DE1496043B2

DE1496043B2 - Verfahren zur Herstellung von Glas

Info

Publication number: DE1496043B2
Application number: DE19641496043
Authority: DE
Inventors: Thomas Hamilton Gibsonia Pa.; Hinds Gene Wesley Westfield; Koepplin William John Summit; N.J.; Cable jun. (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1963-04-30
Filing date: 1964-04-30
Publication date: 1970-05-27
Also published as: US3337324A; DE1496043A1; FR1395208A; GB1024595A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glas in einem Schmelzofen mit einer Einführungszone und einer Entnahmezone, wobei das Gemenge in der Einführungszone auf die Schmelze aufgebracht wird und man auf das Gemenge wenigstens einen heißen Gasstrom oder Lichtbogen zum Niederschmelzen des Materials richtet und das geschmolzene Glas aus der Entnahmezone abzieht.

Dieses Verfahren ist beispielsweise in der britischen Patentschrift 124 307 und in der deutschen Patentschrift 620 650 beschrieben. Ohne besondere Regelung der Temperatur des Gasstroms oder des Lichtbogens und ohne Regelung der in der Zeiteinheit auf die Ofenschmelzfläche übertragenen Wärmemenge ist die Wärmeausnutzung schlecht.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß bei bestimmten Mindesttemperaturen des Gasstroms oder des Lichtbogens und bei der Übertragung bestimmter Wärmemengen je Zeiteinheit und Flächeneinheit der Ofenschmelzfläche nicht nur der Raumbedarf für den Ofen verringert wird und ein schnelleres Schmelzen und damit ein größerer Durchsatz erzielt wird, sondern daß auch die Wärmeausnutzung bei bestimmten Mindesttemperaturen und Wärmeübertragungen verbessert wird.

Das oben beschriebene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom oder Lichtbogen eine Temperatur von wenigstens 1930⁰C hat und dabei stündlich eine Wärmemenge von 68 000 bis 1100 000 kcal je Quadratmeter der Ofenschmelzfläche übertragen wird.

Je länger das Gemenge, bevor es völlig geschmolzen ist, auf der Schmelze schwimmt, desto mehr Gesamtwärme ist erforderlich, pnd desto geringer ist die Gesamtbrennstoffausnutzung. Es wird angenommen, daß, wenn Gemengeteilchen mit unregelmäßiger Oberfläche langsam geschmolzen werden, sich um diese herum eine geschmolzene Schicht bildet, deren Oberflächenspannung den wärmeabsorbierenden Teil verkleinert und so als Isolierung wirkt. Dadurch wird die Geschwindigkeit verringert, mit der Wärme von dem Gemenge aufgenommen werden kann. Wird eine stärkere Heizquelle verwendet, um das Gemenge schneller zu schmelzen, so entsteht ein Abschäleffekt, wodurch Schichten abgeschält werden, so daß der Wärmequelle fortlaufend weiter innen liegende Schichten nicht geschmolzenen Materials ausgesetzt werden. Dadurch wird die Wärme sehr viel schneller auf das Gemenge übertragen, und es wird weniger Brennstoff je Tonne erzeugten Glases verbraucht.

Die Heizflamme kann von einem ein Oxydationsmittel wie Luft oder Sauerstoff und Brennstoff verbrauchenden Brenner geliefert werden, oder es kann ein Lichtbogen verwendet werden. Die Wärmequelle ist vorzugsweise entweder in der Wand oder der Decke des Ofens angebracht, so daß ihre Energie im wesentlichen senkrecht nach unten gerichtet ist und auf im Einfüllabschnitt des Ofens befindliches Gemenge auftrifft.

Wird mit Flammen- oder Lichtbogentemperaturen über 1930⁰C, beispielsweise etwa 2760° C oder sogar darüber, gearbeitet, so verwendet man zur Vermeidung schwerer Beschädigungen des feuerfesten Ofenfutters vorzugsweise einen Ofen mit einem zweiten Mantel, der den mit feuerfestem Material gefütterten Mantel umgibt, so daß zwischen beiden ein Kanal vorhanden ist, durch den fortlaufend Kühlmittel strömen kann. Da der Boden des Ofens durch das geschmolzene Glas vor der heißen Flamme oder dem Lichtbogenstrahl geschützt wird, brauchen Kühlkanäle nur um die Wände und das Dach des Ofens vorgesehen zu sein.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen kurvenmäßigen Vergleich der Wärmebeaufschlagung je Schmelzflächeneinheit je Stunde bei verschiedenen Tageserzeugungsmengen bei dem bekannten und dem erfindungsgemäßen Verfahren,

F i g. 2 einen kurvenmäßigen Vergleich der Wärmebeaufschlagung pro Schmelzflächeneinheit je Stunde bei einer gegebenen Tageserzeugung und die sich daraus ergebende Brennstoffausnutzung bei dem bekannten und dem erfindungsgemäßen Verfahren,

F i g. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3.

