DE1496428A1

DE1496428A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen

Info

Publication number: DE1496428A1
Application number: DE19641496428
Authority: DE
Inventors: Searight Charles E; Robinson Hyman L; Smalley Hugh W
Original assignee: Cataphote Inc
Current assignee: Cataphote Inc
Priority date: 1964-05-16
Filing date: 1964-05-16
Publication date: 1969-07-03
Also published as: GB1060234A; BE648728A; DE1496428B2

Description

Gatapiiote Corporation, 2505 Albion Street, Toledo, Ohio, U.S.A. "Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen"

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Glasperlen und richtet sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung kleiner Glasperlen für verschiedene rückstranlende und industrielle Zwecke.

Die üblichen Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Glasperlen sind wesentlich weniger wirtschaftlich als Verfahren und Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zu seiner Durchführung insbesondere vorgeschlagenen Vorrichtung werden die Glasperlen unmittelbar aus dem geschmolzenen Glas hergestellt, w'üirend bei den üblichen Verfahren die Glasperlen aus vorher verarbeitetem Glas entstehen, das abgekühlt, zermahlen und

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auf die annähernde Größe der gewünschten G-lasperlen abgesiebt ist und dann in einen Ofen mit einer nach oben gerichteten Flamme ,zugeführt wird, welche die Glas teilchen zu Kugeln umformt', und sie nach oben hinwegträgt. Die kugelförmigen Glasperlen laufen durch eine verhältnismäßig kühlere Zone, in der das Glas sich verfestigt, und werden anschließend in geeigneten Trögen in der Nähe des Oberteiles oder Austrittsendes des Kamins des Ofens gesammelt. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der Uü-Patentschrift 2 730 841 beschrieben.

Zu den Nachteilen dieser üblichen Verfahren gehört es, daß sie für die Massenproduktion unwirtschaftlich sind, weil .das Glas, welches bei seiner ursprünglichen Herstellung in den geschmolzenen Zustand verbracht ist, zuerst in den festen Zustand abkühlt und anschließend pulverisiert wird, worauf man es erneut in einen geschmolzenen Zustand erwärmt, um das pulverisierte Material zu Kugeln zu formen. Die daraus folgende Verminderung des Y/irkungsgrades durch zwei getrennte und besondere Erhitzungsstufen liegt auf der Hand.

Ein anderer Nachteil der üblichen Verfahren besteht darin, daß das Glas^ein außerordentlich stärk schmiergelndes Material ist und daher sehr schädlich auf übliche Zerkleinerungs-

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vorrichtungen wirkt, die man zur Zerkleinerung verwenden muß, so daß sowohl die Aufstellung als auch die Unterhaltung solcher Anlagen sehr teuer und zeitraubend ist.

Ein anderer Nachteil ist in der Tatsache zu sehen, daß eine große Menge des ursprünglich geschmolzenen Glases während des Zerpulverns als Staub, verlorengeht, der zu fein ist, als daß man ihn bei diesem Verfahren verwenden könnte. Diese Verluste belaufen sich zwischen 5 und 15 i» des ursprünglich eingesetzten Glases.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung des am 20· Oktober 1958 unter der Serial No. 768 250 eingereichten , Vorschlages "Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen" dar.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen, ! die unmittelbar aus einem geschmolzenen Glasstrom geformt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung kleiner (ilasperlen auf besonders einfache und wirtschaftliche Weise.

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Diese und andere Ziele und Vorteile erreicht man gemäß der .' Erfindung dadurch, daß der geschmolzene Glasstrom unmittelbar in die Verbrennungszone des Ofens geführt wird, wo die größere Turbulenz herrscht. An dieser Stelle wird der geschmolzene Glasstrom in kleine Teilchen geschmolzenen Glases zerstäubt, welche ^ sich infolge ihrer Oberflächenspannung unmittelbar zu Kugelförmigen Perlen verformen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine -teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ;

Fig. 2 eine verbesserte Teilansicht der Brennzone des Primär- und Sekundärbrenners des Ofens nach Fig. 1 zur Wiedergäbe der Wirkung der turbulenten Verbrennungsgae- - strömung auf den Schmelzglasstrom ; ,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil des Ofens längs der Linie 3-3 der Fig. 2 j

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I¹Ig. 4 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht einer abgeänderten Ausführungsfarm, "bei der die Verbrennungsgase und die geformten Glasperlen in einer im allgemeinen vertikalen Richtung strömen ;

Pig. 5 eine Schnittdarstellung einer abgeänderten Ausführungsform der Austrittsdüse des Primärbrenners und der Schmelzglaszuführungsleitung nach den Fig. 1, 2 und 4 ;

Mg. 6 eine Teilschnittdarstellung des Brenners und der Schmelzglaszuführungsleitung im wesentlichen längs der Linie 6-6 der Hg. 5 ; und in

Pig. 7 einen Schnitt im wesentlichen längs der Linie 7-7 der Hg. 5.

