Rührvorrichtung zum Auflösen von Schlieren in einer Glasschmelze
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchrühren eines fließfähigen Mediums, insbesondere einer Glasschmelze. Solche Vorrichtungen sind häufig Bestandteil von Anlagen für das Erschmelzen, die Kristallisation oder das Läutern von anorganischen Substanzen, vor allem von Glas. Eine solche Anlage umfaßt im allgemeinen eine Schmelzwanne, einer dieser nachgeschaltete Läuterwanne sowie die hier in Rede stehende Vorrichtung, die dem Auflösen von Schlieren oder dem Konditionieren dient. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Homogenisieren einer Schmelze.
Eine solche Vorrichtung umfasst als wesentliche Bestandteile einen Rührbehälter, zum Beispiel einen Tiegel sowie einen Rührer, der in das im Rührbehälter befindliche Bad eintaucht.
Der Rührer ist stabförmig und im allgemeinen vertikal angeordnet. Er umfaßt einen Schaft sowie in seinem unteren Bereich einen Kern, der in der Regel völlig von der Schmelze umgeben ist. Der Kern ist im allgemeinen mit Rührerflügeln bestückt.
WO 9615071 A beschreibt die Homogenisierung von Glasschmelze mittels eines
Rührers in einem Zufuhrkanal. Dabei wird die Schmelze dadurch homogenisiert, dass die Richtung des Schmelzenstromes in der Rührzone ständig geändert wird. DD-298767A beschreibt eine Rührvorrichtung mit einem Rührer, der in ein zylindrisches Mischgefäß eintaucht. Der Rührer ist in zwei Rührarme unterteilt. Der Eintauchpunkt der beiden Rührarme in die Schmelze liegt dabei außerhalb der Symmetrieachse des Mischgefäßes.
SU-914510 B beschreibt eine Rühreinrichtung mit einem Rührer, der ein kegelstumpfförmiges Ende aufweist, dessen kleinerer Durchmesser sich unten befindet, und dessen größerer Durchmesser sich im Bereich des Spiegels der
Schmelze befindet. Dieser kegelige Kern des Rührers weist Flügel auf, die der
Glasschmelze eine Aufwärtsströmung verleihen. Dies soll zu einem Durchmischen von Oberflächenschichten führen.
US 5 006 145 A beschreibt einen Strömungskanal, der von einer Glasschmelze in horizontaler Richtung durchströmt wird. Bei dieser Vorrichtung können zwei oder mehrere Rührer nebeneinander angeordnet sein, mit Rührflügeln auf unterschiedlichen geodätischen Höhen. Über den gegenseitigen Abstand von Rührflügeln und/oder Rührerwellen ist nichts ausgesagt.
DE 199 35 686 A1 beschreibt einen Behälter, der von einer Glasschmelze von oben nach unten durchströmt ist. Hierbei ist jedoch nur ein einziger Rührer vorgesehen.
DE 1 471 832 A beschreibt Rührvorrichtungen, bei welchen mehrere Rührer mit Rührerflügeln vorgesehen sind. Die Rührerflügel befinden sich jedoch auf ein und derselben geodätischen Höhe. Ein gegenseitiges Überlappen findet nicht statt.
Die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Homogenisieren und Auflösen von Schlieren arbeiten nicht immer befriedigend. So kann man immer wieder beobachten, dass sich die Schlieren in der Rührzone verjüngen und mehr oder minder abbauen, dass sie sich jedoch nach Verlassen der Rührzone wieder verstärken. In einem solchen Falle muß die Drehzahl des Rührers erhöht werden. Dies kostet jedoch mehr Energie und führt auch nicht immer zum Ziel. Es hat außerdem weitere Nachteile. Die Rührer sind mit zunehmender Drehzahl anfällig gegen Verformung bei eintretenden Störungen durch ankommende Fremdkörper.
Insbesondere die Rührerflügel unterliegen einer größeren Verformung. Die Standzeiten der Rührer, der Rührerlager und der zugeordneten Antriebe sind verringert. Eine Steigerung der Drehzahl des Rührers führt zu dem sehr unerwünschten sogenannten Reboil-Effekt.
Abgesehen von diesen mechanischen Nachteilen wird die Sogwirkung im Rührbereich an der Tiegeloberfläche gesteigert. Dabei besteht die Gefahr des Lufteinzugs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Durchrühren und
Konditionieren eines fließfähigen Mediums, insbesondere einer Glasschmelze derart zu gestalten, dass die eigentlichen Aufgaben - nämlich das Konditionieren, Homogenisieren und Beseitigen von Schlieren - besser erfüllt, als bekannte Vorrichtungen. Außerdem soll die Vorrichtung sowie ein Verfahren in geringerem Maße als bekannte Vorrichtungen den mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in folgendem:
Es wird nicht nur ein einziger Rührer vorgesehen, sondern wenigstens zwei. Jeder Rührer weist in üblicherweise eine antreibbare Rührerwelle auf sowie Rührerflügel. Die Wellen sind parallel nebeneinander angeordnet, und die Rührerflügel sind auf ihrer zugehörenden Welle in einem gegenseitigen axialen Abstand angeordnet. Dabei ist die Anordnung derart getroffen, dass die
Rührerflügel des einen Rührers in die Zwischenräume zwischen zwei einander benachbarten Rührerflügeln eines anderen Rührers eingreifen.
