DK168156B1 - Fremgangsmåde til raffinering af glas eller lignende materiale - Google Patents

Description

DK 168156 B1 i o

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde af den art, der er angivet i krav l's indledning.

Ved smeltning af glas frembringes væsentlige mængder af gas som følge af dekomposition af chargerings- 5 materialer. Andre gasser er fysisk medført af chargeringsmaterialerne eller indføres i det smeltende glas fra forbrændingsvarmekilder. Det meste af gassen undslipper under den indledende smeltefase, men noget bliver indesluttet · i smelten. Noget af det indesluttede gas opløses i glasset, 10 men andre dele danner adskilte gasformige indeslutninger kendt som bobler eller "kim", som ville være skadelige, hvis de fik lov til at forblive i for store koncentrationer i glasproduktet. Gasindeslutningerne vil stige til overfladen og undslippe fra smelten, hvis de får tilstrækkelig 15 tid i det stadium af smelteoperationen, der er kendt som "raffinering" eller "lutring". Der tilvejebringes sædvanligvis høje temperaturer i raffineringszonen for at fremskynde stigningen og undslipningen af de gasformige indeslutninger ved formindskelse af smeltens viskositet 20 og ved forøgelse af boblediametrene. Energien, som kræves til de høje temperaturer, der anvendes i raffineringstrinnet, og den store smeltebeholder, der kræves for at tilvejebringe tilstrækkelig opholdstid til, at de gas- ' formige indeslutninger kan undslippe fra smelten, er 25 store udgifter ved en glasfremstilling. Det ville følgelig være ønskeligt at fremhjælpe raffineringsprocessen for’ at reducere disse omkostninger.

Det er kendt, at formindsket tryk vil kunne fremhjælpe raffineringsprocessen ved at formindske partialtrykket 30 af de indesluttede gasarter og ved at forøge rumfanget af bobler inden i smelten, så at det fremskynder deres stigning til overfladen. Uigennemførligheden af at tilvejebringe en gastæt beholder i samme målestok som et 35

O

2 DK 168156 B1 sædvanligt raffineringskammer, så der kan pålægges et vakuum deri, har begrænset anvendelsen af vakuumraffinering til chargedrift i forholdsvis lille målestok såsom omhandlet i US patentskrifterne nr. 1.564.235, 5 2.781.411, 2.877.280, 3.338.694 og 3.442.622.

Der er blevet foreslået kontinuerlige varmeraffi-neringsprocesser, men de har ikke vundet accept til kontinuerlig fremstilling af glas i stor målestok på grund af forskellige ulemper. I de kontinuerlige varme-10 raffineringsarrangementer, der er omhandlet i US patentskrifterne nr. 805.139, 1.598.308 og 3.519.412, er en hovedulempe kravet om forholdsvis snævre, lodrette kanaler, som fører ind i og ud fra vakuumzonen og er nødvendiggjort af trykforskellen. Disse kanaler komplicerer 15 konstruktionen af en sådan beholder navnlig i betragtning af kravet om gastætte vægge, forøger udsættelsen af gennemgangsmængden for kontaminerende berøring med ildfast materiale og påfører strømmen en væsentlig viskos hæmning. Det skal bemærkes, at der kræves en væsentlig 20 glashøjde for at udligne selv en moderat grad af vakuum. Forandring af ydelsen af et sådant anlæg er ligeledes et problem, navnlig i betragtning af den viskose hæmningsfaktor. Foranderlighed er vigtig ved en kontinuerlig kommerciel drift på grund af ændringerne i det produkt, 25 som fremstilles, og økonomiske faktorer, som påvirker den ønskede produktionshastighed. I hvert af de ovennævnte patentskrifter kan den drivende kraft til at forøge strømhastigheden gennem kanalerne i vakuumafsnittet kun tilvejebringes ved at forøge dybden af 30 smelten ovenstrøms for vakuumafsnittet i forhold til dybden af smelten nedenstrøms for vakuumafsnittet.

Størrelsen af denne niveauforskel forøges af den viskose hæmning, som er naturlig i disse anlæg. Fordi accelereret erosion af sidevæggene forekommer ved niveauet for smeltens 35 overflade, forøger en væsentlig ændring af niveauet erosionen, hvilket igen forringer kvalitet af glasproduktet.

3 DK 168156 B1 * o

En simplere konstruktion er omhandlet i US patentskrift nr. 3.429.648, hvor chargeringsmaterialer tilføres gennem en vakuumlås og smeltes foroven i et lodret, langstrakt vakuumkammer. Varierende materialegennemgang 5 synes ved dette arrangement at kræve ændring af den mængde vakuum, der påføres kammeret, hvilket på ufordelagtig måde ville ændre den opnåede raffineringsgrad. Smeltning af råmaterialer inden i vakuumkammeret er en anden ulempe ved dette arrangement af tre grunde.

10 For det første ville store rumfang skum blive frembragt ved at udføre den begyndende sønderdeling af råmaterialerne under vakuum, hvilket ville kræve en beholder, der er stor nok til at indeholde skummet. For det andet foreligger der en risiko for, at råmaterialerne kan følge 15 en kort cirkulationsbane til afgangsstrømmen og således undgå tilstrækkelig smeltning og raffinering. For det treje kræver udførelse af de begyndende trin med smeltning og opvarmning af smelten til en raffineringstemperatur inden i vakuumkammeret, at der tilføres store mængder varme 20 til smelten inden i beholderen. En sådan stor varmetilførsel til beholderen inducerer i sig selv konvektionsstrømme inden i smelten, som forøger erosionen af væggene, hvilket fører til forurening af den raffinerede produktstrøm.