In den Pig. 1 "bis 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung wiedergegeben, die im folgenden als Horizontalofen bezeichnet v/erden soll. Insbesondere bezieht sich die Wahl dieses Fachausdruckes auf die allgemeine Strömung der heißen Gase in dem Ofen. Die Vorrichtung besteht aus einem Ofen, der allgemein mit dem Bezugszeichen-10 bezeichnet isty und eine senkrechte Seitenwandung 12 aufweist, die jede gewünschte Porm haben kann, beispielsweise also rund, rechteckig, usw. ist. Der

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Ofen IO enthält eine Bodenwandung 14 und einen Oberteil 16, die so ausgestaltet sind, daß die verbrannten Gase durch einen mittleren Austrittskamin 18 gesammelt und abgeführt. werden.

Me Seitenwandung 12 des Ofens 10 ist mit einem sich nach außen erstreckenden Teil 20 zur Aufnahme einer Primärheißgaseinlaßdüse 22 und eines Satzes von Sekundärheißgaseinlaßdüsen 24- versehen. Bei der wiedergegebenen Ausführungsform sind sechs Sekundärgaseinlaßdüsen vorgesehen. Selbstverständlich läßt sich diese Anzahl beliebig ändern.

Die Sekundärheißgaseinlaßdüsen 24 sind an eine Heißgasquelle über eine Ringverteilerleitung 26 und eine Einlaßleitung 28 angeschlossen. Man erkennt, daß die Sekundärheißgasdüsen 24 jeweils mit einem Ablenkblech 30 versehen sind, welches den entsprechenden austretenden Gasstrom nach innen zu einem Brennpunkt im Innenbereich des Ofens lenken, wie später noch im einzelnen erläutert werden wird.

Die Primärheißgaseinlaßdüse 22 bildet das Austrittsende des Primärbrenners 32, bei dem es sich grundsätzlich um einen kleinen, hitzebeständig ausgekleideten Ofen handelt, in dem die Wärme mit hohen Geschwindigkeiten und bei Temperaturen

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/ ,In der Größenordnung von 1650° C und mit Geschwindigkeiten Ton ca. 800 a/sek. entwickelt wird.

Dtr Brenner 32 enthält eine Außenwandung 34» die mit einem geeigneten» hitzebeständigen Material 36 ausgekleidet ist, Außerdem iet ein Brennstoff- und Lufteinlaß 38 vorgesehen* Da· verbrennbare, dem Einlaß 38 zugeführte Gemisch tritt in eine Vorkammer 40, durch eine mit Löchern versehene keramiaohe Platte 42 und In die Haupfbrennkammer 44· Die Innenwmn&ungen der Brennkammer 44 verjüngen sich zum Auslaßende, •o daß «la Blaekanal 46 in der Düse 22 entsteht. Die Innen-

- wändungen der hitaebeständigen Auskleidung 36 nehmen Weißglut an land eine intensive Strahlung von Wandung zu Wandung über den Weg der Verbrennungsgase führt zu einer Beschleunigung der Verbrennungsreaktion.

Der überhitzte Blasstrom tritt aus der Auslaßdüse 22 durch den Kanal 46 aus und wird auf das Innere des Ofens 10 gerichtet.

Sin Behälter 50 für geschmolzenes Glas ist im Abstand vom Ofen 10 angeordnet und enthält eine Kammer mit den Seitenwandungen 52, einem Boden 54 und einer Decke 56. In einer der

- Seitenwandungen 52 ist ein üblicher Brenner 58 angeordnet

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und hält eine solche Temperatur im Behälter aufrecht, daß ." das Glas 60 in geschmolzenem Zustand gehalten wird·

Der Behälter 50 steht mit dem Brenner 32 ü"ber ein Rohr 62 in Verbindung, durch das das geschmolzene Glas vom»Behälter 50 zum Düsenende des Brenners 32 fließt.

