durch die Homogenisator- und Lagerteilanordnung 52 und dann durch die Randstücke 53 zur Herstellung der Glasfäden 54. Die einzelnen Fäden werden über eine Schlichtevorrichtung 55 gezogen, durch einen Fadenführer 56 gesammelt und ein Strang 57 gebildet. Der Strang wird durch eine Umkehrvorrichtung 58 geführt, die den Strang umkehrt und rückführt, bis er auf ein Formrohr 59 aufgewickelt wird, das durch die Aufwickelvorrichtung 60 angetrieben wird.

Die F i g. 5 und 6 zeigen die Teile der Vorrichtung zur Glasfaserherstellung, die zur praktischen Durchführung der Erfindung von Interesse sind.

Die F i g. 5 und 6 zeigen im einzelnen den Homogenisator 65 und die Einzelheiten des Lagerteils 66, durch das die Glasfasern oder -fäden gezogen werden. Die Gesamtabmessungen des Homogenisators sind eine Länge von 40,64 cm und eine Breite von 10,16 cm am Flansch 68 sowie eine Höhe von 17,78 cm einschließlich des Abzugs 69. Der Homogenisator ist aus einer Legierung von 90% Platin und 100 °/o Rhodium hergestellt und hat drei waagerecht angeordnete Kammern. Die mittlere Kammer hat einen Abzug zur Atmosphäre des Vorofenfeuerraums, und die äußeren beiden Kammern haben jede eine öffnung 67 in ihren obersten Teilen. Die inneren Einzelheiten des Aufbaus der drei waagerecht angeordneten Kammern des Homogenisators sind in dem Abschnitt von F i g. 7 gezeigt. Die öffnung in jeder der beiden äußeren Kammern hat einen Durchmesser von 0,91 cm und eine Länge von etwa 0,1 cm. Die Abzugsöffnung zur Vorofenatmosphäre ist 1,87 zu 4,84 cm² groß. Die Teilungen 70, die das Innenvolumen des Homogenisators in drei getrennte Räume teilen, sind 5,08 cm hoch und am breitesten Teil 4,13 cm breit sowie 0,1 cm dick.

Die Öffnung im unteren Teil des Homogenisators ist 29,51 cm lang und 4,13 cm breit. Sie wird vom Flansch 68 eingefaßt, der 40,64 cm lang, 10,16 cm breit und 0,024 cm dick ist.

Zwischen dem Homogenisator und dem Lagerteil befindet sich eine Dichtungsscheibe 71 aus keramischer Aluminiumoxyd-Siliciumdioxyd-Faser, deren Gesamtmasse 10,16 cm Breite und 40,64 cm Länge sind. Die Dichtungsscheibe enthält ein rechtwinkliges Loch von 4,41 cm Breite und 30,48 cm Länge. Die Dichtungsscheibe ist vor Druckanwendung 3,2 mm dick. Durch die Dichtungsscheibe wird eine elektrische Isolierung zwischen dem Lagerteil und dem Homogenisator hergestellt. Der Homogenisator ist nicht mit irgendwelchen elektrischen Heizvorrichtungen ausgerüstet.

Das Lagerteil 66 der Vorrichtung besteht roh gesagt aus einem rechtwinklig geformten Behälter, der im Deckel eine Öffnung von 30,48 cm Länge und 4,41 cm Breite hat, durch die das geschmolzene Glas aus dem Homogenisator in das Innere des Lagerteils gelangt. Die Lagerteilrandplatte 73 trägt die 800 Randstücke 74. Diese sind in 80 Reihen von jeweils 10 Randstücken in regelmäßigem Abstand angeordnet. Die Größe jeder einzelnen Lagerrandstück-

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öffnung beträgt 0,117 cm Durchmesser und 0,38 cm in der Länge. Das Lagerteil ist mit elektrischen Kontakten 75 an jedem Ende ausgerüstet. Es wird durch Hindurchführen eines elektrischen Stroms durch sein Gefüge nach Art eines Widerstandserhitzers erwärmt. In dem Lagerteil ist nahe dem obersten Teil ein Sieb 76 angebracht. Dieses Sieb erstreckt sich über die Gesamtlänge und -breite der Öffnung, die in den Lagerteil führt. Die öffnungen im Sieb haben einen Durchmesser von 0,14 cm, und je 6,45 cm² liegen 100 öffnungen vor. Das Sieb ist 0,05 cm dick. Die Seiten des Lagerteils sind nach unten hin spitz ausgebildet, um die Lagerteilrandplatte anzuschließen, die 30,48 cm lang und 4,41 cm breit ist.

