DE3824829A1 - Glasschmelzofen fuer hohe schmelz- und laeutertemperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Glasschmelzofen für hohe Schmelz- und Läutertemperaturen, mit einem runden oder polygonen Becken aus Feuerfestmaterial für die Glas­ schmelze, wobei das Becken einen Boden, eine umlaufende Seitenwandung und eine den Ofen nach oben hin abschließende Decke umfaßt, wobei konzentrisch in dem Becken im Abstand von der Seitenwandung ein der Beckenform entspre­ chendes rundes oder polygones äußeres Molybdän-Rohrstück größeren Durchmessers so angeordnet ist, daß an seinem unteren Ende ein Durchtritt der Glasschmelze möglich ist, wobei zentral im Becken ein einen Glasauslauf bildendes, durch den Boden nach außen verlaufendes inneres Molybdän- Rohr geringeren Durchmessers angeordnet ist und wobei Heizelektroden von oben und/oder von unten her in die im Becken befindliche Glasschmelze geführt sind.

Ein Glasschmelzofen der genannten Art dient insbesondere zur Erzeugung von Sondergläsern hoher Qualität. Insbeson­ dere werden in zunehmendem Maße solche Sondergläser ge­ braucht, deren Zusammensetzung so ist, daß hohe Schmelz- und noch höhere Läutertemperaturen erforderlich sind, um die geforderten Glasqualitäten zu erreichen. Das Problem dabei ist, daß herkömmliche Glasschmelzöfen, welche aus schmelzgegossenem Feuerfestmaterial aufgebaut sind, den chemischen Belastungen durch die Glasschmelze dieser Gläser nicht gewachsen sind. Hierdurch kommt es zu einem erheblichen Verschleiß des Feuerfestmaterials. Dieser Verschleiß hat zur Folge, daß Teile des Feuerfestmate­ rials in die Schmelze gelangen, wodurch diese inhomogen und das Glas damit unbrauchbar wird. Darüber hinaus ist die Lebensdauer eines solchen herkömmlichen Glasschmelz­ ofens in dieser Verwendung sehr gering.

Aus der EP 00 60 691 B1 ist ein Glasschmelzofen der eingangs genannten Art bekannt, der den Nachteil des hohen Verschleißes vermeidet. Hierbei handelt es sich um einen vollelektrischen Glasschmelzofen, welcher zum Schutz des Feuerfestmaterials eine Molybdän-Auskleidung aufweist und bei welchem die Elektroden von oben in das Glasbad eintauchen. Mit diesem Ofen können hohe Tempera­ turen erreicht werden, ohne daß das Feuerfestmaterial wesentlich angegriffen wird.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Glasschmelzofen, daß infolge der im wesentlichen zylindrischen vertikalen Bauweise eine labile Temperaturschichtung innerhalb der Glasschmelze entsteht. Die Schmelze ist in ihrem oberen Teil durch das aufgelegte Gemenge relativ kalt, in der Mitte ist sie vergleichsweise heiß und weiter unten im Entnahmebereich wieder kühler. Diese Temperaturschichtung führt zu erheblichen Dichteunterschieden, die ihrerseits zu starken Strömungen führen, die die gewünschten Tempe­ raturunterschiede immer wieder minimieren. Hierdurch ist es sehr schwierig, eine gute Läuterung und insbesondere einen stabilen Ofengang und ein flexibles Ofenverhalten herzustellen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Glasschmelzofen der eingangs genannten Art zu schaffen, der die angeführ­ ten Nachteile vermeidet und der insbesondere einen stabi­ len Ofengang aufweist und der in Schmelzleistung sowie Schmelz- und Läutertemperatur variabel ist.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch einen Glasschmelzofen der eingangs genannten Art, welcher dadurch gekennzeichnet ist,

• - daß der Durchmesser des äußeren Molybdän-Rohr­ stückes zwischen 1/3 und 2/3 des Durchmessers des Beckens beträgt,
• - daß der Oberrand des äußeren Molybdän-Rohrstückes ober­ halb des Glasschmelzspiegels im Becken liegt,
• - daß in der Seitenwandung oder Decke des Beckens wenig­ stens eine dem im wesentlichen als Schmelzteil dienen­ den Beckenbereich zwischen dem äußeren Molybdän-Rohr­ stück und der Seitenwandung aufzuschmelzendes Gemenge zuführende Gemengeaufgabeöffnung vorgesehen ist und
• - daß das obere Ende des inneren Molybdän-Rohres im lau­ fenden Betrieb des Ofens im oberen Viertel der Glas­ schmelze liegt, die sich innerhalb des von dem äußeren Molybdän-Rohrstück umgrenzten, im wesentlichen als Läuterteil dienenden Beckenbereich befindet.