Insbesondere aus Fig. 2 erkennt man, daß das Auslaßende .des Rohres 62 annähernd mittig im Blaskanal 46 angeordnet ist. Außerdem ist es wesentlich, darauf hinzuweisen, daß das Auslaßende des Rohres 62 radial in den Kanal 56 mündet, so daß der aus dem Rohr 62 austretende Schmelzglasstrom im wesentlichen in der Mitte des Kanals 46 austritt. Das Auslaßende des Rohres 62 muß an solcher Stelle im Kanal S 46 angeordnet sein, daß die durch das Zusammenwirken der turbulenten Glasströmung durch den Kanal und den Glasstrom gebildeten Glasteilchen nicht anwachsen und den Kanal verstopfen. Außerdem muß das Auslaßende des Rohres 62 an solcher Stelle liegen, daß das Glas am Auslaßende dieses Rohres sich nicht verfestigt.

Ist das Auslaßende des Rohres 62 zu weit vom Auslaßende des Blaakanals 46 entfernt, dann wird das Glas ohne Rücksicht auf seine Zusammensetzung ausgezogen und bildet fasern statt der

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gewünschten kleinen Stangen, die. sich zu Kugeln verformen. Sitzt andererseits das Auslaßende des Rehres 62 zu nahe am Auslaßende des Blaskanals 46, dann treten zwei Probleme auf. Zuerst kühlt die rasche Ausdehnung der aus dem Kanal 46
austretenden Gase das Glas am Auslaßende des Rohres 62 und . behindert damit die Strömung des Glases durch dieses Rohr. Zum andern neigt das von den sich rasch ausdehnenden, aus dem Kanal 46 austretenden Gasen erzeugte Vakuum dazu, Glasmassen aus dem Rohr 62 herauszuziehen, wodurch die stetige GlasStrömung unterbrochen und große B Glas"brocken statt der erwünschten, fein verteilten Teilchen erzeugt werden.

^.^ Außerdem müssen die Rohre 62 aus einem geeigneten, hitzebeständigen Material mit Ausnahme der Rohrspitze hergestellt werden, die aus einem Material bestehen muß, das durch den durchlaufenden Schmelzglasstrom nicht benetzt wird, wobei es sich also um Platin oder eine Platinlegierung handelt. Wenn nämlich das geschmolzene Glas das Auslaßende des Rohres 62 benetzt, dann neigt das Glas dazu, dort zu haften und den
stetigen Pluß des Glasstromes in den Kanal 46 zu verstopfen.

Es hat sich herausgestellt, daß bei einem Innendurchmesser von 25 mm und einer Länge von 50 mm für den Blaskanal 46
.zufriedenstellende Ergebnisse erzielbar sind, wenn man das

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Auslaßende des Rohres 62 annähernd 6 mm vom Auslaßende des Blaskanals 46 anordnet. Der Innendurchmesser des Rohres 62 beträgt zweckmäßig ca. 6 mm. Infolgedessen sollte das Verhältnis von Länge des Kanals 46 zu Durchmesser nicht weniger als annähernd 2 : 1 sein«

Im Betrieb wird die !Temperatur des Glases 60 im Behälter allgemein auf ca. 120 bis 260 oberhalb des normalen Arbeitstemperaturbereiches der besonderen verwendeten G-laszusammensetzung gehalten, um das Glas im Behälter 50 in einem hochgeschmolzenen Zustand zu halten. Man läßt dann das geschmolzene Glas vom Behälter 50 durch das Rohr 60 zum Kanal 46 strömen. Die hohe Geschwindigkeit aufweisende Glasströmung im Blaskanal 4S des Brenners 32 unterteilt den Schmelzglas» strom in eine Vielzahl dünner Schmelzströme. Das aus dem Kanal 46 in den Ofen austretende Gas dehnt sich rasch beim Eintritt in den Ofen 10 aus und bildet eine Zone hoher Turbulenz. Die Turbulenz der heißen Gase unterbricht wirksam die dünnen Glasschmelzströme in eine Vielzahl kleiner stangenförmiger Teilchen auf. Diese kurzen Stangen bilden sich rasch zu kleinen kugelförmigen Glasperlen infolge der Oberflächenspannung des Glases um. Das Glas wird durch die kombinierte Wirkung der vom Primärbrenaer 32 und der Vielzahl von Sekundärbrenneren 24 erzeugten Wärmeenergie auf einer

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•rhöhten ^Temperatur gehalten. Die Temperatur innerhalb dee \ Priaärbrenners 32 wird typisch in einem Bereich von 1380 tie 1600° gehalten, während das von den Nachbrennern 24 austretende Gfee eine Temperatur in der Größenordnung von 1000° aufweist* Hauptaufgabe des Primär "br enners 32 ist die Zeretäubung des Glases und die Erzeugung einer Strömung zerstäubten Glasοs ins Innere des Ofens 10, während die Sekundärbrenner 14 die Aufgabe haben, das zerstäubte Glas auf so ausreichend hoher Temper#tujj6u halten, daß sie sich vollständig au Kugeln verwandeln, und außerdem eine zusätzliche Turbulen« innerhalb der Gase im Ofen zu erzeugen, daß alle Glasfasern in kleine Stangen aufgebrochen werden, die sich kleinen Glaskugeln verformen.

