DE1496043B2 - Verfahren zur Herstellung von Glas - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von GlasInfo
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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 (3)
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
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