DE69910067T2

DE69910067T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von glaskugeln

Info

Publication number: DE69910067T2
Application number: DE69910067T
Authority: DE
Inventors: Raymond Spennymoor Jackson; Reinhard H. Witt; Rudolf K. Braun; John W. Lau
Original assignee: PQ Holding Inc
Current assignee: PQ Holding Inc
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1999-10-06
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: CA2344245A1; JP2002526372A; DE69910067D1; TW491816B; EP1135343A1; ATE246153T1; EP1135343B1; AU6509299A; WO2000020345A1

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Glaskugeln und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen derartiger Kugeln mit einer relativ hohen Fraktion von runden Kugeln.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt eine Vielzahl von industriellen und kommerziellen Verwendungen für Glaskugeln. Solche Kugeln wurden beispielsweise anfänglich zur Verbesserung der Reflektivität einer Oberfläche, wie durch die Verwendung auf Autobahnschildern, in Farbe zum Auftragen auf Fahrbahnen, auf Kinoleinwänden und Werbeschildern verwendet. Glaskugeln wurden ferner als Füllstoffe für thermoplastische und duroplastische Harze verwendet. Weitere Verwendungen umfassen die Verwendung von Glaskugeln als Kugelstrahlmedium und zum Strahlhämmern von verschiedenen Metallen. Zusätzlich können Glaskugeln auch für reflektierende Kleidung verwendet werden. Ferner können Glaskugeln mit Metallen beschichtet und als leitendes Medium benutzt werden.
Für viele dieser Anwendungen sind bestimmte Eigenschaften der Kugeln wichtig. Zum Beispiel ist es bei manchen Anwendungen notwendig, sehr kleine Kugeln zu haben, die kleiner als 600 Mikrometer im Durchmesser sind. Bei anderen Anwendungen ist es wichtig, dass ein hoher Prozentsatz der Kugeln innerhalb einer Kugelverteilung rund ist. Es ist z. B. bei reflektierenden Anwendungen wie bei Autobahnschildern, in Farben oder auf Bekleidung notwendig, dass die Glaskugeln zur Erzielung einer maximalen Reflektivität rund sind, dies wird im Bereich der Straßenmarkierungsindustrie auch als Retroreflektivität bezeichnet. Auch beim Kugelstrahlen und Strahlhämmeranwendungen gewährleisten runde Kugeln eine einheitliche Reinigungskraft und Oberflächenhärteeffekt. Andere Eigenschaften wie die Stärke, der Ausdehnungskoeffizient, der Refraktionsindex, der elektrische Widerstand, die magnetische Suszeptibilität und Farbe der Kugeln sind bei vielen Anwendungen ebenfalls wichtig. Diese Eigenschaften werden in bedeutender Weise durch die Art, in welcher die Kugeln hergestellt werden, beeinflusst.
Für die Ausbildung von Glaskugeln sind verschiedene Methoden zum Einsatz gekommen. Es wurden Glaskugeln durch das Einbringen von Glasteilchen in eine Flamme in einer Kaminröhre oder einem Stapel hergestellt, wie dies im US-Patent 2,334,578 von R. H. Potters veröffentlicht ist. Ein weiteres Verfahren zum Herstellen von Glaskugeln sieht die Verwendung eines Schlagrades vor, auf welches ein geschmolzener Glasstrom aufprallt und mit einer hinreichenden Kraft beaufschlagt wird, welches die Teilchen dazu bringt, kurz nach dem Aufprall aufzubrechen und durch eine beheizten Bereich und letztlich zu einer Kühlregion und Sammelzone geschleudert zu werden. Ein solches System ist in dem US-Patent Nr. 3,495,961 gezeigt und offenbart. Ein weiteres Verfahren ist in dem US-Patent Nr. 3,499,745 offenbart, in dem ein zu dem in dem 961-Patent offenbarten Prozess ähnlicher Prozess offenbart ist, bei dem ein Rotor anstelle eines Schlagrades verwendet wird. Andere bekannte Verfahren zur Herstellung von Glaskugeln umfassen das Aufblasen eines brennenden Gasstromes quer durch einen geschmolzenen Glasstrom, um das Glas in einzelne Teilchen zu zerteilen. Derartige Verfahren sind in dem US-Patent Nr. 3,279,905 und im deutschen Patent N.285,971 offenbart.
Bei all diesen Prozessen war es schwer, ein System zu entwerfen, welches Glaskugeln mit einem maximalen Rundheitsprozentsatz bildet. Tatsächlich offenbart keiner dieser Prozesse klar, wie eine optimierte Rundheit (d. h. die Prozentzahl von runden Kugeln in einer Verteilung) erhalten wird. Wie dies bereits oben behandelt wurde, verbessert das Optimieren der Rundheit die Leistung der Kugeln in ihrer Anwendung.
Genauer gesagt, bricht der Strom, nachdem eine Kraft entweder durch das Schlagrad, den Rotor oder das Blasgas aufgebracht wurde, in Filamente auf. Der Begriff "Filamente", wie er hier verwendet wird, bedeutet eine einzelne langgestreckte Menge geschmolzenen Glases jeder Form, typischerweise aber in Form einer Faser, eines Stranges oder eines Sphäroid, unmittelbar nach dem Aufbrechen. Beim Hindurchtreten dieser Filamente durch den beheizten Bereich dieses speziellen Prozesses bilden sie Kugeln. Wenn die Filamente nicht lang genug und/oder bei einer ausreichend hohen Temperatur in dem beheizten Bereich verbleiben, hat jedoch ein hoher Prozentsatz der Filamente nicht die Zeit, runde Kugeln zu bilden. Verbleiben die Filamente auf der anderen Seite für eine zu lange Periode oder bei einer zu hohen Temperatur in der beheizten Zone, neigen die runden Kugeln dazu, aneinander anzuhaften, und Satellitenstrukturen wie Zwillinge oder Drillinge zu bilden, welche im höchsten Maße unerwünscht sind.
Zusammenfassend war es schwer entweder durch die Modifizierung bestimmter Parameter bei existierenden Anlagen oder durch das Entwickeln einer neuen Anlage ein System zu entwickeln, welches Glaskugeln bildet, welche einen hohen Rundheitsprozentsatr haben. Zusätzlich war es besonders mühsam, sehr kleine Glaskugeln mit einem hohen Rundheitsprozentsatr zu bilden, und der Effekt der Glaskugelgröße auf die Rundheitsverteilung wird noch nicht vollständig verstanden.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf die Nachteile des zuvor diskutierten Standes der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Glaskugeln mit einem hohen Rundheitsprozentsatz bereit. Nach der vorliegenden Erfindung werden Glasrohmaterialien eingeschmolzen und ein geschmolzener Glasstrom zur Verfügung gestellt. Auf den Strom wird eine Kraft ausgeübt, die ausreichend ist, den Strom in Filamente aufzubrechen und sie durch einen beheizten Bereich in einen Kühlbereich hindurchzuführen. In dem Kühlbereich, welcher die Atmosphäre sein kann, werden die Kugeln unmittelbar nachdem die Kugeln den beheizten Bereich verlassen, abgekühlt, um die Kugeln zu verfestigen. Zumindest einer von mehreren Parametern wird so eingestellt, dass die Filamente beim Austritt aus dem beheizten Bereich einen Austrittszustand erreichen, welcher nahe am Relaxationspunkt liegt, bei welchem ein maximaler Prozentsatz der Filamente runde Kugeln bildet. Diese Parameter umfassen die Wärmemenge, welche auf das geschmolzene Glas und in dem beheizten Bereich aufgebracht wird, die Länge des beheizten Bereichs, die Kraft, die auf den Strom ausgeübt wird und die Zusammensetzung des geschmolzenen Glases. Der Relaxationspunkt wird erreicht, wenn eine Relaxationszeit ab der Zeit, bei der der Strom aufgebrochen wird, verstrichen ist und wird durch die Gleichung τ = (d × μ)/σ ermittelt, wobei ? die Relaxationszeit ist; d der Durchmesser der gebildeten runden Kugeln ist, μ die Viskosität des Filaments während der Relaxationszeit ist und σ die Obeiflächenspannung des Filaments während der Relaxationszeit ist.
