DE2904317A1

DE2904317A1 - Verfahren zum herstellen von geschmolzenem glas

Info

Publication number: DE2904317A1
Application number: DE19792904317
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kiyonago
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1978-02-06
Filing date: 1979-02-05
Publication date: 1979-08-16
Also published as: GB2014127B; DE2904317C2; FR2416201B1; CA1118209A; IN150684B; FR2416201A1; JPS54122319A; GB2014127A; IT1114081B; US4185984A; IT7947889A0

Description

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UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Verfahren zum Herstellen von geschmolzenem Glas

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von geschmolzenem Glas durch Schmelzen von anorganischen Stoffen und insbesondere ein verbessertes Verfahren, bei dem solche Stoffe in einem Drehofen geschmolzen werden.

Bei dem vorliegenden Verfahren handelt es sich um eine Verbesserung des aus der US-PS 4,061,487 bekannten Verfahrens.

Unter dem Begriff "anorganische Rohstoffe" werden vorliegend hochschmelzende Rohstoffe verstanden, wie sie für die Glasherstellung benutzt werden. Zu diesen Stoffen gehören Glasbruch oder Glasscherben. Weitere Beispiele, die unter die Definition von "anorganischen Rohstoffen" fallen, sind unten angegeben. Die Rohstoffe, die in geeigneter Zusammen-

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Setzung gemischt für das der Glasherstellung dienende Schmelzen bereit sind, werden als "Charge" bezeichnet. Unter dem Begriff "Glas" soll ein anorganisches Schmelzprodukt verstanden werden, das beim Abkühlen in einem festen, nichtkristallinen Zustand erstarrt. Die meisten üblicherweise verwendeten Gläser sind Silicatgläser. Zu diesen gehören Behälterglas, Flachglas, Borsilicatglas, Quarzglas, hochschmelzende Spezialgläser, Gläser, die speziell für eine anschließende Entgleisung ausgelegt sind, Natriumsilicate, Fiberglas, Glaswolle, Schlackewolle und Steinwolle.

Die Begriffe "fest" oder "erstarrt" bezeichnen den Zustand des Glases, der eintritt, wenn die Viskosität so hoch ist, daß das Glas nicht mehr nennenswert fließt und in einem halbstarren oder starren Zustand vorliegt und auf diese Weise fest erscheint. Im vorliegenden Fall bildet sich eine solche "feste" Schicht aus Glas auf der Kammerwand oder auf der feuerfesten Auskleidung.

Um das den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildende bekannte Verfahren besser zu verstehen, sei auf die Zeichnung Bezug genommen, die eine Form von Drehofen zeigt, wie er bei der praktischen Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann. Teile der Zeichnung, die den eigentlichen Erfindungsgegenstand betreffen, sind weiter unten diskutiert. Der Drehofen 1 besteht aus einem KohlenstoffStahlmantel 2 mit einem zylindri-

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sehen Teil 3, einem kegelstumpfförmigen Einlaßteil 4 und einem kegelstumpfförmigen Auslaßteil 5. Die gesamte Innenfläche des Ofenmantels 2 ist mit einer feuerfesten Auskleidung 7 mit hohem Aluminiumoxidgehalt versehen. Am Auslaßende trägt der Ofen 1 eine feuerfeste Gießschnauze 8, die ebenfalls aus einem an Aluminiumoxid reichen, feuerfesten Werkstoff gefertigt ist. Zwei Flansche 9 und 10 sind mit dem geraden Teil 3 des Ofens 1 verschweißt. Die Flansche 9 und 10 stehen mit Rollen 11 und 12 in Kontakt, die mittels einer Welle 13 angetrieben werden, die ihrerseits von einem Motor mit einstellbarer Drehzahl (nicht veranschaulicht) angetrieben ist. Anorganische Rohstoffe 14 werden dem Ofen 1 von einem Trichter 15 aus über eine Drehschleuse 16 zugeführt, die von einem Motor mit einstellbarer Drehzahl angetrieben wird, um die Beschickungsmenge der Rohstoffe vorzugeben, die in die Öffnung 6 des Ofens gefördert werden. Ein Einlaßrohr 17 ist im Bereich des Einlaß-

endes des Ofens wassergekühlt (nicht gezeigt), um es zu schützen, da es mehrere Zentimeter weit in den konischen Einlaßteil 4 des Ofens 1 hineinragt. Ein wassergekühlter Brennstoff-Sauerstoff-Brenner 18, der gleichfalls mehrere Zentimeter weit in die Öffnung 6 des Ofens 1 hineinsteht, liefert die Wärme zum Schmelzen der Rohstoffe, die über das Einlaßrohr 17 in den Ofen gelangen. Der Brenner 18 ist mit zweckentsprechenden Brenngasleitungen 19 und Oxidationsgasleitungen 20 sowie mit einem Kühlwassereinlaß 21 und einem

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Kühlwasserauslaß 22 versehen. Der Brenner 18 bildet mit der waagrechten Achse des Ofens 1 einen solchen Winkel, daß die austretende Flamme 23 und die den Brenner 18 verlassenden heißen Verbrennungsgase das Einsatzmaterial gegen die Ofenwandungen richten. Dies trägt dazu bei, zu verhindern, daß feine, nichtgeschmolzene Teilchen durch den Ofen hindurch und aus dem Auslaßende herausgeblasen werden. Dadurch, daß die Flamme und die Rohstoffbeschickung auf die Wandungen des Ofens gerichtet werden, sucht weggeblasenes Material an den Ofenwandungen anzuhaften, die mit einem Überzug aus geschmolzenem Glas bedeckt sind.