In F i g. 1 gibt die Kurve »^« die wirksame Wärmemenge an, die je Stunde je Quadratmeter Schmelzfläche auf die Glasrohrstoffe übertragen wird, und zwar bei verschiedenen Ofenausstößen zwischen etwa 30 und 150 t je Tag. Wie oben gesagt, wird bei dem bekannten Verfahren das Gemenge auf das geschmolzene Glas gehäuft und vorwiegend durch dessen Wärme geschmolzen. Wärmeströmungen bewirken, daß es auf der Schmelze treibt und sich mit ihr vermischt, bis es völlig geschmolzen ist. Darauf bleibt die Schmelze vor der Entnahme aus dem Ofen genügend lange in einer Läuterzone, damit Gasblasen entweichen können. Dieses Lösungsschmelzen ist ein langer Vorgang, der eine große Schmelzfläche erfordert und große Brennstoffmengen verbraucht. Wie die Kurve »An zeigt, wird bei dem üblichen Verfahren bei Ausstößen zwischen 30 und 150 t je Tag Wärme von etwa 32 500 bis 49 000 kcal/Stunde/m² Schmelzfläche auf das Gemenge übertragen. Bei einem 1001 täglich erzeugenden Ofen, was der üblichen Größe in der Glasindustrie entspricht, werden beim Lösungsschmelzverfahren etwa 46 000 kcal/Stunde/m² Schmelzfläche auf das Gemenge übertragen (Kurve »y4«).

Da etwa 500 000 kcal zum Schmelzen von 11 Glasgemenge erforderlich sind, müßte bei dem üblichen Verfahren zur Erzeugung einer Tagesmenge von 1001 ein Ofen mit einer Schmelzfläche von etwa 45 m² verwendet werden.

Die Kurve »ß« in F i g. 1 zeigt die untere Grenze der beim erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden Wärmebeaufschlagung je Quadratmeter.

Wie ersichtlich, ist bei einer Tagesmenge zwischen 30 und 150 t eine Mindestwärmebeaufschlagung von etwa 68 000 bis 110 000 kcal/Stunde/m² Schmelzfläche erforderlich. Die untere Grenze bei einer Tagesproduktion von 100 t liegt bei etwa 98 000 kcal/ Stunde/m² Schmelzfläche. Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderliche Schmelzfläche beträgt etwa 21 m². Somit ist bei der unteren Betriebsgrenze des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger als die Hälfte des beim üblichen Verfahren benötigten Ofenraums erforderlich.

Wie weiter unten genauer beschrieben, konnte bei Beaufschlagung mit etwa 410 000 kcal/Stunde/m² Schmelzfläche eine Tagesmenge von 25 t Glas guter Qualität erzeugt werden, wobei ein Schmelzraum von nur 1,3 m² erforderlich war. Die Erzeugung der gleichen Menge mit dem üblichen Verfahren hätte

einen Ofenschmelzraum von fast der neunfachen Größe, d. h. von 10,2 m², erfordert. Außerdem wurde bei der Beaufschlagung mit 410000 kcal/Stunde/m² bis etwa 1 100 000 kcal/Stunde/m² Ofenschmelzfläche wirtschaftlich gerechtfertigt erscheint. Bei dieser Wärmebeaufschlagung läßt sich in einem Ofen mit nur 0,018 m² Schmelzfläche/Tonne/Tag Glas guter Qualität erzeugen. Dies entspricht einem Zwanzigstel der für das übliche Glasherstellungsverfahren erforderlichen Ofengröße.

Man hat angenommen, daß zum Schmelzen von 1 t Gemenge, das im wesentlichen frei von Glasbruch ist, etwa 500 000 kcal erforderlich seien. Viele Glashütten verfahren in der Weise, daß sie eine Charge mit 10% Glasbruch einbringen, in welchem Falle der Wert von 500 000 kcal/t sowie die anderen vorerwärmten Wärmebeaufschlagungswerte sich um etwa 5% verringern.

