DE19939784C1 - HF-Wall in einer technischen Wanne - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erschmelzen und Läutern von anorganischen Verbindeungen, insbesondere von Glasscherben oder Gemenge; DOLLAR A mit einem Schmelzbecken; DOLLAR A mit einem diesem nachgeschalteten Läuterbecken; DOLLAR A die Badspiegel der beiden Becken liegen auf demselben Niveau. DOLLAR A Gemäß der Erfindung wird folgendes vorgesehen: DOLLAR A der Boden des Läuterbeckens liegt höher als der Boden des Schmelzbeckens, so daß die Badtiefe des Läuterbeckens wesentlich geringer als diejenige des Schmelzebeckens ist; DOLLAR A unter dem Boden oder über dem Spiegel der Schmelze im Bereich des Läuterbeckens ist eine Induktionsspule angeordnet, die Teil eines Hochfrequenz-Schwingkreises ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Erschmelzen und Läutern von anorganischen Verbindungen, insbesondere von Glasscherben oder Gemenge.

Es sind zahlreiche Vorrichtungen bekanntgeworden, mit denen die genannten Materialien erschmolzen oder geläutert werden können. Siehe zum Beispiel DE 33 16 546 C1. Dabei handelt es sich um einen sogenannten Skulltiegel mit einer gekühlten Tiegelwandung, ferner mit einer Induktionsspule, die den Tiegel umgibt und über die Hochfrequenzenergie in den Tiegelinhalt einkoppelbar ist. Damit läßt sich der Tiegelinhalt auf außerordentlich hohe Temperaturen bringen, die bis zu 3000°C reichen.

Dem Schmelzprozeß muß sich in der Regel ein Läuterprozeß anschließen. Dabei hat das Läutern die Aufgabe, das erschmolzene Glas von physikalisch und chemisch gebundenen Gasen zu befreien. Der Läutervorgang wird durch besondere Läutermittel, wie beispielsweise NaCl unterstützt. Die Läutermittel tragen dazu bei, daß sich ausreichend große Gasblasen bilden, in die die Restgase aus der Schmelze eindiffundieren können.

Gerade der Läutervorgang erfordert besonders hohe Temperaturen. Versuche haben gezeigt, daß sich die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen bei Steigerung der Schmelzentemperatur deutlich erhöht. Die Hochtemperatur-Läuterung bietet somit die Möglichkeit, entweder die Läuterzeit drastisch zu senken, oder auf den Zusatz von Läutermitteln zur Erzeugung großer Läuterblasen zu verzichten.

Um die genannte Hochfrequenztechnik anwenden zu können, müssen gewisse Voraussetzungen gegeben sein. So muß die Schmelze eine Mindest-Leitfähigkeit haben. Ferner muß die Wandung des Gefäßes oder Beckens elektromagnetisch transparent und außerdem kühlbar sein. Hierbei werden beispielsweise luft- oder wassergekühlte Kieselglasbauteile verwendet. Der Skulltiegel gemäß DE 33 16 546 C1 weist eine Wandung auf, die aus einem Kranz von vertikalen Metallrohren gebildet ist, die wassergekühlt sind. Dabei verbleibt zwischen jeweils zwei einander benachbarten Metallrohren ein schlitzartiger Zwischenraum. Das vom Schwingkreis an einer Spule erzeugte elektromagnetische Hochfrequenzfeld durchdringt in diesem Falle die gekühlte Wand ohne beziehungsweise mit wenig Verlusten und steht in der heißen, elektrisch leitfähigen Schmelze zur Erzeugung von Wirbelströmen und damit von Joulescher Wärme zur Verfügung. Die genannte Technik ist sowohl für diskontinuierliches Tiegelschmelzen als auch für kontinuierliches Schmelzen bekannt.

Bei allen bekannten Anwendungen zum Hochfrequenzschmelzen von Glas, Kristall oder Keramiken ist die Induktionsspule zylindrisch geformt und umgibt die genannte Wandung.