Sobald die kugelförmigen Glasperlen ihre nach vorne gerichtete, duroh die kombinierte Wirkung der Brenner 32 und 24 erzeugte Geschwindigkeit verlieren, fallen sie auf den Boden des Ofen« und passieren dabei Zonen verhältnismäßig niedrigerer Temperatur. Die Glasperlen verfestigen sich dabei und lassen sich auf dem Boden 14 des Ofens 10 sammeln. Die Abgase aus dem Ofen 10 werden duroh den Kamin 18 abgeleitet.

fig. 4 zeigt eine gegenüber dem Ofen nach den Fig. 1 bis 3 abgeänderte Ausfiihrungsform. Bei dem anhand der Fig. 1 bis

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■beschriebenen Ofen handelt es sich um einen Horizontalofen, ^% da die ßasströme die zerstäubten Glasteilchen in eine im allgemeinen horizontale Richtung zwingen. Bei der Vorrichtung nach Fig.4 handelt es sich um einen Vertikalofen, da die ßasströme die zerstäubten Glasteilchen 'in eine im allgemeinen senkrechte Richtung zwingen. Da ein wesentlicher Teil der einzelnen Bauelemente der Vorrichtung nach Pig. 4 den entsprechenden Teilen nach den Fig. 1, 2 und" 3 entspricht, erübrigt sich eine Beschreibung dieser Teile, während die abgeänderten Elemente einer ins einzelne gehenden Beschreibung bedürfen.

Nach Fig. 4 ist ein Ofen mit einer aufrechtstehenden Seitenwandung 70, einer nach unten geneigten Bogenwandung 72 und einer offenen Decke vorgesehen. Eine obere Ringwandung 74 mit einem sich nach außen erweiternden Bodenrand 76 umgibt im Abstand den oberen Teil der Seitenwandung 70. Eine Abzugshaube 78 mit einem Kamin 80 für die Abzugsgase ist über dem oberen Ende der oberen Wandung 74 angeordnet.

Es hat sich bei senkrechten Vorrichtungen· wie nach Fig. 4 als vorteilhaft herausgestellt, eine kleine Lippe 82 am Austrittsende des das Glas führenden Rohres 62 vorzusehen. Die Lippe 82 bekämpft jede unerwünschte , nach unten ge-

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richtete Strömung des aus dem Rohr 62 in den Kanal 46 austretenden geschmolzenen Glases.

"Im Betrieb fließt das geschmolzene Glas 60 aus dem Behälter 50 durch das Rohr 62 in den Kanal 46, worauf der Glasstrom in eine Vielzahl dünner Schmelzströme durch die hohe Geschwindigkeit der Gase umgeformt wird, welche aus dem Primärbrenner 32 durch den Blaskanal 46 strömen. Die mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal 46 strömenden Gase expandieren rasch beim Eintritt in den Ofen 10 und erzeugen im Ofen eine Zone hoher turbulenz. Die Turbulenz der Gase bricht die dünnen dchmelzströme des Glases in eine Vielzahl kleiner Glasstangen auf. Die Energie des nach oben durch den Kanal 46 strömenden Gases trägt die Glasstangen nach oben in die von der Seitenv/andung 70 begrenzte Ofenkammer. Die vielen kleinen Glassbangen werden dort infolge der Oberflächenspannung des Glases zu Kugeln umgewandelt. Die kombinierte VTirkung des irimärbrennera 32 und der Sekundärbrenner 24 trägt die Glasteilchen nach oben, bis sie sich in der verhältnismäßig niedrige Temperatur aufweisenden Zone innerhalb der oberen Ringwandung 74 verfestigt haben. Das Glas ist in dieser Stufe zu Kugeln umgewandelt und hat sich zu Perlen ausgebildet, die fächerartig zu r.ien Beitenwandüngen 74 fallen, worauf die Perlen ihre nach oben gerichtete Bewegungsenergie verlieren und nach unten

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durch Schwerewirkung durch den Ringraum zwischen dem Rand 76 und der Außenfläche der Wandung 70 gelangen und schließlich in einer geeigneten Sammelvorrichtung, beispielsweise einem nicht gezeichneten Ringtrichter," gesammelt werden.