Eine Wasserkühlung der Außenseite des Ofens 1 erfolgt über mehrere Auslässe 24. Das Kühlwasser wird über einen Verteiler 25 und mehrere Rohre 26 zugeführt, die über Steuerventile 27 laufende Kühlwasserkanäle bilden und einzelne Wasserströme 28 auf den Stahlmantel 2 richten. Der Kühleffekt der einzelnen Wasserströme bewirkt, daß ein Teil des geschmolzenen Glases die Innenseite der feuerfesten Auskleidung 7 in Form einer dünnen erstarrten Schicht oder Auskleidung 29 bedeckt. Diese Auskleidung 29 besteht aus dem gleichen Material wie das geschmolzene Glas. Sie schützt die feuerfeste Auskleidung 7 gegen die schädlichen Einflüsse des schmelzflüssigen Glases. Weil individuelle Wasserströme 28 auf die Außenfläche des Mantels 2 gerichtet werden, wird der -Mantel nicht gleichförmig gekühlt; vielmehr laufen um die Umfangsflache des Mantels ringförmige kalte Bänder herum. Dies bewirkt, daß

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ein gewisser Teil der Schmelze in Form von ringartigen Wülsten 30 auf der Innenfläche des Ofens erstarrt. Das geschmolzene Glas tropft von diesen Wülsten herunter und bildet im unteren Teil des Ofens ein Schmelzbad 31. Wenn sich die Wülste 30 in Richtung auf den Boden drehen, werden sie in der Regel etwas abgeflacht, bleiben jedoch gleichwohl als erstarrte Wülste erhalten. Da der Ofen 1 nach vorne in Richtung auf das Auslaßende leicht geneigt ist, bewegt sich das Schmelzbad 31 langsam zum Auslaßende; das geschmolzene Glas strömt schließ- " lieh über die Schnauze 8 aus dem Ofen heraus.

Der überlaufende Teil 32 der Schmelze gelangt in eine Läuterungskammer 34, die eine Läuterungszone 33 und eine Kühl- oder Konditionierzone 35 aufweist. Diese Zonen sind durch einen feuerfesten Abstreichblock 36 voneinander getrennt. Der Block 36 bewirkt, daß das geläuterte schmelzflüssige Glas aus der Zone 33 über einen verengten Abschnitt 37 in die Zone 35 gelangt. Auf diese Weise wird die oberste Schicht des schmelzflüssigen Glases, in der sich leicht Gasblasen befinden können, abgestrichen. Von der Kammer 35 aus kann das geschmolzene Glas unmittelbar einer Glas- oder Faserformmaschine zugeführt werden. Die Läuterungskammer 34 ist aus feuerfesten Steinen aufgebaut; die Kammern 33 und 35 sind mit konventionellen feuerfesten Stoffen ausgekleidet.

Es ist in mehrerlei Hinsicht von Vorteil, Sauerstoff oder

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50 % oder mehr Sauerstoff an Stelle von Luft als Oxidationsmittel in der Flamme zu verwenden. Wenn Sauerstoff benutzt wird, steigert die erheblich höhere erhaltene Temperatur die Wärmeübergangsrate von der Flamme auf nichtgeschmolzenes Rohmaterial, wodurch die Zeit verkürzt wird, die für einen ausreichenden Schmelzvorgang benötigt wird. Der thermische Wirkungsgrad ist verbessert, weil das Stickstoffvolumen entfällt oder verkleinert ist und weil die möglichen kleineren Abmessungen des Schmelzofens die Oberfläche verringern, über die hinweg Wärmeverluste auftreten. Die Charge wird erheblich weniger stark weggeblasen, weil je Einheit der erzeugten, zugeführten Wärme nur ein kleineres Gasvolumen vorhanden ist. Um alle diese Vorteile zu erzielen,enthält das dem Brenner zugeführte Oxidationsgas vorzugsweise zwischen etwa 50 und etwa 100 % Sauerstoff. Bei konventionellen Glasschmelzofen und bei früheren Drehofen wäre ein Dauerbetrieb mit derart hohen Sauerstoffkonzentrationen im Brenner verhängnisvoll, weil die feuerfeste Auskleidung rasch zum Schmelzen gebracht und der Ofen schließlich zerstört würde.