In den Fig. 5 und 6 sind der feuerfeste Lagerblockteil 80, der feuerfeste Einlaufblockteil 81 und der feuerfeste Seitenwandblockteil 82 Teile des feuerfesten Vorofengefüges des direkten Glasschmelzofens. Der Oberflächenspiegel des geschmolzenen Glases in dem Vorofen ist mit 83 bezeichnet und bestimmt den Druck über den Öffnungen 67. Der Oberflächenspiegel des geschmolzenen Glases im Homogenisator nach Durchtritt des geschmolzenen Glases durch jede öffnung 67, so wie es im Homogenisator gesammelt wird, ist mit 84 bezeichnet. Die äußeren Kammern, die durch die Form des Homogenisators und den Spiegel des geschmolzenen Glases in den verschiedenen Teilen des Homogenisators gebildet werden, sind mit 85 bezeichnet. Der Oberflächenspiegel des geschmolzenen Glases in der Kammer, die zur Vorofenatmosphäre offen ist, ist mit 86 bezeichnet. Der Spiegel des geschmolzenen Glases in der belüfteten Kammer des Homogenisators über dem Spiegel des geschmolzenen Glases am Boden der beiden äußeren Kammern 85 ist mit 87 bezeichnet. Der Kopf des durch die Lagerteilrandstücke fließenden Glases ist mit 88 bezeichnet. Die Temperatur des Lagerteils wird durch ein Thermoelement gemessen und geregelt, das nahe dem Mittelpunkt der Lagerteilrandplatte angeordnet ist.

Beim Betrieb der in den F i g. 5 und 6 gezeigten Vorrichtung fließt geschmolzenes Glas aus dem Vorofen durch jede öffnung 67 herunter durch Kammer 85 und auf den Glasoberflächenspiegel 84. Das Glas fließt durch jede Öffnung durch den Druck, der vom Glasspiegel 83 im Vorofen ausgeübt wird. So wie sich das Lagerteil und der Homogenisator mit geschmolzenem Glas füllen, steigt der Druck entsprechend dem Spiegel des geschmolzenen Glases. Der Anstieg des Glasspiegels 86 bewirkt, daß auch der Gasdruck in der Kammer 85 ansteigt. Der Anstieg des Gasdrucks in der Kammer 85 verringert automatisch den Fluß des geschmolzenen Glases durch die öffnung 67 in den Homogenisator und das Lagerteil.

Nach Verfahrensbeginn fließt das Glas ständig durch die öffnungen 67 des Homogenisators herunter zum Sieb und in das Lagerteil. Das Glas wird ebenfalls konstant durch die Lagerteilrandstücke 74 abgezogen. Wenn der Glasanteil im Homogenisator abfällt, verringert sich auch der Druck auf Grund des Glasspiegels 87, der wiederum eine Verringerung des Gasdrucks in der Kammer 85 bewirkt. Dies erlaubt den Durchfluß einer erhöhten Glasmenge durch jede öffnung 67. Wenn die Glasmenge im Homogenisator steigt, steigt auch der Druck auf Grund des Glasspiegels 86, der wiederum eine Erhöhung des Gasdrucks in der Kammer 85 bewirkt. Dies kann zu einer Verringerung der Gesamtglasmenge führen, die durch jede Öffnung 67 fließt. Dieser Mechanismus entwikkelt eine kontinuierliche, sich selbst regelnde Glasabgabe und Homogenisierungsverfahren.