US patentskrift nr. 4.195.982 omhandler begyndende 25 smeltning af glas under forhøjet tryk og derpå raffinering af glasset i et særskilt kammer ved et lavere tryk. Begge kamre er opvarmet.

US patentskrift nr. 4.110.098 omhandler en proces til forsætlig skumning af glas for at medvirke 30 til raffinering. Skumningen frembringes ved intens varme og kemiske skumningsmidler ved atmosfærisk tryk.

Et problem, som man kommer ud for ved vakuumraffinering i enhver målestok, hvad enten den sker kontinuerligt eller portionsvis, er det store rumfang skum, som somme-35 tider frembringes navnlig ved lavere tryk. Der må være tilvejebragt et stort rum ovenover væskebeholderen for at DK 168156 B1 o 4 optage skummet. Eftrsom dette øvre nun ligeledes må holdes gastæt, kan dets konstruktion være en betydelig økonomisk ulempe, navnlig ved processer i stor målestok. Som en følge heraf virker skummet som en begrænsende faktor for den grad 5 af vakuum, som kan anvendes.

Formålet med opfindelsen er at afbøde denne begrænsning for vakuumraffineringsprocesser, uden at dette medfører større kapitaludgifter.

Formålet opnås ved at udøve den indledningsvis nævnte 10 fremgangsmåde som angivet i krav l's kendetegnende del.

US patentskrift nr. 3.350.185 omhandler en metode til at bevirke sammenfald af skum i en glassmeltningsproces ved atmosfæretryk, ved hvilken en brat ændring af den oxiderende eller reducerende tilstand af forbrændingen viste sig 15 at få skum til at falde sammen.

Den foreliggende opfindelse medfører en forbedring af den metode til vakuumraffinering af glas eller lignende materialer, der er omhandlet i den sideløbende DK patentansøgning nr. 6335/86, der er indleveret den 2. januar 1986 20 og blevet almindelig tilgængelig den 3. juli 1987. Denne metode indbefatter ledning af smeltet materiale ind i den øvre del af et lodret, aflangt kammer under vakuum. Et fordelagtigt træk er, at ved at tilføre hele eller det meste af den varmeenergi, som kræves til raffinering, ovenstrøms 25 for vakuumkammeret skal der udføres ringe eller ingen opvarmning i vakuumkammeret, idet varmeindholdet i det indkommende materiale selv er i det væsentlige tilstrækkelig til at opretholde de ønskede temperaturer i vakuumkammeret.

Men det har vist sig at være fordelagtigt at tilveje-30 bringe hjælpeopvarmning i det øvre rum foroven i vakuumkammeret med henblik på at fremskynde sammenfaldet af skum. Det antages, at skumlaget, som samler sig foroven i kammeret, tenderer til at isolere det øvre rum fra varmen i den underliggende, smeltede masse. Ligeledes 35 synes den korte opholdstid i det øvre rum af den indkommende materialestrøm at tilvejebringe ringe opvarmning af det øvre rum. Det antages derfor, at det øvre rum er tilbøjeligt til at være forholdsvis koldt, og som følge heraf er dele af skumlaget ligeledes tilbøjelige

O

5 DK 168156 B1 til at være forholdsvis kolde, hvorfor viskositeten af disse skumdele er større, og sammenfaldet af disse dele forsinkes. Det formodes derfor, at fremskyndet sammenfald af skum forårsaget ved opvarmning af det øvre rum 5 skyldes hævning af temperaturen og således sænkning af skummets viskositet. Når der anvendes en forbrændingsvarmekilde til at opvarme det øvre rum, kan der også foreligge en mekanisk fremskyndelse af hastigheden af skumsammenfald på grund af anslaget af forbrændingsgasser på skummets 10 boblemembraner.

En del af den foreliggende opfindelse er opdagelsen af, at en forbrændingsvarmekilde kan fungere i den reducerede atmosfære i vakuumraffineringskammeret med en ydelse, der er tilstrækkelig til at opnå formålet med den forelig-15 gende opfindelse uden væsentligt at påvirke evnen til at vedligeholde de ønskede underatmosfæriske tryk i kammeret.

Det har ligeledes vist sig, at flammen let kan opretholdes i de reducerede trykomgivelser.