Eine solche Spulenkonfiguration läßt sich bei Wannen, die dem Läutern von Glasschmelzen dienen, nur mit Schwierigkeiten anwenden. Dabei muß nämlich eine technische Wanne üblichen Aufbaus aufgetrennt werden, so daß eine separate zylindrische Läuterwanne entsteht, um die wiederum eine zylindrische Spule gelegt werden kann. Ein weiterer Nachteil eines solchen Aufbaus besteht darin, daß die Spule nicht einfach austauschbar ist, zum Beispiel nach Auftreten von Schäden, oder aus Gründen der Anpassung des Hochfrequenzteils an veränderte Betriebsbedingungen.

Schließlich bedeutet das Unterteilen der gesamten Anlage in eine Schmelzwanne und eine Läuterwanne vergrößerte Wandflächen und damit hohe Energieverluste sowie eine Vergrößerung der korrosionsgefährdeten Bereiche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher die Vorteile der Hochfrequenztechnik zum Läutern genutzt werden können, ohne die strenge Abtrennung einer zylindrischen Läuterwanne von der Schmelzwanne.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es, die Vorteile einer technischen Wanne mit den Vorteilen der Hochfrequenz-Skull-Technik zu kombinieren. Dabei umfaßt die gesamte Anlage die klassische Schmelzwanne, ferner die unmittelbar hieran angeschlossene Läuterwanne. Bei Betrieb liegt der Spiegel der Schmelze auf ein und demselben Niveau, jedoch ist der Boden der Läuterwanne gegenüber dem Boden der Schmelzwanne deutlich angehoben. Die Badtiefe der Läuterwanne ist somit relativ gering. Die Erfindung umfaßt ferner einen Hochfrequenz-Schwingkreis. Die Spule dieses Schwingkreises befindet sich vorzugsweise unter dem Boden der Läuterwanne. Er kann sich auch darüber befinden, somit oberhalb des Spiegels der Schmelze. Es ist auch möglich, sowohl unter dem Boden als auch über dem Spiegel jeweils eine HF-Spule vorzusehen.

Wo auch immer die Spule angeordnet ist, so ist sie zweckmäßigerweise eine Flachspule, das heißt sie liegt in einer zum Boden der Läuterwanne oder zum Spiegel der Schmelze in der Läuterwanne parallelen Ebene. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist sie spiralig.

Die Anordnung der HF-Spule oberhalb der Schmelze hat den Vorteil, daß die Spule relativ nahe an der Schmelze selbst positioniert werden kann, wodurch der Energieeintrag sehr effizient wird.

Der Boden der Läuterwanne kann beispielsweise aus gekühlten Platten aufgebaut sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Es wird in üblicher Weise Glas, beispielsweise in Form von Scherben oder sogenanntem Gemenge in einem Schmelzbecken eingeschmolzen. Die Schmelze tritt sodann über jene Wand, die die Abgrenzung zwischen Schmelzbecken und Läuterbecken bildet, in das Läuterbecken über. Dort wird die Schmelze auf Temperaturen von bis zu 3000°C aufgeheizt, und zwar durch Absorption von HF-Energie.

Aufgrund der niedrigen Badtiefe in Verbindung mit der bei hohen Temperaturen niedrigen Viskositäten wird das Glas im Bereich des Walls sehr effektiv geläutert. Da bei den hohen Temperaturen alle Prozesse - vom Blasenaufstieg bis zur Diffusion von Gasen in Blasen - sehr viel schneller ablaufen, genügt eine wesentlich kleinere Läuterzone als im klassischen Fall notwendig. Die klassische Läuterwanne dient im wesentlichen zum Abkühlen und Abstehen der Schmelze. Optional kann der Bereich des Läuterwalls zusätzlich mit Brennern beheizt werden, um die Glasbadoberfläche auf sehr hohe Temperaturen zu bringen und das Aufplatzen der Läuterblasen sicherzustellen. Außerdem wird die Brennerzusatzheizung für den Störfall "HF- Ausfall" benötigt, um den Glasfluß sicherzustellen.

Wichtig für die Funktionsfähigkeit des HF-Läuterwalls ist die Auslegung der Kühlwand und der Spule. Die Kühlwandung muß entweder - wie im Fall des gekühlten keramischen Walls - elektrisch transparent sein oder wie im Fall des gekühlten metallischen Walls so konzeptioniert sein, daß die metallische Wand geschlitzt ist und die Schlitze parallel zu den E-Feldlinien verlaufen, um für die HF transparent zu sein. Dies wird durch den tortenbodenartigen Aufbau in Verbindung mit einer schneckenförmigen Spule gewährleistet, wie in den Abbildungen veranschaulicht.

Die einzelnen Segmente des Tortenbodens müssen miteinander elektrisch verbunden sein, um die durch die Hochfrequenz induzierten Potentialdifferenzen auszugleichen und somit die Gefahr der Lichtbogenbildung zwischen den Segmenten beziehungsweise zwischen Segment und Glas zu vermeiden. Dieser Potentialausgleich wird idealerweise durch einen Punktkurzschluß im Zentrum der Platte erreicht. Ein anderes Realisierungsbeispiel wäre ein Ringkurzschluß außerhalb der Bodenplatte; der in der Regel aber mit größeren Verlustleistungen verbunden ist.

Die Spule ist schneckenförmig gewickelt und sollte einen möglich geringen Abstand von der Schmelze haben. Aufgrund der Überschlagsneigung zwischen Spule und Wallboden sollte allerdings ein Mindestabstand von 1 cm eingehalten werden. Zur Felderhöhung insbesondere bei Gläsern mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit - erwies sich eine Mehrachwicklung der Spule als hilfreich.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 veranschaulicht in einer Seitenansicht im Aufriß ein Schmelzbecken mit nachgeschalteter Läuterzone und Konditionierzone.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die bei Fig. 1 verwendete Spule.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Wall und veranschaulicht dessen Kühlung.

Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich jener gemäß Fig. 1 und veranschaulicht den Stand der Technik.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 erkennt man ein Schmelzbecken 1 mit einer Einrichtung 1.1 zum Zuführen von Gemenge. Das Schmelzbecken 1 weist einen Boden 1.2 auf.

Dem Schmelzbecken 1 ist ein Läuterbereich 2 nachgeschaltet. Der Läuterbereich umfaßt zunächst ein erstes Läuterbecken 2.1 sowie ein sich daran anschließendes zweites Läuterbecken 2.2. An das zweite Läuterbecken schließt sich eine Konditionierstrecke 4 an.

Das erste Läuterbecken 2.1 weist einen Boden oder Läuterwall 2.1.1. auf. Unter dem Läuterwall befindet sich eine Induktionsspule 3, die Bestandteil einer HF-Einrichtung ist. Der Läuterwall 2.1.1 liegt auf einer deutlich größeren Höhe, als der Boden 1.2 des Schmelzbeckens 1.

Der Boden 2.2.1 des zweiten Läuterbeckens 2.2 hingegen befindet sich wieder auf derselben Höhe, wie der Boden 1.2 des Schmelzbeckens 1. Der Boden 4.1 der Konditionierstrecke liegt zwischen den beiden genannten Böden.

Der Spiegel 5.1 der Schmelze liegt während aller Verfahrensschritte auf ein und demselben Niveau. Aufgrund der geringen Badtiefe im ersten Läuterbecken ist die Aufheizung der Schmelze äußerst intensiv. Der schwarze Bereich 5 veranschaulicht schematisch das Überströmen von äußerst heißer Schmelze vom ersten Läuterbecken 2.1 in das zweite Läuterbecken 2.2.

Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist die Spule 3 spiralig ausgebildet.

Fig. 3 veranschaulicht in Draufsicht den Boden 2.1.1 des ersten Läuterbeckens 2.1. Die Segmente, aus denen der Boden 2.1.1 aufgebaut ist, sind im Zentrum elektrisch miteinander kurz geschlossen.

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung gemäß dem Stande der Technik weist ebenfalls ein Schmelzbecken 1 sowie ein Läuterbecken 2 auf. Zwischen diesen beiden befindet sich jedoch nur ein Läuterwall 8 in Gestalt einer auf dem gemeinsamen Boden stehenden Wand.