Wenn der Glasfluß durch die Lagerteilrandstücke 74 gestoppt wird, steigt der Spiegel des geschmolzenen Glases 86 im Homogenisator in den Raum, der mit der Vorofenatmosphäre in Verbindung steht, bis der Glasspiegel 86 in diesem Raum dem Glasspiegel 83 im Vorofen entspricht. Wenn sich die Glasspiegel entsprechen, ist der wirksame Druck an den Öffnungen 67, durch die das geschmolzene Glas in den Homogenisator fließt, Null, und das Glas hört auf, durch die Öffnungen zu fließen.

Um das Verfahren wieder in Gang zu bringen, ist nur erforderlich, daß der Glasfluß durch die Lagerteilrandstücke wieder beginnt. Der Glasfluß durch die Lagerteilrandstücke bewirkt einen Abfall des Spiegels des geschmolzenen Glases, der mit 86 bezeichnet ist, in dem zum Vorofen offenen Teil des Homogenisators, was wiederum zu einem Abfall des Gasdrucks in der Kammer 85 führt. Der wirksame Druck an jeder der öffnungen des Homogenisators ist dann nicht Null, und der Glasfluß durch die Öffnungen beginnt und bewirkt die Glaszufuhr in den Homogenisator und das Lagerteil.

Wenn eine konstante Glasmenge zur Herstellung von Fäden abgezogen wird, besteht auch ein Gleichgewichtszustand im Homogenisator und dem Lagerteilkomplex, wobei die Gesamtmenge an Glas, die durch die Öffnungen des Homogenisators fließt, der Glasmenge entspricht, die durch die Lagerteilrandstücke abgezogen wird.

Es besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen der Vorrichtung, die in Verbindung mit einem Glasofen vom direkten Schmelztyp verwendet wird, und der Vorrichtung, bei der Glasmurmeln das rohe Ansatzmaterial sind, mit Ausnahme der Einzelheiten der Beschreibung. Der Mechanismus und die Prinzipien bei der Homogenisation und der Regelung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnungen, die die homogenisierenden Ströme der beiden Vorrichtungstypen bilden, sind gleich.

Es wurde festgestellt, daß die Vorrichtung des Beispiels 2 einen größeren Anteil von brauchbaren Glasfäden liefert, als bisher unter Verwendung von älteren Typen von Glasfasern bildenden Vorrichtungen erhalten wurden. Bei geregelten Vergleichsversuchen unter Verwendung einer E-Glaszusammensetzung ergibt ein übliches Glasfädenherstellungsverfahren 3,27 kg Glasfaden je Lagerteilstunde im Wochenmittel. Die bevorzugte Vorrichtung von Beispiel 2 liefert 5,2 kg Glasfaden je Lagerteilstunde im Wochenmittel. Bei beiden Ansätzen unter Verwendung der E-Glaszusammensetzung waren die Lagerteile gleich ausgebildet. Die Teile enthielten 800 Fäden, und die in beiden Durchgängen gebildeten Glasfäden hatten einen Durchmesser von 45,72 ·10~⁵ cm.

Die erhöhte Homogenisierung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht die Gesamtwirksamkeit des Verfahrens und ermöglicht die Herstellung eines größeren Volumens von brauchbaren Glasfäden in der gleichen Zeit.

Beispiel 3

Zur weiteren Erläuterung der Grundsätze und des erfindungsgemäßen Homogenisationsgrades dient die Vorrichtung der Fig. 8. Diese Vorrichtung wurde aus 6,35 mm dicken Polymethylmethacrylatfolien

hergestellt. Die Vorrichtung besteht aus zwei Behältern. Der größere der beiden Behälter 95 hat etwa die Form eines rechtwinkligen Kastens, und die Gesamtform von Homogenisator und Lagerteilkomplex ähnelt der im Beispiel 2 beschriebenen. Der größere Behälter war 30,48 cm lang und 7,62 cm breit im oberen Teil und war nach unten spitz ausgebildet und dort 30,48 cm lang und 2,54 cm breit. Das obere Kastenteil wurde offen gelassen und die Bodenfläche mit einer Vielzahl von kleinen öffnungen 107 durchbohrt, die den Lagerteilrandstücken des Lagerteils in einer Vorrichtung zur Glasfaserherstellung entsprechen. Es wurden 100 öffnungen in 24 Reihen von je vier Öffnungen angeordnet. Jede Öffnung hatte einen Durchmesser von 0,23 cm und eine Länge von 0,318 cm.

