DE1471831C3 - Verfahren zum Erhitzen von Glasgegenständen für eine thermische Behandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft "ein Verfahren zum Erhitzen von Glasgegenständen für eine thermische Behandlung, bei dem das Glas von beiden Seiten her der Einwirkung einer Strahlungsenergie und der Einwirkung einer temperaturregulierenden Gasströmung ausgesetzt wird.

Bei den üblichen Verfahren zur Wärmebehandlung von Glasgegenständen erfolgt die Beheizung des Glases durch Wärmestrahlung. Die Wellenlänge der verwendeten Wärmestrahlung wird so gewählt, daß möglichst viel Strahlungsenergie von dem Glas absorbiert wird. Dementsprechend wird die Temperatur der Strahler bzw. der das Glas umgebenden Ofenwände eingestellt. Dies bedeutet, daß bei einem Soda-KaIk-Silikat-GIas die Erwärmung mit einer Strahlung erfolgt, deren Wellenlänge größer ist als 2,7 Mikron. Oberhalb dieses Grenzwertes ist das genannte Glas nämlich praktisch strahlungsundurchlässig, während es für Strahlungen mit Wellenlängen unterhalb des genannten Grenzwertes in hohem Maße durchlässig ist (DT-AS 1 014 719). Bei dieser Form der Erhitzung wird ein hoher Anteil der Strahlungsenergie an den Grenzflächen des Glasgegenstandes absorbiert, so daß diese relativ stark aufgeheizt werden, während der Kernbereich auf eine Erwärmung durch Wärmeleitung angewiesen ist, die bei Glas, das bekanntlich ein schlechter Wärmeleiter ist, nur sehr langsam vonstatten geht. Der Kern, der seine Wärmeenergie durch Wärmeleitung von den Randbereichen bezieht, bleibt dabei immer kälter als die Randbereiche. Daraus ergeben sich häufig Formveränderungen des Glasgegenstandes, Oberflächeneindrückungen und andere Fehler, insbesondere in der Nähe der Befestigungspunkte der gehärteten Glastafeln.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Härten von Glas erfolgt die Erwärmung durch die dielektrischen Verluste eines das Glas durchsetzenden Hochfrequenzfeldes, wobei die Oberflächen des Glases während des Erwärmens abgekühlt werden. Hierdurch soll erreicht werden, daß das Innere des Glases wärmer wird als die Oberflächenschichten. Für dieses Verfahren benötigt man eine außerordentlich energiestarke Hochfrequenzquelle zur Erzeugung eines hinreichend starken elektrischen Feldes zwischen zwei Plattenelektroden. Der Elektrodenabstand muß zur Erzielung hoher Feldstärken möglichst klein sein. Ein wirtschaftlicher Betrieb eines solchen Hochfrequenzstrahlungsofens dürfte mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden sein (DT-PS 686 549).

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (DT-PS 811 269) erfolgt die Erwärmung des Glases ausschließlich durch Konvektion mittels erhitzter Luft. Dies hat zur Folge, daß die Randbereiche der Glasschicht sehr stark erhitzt werden müssen, um eine ausreichende Erwärmung des Kernteiles zu bewirken. Auch hier haben in jedem Fall die Randbereiche eine höhere Tempera- : tür als der Kernbereich.

