DE2507015C2 - Verfahren und Ofen zum Schmelzen von Glas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wannenschmelzen von Glas mit einer Schmelz- und Läuterungszone, wobei das schmelzflüssige Glas durch eine benachbarte Konditionierungszone strömt, ein Hinstrom des Glases benachbart der Oberfläche des in Richtung von der Schmelz- und Läuterungszone zur Konditionierungszone strömenden Glases sowie ein Rückstrom des Glases unterhalb des Hinstromes, jedoch in entgegengesetzter Richtung, hervorgerufen wird.

Ferner richtet sich die Erfindung auf einen Ofen zur Durchführung dieses Verfahrens, öfen dieser Art weisen zwei wesentliche Teile auf:

— eine heiße Schmelz- und Läuterzone, der vorgeschaltet die das Glasgemenge bildenden Ausgangsmaterialien eingeführt werden, um hierin mittels Heizeinrichtungen wie Brenner erschmolzen zu werden,

— und eine kältere Konditionierungszone für das Glas, in die das Glas bei einer geeigneten Temperatur eingeführt wird, um hieraus für spätere Formgebungsverfahren entnommen werden zu können. Diese Temperaturhomogenisierungszone wirü »Arbeitszone« (frz. braise) genannt, sie befindet sich in Strömungsrichtung hinter der Schmelzzone.

Die Konvektionsströme, die im Ofen wegen der Temperaturunterschiede und wegen des Glasdurchsatzes auftreten, sorgen für eine mehr oder weniger starke Durchmischung des Glases. Insbesondere in der Arbeitszone stellt sich ein Hinstrom, der gegen die Abflußseite gerichtet ist, ein. Dieser nimmt etwa das obere Drittel des Bades ein; ein darunterliegender Rückstrom nimmt die unteren zwei Drittel dieser Höhe ein.

Aus der US-PS 31 49 952, der FR-PS 14 10 601 und der FR-PS 14 04 753 ist es bekannt, quer durch die Arbeitszone an geeigneten Stellen mechanische oder thermische schwimmende oder feste Dämme einzuführen. Diese Dämme nehmen mehr oder weniger die gesamte Breite des Ofens ein und trennen zwei Zonen des Bades ab, insbesondere, um das Glas an der Oberfläche aufzuhalten und in der Tiefe ein kälteres Glas entnehmen zu können. Aus der FR-PS 14 04 753 ist weiterhin bekannt, Glasströme zu zwingen durch in der Tiefe des Bades ausgesparte Öffnungen zu treten. Aus der US-PS 2 88 781, der DE-AS 14 71 832 sowie der GB-PS 8 30450 ist bekannt, mittels Rühreinrichtungen ein Durchmischen des Hinstromes vorzunehmen. Dieser Hinstrom kann mechanisch vom Rückstrom durch eine Wand getrennt sein, um ein Vermischen dieser beiden Glasströme zu vermeiden. Diese Verfahren sind, wegen der erheblichen Korrosion, der die Wandung, die den Hinstrom vom Rückstrom trennt und den Schwierigkeiten, die bei der Vornahme von Reparaturen im Inneren des Bades schmelzflüssigen Glases auftreten, schwer zu verwirklichen.

Des weiteren ist aus der US-PS 36 15 332 ein Ofen mit einem vor dem Abzugskanal angeordneten Schwimmer bekannt, bei dem durch sich vom Schwimmer zu den Kanalwänden erstreckenden Kühlelementen das Auftreten von Schlieren im fertigen Glas verhindert werden

Aufgabe der Erfindung ist eine Steigerung der Homogenisierung und dadurch die Verbesserung der Qualität des Glases.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mittlerer Teil des Hinstromes mittels einer hängenden Ablenkfläche im oberen Teil des schmelzflüssigen Glases, die sich nur über einen Teil seiner Breite zwischen der Schmelz- und Läuterungszone erstreckt, abgelenkt wird und der Strom vom Rückstrom aufgenommen und gegen die Schmelz- und Läuterungszone rückgeführt v.'ird, wobei die seitlichen Teile des Hinstromes benachbart dem mittleren Teil sowie der Rückstrom unter dem untersten Niveau der Ablenkfläche veranlaßt wird, völlig frei weiterzuströ- is men und daß die Umlenkfläche mittig bezüglich der Oberseite des Glases mit einer Länge im Bereich von '/« bis ²/₃ der Breite der Oberfläche des Glases eingebracht wird, wobei die Umlenkfläche von der Glasoberfläche bis auf eine Tiefe im Bereich von V₅ bis V₂ ier Tiefe des Glases reicht.

