DE2917433A1

DE2917433A1 - Verfahren zum elektroschmelzen von glas und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2917433A1
Application number: DE19792917433
Authority: DE
Inventors: Kenneth Steven Hrycik; John Henry Leonhardt; Jun William Jay Prentice
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-05-01
Filing date: 1979-04-28
Publication date: 1979-11-08
Also published as: US4161617A; GB2024197A; FR2424883A1; JPS54144416A

Description

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Verfahren zum Elektroschmelzen von Glas und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim üblichen Verfahren zum elektrischen Schmelzen von Glas in einer vertikal orientierten Schmelzkammer aus konventionellen hochschmelzenden Materialien wird das Glasgemenge kontinuierlich oben in die Schmelzkammer eingeführt, und das geschmolzene Glas wird ebenfalls kontinuierlich unten an der Schmelzkammer abgezogen, im allgemeinen nachdem das geschmolzene Glas geläutert worden ist. Die Zuführungseinrichtung liefert das Glasgemenge in einer solchen Weise, daß es eine Decke bildet, die sich teilweise oder vollständig über die gesamte Querschnittsfläche der Schmelzkammer erstreckt und die oben auf dem in der Kammer enthaltenen geschmolzenen Glas schwebt. Diese schwebende Schicht besteht aus pulverisierten Materialien, die eine ausreichend geringe thermische Leitfähigkeit haben, um als Isolator hinsichtlich der elektrischen Heizenergie zu wirken, die über die Elektroden des Ofens zugeführt wird. Es sind verschiedene Arten von Elektrodenanordnungen zur Zuführung der Energie zum Schmelzen des Glasgemenges bekannt, und sie schließen im allgemeinen Sätze einzelner Elektroden ein, die sich durch die aus hochschmelzendem Material bestehenden Seitenwände in die Schmelzkammer hinein erstrecken und die in verschiedenen Höhen in der Zone des geschmolzenen Glases angeordnet sind. Bekannterweise wird ein Satz von Heizelektroden am oberen Niveau der Zone geschmolzenen Glases angeordnet, und es gibt mindestens einen weiteren Satz von Elektroden, der unterhalb davon in das geschmolzene Glas ragt, wobei man für jeden Satz von Elektroden separate Steuereinrichtungen zur Zuführung elektrischer Energie hat.

Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad bei dem vorbeschriebenen Verfahren zum Glasschmelzen zu haben, ist es erwünscht, die

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Gemengedecke so dick als möglich zu halten. Die sich aus dem Glasgemenge entwickelnden gasförmigen Produkte müssen jedoch durch diese Gemengedecke nach oben entweichen, wenn das Glas ohne Unterbrechung kontinuierlich geschmolzen werden soll. Werden die gasförmigen Produkte innerhalb oder unterhalb der Glasgemengedecke eingeschlossen, dann findet nur ein teilweises Schmelzen der pulverisierten Materialien statt, was das kontinuierliche Glasschmelzen unterbrechen oder beenden kann. Können diese gasförmigen Produkte nicht entweichen, dann bildet sich eine Schicht schaumigen Glases innerhalb der Gemengedecke, die ein plötzliches Anheben der gesamten Gemengedecke um bis zu 15 cm in nur etwa 15 Minuten verursachen kann. Die unerwünschte Schicht aus schaumartigem Glas bildet außerdem eine Isolation, die es verhindert, daß die Wärme der darunterliegenden Elektroden die Gemengedecke schmilzt, und dies kann in unerwünschter Weise die Temperatur des geschmolzenen Glases erhöhen. Die Höhe des geschmolzenen Glases kann außerdem abfallen, wenn diese Erscheinung auftritt. Dies kann nicht nur das kontinuierliche Glasschmelzen unterbrechen, sondern weiterhin unerwünschte Variationen erzeugen, während das geschmolzene Glas weiterhin aus der Schmelzkammer abgezogen wird.