Eine andere Abänderung der in den IHg. 1, 2 und 3 wiedergegebenen Vorrichtung, wie aie im Zusammenhang laitden i^|llg. 5, und 7 beschrieben wurde, bezieht sich auf eine abgeänderte Ausführungsform zur Zuführung des geschmolzenen G-lases aus dem Behälter zur Mittelachse des Primärgaskanals in der liähe von dessen Auslaßende.

Nach den Fig. 5, 6 ^uml 7 ist das Düsenende 22 des Primärbrenners 32 mit einem vertikalen Schlitz 86 versehen, dessen oberes linde mit dem Schmelzglasführungsrohr 62 in Verbindung sbeht, während das untere inde mit dem Auslaßende des Blaskanals 46 in Verbindung gebracht ist.

Ein stromlinienförmiges Ablenkelement ist innerhalb des Auslaßendes des Kanals 46 und etwas rückwärts davon und in Flucht mit dem Schlitz 86 angeordnet. Das Ablenkelement 88 erweitert sich in Stromrichtung bezüglich der ü-lasströmung nach außen und ist am stromabwärts gelegenen Jünde so geformt, daß es im allgemeinen don Querschnitt des Schlitzes 86 ent-

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.spricht. Die oben beschriebene Abänderung liefert ein verhältnismäßig einfaches Mittel« um das Schmelzglas in die Kitte der Gasströmung eintreten zu lassen, bevor es mit der Wirbelnden Wirkung der anderen Oase in Berührung kommt.

Selbstverständlich hängt die Größe der fertigen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Glasperlen von einer Vielzahl veränderlicher Faktoren ab. Diese Faktoren •ind^die Viskosität des "Glasgemenges, dar Durchmesser der Austrittsöffnung vom Glasbehälter und die Geschwindigkeit und !Temperatur der aus dem Hochdruckstrahl austretenden, erhiteten Grase.

Obwohl man verschiedene Arten von Glas zur Durchführung der Erfindung verwenden kann, erhält man doch die besten Ergebnisse mit einem modifizierten Soda-Kalk-Silikat-Glas mit folgender Zusammensetzung:
Siliziumdioxyd SiO« = 68 Gew.-fi ; Sodaasche Ha₂CO, = 10 Gew. -$> ; Bariumkarbonat CaOO, = 4 Gew.-^ j Kalk CaO . = 16 Gew.-# j Fluoride = 2 Gew.-#.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

l.J Verfahren zur Herstellung kleinerGlasperlen ,gekennzeichnet durch Erzeugung eines Stromes heißer Gase mit einer Temperatur oberhalb des normalen Arbeitstemperaturbereiches des Glases und mit einer Zone hoher Geschwindigkeit, Einführen eines Stromes geschmolzenen Glases in diese Zone zur Umformung des Glas-' stromes in eine Vielzahl feiner geschmolsener Glasströme, Einführen der feinen geschmolzenen Glasströme in eine Zone hoher Turbulenz zum Aufbrechen der Ströme in eine Vielzahl kleiner Glasstäbe, Aufrechterhaltung der Temperatur der Stäbe von solcher Höhe, daß die Oberflächenspannung des Glases die Glasstangen zu Glasperlen verformt, Abkühlen der Glasperlen und schließliches Sammeln der Glasperlen.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !,gekennzeichnet durch _% einen Ofen, einen verengten Primärheißgaseinlaßkanal, der mit dem Ofen in Verbindung steht und eine Zone hoher Turbulenz der durch ihn eingeführten heißen Gase erzeugt, wobei der verengte Einlaßkanal über seine Länge im wesentlichen konstante Abmessungen aufweist, durch eine Schmelzglas-
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zuführung und durch Leitungen, die an einem Ende mit der Schmelzglaszuführung in Verbindung stehen und einen Schmelzglasstrom aus ihr abführen, während sie sich am anderen Ende in die Zone hoher Turbulenz öffnen, die durch den verengten Heißgaseinlaßkanal erzeugt ist.
5. Vorriähtung nach Anspruch 2 , gekennzeichnet durch einen Satz von Sekundärheißgaseinlaßvorrichtungen in der Nähe des Primärheißgaseinlaßkanals.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundärheißgaseinlasse ringförmig und im Abstand um den Primärheißgaseinlaßkanal angeordnet sind.

5* Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 "bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der verengte Primärheißgaskanal eine G-asablenkvorrichtung in der Zone hoher Geschwindigkeit aufweist, so daß der Schmelzglasstrom in diese Zone im wesentlichen in deren Mitte eintritt.

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6. , Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die länge des Heißgaseinlaßkanals ungefähr das Doppelte seines Durchmessers "beträgt.

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