Ved en driftsmåde opnås yderligere fordele ved 20 at anvende en varmekilde, som ikke frembringer et forbrændingsprodukt, der er det samme som en gas, der fjernes fra smelten ved raffineringsprocessen. Det er med andre ord fordelagtigt at holde partialtrykket så lavt som mulig i det øvre rum af enhver gasart, som 25 raffineres ud af smelten. For glas er fjernelse af nitrogen og carbondioxid sædvanligvis et primært formål for raffineringsprocessen. Det er derfor fordelagtigt at anvende oxygenberiget forbrænding (fortrinsvis i det væsentlige ren oxygen) i en brænder til opvarmning af det øvre rum 30 i vakuumkammeret for at reducere eller eliminere indføring af nitrogen i kammeret. Ved anvendelse af oxygen som en_ delvis eller fuldstændig erstatning for luft til understøtning af forbrændingen formindskes yderligere forbrændingsgasrumfanget væsentligt, hvorved belastningen 35 af vakuumanlægget formindskes. For at undgå at tilføre carbonoxider til atmosfæren i det øvre rum kan brænderen

O

6 DK 168156 B1 anvende brændsel med et lavt kulstofindhold eller uden kulstof (f.eks. hydrogen). Forbrændingen af hydrogen med oxygen er specielt fordelagtig, fordi det eneste forbrændingsprodukt er vanddamp. På grund af den forholds-5 vis store opløselighed af vanddamp i glas, er fjernelse af vand sædvanligvis ikke et krav til en glasraffineringsproces. Ligeledes eliminerer evnen til kondensering af vanddamp i vakuumanlægget praktisk talt enhver yderligere belastning af vakuumpumpen forårsaget af brænderen i det 10 øvre rum. Et andet alternativ er anvendelsen af en plasmabrænder til opvarmning af det øvre rum. En plasmabrænder kan frembringe en stor varmeydelse med et forholdsvis lille volumen bæregas. Ligeledes kan bæregassen udvælges blandt en lang række gasarter inklusive damp, hydrogen, 15 oxygen eller indifferente gasarter såsom helium.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere, idet der henvises til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et lodret tværsnit gennem tre stadier af en smelteoperation indbefattende et flydendegørelses-20 stadium, et opløsningsstadium og et vakuumraffineringsstadium ifølge en foretrukken udførelsesform for den foreliggende opfindelse, og fig. 2 en skematisk gengivelse i en formindsket målestok af et vakuumanlæg med dampkondensationsorganer.

25 Den detaljerede beskrivelse skal gives i forbindelse med en fremgangsmåde og et apparat, der specielt er indrettet til smeltning af glas, men det vil forstås, at opfindelsen ligeledes er anvendelig til behandling af andre materialer.

30 Selvom den ikke er begrænset hertil, anvendes den foreliggende opfindelse med fordel i forbindelse med et vakuumraffineringsanlæg som det, der er omhandlet i den førnævnte DK patentansøgning nr. 6335/86. Ved de foretrukne udførelsesformer for dette anlæg tilføres 35 smeltet materiale til et rum under underatmosfærisk tryk for at skabe et skum, som derpå bringes til at

O

7 DK 168156 B1 falde sammen. Det stærkt forøgede overfladeareal af skummet fremskynder fjernelse af gasser fra materialet, mens det er under reduceret tryk. Efter tilbagevenden til atmosfærisk tryk er koncentrationen af gasser 5 opløst i smelten under mætning, så at udskillelse som bobler eller kim er usandsynlig. På grund af den aktive skumning, der indgår i denne fremgangsmåde, er fremskyndelse af sammenfaldet af skum fordelagtig med henblik på forøgelse af ydelsen.

10 Ved foretrukne udførelsesformer flydendegøres chargeringsmaterialer først i et stadium, der er specielt indrettet til dette procestrin, og det flydendegjorte materiale overføres til et andet stadium, hvor opløsning af faste partikler i det væsentlige fuldføres, 15 og temperaturen af materialet kan hæves til en temperatur, der er egnet til raffinering. Derpå føres det smeltede materiale til vakuumkammeret. Som en følge heraf drives en stor del af de gasformige biprodukter fra smeltningen ud, før materialet underkastes vakuum, og området for 20 størst gasudvikling er adskilt fra raffineringszonen, hvorved materialer, der undergår de tidlige stadier af smeltning, ikke kan blive blandet med dele af materiale, som undergår raffinering. Fordi det meste af eller hele varmebehovet til smeltning er blevet til-25 fredsstillet, før materialet kommer ind i vakuumraffineringsstadiet, og opvarmning af raffineringsstadiet derfor i det væsentlige kan undgås, kan stor konvektion i smelten i raffineringszonen undgås. Som en følge heraf formindskes beholdererosionen, og sandsynligheden 30 for, at ufuldstændigt raffinerede dele af smelten bliver blandet med mere raffinerede dele, er reduceret. Tilførslen til raffineringsstadiet sker ved den foretrukne udførelsesform ved en temperatur, der er egnet til raffinering, og der skal derfor tilføres 35 ringe eller ingen varme til raffineringsbeholderen.

Imidlertid kan opvarmningsorganerne i det øvre rum i

O

8 DK 168156 B1 vakuumkammeret ifølge den foreliggende opfindelse tjene til at kompensere for varmetab gennem beholdervæggene, navnlig den i øvre del, for i det væsentlige at opretholde temperaturen af materialet i hvert fald i tilgangsdelen 5 af raffineringsstadiet.

Ved et foretrukkent vakuumraffineringsarrangement indmåles flydendegjort materiale i den øvre ende af vakuumkammeret gennem ventilorganer, og raffineret smelte føres fra den nedre ende af vakuumkammeret 10 gennem et andet ventilarrangement. Højden af flydende materiale, som opretholdes inden i vakuumkammeret, er fortrinsvis mindst lidt større end den højde, der kræves til at udligne vakuumet. Gennemgangshastigheden kan således styres ved hjælp af ventilerne uden at ændre 15 vakuumtrykket i kammeret og uden at ændre væskeniveauet inden i kammeret. Omvendt kan et område af vakuumtryk anvendes uden at ændre gennemgangshastigheden. Bortset fra ventilerne er anlægget forsynet med forholdsvis lav modstand mod strømmen af smeltet materiale derigennem.