In Fig. 2 zeigt die Kurve Al, daß Brennstoffausnutzungen von 15 bis 23% in der Glasindustrie allgemein erzielt werden. Eine Brennstoffausnutzung von etwa 20% scheint beim üblichen Verfahren für einen 100 t je Tag erzeugenden Ofen typisch zu sein. Die Kurve B1 zeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei den unteren Wärmebeaufschlagungswerten gemäß der Kurve B in F i g. 1 sich Brennstoffausnutzungen von 20 bis 29% erzielen lassen. Ein mit den unteren Wärmebeaufschlagungswerten betriebener, eine Tagesmenge von 1001 erzeugender Ofen könnte eine Brennstoffausnutzung von 27% erzielt wurden. Die drei Punkte auf der Kurve entstoffleistungswerte an, die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in kleinerem Maßstab erzielt wurden. Die drei Punkte auf der Kurve entsprechen den höheren Beaufschlagungswerten Cl, C2 und C3 in Fig. 1. Die Kurve zeigt vor allem die starke Zunahme der Brennstoffausnutzung bei schnellem Schmelzen durch auf die Oberfläche auftreffende Flamme im Gegensatz zum Lösungsschmelzen mit niedrigerer Wärmebeaufschlagung. Die Krümmung der Brennstoffausnutzungskurve C nimmt bei den höheren Beaufschlagungswerten ab; dies zeigt an, daß bei noch stärkerer Beaufschlagung die Kurve flach verläuft.

Die F i g. 3 und 4 zeigen einen Glasschmelzofen 10, der einen Mantel 11, mit einem feuerfesten Material ausgekleideten Boden 12, Seitenwänden 13 und Decke 14 hat und eine Heizvorrichtung 15, beispielsweise einen in der Decke 14 angebrachten Brenner. Der Ofen hat ein Einfüllende 22 zum Einfüllen des rohen Gemenges und ein Entnahmeende zur Entnahme des geläuterten Glases durch das Zapfrohr 21. Obgleich nur ein Brenner dargestellt ist, können mehrere Brenner oder andere Heizvorrichtungen, beispielsweise ein Lichtbogenplasmastrahl, verwendet werden. Das Haupterfordernis einer solchen Vorrichtung ist, daß sie einen Gasstrom von mindestens 1930⁰C erzeugt.

Der Brenner ist in dem Ofen derart angeordnet, daß die Flamme im wesentlichen senkrecht nach unten auf das Zufuhrende des Ofens gerichtet ist. Vorzugsweise wird er mit Brennstoff und Sauerstoff gespeist, obgleich auch Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet werden kann. Bei Verwendung von nur Brennstoff und Luft können zur Erzeugung einer Flammentemperatur von 1930⁰C . besondere Brennerformen mit Vorheizkammer erforderlich sein. Bei kontinuierlichem Betrieb mit sehr hohen, nahe der oberen Grenze des erfindungsgemäßen Verfahrens liegender Wärmebeaufschlagung sind die Gastemperaturen im Ofen so hoch, daß eine starke Beschädigung des feuerfesten Materials eintreten könnte. In solchen Fällen wird zweckmäßig ein Ofen mit von dem inneren Mantel 11 im Abstand vorgesehenen äußeren Mantel 16 und Kühlräumen zwischen den beiden Mänteln verwendet. Diese Kühlräume 17 können durch Trennwände unterteilt sein, so daß Kühlmittelkreisläufe entstehen, oder sie können, wie in der Zeichnung dargestellt, tankförmig sein. Ein Kühlmittel, z. B. Wasser, kann durch den Einlaß 18 einströmen und durch den Auslaß 19 ausströmen. Bei Wasserkühlung wird sich an der feuerfesten Wandung ein Teil der verdampften Glasbestandteile kondensieren, so daß ein dünner Glasüberzug entsteht, der zusammen mit dem Kühlmittel das feuerfeste Ofenfutter gegen Beschädigung durch Strahlung schützt.

Dadurch kann die Lebensdauer des Ofenfutters verlängert werden. Im Dach des Ofens befindet sich ein Auslaß 20 zum Ablassen der Verbrennungsgase.

