DE10046709A1 - Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze - Google Patents
Vorrichtung zum Läutern einer GlasschmelzeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze; mit einem Blasenspender zum Erzeugen von Gasblasen von einer externen Gasquelle sowie zum Einleiten dieser Gasblasen in die Schmelze; mit einer dem Blasenspender vorgeschalteten Druckgasquelle; der Blasenspender umfaßt einen Porenkörper mit offenen Poren.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Läutern von anorganischen
Verbindungen in geschmolzener Form, insbesondere von Glasschmelzen.
Bei der Herstellung von Glas ist es erforderlich, dem Schmelzprozeß einen
Läuterprozeß nachzuschalten. Dabei hat das Läutern die Aufgabe, das
erschmolzene Glas von physikalisch und chemisch gebundenen Gasen zu
befreien. Die Gase müssen entfernt werden, um die Qualität des
Endproduktes nicht zu beeinträchtigen.
Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zum Läutern
bekanntgeworden. Dabei gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten, die
gemeinsam oder voneinander getrennt angewandt werden können.
Bei chemischen Läuterverfahren werden der Glasschmelze chemische
Läutermittel zugesetzt. Als Läutermittel werden As2O3, Sb2O3, Na2SO4, NaCl
und deren Mischungen eingesetzt. Diese Stoffe zersetzen sich in einem für
sie typischen Temperaturbereich, unter Bildung von gasförmigen
Bestandteilen (Sauerstoff, Schwefeldioxid, Salzsäure). Ein Problem besteht
darin, daß die Blasenbildung im wesentlichen durch die
Zersetzungstemperatur festgelegt ist und kaum beeinflusst werden kann.
Wünschenswert ist es aber, Blasen an bestimmten Orten gezielt entstehen
lassen zu können.
Die Verwendung von arsen- oder antimonhaltigen Läutermitteln stellt
hinsichtlich der Umweltverträglichkeit, sowohl beim Schmelzprozeß als
auch im Produkt, ein Problem dar. Angestrebt werden Verfahren, die auf
den Zusatz von toxischen Stoffen verzichten und bei denen keine
umweltgefährdeten Stoffe freigesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit, Gasbestandteile aus der Schmelze auszutreiben,
besteht darin, daß Gasblasen durch Einblasen eines externen Gases gezielt
in die Schmelze eingebracht werden (Düsenblasverfahren, