DE2421132A1

DE2421132A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von glasperlen

Info

Publication number: DE2421132A1
Application number: DE2421132A
Authority: DE
Inventors: Eugene Jay Cone
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1973-05-03
Filing date: 1974-05-02
Publication date: 1974-11-21
Also published as: AU6762474A; GB1465949A; NL7405568A; US3843340A; JPS50132024A; IT1011815B; FR2228039A1

Description

Patentanwalt 29. April 1974

Dr. Michael Hann HvK /D (673)

63 Gießen
Ludwigstraße 67

PFG Industries, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania, USA

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON GLASPERLEN

Priorität: 3. Mai 1973 /USA/ Serial No. 356 971

Diese Erfindung betrifft ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen. Spezifischer ausgedrückt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Glasperlen mit einer vorher bestimmten Teilchengröße unmittelbar aus einer Glasschmelze.

Glasperlen besitzen mannigfaltige Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie; beispielsweise werden Glasperlen häufig dazu verwendet, um Filmleinwände, Straßenverkehrsschilder, Schilder-Anstrichfarbe usw. mit reflektierenden Oberflächen zu versehen. Ein neuartiger und wichtiger Verwendungszweck für Glasperlen besteht darin, derartige Glasperlen als Katalysatorgrundlage zu verwenden« In dieser letzteren Anwendungsform enthalten die Perlen ein in Phasen

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abscheidbares Alkali-Borsilikatglas· Nachdem das Glas in Perlenform hergestellt worden ist, kann eine Phase abgetrennt und die lösliche Phase mit Wasser und /oder Säure herausgelöst werden, um eine poröse Perle mit großen Oberflächenzonen zu erhalten«

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Zur kommerziellen Herstellung von Glasperlen sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Typische und besonders sachdienliche Beispiele sind auf diesem Gebiet die US-PatentSchriften 2 600 963, 2 965 921, 3 150 947, 3 243 273, 3 279 905, 3 293 014 und 3 313 608.

In der US-Patentschrift 2 600 963 wird geschmolzenes Glas direkt in kaltes Wasser gegossen, wo es schnell abgekühlt wird, um.eine Glasfritte zu bilden. Die Fritte wird sodann getrocknet und zu der gewünschten Teilchengröße gemahlen. Die Teilchen werden sodann in eine ßrennerflamme injiziert, um die Teilchen zu schmelzen und sie unter dem Einfluss der Oberflächenspannung Kugelgestalt annehmen zu lassen. Die Nachteile-eines derartigen Verfahrens sind in dem Umstand zu sehen, daß nur sehr kleine Teilchen gebildet werden können und aufgrund des Verteilungseffektes der Flamme eine Sammlung der Perlen schwierig ist. Weitere Machteile sind die große Anzahl von Glasfaden, die zusammen mit den Glasperlen gebildet werden, und der Mangel an Wirtschaftlichkeit, der untrennbar mit Arbeitsmethoden zum Wiedereinschmelzen von abgekühltem Glas verbunden ist.

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Die US-Patentschrift 2 965 921 gibt eine Lehre darüber, daß man einen Strom geschmolzenen Glases auf eine Kaltberührungsoberfläche (cold contacting surface) stürzen lässt, wobei das Glas in Tröpfchen dispergiert wird. Ein Luftstrom wird zu der Kaltbetührungsstelle geleitet, um den Dispergiervorgang des Glasstromes zu unterstützen und die Tröpfchen zu entfernen.

Andere Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Glasperlen aus einem Strom geschmolzenen Glases sehen vor, daß der Strom aus geschmolzenem Glas in eine Hochgeschwindigkeitsgasdüse strömt, welche im wesentlichen quer zu dem Strom aus geschmolzenem Glas ausgerichtet ist, wodurch der Glasstrom in Tröpfchen dispergiert wird. Die Tröpfchen werden sodann von der Gasdüse entfernt, anschliessend abgekühlt und gesammelt. Derartige Verfahrensweisen sind z.B. in den US-Patentschriften 3 150 947, 3 243 273, 3 279 905 und 3 293 014 beschrieben.

Die US-Patentschrift 3 313 608 bietet eine Variation der oben diskutierten Verfahrensweise, in der anstelle einer aufprallenden Gasdüse zum Dispergieren des Stromes aus geschmolzenem Glas ein magnetisches Feld quer zu diesem Glasstrom angewandt wird, um ihn in Tröpfchen zu dispergieren.

Alle die oben erörterten Verfahren nach dem Stand der Technik haben eine Eigenschaft gemeinsam, nämlich daß eine gewisse äußere Kraft auf den Strom aus geschmolzenen Glas angewandt werden muss, um das Glas in eine Teilchenform zu

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dispergieren. Weiterhin leiden derartige Verfahren meist unter einer komplizierten Bauweise und lassen höhe Kosten erwarten· Außerdem sind die Teilchengrößen ziemlich klein und die Teilchengrößenverteilung ist ziemlich breit, und es gibt keine wirksamen Maßnahmen, um die Verfahrensparameter in der Weise einzustellen, daß größere Perlen mit einer geringeren Teilchengrößenverteilung entstehen.