Schließlich ist ein Verfahren bekannt (DT-PS 616 445), bei dem die Erhitzung des Glases im Ofenraum bis über die Erweichungstemperatur hinaus mit Hilfe von Wärmestrahlern von der einen Seite her durchgeführt wird, während von der anderen Seite her eine Kühlung erfolgt, um ein Wärmegefälle zu verursachen. Anschließend wird die erhitzte Seite durch Anblasen gekühlt und das gewünschte Temperaturgleichgewicht mit der zuvor gekühlten Seite hergestellt. Man erzeugt also zunächst auf der einen Seite des Glases weit höhere Temperaturen als die in der Kernschicht notwendige Erweichungstemperatur.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das unter Verwendung von Strahlungswärme eine gezielte Temperaturverteilung im Inneren des Glases ermöglicht und insbesondere eine starke Erwärmung des Kernbereiches ohne Überhitzung der Randbereiche zuläßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Strahlungsenergie mit einer Wellenlänge von unter 2,7 Mikron von einer Wärmestrahlungsquelle erzeugt wird, welche in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Glases auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß das Glas für einen beträchtlichen Teil der von ihr abgegebenen Strahlung durchlässig ist — entsprechend etwa 1200⁰C bei einem ziehfähigen Natron-Kalk-Glas —, und daß die Oberflächen des Glases dabei mit einer konditionierten Heißgasströmung auf eine Temperatur gebracht werden, die nahezu die Kerntemperatur erreicht, vorzugsweise darunterliegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine definierte kurzwellige Strahlungsenergie von Beginn der Glaserwärmung an durch eine Konvektionserwärmung mittels einer Heißgasströmung unterstützt. Die Heißgasströmung ist so konditioniert, daß sie in der Schlußphase der Erwärmung die Temperatur der Glasoberfläche auf einen Wert bringt, der nahezu die Temperatur des zwischen den Glasoberflächen liegenden Glaskernes erreicht, vorzugsweise aber darunterliegt. Die Konditionierung des Heißgasstromes kann durch entspre- chende Einstellung von dessen Temperatur, Menge bzw. Strömungsgeschwindigkeit herangezogen werden. Die Temperatur kann beispielsweise durch Regelung der Stromzuführung zu den Heizeinrichtungen beeinflußt werden.

Ein wichtiger Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß selbst dicke Glasstücke in kurzer Zeit gleichmäßig erhitzt werden können, weil auch die Erwärmung des Kernbereiches vorwiegend durch Wärmestrahlung und nicht durch die relativ träge Wärmeleitung erfolgt. Im Inneren des Glases kann ein gewählter Temperaturgradient verwirklicht werden. Insbesondere ist es möglich, den Kernbereich auf eine Temperatur zu bringen, die gleich oder höher ist als diejenige der Randbereiche.

Der kurzwelligen Strahlung, von der ein großer Anteil bis in den Kernbereich des Glases hineingelangt, wird noch eine Erwärmung durch Konvektion überlagert. Dadurch kann die Erwärmung des Glases zusätzlich beschleunigt und die Zeit verringert werden, die nötig ist, um den stationären Zustand zu erreichen, nämlich eine Kerntemperatur, die höher ist als diejenige der Außenflächen. Diese zusätzliche Erwärmung durch Konvektion erfolgt unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Temperaturgradient innerhalb des Glases einen bestimmten Wert, oberhalb dessen das Glas zu Bruch geht, nicht überschreiten darf. Durch die Konvektionserwärmung überlagert man dem schwachen Temperaturgradienten, der sich aus der Strahlungserwärmung ergibt, noch einen zusätzlichen, durch Konvektion entstandenen Gradienten.

Durch die Wahl der Konvektionsströmung kann die Erwärmung der Außenflächen exakt in vorbestimmbarer Weise erfolgen, während der Kernbereich durch die Strahlungsenergie auf das gewünschte Niveau gebracht wird. Wenn man die Temperatur der Gasströmung so einstellt, daß sie derjenigen Temperatur entspricht, die die Außenflächen des Glases am Ende des Heizvorganges haben sollen, werden die Außenflächen zunächst von der Gasströmung erwärmt, solange ihre Temperatur noch unter der Solltemperatur liegt. Danach werden sie gegenüber dieser Temperatur blockiert. Wenn man die Gasgeschwindigkeit noch verändert, kann man außerdem die Wirkung für eine bestimmte Gastemperatur erhöhen oder vermindern.

Der Absorptionskoeffizient von Glas für Lichtstrahlen hängt stark von der Zusammensetzung des Glases ab, so daß man genaue Grenzen für den Durchlässigkeitsbereich nicht für alle Glasarten in allgemeiner Form angeben kann. Beispielsweise wird ein Natrium und Calcium enthaltendes Glas, das zum Ziehen von Glastafeln verwendet wird, nur wenig Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 2,7 Mikron absorbieren.

