DE2929093C2

DE2929093C2 -

Info

Publication number: DE2929093C2
Application number: DE2929093A
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Sainte Genevieve Des Bois Fr Quillevere; Jean Paris Fr Segall
Original assignee: BFG GLASSGROUP PARIS FR
Current assignee: BFG GLASSGROUP PARIS FR
Priority date: 1978-07-21
Filing date: 1979-07-18
Publication date: 1989-09-14
Also published as: CA1148742A; DE2929071C2; CA1148743A; US4300936A; IT1120996B; FR2437380B1; JPS5515997A; IT7968451A0; GB2024802B; SE440073B; DE2929093A1; ES482994A1; BE877499A; FR2431463B1; SE7906225L; SE439156B; LU80019A1; ES482993A1; FR2431463A1; FR2437380A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Glas, wobei das Glas in ein fluidisiertes Partikelbett unter thermischen Bedingungen derart eingeführt wird, daß Wärme vom Glas auf das fluidisierte Material übertragen wird.

Die Erfindung wird besonders mit Bezug auf das thermische Vorspannen von Glasscheiben erläutert werden, ohne darauf jedoch beschränkt zu sein.

Das thermische Vorspannen von Glas umfaßt die schnelle Abkühlung des Glases von einer Temperatur oberhalb der Entspannungstemperatur, wobei es sich üblicherweise um eine Temperatur handelt, die nahe der Erweichungstemperatur liegt. Die Oberflächenschichten des Glases werden schneller abgekühlt als die inneren Schichten, mit der Folge, daß die Oberflächenschichten Kompressionsspannungen ausgesetzt werden, die durch Zugspannungen in den inneren Schichten ausgeglichen werden.

Bei einem bekannten Kühlverfahren werden Kühlluftströme verwendet, die gegen die Fläche des Glases gerichtet werden. Bei der Verwendung dieses Verfahrens beim Vorspannen von dünnen Gläsern, beispielsweise von Scheiben aus gewöhnlichen Kalknatrongläsern mit einer Dicke von weniger als 3 mm, treten Probleme auf. Bei der Abführung von Wärme von den Oberflächenschichten des Glases mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um den erforderlichen Spannungsgradienten innerhalb der Dicke der Glasscheibe zu erzeugen, muß die Kühlluft gegen die sehr heiße Glasscheibe mit Strömungsraten geführt werden, die unter diesen thermischen Bedingungen dazu führen, daß die dünnen Glasscheiben verformt werden, oder daß die Oberflächen des Glases beschädigt werden. Derartige Beschädigungen machen die Scheibe für den gewünschten Zweck ungeeignet, und zwar insbesondere wenn hohe optische Qualitätseigenschaften und andere Eigenschaften gefordert werden, wie beispielsweise bei der Herstellung von Fahrzeugfenstern, wie beispielsweise Kraftfahrzeugwindschutzscheiben.

Einer der Faktoren, der die Wärmeaustauschrate zwischen heißen Glasscheiben und Teilchen eines fluidisierten Bettes aus fein verteiltem Material beeinflussen kann, in welches die Glasscheiben eingetaucht werden, ist die Geschwindigkeit des fluidisierenden Gasstromes.

Die Wärmeaustauschrate steigt mit der Gasgeschwindigkeit wegen der höheren Mobilität der fluidisierten Teilchen an. Je mehr jedoch die Geschwindigkeit des fluidisierenden Gases erhöht wird, um so größer ist die Gefahr, daß die Qualität des Glasgegenstandes beeinträchtigt wird. Es gibt zahlreiche Faktoren, die diese Gefahr erhöhen können, und einer dieser Faktoren besteht im Unterschied in den Bedingungen von einer Zone zur anderen in dem fluidisierten Bett, beispielsweise infolge einer Blasenausbildung. Die nachteiligen Einwirkungen auf die Glasgegenstände können in einer Verformung beruhen oder in einer Beschädigung der Oberfläche. Die Gefahr einer Verformung ist insbesondere gegeben, wenn dünne Gläser behandelt werden. Wenn ein fluidisiertes Bett verwendet wird, um Gas durch die Entspannungstemperatur ausreichend schnell abzukühlen, um ein thermisches Verspannen zu erzielen, können Ungleichförmigkeiten der Bedingungen innerhalb des fluidisierten Bettes dazu führen, daß eine ungleichförmige Temperung des Glases erfolgt.

Bekannt ist im übrigen ein Verfahren zum thermischen Entspannen im Wirbelbett (US-PS 40 66 430) eines Glasgegenstandes. Hierbei werden Mikrokugeln in einem Wirbelbett aus einer Dispersion von Wassertröpfchen gekühlt, die mit hydrophobem kolloidalem Siliciumdioxid bedeckt sind. Die Tröpfchen stoßen sich gegenseitig zurück und agglomerieren nicht. Vorgespannt wird ähnlich wie mit einem Wassernebel. Aufgrund der Verdampfung des Wassers verändert sich die Granolometrie des Bades schnell; die Tröpfchen mit den kleinsten Abmessungen können das Wirbelbett sogar verlassen. Auf jeden Fall wird es notwendig, den Wasserverlust durch Verdampfen zu kompensieren. Ein etwaiger Rückstand, bestehend aus hydrophobem kolloidalem Siliciumdioxid, ist vernachlässigbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche kontinuierlichen Verluste an fluidisierten Partikeln zu vermeiden und auch die Nachteile, die beim Kontakt von Wasser mit einer heißen Scheibe auftreten, zu vermeiden. Diese bestehen bekanntlich in örtlich zu heftigen Kühlerscheinungen, die zumindest zu Mikrorissen an der Glasoberfläche führen können. Diese sind bekanntlich Ausgangspunkt für einen vollständigen Riß und Bruch der Glasscheibe.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das fluidisierte Material, besteht aus oder umfaßt Partikel eines festen oder überwiegend festen Materials, welches Hydroxylgruppen und/oder Konstitutionswasser enthält, und welches wenigstens einen Teil dieser Gruppen und/oder Konstitutionswasser endotherm dadurch verlieren kann, daß es auf eine Temperatur erwärmt wird, die niedriger als die Temperatur des Glases bei Eintritt in das Wirbelbett ist, wobei ein fester partikelförmiger Rückstand belassen wird.