Entsprechend eines bevorzugten Systems zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden Glasrohmaterialien in einem Ofen aufgeheizt, um ein Bad aus geschmolzenem Glas zu bilden. Der Ofen besitzt eine Öffnung, welche einen geschmolzenen Glasstrom bereitstellt, welcher aus dem geschmolzenen Glasbad ausfließt. Eine Vorrichtung, wie ein Schlagrad, ein Rotor oder ein Gasgebläse wird zur Aufbringung der Kraft, welche ausreicht, um den Strom in Filamente aufbrechen und durch den beheizten Bereich in den Kühlbereich hindurchtreten zu lassen, auf den Strom aufgebracht. Die Kühlregion dient dazu, die Kugeln unmittelbar nachdem die Kugeln aus dem beheizten Bereich ausgetreten sind, zu kühlen. Ein Sammelbehälter dient dem Sammeln der verfestigten Kugeln. Die Werte der oben angegebenen Parameter werden entsprechend der Gleichung der Relaxationszeit, die oben angegeben ist, ausgewählt.
Nach einem Aspekt der Erfindung, welche insbesondere für ein System geeignet ist, welches bereits gebaut ist, werden alle Parameter bis auf die auf den Strom ausgeübte Kraft zunächst ermittelt. Die Länge des beheizten Bereichs ist festgelegt und die Wärme, welche auf den Ofen und die beheizte Region aufgebracht wird, ist auf einen bestimmten Wert gesetzt. Nach dem Aufheizen des geschmolzenen Glases und Bereitstellen eines Stromes hiervon wird die Kraft berechnet, die als Kraft notwendig ist, die Filamente dazu zu bringen, den beheizten Bereich in einem Austrittszustand nahe dem Relaxationspunkt zu verlassen. Eine Durchschnittstemperatur der Filamente während des Durchtritts durch den beheizten Bereich wird ermittelt und nachfolgend die Durchschnittsviskosität und Oberflächentemperaturwerte basierend auf der durchschnittlichen Temperatur ermittelt. Der Wert der Kraft wird wie zuvor angegeben ausgesucht und die Kugeln gekühlt und gesammelt.
Entsprechend des Systems zur Ausführung dieses Verfahrens erhitzt ein Ofen Glasrohmaterialien, um ein Bad aus geschmolzenem Glas mit einer vorbestimmten Zusammensetrung zu bilden, und mit einer Öffnung, welche ein Strom von geschmolzenem Glas zur Verfügung stellt, welches aus dem geschmolzenen Glasbad ausfließt. Das System umfasst zudem eine Vorrichtung zur Aufbringung eines Kraft auf den Strom, welcher ausreicht, den Strom aufzubrechen und Filamente zu bilden, welche durch einen beheizten Bereich hindurchtritt und in einen Kühlbereich zum Kühlen der Kugeln unmittelbar, nachdem sie den beheizten Bereich verlassen haben, hindurchtreten, wobei der Wert der Kraft nach der Relaxationszeitgleichung, welche oben angegeben ist unter Verwendung von durchschnittlichen Oberflächenspannungs- und -viskositätswerten ausgesucht wird. Das System umfasst zudem einen Kühlbereich und einen Sammelbereich.
Es sollte verstanden werden, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung beispielhaft, aber nicht beschränkend, für die Erfindung sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird am besten mit der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn diese in Zusammenhang mit den angehängten Zeichnungen gelesen wird, wobei:
1 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
3 ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung von Glaskugeln gerichtet. Die vorliegende Erfindung ist genauer gesagt zudem auf ein Verfahren zum Entwickeln eines Systems zum Herstellen von Glaskugeln gerichtet, sowohl durch das Entwickeln eines neuen Systems oder Modifizieren bestimmter Parameter in existierenden Systemen. Diese Entwicklungsmethode kann in Verbindung mit jedem der Verfahren nach dem Stand der Technik, die oben diskutiert wurden, eingebaut werden und optimiert die Fraktion der gebildeten runden Kugeln in einer Rundheitsverteilung. Die Ausführungsformen, welche in den 1 bis 3 gezeigt sind, sind besonders gut für das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung geeignet.
Die Begriffe "Glas", "Glasrohmaterialien" und "geschmolzenes Glas", wie sie hier verwendet werden, sollen die Bedeutung haben, die ihrer allgemein üblichen Bedeutung entsprechen. Insbesondere ist Glas ein anorganisches Schmelzprodukt, welches unter einer festen Bedingung ohne Kristallisation gekühlt wurde. Wie gut bekannt ist, umfassen Glas bildende Oxide SiO₂, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅ und AS₂O₃. Glaswandler, welche selbst kein Glas bilden, dies jedoch tun, wenn sie mit einer geeigneten Menge eines zweiten Oxides oder Mischung von Oxiden verschmolzen werden, können ebenfalls zur Glasherstellung verwendet werden. Glaswandler umfassen TeO₂, SeO₂, MO₃, WO₃, Bi₂O₃, Al₂O₃, Ga₂O₃ und V₂O₅. Glas kann zudem unter Verwendung bestimmter Modifiziererionen wie Alkalimetalloxiden oder Erdalkalimetalloxiden gebildet werden. Zusätzlich können der Prozess und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Gläsern verwendet werden, welche mit bestimmten anderen Metallen oder Bestandteilen wie Silberoxid oder Übergangsmetalloxiden dotiert sind, um andere oder verbesserte Eigenschaften des Glases wie Reflexionseigenschaften oder Fluoreszenz hinzuzufügen. Glasrohmaterialien sind jegliche der Materialien, welche unter Aufheizen und Schmelzen die Bestandteile des oben genannten Glases bilden. Die Glasrohmaterialien, welche am üblichsten sind, sind Sand, Soda und Kalk. Geschmolzenes Glas ist einfach gesagt die Erscheinungsform des Glases, in welchem das Glas aufgrund seiner Viskosität bearbeitet werden kann, d. h. Filamente und anschließend Kugeln zu bilden. Geschmolzenes Glas ist zunächst dafür gedacht, Glas, welches sich innerhalb eines Viskositätsbereichs befindet, welcher für die Zerstäubung geeignet ist, z. B. zwischen 1 und 1000 poise und typischerweise zwischen 10 und 100 poise abzudecken.