Die Zusammensetzung des Spektrums der ausgesandten Strahlung ist von der Temperatur der Strahlungsquelle abhängig. Da jedoch die Strahlungsdurchlässigkeit des Glases von dessen Zusammensetzung abhängt, läßt sich auch die günstigste Temperatur der Strahlungsquelle nicht in allgemeiner Form für alle Glasarten angeben. Für ein ziehfähiges Natron-Kalk-Glas werden die Strahlungselemente beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 1200° C erhitzt.

Derjenige Anteil der Strahlung, der in das Glas eindringt und von diesem absorbiert wird, erhitzt das Glas in seiner gesamten Dicke. Das rasche Eindringen der Wärmestrahlung bis zum Kern des Glases bewirkt, daß das Glas in kürzester Zeit durch und durch erhitzt wird, im Gegensatz zu der konventionellen Erhitzung durch Wärmeleitung, die relativ lange dauert. Die Erhitzung, die im allgemeinen nur eine Vorbereitung für eine anschließende Wärmebehandlung (Härten, Abschrecken) darstellt, erfordert einen größeren Zeitaufwand als die eigentliche Wärmebehandlung. Durch die Erfindung wird daher auch der Zeitaufwand für den Ablauf des Gesamtverfahrens der Wärmebehandlung erheblich verringert.

Dadurch, daß es durch geeignete Bemessung, der Strahlungsenergie und der Konvektionsenergie möglich ist, den Temperaturgradienten innerhalb des Glases gezielt zu beeinflussen, kann man erreichen, daß die Temperatur des Kernbereiches höher ist als die Erweichungstemperatur des Glases, während die Oberflächenschichten auf einer Temperatur gehalten werden, die unterhalb der Erweichungstemperatur liegt. Auf diese Weise wird eine Verformung der Glasstücke während der Erhitzung vermieden.

Auch der Anteil von Konvektionsenergie an der dem Glas zugeführten Gesamtenergie läßt sich in allgemeiner Form nicht angeben. Die Menge der thermischen Energie, die dem Glas durch Konvektion von dem gasförmigen Medium mitgeteilt wird, ist jedenfalls relativ

ίο zu der Menge der thermischen Strahlungsenergie verhältnismäßiggering.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erhitzungsvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Horizontalschnitt durch eine Vorrichtung zum Erhitzen von an einer Schiene senkrecht aufgehängten Glastafeln; F i g. 2 zeigt schematisch einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform, bei der die Glastafeln in waage:· rechter Lage transportiert und dabei erhitzt werden;

F i g. 3 zeigt die auf die verschiedenen Querschnittsbereiche einer Glasplatte einwirkenden Strahlungsanteile bei Verwendung einer Strahlung mit einer Wellenlänge, für die das Glas in hohem Maße undurchlässig ist; und

Fig.4 zeigt die gleichen Verhältnisse bei Anwendung einer Strahlungsenergie, für die das Glas nach der Lehre der Erfindung in weit höherem Maße durchlässig

ist. : ^:

Zunächst sei auf die F i g. 3 und 4 Bezug genommen. F i g. 3 gibt die Verhältnisse bei dem bekannten Verfahren wieder, bei dem eine Strahlung verwandt wird, von der ein möglichst großer Anteil vom Glas absorbiert wird. Die Wellenlänge der verwendeten Strahlung liegt bei einem Natron-Kalk-Glas oberhalb von 2,6 Mikron. Die Richtung, in der die eine Strahlungsquelle wirkt (von links nach rechts) ist oben dargestellt (1-2), während die Gegenrichtung mit l'-2' bezeichnet ist.

Die auf das Glas einwirkende äußere Strahlungsenergie betrage auf jeder Seite 100%. Unterteilt man das Glas in drei parallele Scheiben, so kann man errechnen, daß in dem Mittelteil noch 16% der von links kommenden Primärstrahlung und ebenfalls 16% der von rechts kommenden Primärstrahlung wirksam sind. An der gegenüberliegenden Trennfläche sind jeweils nur noch 2,5% der Primärstrahlung vorhanden. Man erkennt, daß an den Randflächen jeweils 102,5% und im Mittelbereich 32% der Strahlung wirksam sind. Da die Temperatur einer jeden Scheibe der Energieabsorption in dieser Scheibe proportional ist, und da wiederum die Energieabsorption ein konstanter Anteil der auftreffenden Strahlung ist, ergibt sich, daß die ermittelten Werte den Temperaturen der drei Scheiben proportional sind.