Ein entscheidender Gedanke der Erfindung besteht in der Bemessung der Spalträume zwischen dem freien Ende des Rührerflügels eines der Rührer und der Welle eines benachbarten Rührers und/oder der Spalträume zwischen zwei einander benachbarten Rührerflügeln zweier verschiedener Rührer. Bemisst man die Weiten der betreffenden Spalte gemäß der Lehre der Erfindung, so ergibt sich eine hohe Scherwirkung. Die Schmelze vermag zwar noch die Spalte zu durchströmen, jedoch ist die Spalte derart eng, dass ein Scheren, Quetschen und
Homogenisieren stattfindet.
Hierzu wird der Schmelzefluß gezwungen, viele Male - entsprechend der Anzahl von Rührerflügeln sowie entsprechend der Drehzahl - seine Richtung zu ändern. Die Rührerflügel bewirken, dass Schmelzepartikel vom Bereich der Rührerwelle radial nach außen abströmen, sodann in den Überlappungsbereich zwischen einander benachbarten Rührerflügeln gelangen, und dort verwirbelt werden. Eine perfekte Homogenisierung ist die Folge.
Dies ist ganz besonders wichtig bei Spezialgläsern, die Boroxide aufweisen. Desgleichen bei leichtverdampfenden Alkalioxiden. Boroxide neigen nämlich an der Oberfläche des Schmelzespiegels zu einem starken Verdampfen, so dass ein effektives Rühren dringend notwendig ist.
Dies ist besonders wichtig bei Gläsern für Displays. Diese benötigen nämlich höhere Temperaturen beim Schmelzen, Läutern und Homogenisieren, was die Verdampfung steigert und die Glaszusammensetzung lokal in unerwünschter
Weise verändert.
Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft anwenden für die Herstellung von Gläsern für TFT-Displaysubstrate, die alkalifrei sein müssen, als auch für PDP- Displaysubstrate, die Alkalioxide enthalten können. Die Glasqualität wird wesentlich verbessert, und die sogenannte Welligkeit (waviness) wird vermieden.
Eine erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung hat jedoch auch die weiteren Vorteile:
* Geringere Reboilanfälligkeit (Reboilanfälligkeit ist direkt proportional der Rührerdrehzahl).
* Geringere Anfälligkeit des Rührers (bei Edelmetall-Rührteilen) gegen Deformation bei eintretenden Störungen durch ankommende Fremdkörper. * Deutliche geringere Deformation der Rührerflügel.
* Längere Laufzeiten der eingesetzten Rührer.
* Minimierte Sogwirkung des Rührers von der Tiegeloberfläche.
* Geringere Belastung der Rührerlager und der Antriebe.
* Geringerer Energieaufwand.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Anlage zum Erschmelzen, Läutern und Konditionieren von Glas in einer schematischen Darstellung mit einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung.
Figur 2 zeigt in schematischer Ansicht eine Rührvorrichtung mit zwei zueinander parallelen Rührerwellen und mit scheibenförmigen Rührerflügeln in Seitenansicht
Figur 3 zeigt schematisch zwei scheibenförmige Rührerflügel von Figur 2 in Draufsicht.
Figur 4 zeigt in einer Ansicht ähnlich jener gemäß Figur 3 fünf scheibenförmige Rührerflügel.
Figur 5 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Rühranlage von U-förmiger Gestalt.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 2 mit Veranschaulichung der erfindungsgemäß entscheidenden Spalte I und II.
Die in Figur 1 gezeigte Anlage umfaßt einen Schmelztiegel A, einen Läutertiegel B sowie eine erfindungsgemäße Rührvorrichtung C.
Im Schmelztiegel A wird in üblicherweise sogenanntes Gemenge oder Glasscherben oder beides eingetragen und erschmolzen. Die Schmelze wird sodann mittels einer Rinne 1 zum Läutertiegel B überführt, aus welchem kleinere Blasen hochsteigen und abgeführt werden und von dort über eine Rinne 2 zur
Rührvorrichtung C. Die Rührvorrichtung dient dem Homogenisieren, Konditionieren und Beseitigen von Schlieren. Die Rührvorrichtung C umfaßt einen Rührbehälter 3 und drei Rührer 4, 5, 6.