Mit dem Glasschmelzofen gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine besonders vorteilhafte und für den Schmelz- und Läutervorgang günstige Temperaturverteilung und Glas­ schmelzeströmung innerhalb des Ofens erreicht. Im außen­ liegenden Schmelzteil des Ofens besitzt die Glasschmelze unterhalb des aufgegebenen Gemenges zunächst eine mittle­ re Temperatur. Nach unten hin nimmt die Temperatur im Schmelzteil ab. Das aus dem Gemenge erschmolzene Glas sinkt demzufolge im Schmelzteil langsam nach unten und tritt von dort in den unteren Teil des Läuterteils ein. Dort wird die Glasschmelze weiter aufgeheizt und erreicht in dessen oberem Teil sowie im Bereich der Elektroden seine maximale Temperatur. Unkontrollierte Strömungen, z.B. Turbulenzen, können so in der Glasschmelze prak­ tisch nicht auftreten. Die Strömung der Glasschmelze stellt annähernd eine ideale Kolbenströmung dar, deren Strömungsgeschwindigkeit im wesentlichen durch den hydro­ statischen Druck der Glasschmelze bestimmt wird. Obwohl bei dem neuen Glasschmelzofen große Temperaturdifferenzen zwischen dem Schmelzteil und dem Läuterteil bestehen kön­ nen, wird ein sehr günstiges Verhältnis von minimaler Verweilzeit des eingesetzten Gutes zur durchschnittlichen Verweilzeit erreicht. Damit sind mit dem neuen Glas­ schmelzofen sehr hohe, gleichbleibende Glasqualitäten erzeugbar.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Glasschmelzofens gemäß Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel des Glasschmelzofens wird im folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Glasschmelzofen im Vertikalschnitt und

Fig. 2 den Glasschmelzofen aus Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie II-II.

Wie Fig. 1 der Zeichnung zeigt, besteht das dargestellte Ausführungsbeispiel des Glasschmelzofens 1 im wesentli­ chen aus einem Becken 2 mit runder oder polygoner Um­ fangsform. Das Becken 2 ist gebildet aus einem Boden 20, einer umlaufenden Seitenwandung 21 und einer das Becken 2 bzw. den Ofen 1 nach oben hin abschließenden Decke 22. Konzentrisch zur Seitenwandung 21 ist in das Innere des Beckens 2 ein äußeres Molybdän-Rohrstück 3 gesetzt, des­ sen Durchmesser d etwa 1/3 bis 2/3 des Innendurchmessers D des Beckens 2 beträgt. Mit seinem Unterende 30 ist das Molybdän-Rohrstück 3 in den Boden 20 des Beckens 2 einge­ setzt. Der Boden 20 besteht, ebenso wie die Seitenwandung 21 und die Decke 22 aus schmelzgegossenem Feuerfestmate­ rial. Knapp oberhalb des Bodens 20 sind in dem Molybdän- Rohrstück 3 mehrere Öffnungen 31 vorhanden, die als Durchtritt für in dem Becken 2 befindliche Glasschmelze 12 dienen.

Im Zentrum des Beckens 2 ist ein inneres Molybdän-Rohr 4 angeordnet, dessen oberes Ende 42 etwas unterhalb des Oberrandes 32 des äußeren Molybdän-Rohrstückes 3 liegt. Nach unten hin verläuft das innere Molybdän-Rohrstück 4 durch den Boden 20 des Beckens 2 hindurch zur Unterseite des Ofens 1. Das untere Ende 40 des inneren Molybdän- Rohres 4 mündet in eine Platindüse 43, die gemeinsam mit dem unteren Teil des Molybdän-Rohres 40 mittels einer diese umfassenden Kühlvorrichtung 44 kühlbar ist.