In Bezug auf die Zeichnung ist 1 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform, welche mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt. Diese Ausführungsform entspricht einer Ausführungsform, des zuvor beschriebenen US-Patent Nr. 3,495,961. Wie in 1 gezeigt ist, wird ein Ofen 10 verwendet, welcher Glasrohmaterialien aufnimmt und mit einer ersten Wärmemenge aufheizt, um in konventioneller Weise ein Bad aus geschmolzenem Glas auszubilden. Typischerweise reicht die erste Wärmemenge, welche in dem Ofen eingebracht ist, aus, die Temperatur im Ofen auf 1300 bis 1600°C anzuheben. Der Ofen besitzt eine Öffnung 19, um einen Strom 11 aus geschmolzenem Glas zur Verfügung zu stellen, welcher aus dem geschmolzenen Glasbad ausfließt. Der Strom fließt in einen laminaren, kontinuierlichen Strom und ist auf ein Schlagrad 12, welches von einem Motor 13 angetrieben wird, gerichtet. Das Schlagrad 12 ist eine drehbare Scheibe mit vielen Lamellen. Die Öffnung 19 ist einstellbar, sodass der Strom 11 von geschmolzenem Glas verschiedene Stromdurchmesser haben kann. Zusätzlich legt der Strom 11 von geschmolzenem Glas einen Ausflussweg d₁ von der Öffnung 19 zum Schlagrad 12 zurück. Bei einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung umfasst der Ofen 10 etliche Öffnungen, von denen jede einen Strom von geschmolzenem Glas zur Verfügung stellt, welcher auf ein Schlagrad fließt, oder besitzt ein Schlagrad, welches individuell mit jedem Strom verbunden ist. (Tatsächlich werden drei unterschiedliche Ströme in 1 gezeigt, die von einem Schlagrad 12 weggeschleudert werden, um diese Ausführungsform zu zeigen.)
Das geschmolzene Glas, welches auf den Umfang des als im Uhrzeigersinn drehend gezeichneten Schlagrades 12 auftrifft, wird durch die Kraft des Schlagrades abgelenkt. Die Kraft, die durch das Schlagrad 12 auf den Strom 11 von geschmolzenem Glas aufgebracht wird, ist ausreichend, um den Strom nach dem Zurücklegen einer Entfernung d₃ in Filamente 14a aufzubrechen und durch einen beheizten Bereich 15, welcher durch ein Heizvorrichtungsgehäuse 15a gebildet ist, hindurchzuführen. Es ist bekannt, dass es keinen einzelnen Punkt gibt, bei dem der Strom aufbricht und sofort eine Anzahl von Filamenten bildet, welche mit der Anzahl der nachfolgend gebildeten Kugeln korrespondiert, vielmehr erfährt der Strom ein erstes Aufbrechen in Primäfilamente, welche nacheinander in Sekundäfilamente aufbrechen, welche wiederum möglicherweise in Tertiärfilamente aufbrechen. Dieser Prozess setzt sich bis zu einem variierenden Ausmaß, abhängig von den jeweiligen Bedingungen des Systems und der Zusammensetzung, der Viskosität und der Oberflächenspannung des geschmolzenen Glases fort. An einem Punkt (typischerweise innerhalb ungefähr 20% der Durchtrittszeit der Filamente durch einen beheizten Bereich) sind im Wesentlichen alle der Filamente getrennt, sodass die Anzahl der Filamente im Wesentlichen mit der Anzahl der Kugeln, die anschließend gebildet werden, korrespondiert. Dieser Punkt wird hier als "vollständiger Trennungspunkt" bezeichnet. Ab dem vollständigen Trennungspunkt verbleibt das Volumen jedes Filaments etwa gleich und die Form jedes Filaments entwickelt sich aufgrund der Oberflächenspannungseffekte zu der Form einer Kugel hin.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "die Zeit, bei der der Strom aufbricht" den medialen Punkt zwischen der Zeit, bei der der Strom ein erstes Mal in Filamente aufzubrechen beginnt und dem Trennungsvervollständigungspunkt. Um diesen medialen Punkt präzise zu ermitteln, kann Hochgeschwindigkeitsphotographie verwendet werden, wobei eine Annahme von etwa 10% der Durchtrittszeit von dem Schlagrad zu dem Ende des beheizten Bereichs für viele Systeme und Glaszusammensetzungen akzeptabel ist.
Nach 1 bewegen sich der Strom und die Filamente über eine Kühlentfernung d₂ , nachdem sie von dem Schlagrad 12 weggeschleudert wurden, aber bevor sie in den beheizten Bereich 15 eintreten. Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, kann eine größere Heizvorrichtung im Wesentlichen das Schlagrad 12 und seine verbundenen Vorrichtungen umgeben, wobei er lediglich Öffnungen besitzt, um den Fluss des Stromes 11 und der Filamente 14a zu ermöglichen. Eine solche Ausführungsform ist in 2 gezeigt. Nach der Ausführungsform in 2 tritt der Strom von geschmolzenem Glas 11 in den beheizten Bereich 15 nach dem Austritt auf dem Ofen ein und verbleibt in dem beheizten Bereich, während er mit der angemessenen Kraft beaufschlagt wird.
Wie dies in 1 gezeigt ist, besitzt das Schlagrad 12 eine Rotationsachse, welche senkrecht auf der Bewegungsrichtung des Stromes bei der Bewegung des Stromes von dem Ofen 10 zum Schlagrad steht. Wie dies in 1 gezeigt ist, besitzt der beheizte Bereich 15 eine Länge L und wird mit einer zweiten Wärmemenge durch Brenner 16, welche über seine Oberfläche verteilt sind, beheizt. Die Brenner 16 sind miteinander über eine Leitung 17 mit einer Quelle für geeignetes Naturgas durch eine Zuführeinrichtung 18 verbunden. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann der beheizte Bereich 15 auch mit anderen Mitteln wie elektrischer Wärme beheizt werden.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Relaxationszeit, welches der Unterschied zwischen der Zeit ist, bei der der Strom aufbricht (d. h., nach dem Zurücklegen einer Entfernung d₃ von der Schlagplatte 12, welche den medialen Punkt zwischen dem ersten Aufbruch und dem Trennungsvervollständigungspunkt beschreibt) zu der Zeit, bei der ein maximaler Prozentsatz von Filamenten 14a runde Kugeln 14b (d. h., der Relaxationspunkt) gebildet hat. Der "maximale Prozentsatz" variiert abhängig von den Systembedingungen und Glaszusammensetzungen, liegt aber typischerweise zwischen 70% und 99%. In manchen Umgebungen und mit manchen Glaszusammensetzungen ist es einfach nicht möglich, höhere Rundheitsfraktion als 70% zu erhalten, während andere Systembedingungen und Glaszusammensetzungen einen maximalen Prozentsatz der Rundheit nahe 100% erlauben. Das Verfahren zur Ermittlung, ob eine Kugel rund ist, wird nachfolgend beschrieben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Tatsache, dass die Relaxationszeit angenähert durch die folgende Gleichung ermittelt werden kann: τ = (d × μ)/σ wobei r die Relaxationszeit; d der Durchmesser der gebildeten runden Kugeln; μ die Viskosität der Filamente während der Relaxationszeit; und σ die Oberflächenspannung der Filamente während der Relaxationszeit ist. Die vorliegende Efindung schließt das Auswählen zumindest eines Paramters oder einer Anzahl von Parametern ein, welche dazu führen, dass die Filamente 14a, beim Verlassen des beheizten Bereich 15, einen Auslasszustand nahe dem Relaxationspunkt erreichen, sodass ein maximaler Prozentsatz von Filamenten 14a den beheizten Bereich 15 als runde Kugeln 14b verlässt.
Der Ausdruck "Austrittszustand", wie er hier verwendet wird, ist lediglich eine Art der Definition des Prozentsatzes von runden Kugeln. Für viele Anwendungen kann es effizient oder wünschenswert sein, den Austrittszustand lediglich nahe, d. h. innerhalb um 75% der Rundheit des maximalen Prozentsatzes. Das System kann so entwickelt werden, dass die Filamente dazu gebracht werden, den beheizten Bereich entweder an einem Punkt zu verlassen, bevor alle Filamente die Zeit hatten, runde Kugeln zu bilden oder nachdem die Filamente diese Zeit hatten, der Prozentsatz der Rundheit aber durch die Bildung von Satellitenpartikeln (Konglomeraten von zwei oder mehr Kugeln) abgenommen hat. Bevorzugt befindet sich der Austrittszustand innerhalb eines Bereichs des Relaxationspunktes derart, dass zumindest etwa 90% des maximalen Prozentsatzes erreicht werden. Mehr bevorzugt es ist, dass der Austrittszustand innerhalb eines zweiten und engeren Bereichs des Relaxationspunktes liegt, sodass zumindest um 95% des maximalen Prozentsatzes erreicht werden.