20 Den foretrukne udformning af vakuumraffinerings kammeret er en lodret, langstrakt beholder mest bekvemt i form af en opretstående cylinder. Flydendegjort materiale indføres i det øvre rum ovenover det flydende materiale, som er indeholdt i beholderen. Ved at møde 25 det reducerede tryk i det øvre rum skummer i hvert fald en væsentlig del af materialet på grund af udviklingen af gasser, som er opløst i materialet, og på grund af forstørrelse af bobler og kim, som er tilstede i materialet. Skabning af et skum forøger i høj grad det 30 overfladeareal, der er udsat for det reducerede tryk# og medvirker således til fjernelse af gasarter fra væskefasen. Frembringelse af skummet ovenover det flydende bad, som er indeholdt i beholderen, i stedet for fra det flydende bad er fordelagtig med henblik på sammenfald af 35 skum og medvirken til undslipning af gasser. Det har ligeledes vist sig, at aflejring af nylig frembragt skum

O

9 DK 168156 B1 ovenpå et skumlag fremskynder sammenfald af skummet.

En anden fordel ved den lodrette, langstrakte geometri er, at ved at frembringe skummet foroven og tappe produktet fra bunden sker den samlede massetransport bort fra skum-5 området, og gør det derfor usandsynligt, at noget af skummet skulle kunne indgå i produktstrømmen. Fjernelse af gasser fra smelten ved reduceret tryk reducerer koncentrationen af gasser opløst i smelten til under deres mætningspunkter ved atmosfæretryk. Efterhånden som 10 det flydende materiale bevæger sig nedad mod afgangen ved bunden, får det forøgede tryk på grund af dybden af smelten i beholderen de resterende gasser til at forblive i opløsning og formindsker rumfanget af eventuelle små kim, som måtte være tilbage. Opløsningen af gasser kan også fremmes 15 ved at tillade temperaturen at falde, efterhånden som materialet bevæger sig imod afgangen.

Ved konventionel glassmeltning er natriumsulfat eller calciumsulfat eller andre svovlkilder inkluderet i chargeringsmaterialerne for at medvirke til smelte- og 20 raffineringsprocessen. Tilstedeværelsen af svovlforbindelser i smelten har vist sig at være et problem ved raffinering ved vakuum på grund af de bevirkede store rumfang af skum og på grund af angreb på de keramiske, ildfaste vægge i en vakuumraffineringsbeholder. Men hidtil 25 har effektiv smeltning og raffinering af glas været vanskelig at opnå uden svovlforbindelserne. Det er endnu et andet fordelagtigt træk hos det foretrukne vakuumraffineringsarrangement, at glas kan smeltes og raffineres til en høj kvalitetsstandard med brug af lidt 30 eller intet svovl. Dette er muligt ved den foreliggende opfindelse, fordi smeltnings- og raffineringstrinnene udføres i adskilte stadier, hvorved hvert stadium kan udføres ved en proces, der er indrettet til at minimere eller undgå brugen af svovl.

35 Med henvisning til fig. 1 består den samlede smelteproces ifølge den foreliggende opfindelse af tre 10 DK 168156 B1 * o stadier: et flydendegørelsesstadium 10, et opløsningsstadium 11 og et vakuumraffineringsstadium 12. Forskellige arrangementer vil kunne anvendes til at påbegynde smeltningen i flydendegørelsesstadiet 10, men et yderst 5 effektivt arrangement til isolering af dette stadium af processen og udføre det økonomisk er det i US patentskrift nr. 4.381.934 omhandlede, hvortil der herved henvises angående detaljer af den foretrukne udførelsesform for flydendegørelsesstadiet. Den grundliggende struktur i 10 flydendegørelsesbeholderen er en tromle 15, som kan være fremstillet af stål og har en hovedsagelig cylindrisk sidevægsdel, en hovedsagelig åben top og en bunddel, der er lukket bortset fra et tapudløb. Tromlen 15 er monteret til drejning om en i det væsentlige lodret akse f.eks.

15 ved hjælp af en omsluttende understøtningsring, der er drejeligt båret på et antal understøtningshjul 17 og holdt på plads af et antal opretningshjul 18. Et i det væsentlige omsluttet hulrum er dannet inden i tromlen ved hjælp af en lågkonstruktion 20, som er forsynet med en ΟΓ) é stationær understøtning f.eks. ved hjælp af en omkredsramme 21. Låget 20 kan antage et antal forskellige former, som vil være kendt af fagmanden på området konstruktion af ildfaste ovne. Det foretrukne arrangement, som er afbildet på tegningen, er en opadkuplet, fagdelt buekon-25 struktion fremstillet af et antal ildfaste blokke. Det vil forstås, at monolitiske eller plane ophængte udformninger vil kunne anvendes til låget.