Die Lage des Dammes in Glasströmungsrichtung ist nicht gleichgültig. Eine gewisse Entglasung der schmelzflüssigen Glaspartikel kann sich nämlich hinter dem Damm in Kontakt mit den kälteren, ihn bindenden Elementen einstellen und es ist unerläßlich, daß die Temperatur des strömungsabwärts befindlichen Bades noch ausreichend hoch ist, damit diese kristallinen Partikel die Zeit haben, erneut völlig in der sie umgebenden Glasmasse vor dem Austritt aus dem Becken wieder zu schmelzen.

Andererseits spielt auch die Viskosität des Glases am Ort des Dammes eine wichtige Rolle. Damit die hydrodynamische Wirkung dieses Dammes die maximale Wirksamkeit entfaltet, darf diese Viskosität einen Wert von 10²-⁵ Poise nicht überschreiten.

Der nach der Erfindung vorgesehene Damm ist also besonders wirksam, wenn die Temperatur des Glases nicht wesentlich niedriger als 1300⁰C für die üblichen Zusammensetzungen industrieller Gläser liegt. Er könnte somit nicht weit von der heißen Zone angeordnet werden; dies ist jedoch schwierig wegen der hohen Temperaturen, die in diesem Teil des Beckens herrschen, durchzuführen.

Der Damm wird sich im Mittelteil der Breite des « Beckens befinden, im Prinzip in seiner Achse, man legt jedoch experimentiell die beste Lage fest. Um jede indirekte Wirkung auf die seitlichen Slrömungsbahnen des Hinstroms o-.ler auf den Rückstrom zu vermeiden, bildet man den Damm aus Hängeelementen, die mittels Zugankern das Ofengewölbe durchsetzen; schließlich hängt seine Länge von seiner Lage im Ofen ab und entspricht der Breite der Strömungsbahn, deren Umkehrung hervorgerufen werden soll; nich einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt er eine Breite zwischen einem Viertel und zwei Dritteln derjenigen des Beckens, vorzugsweise zwischen der Hälfte und einem Drittel, ein.

Die Tiefe und gegebenenfalls die Temperatur des Dammes werden in der Weise eingestellt bzw. geregelt, daß eine Umkehr der in Frage kommenden Strömungsbahn des Hinstroms am Ort der Elemente des Dammes und die Wiederaufnahme durch den Rückstrom hervorgerufen wird; die Eintauchtiefe liegt zwischen einem Fünftel und der Hälfte der Höhe des im Becken b5 befindlichen Glases. Der Damm kann tiefer im Mittelteil als an den Enden sein und kann beispielsweise quer zum Ofen gesehen ein unteres konvexes Profil aufweisen.

Die Regelung oder Einstellung v/ird erleichtert, wenn der Damm aus verschiedenen Elementen gebildet ist, die gleichzeitig in Form eines diskontinuierlichen Hindernisses und durch deren thermische Wirkung auf die sie umgebende Glasmasse wirken, da man dann ihre Zahl wählen und ihre Lage und/oder ihre Temperatui unabnängig einstellen kann, um die beste Wirksamkeit zu finden.

In vorteilhafter Weise werden diese Elemente durch gekühlte Rohre gebildet, die die Form von nebeneinander angeordneten und schwenkbaren Nadeln haben. Man kann im übrigen, indem man die Drehung der Nadeln hervorruft, dem Effekt des Zurücktreibens der Glasströmungsbahnen einen Durchmischungseffekt überlagern.