Vorzugsweise wird der Temperaturbereich, durch welchen das Glas in diesem fluidisierten Bett gekühlt wird und die Kühlgeschwindigkeit derart gewählt, daß das Glas thermisch vorgespannt wird. (Das thermische Vorspannen von Glasscheiben mittels eines Wirbelbetts aus partikelförmigem Material ist zwar an sich bekannt [DE-OS 26 38 038]).

Die dort eingesetzten Partikel, wie solche aus α-Aluminiumoxid, Aluminosilikat, Nickel etc., enthalten kein Wasser oder nur sehr wenig Wasser. Es ist auf diese Weise nicht möglich, dem Glas zur schnellen Abkühlung Wärme zu entnehmen, wie es Produkte mit endothermem Charakter tun können.

Mit der Maßnahme nach der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, mit dem die Kühlung sowohl schnell als auch gleichförmig und dabei leicht durchgeführt werden kann.

Besondere Bedeutung hat dies bei der thermischen Vorspannung von Glas, insbesondere dünnen Glasgegenständen, beispielsweise von einer Dicke von 3 mm oder weniger. Bei der Vorspannung beispielsweise von Kraftfahrzeugscheiben bzw. -Windschutzscheiben müssen die Brucheigenschaften des Glases einer Norm genügen, auf die noch unten eingegangen wird. Ein derartiges Ziel kann nicht erreicht werden, wenn nicht die Abkühlung des Glases mit hoher Gleichförmigkeit durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß kann man mit geringeren Fluidisierungsgasgeschwindigkeiten arbeiten und hierdurch den Energieverbrauch vermindern. Die Verminderung des Gasverbrauchs ist von Bedeutung, wenn ein anderes Gas als Luft verwendet wird, um die Teilchen zu fluidisieren.

Alle oder die meisten der fluidisierten Partikel im Bett hinterlassen einen feinverteilten Teilchenrest.

Geeignete fluidisierte Materialien dieser Art stehen zur Verfügung, die in der Lage sind, endothermische Wandlungen innerhalb des fluidisierten Bettes selbst durchzumachen, ohne derartige Änderungen der fluidisierten Teilchen oder des fluidisierten Gases zu bewirken, daß Probleme bei der Überwachung oder Steuerung der thermischen Behandlung des Glases auftreten. Derartige Materialien, die sowohl organische als auch anorganische Verbindungen umfassen, sind geeignet, um mit Luft als Fluidisierungsgas verwendet zu werden.

Fluidisierte Teilchen, die Wasser bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des Glases beim Eintritt in das fluidisierte Bett abgeben können, umfassen Teilchen aus Substanzen, die gebundenes Wasser enthalten.

Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung werden fluidisierte Teilchen verwendet, die durch eine anorganische Verbindung gebildet werden, welche Hydroxylgruppen enthält und/oder Bindungswasser. Verbindungen der zuletzt genannten Kategorie umfassen insbesondere hydratisierte Salze. Spezielle Beispiele derartiger Verbindungen, die sehr geeignet sind, sind α- und γ-Monohydrate von Eisen-Sesquioxid Fe₂O₃ · H₂O.

Eine insbesondere bevorzugte Verbindung zur Herstellung von Teilchen für fluidisierte Betten ist trihydratisiertes Aluminiumoxid Al₂O₃ · 3 H₂O, und dies kann beispielsweise in der Form von Hydrargillit verwendet werden, welches Wasser bei etwa 140°C bei Normaldruck abgibt, oder Bayerit, welches einen großen Teil des Wassers zwischen 120 und 160°C abgibt. Trihydratisiertes Aluminiumoxid kann einer endothermischen Umformung mit einer beträchtlichen Wärmeaufnahme in einem vorzugsweise tiefen Temperaturbereich unterzogen werden. Es wurde gefunden, daß ein derartiges Material insbesondere für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, um thermisch sehr dünne Gläser mit einer Dicke von 3 mm oder weniger vorzuspannen.

Eine derartige Vorspannung kann durchgeführt werden, indem man Luft als Fluidisierungsgas verwendet. Es ist nicht erforderlich, ein Gas von einer speziellen Zusammensetzung zu verwenden, welches eine höhere spezifische Wärme aufweist.