Es sind bereits gewisse Mittel bekannt, mit denen man dem Unterbrechen des kontinuierlichen Glasschmelzens aufgrund des Einfangens der Gasprodukte aus dem Glasgemenge abhelfen kann. Diese bekannten Mittel verringern jedoch entweder die Wirksamkeit des Verfahrens oder sie haben sich als nicht gänzlich zuverlässig erwiesen.

Ein Verfahren, das zum Lösen der Probleme vorgeschlagen wurde, die mit dem Einfangen von Gas auf diese Weise verbunden sind, benutzt die Abmessungen und Betriebsbedingungen in der Schmelzkammer, um eine Gemengedecke von weniger als etwa 15 cm Dicke aufrechtzuerhalten. Dies führt jedoch zu einem zu großen Wärmeverlüst und somit einem verringerten thermischen Wirkungsgrad. Außerdem muß die Schmelzkammer dahingehend verändert werden, daß sie einen überhängenden Saumstein in einer Höhe aufweist, in der die Gemenge-

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decke angeordnet ist, damit man einen Ring geschmolzenen Glases aufrechterhält, durch den die Gase entweichen können. Obwohl eine solche Anordnung das Aufrechterhalten einer Gemengedecke mit einer Dicke von etwa 20 bis 40 cm gestattet, hat sie sich doch als empfindlich gegenüber Änderungen bei der Energiezuführung oder der Gemengezufuhrgeschwindigkeit erwiesen, um den unerwünschten Überbrückungszustand zu verursachen, der oben erläutert wurde.

Eine weitere Abhilfe zur Erleichterung des allgemeinen Problems wendet ein rotierendes mechanisches Gerät an, um eine Öffnung in der Gemengedecke sicherzustellen, durch die das Gas entweichen kann, doch wird dadurch eine weitere Komplexizität in das Glasschmelzverfahren eingeführt und außerdem tritt auch hierbei der gleiche unerwünschte Überbrückungszustand auf.

Es ist nun überraschenderweise festgestellt worden, daß durch die richtige Anordnung eines Satzes von Elektroden in dem geschmolzenen Glas zusammen mit einem besonderen Betrieb dieser Elektroden während des kontinuierlichen Glasschmelzens, das Gaseinfangen in einer wirksamen und zuverlässigen Weise vermindert werden kann, wobei weder eine zusätzliche strukturelle Modifikation der Schmelzkammer oder ein Verlust an thermischer Wirksamkeit während des Glasschmelzens zu irgendeinem bemerkenswerten Grade erforderlich ist. Im besonderen wird die zuverlässige Entgasung des geschmolzenen Glases mit einer Vielzahl von Elektroden zustandegebracht, die in einer vertikal orientierten Schmelzkammer angeordnet sind, wobei sich ein Satz der Elektroden im oberen Teil der Schmelzkammer ausreichend nahe der Unterseite der Gemengedecke befindet, um lokalisierte heiße Flecken in dem geschmolzenen Glas benachbart der Elektroden zu erzeugen und einen Strom von Gasblasen durch das geschmolzene Glas an den Stellen der heißen Flecken nach oben zu verursachen, um die Gasblasen durch die Gemengedecke entweichen zu lassen.

Das Eintauchen eines oberen Satzes von Elektroden in das ge-

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schmolzene Glas in einer Höhe von nur etwa 15 cm unterhalb der Unterseite der Gemengedecke, die auf dem geschmolzenen Glas schwebt, hat sich als wirksam erwiesen, um eine Gemengedecke mit einer Dicke im Bereich von etwa 30 bis etwa 40 cm an anderer Stelle als direkt oberhalb dieser Elektroden aufrechtzuerhalten. Daß eine richtige Anordnung des oberen Satzes von Elektroden in der Schmelzkammer das Entgasen des geschmolzenen Glases in der beschriebenen Weise gestattet, kann anhand von Beobachtungen demonstriert werden, die während des Glasschmelzens gemacht werden, wobei in der oberen Oberfläche der Gemengedecke vulkanische Eruptionen an Stellen beobachtet werden, die der räumlichen Anordnung der einzelnen Elektroden im obersten Satz von Elektroden entsprechen. Während die Temperatur des geschmolzenen Glases an den vorgenannten heißen Stellen in Abhängigkeit von der jeweils erhitzten Glaszusammensetzung und anderen Faktoren variieren wird, haben Temperaturmessungen während des Schmelzens eines bestimmten Borsilikat-Glasgemenges gezeigt, daß an den heißen Flecken eine Glastemperatur von etwa 1300⁰C herrscht, wodurch eine ausreichend geringe Viskosität dieses geschmolzenen Glases vorhanden ist, die das Entweichen der Gasblasen durch das geschmolzene Material gestattet.