Es ist daher wünschenswert, ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung von Glasperlen zu entwickeln als diese Verfahren gemäss dem Stand der Technik. Besonders wünschenswert erscheint es, ein Verfahren zu entwickeln, in welchem größere Perlen mit einer vorher bestimmten Teilchengröße direkt aus dem Strom geschmolzenen Glases hergestellt werden, ohne daß eine aus sere Kraft zum Dispergieren auf den Glasstrom angewandt wird, wie es sonst typisch ist. Die vorliegende Erfindung stellt ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung von Glas· perlen ist dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine Glascharge in einem Schmelzofen schmilzt, um eine Glasschmelze zu gewinnen,

b) die Glasschmelze zu einer Mündungszone in diesem Schmelzofen führt,

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c) die Glasschmelze zwangsweise durch eine Düsenöffnung mit -schmalem Durchmesser in dieser Mündungszone unter Druck fördert, um einen Glasdüsenstrahl zu bilden,

d) den Glasdüsenstrahl außerhalb dieser Düsenöffnung abführt, 'wobei der Glasdüsenstrahl ausschliesslich aufgrund seiner Strömungsinstabilitäten in Teilchen zerbricht, und diese Teilchen unter dem Einfluss der Oberflächenspannung Glasperlen mit. einem Durchmesser -von etwa zweimal so groß wie der Durchmesser der Düsenöffnung bilden, und daß man

e) diese Glasperlen auf Raumtemperatur abkühlt.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens hat die Glasschmelze eine Viskosität von weniger als 100 Poise und vorzugsweise von etwa 0,5 bis 10 Poise.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Glasschmelze mit einem Druck von etwa 0,454 bis 9,072 kg/ 6,45 cm² fördert.

2 6,45 cm durch die Düsenöffnung in der Mündungszone geGläser, welche bei der praktischen Durchführung der Erfindung Verwendung finden können, sind Alkali*Borsilikatgläser. Bevorzugt hat das Glas folgende, auf Gewichtsprozente der Oxide bezogene, Zusammensetzung:

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a) 30 bis 50 % ₂

b) 40 bis. 55 % B₇O₃

c) 5 bis 15 % Na₂O und

d) 0 bis 4 % Al₂O₃ ;

Weiterhin ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen gerichtet, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie

a) Mittel zur Bildung eines Glasdüsenstrahles,

b) Mittel zur Vorkühlung, die benachbart zu dem Gasdüsenstrahl .angeordnet sind, um geschmolzene Teilchen, welche sich von. dem Glasdüsenstrahl scheiden, zu kühlen, und

c) Mittel zur Endkühlung, die benachbart zu den Mitteln zur Vorkühlung angeordnet sind, enthält·

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Figur 1 ist eine Aufrißansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen, wie sie für die praktische Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist.

Figur 2 ist eine Detailansicht des Glasdüsenstrahls, wie er in Figur 1 gezeigt ist·

Figur 3 ist eine Aufrißansicht, teilweise im Schnitt, die einen Glasschmelzofen, einen Glasdüsenstrahl und eine Querschnittsansicht einer Heizvorrichtung, welche den Glasdüsenst^r

Figur 4 1st eine Aufrißansicht, teilweise im Schnitt,einer alternativen Vorrichtung für die praktische Durchführung des erfindtmgsgemässen Verfahrens. Die Vorrichtung nach Figur 4 umfaßt einen Kühlturm, durch welchen Teilchen'aus geschmolzenem Glas fallen.

Figur 5 1st eine Querschnittsansicht des Glasschmelzofens, wie er in Figur 1 oben gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf die Figuren'! bis 5 stützt ein Turm einen Glasschmelzofen 1 ab, worin ein Glasgemenge auf eine kontrollierte Viskosität geschmolzen wird. Das geschmolzene Glas wird zwangsläufig unter Druck, vorzugsweise 0,454 bis

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9,072 kg/ 6,45 cm (1 to 20 pounds per square inch) durch eine Düsenöffnung 5 in einer Mündungszone 19 gefördert, um einen flüssigen Glasdüsenstrahl 7 zu bilden. Vorzugsweise wird dieser Strahl 7 in einer im wesentlichen abwärts gerichteten Richtung geleitet, wo der Strahl aufgrund der Strömungsinstabilltäten, welche durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Glases hervorgerufen werden, in geschmolzene Teilchen zerbricht, die unter dem Einfluss der Schwerkraft weiterhin herunterfallen. Die Oberflächenspannung lässt die herabfallenden geschmolzenen Teilchen zu Perlen werden, die einen Durchmesser von etwa zweimal so groß wie der Durchr messer der Düsenöffnung 5 in der Mündungszone 19 haben. Anfänglich werden die Perlen beim Herabfallen durch die Atmosphäre gekühlt und am Ende, indem sie in einen Tank 9 mit einer Abschreckflüssigkeit hineinfallen, welcher ein Abschreckmedium, wie z.B. pulverisierten Graphit oder ein öl auf Silikonbasis enthält. Unter dem Begriff flüssiger

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Düsenstrahl 7 wird ein kontinuierlicher nicht-unterbrochener Strom aus geschmolzenem Glas verstanden, welcher unter einem Druck aus einer Düsenöffnung 5 mit schmalem Durchmesser in einer Mündungszone 19 herausgeschickt wird und sich in Teilchen abscheidet, welche eine kugelförmige Perlenform annehmen mit einem Durchmesser, der mit dem Durchmesser der Düsenöffnung in der Mündungszone übereinstimmt. Beispielsweise haben bei der praktischen Durchführung der Erfindung die Perlen einen Durchmesser in der Größenordnung von zweimal dem Durchmesser der Düsenöffnung 5. Ein Düsenstrahl ist unterschiedlich gegenüber einem kontinuierlichem Strom aus Glas, welcher nicht durch eine enge Düsenöffnung in einer Mündungszone getrieben wird. Außerdem sind die Teilchen, welche aus einem üblichen Glasstrom gebildet werden, für gewöhnlich kleiner als der Durchmesser der Düsenöffnung,durch welche das Glas strömt« Die Teilchengrößenverteilung dieser kleinen Teilchen wird breit und etwas zufallsverteilt sein, mit einer gewissen Beziehung zu der Größe der Düsenöffnung.

Bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung gibt es andererseits ein kontrolliertes Verhältnis zwischen den kugelförmigen Teilchen, welche aus dem Glasdüsenstrahl gebildet werden und dem Durchmesser der Düsenöffnung. Sobald Glas einer geeigneten Viskosität durch eine Düsenöffnung mit entsprechender Größe und unter kontrollierten Druckbedingungen gefördert wird, sind die resultierenden Glaskugeln, welche gebildet werden, annähernd zweimal so groß wie der Durchmesser der Düsenöffnung· Unter annähernd zweimal dem Durchmesser der Düsenöff- xtung wird verstanden, daß zumindestens 80 % des Produktes,

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welches gebildet wird, in Ferienform vorliegt, mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1,75 bis 2,25 χ der Größe des Durchmessers der Düsenöffnung in der Mündungszone. Beispielsweise werden bei der Förderung von geschmolzenem Borsilikatglas mit einer, Viskosität von 5 bis -10 Poise durch eine Düsenöffnung mit einem Durchmesser von 1,59 mm (0,0625 inch) und unter einem Druck von 0,454 bis

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0,907 kg pro 6,45 cm (1 to 2 pounds per square inch) 90 % des Endproduktes.Perlen mit einem Durchmesser von 3,18 mm + 0,76 mm (0,125 inch + 0,030) sein.

Man kann den Schmelzofen für das Glasgemenge am besten in der Querschnittsansicht der Figur 5 sehen. Der Schmelzofen enthält eine stahlummantelte, mit feuerfestem Material ausgekleidete zylindrische Kammer 11. Das Glasgemenge wird dem Schmelzofen durch eine öffnung 13 zugeführt, wo es in einem Tiegel 15 geschmolzen wird, welcher von feuerfesten Materialien 17 und 18 umgeben und abgestützt wird. Der Tiegel schließt eine feuerfeste Muschelschale mit ein, welche mit einem Material ausgekleidet ist, das das geschmolzene Glas nicht verunreinigt. Ein derartiges Material ist beispiels- ' weise Platin oder Molybdän. Ein abwärts gerichteter Füllstutzen oder Mündung 19 aus ähnlichem Material ragt durch den Boden des Schmelzofens hindurch.

Der Tiegel kann in jeder üblichen Weise beheizt werden, wie z.B. durch Induktionsheizungs- oder durch Widerstandsheizungsschlangen, und ist vorzugsweise aus Molybdän ge-

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fertigt, und wie in Figur 5 unter 21 und 23 gezeigt, innerhalb der feuerfesten Materialien eingebettet·

Um die Temperatur des geschmolzenen Glases während seinem Durchgang durch die Mündung 19 zu kontrollieren,werden getrennte. Heizungsschlangen 23 verwendet. Vorzugsweise ist der Heizstrom für diese Heizungsschlangen unabhängig kontrollierbar, in der Weise, daß die Temperatur des Tiegels durch die Heizungsschlangen 21 und die Temperatur der Mündung durch die Heizungsschlangen 23 kontrolliert werden kann« Die Heizwirkung der einzelnen Heizungsschlangen kann durch übliche Einrichtungen, wie z.B. Reostaten oder andere ähnliche Geräte, welche nicht gezeigt sind, gesteuert werden. Die Temperatur der verschiedenen Teile des Schmelzofens kann mit Hilfe von Thermoelementen 25, 27 und 29, welche selektiv über den ganzen Schmelzofen hindurch verteilt sind, überwacht werden.

Das geschmolzene Glas wird aus dem Schmelzofen durch die Düsenöffnung 5 in der Mündungszone 19 unter Druck gefördert. Der Druck kann entweder durch den hydrostatischen Druck des geschmolzenen Glases innerhalb des Schmelzofens oder durch eine Kombination des hydrostatischen Druckes und eines Gasüberdruckes innerhalb der zylindrischen Kammer 11 erzeugt werden. Dabei wird das Gas durch eine Gasleitung 31 zugeführt, welche mit einer üblichen Absperrvorrichtung 33 und einem Druckmanometer 35 versehen ist. Außerdem kann der Druck mit Hilfe des Dampfdruckes des geschmolzenen Glases ent wickelt werden·

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. - Wenn das geschmolzen© €ü!a^ durch' die IMsenoffnung in des Mindungszone ianter ©las® Gasüberdsr&ek aus einer äußeren Quelle gefördert wird₉ wie ©s w©ifc©r ©ben beschrieben wurde, ist ®s notwendige daß .der Sefom@I^©£@£i dichfe verschlossen ist, um Drucksrerluste zu veEra<s'id@n_e In der Mündungszoae 19 ist die AbdieKtung ©in Problem^ well eine Mündung aus Platin ©der Molybdän nickt mit de® Stahlgehäuse 37 des Schmelzofens verscliweisst werden kasm. Dennoch kann eine gute Abdichtung durch die ¥erweadung von feuerfesten'-'Materialien und einem Ring aus Platia geschaffen werden. Wie in Figur 5 gezeigt endet das Stahlgehäus© 37 an der Position 39. Ein Stahlbau- · teil 41 ist mit diesem Endteil verschreiest und wechselseitig mit Hilfe einer Klemme 43 mit einem zweiten Stahlbanteil 45 verbunden· Eine O-ringf©raige Dichtung 47 ist zwischen den Stahlbauteilen 41 und 45 vorgesehen. Ein nachgiebiges feuerfestes Fasermaterial 49, wie z.B. das unter dem Warenzeichen "Fiberfrax" bekannte Material, wird durch das Stahlbauteil 45 abgestützt· Ein nicht nachgiebiges feuerfestes Material 51 wird durch das nachgiebige feuerfeste Material 49 gestützt« Ein anderes feuerfestes nachgiebiges Easermaterial 53 vervollständigt die Abdichtungseinheit, welche mit Hilfe eines Platinrings 55 und eines Stahlbauteils 57j welches mit einem Spa^ibolzen 59 mit dem Stahlbauteil zusammengehalten wird, in des richtigen Position gehalten wird· Die Einheit wird mit Hilfe von Spamibolzen 49 abgedichtet, wobei das Stahlbauteil 57 an das nachgiebige feuerfeste. Material 53 fest angedrückt wird· In diesem seinen zusammengepressten Zustand bildet das nachgiebige feuerfeste Material 53 eine feste Abdichtung für die Drücke, die bei dieser Er-

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findung angewendet werden.