Die fünf primären Parameter sind die Wärmemenge, welche in den Ofen 10 eingebracht wird, die Wärmemenge, welche in den beheizten Bereich 15 eingebracht wird, die Länge L des beheizten Bereichs 15, die Kraft, die auf den Strom 11 durch die Schlagplatte 12 ausgeübt wird, und die Zusammensetzung des geschmolzenen Glases, die durch die Glasrohmaterialien festgelegt ist. Diese primären Parameter sind die am wichtigsten. In bevorzugten Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden, können jedoch auch andere Parameter, die hilfreich für das Erreichen des Ergebnisses des Austrittszustands nahe des Relaxationspunkts sind, ausgesucht werden, welcher erreicht wird, wenn die Filamente den beheizten Bereich verlassen.
Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung müssen die Beziehungen zwischen den Parametern zu den drei Variablen in der Gleichung für die Relaxationszeit sowie diese Parameter variieren, verstanden werden. Zunächst werden mit Bezug auf die Parameter der aufgebrachten Wärme die Mengen der auf den Ofen 10 und den beheizten Bereich 15 aufgebrachten Wärmen in einer bekannter Weise variiert. Beispielsweise können die Flussrate des Gases zu den Brennern, welche diese zwei Komponenten aufheizen, oder die Zusammensetzung des Gases, welches zur Aufheizung dieser Komponenten verwendet wird, (oder beides) variiert werden, um die Mengen der eingebrachten Wärmen zu verändern.
Die Wärmemengen beeinflussen direkt zwei der drei Variablen in der Gleichung für die Relaxationszeit, nämlich die Viskosität und die Oberflächenspannung. Diese Variablen werden durch die Wärmemengen beeinflusst, weil diese Variablen Funktion der Temperatur der Filamente 14a sind, wenn diese durch den beheizten Bereich 15 hindurchtreten. Im Allgemeinen ist die Viskosität proportional zum inversen Logarithmus der Temperatur, sodass die Viskosität mit steigenden Temperatur absinkt. Auf der anderen Seite besitzt die Oberflächenspannung nur eine geringe Abhängigkeit von der Temperatur und verbleibt typischerweise im Vergleich mit der Viskosität bei den Temperaturbereichen, die für die Filamente bei dem Durchtritt durch den beheizten Bereich 15 praktisch sind relativ konstant. Deshalb steigt für einen gegebenen Durchmesser, welcher für die gebildeten Kugeln erwünscht ist, wenn mehr Wärme auf beide Komponenten aufgebracht wird, die Temperatur der Filamente während der Relaxationszeit, was dazu führt, dass diese Viskosität sinkt, was wiederum ein Absinken der notwendigen Relaxationszeit bewirkt. Dementsprechend kann ein beheizter Bereich 15 mit einer kürzeren Länge L verwendet werden oder eine geringere Kraft durch das Schlagrad (12) aufgebracht werden (oder eine Kombination von beiden), wenn eine größere Wärmemenge auf den Ofen und die Heizeinrichtung aufgebracht wird.
Einige andere Faktoren beeinflussen die Temperatur der Filamente 14a während der Relaxationszeit. Diese Faktoren umfassen den Weg d₁ , den der geschmolzene Glasstrom 11 zwischen der Öffnung 19 und dem Schlagrad 12 zurücklegt, und die Entfernung d₂ , welche der Strom und die Filamente 14a zwischen dem Schlagrad 12 und dem beheizten Bereich 15 zurücklegen. Diese zwei Parameter tragen zu dem Wärmeverlust bei, den das geschmolzene Glas erleidet, wenn es sich durch eine relativ unisolierte Umgebung bewegt. Deshalb führt, wenn alle anderen Parameter konstant bleiben, das Absenken der Länge dieser Entfernungen zu einer erhöhten Temperatur der Filamente während der Relaxationszeit, was ein Absinken der Viskosität verursacht, welches wiederum eine Absenkung der Relaxationszeit verursacht.
Ein weiterer Parameter, welcher die Temperatur der Filamente 14a beeinflusst, ist der Grad der Isolierung, welcher an dem System angewendet wird, nämlich um den Ofen 10 und den beheizten Bereich 15. Eine Isolierung 20 ist in 1 gezeigt, und das Ausmaß der Isolierung kann durch eine Veränderung der Weite "w" und das Isoliermaterial verändert werden. Mit dem Ansteigen des Ausmaßes der Isolierung steigt die Temperatur der Filamente 14a, wobei alle anderen Parameter konstant bleiben. Entsprechend führt eine Erhöhung des Ausmaßes der Isolation zum gleichen Effekt wie die Erhöhung der Wärmemengen, welche auf das System aufgebracht wurden, wie dies oben angesprochen wurde.
Ein weiterer primärer Parameter, die Kraft, mit der das Schlagrad 12 auf den Strom 11 einwirkt, kann durch den Durchmesser des Schlagrades, die Rotationsgeschwindigkeit des Schlagrades, die Masse des Schlagrades und die Masseverteilung über das Schlagrad ermittelt werden. Die Weise, in welcher man die benötigte Kraft ermittelt, ist an sich bekannt. Ein Fachmann schätzt z. B. die benötigte minimale Eingangskraft ab, basierend auf dem Unterschied zwischen der Oberflächenenergie des Stromes und der Summe der Oberflächenenergien der Filamente zuzüglich einer Kraft, die benötigt wird, um die Filamente über eine Entfernung bis zum Sammelbehälter Vorwärtszutreiben. Typischerweise wird die Kraft dann empirisch ermittelt. Aus den Faktoren der Umfangsgeschwindigkeit des Rades (eine Funktion des Raddurchmessers und der Rotationsgeschwindigkeit) und der Masse und Massenverteilung des Rades können der Drehimpuls des Schlagrades und die Geschwindigkeit des geschmolzenen Glases, wenn es sich vom Schlagrad ablöst, durch ein Momentengleichgewicht ermittelt werden. Aus Gründen der Einfachheit kann die Geschwindigkeit des geschmolzenen Glasstromes, welcher sich von dem Schlagrad ablöst und dementsprechend auch die der Filamente als die Umfangsgeschwindigkeit des Schlagrades in einem gleichförmigen Zustand (nämlich nachdem der Fluss des Stromes 11 die Umfangsgeschwindigkeit abgesenkt hat auf ihren Dauerzustandswert, wobei dieser von einem höheren Wert, bevor der Strom 11 das Rad kontaktierte, gesenkt wird) angenommen werden.