Wie aus F i g. 4 ersichtlich, ist der Boden 12 in der Mitte des Ofens tiefer als an den Seiten, so daß sich ein mittlerer Kanal ergibt. Der dargestellte Querschnitt des Ofenbodens ist trapezförmig, jedoch kann die untere Wand 17 ebensogut gekrümmt sein. Durch diese Ausführung ergibt sich ein tiefer, aber verhältnismäßig schmaler Kanal, der eine starke Wärmekonzentration auf das Gemenge ermöglicht, ohne daß ungeschmolzenes Gemenge von der Flamme nach dem Auslaßende des Ofens hin geschwemmt wird. Außerdem sind durch die starke Wärmekonzentration auf den engen, tiefen Kanal die Strahlungsverluste insgesamt geringer und die Brennstoffleistung höher.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird rohes Gemenge in das Einlaßende des Ofens eingebracht und schwimmt auf der darin befindlichen Glasschmelze. Das Gemenge soll so eingebracht werden, daß es eine verhältnismäßig gleichmäßige Schicht auf der Schmelze bildet. Dem Brenner 15 werden genügend Brennstoff und Oxydationsmittel zugeleitet, daß er eine Flamme von mindestens 1930° C, vorzugsweise von 2500 bis 3000⁰C oder darüber, erzeugt. Wird reiner Sauerstoff als Oxydationsmittel und Erdgas als Brennstoff verwendet, so kann eine Flammentemperatur von 2500 bis 3000⁰C durch Verbrennen von Sauerstoff und Brennstoff in einem Volumen verhältnis bei 21° C von etwa 1,7 bis 2,5 erzielt werden. Die dem Brenner zugeführte Sauerstoffmenge hängt somit von der ihm zugeführten Brennstoffmenge ab; diese wiederum wird von der zu erzeugenden Glasmenge, der wirksamen Wärmebeaufschlagung des Glases und der Gesamtleistung des Verfahrens bestimmt.

Um ein Beispiel für die annähernd erforderliche Brennstoffmenge, Oxydationsmittelmenge und Ofengröße bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an der unteren Grenze zu geben, sei eine angestrebte Tageserzeugung von 30 t Glas aus einem glasbruchfreien Gemenge angenommen. Die zum Schmelzen der Charge je Stunde erforderliche Wärmemenge beträgt 630 000 kcal/Stunde.

Wie aus der KurveB in Fig. 1 ersichtlich, beträgt der untere Wert der Wärmebeaufschlagung beim erfindungsgemäßen Verfahren für eine Tageserzeugung von 30 t etwa 68 000 kcal/Stunde/m² Ofenschmelz-

fläche. Die erforderliche Gesamtschmelzfläche beträgt somit 9,3 m².

Nach der Kurve Bl in F i g. 2 beträgt die Gesamtbrennstoffausnutzung auf der unteren Grenze bei einer Tageserzeugung von 30 t etwa 20%· Wird als Brennstoff Erdgas verwendet, das beim Verbrennen etwa 89 000 kcal/m³ ergibt, so liegt der Brennstoffverbrauch etwa bei 350 m³/Stunde.

Wird das Erdgas in annähernd stöchiometrischem Verhältnis zum Sauerstoff verbrannt, so muß das Verhältnis des Oxydationsmittels zum Gas bei etwa 2:1 liegen. Das ergäbe eine Flamme von etwa 2650⁰C. Der Sauerstoffverbrauch würde somit etwa bei 700 m³/Stunde liegen.

Wird mit höherer Wärmebeaufschlagung gearbeitet als dem durch die KurveB in Fig. 1 dargestellten Minimum, so werden die Brennstoff- und Oxydationsmittelmengen und die Schmelzfläche im wesentlichen in der gleichen Weise wie oben errechnet. Jedoch kann es in solchen Fällen notwendig sein, die Brennstoff- und Oxydationsmittelmengen ungefähr zu schätzen durch Wählen einer geschätzten Leistung, die über dem der Kurve Bl entsprechenden Minimum und' unter der extrapolierten Kurve C in F i g. 2 liegt. Dies würde zur Bestimmung der Größe und Zahl der erforderlichen Brenner ausreichen. Die genauen Brennstoff- und Oxydationsmittelmengen für die gewünschte Erzeugungsmenge können dann an Hand des tatsächlichen Ofenbetriebs bestimmt werden.

Mit Lichtbogen, z. B-. Lichtbogenplasmastrahlen, lassen sich Temperaturen von beträchtlich über 3000⁰C erzielen. In jedem Fall wird jedoch eine Flamme oder ein Strom von so hoher Temperatur von dem Brenner 15 oder der Lichtbogenvorrichtung auf das schwimmende Gemenge gerichtet, daß dieses schnell schmilzt, während es sich im Einfüllende des Ofens befindet. Durch das Auftreffen der Flamme oder des Strahls auf das Gemenge entstehen sehr große Temperaturunterschiede zwischen dem Gemenge und der Flamme bzw. dem Strom, ohne daß der Ofen überhitzt werden muß. Das geschmolzene Gemenge läßt man nach dem Auslaßende des Ofens hin strömen, wo die in ihm enthaltenen Gase entfernt werden. Da die Blasenentwicklung um so stärker ist, je niedriger die Viskosität des Glases, soll die Temperatur der Schmelze am Austrittsende zwischen etwa 1430 und 1700⁰C gehalten werden, über dem Auslaßende des Ofens kann zusätzlich ein Brenner angebracht sein, um die Temperatur des Glases auf der genannten Höhe zu halten. Hierzu kann ein Brenner üblicher Art, der Brennstoff und Luft verbrennt, verwendet werden. Nachdem das geschmolzene Glas bis zu dem gewünschten Grade geläutert ist, wird es durch den Auslaß 21 aus dem Ofen abgelassen. Gleichzeitig wird eine frische Charge rohen Gemenges in etwa der gleichen Menge in das Einlaßende des Ofens eingebracht, so daß das Verfahren mehr oder weniger kontinuierlich ist. Die Produktionsgeschwindigkeit muß ein völliges Schmelzen der Charge im Einfüllabschnitt des Ofens zulassen. Nicht geschmolzenes Gemenge darf nicht zuhi_Auslaßende schwimmen, da es Fehler in dem fertigen Glas verursachen würde.