Die Ingredientien in dem Glasgemenge, welche bei der praktischen Durchführung der Erfindung vorgezogen werden, sind vorzugsweise solche» die man bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzen kann, d.h. entsprechend einem Natronkalkkieselerdeglas, um eine Glasschmelze mit niedriger Viskosität herzustellen. Die Schmelztemperaturen und Viskositäten, welche bei der praktischen Durchführung der Erfindung bevorzugt sind, liegen in der Größe von 1 204 bis 1 482 C (2000 - 2700⁰F) bzw. weniger als etwa 100 Poise, besonders bevorzugt etwa 0,5 bis 10 Poise. Mit Hilfe von GlasSorten mit niedriger Viskosität wird leicht bei niedrigen Drücken ein Glasdüsenstrahl gebildet ,und dieser löst sich in vergleichsweise kurzen Abständen ab. Glassorten mit höherer Viskosität bedürfen höherer Drücke, um den Glasdüsenstrahl zu bilden, und größerer Abstände für den Glasdüsenstrahl, um sich abzuscheiden. Bei der Bewegung in größeren Abständen wird das Glas mit höherer Viskosität in dem Glasdüsenstrahl mehr abgekühlt als ein Glas mit niedriger Viskosität, welches sich von einem kürzeren Glasdüsenstrahl abscheidet. Dieser größere KühlVorgang lässt das Glas aushärten, bevor die Oberflächenspannungskräfte auf das Glas wirken, und daraus resultiert die Bildung von unregelmäßiger geformten Glasteilchen als dies der Fall ist bei Glas mit einer niedrigen Viskosität. Sofern Glassorten mit höherer Viskosität Verwendung finden, sollte der Glasdüsenstrahl in der Weise beheizt werden, daß der Düsenstrahl sich später ablöst. Eine

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geeignete Heizvorrichtung wird in Figur 3 gezeigt· Eine metallummantelte Heizvorrichtung 77 ist mit dem Boden des Schmelzofens um die Mündungszone 19 verbunden. Die Heizvorrichtung ist hohl und oben in der Weise geöffnet, daß der Glasdüsenstrahl durch die Heizvorrichtung hindurch passieren¹und mit Hilfe von Heizelementen 79 geheizt werden kann, welche Widerstandsheizdrähte, Globars und dergleichen sein können*

Es ist wünschenswert, daß das Glas mit niedriger Viskosität bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erhalten wird. Höher schmelzende Glassorten, wie z.B. Natronkalkkieselerdegläser, können natürlich bei den gewünschten niedrigen Viskositäten geschmolzen werden, jedoch bedürfen sie extrem hoher Schmelztemperaturen, beispielsweise in der Größenordnung von 1 704 bis 1 927°C ( 3100 - 3500⁰F). Derartige Temperaturen sind schädlich für den Schmelzofenaufbau und machen die Verwendung von teureren, gegenüber hohen Temperaturen widerstandsfähigen Materialien, notwendig.

Glassorten, welche bei niedrigen Viskositäten und niedrigen Temperaturen geschmolzen .werden können, sind Borsilikatgläser· Derartige Gläser enthalten üblicherweise SiO«, B₂°3» AH⁵²¹Ii" metalloxide und sofern es gewünscht ist, Aluminium und werden im Detail in der US-Anmeldung Serial Wr. 311 191 vom 1. Dezember 1972 mit dem Titel "Thermally Stable and Crush Resistant Microporous Glass Catalyst Supports and Methods of Making" beschrieben· Derartige Gläser enthalten etwa 30 bis 50 Ggw, %, vorzugsweise 38 bis 46 Gew. % SiO₂; 40 bis 55 Gew. %,

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vorzugsweise 40 bis 52 Gew* % B₂O₃; 5 bis 15 Gsw. %, vorzugsweise 8 bis 12 Gew. % Alkalimetalloxide raid 0 bis 4 Gew. %, vorzugsweise 0 bis 0,3 Gew„ % Aluminium. Die das Glasgeraenge ausmachenden Ingredientien_f welche geschmolzen werden, um diese Glassorten zu bilden, schließen glasbildenden Sand, Boroxide, 'AlkalimetallojcMs and Aluminium mit ein. Die Rohmaterialien können in einer Forte vorlieget^ weiche_? wenn sie vermischt und erwärmt werden, besonders leicht schmelzen, um eine Schmelze zu bilden« Die Oxide kiSuseii entweder in ihrem normalen Zustand oder in des Form anderer geeigneter Verbindungen, wie z.B. Alkalimetallcarbonateρ «borate und -aluminate vorhanden sein* Außerdem können Scherben mad Kügelchen einer geeigneten Zusammensetzung varwendet werdea, i?i<g z«B» das gesamte Ausgangsmaterial oder ein Teil davon*

Nachdem die Ingredientien des Glasgemenge ±a üblicher Weise geschmolzen worden sind, tm eise Glasschmelze zu bilden, wird diese Schmelze zu der Mündungszone 19 geleitet, wo das Glas durch die Düsenöffnung 5 unter einem Druck von vorzugsweise in der Größenordnung von O₅454 bis

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9,072 kg/6,45 cm (1 to 20 pounds per square inch) gefördert, um den flüssigen Glasdüsenstrahl zu bilden.