Es wurde gefunden, daß das Problem der Verwendung von hohen Sauerstoffkonzentrationen dadurch gelöst wird, daß eine erstarrte Glasschicht vorgesehen wird, die in unmittelbarem Kontakt mit der Innenseite des Ofenmantels oder in Kontakt mit einer feuerfesten Auskleidung von maximaler Stärke,, beispielsweise der feuerfesten Auskleidung 7„ steht,, die

ihrerseits an der Innenseite des wassergekühlten Ofenmantels anliegt. In beiden Fällen haftet das erstarrte Glas an dem Substrat, d.h. dem Mantel oder der feuerfesten Aus- kleidung, an. Die Glasschicht wird durch die externe Kühlung mittels eines flüssigen Kühlmittels aufrechterhalten. Der erstarrte Teil des Glases stellt auf diese Weise eine zusätzliche Isolation und eine Schutzschicht dar. Ein Schmelzen dieser "Auskleidung" unter dem Einfluß der Hochtemperaturflamme während der Drehbewegung des Ofens führt nicht zu einer Verschmutzung des geschmolzenen Glases, da beide die gleiche Zusammensetzung haben. Aufgrund der externen Kühlung des Drehofens wird die feste Glasschicht ferner ständig erneuert.

Wenn eine feuerfeste Auskleidung vorgesehen wird, stellt die Dicke der feuerfesten Auskleidung eine wichtige Variable bei der Durchführung des Verfahrens dar. Eine übermäßig dicke feuerfeste Schicht ist unerwünscht, weil die Innenseite der feuerfesten Auskleidung zum Schmelzen gebracht wird und dadurch das Glasprodukt verschmutzt. In einem solchen Fall setzt sich das Schmelzen der feuerfesten Auskleidung fort, bis eine Gleichgewichtsdicke erreicht ist und aufgrund der externen Kühlung des Mantels eine erstarrte Glasschicht auf der Oberfläche der feuerfesten Auskleidung ausgebildet ist. Während dieser Zeitspanne sowie eine erhebliche Zeitdauer danach, bis die Schmelz- und Läuterungs-

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zonen von den feuerfesten Schmutzstoffen befreit sind, ist die Güte des Produkts beeinträchtigt.

Es kann auch keine feuerfeste Auskleidung vorhanden sein, oder die feuerfeste Auskleidung kann in Form einer sehr dünnen Schicht vorliegen. Je dünner die feuerfeste Schicht ist, desto höher ist der Wärmestrom während des Anfahrens. Weil das Glas im erstarrten Zustand bei niedrigen Temperaturen ein guter Isolator ist, wird die negative Wirkung des hohen Wärmeflusses während der begrenzten Anfahrzeitdauer zum größten Teil beseitigt, eine feuerfeste Schicht ist jedoch vorzugsweise vorhanden, weil es in der Praxis einfacher ist, ein» -,-Licht aus erstarrtem Glas über einer feuerfesten Auskleidung statt unmittelbar auf einem metallischen Mantel auszubilden.

Angesichts dieser Umstände wird vorgeschlagen, die maximale Dicke der feuerfesten Auskleidung in der unten erläuterten Weise zu begrenzen. Die minimale Dicke ist eine Frage der praktischen Gegebenheiten und Möglichkeiten. Sie steht im Belieben des Anwenders.

Die maximale Dicke der feuerfesten Schicht wird in erster Linie durch die Temperatur bestimmt, die an der Grenzfläche zwischen der feuerfesten Auskleidung und der erstarrten Glasschicht aufrechterhalten werden muß. Bei

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ausreichender externer Kühlung wird diese Grenzfläche auf solchen Temperaturen gehalten, daß das an der feuerfesten Auskleidung anhaftende Glas ausreichend viskos ist, um nicht mehr im nennenswerten Umfang zu fließen. Das heißt, das Glas liegt in einem halbstarren oder starren Zustand vor. Die Temperatur der Grenzfläche liegt nicht über der etwa dem Fließpunkt des Glases entsprechenden Temperatur. Bei dem Fließpunkt handelt es sich um die Temperatur, bei der das Glas eine Viskosität von 10 poise hat. Je nach der Glaszusammensetzung liegt diese Temperatur in der Regel .zwischen etwa 870° C und etwa 985° C. Vorzugsweise wird die Temperatur an der Grenzfläche von feuerfester Auskleidung und Glas unterhalb der Erweichungstemperatur des erstarrten Glases gehalten. Die Erweichungstemperatur des erstarrten Glases entspricht der Temperatur, bei der das Glas eine Viskosität von 10 ' bis 10 ' poise hat; sie liegt für gewöhnlich zwischen etwa 650 C und etwa 870° C. Die maximale Dicke der feuerfesten Schicht kann anhand der folgenden Gleichung berechnet werden:

K (T - T₂) χ ₌ ! £_

wobei:

X = maximale Dicke in m

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K = mittlere Wärmeleitfähigkeit der feuerfesten Schicht zwischen T. und T~ in W/K je m Fläche der feuerfesten Auskleidung je C je h je m Dicke der feuerfesten Auskleidung

= Fließpunkt des Glases in ⁰C

= mittlere Temperatur der Außenfläche der Kammer in C

C = mittlere Wärmeabfuhrrate von der Außen-

fläche der Kammer in W/m Oberfläche.