Die Granulometrie des fluidisierten Materials ist für die Wärmeübertragung von Bedeutung. Weiterhin ist die gleichförmige Kühlung des Glases von Bedeutung, die schneller erfolgt, wenn kleinere Teilchen verwendet werden. Wenn jedoch die Teilchen zu klein sind, so besteht die Neigung, daß sie von dem Fluidisierungsgas abgeführt werden. Der geeignetste Größenbereich für die Teilchen hängt zum Teil von der Materialzusammensetzung der Teilchen ab und zum Teil vom spezifischen Gewicht. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn das fluidisierte Material ganz oder im wesentlichen ganz aus Teilchen im Größenbereich von 20 bis zu 250 µm besteht. Wenn Teilchen in diesem Größenbereich verwendet werden, kann eine Wärmeaustauschrate erzielt werden, die für das Vorspannen von dünnen Glasscheiben ausreichend oder zufriedenstellend ist oder vorteilhaft ist, wobei fluidisierte Teilchen verschiedenster Zusammensetzungen verwendet werden können, ohne daß Probleme auftreten, die sich dadurch ergeben, daß die Teilchen am Glas hängenblieben, wenn dieses aus dem fluidisierten Bett herausgezogen wird. Das Glas kann in einfacher Weise dadurch gereinigt werden, daß Luft über dessen Oberfläche geblasen wird.

Wenn trihydratisiertes Aluminiumoxid als fluidisiertes Material verwendet wird, können die Teilchengrößen vorzugsweise zwischen 40 und 150 µm und insbesondere zwischen 40 und 120 µm liegen. Diese Teilchengröße hat den Vorteil, daß sie zu einer sehr schnellen Kühlung beiträgt und eine hohe Oberflächenqualität des Glases sicherstellt, und zwar auch dann, wenn Glasscheiben mit einer Dicke von 3 mm oder weniger behandelt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteilhafter Weise Luft als Fluidisierungsgas verwendet werden. Andere Gase können, falls gewünscht, auch verwendet werden, wie beispielsweise Helium, Kohlendioxid oder SF₆.

Die Vorteile einer gleichförmigen Behandlung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt werden, werden insbesondere dann deutlich, wenn eine Fluidisierungsgasgeschwindigkeit verwendet wird, die lediglich etwas über derjenigen Geschwindigkeit liegt, die der maximalen Expansionsspitze des fluidisierten Bettes entspricht.

Es ist eine charakteristische Eigenschaft der Teilchenfluidisierung, daß während des Aufbaues eines Gasdruckes unterhalb eines porösen Trägers des Teilchenbettes, um das Bett in einen fluidisierten Zustand zu bringen, das Bett zuerst eine Ausdehnung durchmacht, wodurch fortschreitend die Höhe der Bettoberfläche bis zu einem bestimmten Pegel vergrößert wird, wonach, wenn der Gasdruck weiter ansteigt, der Oberflächenpegel der Bettoberfläche abfällt, ehe das Bett sich wieder ausdehnt. Danach geht das Bett in einen sehr turbulenten sogenannten freisiedenden Bettzustand über, und wenn eine sehr hohe Gasgeschwindigkeit oder ein sehr hoher Gasdruck erzielt wird, führt dies zu einer erheblichen Aufwärtsmitnahme von Teilchen aus dem Bett. Wenn man die Bettoberfläche grafisch als Funktion des aufsteigenden Gasdruckes auftritt, so stellt man den Übergang zwischen der anfänglichen Expansion des Bettes und dem nachfolgenden teilweisen Zusammenfall vor einer weiteren Expansion als Expansionsspitze fest.

Bei einigen erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases oberhalb des Wertes, der der Expansionsspitze der Betthöhe-Gasgeschwindigkeitskurve entspricht und ist nicht größer als das 1,2fache dieses Wertes. Wenn man innerhalb dieses Gasströmungsgeschwindigkeitsbereiches arbeitet, wird eine außerordentliche Gleichförmigkeit der Kühlung erzielt. Vorzugsweise beträgt die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases wenigstens das 1,03fache der Geschwindigkeit der Fluidisierungsbettexpansionsspitze.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren bei Gasgeschwindigkeiten unterhalb der Expansionsspitze durchgeführt werden kann, sei bemerkt, daß der Widerstand des fluidisierten Bettes gegen den Eintritt des Gasgegenstandes, der zu behandeln ist, größer ist. Dies ist ein Nachteil, wenn man Glasgegenstände behandelt, die insbesondere im Behandlungstemperaturbereich beschädigt werden können. Dies gilt insbesondere für Glasscheiben, die eine Dicke von 3 mm oder weniger haben und die gekrümmt sind und die verformt werden können, wenn sie in ein fluidisiertes Bett abgesenkt werden, welches einen erheblichen Widerstand gegen ihre Bewegung leistet.

Das fluidisierte Teilchenbett kann vorzugsweise Schwingungsbewegungen von geringer Amplitude ausgesetzt werden, die eine Ansammlung oder Agglomerisierung der fluidisierten Teilchen verhindern. Andererseits können feinere Teilchen in diesen Fällen verwendet werden. Wenn die Teilchen einer Schwingungsbewegung ausgesetzt werden, kann eine gegebene Behandlung mit einer geringeren Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durchgeführt werden, und dies ist von Vorteil, wenn Glasgegenstände behandelt werden, die durch ihre sehr hohe Temperatur oder aus anderen Gründen leicht beschädigt werden könnten. Vorzugsweise liegt die Schwingungsfrequenz zwischen 50 und 8000 Hz. Die Schwingungsbewegung kann durch einen an sich bekannten Vibrator erzeugt werden, der mit der Fluidisierungsstation oder mit dem Fluidisierungsgefäß verbunden ist.

Das Verfahren kann in einer an sich bekannten Fluidisierungsvorrichtung durchgeführt werden, die im wesentlichen ein Fluidisierungsgefäß aufweist, welches einen porösen Boden hat, unter dem eine Druckkammer angeordnet ist, aus der Gas nach oben durch den Boden hindurchgedrückt wird, welcher sicherstellt, daß eine im wesentlichen gleichförmig verteilte Strömung des Fluidisierungsgases über die gesamte Fläche des Gefäßes hindurch erfolgt. Vorzugsweise wird der durchlässige Boden durch eine poröse Wand gebildet.