Wie oben ausgeführt, kann der für die zwangsläufige Beförderung der Glasschmelze durch die Düsenöffnung der Mündung verwendete Druck allein von dem Dampfdruck und dem hydrostatischen Druck der Glasschmelze oder fob einer Kombination von Paiaffdruek, hydro stat iscliem Druck und Überdruck eines von auss&n herangeführten Gases, wie z.B. Luft, Kohlendi oxid ,Stickstoff ,Helium oder Wasserstoff herrühren. Ein Überdruck

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eines von aussen herangeführten Gases kann auf die Glasschmelze wirken, indem man den Schmelzofen durch die Leitung 31 mit dem Gas beschickt«, Die Gagströmung innerhalb des Schmelzofens kam sorgfältig salt Hilfe der Absperrvorrichtung 33 und dem Manometer 35 kontrolliert werden. Mit einer derartigen Anordnung kann geschmolzenes Glas unter genauer Temperatur- und Druckkontrolle kontinuierlich der Mündung 19 zugeführt werden. Das von aussen herangeführte Gas ist vorzugsweise ein Inertgas, wie z.B. Stickstoff, um die Heizelemente aus Molybdän vor der Oxidation bei den angewandten hohen Temperaturen zu schützen«, Ausserdem kann, wenn eine aus Molybdän bestehende Auskleidung in dem Tiegel 15 Verwendung findet, eine Mischung von 5 Volumenproaent Wasserstoff und 95 Volumenprozent Stickstoff verwendet werden. '. ...

Der auf die Glasschmelze angewandte Druck, um diese zwangsläufig durch die Düsenöffnung in der Mündungszone zu fördern, sollte in der Regel ausreichend sein, damit, wenn der Druck mit der Viskosität des Glases und mit der Größe und dem Aufbau der Düsenöffnung übereinstimmt, ein Glasdüsenstrahl gebildet wird, damit letzterer, wenn er in einer im wesentlichen abwärts gerichteten Richtung geleitet wird, sich ablöst und kugelförmige Perlen bildet, welche annähernd zweimal den Durchmesser der Düsenöffnung besitzen. Demgemäss wurde bei in geeigneter Weise konstruierten und dimensionierten Düsenöffnungen und bei Glas einer niedrigen Viskosität gefunden, daß Drücke unter 22,679 und vorzugsweise von etwa 0,454 bis 9,072 kg pro 6,45 cm² (below 50, and preferably about I to 20 pounds per square inch) verwendet werden sollten.

Beim Ansteigen des Druckes innerhalb des vorgeschriebenen

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Bereiches wird die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases durch die Düsenöffnung hindurch ansteigen, wodurch die Produktionsrate gesteigert wird. Eine Verwendung von niedrigeren Drücken, d.h. von niedriger als 0,454 kg pro

6,45 cm , in Verbindung niit Glassorten mit niedrigerer Viskosität, hat zur Folge, daß eher diskontinuierliche Tropfen aus der Mündungszone herauskommen als ein kontinuierlich strömender Glasdüsenstrahl. Neben dem Druck ist die Flussrate ausserdem von der Größe der Düsenöffnung in der Mündungszone abhängig. Mit den Drücken, welche in dieser Erfindung angewandt werden, können Flussraten von etwa 0,227 bis 54,430 kg pro Stunde durch eine Düsenöffnung erzielt werden. Mit Hilfe von Düsenöffnungen mit einem kleineren Durchmesser, d.h. derartige mit einem Durchmesser von 0,051 bis 0,228 mm können Flussraten von etwa 0,227 bis 1,36 kg pro Stunde abhängig von dem Druck und der Viskosität des Glases erzielt werden. Mit Hilfe von Düsenöffnungen mit einem größeren Durchmesser, d.h. derartige in der Größenordnung von 1,39 bis 1,78 mm können Flussraten von etwa 4,54 bis 15,875 kg pro Stunde realisiert werden. Mit Hilfe von Düsenöffnungen mit noch größerem Durchmesser, d.h. derartige mit einem Durchmesser von etwa 2,54 mm bis 3,81 mm können Flussraten von etwa 36,287 bis 54,430 kg pro Stunde erzielt werden.

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Die Düsenöffnung in der Mündung, durch welche das geschmolzene Glas gefördert wird, sollte von geeigneter Größe und geeignetem Aufbau für die Bildung eines Glasdüsenstrahls sein. Die Düsenöffnung in der Mündung sollte einen vergleichsweise kleinen Querschnittsdurchmesser haben, d.h. in der Größenordnung von 0,051 bis 3,81 mm. Kleinere Querschnitte haben die Schwierigkeit zu Folge, das geschmolzene. Glas durch eine derartig kleine Düsenöffnung hindurch zwangsläufig zu fördern. Sofern Düsenöffnungen mit einem kleineren Durchmesser Verwendung finden, d.h. solche mit einem Durchmesser von 0,051 bis 0,0228 mm, sollte die Düsenöffnung in der Mündung in der Weise konzipiert sein, daß der Druckabfall quer zu der Düsenöffnung in der Mündung minimal ist. Beispielsweise sollte in der Regel das Verhältnis von Höhe oder Tiefe der Düsenöffnung zu dem Durchmesser der Düsenöffnung verringert werden, um einen geringen Druckabfall zu erzielen. Größere Düsenöffnungen, als die oben angeführten, d.h. derartige mit einem Querschnittsdurchmesser von mehr als 3,2 mm, können nicht die Bildung eines Glasdüsenstrahls, sondern eher einen Glasstrom zur Folge haben, welcher nicht die Form eines Düsenstrahls hat, der sich ablöst und kugelförmige Teilchen in der gewünschten Größenordnung bildet. Der Glasstrora,,welcher aus einer derart großen Düsenöffnung geliefert wird, stürzt in einem größeren Abstand herab, bevor er sich ablöst, als eben ein Glasdüsenstrahl herabstürzen wird. Wenn dieser Glasstrom sich endgültig ablöst, werden die Teilchen wahrscheinlich kleiner als die Düsenöffnung und unregelmäßig geformt sein, mit einem ungenauen Verhältnis zwischen der Größe der Teilchen, welche gebildet worden sind, und der Größe der Düsenöffnung·

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Nachdem das geschmolzene Glas zwangsläufig unter Druck durch die Düsenöffnung in einer Mündungszone gefördert worden ist, wird der resultierende Glasdüsenstrahl vorzugsweise in einer im wesentlichen abwärts gerichteten Richtung geleitet. Aufgrund der Gberfiäeiiensparaningskräfte wird der Glasdüsesstrahl in gesteigertem Maße instabil, je weiter er herabstürzt« Dies kann man im Detail in der Figur 2 sehen» Sobald das Glas aus dem Schmelzofen ausgestrahlt wird, beginnt der flüssig© Giasdüsenstrahl wellenartig zu strömen. Dias® Wellenbewegungen nehmen amplitudenartig zu, bis scfeliesslich der G^asdüsenstrahl sich als geschmolzene Teilchen ablöst, welche weiterhin herabstürzen ₉ währenddessen sie aufgrund der Oberflächenspannungskräfte eine kugelförmige Form annehmen. Während der Zeit, in der die Teilchen herabfallen, werden diese natürlich gekühlt. Jedoch sind die Teilchen von einer ausreichend niedrigen Viskosität, so daß die Oberflächenspannung diese noch kugelförmig gestalten kann, während sie herabfallen.