Es ist festzuhalten, daß aus den obengenannten Gründen die unter Verwendung der vorstehenden Gleichung errechnete Dicke der feuerfesten Schicht etwa die Dicke darstellt, die geeignet ist, um die Temperatur an der Grenzfläche von Glas und feuerfestem Material auf T. oder darunter zu halten, wobei T_-5 so gewählt ist, daß die Viskosität des Glases ausreichend hoch ist, um als fest angesehen werden zu können. Typische Wärmeabfuhrraten (C), wie sie bei dem vorliegenden Glasschmelz-Drehofen erhalten werden, liegen normalerweise im Bereich zwischen etwa 12600 W/m und etwa

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47300 W/m . Da die Wärmeleitfähigkeit der meisten feuerfesten Stoffe, die beim Schmelzen von Glas benutzt werden,, innerhalb eines Temperaturbereichs von 93° C bis 870° C im Mittel

zwischen etwa 1,0 und 2,6 W/mK liegen, variiert der errechnete Bereich der maximalen Dicke der feuerfesten Auskleidung bei solchen feuerfesten Stoffen zwischen etwa 0,009 m und etwa 0,183 m. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu konventionellen Dicken der feuerfesten Auskleidung von Glasschmelzofen, die für den Kopf zwischen 0,30 und 0,46 m sowie für die Seitenwände und den Boden zwischen 0,30 und 0,61 m liegen.

Weil bei dem vorliegenden Verfahren die die vorgeschlagene maximale Dicke aufweisende feuerfeste Schicht nicht geschmolzen oder abgebaut wird, kann fast jeder beliebige feuerfeste Werkstoff benutzt werden, vorausgesetzt« daß er einen ausreichend hohen Schmelzpunkt und genügende Festigkeit hat, um die erstarrte Glasschicht und das schmelzflüssige Glas selbst abzustützen. So können feuerfeste Stoffe auf der Basis von Aluminiumoxid, Chrom-Magnesit, Magnesiumoxid und Siliciumdioxid sowie andere feuerfeste Werkstoffe verwendet werden. Um einen guten Kontakt zwischen der feuerfesten Schicht und dem Metallmantel für einen wirkungsvollen Wärmeübergang zu erhalten, können feuerfeste Stoffe, die normalerweise als Stampfmassen, plastische feuerfeste Stoffe und Gießmassen bezeichnet werden, in Verbindung mit zweckentsprechenden Halterungsvorrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise in Form von J-Haken, Bolzen oder Zapfen, die am Mantel befestigt

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sind. Es kann auch mit Steinen gearbeitet werden, vorausgesetzt, daß für einen guten Kontakt mit dem wassergekühlten Mantel gesorgt wird.

Die Drehung der Schmelzkammer dient dem Zweck, für ein gutes Durchmischen des schmelzflüssigen Glases zu sorgen und ein homogenes Glasgemisch herzustellen. Am Chargenzugabeende unterstützt die Drehung das Verteilen der nichtgeschmolzenen Charge über dem Bad aus schmelzflüssigem Glas, wodurch die Charge der Flamme besser ausgesetzt wird. Die Drehzahl braucht nicht sehr hoch zu sein, da die Ausnutzung von Zentrifugalkräften für die Verteilung des schmelzflüssiger, Glases auf den Kammerwänden nicht beabsichtigt isi.. Ein weiterer Grund für das Drehen der Kammer besteht darin, die Innenfläche der Kammer ständig zu überziehen, so daß in Verbindung mit der vorgesehenen externen Kühlung die erstarrte Glasschicht erneuert wird, die teilweise schmilzt, während sie der heißen Flamme ausgesetzt wird. Es kann mit einem weiten Bereich an Drehzahlen gearbeitet werden. Der wichtigste Gesichtspunkt ist, die Drehzahl ausreichend hoch zu wählen, damit während der Zeitspanne, während deren die Wand der Hochtemperaturflamme ausgesetzt ist, die feste Glasschicht nicht vollständig abschmilzt und die feuerfeste Schicht freigelegt wird. Drehzahlen zwischen etwa 0,5 und etwa 30 U/min sind brauchbar. Der bevorzugte Drehzahlbereich liegt zwischen etwa 1 und etwa 10 U/min.