Es wurde gefunden, daß die Vorteile des Verfahrens dadurch verbessert werden können, daß eine poröse Wand mit verteilten kleinen Poren verwendet wird, um das Fluidisierungsgas zu verwenden. Bei bevorzugten Ausführungsformen haben die Poren eine Größe von weniger als 60 µm. Dadurch wird ein sehr stabiles fluidisiertes Bett bei geringeren Geschwindigkeiten des fluidisierenden Gases aufrechterhalten. Die Stabilität nimmt mit der Verminderung der Porengröße zu. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Poren kleiner als 10 µm sind, und optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn die Poren kleiner als 5 µm sind. Die Porengröße wird durch einen Kapillartest ermittelt.

Ein weiterer Faktor, der für die Stabilität des fluidisierten Bettes bei irgendeiner gegebenen Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases von Bedeutung ist, ist die Permeabilität der porösen Wand. Vorzugsweise sollte der Permeabilitätskoeffizient nicht 6×10^-11 m² übersteigen. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Permeabilitätskoeffizient kleiner ist als 0,25×10^-11 m², und optimal werden Ergebnisse erzielt, wenn der Permeabilitätskoeffizient kleiner ist als 0,05×10^-11 m². Der Permeabilitätskoeffizient wird aus der Volumenströmungsrate des Gases durch die poröse Wand pro Quadratmeter Wandfläche für einen gegebenen Druckabfall durch die Wandfläche gemäß der folgenden Gleichung ermittelt:

wobei p₀ der Permeabilitätskoeffizient ist, P₂-P₁ der Druckabfall ist, t die Wandungsdicke und μ die Viskosität des Gases.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zum Biegen und thermischen Vorspannen von Glasscheiben mit einer erfindungsgemäßen Fluidisierungsanlage und

Fig. 2 eine grafische Darstellung, die eine charakteristische Veränderung der Höhe eines fluidisierten Bettes mit Zunahme der Geschwindigkeiten des Fluidisierungsgases zeigt.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage weist drei übereinander angeordnete Abschnitte auf: eine Heizstation 1, eine Station 2, in der den Glasscheiben eine Krümmung erteilt wird und eine Kühlstation 3. Diese drei Stationen werden von einer Trägeranordnung 4 getragen.

Die Heizstation 1 weist einen Ofen 5 von an sich bekannter Bauart auf. Dieser hat beispielsweise ein äußeres Gehäuse 6 aus Eisenplatten und eine innere feuerfeste Auskleidung 7, die Aussparungen aufweist, in denen Heizelemente 8 aufgenommen sind. Die Heizelemente sind elektrische Widerstandsheizer. Im Boden des Ofens ist ein Schlitz 9 vorgesehen, durch den hindurch eine Glasscheibe aus dem Ofen in die Station 2 der Anlage gelangen kann.

In der Station 2 sind an sich bekannte Vorrichtungen vorgesehen, mittels denen die Glasscheiben gewölbt oder gebogen werden. Diese Vorrichtungen umfassen einen Stempel 10 und ein Gesenk 11. Relative Zu- und Auseinanderbewegungen dieser Teile werden durch Motoren 12 und 13 gesteuert, die an den Trägern 4 befestigt sind.

Die Kühlstation 3 weist ein Fluidisationsgefäß 14 auf, welches auf einer Tragplatte 15 montiert ist. Diese Tragplatte weist Rollen auf, die es ermöglichen, daß das Gefäß längs einer Schienenbahn 17 bewegt werden kann. Dieses Gefäß oder diese Kammer 14 weist hohle Seitenwandungen auf, die einen Mantel 18 bilden, in dem ein Kühlmittel umlaufen kann. Dieses Kühlmittel tritt in den Mantel ein und verläßt diesen über Leitungen 19. Dieses Gefäß oder diese Kammer weist eine nach außen sich verbreiternde Mündung 20 auf, mit der verhindert wird, daß fluidisierte Partikel überströmen können. Am Boden dieses Gefäßes oder dieser Kammer ist eine poröse Wand 21 vorgesehen, unterhalb welcher eine Druckkammer 22 angeordnet ist. Diese Druckkammer weist eine Einlaßleitung 23 für das Fluidisierungsgas auf. Eine Masse 24 von fluidisierten Teilchen ist in dieser Kammer oder in diesem Gefäß vorhanden.

Eine Glasscheibe 25, die gekrümmt oder gebogen und getempert werden soll, wird in hängender Lage mittels Zangen 26 eines Scheibenträger- und -fördermechanismus gehalten, der Ketten 27 aufweist, die an einem nicht dargestellten Antriebsmotor befestigt sind. Diese Ketten erstrecken sich durch Öffnungen 28 im oberen Teil des Ofens in diesen hinein.

Diese Anlage wird in der im folgenden beschriebenen Weise benutzt. Eine Glasscheibe wird in diese Anlage in der Höhe der Scheibenbiegestation 2 eingeführt und wird dann von den Zangen oder Greifern 26 erfaßt. Die Scheibe wird dann in den Heizofen über die Öffnung 9 eingeführt, und zwar in gesteuerter Weise durch den Antriebsmotor für die Ketten 27.