Die das Becken 2 nach oben hin abdeckende Decke 22 be­ sitzt in ihrem Zentrum einen nach unten hin vorragenden zentralen Deckenteil 23, der mit seiner Unterseite auf dem Oberrand 32 des äußeren Molybdän-Rohrstückes 3 im wesentlichen gasdicht aufliegt. Zur Vermeidung einer Verdampfung des Molybdäns im Bereich des Oberrandes 32 des äußeren Molybdän-Rohrstückes 3 ist dessen Oberrand 32 als Kühlfluidleitung 33 ausgebildet.

Weiterhin verlaufen zwei Heizelektroden 5 durch den zen­ tralen Deckenteil 23 von der Außenseite des Glasschmelz­ ofens 1 in das Innere des Beckens 2, genauer in den von dem äußeren Molybdän-Rohrstück 3 umgrenzten Beckenbe­ reich. Bedarfsweise können weitere Hilfs-Heizelektroden 50 durch den radial äußeren Teil der Decke 22 in den radial äußeren Teil des Beckens 2 zwischen dem äußeren Molybdän-Rohrstück 3 und der Seitenwandung 21 geführt sein.

Im oberen Teil der Seitenwandung 21 ist im rechten oberen Teil der Fig. 1 eine Gemengeaufgabeöffnung 25 erkennbar, durch welche aufzuschmelzendes Gemenge 13 dem äußeren Teil des Beckeninneren zugeführt werden kann. Schließlich verläuft durch die Decke 22 noch ein Gasabzug 24, der dazu dient, beim Aufschmelzen des Gemenges 13 entstehende Abgase abzuziehen und diese gegebenenfalls einer Gasrei­ nigungseinrichtung zuzuführen.

Der Glasschmelzofen 1 ist in der Fig. 1 in einem Zustand dargestellt, den er in seinem laufenden Betrieb einnimmt. Dies bedeutet, daß er bis knapp unterhalb des Oberrandes 32 des äußeren Molybdän-Rohrstückes 3 mit Glasschmelze 12 gefüllt ist. Das Oberende 42 des inneren Molybdän-Rohres 4 liegt dabei knapp unterhalb des Glasschmelzespiegels 12′. Die Heizelektroden 5 befinden sind etwa in der obe­ ren Hälfte der Glasschmelze 12.

Wie aus der Fig. 1 weiter ersichtlich ist, gelangt das aufzuschmelzende Gemenge 13 nach seiner Aufgabe lediglich in den äußeren Teil des Beckeninneren, der von dem äuße­ ren Molybdän-Rohrstück 3 und der Seitenwandung 21 be­ grenzt ist. Dieser Teil des Glasschmelzofens 1 fungiert daher als Schmelzteil 10. Die für das Aufschmelzen des Gemenges 13 erforderliche Wärmeenergie gelangt im Normal­ fall durch das äußere Molybdän-Rohrstück 3 in die unter­ halb des Gemenges 13 befindliche Schmelze 12, auf welcher das Gemenge 13 schwimmt. Bedarfsweise kann zusätzliche Wärmeenergie durch die bereits erwähnten Hilfs-Heizelek­ troden 50 zugeführt werden. Innerhalb des Schmelzteils 10 sinkt die erschmolzene Glasschmelze 12 langsam in Form einer Kolbenströmung nach unten, wobei sie sich gering­ fügig abkühlt. Von dort strömt die Glasschmelze durch die Öffnungen 31 im unteren Teil des äußeren Molybdän-Rohr­ stückes 3 in den zentralen Teil des Beckens 2, der hier als Läuterteil 11 des Glasschmelzofens 1 fungiert. In diesem Läuterteil 11 wird die Glasschmelze 12 stark auf­ geheizt und steigt - wieder im wesentlichen in Form einer Kolbenströmung - nach oben. Im mittleren oberen Bereich des Läuterteils 11 wird die geläuterte Glasschmelze 12 in das innere Molybdän-Rohr 4 geführt, durch welches sie aus dem Glasschmelzofen 1 entnommen wird. Mittels der Kühl­ vorrichtung 44 kann die Temperatur des ausfließenden Gla­ ses in gewissen Grenzen vorgeregelt werden und es kann der Glasausfluß durch stärkeres Abkühlen ganz unterbro­ chen werden.