Dieser zusätzliche Homogenisierungseffekt kann vorteilhaft sein, wenn der Ofen mit einem Durchsatz arbeitet, der benachbart der maximalen Kapazität liegt. Es kann sich auch ein erheblicher Zeitgewinn in der Herstellung farbiger Gläser beim Übergang von einer Farbe zur nächsten einstellen und er kann in wirksamer Weise dazu beitragen, die Störungen zu beherrschen, die sich im Ofen einstellen können, wenn übermäßige Homogenitätsfehler in den Ausgangsmaterialien existieren.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

F i g. 1 in der Draufsicht schematisch einen Schmelzofen mit Damm nach der Erfindung zeigt;

Fig.2 gibt einen Schmelzofen in Längsschnitt wieder;

Fig.3 zeigt einen gemauerten am Gewölbe des Ofens hängenden Damm;

Fig.4 zeigt einen aus einer Kühlschlange gebildeten Damm;

Fig. 5 gibt einen aus diskontinuierlichen Elementen gebildeten Damm wieder;

F i g. 6 zeigt einen Damm mit geneigten diskontinuierlichen Elementen;

Fig. 7 zeigt einen durch Blasenbildner gebildeten Damm;

F i g. 8 zeigt perspektivisch eine Reihe von Rührorganen, die in Reihe angeordnet und unter Winkelversetzung nebeneinander vorgesehen sind;

F i g. 9 zeigt im Schnitt die Anordnung der Rührorgane im Deckengewölbe eines Ofens; und

Fig. 10 zeigt die Vorrichtung zur Befestigung und Steuerung der Rührorgane.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schmelzofen mit seinen Hauptzonen, nämlich der heißen Zone 1 und der Abstehzone 2. Die Beschickung mit den Ausgangsmaterialien erfolgt bei 3, die Entnahme über den Kanal 4.

Ein Damm 5 nach der Erfindung ist im Becken in der zentralen Strömungsbahn des Hinstroms angeordnet. Er wirkt über etwa ²/s der Breite des Beckens, so daß die seitlichen Strömungsbahnen des Hinstroms 6 ihren Weg gegen den Kanal 4, wo die Entnahme stattfindet, fortsetzen können.

F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch einen Ofen mit Damm 5, der in der schmelzflüisigen Glasmasse bis etwa zur Grenze der oberen Strömungsbahn des Rückstroms 7 eintaucht.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Damm bestc'^end aus mehreren Elementen 8, welche durch Zuganker 9 gehalten sind. Diese sind durch ein Wassermantelsystem 10 gekühlt, um so ihre Korrosion bei erhöhter Temperatur, die in der AtmosDhäre des

Beckens herrscht, zu vermeiden.

Die in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung ist eine hängende Schlange 11, die aus einem Rohr rostfreien Stahls, das spiralartig gewickelt ist, gebildet ist und in welchem eine Zirkulation von Wasser oder irgendeinem anderen Kühlmittel aufrechterhalten wird.

Diese Kühlschlange taucht in den oberen Teil des Glasbades entsprechend dem Hinstrom. Ihre Wirkung besteht darin, in ihrer Nähe die Viskosität des Glases derart zu erhöhen, daß die Strömungsbahnen des Hinstroms gegen eine kältere Zone auftreffen und gegen die tieferliegenden Teile des Ofens mitgerissen werden, um vom Rückstrom wieder aufgenommen zu werden.

Die Fig.5 und 6 zeigen einen diskontinuierlichen Damm nach der Erfindung, der aus einer Anordnung metallischer wassergekühlter Rohre 12 gebildet ist, die in Haarnadelform 13 gebogen wurden. Diese Haarnadeln kommen vor allem durch ihre thermische Wirkung zur Geltung. Sie kühlen in ihrer Ebene eine gewisse Masse Glas, welches dasjenige überdeckt, das durch die benachbarte Nadel gekühlt ist, um einen fast kontinuierlichen Damm zu bilden.