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Das Kühlen der Außenfläche des rotierenden Mantels mit einem flüssigen Kühlmittel kann mit Hilfe eines der folgenden Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann der untere Teil des Drehofens in ein Kühlmittelbad eintauchen. Es kann ein ringförmiger Kühlmantel vorgesehen sein. Es kann mit entsprechend ausgestalteten Kühlmittelsprühstrahlen oder Vorhängen gearbeitet werden. Es kann eine Gruppe von gerichteten Strömen verwendet werden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die Kühlung kann gleichförmig sein, um eine glatte Schicht aus festem Glas zu bilden. Es kann auch mit ungleichförmiger Kühlung gearbeitet werden, wodurch die obengenannten ringförmigen Wulste erhalten werden. Jedes beliebige konventionelle Kühlmittel kann benutzt werden; vorzugsweise wird mit Wasser gearbeitet. Die Kühleinrichtung muß ausreichend bemessen sein, damit innerhalb des Drehofens eine feste Schicht aus Glas ausgebildet und aufrechterhalten wird. Die Außentemperaturen variieren in Abhängigkeit von dem Abstand von der Flamme und der Lage der Kühlzonen; für gewöhnlich wird eine mittlere Temperatur im Bereich von etwa 90 C bis etwa 320° C aufrechterhalten. Es ist erwünscht, daß die verwendete Kühleinrichtung in der Lage ist, zwischen etwa 12500 und etwa 47500 W/m abzuführen-, weil WärmeflUsse in etwa diesem Bereich notwendig sind, um eine feste Schicht aus Glas aufrechtzuerhalten.

Beliebige konventionelle Brennstoffe können verwendet werden, z.B. Erdgas, Kerosin, Treib- oder Heizöle oder Generatorgas.

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Die Gastemperaturen innerhalb des Ofens liegen zwischen etwa 1650 C nahe dem Austrittsende und etwa 2760° C im Bereich der Sauerstoff-Brennstoff-Flamme.

Bei dem beschriebenen Verfahren ist das Schmelzen der Rohstoffe energieintensiv. Der thermische Wirkungsgrad wird daher im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit der Glaserzeugung sehr wichtig. Um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, wurde vorgeschlagen, die in den Abgasen des Ofens enthaltene Warme zu benutzen, um das Chargengemisch, d.h. die anorganischen Rohstoffe, vorzuwärmen. Es zeigte sich jedoch, daß das Vorwärmen dieses Gemischs zu einem teilweisen Schmelzen der Bestandteile der Charge führt, was eine klebrige Masse zur Folge hat, deren Fließverhalten, wenn überhaupt, nur schwierig zu steuern ist. Außerdem enthält das Chargengemisch Teilchen, deren Teilchengrößen zwischen denjenigen von feinem Pulver und granulären Stoffen liegen. Bei unmittelbarer Berührung mit Heißgasen werden feine Teilchen bevorzugt mitgenommen, was die Zusammensetzung des Glases beeinträchtigt. Aus diesen Gründen wird das Vorwärmen des Chargengemischs in der Praxis nicht durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Verfahren zum Erzeugen von Glas in einem Drehofen dahingehend zu verbessern, daß der thermische Wirkungsgrad gesteigert wird, oh-

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ne das gesamte Chargengemisch oder einen Teil desselben vor dem Einbringen in den Drehofen zu schmelzen und ohne Feinstoffe bevorzugt zu überführen.

Ausgehend von einem Verfahren, bei dem

(a) in die Kammer anorganische Rohstoffe eingespeist werden, die Siliciumdioxid in größerem Anteil enthalten;

(b) eine Flamme von hochintensiver Wärme durch Verbrennen eines Brennstoffes mit einem etwa 50 bis etwa 100 Vol.% Sauerstoff enthaltenden Gas ausgebildet und derart in die Kammer gerichtet wird, daß die Rohstoffe schmelzen;

(c) die Kammer mit ausreichender Drehzahl gedreht und die Außenseite der Kammer mit einem flüssigen Kühlmittel derart gekühlt wird,daß die Innenfläche der Kammer mit einer Schicht aus geschmolzenem Glas bedeckt wird, die Schicht zum Erstarren gebracht wird und eine erstarrte Glasschicht während des Verfahrens aufrechterhalten wird, die ein Eindringen von Verunreinigungen von der Innenseite der Kammer in die Schmelze im wesentlichen verhindert; und

(d) schmelzflüssiges Glas abgezogen wird,

wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens das Siliciumdioxid vor der Verfahrensstufe (a) auf

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eine Temperatur von etwa 260° C bis etwa 1370° C erhitzt wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige, bereits oben in Verbindung mit der Schilderung des Standes der Technik erwähnte Fig. zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung, die sich zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eignet.

Die Gläser, die mittels des vorliegenden Verfahrens hergestellt werden, sind Silicatgläser. Die anorganischen Rohstoffe weisen Siliciumdioxid als größeren Anteil auf. Das heißt, es sind mindestens etwa 50 Gew.% und in der Regel mindestens etwa 65 Gew.% Siliciumdioxid vorgesehen. Zu den anorganischen Rohstoffen, wie sie allgemein für die Herstellung von Silicatgläsern verwendet werden, gehören Siliciumdioxid, Feldspat, Calciumcarbonat, Dolomit, wasserfreies Soda, Pottasche, Borax und Aluminiumoxid. Kleinere Bestandteile, wie Arsen, Antimon, Sulfate und Fluoride werden häufig zugesetzt, um die Eigenschaften des Glases zu ändern. Außerdem werden oft andere Metalloxide zugegeben, um die gewünschte Farbe zu erhalten. Metallurgische Schlacken und natürlich vorkommende Gesteine werden bei der Herstellung von Schlackewolle und Steinwolle eingesetzt. Allgemein werden diese Stoffe in drei Gruppen unterteilt: (1) glasbildende Oxide, zu denen Siliciumdioxid und Boroxid gehören; (2) stabi-