Der Glasdüsenstrahl wird aus der Düsenöffnung abwärts geleitet. Obwohl es vorzuziehen ist, daß der Glasdüsenstrahl in einer im wesentlichen abwärtsgerichteten Richtung geleitet wird, versteht es sich von selbst, daß der Glas· düsenstrora aus der Düsenöffnung heraus in jeder Richtung geleitet werden kann. Beispielsweise kann der Glasdüsenstrahl in eine zum Boden horizontale Richtung oder in eine geringfügig anfwärtsgerichtete Richtung in der Weis© geleitet werden, daß der Glasdüsenstrahl und die sich abgelöst habenden Teilchen einer im wesentlichen parabolischen tfegsfcxsclce oder Kuxve zu folgen.

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Die Endkühlung wird dadurch bewerkstelligt, daß die Teilchen in das Abschreckbad 9 gefördert werden. Das Abschreckflüssigkeitsbad kann ein Behälter mit einer kühlenden Flüssigkeit sein, wie z.B. ein Öl auf Silikonbasis oder ein pulverisierter Graphit.

Bevorzugt ist eine kugelförmige Gestalt der Perlen, welche in dem Abschreckbad aufgesammelt werden. Die Oberflächenspannung wird die Perlen kugelförmig machen, sobald diese zu fallen beginnen, jedoch werden die Perlen eine Tendenz besitzen, abzuplatten, wenn sie auf das Abschreckflüssigkeitsbad aufprallen. Diese etwas abgeplatteten Perlen sind, obwohl sie nicht ganz kugelförmig sind, noch geeignete Endprodukte und sind demnach · Glasperlen im Sinne der Erfindung«Infolgedessen wird unter dem Begriff Perlen ein regelmäßig geformtes Teilchen mit einer kontinuierlich abgerundeten oder geirölbten Oberfläche verstanden. Auf diese Weise sind Perlen, die ein wenig von einer Rundung abweichen, wobei sie schalenförmig und elliptisch sind, innerhalb der Konzeption dieser Erfindung mit eingeschlossen. Außerdem wird der Durchmesser, wo der Durchmesser derartiger Perlen gemeint ist, die ein wenig von der Rundung abweichen, in der Weise verstanden, daß die größere oder längste Achse, welche durch den Mittelpunkt der Perle hindurch geht, gemeint ist.

Um die kugelförmigen Perlen in dem Abschreckflüssigkeitsbad aufzusammeln, sollten die kugelförmigen Perlen von einer geeigneten Härte sein, wenn sie in das Abschreck-

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flüssigkeitsbad eintreten, so daß sie beim Auftreffen auf die Abschreckflüssigkeit nicht abgeplattet werden. Demgemäss sollte die Fallhöhe sorgfältig in der Weise eingestellt werden, daß die Perlen in das Abschreckflüssigkeit sbad mit einer genügend geringen Geschwindigkeit eintreten, so daß sie nicht beim Auftreffen auf die Abschreckflüssigkeit abplatten. Außerdem können die herabfallenden Perlen bis zu einer ausreichenden Härte abgekühlt werden, so daß auch dann nicht das Abplatten entsteht, wenn die Perlen auf das Abschreckflüssigkeitsbad mit einer höheren Geschwindigkeit auftreffen. Eine zusätzliche Kühlung kann vorgesehen sein, indem man den abwärtsgerichteten Fluss der Teilchen durch eine entgegengesetzte Strömung eines Kühlgases, wie z.B. Luft oder Kohlendioxid leitet. Wie in Figur 4 gezeigt, kann dies bewerkstelligt werden, indem man einen Leitkanal oder Schacht 61 über dem Abschreckflüssigkeitstank 9 anordnet. Der Schacht, der durch den Turm 3 abgesichert ist, führt aufwärts von dem Abschreckflüssigkeitstank 9 zu einer Zone unmittelbar unter dem Ende des Glasdüsenstrahls 7. Die Teilchen, welche sich von dem Glasdüsenstrahl abscheiden oder ablösen, werden in den Leitkanal oder Schacht 61 geleitet, wo sie auf einen entgegenge-- setzten Strom eines Kühlgases auftreffen, der seinerseits in den Leitkanal durch die Rohrleitungen 63 und 65 hin durch eingespeist wird· Das Kühlgas kann Luft oder Kohlendioxid sein. Kohlendioxid besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß es einen größeren Wärmeübeftragungskoeffizienten

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besitzt und eine flammeninhibierende Atmosphäre für das Abschreckflüssigkeitsbad besorgt. Wenn die heißen Glaskügelchen in Berührung mit dem Abschreckflüssigkeitsbad kommen, besteht bei dem Abschreckmittel eine Tendenz zu entflammen. Dies geschieht besonders mit gewissen Abschreckflüssigkeiten auf Silikonbasis. Durch die Einführung von Kohlendioxid in den Schacht 61 wird aber die Feuergefahr wesentlich verringert.