Jede Nadel ist einzeln in der Richtung verstellbar, sie kann somit bezüglich einer Querebene des Ofens eine Neigung erfahren, die im übrigen von einer Nadel zur nächsten variieren kann.

Der Damm erreicht so eine größere Dicke, als wenn die Nadeln sämtlich in ein und dergleichen Ebene wären und wirkt nach Art einer Reihe von Klappen, deren Wirkung sich überdeckt.

Die in F i g. 6 eingezeichneten Pfeile zeigen, daß die seitlichen Strömungsbahnen 14 des Hinstroms ihren Weg gegen die Abströmseite des Beckens fortsetzen, um dort entnommen zu werden, während die Strömungsbahnen 15, die gegen den Damm auftreffen, umgelenkt werden, wodurch sie vom darunter befindlichen Rückstrom aufgenommen werden.

Die Nadeln sind auch höhenverstellbar. Dies ermöglicht es, dem Damm die geeignetste Form zu verleihen. Insbesondere können die gegen die Enden des Dammes angeordneten Nadeln nicht so tief wie die mittigen Nadeln in die Masse schmelzflüssigen Glases eingetaucht werden. Darum wirkt der Damm tiefer im mittleren Bereich des Beckens, während seine Wirkung an den Enden geringer ist.

F i g. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Damm ein im wesentlichen thermischer Damm ist, der durch quer über das Ofengewölbe gehängte Blasenbildner 16 gebildet ist.

Die Technik der Verwendung von Blasenbildner zur Homogenisierung einer schmelzflüssigen Glasmasse ist an sich bekannt Sie besteht ausgehend von einem im wesentlichen benachbart der Ofensohle angeordneten Rohr darin, in die Glasmasse einen Blasenstrom zu blasen, wobei die Blasen ein Durchrühren des Glases, das sie durchsetzen, hervorrufen.

Beim Verfahren nach der Erfindung taucht jedes Blasen abgebende Luft- oder Gaszuführungsrohr etwa bis zur Grenze von Hinstrom und Rückstrom, wobei die Abgabe von Blasen über eine Breite gleich der gewünschten Dammzone erfolgt

Der Blasenemissionsgrad muß groß genug sein, um ein Umlenken des Hinstroms in der Dammzone und seine Wiederaufnahme durch den Rückstrom hervorzurufen, der seinerseits nicht durch dieses Hindernis beeinflußt wird.
Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Glas in Schmelzofen, die an ihrer Kapazitätsgrenze arbeiten. In diesem Falle nämlich kann der hydrodynamische Arbeitsbereich, der sich im Becken aufgrund der Geometrie des Beckens, der Glasentnahme und der Konvektionsströme thermischen Ursprungs einstellt, sich schnell vom optimalen Bereich, der die beste Glasqualität gibt, entfernen. Es kann also notwendig werden, korrigierend auf gewisse der zentralen Strömungsbahnen des Hinstroms einzuwirken, indem man diese veranlaßt, ihren Weg unter Zwischenschaltung eines Damms nach der Erfindung zu modifizieren, um wieder einen ausgeglicheneren Bereich herzustellen, der sich in einer besseren Homogenität des erzeugten Glases äußert.

Hierzu ermöglicht der diskontinuierliche, mit einzeln hinsichtlich Tiefe, Temperatur und Richtung einstellbaren Elementen ausgestattete Damm es, schnell mittels empirischer Versuche den vorteilhaftesten Bereich zu finden.

Die in Fig. 8 bei 17 dargestellten Rühreinrichtungen bestehen aus einem Stahlrohr, das mit Wasser über einen nicht dargestellten Drehkopf gespeist ist. Sie haben etwa die Form einer gekreuzten Acht. Diese Form hat sich als besonders wirksam herausgestellt. Sie können jedoch auch in Form rechteckiger Nadeln oder in jeder anderen Form vorliegen.

Die Rührvorrichtungen nehmen in ihrer Bewegung eine gewisse Menge Glas mit dessen Viskosität durch ihren Kühleffekt gesteigert wird. Der Hinstrom verläuft zwischen ihnen und sie spielen so die Doppelrolle eines Sperrens und eines Mischens. Diese Phänomene sind umso ausgeprägter, je höher ihre Drehgeschwindigkeit liegt.