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lisierende Oxide, zu denen Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid gehören, und (3) Flußmittel wie Natriumoxid,. Kaliumoxid und Schö'nungsmittel. "Nach Literaturangaben enthalten kommerzielle Gläser etwa 55 bis etwa 94 % Glasbildner, etwa 2 bis etwa 30 % Stabilisierungsmittel und etwa 1,5 bis etwa 22 % Flußmittel. Die für Fenster und Flaschen verwendeten gewöhnlichen Gläser haben einen Gehalt von etwa 70 bis etwa 75 % Siliciumdioxid und etwa 12 bis etwa 17 % Flußmittel.

Anteilig umfassen die bei dem vorliegenden Verfahren verwendeten anorganischen Rohstoffe vorzugsweise (a) anorganische Rohstoffe, die allein oder miteinander gemischt bei einer Temperatur von unter etwa 1370 C schmelzen, in einer Menge von etwa 6 Gew.% bis etwa 45 Gewi%, wobei es sich beispielsweise um Bruchglas, Natriumcarbonat, Natriumsulfat, Kaliumcarbonat, Kaliumsulfat und Eisenoxid handeln kann, und (b) anorganische Rohstoffe, die allein oder miteinander gemischt bei einer Temperatur von über etwa 1370 C schmelzen, in einer Menge von etwa 55 Gew.% bis etwa 94 Gew.%. Bei dem zuletzt genannten Anteil kann es sich beispielsweise um Siliciumdioxid, Kalk, Aluminiumoxid und Magnesiumoxid handeln. Die Gew.%-Angaben sind jeweils auf das Gesamtgewicht der anorganischen Rohstoffe bezogen. In jedem Fall liegt das Siliciumdioxid in einer Menge von mindestens etwa 50 Gew.% des Gesamtgewichts der anorganischen Rohstoffe und vorzugsweise in einer

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Menge von etwa 75 Gew. % vor.

Quarzsand, ein anderer, häufig verwendeter anorganischer Rohstoff, ist nahezu reines Siliciumdioxid; er kann ein oder mehrere der erwähnten stabilisierenden Oxide als Verunreinigung enthalten.

Während bei der bekannten Anordnung die Gesamtheit der anorganischen Rohstoffe 14 vom Trichter 15 aus zugeführt wird, werden bei dem vorliegenden Verfahren die anorganischen Rohstoffe vorzugsweise derart aufgeteilt, daß Siliciumdioxid und andere anorganische Rohstoffe, die mit dem Siliciumdioxid oder miteinander gemischt bei einer Temperatur von nicht weniger als etwa 1370° C schmelzen, in einen Trichter 105 eingebracht werden. Diese Rohstoffe werden als anorganische Rohstoffe 104 bezeichnet.

Die übrigen Rohstoffe, zu denen in der Regel Bruchglas gehört, werden in den Trichter 15 eingebracht; sie sind als anorganische Rohstoffe 14 bezeichnet.

Die anorganischen Rohstoffe 104 werden vom Trichter 105 aus über eine Drehschleuse 106 eingespeist, die mittels eines Motors mit variabler Drehzahl angetrieben wird. Die Drehschleuse 106 dient in der gleichen Weise wie die Drehschleuse 16 der Einstellung der Fördermenge der Rohstoffe 104. Auf

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diese Weise werden die Rohstoffe 14 und 104 dem Ofen 1 in Form von getrennten Strömen zugeleitet. Sie werden durch die Wirkung des Drehofens 1 gründlich miteinander vermischt.

Auf dem Weg zum Ofen laufen die Rohstoffe 104 durch einen unmittelbaren Wärmetauscher 103, wo sie mit den über eine Leitung 102 abgezogenen Ofenabgasen und/oder mit den Verbrennungsgasen in Kontakt gebracht werden, die in den Wärmetauscher 103 über eine Leitung 108 eintreten. Die Gase werden nahe dem Boden des Wärmetauschers 103 in diesen eingeführt. Sie kommen mit den Rohstoffen 104 im Gegenstrom in Berührung. Die Gase verlassen den Wärmetauscher 103 über eine Leitung 107, nachdem sie mit den Rohstoffen 104 in Kontakt getreten sind und diese auf eine Temperatur im Bereich von etwa 260 C bis etwa 1370 C vorgewärmt haben. Diese Temperatur liegt unter der Schmelztemperatur von Siliciumdioxid oder anderen Bestandteilen der anorganischen Rohstoffe 104, gleichgültig ob diese Stoffe allein oder miteinander gemischt vorliegen. Das Vorheizen wird jedoch vorzugsweise bei einer Temperatur unterhalb von etwa 1095 C durchgeführt, um jedes Schmelzen, Anschmelzen oder Sintern im wesentlichen zu vermeiden, weil dadurch eine klebrige Masse entstehen könnte, die den Strom der Rohstoffe in den Ofen behindert.