Unter Zugrundelegung starker Absorption ergibt sich also eine starke Temperaturdifferenz zwischen den Außenflächen und dem Kern des Glases. Eine derartige Temperaturdifferenz ist unerwünscht.

Wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Strahlung verwendet, die nur in geringem Maße vom Glas absorbiert wird, so ergeben sich die in F i g. 4 dargestellten Verhältnisse. Der Wert, der von einer Außenfläche zur anderen übertragenen Energie betrage 67% entsprechend einer Wellenlänge der verwendeten Strahlung von unter 2,6 Mikron. Es ist festzustellen, daß der Temperaturgradient zwischen den Außenflächen und dem Kern des Glases sehr gering ist. Dies bedeutet, daß das Glas sehr schnell ohne Bruchrisiko

erwärmt werden kann.

In den Fig.3 und 4 ist jeweils nur der Einfluß der Primärstrahlung auf das Temperaturverhalten dargestellt. Wenn man jedoch berücksichtigt, daß das erhitzte Glas seinerseits eine Sekundärstrahlung abgibt, die der vierten Potenz der Temperatur proportional ist, dann kommt man zu dem Erbenis, daß bei der Temperaturverteilung nach F i g. 4 eine erhebliche Sekundärabstrahlung im Kernbereich erfolgt, die im Glas wiederum in Wärme umgesetzt wird. Die Sekundärstrahlung der Randbereiche geht dagegen zu einem großen Teil in die Umgebung hinein und wird von der konditionierten Konvektionsströmung abgeführt.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung ist ein Ofen, dessen Gehäuse 1 ein inneres Volumen 2 begrenzt. Das Gehäuse ist mit zwei Schlitzen 3 und 4 versehen, von denen der eine zur Einführung und der andere zur Abführung der erhitzten Stücke dient. Die Schlitze werden durch Türen 5 und 6 verschlossen, die sich beim Durchgang der Glasstücke 7 öffnen. Diese werden quer zum Ofen durch einen Förderer 8 gefördert, der beispielsweise aus einer Einzelschiene besteht, an welcher die Glasstücke aufgehängt sind.

Im Ofen sind zu beiden Seiten der zu erhitzenden Glasstücke strahlende Elemente 9 angeordnet. Diese Elemente sind vorteilhaft elektrische Widerstände, aber es können auch Strahlungsflächen sein, die durch die Verbrennung eines Gases auf Weißglut gebracht sind. Die Temperatur, auf welche die Elemente gebracht werden, ist von der Dicke des zu erhitzenden Glases und von dessen Durchlässigkeit für die Wellenlängen der Strahlung abhängig. Gemäß der Erfindung wird die Temperatur der strahlenden Elemente derart gewählt, daß das Glas für einen beträchtlichen Teil dieser Strahlung durchlässig ist. Beispielsweise ist ein Natrium und Kalzium enthaltendes Glas mit einer im allgemeinen zum Ziehen verwendeten Zusammensetzung für Strahlungen mit einer Wellenlänge von weniger als 2,7 Mikron durchlässig. Die strahlenden Elemente werden auf eine Temperatur von ungefähr 1200° C gebracht, bei welcher das Maximum der Strahlungsenergie zwischen 1,5 und .2 Mikron liegt Selbstverständlich ist die Temperatur, auf welche die Widerstände 9 gebracht werden, von der Spannung des Speisestromes abhängig. Derselbe wird mittels eines Transformators mit veränderlicher Sekundärspannung geregelt.

Die thermische Energie, die in einem gasförmigen Medium durch Konvektion wirkt, wird in das Gehäuse 1 durch zwei Blasrohre 10 eingeführt, die zu beiden Seiten der Öffnung 3 in die vordere Wand des Ofens münden. Diese Rohre sind durch eine Leitung 11 an ein Gasgebläse 12 angeschlossen, z. B. an einen Ventilator, der die äußere Luft ansaugt und dieselbe in das Innere des Ofens bläst. Eine in die Leitung 11 eingeschaltete Heizvorrichtung 13 ermöglicht der Luft die thermische Energie zu vermitteln, die erforderlich ist, um die Oberflächenschichten des Glases auf eine Temperatur zu erhitzen, welche annähernd jener des Kerns des Glases gleich ist, der selbst im wesentlichen durch die von den strahlenden Elementen 9 abgestrahlte Energie erhitzt wird. Schieber 14 ermöglichen, die Menge der in den Ofen eingeführten Luft zu regeln. Zwei Rohre 15, die mit Schiebern 16 versehen und in der hinteren Wand des Ofens angeordnet sind, dienen zur Abführung der eingeführten Luft.