Sofern eine Anordnung Verwendung findet, wie sie in Figur 4 gezeigt ist, ist es wichtig, daß der entgegengesetzte Strom des Kühlgases nicht die Mündungszone des Schmelzofens abkühlt. Wenn dies geschieht, kann das geschmolzene Glas in der Mündungszone erstarren und den Schmelzofen verstopfen. Um dies zu vermeiden, sollte in der Regel der entgegengesetzte Strom des Kühlgases von der Mündungszone 19 abgeleitet werden. Ein geeignetes Gerät ist eine Trichteranordnung, wie sie an dem Kopfteil des Schachtes 61 in Figur 4 gezeigt wird. Dieser Trichter 67 ist unmittelbar unter dem Glasdüsenstrahl 7 angeordnet und durch Stäbe oder Streben abgesichert, wobei zwei derselben, 69 und 71, in der Figur 4 gezeigt sind. Diese Stäbe werden etwa 120° von-einander angeordnet und sind an dem Kopfteil des Schachtes 61 festgemacht. Nachdem der Glasdüsenstrahl sich in Teilchen abgelöst oder abgeschieden hat, fallen die Teilchen durch den Mittelpunkt des Trichters 67 in den Schacht 61, wo sie auf den entgegengesetzten Strom des Kühlgases treffen. Der entgegen-

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gesetzte Ström des Kühlgases wird von dem Glasdüsenstrahl weggeleitet und außerhalb durch die Stäbe an den geneigten Seiten 73 und 75 d«s Trichters 67 abgeleitet. In dieser Weise dient der entgegengesetzte Strom des Kühlgases in der Hauptsache dazu, die abgelösten Glasteilchen abzukühlen, und wird sodann v&a dem Glasdüsenstrahl 7 und von der Mündungszone 19 das Schmelzofens 1 weggeleitet.

Beispiel

Der Schmelzofen, der von einem 6,10 m hohen Turm getragen wird, wie es im allgemeinen in den Figuren 1 bis 3 gezeigt ist und weiter oben beschrieben worden ist_f wurde durch die Öffnung 13 mit etwa 15 kg Glasbruch mit folgender Zusammensetzung- beschickt s

SiO₂	. 41,03 %
B₂O₃	50,42 %
Na₂O	8^43 % und
Al₂O₃	0,12 %.

Nach der Beschickung wurde die öffnung 13 abgedichtet,und der Glasbruch langsam über einen Zeitraum von etwa 24 Stunden auf eine Temperatur von etwa 1 405°C (2560⁰F) erhitzt.Der Heizvorgang wurde unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt· Am Ende dieser Zeit war die Viskosität des Glases in dem Schmelzofen etwa 7PoIsS₁ Die Glasschmelze strömte nicht unmittelbar aus dem Schmelzofen heraus, weil sie in der Füllstutzen-

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oder Mündungszone erstarrte,, Um die Glasschmelze zu lösen, wurden die Füllstutzen- oder Mündungsheizvorrichtung betätigt, um das-Glas in dieser Zone zvm Schmelzen zu bringen, und es wurde der Stickstoffdruck in dem Schmelzofen bis zu 0,907 kg/6,45 cm gesteigert. Das geschmolzene Glas begann durch die'Düsenöffnung zn strömen. Der Druck auf das Glas, sobald es zwangsläufig durch die Mündung gefördert wurde, rührte hauptsächlich von dem Stickstoffgas und dem hydrostatischen Druck des Glases her. Die Höhe der Glasschmelze in dem Schmelzofen betrug etwa 20,32 bis 22,86 cm bei Beginn des Flusses, und der Kopfdruck betrug deswegen etwa 0,340 kg/6,45 cm « Der Stickstoffgasstrom wurde sorgfältig überwacht in der Weise, daß ein Stickstoffdruck auf das

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Glas von etwa 0,907 kg/6,45 cm aufrechterhalten wurde.

Die Düsenöffnung in der Mündungszone hatte einen Querschnittsdurchmesser von etwa 1,59 mm und ist im Entwurf in Figur 5 gezeigt. Sobald das Glas zwangsläufig durch diese Düsenöffnung mit einem Durchsatz von annähernd 6,804 bis 7,257 kg Glas pro Stunde gefördert wurde, bildete sich ein Glasdüsenstrahl von etwa 1,22 m Länge. Nach einer gewissen Zeit löste sich der Glasdüsenstrahl in Teilchen auf, welche in eine abwärts gerichtete Richtung geleitet wurden, bis sie mit einem Abschrecköl auf Silikonbasis in Berührung kam (General Electric Silicone Fluid SF 96(50)). Die Teilchen nahmen eine kugelförmige Gestalt während ihrem abwärts gerichteten Fall ein und kamen mit dem Abschrecköl als heiße Kügelchen in Berührung. Die Länge der Fallstrecke der Teilchen von der Düse der Düsenöffnung bis zu dem Abschreckflüssigkeit sbad betrug etwa 4,88 m.

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Es dauerte etwa 1 3/4 Stunden, bis der Vorratstank mit Glas entleert wurde, wobei etwa 12 kg Glasperlenprodukt sich gebildet hatte. Die Glasperlen wurden ausgesiebt, und etwa 95 % der Perlen wurden in der Form von leicht abgeplatteten Perlen gefunden, der Rest lag hauptsächlich in Form von Fasern, bzw. unregelmäßig geformten Perlen mit Endstücken vor. Das Perlenendprodukt, welches gebildet worden war, hatte die folgenden Siebanalysenwerte, (United States standard sieve):

- 10er Sieb 1,5 %

+ 10er Sieb 5,6 %

+ ,8er Sieb 32,1 %

+ 7er Sieb 41,8 %

+ 6er Sieb 16,1 %

+ 5er Sieb 2,7 %

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Claims

Patentansprüche

, 1« Verfahren zur Herstellung von Glasperlen, d adurch gekennzeichnet, daß man

a) eine Glascharge in einem Schmelzofen schmilzt, um eine Glasschmelze zu gewinnen,

b) die Glasschmelze zu einer Mündungszone in diesem Schmelzofen führt,

c) die Glasschmelze zwangsweise durch eine Düsenöffnungmit schmalem Durchmesser in dieser Mündungszone unter Druck fördert, um einen Glasdüsenstrahl zu bilden,

d) den Glasdüsenstrahl außerhalb dieser Düsenöffnung abführt, wodurch der Glasdüsenstrahl ausschließlich aufgrund seiner Strömungsinstabilitäten in Teilchen zerbricht, und diese Teilchen unter dem Einfluss der Oberflächenspannung Glasperlen mit einem Durchmesser von etwa zweimal so groß wie der Durchmesser der Düsenöffnung bilden, und

e) diese Glasperlen auf Raumtemperatur abkühlt.

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2. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichne fcj daß die Glasschmelze eine Viskosität von weniger als 100 Poise bat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ek e'nn ζ e i €. h η .e t, daß'die Glasschmelze durch die DüsenöffsMirag i» der Mündungszone mit einem Druck

wird.

2. Druck von etwa 0,454 bis 9,072 kg/6,45 cn gefördert

4· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t_f daß das Glas folgende, auf Gew« % der Oxide bezogene ₉ Zusammensetzung hat:

a) 30 bis 50 % ₂

b) 40 bis 55 % B₃O₃

c) 5 bis 15 % Na₂O und

d) 0 bis 4 % Al₂O₃ .

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung in der Hündungszone einen Durchmesser von 0,051 mm bis 3,18 mm hat·

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch' gekemsiseiehaeti, daß der

k ans dem Gefäliedmek und de© Dampfdruck der si! harrührt·

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7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck zumindestens teilweise durch ein Inertgas hervorgerufen wird.

■i

8« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Glas mit einem Durchsatz von 6,804 bis 13,608 kg pro Stunde durch die Düsenöffnung gefördert wird·

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,. dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzenen Glasteilchen in einen Kühlgasstrom geleitet werden, wobei das Gas den geschmolzenen Glasteilchen entgegenströmt·

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas Luft oder Kohlendioxid ist.

11. Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen, dadurch gekennzeichnet, daß sie

a) Mittel (5, 19) zur Bildung eines Glasdüsenstrahles (7)

b) Mittel (61) zur Vorkühlung, die benachbart zu dem Gasdüsenstrahl (7) angeordnet sind, um geschmolzene Teilchen, welche sich von dem Glasdüsenstrahl scheiden, zu kühlen, «$09847/106 1 '

c) Mittel (9) zur Endkühlung, die benachbart zu den Mitteln (61) zur Vorkühlung angeordnet sind, enthält.

12ν Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung des flüssigen Glasdüsenstromes (7) einen Schmelzofen (1) mit einem Mündungsteil (19) enthalten, durch welchen das geschmolzene Glas zwangsläufig unter Druck gefördert wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennze ichnet, daß sie des weiteren eine Heizvorrichtung (77,79) für den Glaedüsenstrahl (7) miteinschliesst.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Vorkühlung ein nach oben offener Schacht (61) ist, der so ausgelegt ist, daß die geschmolzenen Glasteilchen, die sich von dem Glasdüsenstrahl (7) ablösen, erfaßt werden, und in welchem es einen Kühlgasstrom gibt, der dem geschmolzenen Glasteilchen, welche sich von dem Glasdüsenstrahl ablösen, entgegenströmt.

15« Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, d adurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Endkühlung ein Behälter (9) mit einer Abschreckflüssigkeit ist.

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16. Vorrichtung zur Herstellung von Glasperlen, d adurch gekennzeichnet, daß sie

a) Mittel (5,19) zur "Bildung eines Glasdüsenstrahls

b) einen oben offenen Schacht (61), der benachbart zu diesem Glasdüsenstrahl (7) angeordnet ist, um geschmolzene Glasteilchen zu erfaßen, die sich von diesem Glasdüsenstrahl (7) ablösen, und

c) Mittel zur Endkühlung (9), die am entgegengesetzten Ende dieses Schachtes (61) angeordnet sind,

enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennze ichnet, daß die Mittel zur Bildung des flüssigen Glasdüsenstrahles (7) einen Schmelzofen (1) mit einem Mündungsteil (19) enthalten, durch das das geschmolzene Glas zwangsläufig unter Druck gefördert wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn ze ichnet, daß das Mittel zur Endkühlung ein Behälter (9) mit einer Abschreckflüssigkeit ist.

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19. Vorrichtung zur Herstellung von Giasperlen^ d adurch gekennzeichnet^ daß sie

a) Mittel (5, 19) ζίιέ Bildung eines Glasdüsenstrahles (7) und Mittel (6?) zum Leiten desselben in eine im wesentlichen abwärts gerichtete Sichtung,

b) eine Heizvorrichtung (77,79)_s die im wesentlichen diesen Glasdüsenstrab.1 (7)

c) Mittel (61) "zur ¥©r'küThlung_g 'die isiatsr dieser Heizvorrichtung angeordnet sind,

d) Mittel (9) zur Endkühlung ₉ die unter den Mitteln zur Vorkühlung (61) angeordnet sind,

enthält.

20, Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch g ekennz e ichnet, daß die Mittel zur Bildung des flüssigen Glasdüsenstrahles einen Schmelzofen (1) mit einem Mündungsteil (19) enthalten, durch das das geschmolzene Glas zwangsläufig,unter Druck gefördert wird.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das. Mittel zur Vorkühlung ein nach oben offener Schacht (61) ist, der so ausgelegt ist, daß die geschmolzenen Glasteilchen, die sich von dem Glasdüsenstrahl (7) ablösen, erfaßt werden, und in welchem es einen Kühlgasstrom gibt, der dem geschmolzenen Glasteilchen, welche sich von dem Glasdüsenstrom ablösen, entgegenströmt.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 19 bis 21^ dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur. Endkühlung ein Behälter (9) mit einer Abschreckflüssigkeit ist·

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Endkühlung ein Behälter (9) mit pulverisierten Graphit ist.

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