Obgleich der Brenner 15 auch so an den Wänden des Ofens angeordnet sein kann, daß die Flamme im wesentlichen abwärts gerichtet ist und auf das in der Einfüllzone des Ofens befindliche Gemenge auftrifft, wird er vorzugsweise an der Ofendecke angebracht.

Es ist zweckmäßig, eine der senkrechten möglichst nahekommende Richtung zu wählen, da die Hitzeübertragung und damit die Brennstoffleistung stark abfallen, wenn die Ausrichtung des Brenners stärker von der senkrechten Achse abweicht. Ein weiterer Vorteil der senkrechten Ausrichtung der heißen Flamme bzw. des heißen Stromes ist eine geringe direkte Strahlung auf das feuerfeste Ofenfutter.

j₀ Versuchsergebnisse

Zu Versuchszwecken wurde ein kleiner Ofen (Modell 1) ohne Regenerator mit einer Schmelzfläche von 0,75 m² gebaut, der in vieler Hinsicht dem in F i g. 3 und 4 dargestellten Ofen entsprach, aber einen üblichen Boden hatte, und 48 Stunden lang betrieben wurde. Ferner wurde ein größerer Versuchsofen mit einer Schmelzfläche von 1,28 m² getestet (Modell 2). Ein Vergleich der durchschnittlichen Betriebsbedingungen und -ergebnisse bei einem üblichen, im üblichen Verfahren betriebenen Glasschmelzofen und den im erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen, im kleineren Maßstab gebauten Versuchsöfen ist nachstehend aufgeführt. Bei beiden Versuchen war das den Ofen verlassende Glas hinsichtlich seiner Struktur, Klarheit

²S und Farbe von bemerkenswert guter Qualität.

	Ofenschmelzfläche	Bekanntes	Versuchsöfen	Modell 2
	je Tagestonne, m²	Verfahren	Modell 1
30	Durchschnittliche'			0,049
	Tageserzeugung, t	0,41	0,137
	Tageserzeugung je			25
	Quadratmeter	150	5,4
35	Schmelzfläche, t ..
	Erdgas, m³/t			20,9
	Luft, m³/t	2,4	. 7,3	133
	Sauerstoff, m³/t ...	252	192	0
	Brennstoffausnut	27 600	0	257
40	zung, Basis:	0	325
	0,5 Millionen kcal/
	t, theoretisch, % · ■
	Temperatur des ab			41,7
45	gezogenen Glases,	22,5	29,3
	⁰C
	Erweichungspunkt			1570
	des Glases, ⁰C ...	1470	1570
			709
5°	712	709

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ließ sich Glas hoher Qualität in einem Ofen von minimaler Größe herstellen. Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine wesentliche Steigerung des Ofenausstoßes und.der Brennstoffausnutzung erzielen läßt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Glas in einem Schmelzofen mit einer Einführungszone und einer Entnahmezone, wobei das Gemenge in der Einführungszone auf die Schmelze aufgebracht, auf das Gemenge wenigstens ein heißer Gasstrom oder Lichtbogen zum Niederschmelzen des Materials gerichtet wird und das geschmolzene Glas aus der Entnahmezone abgezogen wird, dadurch ge-

kennzeichnet, daß der Gasstrom oder Lichtbogen eine Temperatur von wenigstens 1930⁰C hat und dabei stündlich eine Wärmemenge von 68 000 bis 1100 000 kcal je Quadratmeter der Ofenschmelzfläche übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das geschmolzene Glas eine

zwischen der Einführungszone und der Entnahmezone angeordnete Läuterzone bei einer Temperatur von wenigstens 143O⁰C durchlaufen läßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Glas bei einer Temperatur von 1430 bis 1700⁰C aus der Entnahmezone abzieht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 522/176