Varme til at gøre chargeringsmaterialet flydende kan være tilvejebragt med én eller flere brændere 22, 30 som strækker sig gennem låget 20. Fortrinsvis er et antal brændere anbragt langs omkredsen af låget, så at de retter deres flammer mod et bredt område af materialet inden i tromlen. Brænderne er fortrinsvis vandkølede for at beskytte dem mod de barske omgivelser inden i 35 beholderen. Forbrændingsgasser kan undslippe fra det indre af smeltebeholderen gennem en åbning 23 i låget.

o 11 DK 168156 B1 »

Spildvarmen i forbrændingsgasserne kan med fordel anvendes til at forvarme chargeringsmaterialet i et ikke vist forvarmningsstadium såsom det i US patentskrift nr. 4.519.814 omhandlede.

5 Chargeringsmaterialer fortrinsvis i en pulverformig tilstand kan tilføres til hulrummet i smeltebeholderen ved hjælp af en slisk 24, som i den afbildede udførelsesform strækker sig gennem afgangsåbningen 23. Enkeltheder af tilføringsslidskarrangementet vil fremgå af OS patent-10 skrift nr. 4.529.428. Chargeringsslisken 24 ender tæt grænsende til sidevæggene i tromlen 15, hvorved chargeringsmateriale aflejres på de indre sidevægsdele af tromlen. Et lag 25 af chargeringsmaterialet tilbageholdes på de indvendige vægge af tromlen 15 under medvirkning af tromlens 15 rotation og tjener som en isolerende foring. Efterhånden som chargeringsmaterialet på overfladen af foringen 25 udsættes for varme inden i hulrummet, danner det et flydendegjort lag 26, som strømmer ned ad den skrå foring til en central tapåbning ved bunden af beholderen. Afløbet 20 kan være udstyret med en keramisk ildfast bøsning 27.

En strøm af flydendegjort materiale 28 falder frit fra smeltebeholderen gennem en åbning 29, der fører til det andet stadium 11.

Det andet stadium kan kaldes opløsningsbeholderen, 25 fordi en af dets funktioner er at fuldføre opløsningen af eventuelle usmeltede korn af chargeringsmaterialet, som er tilbage i den flydendegjorte strøm 28, som forlader smeltebeholderen 10. Det flydendegjorte materiale er på dette tidspunkt typisk kun delvis smeltet, idet 30 det omfatter usmeltede sandkorn og en væsentlig gasfor- mig fase. Ved en typisk soda-kalk-kvartssmelteproces ved anvendelse af carbonatchargeringsmaterialer og sulfater som raffineringshjælpemidler, består den gasformige fase hovedsagelig af carbonoxider og sulfuroxider.

Nitrogen kan ligeledes være tilstede fra indesluttet luft.

35 DK 168156 B1 12

O

Opløsningsbeholderen 11 tjener den funktion at fuldføre opløsningen af usmeltede partikler i det flydende-gjorte materiale, som kommer fra det første stadium, ved at tilvejebringe opholdstid ved et sted, der er isoleret 5 fra det nedenstrøms raffineringsstadium. En soda-kalk- -kvartsglasscharge bliver typisk flydende ved en temperatur på ca. 1200°C og kommer ind i opløsningsbeholderen 11 ved en temperatur på ca. 1200°C til ca. 1320°C, ved hvilken temperatur resterende usmeltede partikler sædvanligvis 10 bliver opløst, når de får en tilstrækkelig opholdstid. Opløsningsbeholderen 11 er vist i form af et vandret, langstrakt, ildfast bassin 30 med et ildfast loft 31 og med indløbet og udløbet ved dets modstående ender for at sikre tilstrækkelig opholdstid. Dybden af smeltet mate-15 riale i opløsningsbeholderen kan være forholdsvis ringe med henblik på at modvirke recirkulation af materialet.

Selvom tilførsel af væsentlig varmeenergi ikke er nødvendig til udøvelse af opløsningstrinnet, kan opvarmning fremskynde processen og således reducere størrelsen 20 af opløsningsbeholderen 11. Mere betydende foretrækkes det imidlertid at opvarme materialet i opløsningsstadiet for at hæve dets temperatur som forberedelse til det følgende raffineringsstadium. Maksimering af temperaturen til raffinering er fordelagtig med henblik på at formindske 25 glasviskositeten og forøge damptrykket af indesluttede gasser. Typisk anses en temperatur på ca. 1520°C for ønskelig til raffinering af soda-kalk-kvartsglas, men når der anvendes vakuum til at medvirke ved raffineringen, kan der anvendes lavere spidsraffineringstemperaturer, 30 uden at det går ud over produktets kvalitet. Det omfang, i hvilket temperaturerne kan reduceres, afhænger af vakuumgraden. Når raffinering skal udføres under vakuum ifølge den foreliggende opfindelse, behøver glastemperatur en derfor ikke at blive hævet til mere end f.eks.