Die Anzahl der Rührvorrichtungen ist eine Funktion der Breite des herzustellenden Dammes. Ihre Geschwindigkeit kann zwischen 0 und einer Maximalgeschwindigkeit variieren, bei der ein Blaseneinschluß oder Kavitationserscheinungen auftreten wurden.

Die Drehgeschwindigkeit der Nadeln kann beispielsweise bei 10 Umdrehungen pro Minute liegen, was einer Lineargeschwindigkeit am Schaufelende von 300 m/Std. entspricht.

Der mittlere Wärmeaustausch pro Rühreinrichtung mit der Glasmasse liegt zwischen 50 000 und 100 000 Kcal pro Stunde, vorzugsweise bei 75 000 Kcal pro Stunde, was einen minimalen notwendigen Wasserdurchsatz von 25 l/Min, vorzugsweise 60 l/Min, für einen Rührwerksdurchmesser von 0,25—0,30 m darstellt.

Die Drehrichtung der Rührwerke kann gewählt werden, um die folgenden Effekte zu erhalten:

1. Zurückführen des Glases gegen die Achse des Ofens. In diesem Falle haben in jeder Hälfte des Ofens die Rührwerke die gleiche Drehrichtung; der Schaufelweg im anströmseitigen Teil des Dammes ist gegen die Achse des Ofens gerichtet.

Diese Ausführungsform ist im allgemeinen die vorteilhafteste und ermöglicht einen intensiven Sperr- wie Durchmischungseffekt

2. Entfernen des Glases aus der Ofenachse. In diesem Fall wird die Drehrichtung der Rührwerke bezogen auf den vorhergehenden Fall umgekehrt

3. Durchmischungseffekt der Rührwerkspaare- Jedes Rührwerk dreht sich also in Richtung entgegengesetzt zu den benachbarten Rührorganen (F i g. 2).

Man kann auch rechteckige feste Nadeln sich abwechseln lassen mit sich drehenden Rührorganen.

Insbesondere kann der Damm sich im mittleren Teil drehende Rührorgane und an den Enden feste Rechtecknadeln aufweisen.

Fig. 8 zeigt eine Reihe von in Reihe angeordneten Rührorganen, die in der gleichen Richtung, jedoch mit einer Winkelversetzung von 90°, sich drehen.

Der Zwischenraum zwischen zwei Rührorganen ist derart, daß die Wirkzone jedes dieser Rührorgane wenigstens gleich die Wirkungszone der benachbarten Nadel überdeckt. Die Form der gekreuzten Acht der Nadeln begünstigt dieses Ergebnis.

Fig.9 zeigt das halbe Deckengewölbe 18 eines Schmelzofens sowie die Lage der Rührorgane bezüglich des Deckengewölbes.

Die Schaufeln sind im Winkel von 90° versetzt, ihre Wirkungszonen überdecken sich.

Das obere Niveau der Schaufeln befindet sich auf dem Badniveau des Glases 4.

Ihre untere Begrenzung soll vorzugsweise nicht tiefer liegen als die neutrale Fläche, welche den Hinstrom vom Rückstrom trennt, derart, daß keine Durchmischungswirkung auf den Rückstrom ausgeübt wird.

Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung zur Befestigung und Betätigung der Schaufeln.