Die Weise, in welcher die Kraft die Variablen in der Gleichung für die Relaxationszeit beeinflusst hängt davon ab, in welcher Weise die Länge des beheizten Bereichs 15 diese Variablen beeinflusst. Zusammen sind diese zwei Parameter die wichtigsten Faktoren bei der Ermittlung der Verweilzeit der Filamente 14a im beheizten Bereich 15. Genauer gesagt, ist die Kraft bei der Ermittlung der Geschwindigkeit der Filamente 14a durch den beheizten Bereich 15 äußerst wichtig und die Länge dividiert durch die Geschwindigkeit stellt die Verweilzeit zur Verfügung. Beispielsweise würde, beim Konstanthalten aller verbleibenden Parameter, ein Absenken der Kraft, welche auf den Strom einwirkt, die Geschwindigkeit des Stromes absenken und deshalb eine kürzere Heizvorrichtung benötigen. Es muss jedoch angemerkt werden, dass die Kraft auf keinen zu niedrigen Wert absinken darf, um zu verhindern, dass Filamente 14a auf dem Boden des Heizvorrichtungsgehäuses 15a auftreffen. Obwohl es möglich ist, das Heizvorrichtungsgehäuse 15a nach unten zu neigen, während die Filamente 14a hindurchtreten, kann dies nur bis zu einem bestimmten Maß getan werden. Zudem ist es wünschenswert, dass die Kugeln durch einen Kühlbereich gelangen, bevor sie in einem Sammelbehälter landen, sodass sich die Kugeln bis zu einem ausreichenden Ausmaß verfestigen können, bevor sie andere Kugeln oder einen Sammelbehälter kontaktieren. Die Flugbahn der Kugeln ist daher in irgendeiner Weise auch durch die Notwendigkeit, sie zu kühlen (und ihnen zu erlauben, ausreichend sich zu verfestigen) vorgegeben, bevor sie die Sammelzone erreichen.
Wenn die Länge der Heizvorrichtung vergrößert wird, wobei alle Parameter bis auf die Kraft konstant bleiben, muss die Kraft ebenfalls erhöht werden, sodass die Verweilzeit in der Heizvorrichtung etwa gleich bleibt. Die Länge einer Heizvorrichtung ist , nachdem ein System hergestellt wurde, üblicherweise aufgrund des Maßes des beheizten Bereichs 15 und der Größe eines typischen Heizvorrichtungsgehäuses festgelegt. Es kann trotzdem möglich sein, eine Heizvorrichtung mit veränderbarer Länge zu haben.
Der letzte primäre Parameter, die Zusammensetrung des geschmolzenen Glases, ist wichtig, weil beides, Viskosität und Oberflächenspannung, Funktionen der Temperatur und der jeweiligen Zusammensetrung sind. Die Zusammensetzung des Glases ist eine Funktion der Glasrohmaterialien und in einem geringeren Maße dem Verfahren und der Aufheizrate.
Typischerweise wird die Zusammensetzung des Glases basierend auf den jeweiligen Notwendigkeiten der herzustellenden Glaskugeln ermittelt. Entsprechend ist es für einen Betreiber wohl schwer möglich, alle anderen Parameter konstant zu halten und die Zusammensetzung zu verändern, um die Rundheit nach der vorliegenden Efindung zu optimieren. Jedes Glas, welches eine Zusammensetrung hat, welche für das Zerstäuben praktisch ist, kann in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Zusammensetrung zweier bestimmter Gläser, welche in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, Beispiel 1 und Beispiel 2, sind unten zusammen mit der Zusammensetrung für ein typisches Fensterglas gezeigt. Zu sehen sind unten bevorzugte Bereiche von verschiedenen Glasbestandteilen, welche in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Gläser von Beispiel 1 und Beispiel 2 besitzen eine niedrige Viskosität und können bei jeder gegebenen Temperatur leichter zerstäubt werden als Fensterglas. Es wird angenommen, dass Gläser mit bis zu 65% SiO₂ unter geeignetem Zusatz von anderen Glaskomponenten um die Viskosität in dem Bereich von 30 poise bis 300 poise im typischen Temperaturbereich zerstäubt werden können.
Andere bedeutsame Faktoren umfassen die Form und Anzahl von Zähnen auf dem Schlagrad. Die Form bestimmt die Effektivität des übertragenen Momentes und folglich die Schnelligkeit des geschmolzenen Glasstroms, wenn er das Schlagrad verlässt. Die Anzahl der Zähne und der Durchmesser sind zusätzliche Faktoren, welche die eventuelle Kugelgröße beeinflussen.
Wenn man die Kugelgröße betrachtet, obwohl dies eine Funktion vieler Faktoren ist, sind die primären Faktoren die Zusammensetzung des Glases, der Durchmesser der Öffnung, aus der der geschmolzene Strom austritt und die Anzahl der Zähne auf dem Schlagrad. Deshalb ist, sobald die Filamente gebildet sind, der Durchmesser der ausgebildeten runden Kugeln im Wesentlichen auf Basis der oben genannten drei Faktoren festgelegt. Wenn im Durchmesser kleinere Kugeln gewünscht sind, wird der Durchmesser der Ofenöffnung verringert oder die Anzahl der Zähne erhöht. Die untere Grenze der Zahnzahl hängt von der erwünschten, Produktivität ab, während die obere Grenze durch die Notwendigkeit diktiert wird, dass eine hintere Flanke eines ersten Zahnes mit dem Flusspfad des Stromes zusammenwirkt, wenn dieser einen anderen Zahn, welcher benachbart zum ersten Zahn ist, verlässt.
Optimale bevorzugte Bereiche für die Parameter der Schlagradausführungsform folgen. Der Durchmesser des geschmolzenen Glasstroms reicht typischerweise von um 0,5 mm bis um 3 mm. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 1 mm bis 2 mm. In einer Ausführungsform besitzt ein Schlagrad, welches in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, einen äußeren Durchmesser von 135 mm und eine Teilung von 8 mm mit 53 Zähnen. Die Geschwindigkeit des Schlagrades beträgt um 3.000 bis 8.000 upm. Der bevorzugte Geschwindigkeitsbereich liegt um 6.000 upm bis 7.000 upm bei einem 130 mm Schlagrad.
Optimal bevorzugte Bereiche anderer Parameter für jede Ausführungsform folgen. Die Temperatur des geschmolzenen Glases beträgt um 1.200°C bis 1.450°C im beheizten Bereich. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 1.300°C und 1.350°C für C-Glas, bei der die Viskosität um 30 poise bis 100 poise liegt. Generell kann die Viskosität von 1 bis 1.000 poise betragen und liegt vorzugsweise zwischen 10 und 100 poise. Die Temperatur der heizvorrichtung beträgt um 1.200°C bis um 1.600°C. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 1.500°C bis 1.600°C. Die Oberflächenspannung kann zwischen 50 dyne/cm bis um 500 dyne/cm betragen und liegt vorzugsweise zwischen etwa 250 dyne/cm und etwa 350 dyne/cm.
2 zeigt eine Ausführungsform ähnlich zu 1 mit der Ausnahme, dass ein Rotor anstelle des Schlagrades verwendet wird. In der Ausführungsform nach 2 ist der Rotor 31 scheibenförmig und auf einen hohlen Schaft 32 aufgesetzt, welcher mit Wasser gekühlt werden kann. Der Schaft kann mit einem Motor 33 direkt angetrieben sein. Der eine Scheibe ausbildende Rotor 31 ist in einer feuerfesten Kammer 38 (d. h. der beheizten Zone) angeordnet, welche durch eine Bodenplatte 39 und ein Gewölbe 40 ausgebildet ist. Der Rotor 31 hat, wie gezeigt, eine Rotationsachse, welche im Wesentlichen parallel zum Fluss des geschmolzenen Stromes zu dem Rotor liegt, obwohl Variationen dieser Konfiguration möglich sind. Letzterer besitzt Öffnungen 51 und 52, in denen Brenner angeordnet sind, welchen Luft und verbrennbares Gas zugeführt wird. Dieser dient zudem als Boden eines Ofens 53, welcher geschmolzenes Glas 54 enthält und durch eine feuerfeste Abschirmung 55 abgeschlossen ist. Zudem ist in dem Gewölbe 40 eine Öffnung 56 eingebohrt, welche einen Fluss von geschmolzenem Glas ermöglicht, der durch einen zentralen Eintauchstopfen 57 gesteuert werden kann.