35 1480°C og fortrinsvis til ikke mere end 1430°C og optimalt til ikke mere end 1370°C forud for raffinering. Spids- DK 168156 B1 13

O

temperaturformindskelser af denne størrelse medfører betydelig længere levetid af de ildfaste beholdere såvel’ som energibesparelser. Det flydendegjorte materiale, der kommer ind i opløsningsbeholderen, behøver således 5 kun at blive opvarmet moderat for at forberede det smeltede materiale til raffinering. Forbrændingsvarme-kilder ville kunne anvendes i opløsningsstadiet 11, men det har vist sig, at dette stadium er velegnet til elektrisk opvarmning, hvortil der kan være tilvejebragt 10 et antal elektroder 32, der som vist på tegningen strækker sig vandret gennem sidevæggene. Varme frembringes ved modstanden i selve smelten mod elektrisk strøm, der passerer mellem elektroderne, ved den metode, der sædvanligvis anvendes til elektrisk smeltet glas. Elektroderne 15 32 kan være af carbon eller molybdæn af den art, der er velkendt af fagmanden på området. Der kan være tilvejebragt et skumningselement 33 i opløsningsbeholderen for at forhindre eventuelt svømmende materiale i at nærme sig afgangsenden.

20 En ventil, som styrer strømmen af materiale fra opløsningsstadiet 11 til raffineringstadiet 12, består af en prop 35, der ligger aksialt ud for et taprør 36.

En stang 37 på proppen strækker sig gennem loftet 31 i opløsningsbeholderen for at tillade styring af mellem- 25 rummet mellem proppen 35 og røret 36 for derved at styre hastigheden af materialestrømmen til raffineringsstadiet.

Ventilrøret 36 kan være fremstillet af et ildfast metal såsom platin og er tætnende monteret i en åbning 44 ved

den øvre ende af raffineringsbeholderen. Selv om ventil-SO

arrangementet foretrækkes, kunne der være tilvejebragt andre midler til styring af strømningshastigheden af smeltet materiale til raffineringsstadiet, som det er kendt på området. Et eksempel ville være anvendelsen af opvarmnings- og/eller afkølingsorganer knyttet til taprøret 35 for således at variere viskositeten og dermed strømningshastigheden af det flydende materiale, som passerer derigennem.

DK 168156 B1 14

O

Raffineringsstadiet 12 består fortrinsvis af en lodret, opretstående beholder, som kan være af hovedsagelig cylindrisk udformning med en indvendig, keramisk ildfast foring, omsvøbt med et gastæt, vandkølet 5 svøb. Svøbet kan indbefatte et dobbeltvægget, cylindrisk sidevægselement 41 indeholdende en ringformet vandkanal og cirkulære endekølere 42 og 43. Ethvert egnet kølearrangement kan anvendes. Der kan være tilvejebragt et ikke vist isolationslag mellem foringen 40 og kappen 41.

10 Efterhånden som det smeltede materiale passerer gennem røret 36 og møder det reducerede tryk inden i raffineringsbeholderen, udvides rumfanget af de gasser, som er indesluttet i materialet, og skaber et skumlag 50, som hviler på en væskemasse 51. Underatmosfærisk tryk kan etableres 15 inden i raffineringsbeholderen gennem en vakuumledning 52, der strækker sig gennem den øvre del af beholderen.

En ledning 54 kan strække sig ind i den øvre del af raffineringsbeholderen med det formål at indføre skumbrydende midler i beholderen for det tilfælde, at der er behov for 20 yderligere skumbrydning. Et foretrukkent skumbrydende middel er vand, som kan sprøjtes på skummet enten kontinuerligt eller intermitterende.

Raffineret, smeltet materiale tappes fra bunden af raffineringsbeholderen 12 ved hjælp af et taprør 55 25 af et ildfast metal såsom platin. Taprøret 55 strækker sig fortrinsvis over overfladen af det ildfaste bundafsnit 56, inden i hvilket det er monteret, for at forhindre eventuelt nedbrudt, løst materiale i at komme ind i afgangsstrømmen. Bundafsnittet 56 kan være forsynet 30 med formindsket tykkelse i nærheden af røret 55 for at formindske den afkølende virkning på røret og derved tillade, at temperaturen af røret hæves for at forhindre størkning af materialet inden i røret. Lækage omkring røret forhindres med en vandkøler 57 under bund-35 afsnittet 56. Strømningshastigheden af smeltet metal fra taprøret 55 styres af et konisk drøvleelement 58, som DK 168156 B1 15

O

bæres på enden af en stang 59. Stangen 59 er knyttet til ikke viste mekaniske organer til at indstille højden af drøvleelementet 58 og således indstille mellemrummet mellem drøvleelementet 58 og røret 55 for at styre 5 strømningshastigheden derfra. En smeltet strøm 60 af raffineret materiale falder frit fra bunden af raffineringsbeholderen og kan føres til en ikke vist formningsstation, hvor materialet kan formgives til det Ønskede produkt. Raffineret glas kan f.eks. føres til et flyde-10 glasformningskammer, hvor det smeltede glas flyder på et bad af smeltet metal til dannelse af en plan glasplade.

Selvom der vil kunne anvendes forskellige faconer, er raffineringsbeholderen 12 fortrinsvis cylindrisk i udformning. Den cylindriske facon er fordelagtig med henblik 15 på konstruktion af en gastæt beholder. Forholdet mellem det indvendige overfladekontaktareal og rumfanget er ligeledes minimeret med et cirkulært tværsnit. Sammenlignet med et recirkuleringsraffineringsapparat af den art, der har en åben hærd, er der kun tale om en brøkdel 20 af det ildfaste kontaktareal ved den cylindriske vakuumraffineringsbeholder ifølge den foreliggende opfindelse.