Die Scheibe wird dann auf eine hohe Temperatur durch die Widerstandsheizer 8 erhitzt. Wenn die erforderliche Glastemperatur erreicht ist, wird die Scheibe 25 durch den Schlitz 9 in den Biegeabschnitt 2 abgesenkt. Wenn die Formgebungsgesenke 10 und 11 auf die erhitzte Glasscheibe durch die Antriebe 12 und 13 geschlossen werden, wird dadurch die Glasscheibe auf die erforderliche Biegung oder Krümmung geformt. Nach dem Öffnen der Gesenkteile wird die nunmehr gekrümmte Scheibe in die Kühlstation abgesenkt, in welcher die Masse 24 aus Feststoffteilchen bereits in einen fluidisierten Zustand gebracht wurde, und zwar durch ein Fluidisierungsgas, welches in das Gefäß 14 aus der Druckkammer 22 durch die poröse Wand 21 hinauf aufsteigt. Die Glasscheibe 25 tritt in das fluidisierte Bett ein und erleidet dann eine schnelle Abkühlung, die erforderlich ist, um das Glas vorzuspannen. Wärme wird aus dem fluidisierten Bett dadurch entfernt, daß Kühlflüssigkeit im Mantel 18 umläuft.

In der grafischen Darstellung von Fig. 2 ist die Höhe H in Millimetern des fluidisierten Bettes als Funktion gegen die Geschwindigkeit V in cm/sec des fluidisierenden Gases aufgetragen. Die Betthöhe pro Gasgeschwindigkeitskurve zeigt Eigenschaften des fluidisierten Bettes mit einem Ansteigen des fluidisierenden Gases, wobei das anfangs kompakte Bett einer fortschreitenden Ausdehnung unterworfen wird (Teil A der Kurve), bis die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases einen bestimmten Wert erreicht. Wenn jedoch die Gasgeschwindigkeit über diesen Wert erreicht ist, fällt dieses Bett teilweise zusammen (Teil B der Kurve). Dieses Aufsteigen und Zusammenfallen der Bettoberfläche erzeugt eines Spitze, die im folgenden als Expansionsspitze in der Funktion Betthöhe als Funktion der Geschwindigkeitskurve bezeichnet werden soll. Die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit V₀, bei der diese Expansionsspitze auftritt, hängt von den Eigenschaften der fluidisierten Teilchen ab. Während eines weiteren Ansteigens der Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases wird das Abfallen der Bettoberfläche beendet, und die Betthöhe stabilisiert sich. Das Fluidisierungsbett bleibt etwa über einen bestimmten Gasgeschwindigkeitsbereich konstant, jedoch über diesem Bereich werden fluidisierte Teilchen aus dem Bett herausgeführt.

Im folgenden werden Beispiele der Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei dem eine im vorstehenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene Anlage verwendet wird.

Beispiel 1

Die Teilchen der fluidisierten Schicht oder des Bettes 24 (Fig. 1) sind Teilchen aus trihydratisiertem Aluminiumoxid. Die Teilchen hatten eine Größe zwischen 40 und 120 µm, und die mittlere Abmessung betrug 52 µm. Die poröse Wand 21 bestand aus gesinterter Bronze der Class 03 Poral, die eine Dicke von 4,7 mm hatte. Der Permeabilitätskoeffizient dieser Wand betrug 0,4×10^-11 m², und die Größe der Poren in dieser Wand waren geringer als 2 µm. Die Fläche des fluidisierten Bettes betrug 54 dm².

Die grafische Darstellung in Fig. 2 stellt die Höhenänderungen eines fluidisierten Bettes von Teilchen aus trihydratisiertem Aluminiumoxid als Funktion der Gasgeschwindigkeit dar. Die sogenannte Expansionsspitze stellte sich in diesem Fall bei 0,48 cm/sec ein. Bei der Verwendung eines derartigen fluidisierten Bettes zur Durchführung des Glaskühlungsverfahrens wird die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases vorzugsweise oberhalb 0,48 cm/sec aufrechterhalten und insbesondere oberhalb 0,5 cm/sec. Diese Geschwindigkeit sollte vorzugsweise nicht mehr als 1,2×0,48 = 0,576 cm/sec betragen.

Die Druckkammer 22 wird mit Luft unter einem Druck in der Größenordnung von 8,338.5 Pascal gespeist. Die Luftströmung, die verwendet wird, um die Schicht der Aluminiumoxidteilchen zu fluidisieren betrug 10 m³/h, was einer Fluidisierungsgasgeschwindigkeit von etwas über 0,5 cm/sec entspricht.

Glasscheiben mit Abmessungen von 50×30 cm² und einer Dicke von 3 mm wurden nacheinander Biegungs- und Vorspannungsbehandlungen unterworfen. Nachdem jede Glasscheibe an den Zangen 26 hing, wurde diese in den Ofen 5 eingeführt und dort etwa 3 Minuten belassen. Dieser Ofen hatte eine mittlere Temperatur von etwa 720°C. Während einer Zeitdauer erreichte die Scheibe eine Temperatur in der Größenordnung von 700°C bis 710°C. Die Scheibe wurde dann in die Biegestation gebracht und wurde durch die Formgesenke 10 und 11 in dieser Station geformt. Die Scheibe wurde in den geschlossenen Formgesenken etwa eine Sekunde gehalten. Die Scheibe wurde dann mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 m/min in das fluidisierte Bett aus trihydratisierten Aluminiumoxidteilchen gebracht, wobei das Bett sich auf Umgebungstemperatur befand. Die Glasscheibe wurde in dem fluidisierten Bett etwa sechs Sekunden gehalten. Während dieser Zeit wurde die Glasscheibe schnell gekühlt und wurde thermisch vorgespannt. Nach dem Herausziehen aus dem Bett wurde die Glasscheibe auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.