In gleicher Weise wie in der Ausführungsform, welche in 1 gezeigt ist, übt die Rotation des Rotors 31 eine Kraft auf den geschmolzenen Glasstrom aus, welche diesen dazu veranlasst, sich unter dem Effekt der Zentrifugalkraft zu strecken und dünner zu werden und sich dann, kurz nachdem er die Peripherie des Rotors 31 verlassen hat in Partikel zu zerlegen. Nach dem Durchtritt durch den beheizten Bereich 38 durch das Hinausgelangen bei der Öffnung 58 werden die Glaskugeln sehr schnell mit Luft in der Kühlzone 59 gekühlt, welches die Atmosphäre ist. Verfolgt man die Bahnkurve der Kugeln, kommen die Kugeln schließlich zur Ruhe und werden am Ende. des Kanals 60, welcher durch den Sammelbehälter 61 gebildet wird, gesammelt.
Viele der gleichen Parameter werden in gleicher Weise verändert und beeinflussen die Gleichung für die Relaxationszeit in der gleichen Weise wie in der Ausführungsform nach 1. Diese Parameter umfassen z. B. die aufgebrachte Wärme sowohl des Ofens als auch des beheizten Bereichs, den Durchmesser der Öffnung 56, die Entfernung D1 zwischen der Öffnung und dem Rotor und die Zusammensetzung des geschmolzenen Glases. In Dieser Ausführungsform umfasst der beheizte Bereich des Rotor vollständig, sodass die Länge L von dem Punkt, an dem der Strom in Filamente aufbricht bis zum Ausgang, aus dem beheizten Bereich 38 gebildet wird.
Wie bei der Ausführungsform in 1 bilden der Durchmesser des Rotors, die Form des Rotors und die Geschwindigkeit des Rotors die Kraft und das Moment, welche auf den geschmolzenen Glasstrom übertragen werden und folglich die Geschwindigkeit des geschmolzenen Glasstroms bestimmen, wenn er den Rotor verlässt. Bezüglich der Form des Rotors können verschiedene Formen verwendet werden, wie sie im US-Patent Nr. 3,499,745 veröffentlicht sind, umfassend Rotoren, welche einen glatten äußeren Umfang und einen gezahnten äußeren Umfang besitzen. Der gezahnte äußere Umfang scheint eine Kugelgrößenverteilung zu erzeugen, die enger ist als wenn ein Rotor mit einem glattten äußeren Umfang verwendet wird. Zudem führt ein Rotor mit einem größeren Durchmesser zu Kugeln mit einem kleineren Durchmesser, wobei alle anderen Parameter konstant bleiben. Bei dieser Ausführungsform ist die Temperatur des Rotors wichtiger als die Temperatur des Schlagrades in 1, da der Strom mit dem Rotor für eine längere Zeit in Kontakt ist. Die Temperatur des Rotors hat somit einen relativ größeren Einfluss auf die Temperatur des Glasstromes, wenn er sich von dem sich drehenden Rotor ablöst.
Die Ausführungsform in 3 offenbart eine zwei Flüssigkeiten zerstäubende Ausführungsform, umfassend einen großen Ofen 71, aus dem ein Strom aus geschmolzener Flüssigkeit zu einem Vorherd 72 und schließlich aus einer Öffnung 74 durch eine Bodenplatte 75 herausfließt, und einen Gasbrenner 76, welcher eine Flamme 77 liefert, welche quer durch den Strom aus einer Öffnung 74 her verläuft. Wie es gezeigt ist, steht die Richtung der Flamme im Wesentlichen senkrecht auf der Richtung der Bewegung des geschmolzenen Stromes zur Flamme, obwohl Änderungen dieser Konfiguration möglich sind. Bei dieser Ausführungsform kann der beheizte Bereich einerseits ausschließlich durch die Flamme 77 gebildet sein oder durch eine optionale Heizervorrichtung 78 unterstützt werden.
Wiederum werden viele der gleichen Parameter verändert in gleicher Weise und beeinflussen die Gleichung der Relaxationszeit in gleicher Weise wie oben. Derartige Parameter umfassen den Öffnungsdurchmesser 74, den Weg d₁ zwischen der Öffnung und der Brennerflamme 76, die Entfernung L, die Wärme, welche in das System aufgebracht wird, und die Zusammensetzung des geschmolzenen Glases.
Bei der Ausführungsform nach 3 wird die Kraft, die auf den Strom ausgeübt wird, durch die Brennerposition 76 und die Geschwindigkeit des Gases aus dem Brenner 76 bezüglich des geschmolzenen Glasstroms ermittelt. Bei dieser Ausführungsform wird die Temperatur des beheizten Bereichs auch durch die Vorrichtung, die die Kraft ausübt, nämlich den Brenner 76 vorgegeben. Die Zusammensetzung des Verbrennungsgases, welches natürliches Gas, Luftgas oder Oxigas oder aus Kombinationen hieraus bestehen kann, beeinflusst die Flammentemperatur, deshalb ist eine Möglichkeit, die Temperatur des beheizten Bereichs zu regeln, die Zusammensetzung des Gases im Brenner 76 zu ändern. Bei dieser Ausführungsform beeinflussen die Geschwindigkeit des zweiten Fluids (d. h. des Brenngases) und die Position des Brenners die mögliche Größe der Kugeln.
Die Gleichung für die Relaxationszeit wurde dadurch ermittelt, dass mit einem Kräftegleichgewicht, welches auf und innerhalb eines Tropfens während der Relaxationszeit wirkt, begonnen wurde. Die Relaxation eines Tropfens beruht auf einem Gleichgewicht zwischen aerodynamischen und Oberflächenspannungskräften und Flüssigkeitsbewegungskräften innerhalb. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit wurde als konstant angenommen (abhängig von der Temperatur), und die Viskosität wurde als unabhängig von der Schergeschwindigkeit angenommen. Es verblieben nach der Durchführung einer Magnitudenanalyse welche die Gravitationskraft sowie andere abgeleitete Größen beseitigte lediglich noch der interne Druck und die Zähigkeitskraft,. Entsprechend setzte die vereinfachte Gieichung die Ableitung des inneren Drucks zur Zähigkeitskraft in Relation. Des wurde angenommen, dass der interne Druck das Ergebnis der ausgeübten Oberflächenkraft war und durch den Kapillarkraft wiedergegeben wird und die Zähigkeitskraft wurde vereinfacht, um die oben aufgeführte Gleichung der Relaxationszeit zu vereinfachen. Da bestimmte Kräfte beseitigt wurden, ist die Gleichung für die Relaxationszeit eine Annäherung und keine exakte Gleichung.