Der kleinere der beiden Behälter 96 war in Form eines regelmäßigen stumpfen Prismas ausgebildet, das einen quadratischen waagerechten Querschnitt von 10,16-10,16 cm an der Basis und von 2,54 · 2,54 cm am Scheitel hatte. Eine runde Öffnung 97 mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von 0,64 cm war in den Scheitelpunkt des stumpfen Prismas gebohrt.

Die Vorrichtung enthält den kleineren Behälter 96 über dem größeren Behälter 95 gelagert und wurde mit Hilfe eines einstellbaren Trägers 98 gehalten, wie in F i g. 8 gezeigt ist. Der gesamte obere Behälter und die Hälfte des unteren Behälters wurden dann aus einer Quelle 99 mit einer Mischung von Polyisobutylen und einem Mineralöl mit einer Viskosität bei Raumtemperatur, die etwa der Viskosität der verwendeten E-Glaszusammensetzung in den Beispielen 1 und 2 bei der typischen Faserziehtemperatur entspricht, gefüllt. Die das geschmolzene Glas vortäuschende viskose Flüssigkeit wurde durch Mischen von 25 Teilen Polyisobutylen mit 75 Teilen Mineralöl erhalten. Die Viskosität der so hergestellten Mischung entsprach etwa 160 Poise bei Raumtemperatur, und die Strömungsgeschwindigkeit durch die öffnung 97 betrug etwa 4,76 kg je Stunde.

In F i g. 8 wurde das Modell so gelagert, das ein Trennungsabstand von 9,7 mm (als 100 a bezeichnet) zwischen der Öffnung 97 im Scheitel des oberen Behälters und der Oberfläche 101 des viskosen Materials in dem unteren Behälter bestand. Was als schwarze Linie 102 dargestellt ist, die vom oberen Teil des oberen Behälters durch den Boden des oberen Behälters und dann durch die Kolonne aus viskosem Material durch die öffnung herunter und durch den mittleren inneren Teil des viskosen Materials zum unteren Teil des unteren Behälters verläuft, ist ein Farbstoff, der eine Unregelmäßigkeit vom Knotentyp in der viskosen Flüssigkeit bezeichnet. F i g. 8 zeigt deutlich, wie die Unregelmäßigkeit 103 vom Knotentyp, die in dem viskosen Material vorliegt, durch die gesamte Vorrichtung fließt und durch die Öffnungen im unteren Teil des unteren Behälters bei nur sehr geringer Dispersion austritt, was wiederum ein Zeichen dafür ist, daß durch den Durchgang durch die Vorrichtung nur eine sehr geringe Homogenisierung des viskosen Materials stattfindet.

F i g. 9 erläutert den Anstieg der Menge 104 der Farbstoffdispersion, der eintritt, wenn die Höhe 100 b des Falls des viskosen Flüssigkeitsstromes auf 2,54 cm vergrößert wird, was ein Zeichen für eine verbesserte Homogenisation ist. Die Fig. 10 zeigt den weiteren Anstieg 105 der Homogenisation, der eintritt, wenn die Fallhöhe 100 c auf 3,81 cm vergrößert wird. Fig. 11 zeigt schließlich die optimale Fallhöhe 100 d für den Flüssigkeitsstrom bei der ausgewählten Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit durch die verwendete öffnung und den ausgezeichneten erreichten Homogenisationsgrad 106. Ein weiterer Anstieg der Fallhöhe des viskosen Stroms weit über die in Fig. 11 gezeigte optimale Fallhöhe bewirkt eine Übereinanderlagerung der viskosen

ίο Flüssigkeit über sich selbst, da eine Berührung zwischen dem fallenden Strom und der Oberfläche der viskosen Flüssigkeit in dem unteren Behälter stattfindet, durch die Blasen gebildet und dadurch neue Unregelmäßigkeiten in das viskose Material eingeführt werden.