Nachdem die vorgespannten Glasscheiben gebogen und vorgespannt waren, wurden sie untersucht, um deren Formqualitäten und optischen Qualitäten festzustellen und um deren Vorspannungsgrad und deren Bruchcharakteristiken zu untersuchen.

Es wurde gefunden, daß die Glasscheiben im wesentlichen frei von Deformationen waren. Die maximalen Abweichungen von der idealen Form betrugen 0,9 mm, gemessen an der Mitte der längeren Scheibenkanten, und 1,3 mm, gemessen an der Mitte der kürzeren Kanten. Die Scheiben hatten eine außerordentlich gute optische Qualität und waren für Kraftfahrzeugwindschutzscheiben gut geeignet.

Die Scheiben waren ebenfalls in sehr guter Weise für die Verwendung als Kraftfahrzeugwindschutzscheiben vorgespannt. Die Zugspannung im Mittelteil der Scheibendicke, und zwar gemessen durch ein Mikropolariscop, betrug 68,67 N/mm².

Die Scheiben wurden zerbrochen, um zu bestimmen, ob sie einen bestimmten Standardtest durchlaufen können. Der Test machte erforderlich, daß eine Scheibe dadurch gebrochen wird, daß ein spitzer Hammer gegen den Mittelabschnitt der Scheibe stößt, wobei dann der Bruch der Scheibe untersucht wird, wobei ferner ein kreisförmiger Bereich mit 150 mm Durchmesser ausgelassen wurde, der auf den Stoßpunkt zentriert ist, und wobei ein 2 cm breiter Rand der Scheibe außer Beachtung gelassen wurde. Die Scheibe erfüllte die Standardbedingungen, wenn wenigstens 40 Brüche per 25 cm² in den Zonen vorhanden waren, in denen die größten Brüche auftreten, und wenn nicht mehr als 350 Brüche per 25 cm² in den Zonen auftraten, in denen die kleinsten Brüche vorhanden waren. Die gekrümmten Glasscheiben, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgespannt wurden, erfüllten vollständig diesen Standard. Die Minimalanzahl von Brüchen pro 50×50-mm²-Zone im Bereich der größten Brüche der gebrochenen Scheibe betrug 67, und die maximale Anzahl von Brüchen pro 50×50-mm²-Zone im schmalsten Bruchbereich betrug 156.

Glasscheiben mit Dicken von 2,3 mm und 2,1 mm wurden ebenfalls gemäß dem vorstehenden Beispiel vorgespannt, jedoch betrug die Heizzeit im Ofen 160 und 130 Sekunden. Diese Scheiben hatten ähnlich hohe Qualitäten bezüglich der Form, der optischen Qualität und der Brucheigenschaften.

Beispiel 2

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage wurde verwendet, um thermisch flache Scheiben mit Abmessungen von 60×60 cm² und 2,65 mm Dicke vorzuspannen, ohne daß jedoch die Biegestation 2 der Anlage verwendet wurde. Die anderen Verfahrensbedingungen waren die gleichen wie im Beispiel 1. Nach dem Aufheizen der Scheiben im Ofen 5 wurden sie in das fluidisierte Bett 24 aus Teilchen aus trihydratisiertem Aluminiumoxid eingetaucht.

Es wurde gefunden, daß die vorgespannten Glasscheiben noch flach waren und sehr gute optische Eigenschaften hatten, und daß ihre Brucheigenschaften zufriedenstellend waren und den im vorstehenden beschriebenen Standardtest erfüllten. Auch diese Glasscheiben sind für Fahrzeugwindschutzscheiben geeignet.

Beispiel 3

Glasscheiben, die den im Beispiel 2 beschriebenen entsprechen, wurden vorgespannt, wobei die gleichen Verfahrensbedingungen verwendet wurden wie in diesem Beispiel, mit der Ausnahme, daß Wasser in das fluidisierte Bett eingeführt wurde, so daß dieses beim Eintauchen der verschiedenen Scheiben im Bett anwesend war, wobei die Scheiben im Ofen 5 auf verschiedene Temperaturen vorerhitzt wurden. Es wurde gefunden, daß, wenn ein Kühlungseffekt mit Wasser im fluidisierten Bett vorhanden ist, die Scheiben nicht im Ofen 5 auf eine so hohe Temperatur erhitzt werden müssen, um die gleichen Vorspannungsbedingungen zu erhalten, wie sie im Beispiel 2 erhalten wurden.

Beispiel 4

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage wurde verwendet, um Flußglas vorzuspannen, welches 3 mm dick war und eine Abmessung von 400×300 mm² hatte.

Die Scheibe wurde auf eine Temperatur von 680°C im Ofen 5 gebracht. Wenn die Scheibe diese Temperatur erreicht hatte, wurde sie direkt in das fluidisierte Bett 24 gebracht. Die Scheibenbiege- oder -verformungsstation 2 wurde nicht verwendet. Die Eintauchgeschwindigkeit der Scheibe in die fluidisierte Schicht betrug 20 cm/sec. Die Dauer des Eintauchens betrug 15 Sekunden. Die Feststoffteilchen bestanden aus trihydratisiertem Aluminiumoxid. Die Verteilung der Teilchengröße war die folgende:

Größe der Teilchen (µm)
Prozent an der Gesamtheit
40 bis 63
56
63 bis 100	32
100	12

Luft wurde als Nachlaufgas verwendet. Die Luft trat in das fluidisierte Bett durch eine poröse Wand 21 aus gesinterter Bronze 03 Poral ein, die 4 mm dick war. Die Größe der Poren der Wand waren geringer als 2 µm, und deren Permeabilität betrug 0,04×10^-11 cm².