Nach dem bevorzugten Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird das geschmolzene Glas in einer separaten Kammer, die aus hitzebeständigen Materialien gebildet ist, geläutert, wobei diese Läuterungskammer am Bodenniveau mit der Schmelzkammer verbunden ist und sie außerdem HiIfselektröden zur Steuerung der Läuterungstemperatur enthält.

Die bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum kontinuierlichen Schmelzen von Glasgemenge durch Erhitzen mittels Elektroden weist folgende Teile auf: a) eine vertikal orientierte Schmelzkammer, bei der das Glasgemenge oben in die Schmelzkammer eingefüllt und unten das geschmolzene Glas abgezogen wird,

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b) eine Zuführungseinrichtung, um das Gemenge oben so in die Kammer einzufüllen, daß es eine Decke bildet, die sich im wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche der Kammer erstreckt und auf dem geschmolzenen Glas ruht,

c) einen Satz von Elektroden, der am oberen Niveau der Kammer auf dem Umfang mit Abstand der einzelnen Elektroden zueinander angeordnet ist, um heiße Flecken in dem geschmolzenen Glas benachbart der Unterseite der Gemengedecke zu erzeugen,

d) mindestens ein weiterer Satz von Elektroden in einem darunterliegenden Niveau in der Kammer angeordnet ist, wobei die einzelnen Elektroden in einer vertikalen Richtung mit den einzelnen Elektroden im oberen Niveau ausgerichtet sind und

e) separate Steuereinrichtungen zur Zuführung von elektrischer Energie zu jedem Satz von Elektroden.

Der Betrieb der vorstehenden bevorzugten Glasofenkonstruktion zum kontinuierlichen Schmelzen eines Borsilikat-Glasgemenges erfordert die Zuführung elektrischer Energie zu den Elektroden in dem unteren Niveau mit einer Rate, die ausreicht, das geschmolzene Glas kontinuierlich am Bodenniveau der Schmelzkammer zur Verfügung zu stellen, während den oberen Elektroden elektrische Energie mit einer Rate zugeführt wird, die ausreicht, lokalisierte heiße Flecken in dem geschmolzenen Glas benachbart den Elektroden in einem Temperaturbereich von etwa 1250 bis etwa 135O°C zu erzeugen und einen Strom von Gasblasen nach oben durch das Glas an den heißen Flecken zu erzeugen, damit es durch die Gemengedecke entweichen kann. Die dem oberen Satz von Elektroden zugeführte Energie wird außerdem so eingestellt, daß sie geringer ist als die Energie, bei der die Dicke der Gemengedecke verringert wurde, um so einen optimalen thermischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Die Anordnung der unteren Elektroden in der bevorzugten Ofenkonstruktion schließt außerdem einen ersten Satz von Elektroden ein, der sich am Boden der Schmelzkammer befindet, wobei diese Elektroden mit einem zweiten Satz von Elektroden zusammenarbeiten, die sich in einer Höhe der Schmelzkammer zwischen dem Bodenniveau