Der beschriebene konzentrische Aufbau des Glasschmelzofens 1 bietet weiter den Vorteil, daß das Volumen bzw. die Oberfläche des Schmelzteils 10 wesentlich größer ist als das Volumen bzw. die Oberfläche des zentralen Läuterteils 11. Damit können relativ große Mengen an Gemenge 13 mit relativ niedrigen Temperaturen aufgeschmolzen werden, ohne daß das die Seitenwandung 21 bildende Feuerfestmate­ rial nennenswert angegriffen wird. Dort, wo die Glas­ schmelze ihre maximalen Temperaturen erreicht, kommt sie nicht mehr mit dem Feuerfestmaterial, sondern nur noch mit den Teilen des Ofens 1, die aus Molybdän bestehen, in Berührung. Damit werden für den beschriebenen Glas­ schmelzofen 1 eine hohe Standzeit und ein vergleichsweise niedriger Energieverbrauch erreicht. Weiterhin wird bei dem beschriebenen Glasschmelzofen 1 erreicht, daß die Verdampfung von Teilen der Glasschmelze bei deren hohen Temperaturen im Läuterteil 11 begrenzt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß sich in dem sehr kleinen Volumen oberhalb des Glasspiegels 12′ und unterhalb des vorragen­ den zentralen Deckenteils 23 sehr schnell ein hoher Dampfdruck für verdampfende Bestandteile der Glasschmelze einstellt, der eine weitere Verdampfung aus der Schmelze verhindert. Dies ist insbesondere bei Borosilikatgläsern ein wesentlicher Gesichtspunkt, da es hier üblicherweise zu einer starken Borverdampfung kommt. Die Decke 22 ober­ halb des Beckens 2 wird vorzugsweise als Hängedecke aus­ geführt und kann erforderlichenfalls mit Mitteln zur Durchleitung eines Kühlfluids ausgestattet sein.

Aus dem in Fig. 2 dargestellten Horizontalschnitt durch den Glasschmelzofen wird insbesondere die konzentrische Anordnung der einzelnen Ofenteile sichtbar. Nach außen hin wird der Ofen begrenzt durch die Seitenwandung 21 des Beckens 2. Hieran schließt sich nach innen der im Betrieb des Ofens mit Glasschmelze 12 gefüllte Schmelzteil 10 an. Dieser ist seinerseits nach innen begrenzt durch das äußere Molybdän-Rohrstück 3, das koaxial zur Seitenwan­ dung 21 angeordnet ist und die Form eines Hohlzylinders besitzt. Das äußere Molybdän-Rohrstück 3 umschließt den Läuterteil 11, in welchem die Heiz-Elektroden 5 in einer regelmäßigen Anordnung, im dargestellten Ausführungsbei­ spiel in Form eines Sechsecks, angeordnet sind. Auch dieser Teil des Beckens 2 ist im laufenden Betrieb des Glasschmelzofens mit Glasschmelze 12 erfüllt. Zentral im Becken 2 ist schließlich noch das innere Molybdän-Rohr 4 erkennbar, das den Glasauslauf bildet.

Bedarfsweise kann über die gestrichelt im Schmelzteil 10 angedeuteten Hilfs-Heizelektroden 50 noch zusätzliche Wärmeenergie in den Schmelzteil 10 eingebracht werden. Die gestrichelt dargestellten, tangential von außen in das Innere des Beckens 2 verlaufenden Pfeile 13′ zeigen eine bevorzugte Zuführrichtung für die Aufgabe des auf­ zuschmelzenden Gemenges an. Die Hilfs-Heizelektroden 50 sind dabei in Bewegungsrichtung des Gemenges gesehen kurz vor dem Eintrittspunkt des Gemenges in das Becken 2 posi­ tioniert. Die Zahl, Größe und Form der Elektroden 5 und 50 richtet sich selbstverständlich nach der Größe und Kapazität des Glasschmelzofens. Die Elektroden bestehen bevorzugt aus Molybdän und können sowohl als Stäbe als auch als Platten ausgebildet sein. Die Speisung der Elek­ troden 5 einerseits und der Elektroden 50 andererseits mit elektrischem Strom erfolgt zweckmäßig aus eigenen Transformatoren. Dabei kann die Speisung der Elektroden entweder mit Einphasen-Wechselstrom oder auch mit Dreh­ strom erfolgen. Die Schaltung der Elektroden kann in bekannter Weise entweder im Dreieck oder offen erfolgen. Beim Anfahren des Glasschmelzofens kann zunächst die erforderliche Wärmeenergie auch durch Elektro-Heizstäbe und/oder durch Gas- oder Ölbrenner zugeführt werden.