Das Rührorgan 17 ist in einer durch zwei Lager 19 gehaltenen Hülse 18 angeordnet. Diese Lager sind fest mit einem Trägerrahmen 20 verbunden, der über Haken 21 und Köpfe 22 an einem Balken 23 hängt, der parallel zur Achse des Schlitzes 24 des Ofengewölbes angeordnet ist. Die Hülse 18 trägt ein Kegelrad 25, das von einem Zahnrad 29 angetrieben wird, das seinerseits von einem Motor 27 angetrieben ist. Die beiden Kegelräder sind über eine Achse 28 verbunden. Um den Phasenwinkel des Rührorgans einzustellen, kann das Zahnrad 26 vom Zahnrad 25 durch Drehung der Achse 28 um die Achse 29 mittels einer nicht dargestellten Einrichtung gelöst werden. Die gesamte durch Rührorgan, seine Hülse und seinen Träger 20 gebildete Anordnung kann durch ein Hebezeug angehoben werden. Feuerfeste Verschlußstücke 30 und 31 sorgen für ein Schließen des Schlitzes 24. Die Schaufeln des Rührorgans 17 bestreichen die Oberfläche des Glasbades 32. Die Einstellung einer solchen Dammausbildung nach der Erfindung, das heißt, hinsichtlich Zahl, Geschwindigkeit und Lage der Rührorgane sowie ihre Eintauchtiefe hängt ab von den Besonderheiten des Ofens, der Zusammensetzung des Glases, der Lage des Damms im Ofen sowie der gewünschten Wirkung.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Wannenschmelzen von Glas mit einer Schmelz- und einer Läuterungszone, wobei das schmelzflüssige Glas durch eine benachbarte Konditionierungszone strömt, ein Hinstrom des Glases benachbart der Oberfläche des in Richtung von der Schmelz- und Läuterungszone zur Konditionierungszone strömenden Glases sowie ein Rückstrom des Glases unterhalb des Hinstromes, jedoch in entgegengesetzter Richtung, hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Teil des Hinstromes mitteis einer hängenden Ablenkfläche im oberen Teil des schmelzflüssigen Glases, die sich nur über einen Teil seiner Breite zwischen der Schmelz- und Läuterungszone erstreckt, abgelenkt wird und der Strum vom Rückstrom aufgenommen und gegen die Schmelz- und Läuterungszone rückgeführt wird, wobei die seitlichen Teile des Hinstroms benachbart dem mittleren Teil sowie der Rückstrom unter dem untersten Niveau der Ablenkfläche veranlaßt wird, völlig frei weiterzuströmen und daß die Umlenkfläche mittig bezüglich der Oberseite des Glases mit einer Länge im Bereich von ¹A bis Vj der Breite der Oberfläche des Glases eingebracht wird, wobei die Umlenkfläche von der Glasoberfläche bis auf eine Tiefe im Bereich von '/5 bis 'Λ der Tiefe des Glases reicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkfläche eine Länge im Bereich von V3 bis der Hälfte der Breite der Glasoberfläche hat, wobei die Umlenkfläche des Glases bis zu einer Tiefe von etwa '/3 der Glastiefe reicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzflüssige Glas in der Zone, in der die Umlenkung stattfindet, vermischt wird.

4. Ofen zum Konditionieren schmelzflüssigen Glases nach dem Verfahren des Anspruchs 1 mit einem länglichen Becken zur Aufnahme eines schmelzflüssigen Glasbades und dem Becken zugeordneten Heizeinrichtungen zur Erzeugung eines Schmelz- und Läuterungsabschnittes hoher Temperatur (1) und einer Läuterungszone (2) niedrigerer Temperatur sowie einem Gewölbe über dem Becken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Damm oder Balken (5) vom Gewölbe abgehängt ist und sich zwischen Schmelz- und Läuterungsabschnitt sowie der Konditionierungszone erstreckt, wobei der hängende Damm mittig hierzwischen angeordnet ist und von einer Länge im Bereich von '/4 bis ²Ii der Breite des Beckens ist, wobei der Damm von der Oberseits des schmelzflüssigen Glases bis zu einer Tiefe im Bereich von V5 bis der Hälfte der Beckentiefe reicht.

5. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Damm (5) eine Länge in Bereich von 'Λ bis der Hälfte der Breite der Wanne aufweist, wobei der Damm von der Oberseite des schmelzflüssigen Glases bis zu einer Tiefe etwa gleich '/3 der Beckentiefe reicht.

6. Ofen nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Damm durch nebeneinander angeordnete gekühlte röhrenförmige Elemente in Schleifenform, die zum Durchrühren des Glases in Drehung

versetzt sind, gebildet ist.