Bei der Ermittlung der Relaxationszeit für ein gegebenes System und der Ausführung des Prozesses nach der vorliegenden Erfindung ist es zunächst angebracht, die angenäherte entgegengesetzte Temperatur der Filamente während ihrer Reise durch den beheizten Bereich zu ermitteln. Dies kann durch die Anordnung mehrerer Thermokupplungen entlang des beheizten Bereichs und die Ermittlung eines Durchschnittswertes bewerkstelligt werden. Mit diesem Durchschnittswert und dem Wissen um die spezielle Zusammensetzung des geschmolzenen Glases kann eine angenäherte entgegengesetzte Viskosität der Filamente auch dadurch erhalten werden, dass ein Durchschnittswert bei verschiedenen Temperaturen über den beheizten Bereich gemessen wird. Eine durchschnittliche Oberflächenspannung kann in gleicher Weise ermittelt werden, obwohl die Oberflächenspannung nur sehr wenig bei den typischen Temperaturen schwankt, bei denen typische Glaszusammensetzungen verwendet werden. Unter der Annahme, dass die Oberflächenspannung angenähert 250 dyne/cm entspricht, sind die Relaxationszeiten unten für variierende Partikelgrößen, 0,5 mm, 1,0 mm und 1,5 mm gezeigt, und bei variierenden Viskositäten, 10 poise, 100 poise und 1.000 poise. Ist die Relaxationszeit für eine gegebene Länge L einmal ermittelt, kann die Kraft so ausgewählt werden, dass die Geschwindigkeit der Filamente derart erhalten wird, dass die Filamente den beheizten Bereich genau dann verlassen, wenn sie einen Austrittszustand am oder nahe dem Relaxationspunkt haben.
Ermittlung der Rundheit
Zur Ermittlung des Rundheitsprozentsatzes wird einer von zwei Versuchen verwendet. Ein erster Versuch, unter Verwendung eines "roundometer" wird für Glaskugeln mit einer Größe kleiner als 700 Mikrometer im Durchmesser verwendet. Ein zweiter Versuch, um die Rundheitsprozente zu ermitteln, verwendet ein Mikroskop, um die Formfaktoren eines Bereichs von Kugeln zu ermitteln, wenn die Glaskugeln eine Größe von mehr als 700 Mikrometer haben. Obwohl der Versuch, der den roundometer verwendet, für kleinere Kugeln schneller ausgeführt werden kann, wird er unausführbar, wenn die Kugelgröße über 700 Mikrometer steigt.
Entsprechend eines ersten Versuchs für Kugeln von weniger als 700 Mikrometern wird ein "roundometer" verwendet und etwa 10 g der Versuchskugeln verwendet. Zunächst wird die Glasplatte des roundometers nivelliert. Die Glasplatte wird entsprechend der Versuchsbedingungen unter Verwendung der Einstellschraube zwischen der roundometerbasis und einem Zuführvibrator auf einen benötigten Winkel angehoben. Nachdem Befestigen wird die Vibratoramplitude auf ihr Minimum eingestellt und die Partikel langsam in einer Position im oberen Drittel des Gefälles aus einer Höhe, die 15 mm nicht übersteigt, über die gesamte Weite der Glasplatte zugeführt, sodass diese eine einzelne Schicht auf der Glasplatte bilden. Die Steuerung der Vibratoramplitude wird derart eingestellt, dass irreguläre Teilchen in der oberen Hälfte der Platte sich die Steigung hinaufbewegen, während echte Kugeln herunterrollen. Im Besonderen ist die Vibrationsrichtung derart aufwärts Berichte, dass nicht-runde Partikel veranlasst werden, sich die Platte heraufzubewegen, während runde Kugeln dazu neigen, entsprechend der Schwerkraft sich nach unten zu bewegen. Ein antistatischer Wischer wird periodisch verwendet.
Nachdem alle wirklichen Kugeln die Neigung in eine Sammelpfanne herabgerollt sind, werden die verbleibenden Partikel in eine andere Pfanne am oberen Ende des Gefälles gebürstet. Zum Zwecke dieser Anmeldung werden alle Partikel, die vollständig das Gefälle herabgerollt sind, als "rund" angenommen. Der Prozentsatr der runden Kugeln wird berechnet durch die Division des Gewichts der Kugeln, welche das Gefälle heruntergerollt sind, dividiert durch das Gewicht der Probe mal 100. Ein "Roundometer"-Winkel von 1° bis 1° 34' wird am Besten für Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 500 und 700 Mikrometern verwendet und ein Winkel von 2° 17' wird am besten für Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 500 Mikrometern verwendet. Es muss jedoch herausgestellt werden, dass der exakte Winkel nicht wichtig für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, da ein absoluter Rundheitsprozentsatr für die vorliegende Erfindung nicht benötigt wird; stattdessen muss nur ein relativer Rundheitsprozentsatr identifiziert werden für die vorliegende Erfindung, sodass ein Maximalpunkt identifiziert werden kann.
Entsprechend des zweiten Versuchs für Kugeln, die größer sind als etwa 700 Mikrometer im Durchmesser wird eine Vielzahl von Kugeln vollständig auf einem klebrigen Bandsegment von 12 mm Weite und 75 mm Länge angeordnet. Die Probe wird gleichförmig als einschichtige Schicht auf dem transparenten klebrigen Band verteilt. Das Band wird durch zwei Enden (frei von Kugeln) auf einer Glasscheibe mit den Kugeln an der Glasscheibe anliegend angeordnet. Die Kugeln werden mit einer Flüssigkeit bedeckt, welche angenähert den gleichen Refraktionsindex wie das Glas (1,5 pflanzliches Öl) besitzt, durch Injektion der Flüssigkeit zwischen das Band und die Scheibe unter Verwendung einer Spritze.
Anschließend wird die Scheibe unter einem Mikroskop mit einer Vergrößerung, die es erlaubt, ungefähr 200 Partikel im Blickfeld zu haben angeordnet. Die Zählung wird von der linken zur rechten Seite des Bildfeldes in drei separaten Ansichten durchgeführt, wobei ein Stift dazu verwendet werden kann, die gezählten Partikel zu markieren. Zur Vereinfachung , werden Defekte nur über die Gesamtansicht gezählt, während lediglich ein Viertel der Ansicht für die totale Partikelanzahl gezählt wird und diese Anzahl mit 4 multipliziert wird. Das Endergebnis wird durch die Addition der Zahlen aus drei Ansichten berechnet.