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und dem oberen Niveau der Elektroden befinden/ wobei dieser erste und zweite Satz unterer Elektroden mit Energie von separaten Energiequellen versorgt wird, damit man die höchste Temperatur des geschmolzenen Glases in der Zone benachbart den Zwischenelektroden aufrechterhält. Alle Elektroden der oberen, mittleren und unteren Anordnung der Schmelzkammer erstrecken sich durch die aus hitzebeständigem Material bestehenden Seitenwände in einer radial orientierten beabstandeten Anordnung in jeder Höhe der Schmelzkammer, und sie können außerdem orientiert sein mit Bezug auf die einzelnen Elektroden in der größeren oder geringeren Höhe, so daß die einzelnen Elektroden in der gleichen vertikalen Ebene liegen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur eine vertikale Schnittansicht durch einen elektrischen Schmelzofen gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.

Die Ofenkonstruktion 10 weist eine Schmelzkammer 12 auf, die aus einem aus hitzebeständigem Material bestehendern Boden und Seitenwändei16 besteht und die eine horizontale Konfiguration schafft, die polygonal oder kreisförmig sein kann, wobei die Ofenkonstruktion weiter eine Läuterungskammer 18 einschließt, die zu einer ansonsten konventionellen Vorofenanordnung 20 führt. Die Läuterungskammer 18 ist betriebsmäßig mit der Schmelzkammer mittels eines Halsabschnittes 22 verbunden, durch den das geschmolzene Glas vom Boden 24 aus der Schmelzkammer austritt. In das geschmolzene Glas 26 der Schmelzkammer 12 tauchen drei Sätze von Elektroden 28, 30 und 32 ein, die elektrische Energie zum Schmelzen einer aus Rohglasgemenge bestehenden Decke 34 liefern, die oben auf dem geschmolzenen Glas aufliegt. Die Einrichtung zum kontinuierlichen Zuführen, die oberhalb der Schmelzkammer angeordnet ist, führt das Glasgemenge unter Bildung einer Decke zu, die sich im wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche der Schmelzkammer erstreckt. Es sind in dieser Glasgemengedecke

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während des Schmelzens Entlüftungsöffnungen 38 vorhanden, die das Entweichen der Gasblasen 40 gestatten, die in der Nähe des oberen Satzes von Elektroden 28 durch das geschmolzene Glas nach oben steigen. Nicht dargestellte konventionelle Einrichtungen zur Zuführung elektrischer Energie sind separat mit den auf dem Umfang im Abstand voneinander angeordneten Elektroden in jeder Höhe verbunden, und sie werden in bekannter Weise gesteuert, damit die für das kontinuierliche, gleichmäßige Schmelzen des Glasgemenges erforderliche Heizenergie zugeführt wird. Auch nicht dargestellt sind die Hilfselektroden, die in der Läuterungskammer 18 angeordnet werden können und mit denen man eine gleichmäßige Temperatur in dem dort befindlichen geschmolzenen Glas aufrechterhält..

Im Betrieb wird dem obersten Satz von Elektroden 28 elektrische Energie in einer Menge zugeführt, die ausreicht, lokalisierte heiße Flecke in dem geschmolzenen Glas benachbart den Elektroden zu erzeugen und eine nach oben gerichtete Strömung von Gasblasen durch das Glas an den heißen Flecken zu verursachen, damit das Gas durch die Gemengedecke entweicht. Es ist auch bevorzugt, elektrische Energie zu dem mittleren Satz von Elektroden 30 in einer . Menge zuzuführen, daß die Temperatur des geschmolzenen Glases in der Zone benachbart diesen mittleren Elektroden am höchsten ist. Die den unteren Elektroden 32 in der Schmelzkammer zugeführte Energiemenge kann so gesteuert werden, daß eine Glastemperatur aufrechterhalten wird, die für das nachfolgende Läutern und/oder Konditionieren geeignet ist.

Der Betrieb der erfindungsgemäß angeordneten Elektroden erweist sich auch in anderen vertikal angeordneten elektrischen Glasofen als vorteilhaft, die keine separate Läuterungskammer aufweisen. So z. B. in allen elektrischen Ofenkonstruktionen, bei denen das Schmelzen des Glasgemenges und das Läutern in der gleichen Schmelzkammer erfolgt, bevor man die Glasschmelze daraus entfernt.