Beispiel 3 zeigt, daß man gemäß der Erfindung sowohl organische als auch anorganische Flüssigkeiten homogenisieren kann und daß bei Raumtemperatur oder auch bei höheren Temperaturen gearbeitet werden kann.

Beim Entwerfen einer Vorrichtung zur Homogenisation einer viskosen Flüssigkeit mit einer Viskosität zwischen 1,0 und 3000 Poises kann der Fallabstand des viskosen Stroms von 1,17 cm bis 30,48 cm in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit durch die öffnung betragen. Am häufigsten liegen die Verfahrensgrenzen gemäß der Erfindung bei Verwendung eines Materials mit einer der von geschmolzenem Glas entsprechenden Viskosität zwischen 5,08 und 10,16 cm bei einer optimalen Fallhöhe von etwa 6,35 cm.

Um die geeignete Öffnungsgröße bei der Entwicklung einer zur Homogenisierung von Glas verwendeten Vorrichtung zu berechnen, wurde folgende empirische Formel ermittelt, die über einen Bereich von l/D-Verhältnissen von 0 bis 4,0 anwendbar ist:

1,081-103

Δ ρ (ρ²)

/0,6 μ

In dieser Formel bedeutet / die Länge der öffnung in cm, Ό den Durchmesser der runden öffnung in cm, Ap den Druckkopf der viskosen Flüssigkeit in cm viskoser Flüssigkeit über der öffnung, ρ die Dichte der viskosen Flüssigkeit in g je cm³, μ die Viskosität in Poise, QA die Strömungsgeschwindigkeit in g je Minute, und 1,081 · 10³ ist die Konstante, um QA in der geeigneten Einheit zu erhalten.

Diese Formel ist geeignet, wenn die Glasviskosität,

so die Öffnungslänge und der hydrostatische Druck über der öffnung bekannt sind und wenn die zum Füllen der unteren Kammer erforderliche Strömungsgeschwindigkeit gesucht ist. Der Wert für QA ist immer etwas größer als für die Glasfaserformung erforderlieh. Wenn die untere Kammer 6,80 kg Glas je Stunde abgeben soll, um einen gewünschten Strang zu erhalten, wird die öffnung so bemessen, daß etwa 9,07 kg Glas je Stunde bei Atmosphärendruck im Fließraum abgegeben werden können. Wenn mehr als eine öffnung vorgesehen ist, wird QA zunächst durch die Anzahl der verwendeten öffnungen dividiert, ehe der Wert zur Bestimmung von D ermittelt wird.

Innerhalb gegebener Grenzen (von 1 bis 100) ist die Anzahl der öffnungen nicht kritisch. Es kann eine Vorrichtung mit nur einer öffnung oder Vorrichtungen mit mehreren öffnungen vorgesehen werden, vorausgesetzt, daß die Viskosität und Fallhöhe so

ausgewählt werden, daß sie der Größe der ausgewählten Öffnung oder Öffnungen entsprechen. Auch die Form der Öffnung hat keine wesentliche Bedeutung, da der fallende Strom dazu neigt, durch die vereinten Wirkungen von Schwerkraft und Oberflächenspannung einen runden Querschnitt beim Fallen auszubilden.

Die Variablen, die die geeignete Fallhöhe des Flüssigkeitsstromes zur Entwicklung einer guten Homogenisierung ohne Einschluß von Blasen bestimmen, sind die Viskosität des Flüssigkeitsstromes, die Öffnungsgröße und die Strömungsgeschwindigkeit. Die Variablen bestimmten die Ablagerungsgeschwindigkeit in Umdrehungen je Minute (UpM) in dem erfindungsgemäßen charakteristischen spiralförmigen Muster.