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Ein Beispiel dafür, wie das Verfahren den thermischen Gesamtwirkungsgrad der Glasherstellung verbessert, ergibt sich aus der Fertigung von Flaschenglas aus einer Charge, bei der die anorganischen Rohstoffe 74 Gew.% Siliciumdioxid enthalten. In diesem Beispiel wird das Siliciumdioxid, das die anorganischen Rohstoffe 104 bildet, im Wärmetauscher 103 auf 816° C erhitzt. Die anderen anorganischen Rohstoffe wenden nicht erhitzt, sondern vom Trichter 15 aus eingegeben.

Es wurde gefunden, daß das Erwärmen des Siliciumdioxids auf 816 C die dem Ofen zuzuführende Energie je t Glas wie folgt herabsetzt: 0,74 · 1000 kg/t Glas · 0,29 Wh/kg je ⁰C- (816 -21)° C = 171 kWh/t Glas.

Da die Gesamtwärme, die zugeführt werden muß, um in dem

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beschriebenen Drehofen schmelzflüssiges Glas zu erzeugen, näherungsweise 581 kWh/t beträgt, wird durch das Vorerhitzen gemäß diesem Beispiel die dem Ofen zuzuführende Gesamtenergie um etwa 29 % vermindert.

Um den thermischen Wirkungsgrad weiter zu verbessern, können einige der stabilisierenden Oxide, wie Aluminiumoxid, Calciumoxid, Calciumcarbonat, Magnesiumoxid oder Magnesiumcarbonat, oder andere anorganische Rohstoffe mit dem Siliciumdioxid gemischt werden, vorausgesetzt, daß das Ge-

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misch ebensowenig wie eines seiner Komponenten bei weniger als etwa 1370° C in nennenswertem Umfang schmilzt. Die anderen anorganischen Rohstoffe werden über den Trichter 15 zugegeben. Sie gelangen in den Ofen 1 in einer Durchflußmenge, die auf die Durchflußmenge der anderen Rohstoffe entsprechend abgestimmt ist.

Die Wärme im Wärmetauscher 103 wird entweder von dem über die Leitung 102 laufenden Ofenabgas oder von externen Quellen bereitgestellt, beispielsweise Verbrennungsgasen, die über die Leitung 108 strömen. Es kann auch mit einer Kombination von beidem gearbeitet werden. Diese Verbrennungsgase können aus einem Brennstoff/Luft-Gemisch in weitgehend der gleichen Weise wie die vom Brenner 18 kommenden Gase gebildet werden. Es kann sich dabei auch um heiße Abgase von anderen Verfahren handeln. Am wirtschaftlichsten ist es, die Abgase des Ofens 1, falls sie allein nicht ausreichen, durch Heißgase von externen Quellen zu ergänzen. Weil die Temperatur der Ofenabgase Werte bis herauf zu 1650° C erreichen und die Temperatur der Verbrennungs.gase eines Brennstoff/Luft-Gemisches in der Gegend von 1980° C liegen kann, sind die Mengen der jeweils benutzten Gase entsprechend der Menge der anorganischen Rohstoffe 104, die für gewöhnlich Raumtemperatur haben, so zu regulieren, daß die Rohstoffe nicht auf eine Temperatur von über etwa 1370 C und vorzugsweise etwa 1095° C erhitzt werden.

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Wie oben ausgeführt, erfolgt das Erhitzen des Siliciumdioxids oder des Gemischs aus anorganischen Rohstoffen im Wärmeaustauscher 103 vorzugsweise durch direkten Kontakt mit den im Gegenstrom fließenden Abgasen. Weil das Siliciumdioxid im allgemeinen in granulärer Form verwendet wird und dabei nur sehr wenig Feinstoffe vorliegen, ist der Verlust durch Mitnahme im Gasstrom minimal. Bei dem Wärmetauscher 103 kann es sich um einen lotrechten, hohlen Schaft handeln, innerhalb dessen die Heißgase nach oben strömen, während das Siliciumdioxid, beispielsweise in Form von Quarzsand, am oberen Ende in den Schaft eingesprüht und an dessen unterem Ende aufgesammelt wird. Von dort gelangt das Siliciumdioxid über eine Leitung 101 zum Ofen 1. Es können auch Fließbetten verwendet werden, bei denen die Heißgase als fluidisierendes Medium wirken. Für eine bessere Wärmeausbeute wird vorzugsweise mit einem Mehrfachfließbettsystem gearbeitet, wobei Quarzsand und Heißgase im Gegenstrom miteinander in Kontakt kommen. Ein weiteres Verfahren für einen direkten Wärmeaustausch zwischen Heißgasen und Quarzsand, der sich auf Umgebungstemperatur befindet, besteht darin, die beiden Ströme, d.h. den Gasstrom und den Sandstrom, in Gegenstromstufen miteinander zu mischen sowie in Zyklonscheidern innerhalb jeder Stufe voneinander zu trennen. Diese Art von Vorrichtung wird häufig als Suspensionsvorerhitzer bezeichnet. Solche Vorrichtungen werden in großem Umfang in europäischen Zementfabriken verwendet. Unabhängig davon, wie der Wärmetauscher im Einzelfall aufgebaut ist, wer-

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den vorzugsweise mehrere Wärmetauscherstufen, beispielsweise zwei bis vier Stufen oder mehr, verwendet.