Højden af smeltet materiale 51, som tilbageholdes i raffineringsbeholderen 12, er bestemt af det vakuumniveau, som påføres kammeret. Den tryksøjle, som 25 skyldes væskehøjde, må være tilstrækkelig til at etablere et tryk lig med eller større end atmosfæretrykket ved udløbet for at tillade materialet at løbe frit af fra beholderen. Højden vil afhænge af massefylden af det flydende materiale, som for soda-kalk-kvartsglas 30 ved temperaturer i raffineringsstadiet er ca. 2,3.

En højde over det minimum, som kræves til at overvinde vakuummet, kan være ønskelig for at tage hensyn til svingninger i atmosfæretrykket, for at tillade variation af vakuummet og for at sikre en stabil strøm gennem 35 udløbet. Ved de foretrukne udførelsesformer for den foreliggende opfindelse er der tilvejebragt en væsentlig DK 168156 B1 16

O

overskydende højde, så at udløbsstrømhastigheden ikke bestemmes af vakuumtrykket men i stedet for af de mekaniske ventilorganer. Et sådant arrangement tillader, at gennemgangshastigheden og vakuumtrykket varieres uaf-5 hængigt af hinanden. Alternativt vil trykket ved udløbet kunne være under atmosfæretryk, hvis udløbet er forsynet med pumpeorganer til at overvinde trykforskellen. Et eksempel på en pumpe, som er beregnet til brug med smeltet glas, er omhandlet i US patentskrift nr. 4.083.711, 10 hvortil der herved henvises.

Fordelene ved vakuum i raffineringsprocessen opnås gradvis. Jo lavere tryk des større fordel. Små trykreduktioner under atmosfæretryk kan give målelige forbedringer, men for økonomisk at retfærdiggøre vakuumkammeret fore-15 trækkes anvendelsen af væsentligt reducerede tryk. Således foretrækkes et tryk på ikke mere end en halv atmosfære til de kendelige raffineringsforbedringer, der meddeles sode-kalk-kvartsplanglas. Endnu bedre resultater opnås ved en tredjedel af en atmosfære eller mindre. En standard 20 soda-kalk-kvartssammensætning til klart planglas blev raffineret ved et absolut tryk på 100 torr og gav et produkt 3 med ét kim pr. 100 cm , hvilket er et kvalitetsniveau, der er acceptabelt til mange glasprodukter. Et raffineringstryk under 100 torr, f.eks. 20 til 50 torr, ville blive 25 foretrukket med henblik på at give en kommerciel flyde- 3 glaskvalitet med ca. ét kim pr. 1000 til 10.000 cm .

Kim mindre end 0,01 mm i diameter betragtes som uskelne-lige og er ikke inkluderet i kimtællingerne.

Opvarmningsorganet i det øvre rum i den foreliggende 30 opfindelse kan have form af en brænder 53, som strækker sig gennem den øvre køler 42 ind i raffineringsbeholderen 12 vist i fig. 1. Brænderen er fortrinsvis forsynet med med en vandkølet kappe for at forlænge dens levetid.

Selvom den nøjagtige mekanisme ved skumbrydning ikke er 35 fuldt forstået, antages det, at varme fra brænderen formindsker viskositeten af skummet og forøger rumfanget af DK 168156 B1 17

O

boblerne, idet begge dele tenderer mod at få boblerne i skummet til at briste. Når der arbejdes med tilstrækkelig stor flammehastighed, kan anslaget af flammen mod skummet få skumbobler til at briste. Når taprøret 36 5 er fremstillet af platin, anvendes fortrinsvis en oxiderende flamme for at undgå nedbrydning af platinet. Hvis der ikke er platin tilstede i det øvre rum i vakuumbeholderen, foretrækkes en reducerende flamme på grund af dens større tilbøjelighed til at få skummet til at falde sammen. 10 For at undgå at indføre nitrogen i anlægget fra forbrændingsluft foretrækkes det, at brænderen 53 fyres med oxygen. Nitrogen, som kunne blive indesluttet i glasset, har et forholdsvis stort fejlpotentiale i glas på grund af dets forholdsvis lille opløselighed i flydende glas.

15 Hvis man ønsker at undgå carbondioxid, en anden kilde til bobler i glas, kan hydrogen anvendes som brændsel. Vand, forbrændingsproduktet af hydrogen med oxygen, har en forholdsvis stor opløselighedsgrad i flydende gas. Det er ligeledes ønskeligt at undgå carbondioxid, fordi sænkning 20 af koncentrationen af carbondioxid i smelten er et af de sædvanlige formål for raffineringstrinnet, og det er derfor ønskeligt at holde partialtrykket af carbondioxid i det øvre rum i raffineringsbeholderen så lavt som muligt. Fjernelse af vand fra smelten er på den anden side 25 side sædvanligvis ikke et problem. Ligeledes vil en plasmabrænder kunne anvendes i stedet for brænderen 53 med bæregas, som er forholdsvis opløselig i glas såsom damp eller helium, oxygen og/eller hydrogen vil ligeledes kunne anvendes som plasmabæregasser. Plasmabrændere er kendte, 30 og et eksempel herpå er omhandlet i US patentskrift nr. 4.545.798, hvortil der herom henvises.