Die berechnete nach oben gerichtete Geschwindigkeit der Luft in dem fluidisierten Bett betrug 0,8 cm/sec.

Wenn die Scheiben der Bruchuntersuchung unterzogen wurden, die im Beispiel 1 erläutert wurden, wurde gefunden, daß in der größten Bruchzone über 40 Brüche pro 25 cm² auftraten und in der kleinsten Bruchzone weniger als 350 Brüche pro 25 cm².

Ferner zeigte die Glasscheibe keine Spur von Verformungen oder Oberflächenbeschädigungen.

Beispiel 5

Verschiedene flache Glasscheiben mit einer Größe von 75×15 mm² wurden thermisch vorgespannt, wobei eine Anlage verwendet wurde, die der in Fig. 1 dargestellten entsprach, ohne jedoch eine Biegestation vorzusehen.

Der Ofen 5 war unmittelbar über dem Gefäß oder der Kammer 14 angeordnet, welche das fluidisierte Bett aus Feststoffteilchen enthielt. Dieses Bett bestand aus Hydrargillit mit einem Teilchengrößenbereich von 40 bis 150 µm. Die poröse Wand 21 bestand aus einer Platte aus gesinterter Bronze Poral 30, die 4 mm dick war. Die Permeabilität einer derartigen Platte liegt im Bereich 5×10^-11 m², und die Maximalgröße der Poren betrug 50 µm.

Die Temperatur der Glasproben zur Zeit ihrer Einführung in die fluidisierte Schicht betrug 685°C.

Proben mit einer Dicke von 2 mm wurden thermisch vorgespannt, wobei Luft als ein Fluidisierungsgas verwendet wurde.

Bei einer berechneten Aufwärtsgeschwindigkeit der Luft durch die fluidisierte Schicht von 1,7 cm/sec betrug die maximale Zugspannung in den inneren Schichten des Glases, gemessen mit einem Mikropolarisierungskop 56,9 N/mm². Für eine berechnete Luftgeschwindigkeit von 3,4 cm/sec betrug diese Zugspannung 59,8 N/mm².

Zu Vergleichszwecken wurden Proben der gleichen Größe in entsprechender Weise behandelt, wobei das Hydrargillit durch kalziniertes Aluminiumoxid ersetzt wurde, welches eine Teilchengröße im Bereich von 100 bis 200 µm hatte. Für eine Fluidisierungsluftgeschwindigkeit von 4,2 cm/sec betrug die gemessene Zugspannung in den Innenschichten des Glases lediglich 45,1 N/mm². Um ausreichende zentrale Zugspannungen zu erhalten, ist es demzufolge erforderlich, mit derart höheren Fluidisierungsgasgeschwindigkeiten zu arbeiten, bei denen die Glasscheiben im plastischen Zustand leicht deformiert werden können, und zwar infolge der größeren auftretenden Kräfte.

Bei einem weiteren Vergleichsversuch waren die Feststoffteilchen des fluidisierten Bettes Sandteilchen mit einer Größe von 100 bis 200 µm. Die berechnete Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases betrug 7,6 cm/sec, und dies führte zu einer inneren Zugspannung in den Glasscheiben von 39,2 N/mm². Unter diesen Betriebsbedingungen bestand eine erhebliche Gefahr einer Deformation der Scheiben.

Beispiel 6

Fluidisierte Betten aus Hydrargillit aus kalziniertem Aluminiumoxid und aus Sand wurden im Beispiel 5 verwendet, um thermisch Glasscheibenproben der gleichen Abmessungen zu tempern, die jedoch eine Dicke von 3 mm hatten.

Bei einer Verwendung von Hydrargillit wurde eine innere Zugspannung von 65,7 N/mm² für eine Aufwärtsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases von 1,6 cm/sec erreicht.

Eine Fluidisierungsgasgeschwindigkeit von 4,3 cm/sec zur Erhaltung einer inneren Zugspannung von 54,9 N/mm² wurde eingestellt, wenn kalziniertes Aluminiumoxid verwendet wurde. Um bei einer Verwendung von Sand eine Zugspannung von 52,9 N/mm² zu erreichen, betrug die erforderliche Fluidisierungsgasgeschwindigkeit 7,6 cm/sec.

Beispiel 7

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde verwendet, um Glas mit größeren Dicken als bisher verwendet vorzuspannen.

Fluidisierte Betten aus Hydrargillit, kalziniertem Aluminium und Sand wurden, wie in Beispiel 4, verwendet, um thermisch Glasproben vorzuspannen, die 6 mm dick waren und eine Abmessung von 75×15 mm² hatten.

Bei der Verwendung von Teilchen aus Hydrargillit wurde mit einer berechneten Aufwärtsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases von 2,4 cm/sec eine innere Zugspannung durch die Vorspannung erzielt, die 74,5 N/mm² betrug. Wenn kalziniertes Aluminiumoxid verwendet wurde, erhielt man eine innere Zugspannung von 68,6 N/mm² mit einer Gasgeschwindigkeit von 2,9 cm/sec. Wenn Sand verwendet wurde, wurde eine Zugspannung von 59,8 N/mm² erreicht, und zwar mit einer Fluidisierungsgasgeschwindigkeit von 4,3 cm/sec.

Dieses Beispiel zeigt, daß Unterschiede, die durch verschiedene Materialien als Partikel für das fluidisierte Bett erhalten werden, von geringerer Bedeutung sind als für Gläser von geringerer Dicke.