Die Temperatur, auf die die anorganischen Rohstoffe 104 erhitzt werden können, hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise dem Durchflußvolumen der Abgase, der Temperatur der Abgase, der Fördermenge der anorganischen Rohstoffe und der Anzahl der Kontaktstufen des Wärmetauschers. Obwohl jedes Grad an zusätzlicher Vorerhitzung mithilft, den thermisehen Gesamtwirkungsgrad des Drehofens zu verbessern, ist es zweckmäßig, die Rohstoffe auf mindestens 260 C und vorzugsweise auf mindestens 815 C zu erhitzen.

Oben wurde ausgeführt, daß der Drehofen mit Brennstoff und Sauerstoff befeuert wird. Dabei stellt der Sauerstoff einen größeren Betriebskostenfaktor dar. Der Sauerstoffverbrauch läßt sich vermindern, indem ein größerer Anteil des Wärmebedarfs auf das Wärmetauschersystem übertragen wird. Dies kann geschehen, indem dem System eine weitere Stufe zugefügt wird, die durch den Wärmetauscher 103 dargestellt ist, oder indem eine extern angeordnete Stufe vorgesehen wird, die mit Brennstoff und Luft befeuert wird. Die Gase aus dieser Stufe strömen durch die Leitung 108. Sie werden für gewöhnlich mit den Abgasen kombiniert und in den übrigen Stufen benutzt , um einlaufenden Quarzsand zu erhitzen.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SChWAN

BÜRO: 8000 MÜNCHEN 83 ■ ELFENSTRASSE 32

L-1 2041 -1 -G

Ansprüche

.) Verfahren zum Herstellen von geschmolzenem Glas in einer im wesentlichen zylindrischen, ständig rotierenden Drehkammer bei dem

(a) in die Kammer anorganische Rohstoffe eingespeist werden, die enthalten:

(i) anorganische Rohstoffe, die allein oder miteiander gemischt bei einer Temperatur von unter etwa 1370 C schmelzen, in einer Menge von etwa 6 Gew.% bis etwa 45 Gew.%;

(ii) anorganische Rohstoffe, die allein oder miteinander gemischt bei einer Temperatur von über etwa 1370 C schmelzen, in einer Menge von etwa 55 Gew.% bis etwa 94 Gew.%; und

(iii) Siliciumdioxid als Komponente von (ii) in einer Menge von mindestens etwa 50 Gew.%,

wobei die Gew.%-Angaben auf das Gesamtgewicht der anorganischen Rohstoffe bezogen sind;

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FERNSPRECHER: 0811/601Ϊ039 · KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

(b) eine Flamme von hochintensiver Wärme durch Verbrennen eines Brennstoffes mit einem etwa 50 bis etwa 100 Vol.% Sauerstoff enthaltenden Gas ausgebildet und derart in die Kammer gerichtet wird, daß die Rohstoffe schmelzen;

(c) die Kammer mit ausreichender Drehzahl gedreht und die Außenseite der Kammer mit einem flüssigen Kühlmittel derart gekühlt wird, daß die Innenfläche der Kammer mit einer Schicht aus schmelzflüssigem Glas bedeckt wird, die Schicht zum Erstarren gebracht wird und eine erstarrte Glasschicht während des Verfahrens derart aufrechterhalten wird, daß die erstarrte Schicht ein Eindringen von Verunreinigungen von der Innenfläche der Kammer in die Schmelze im wesentlichen verhindert, und

(d) schmelzflüssiges Glas abgezogen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Rohstoffe (ii) einschließlich des Siliciumdioxids vor der Verfahrensstufe (a) auf eine Temperatur von etwa 260° C bis etwa 1370° C erhitzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Verfahrensstufe (a) vorausgehende Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von etwa 815 C bis etwa 1100° C erfolgt.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Kammer verlassendes heißes Abgas zur Anlieferung mindestens eines Teils der Wärme für den der Verfahrensstufe (a) vorausgehenden Aufheizvorgang verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den der Verfahrensstufe (a) vorausgehenden Aufheizvorgang Heißgase verwendet werden und das Aufheizen durch unmittelbaren Gegenstromwärmeaustausch erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumdioxid in einer Menge von mindestens etwa 65 Gew.% verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als eine Komponente der anorganischen Rohstoffe (i) Bruchglas verwendet wird.

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