Konzeption für Ausführungsbeispiele

Für eine Schmelzwanne zum Schmelzen und Läutern von Alumosilicatgläsern mit einem Tagesdurchsatz von 5 bis 10 t/Tag ergibt sich aus der Forderung einer Mindestläuterzeit von 30 Minuten bei einer Läutertemperatur von 2000° C zur effektiven Läuterung folgende Dimensionierung des Wallbereichs und der Hochfrequenz:

Der Wall besteht aus wassergekühlten Kupfersegmenten und hat eine Breite und Länge von jeweils 2 m. Die Schmelzbadtiefe beträgt 20 cm. Zur Einkopplung der HF-Energie wird je nach Glastyp und Zieltemperatur eine Frequenz zwischen 100 kHz und 5 MHz benötigt. Bei einem Glas mit einer Leitfähigkeit von 0,5 Ω^-1cm^-1 bei Zieltemperatur liegt die HF-Frequenz idealerweise im Bereich von 1 MHz. Bei 2000°C Läutertemperatur betragen die Energieverluste über die wassergekühlte Wandung ca. 50 W/cm², woraus sich ein Gesamt-HF-Leistungsbedarf zum Aufheizen des Glases auf 2000°C und Halten der Läutertemperatur für mindestens 30 Minuten von 2400 kW ergibt.

Für eine Schmelzwanne zum Schmelzen und Läutern eines Kalk-Natron- Glases mit einem Tagesdurchsatz von 5 bis 10 t/Tag und eine Läutertemperatur von 1800°C sowie einer Läuterzeit von ca. 30 Minuten kann ein gekühlter keramischer Wall eingesetzt werden. Die Verlustleistungen über die Wandung sind in diesem Fall reduziert auf 5 W/cm². Die Badtiefe über dem Wall beträgt 20 cm, die Wallfläche 4 m². Damit ergibt sich eine notwendige HF-Leistung von ca. 240 bis 300 kW, wobei Brenner im Wallbereich als Zusatzheizung die heiße Oberflächentemperatur sicherstellen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den großen Vorteil, daß sie sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich betrieben werden kann.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Erschmelzen und Läutern von anorganischen Verbindungen, insbesondere von Glasscherben oder Gemenge;

• 1. 1.1 mit einem Schmelzbecken (1);
• 2. 1.2 mit einem diesem nachgeschalteten Läuterbecken (2.1);
• 3. 1.3 die Badspiegel (5) der beiden Becken (1, 2.1) liegen auf demselben Niveau;
• 4. 1.4 der Boden (2.1.1) des Läuterbeckens (2.1) liegt höher als der Boden (1.2) des Schmelzbeckens (1), so daß die Badtiefe des Läuterbeckens (2.1) wesentlich geringer als diejenige des Schmelzbeckens (1) ist;
• 5. 1.5 unter dem Boden (2.1.1) oder über dem Spiegel der Schmelze im Bereich des Läuterbeckens (2.1) ist eine Induktionsspule (3) angeordnet, die Teil eines Hochfrequenz-Schwingkreises ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Läuterbecken (2.1) ein zweites Läuterbecken (2.2) nachgeschaltet ist, dessen Boden (2.2.1) unterhalb des Bodens (2.1.1) des ersten Läuterbeckens (2.1) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Läuterbecken (2.1) beziehungsweise dem zweiten Läuterbecken (2.2) eine Konditionierstrecke (4) nachgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Läuterbecken (2.1) zugeordnete Induktionsspule schneckenförmig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2.1.1) des Läuterbeckens (2.1) wasser- oder luftgekühlt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2.1.1) des Läuterbeckens (2.1) aus mehreren wassergekühlten metallischen Segmenten aufgebaut ist, die im Zentrum miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2.1.1) des Läuterbeckens (2.1) aus einem wassergekühlten oder luftgekühlten keramischen Material aufgebaut ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum zusätzlichen Erhitzen der Schmelze im Bereich des Läuterbeckens (2.1) über dem Spiegel (5) ein Brenner vorgesehen ist.