Für jede Kugel wird ein Malteserkreuz gezeichnet und die Länge der zwei Durchmesser D1 und D2 ermittelt oder angenähert. Für die Zwecke dieser Erfindung werden Kugeln als rund angenommen, bei denen das Verhältnis von D1 : D2 innerhalb eines Bereichs von 0,8 bis 1,2 liegt, während Kugeln mit einem Verhältnis außerhalb dieses Verhältnisses als nicht rund angenommen werden. Zudem werden alle Satellitenpartikel, welche eine oder mehr kleinere Kugeln, welche an einer größeren Kugeln anhaften umfassen, als einzelne nicht-runde Kugel gezählt. Bei dieser Ausführungsform wird der Rundheitsprozentsatz ermittelt durch die Differenz der absoluten Zahl von Partikeln von der Anzahl von nicht-perfekten Partikel, dividiert durch die totale Anzahl von Partikeln.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie gleichwohl nicht dazu gedacht, auf die gezeigten Details begrenzt zu werden. Vielerlei Modifikationen können in Details durchgeführt werden innerhalb des Schutzbereichs und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche und ohne aus dem Bereich der Erfindung herauszugeraten.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Glaskugeln, umfassend die folgenden Schritte: Aufheizen von Glasrohmaterialien mit einer ersten Wärmemenge, um ein geschmolzenes Glasbad (54) mit einer Zusammensetrung zu bilden; Bereitstellen eines Stromes (11) von geschmolzenem Glas, welcher aus dem, Bad von geschmolzenem Glas (54) ausfließt; Ausübung einer Kraft auf den Strom (11), welche ausreicht, den Strom (11) in Filamente (14a) aufbrechen und durch einen beheizten Bereich (50) mit einer Länge (L) hindurchtreten zu lassen, in den eine zweite Wärmemenge eingebracht wird; Einstellung von zumindest einer der Größen erste Wärmemenge, zweite Wärmemenge, Länge (L), Kraft und Zusammensetrung, um die Filamente (14a) beim Verlassen des beheizten Bereichs dazu zu veranlassen, einen Austrittszustand nahe einem Relaxationspunkt zu erreichen, bei dem ein maximaler Prozentsatz der Filamente (14a) runde, Kugeln (14b) gebildet hat, wobei der Relaxationspunkt erreicht ist, wenn eine Relaxationszeit ab der Zeit, bei der der Strom (11) aufgebrochen, ist vergangen ist und die Relaxationszeit durch die Gleichung: τ = (d × μ)σ, ermittelt wird, wobei r die Relaxationszeit; d der Durchmesser der gebildeten runden Kugel (14b), μ die Viskosität der Filamente (14a) während der Relaxationszeit; und σ die Oberflächenspannung der Filamente (14a) während der Relaxationszeit ist; Kühlung der Kugeln (14b) unmittelbar nachdem die Kugeln (14b), den beheizten Bereich (15) verlassen haben; und Sammeln der Kugeln (14b).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Bereitstellens des Stromes (11) von geschmolzenem Glas das Auswählen eines Stromdurchmessers umfasst; und der Schritt des Einstellens das Einstellen von zumindest einer der Größen erste Wärmemenge, zweite Wärmemenge, Länge (L), Kraft, Zusammensetzung und Stromdurchmesser umfasst, um die Filamente (14a) beim Verlassen des beheizten Bereichs (15) dazu zu veranlassen, den Austrittszustand anzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Ausübens der Kraft auf den Strom (11) das Ausüben der Kraft umfasst, nachdem der Strom (11) einen Ausflussweg ( d₁ ) zurückgelegt hat; und der Schritt des. Einstellens das Einstellen von zumindest einem der Parameter erste Wärmemenge, zweite Wärmemenge, Länge (L), Kraft, Zusammensetzung und Weg (d_l ) umfasst, um die Filamente (14a) beim Verlassen des beheizten Bereichs (15) dazu zu veranlassen, den Austrittszustand anzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Bereitstellens des beheizten Bereichs (15) das Anordnen des beheizten Bereichs (15) derart umfasst, dass die Filamente (14a), nachdem sie mit der Kraft beaufschlagt wurden und eine Kühlentfernung (d₂ ) zurückgelegt haben, in den beheizten Bereich (15) eintreten; und der Schritt des Einstellens das Einstellen von zumindest einer der Größen erste Wärmemenge, zweite Wärmemenge, Länge (L), Kraft, Zusammensetzung und der Kühlentfernung (d₂ ) umfasst, um die Filamente (14a) beim Verlassen des beheizten Bereichs (15) dazu zu veranlassen, den Austrittszustand anzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der beheizte Bereich so angeordnet ist, dass der Strom nachdem er mit der Kraft beaufschlagt wurde, aber bevor er in die Filamente (14a) aufbricht, in den beheizten Bereich (15) eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt der Ausübung der Kraft auf den Strom (11) die Kontaktierung des Stromes (11) mit einem rotierenden Schlagrad (12) umfasst; und der beheizte Bereich (15) von einem Heizvorrichtungsgehäuse (15a) begrenzt wird, welches von dem Schlagrad (12) durch eine Kühlentfernung (d₂ ) abgetrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt der Kraftausübung auf den Strom das Blasen eines brennenden brennbaren Gases quer durch den Strom umfasst; und der beheizte Bereich durch die Länge der Flamme (77) des brennenden brennbaren Gases festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Aufbringens der Kraft auf den Strom (11) das Kontaktieren des Stromes mit einem rotierenden Rotor (31) umfasst; und der beheizte Bereich (15) durch eine Bodenplatte (39) und ein Gewölbe (40), welche den Rotor umgeben begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, zudem umfassend den Schritt der Isolierung des geschmolzenen Bades (54) und des beheizten Bereichs (15) in einem Ausmaß, und wobei der Schritt des Einstellens das Einstellen von zumindest einer der Größen erste Wärmemenge, zweite Wärmemenge, Länge (L), Kraft; Zusammensetzung und Ausmaß der Isolierung umfasst, um die Filamente beim Verlassen des beheizten Abschnitts (15) dazu zu veranlassen, den Austrittszustand anzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Austrittszustand sich innerhalb eines ersten Bereichs des Relaxationspunktes derart befindet, dass zumindest etwa 90% des maximalen Prozentsatzes der Rundheit erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Austrittszustand sich innerhalb eines zweiten Bereichs des Relaxationspunktes derart befindet, dass zumindest etwa 95% des maximalen Prozentsatzes der Rundheit erreicht werden.
Verfahren zum Herstellen von Glaskugeln, umfassend die Schritte: Aufheizen von Glasrohmaterial zur Bildung eines Bades aus geschmolzenem Glas (54) mit einer vorbestimmten Zusammensetzung; Bereitstellung eines Stromes (11) von geschmolzenem Glas, welcher aus dem Bad von geschmolzenem Glas (54) ausfließt; Ausübung einer Kraft auf den Strom (11); welche ausreicht den Strom (11) in Filamente (14a) aufzubrechen und durch einen beheizten Bereich (15) mit einer Länge (L) hindurchtreten zu lassen; Ermittlung einer angenäherten Durchschnittstemperatur der Filamente (14a), während die Filamente (14a) durch den beheizten Bereich (15) hindurchtreten; Ermittlung einer angenäherten Durchschnittsviskosität der Filmente (14a), während die Filamente (14a) durch den beheizten Bereich (15) hindurchtreten, basierend auf der Zusammensetrung und der Durchschnittstemperatur; Ermittlung einer angenäherten durchschnittlichen Oberflächenspannung der Filamente (14a), während die Filamente (14a) durch den beheizten Bereich (15) hindurchtreten, basierend auf der Zusammensetzung und der Durchschnittstemperatur; Ermittlung eines Durchmessers der gebildeten runden Kugeln (14b); Einstellung der Kraft zur Veranlassung der Filamente (14a) beim Verlassen des beheizten Bereichs (15) einen Austrittszustand nahe eines Relaxationspunktes, bei welchem ein maximaler Prozentsatz der Filamente (14a) runde Kugeln (14b) gebildet hat, einzunehmen, wobei der Relaxationspunkt erreicht ist, wenn eine Relaxationszeit ab der Zeit bei der der Strom (11) aufgebrochen ist vergangen ist und die Relaxationszeit durch die Gleichung: τ = (d × μ)/σ ermittelt wird, wobei τ die Relaxationszeit, d der Durchmesser der gebildeten runden Kugel (14b), μ die Viskosität der Filamente (14a) während der Relaxationszeit und σ die Oberflächenspannung der Filamente (14a) während der Relaxationszeit ist; Abkühlen der Kugeln (14b) unmittelbar nachdem die Kugeln (14b) den beheizten Bereich (15) verlassen; und Sanimeln der Kugeln (14b).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die vorbestimmte Zusammensetzung etwa 55–65 Gew.-% SiO₂, 10–18 Gew.-% Na₂O, 10–25 Gew.-% CaO, und wahlweise 0–5 Gew.- % K₂O, 0–5 Gew.-% MgO, 0–5 Gew.-% Al₂O₃ und 0–5 Gew.-% B₂O₃ umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die angenäherte Durchschnittsviskosität zwischen etwa 1 poise und etwa 1.000 poise liegt , und die angenäherte Durchschnittsoberflächenspannung zwischen etwa 50 dyne/cm bis etwa 50 dyne/cm liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die angenäherte Durchschnittsviskosität, zwischen etwa 10 poise und etwa 100 poise und die angenäherte Durchschnittsoberflächenspannung zwischen etwa 250 dyne/cm und etwa 350 dyne/cm liegt.