Es versteht sich, dass statt eines Tiegels auch ein größeres Aggregat, beispielsweise eine Wanne, verwendet werden kann.
Dabei arbeiten die Rührer 4, 5, 6 wie folgt zusammen: Jeder Rührer weist eine Rührerwelle sowie eine Anzahl von scheibenartigen Rührerflügeln auf. Wie man sieht, greifen die Rührerflügel eines der Rührer verzahnungsartig in die Zwischenräume zwischen den Rührerflügeln eines anderen Rührers.
Dies ergibt sich genauer aus den nachfolgenden Figuren.
Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen eine Rührvorrichtung mit zwei Rührern 4, 5 - im Gegensatz zu der in Figur 1 gezeigten Rührvorrichtung.
Rührer 4 weist eine Rührerwelle 4.1 auf, Rührer 5 eine Rührerwelle 5.1. Jeder Rührer ist bestückt mit Rührerflügeln 4.2, 5.2. Die Rührerflügel sind im vorliegenden Falle scheibenförmig, was man aus Figur 3 erkennt.
Die beiden Rührer 4, 5 befinden sich in einem Rührbehälter 3. Dieser weist einen Schmelzeeinlaß 3.1 und einen Schmelzeauslaß 3.2 auf.
Dies gilt auch für die Ausführungsform gemäß Ziffer 2.
Aus Figur 3 erkennt man folgendes: Die scheibenförmigen Rührerflügel 4.2 und 5.2 weisen einen Überlappungsbereich auf - hier schraffiert. Ferner erkennt man die Drehrichtung der Rührer. Beide Rührer 4, 5 drehen nämlich im Uhrzeigersinn.
Dies wirkt sich wie folgt aus: Im Überlappungsbereich einer Rührerscheibe 4.2 und einer Rührerscheibe 5.2 hat ein Flächenelement der Rührerscheibe 4.2 in der Nähe der Rührerwelle 4.1 eine geringe Umfangsgeschwindigkeit. Ein Flächenelement der Rührerscheibe 5.2 hingegen hat im Umfangsbereich eine relativ hohe Umfangsgeschwindigkeit.
Umgekehrt ist es im Bereich der Rührerwelle 5.1. Dort hat ein Flächenelement der Rührerscheibe 4.2 eine hohe Umfangsgeschwindigkeit, und ein Flächenelement der Rührerscheibe 5.2 eine geringe Umfangsgeschwindigkeit.
In der Mitte des Überlappungsbereiches - das heißt genau hälftig zwischen den beiden Rührerwellen 4.1 , 5.1 -, ist die Umfangsgeschwindigkeit von dort befindlichen Flächenelementen der beiden Rührerscheiben 4.2, 5.2 gleich groß.
Dies bedeutet, dass die Summe aus den Umfangsgeschwindigkeiten von einander gegenüberliegenden Flächenelementen zweier einander benachbarter Scheiben 4.2, 5.2 - in radialer Richtung gesehen - gleich groß ist. Die Scherkräfte, die auf ein Volumenelement der Glasschmelze einwirken, sind somit über den Überlappungsbereich in radialer Richtung gesehen gleich groß. Dies bedeutet, dass jedes Volumenelement der Glasschmelze gleich behandelt wird. Dies ist wünschenswert im Interesse eines guten Energiewirkungsgrades.
Die beiden Rührerwellen könnten aber stattdessen auch in entgegengesetztem Drehsinn angetrieben werden. So könnte die Rührerwelle 4.1 im Uhrzeigersinne umlaufen, so wie hier dargestellt, und die Rührerwelle 5.1 im Gegenzeigersinn.
Die Darstellung gemäß Figur 4 entspricht jener gemäß Figur 3. Sie zeigt jedoch fünf scheibenförmige Rührerflügel, nämlich 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 und 4.6. Alle Rührerflügel gehören zu fünf Rührern, die hier nicht weiter dargestellt sind. Alle Rührer sind im vorliegenden Falle im wesentlichen gleich aufgebaut. Sie könnten sogar identisch aufgebaut sein. Dabei ist der Rührer mit den Rührerscheiben 4.2 zentral angeordnet, und die Rührer mit den Rührerscheiben 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 sind
symmetrisch um den erstgenannten Rührer pianetenartig herumgruppiert. Es können natürlich auch mehr oder weniger als vier äußere Rührer vorgesehen sein, die um einen zentralen Rührer herumgruppiert sind.
Bezüglich der Drehzahlen sind alle Variationsmöglichkeiten denkbar.
Statt der scheibenförmigen Rührer sind auch stabförmige Rührer denkbar, oder Rührer, die die Gestalt einer Schaufel einer Kaplanturbine aufweisen, oder der Schaufel einer Schiffsschraube. Auch können in jedem Falle die Rührerflügel mit Vorsprüngen, Noppen, Aussparungen versehen sein. Sie können auch eine unregelmäßige Gestalt haben, beispielsweise in einem Axialschnitt gesehen wellenförmig gestaltet sein.