Es wurde festgestellt, daß gemäß der Erfindung, je größer die Fallhöhe des viskosen Stromes für eine gegebene Strömungsgeschwindigkeit und Viskosität ist, desto schneller die Geschwindigkeit der spiralförmigen Ablagerung des Stromes auf der Oberfläche des Aufnahmeschmelzbades wird. Die Geschwindigkeit der spiralförmigen Ablagerung für eine Flüssigkeit mit einer Viskosität von 54 Poise, einer Dichte von 0,89 je cm³, einer Strömungsgeschwindigkeit von 7,2 kg je Stunde und einer Fallhöhe von 2,54 cm wurde mit 95 Umdrehungen je Minute (UpM) gemessen. Verändert man nur die Fallhöhe für diese Flüssigkeit auf 5,04 cm, dann erhält man eine spiralförmige Ablagerungsgeschwindigkeit von 490 UpM. Eine weitere Vergrößerung der Fallhöhe auf 10,16 cm ergab eine Ablagerungsgeschwindigkeit von 1700 UpM.

Die Ablagerungsgeschwindigkeit (UpM), die Viskosität und die Strömungsgeschwindigkeit der abzulagernden Flüssigkeit und die Viskosität der Flüssigkeit, auf der der viskose Strom abgelagert wird, bestimmen, ob ein oder kein Blaseneinschluß erfolgt. Ein Anstieg der Viskosität der Flüssigkeit in dem Ablagerungsschmelzbad neigt dazu, die zu erreichende Gesamthomogenisierung zu verringern.

Eine erhöhte Ablagerungsgeschwindigkeit neigt zu einer Vergrößerung des Homogenisationsgrades, jedoch führt eine zu hohe Ablagerungsgeschwindigkeit auch zu einem Einschluß von Blasen. Diese Variablen werden innerhalb des erfindungsgemäß geeigneten Bereichs geregelt, wenn die ZahliV_m zwischen 2000 und 25 000 liegt und wenn die Viskosität der Flüssigkeiten von Strom und Ablagerungsschmelzbad etwa gleich sind.

ίο Die Strömungsgeschwindigkeit der viskosen Flüssigkeit durch die Öffnung hängt natürlich von der Öffnungsgröße ab, jedoch außerdem auch noch von dem durch die Höhe des Schmelzbades aus viskoser Flüssigkeit über der Öffnung ausgeübten Druck. Insbesondere hängt die Strömungsgeschwindigkeit von dem wirksamen Druck an der Öffnung ab, der der Unterschied zwischen dem Druck auf Grund der Höhe der viskosen Flüssigkeit und dem Gasdruck in dem Strömungsraum ist. Je größer der Unterschied dieser beiden Drücke ist, desto größer ist die Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung. Die Länge der Öffnung beeinflußt ebenfalls die Geschwindigkeit des viskosen Flüssigkeitsstromes.
Für gegebene statische Verfahrensbedingungen bei Verwendung einer festgelegten Flüssigkeitsviskosität, einer bestimmten Fallhöhe für den Strom, einer bestimmten Öffnungsgröße, einem festgelegten Spiegel für die viskose Flüssigkeit über der öffnung und einem bestimmten Gasdruck im Gasraum unter der öffnung, durch die der viskose Strom fließt, kann die Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung noch durch Veränderung des Gasdruckes über der Oberfläche des Schmelzbades aus der viskosen Flüssigkeit über der Öffnung geregelt werden.

Gemäß der Erfindung ist es nicht erforderlich, daß mechanische Rührwerke vorliegen und Vorschmelzverfahren angewendet werden, jedoch bestehen noch ausreichende Möglichkeiten, solche Mittel in Verbindung mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung einzusetzen, falls das erwünscht ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Homogenisieren von geschmolzenem Glas mit einer Viskosität zwischen 1 und 3000 cP unter Verwendung von zwei übereinander angeordneten Kammern, wobei die Schmelze durch eine feststehende Öffnung aus der oberen Kammer in die untere Kammer fließt, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der oberen Kammer ausfließende Flüssigkeitsstrom durch einen Gasraum in die untere Kammer gelangt und dort in einem spiralförmigen Muster auf der Flüssigkeitsoberfläche abgelagert wird, indem man Dichte, Abstand zwischen der Öffnung der oberen Kammer und Flüssigkeitsoberfläche in der unteren Kammer, Viskosität und Volumgeschwindigkeit der Flüssigkeit am Austritt durch die Öffnung innerhalb solcher Grenzen hält, daß sie in der Gleichung