Die in F i g. 2 als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellte Vorrichtung weist zur Erhitzung der Oberflächenschichten des Glases durch Konvektion ein System für den Umlauf des gasförmigen Mediums in geschlossenem Kreislauf auf. Diese Vorrichtung besteht aus einem Ofen zur Behandlung der Glasstücke 7 auf einem waagerechten Förderer. Derselbe ist beispielsweise ein metallischer Förderer, dessen tragendes Trum 17, das durch Walzen 18 angetrieben wird, durch den Ofen hindurchgeht, während sich das zurücklaufende Trum 19 vorzugsweise außerhalb des Ofens befindet und über Umlenkwalzen 20 läuft.

Die Decke und der Boden des Gehäuses sind mit Trennwänden 21 versehen, welche abwechselnd Zellen 22 und 23 begrenzen. In den Zellen 22 sind die strahlenden Elemente 9 angeordnet, während die Zellen 23 Blaserampen 24 enthalten. Die strahlenden Elemente 9 sind beispielsweise elektrische Widerstände, wie oben beschrieben wurde. Jede Blaserampe 24 besteht aus einer Leitung 25, welche das gasförmige Medium, im allgemeinen Luft, zuführt, sowie aus einer Querleitung 26, welche das Gas auf die Ansätze 27 verteilt, die gegen die Oberflächen der Glastafeln 7 gerichtet sind. Das gasförmige Medium wird durch ein Gebläse 12 gefördert, im vorliegenden Falle eine Kreiselpumpe, die mit den Blaserampen 24 durch eine Leitung 28 verbunden ist. Das Gas verläßt den Ofen durch Leitungen 29, die mit Schiebern 30 versehen sind, und wird einem Temperaturregler 31 zugeführt, aus dem es durch die Kreiselpumpe 12 angesaugt wird, um einen neuen Kreislauf durch den Ofen zu beginnen. In jeder der Leitungen 25 sind Schieber 32 angeordnet, mittels welcher die Menge jeder Blaserampe 24 einzeln regelbar ist. Durch ein mit einem Schieber 34 versehenes Rohr 33 kann frische Luft in den Temperaturregler 31 gesaugt und mit der in geschlossenem Kreislauf umlaufenden Luft gemischt werden. Ein in einer Abzweigung der Leitung 29 angeordneter Schieber 35 dient zur Regelung der in Umlauf befindlichen Luftmenge.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt und der Rahmen der Erfindung wird durch Anbringung von Abänderungen nicht verlassen, indem insbesondere in der Vorrichtung gemäß F i g. 1 das Gas relativ zur Vorschubrichtung der Glasstücke in offenem oder geschlossenem Kreislauf im Gegenstrom in Umlauf gesetzt wird oder indem der Gasaustritt in der Mitte des Ofens angeordnet wird, während die Zuführung dann an den beiden Enden erfolgt. ;

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Erhitzen von Glasgegenständen für eine thermische Behandlung, bei dem das Glas von beiden Seiten her der Einwirkung einer Strahlungsenergie und der Einwirkung einer temperaturregulierenden Gasströmung ausgesetzt wird, d a durch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie mit einer Wellenlänge von unter 2,7 Mikron von einer Wärmestrahlungsquelle erzeugt wird, welche in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Glases auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß das Glas für einen beträchtlichen Teil der von ihr abgegebenen Strahlung durchlässig ist — entsprechend etwa 1200⁰C bei einem ziehfähigen Natron-Kalk-Glas —, und daß die Oberflächen des Glases dabei mit einer konditionierten Heißgasströmung auf eine Temperatur gebracht werden, die nahezu die Kerntemperatur erreicht, vorzugsweise darunterliegt.