Kondenserbare forbrændingsprodukter fra brænderen 53 kan fjernes fra gassen, der udsuges fra vakuumkammeret gennem ledningen 52, for derved at formindske 35 det gasrumfang, som må transporteres af vakuumpumpen, hvilken igen gør det lettere at opnå lave tryk. Når en DK 168156 B1 18

O

væsentlig del af den udsugede gas består af vanddamp, såsom når brænderen 53 anvender hydrogen og oxygen, er kondensation af vanddampen speciel nyttig, eftersom det gasrumfang, der er tilbage efter kondensation, kan ® være meget lille. Der kan anvendes et konventionelt konden-satfældearrangement, hvorpå et eksempel er vist skematisk i fig. 2. Her er udsugningsledningen 52 forsynet med en vandkappe 67 for at beskytte en gasledning 61 mod de varme gasser, som passerer derigennem. En konventionel kappe-10 rørvarmeveksler 62 kan anvendes til at køle udsugningsgasserne. Ved det afbildede arrangement føres kølevand gennem kappen for at køle gasserne, der passerer gennem rørene. Gasserne afkøles til vandets dugpunkt ved det tryk, der er tilstede i vakuumanlægget, for således at kondensere 15 vanddamp fra gasserne. Kondenseret vand og eventuel resterende gas strømmer til et vandfældekammer 63, hvorfra gasserne passerer til en vakuumpumpe 64, og vandet afdrænes til en trykudligningssøjle 65, som strækker sig lodret til en opsamlingsbeholder 66 eller et afløb.

Hvis der forekommer aflejringer af faststoffer i et betydelig omfang på varmevekslerfladerne, kan det være fordelagtigt at lede gassen opad gennem varmeveksleren, så at kondenseret vand, der strømmer nedad, skyller aflejringerne ud fra varmevekslerens indgangsende.

Smelte- og raffineringshjælpemidler såsom sulfur-og fluorforbindelser indgår sædvanligvis i glascharger men frembringer en væsentlig del af uønskelige udledninger i afgangsgas fra glassmelteovnene. Deres elimination ville være Ønskelig, men for at opnå de højeste kvali-tetsniveauer, navnlig til planglasstandarder, har anven-' delsen af hjælpemidlerne været betragtet som nødvendige. Ydermere har sulfurkilder (f.eks. natriumsulfat, calciumsulfat) vist sig at forårsage overdreven skumning under vakuum. Typisk omfatter planglascharger natriumsulfat 35 i mængder på omkring 5 til 15 vægtdele pr. 1000 vægtdele af kvartskildematerialet (sand), idet ca. 10 vægt-

O

19 DK 168156 B1 dele anses for ønskelig for at sikre en tilstrækkelig raffinering. Når man arbejder ifølge den foreliggende opfindelse, har det imidlertid vist sig, at man må foretrække at begrænse natriumsulfat til 2 vægtdele 5 for at holde et håndterligt opskumningsniveau, og alligevel har det vist sig, at raffineringen ikke påvirkes skadeligt. Mest foretrukkent anvendes natriumsulfat med ikke mere end én del pr. 1000 dele sand, idet en halv del er et specielt fordelagtigt eksempel. Disse vægtforhold 10 er givet for natriumsulfat, mens det turde være klart, at man kan omsætte til andre sulfurkilder ved molvægtfor-hold. Udeladelse af enhver forsætlig tilsætning af raffineringshjælpemidler er ligeledes mulig, selvom spormængder af sulfur i nogle mineralchargematerialer sædvanligvis 15 bevirker, at der indføres noget sulfur i smelten.

20 25 30 35

Claims (13)

1. Fremgangsmåde til raffinering af glas eller lignende materiale, ved hvilken et rumfang af materialet i en smeltet tilstand tilbageholdes i en lukket beholder, hvor 5 et skumlag er til stede over det smeltede materiale, og der pålægges beholderen underatmosfærisk tryk for at medvirke til raffinering af materialet, kendetegnet ved opvarmning af et område inden i beholderen over det smeltede materiale for at fremskynde sammenfald af skummet.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at opvarmningen udføres ved forbrænding inden i beholderen.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at forbrændingen indbefatter en flamme, som er 15 rettet imod skummet.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 2 eller 3, kendetegnet ved, at forbrændingen opretholdes ved en oxiderende gas, hvis oxygenindhold er beriget over luftens oxygenindhold.

5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 2 til 4, 20 kendetegnet ved, at forbrændingen er af et i det mindste delvis carbonfrit brændsel.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at opvarmningen udføres med en plasmabrænder.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet 25 ved, at plasmaet anvender en bæregas udvalgt blandt gruppen bestående af damp, hydrogen, oxygen, helium og blandinger . heraf.

8. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at det underatmosfæriske 30 · tryk i det øvre rum ikke er mere end en halv atmosfæres tryk.

9. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at det udvendige af beholderen af kølet. 35 O 21 DK 168156 B1

10. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at yderligere smeltet materiale kommer ind i beholderen over niveauet for det tilbageholdte rumfang af smeltet materiale i beholderen.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at det yderligere smeltede materiale skummer, idet det kommer ind i beholderen.

12. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at forbrændingsprodukterne 10 indbefatter vand, og at vandet fjernes fra beholderen og kondenseres, mens det befinder sig under underatmosfærisk tryk.

13. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at materialet er soda- 15 -kalk-kvartsglas. 20 25 30 4 35