Claims (8)

1. Glasschmelzofen für hohe Schmelz- und Läutertempera­ turen, mit einem runden oder polygonen Becken aus Feuerfestmaterial für die Glasschmelze, wobei das Becken einen Boden, eine umlaufende Seitenwandung und eine den Ofen nach oben hin abschließende Decke um­ faßt, wobei konzentrisch in dem Becken im Abstand von der Seitenwandung ein der Beckenform entsprechendes rundes oder polygones äußeres Molybdän-Rohrstück größeren Durchmessers so angeordnet ist, daß an seinem unteren Ende ein Durchtritt der Glasschmelze möglich ist, wobei zentral im Becken ein einen Glasauslauf bildendes, durch den Boden nach außen verlaufendes inneres Molybdän-Rohr geringeren Durchmessers angeord­ net ist und wobei Heizelektroden von oben und/oder von unten her in die im Becken befindliche Glasschmelze geführt sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Durchmesser (d) des äußeren Molybdän-Rohr­ stückes (3) zwischen 1/3 und 2/3 des Durchmessers (D) des Beckens (2) beträgt,
• - daß der Oberrand (32) des äußeren Molybdän-Rohr­ stückes (3) oberhalb des Glasschmelzspiegels (12′) im Becken (2) liegt,
• - daß in der Seitenwandung (21) oder Decke (22) des Beckens (2) wenigstens eine dem im wesentlichen als Schmelzteil (10) dienenden Beckenbereich zwischen dem äußeren Molybdän-Rohrstück (3) und der Seiten­ wandung (21) aufzuschmelzendes Gemenge (13) zufüh­ rende Gemengeaufgabeöffnung (25) vorgesehen ist und
• - daß das obere Ende (42) des inneren Molybdän-Rohres (4) im laufenden Betrieb des Ofens (1) im oberen Viertel der Glasschmelze (12) liegt, die sich inner­ halb des von dem äußeren Molybdän-Rohrstück (3) umgrenzten, im wesentlichen als Läuterteil (11) dienenden Beckenbereich befindet.

2. Glasschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizelektroden (5) aus Molybdän bestehen und im laufenden Betrieb des Ofens (1) hängend in der oberen Hälfte des Läuterteils (10) zwischen dem äuße­ ren Molybdän-Rohrstück (3) und dem inneren Molybdän- Rohr (4) angeordnet sind und daß die Heizelektroden (5) insbesondere zum Anfahren des Ofens (1) nach oben aus dem Becken (2) herausfahrbar und durch Elektro­ heizstäbe und/oder Gas- oder Ölbrenner ersetzbar sind.

3. Glasschmelzofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentraler Teil (23) der Decke (22) nach unten vorragt und am Oberrand (32) des äußeren Molybdän-Rohrstückes (3) im wesentlichen gas­ dicht anliegt.

4. Glasschmelzofen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberrand (32) des äußeren Molybdän-Rohrstückes (3) als Kühlfluidleitung (33) ausgebildet ist.

5. Glasschmelzofen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Molybdän-Rohrstück (3) mit seinem Unterende (30) in den Boden (20) des Beckens (2) eingelassen ist und daß knapp oberhalb des Bodens (20) in dem äußeren Molybdän-Rohrstück (3) Öffnungen (31) für einen Durchtritt der Glasschmelze (12) aus dem Schmelzteil (10) in den Läuterteil (11) vorhanden sind.

6. Glasschmelzofen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Molybdän-Rohr (4) außerhalb des Beckens (2) in eine mit Kühleinrich­ tungen (44) versehene Platindüse (43) mündet.

7. Glasschmelzofen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schmelzteil (10) zwischen der Seitenwandung (21) und dem äußeren Molybdän-Rohr­ stück (3) Hilfs-Heizelektroden (50) einführbar sind, die von den anderen Heizelektroden (5) im Läuterteil (11) elektrisch getrennt mit Strom speisbar sind.

8. Glasschmelzofen nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekenn­ zeichnet durch wenigstens einen randseitig in der Decke (22) oberhalb des Schmelzteils (10) angeordneten Gasabzug (24) für beim Schmelzen des Gemenges (13) freiwerdende Abgase.