Die erfindungsgemäße Rührvorrichtung ist besonders gut geeignet zum Aufbereiten von Glasschmelzen die Boroxide oder Alkalioxide oder Boroxide und
Alkalioxide enthalten.
Der Abstand zwischen einander benachbarten Rührerflügeln kann sehr gering sein, beispielsweise nur 2 bis 5 bis 10 mm.
Auch können die Rührerwellen mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar sein, und zwar sowohl von Rührerwelle zu Rührerwelle, als auch über den Verlauf eines Rührvorganges. Auch hier werden können die Rührerwellen mit unterschiedlichen Richtungen angetrieben werden.
Figur 5 veranschaulicht eine Rühranlage, die in Seitenansicht dargestellt und U- förmig ist.
Die Anlage ist im Einzelnen wie folgt aufgebaut: Im linken Teil der Figur befindet sich ein Einlassabschnitt 10. Dieser verläuft horizontal. Es folgt ein vertikaler, nach unten führender Abschnitt 11 , ein
horizontaler Abschnitt 12, ein nach oben führender vertikaler Abschnitt 13, und ein Auslassabschnitt 14.
Alle Abschnitte sind im Querschnitt kreisrund. Sie könnten jedoch auch einen anderen Querschnitt haben, beispielsweise einen eckigen. Die Wandungen der Anschnitte 11 , 13 können aber auch derart gestaltet sein, dass sie die Rührvorrichtungen 4a und 5a bzw. 4b und 5b mehr oder minder eng umhüllen und Konturen haben, die den Flugkreisen der Rührerflügel entsprechen. Siehe in Figur 5 die Schnittansicht A-A.
Im ersten, vertikalen Abschnitt 10 befindet sich eine erste Rührvorrichtung 4a, 5a und im zweiten vertikalen Abschnitt 13 befindet sich eine zweite Rührvorrichtung 4b, 5b.
Die Rührvorrichtungen 4a, 5a und 4b, 5b können gleich oder ähnlich wie die
Rührvorrichtungen 4 und 5 von Figur 2 gestaltet sein. Die Rührerwellen dieser Vorrichtungen sind oben fliegend gelagert.
Der Einlassabschnitt 10 kann einen einzigen Schmelzestrom aufnehmen. Es ist aber auch möglich, zwei oder mehrere Glasströme unterschiedlicher
Zusammensetzung und/oder Konsistenz einzuleiten. Das Ziel ist in jedem Falle die perfekte Durchmischung und Homogenisierung des einzelnen beziehungsweise der Glasströme.
Figur 6 dürfte das Wesen der Erfindung noch am besten veranschaulichen.
Man erkennt wiederum zwei Rührer 4 und 5 im Ausschnitt. Rührer 4 weist eine Rührerwelle 1.1 und Rührerflügel 4.2 auf. Rührer 5 weist eine Rührerwelle 2.1 und Rührerflügel 5.2 auf.
Man erkennt zwei Spalte I und II.
Spalt ! liegt zwischen dem freien Ende eines der Rührerflügel 5.2 des Rührers 5 und der Welle 1.1 des Rührers 4 vor.
Spalt II befindet sich zwischen den beiden einander benachbarten Rührerflügeln 4.2 und 5.2 der beiden Rührer 4 und 5.
Die Spalte I und I! sind in einer ganz bestimmten Weise bemessen. Wenigstens auf einen der beiden Spalte I, II trifft die folgende Bedingung zu:
Der betreffende Spalt ist mindestens so groß, dass ein Anschlagen oder Berühren der einander zugewandten Bauteile (Welle-Rührerflügelende beziehungsweise Rührerflügel-Rührerflügel) unterbleibt, und dass in jedem Falle noch eine Schmelzeströmung durch den betreffenden Spalt hindurch stattfindet. Der Spalt hat jedoch auch ein bestimmtes Höchstmaß. Dieses sorgt dafür, dass noch ein Quetschen oder Scheren des Schmelze-Partialstromes, und damit ein
Homogenisieren, stattfindet.
Dabei spielt Spalt l eine größere Rolle, als Spalt II.
Als maximale Spaltweiten haben sich die Werte von 50 oder weniger mm erwiesen. Praktikabel sind alle darunterliegenden Werte, das heißt zum Beispiel 40, 30, 20, 10, 5, 1 und noch weniger mm.
Alle diese Maßnahmen tragen zu einem hervorragenden Ergebnis bei. Dies betrifft insbesondere Gläser, die bei hohen Temperaturen von beispielsweise 1100° C zum Verdampfen neigen. Hierzu gehören vor allem borhaltige Gläser.