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Claims

Patentansprüche

iy Verfahren zum kontinuierlichen Schmelzen einer Glasmenge durch Erhitzen dieses Glases in einem Ofen, bei dem eine Vielzahl von Elektroden in einer vertikal orientierten Schmelzkammer angeordnet ist und bei dem das Glas oben in die Kammer eingefüllt und das geschmolzene Glas unten aus der Kammer abgezogen wird, wobei weiter ein Satz von Elektroden benachbart dem oberen Teil der Kammer angeordnet ist, und mindestens ein

einem

weiterer Satz von Elektroden in-'unteren Teil der Kammer angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß man das Glas kontinuierlich oben so in die Kammer einfüllt, daß es eine auf dem geschnolzenen Glas ruhende Decke bildet, daß man dem unteren Satz von Elektroden ausreichend elektrische Energie zuführt, um am Boden der Kammer kontinuierlich geschmolzenes Glas zu liefern und

daß man den oberen Elektroden ausreichend Energie zuführt, um lokalisierte heiße Flecken in dem geschmolzenen Glas benachbart den Elektroden zu erzeugen und einen Strom von Gasblasen zu

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verursachen, der an diesen heißen Flecken durch das Glas . nach oben steigt und durch die Glasdecke entweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Glas ein Borsilikatglas ist, daß die Zuführung des Glases in einer solchen Weise erfolgt, daß eine Decke gebildet wird, die sich im wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche der Kammer erstreckt und daß die Zuführung von elektrischer Energie so erfolgt, daß ein Temperaturbereich von 1250 bis 135O°C eingehalten wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die unteren Elektroden einen ersten Satz von Elektroden umfassen, der am Boden der Kammer angeordnet ist und der mit einem zweiten Satz von Elektroden zusammenarbeitet, der in einem Niveau zwischen dem unteren Satz von Elektroden und dem oberen Satz von Elektroden angeordnet ist, damit die Temperatur des geschmolzenen Glases in der Zone benachbart dem mittleren Satz von Elektroden am höchsten ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das geschmolzene Glas nach dem Entfernen aus der Schmelzkammer geläutert wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Läutern des Glases in einer Läuterungszone stattfindet, die mit der Schmelzkammer verbunden ist und die weiter Hilfselektroden enthält, um die Läute-

. rungstemperatur zu steuern.
6. Vorrichtung zum kontinuierlichen Schmelzen einer Glasmenge durch Erhitzen mittels Elektroden,
gekennzeichnet durch

a) eine vertikal orientierte Schmelzkammer, bei der das Glasgemenge oben eingefüllt und das geschmolzene Glas unten

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abgezogen wird,

b) eine Zuführungseinrichtung zum Einfüllen des Gemenges oben in die Kammer unter Bildung einer Decke, die sich im wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche der Kammer erstreckt und auf dem geschmolzenen Glas ruht,

c) einen Satz von Elektroden, der im oberen Teil der Kammer angeordnet is.t, wobei die Elektroden im Umfang mit Abstand zueinander liegen und heiße Flecken in dem geschmolzenen Glas benachbart der Unterseite der Gemengedecke erzeugen,

d) mindestens einen weiteren Satz von Elektroden in einem darunterliegenden Teil der Kammer, wobei die einzelnen Elektroden vertikal mit den einzelnen Elektroden im Oberteil der Kammer ausgerichtet sind und

e) separate Steuereinrichtungen für die Zuführung elektrischer Energie zu jedem Satz von Elektroden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen weiteren Satz von Elektroden im Bodenteil der Kammer enthält, wobei die einzelnen Elektroden auf dem Umfang und im Abstand zueinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine separate Läuterungskammer aufweist, die mit dem Bodenniveau der Schmelzkammer verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß in der Läuterungskammer Hilfselektroden angeordnet sind.

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