Beispiel 8

Flache Glasprobenscheiben mit Abmessungen von 75×15 mm² und 2 mm Dicke wurden in einer Anlage behandelt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch ohne Biegestation. Der Ofen war direkt über dem fluidisierten Bett angeordnet.

Das fluidisierte Bett aus Feststoffteilchen bestand aus Teilchen von Silicagel im Größenbereich von 100 bis 200 µm. Die Teilchen hatten ein Wassergehalt von etwa 19%. Die berechnete Fluidisierungsgasgeschwindigkeit (Luft) lag in der Größenordnung von 1,4 cm/sec. Die Probenstücke wurden, nachdem sie im Ofen auf eine Temperatur von etwa 680°C gebracht wurden, in das fluidisierte Bett für eine Zeitdauer von weniger als 10 Sekunden eingetaucht.

Die Zugspannung, die sich in den inneren Glasschichten der Proben ausgebildet hatte, betrug etwa 39,2 N/mm².

Beispiel 9

Flache Proben aus Glas mit Abmessungen von 75×15 mm² und 2 mm Dicke wurden thermisch vorgespannt, und zwar in einer Anlage, wie sie im Beispiel 5 verwendet wurde. Das fluidisierte Bett aus Feststoffteilchen wurde aus aktiviertem Aluminiumoxid mit Teilchengrößen von 50 bis 160 µm gebildet. Die poröse Wand 21 bestand aus einer Platte aus gesinterter Bronze Poral 30 mit einer Dicke von 4 mm (Porengröße: 50 µm).

Für eine berechnete Fluidisierungsluftgeschwindigkeit von 2,4 cm/sec betrug die innere Zugspannung im Glas 44,1 N/mm². Für eine berechnete Geschwindigkeit von 1,6 cm/sec betrug diese Spannung 42,1 N/mm².

Es wurden Untersuchungen mit dem gleichen fluidisierten Bett durchgeführt, wobei Proben von Glas mit 3 mm Dicke verwendet wurden, und dies führte zu den folgenden Ergebnissen. Für eine berechnete Fluidisierungsgasgeschwindigkeit von 2,2 cm/sec betrug die innere Zugspannung 54,9 N/mm². Für eine Geschwindigkeit von 1,4 cm/sec betrug die Spannung 52,9 N/mm².

Bei einem abgeänderten Verfahren wurde Helium als Fluidisierungsgas anstelle von Luft verwendet, um 2 mm dicke Glasscheiben zu behandeln. Innere Zugspannungen in der Größenordnung von 41,2 N/mm² konnten für eine berechnete Fluidisierungsgasgeschwindigkeit von 1,1 cm/sec erreicht werden.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens ist es möglich, dem fluidisierten Bett Schwingungen geringerer Amplitude zu erteilen, und zwar bei Frequenzen zwischen 50 und 8,000 Hz.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen von Glas, wobei das Glas in ein fluidisiertes Partikelbett unter thermischen Bedingungen derart eingeführt wird, daß Wärme vom Glas auf das fluidisierte Material übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidisierte Material besteht aus oder umfaßt Partikel eines festen oder überwiegend festen Materials, welches Hydroxylgruppen und/oder Konstitutionswasser enthält, und welches wenigstens einen Teil dieser Gruppen und/oder Konstitutionswasser endotherm dadurch verlieren kann, daß es auf eine Temperatur erwärmt wird, die niedriger als die Temperatur des Glases bei Eintritt in das Wirbelbett ist, wobei ein fester partikelförmiger Rückstand belassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich, durch welchen das Glas in diesem fluidisierten Bett gekühlt wird und die Kühlgeschwindigkeit derart gewählt wird, daß das Glas thermisch vorgespannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Glas in das Bett aus fluidisierten Partikeln eingeführt wird, von denen wenigstens einige ein anorganisches hydratisiertes Salz oder andere organische Verbindungen enthalten, die Hydroxylgruppen und/oder Wasser enthalten.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Glas in das Bett aus fluidisierten Partikeln eingeführt wird, von denen wenigstens einige aus trihydratisiertem Aluminiumoxid bestehen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas in diesem fluidisierten Bett gekühlt wird, das vollständig oder im wesentlichen vollständig aus Teilchen in der Größenordnung von 20 bis 250 µm besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Teilchen aus trihydratisiertem Aluminiumoxid mit einer Größenordnung zwischen 40 und 150 µm verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des verwendeten Fluidisierungsgases oberhalb des Wertes gehalten wird, der der Expansionsspitze der Betthöhe als Funktion der Gasgeschwindigkeit entspricht, jedoch nicht mehr als das 1,2fache dieses Wertes beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases bei wenigstens dem 1,03fachen Wert dieser Expansionsspitze gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidisierte Partikelbett Schwingungen geringer Amplitude ausgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidisierungsgas in das Wirbelbett durch eine poröse Wand eingeführt wird, deren Poren kleiner als 60 µm, vorzugsweise kleiner als 10 µm und insbesondere kleiner als 5 µm sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidisierungsgas in das fluidisierte Bett durch eine poröse Wand eingeführt wird, deren Permeabilitätskoeffizient die Größe von 6×10^-11 m² nicht überschreitet, wobei dieser Koeffizient vorzugsweise kleiner als 0,25×10^-11 m² und insbesondere kleiner als 0,05×10^-11 m² ist.

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf das thermische Vorspannen einer Glasscheibe von nicht mehr als 3 mm Dicke.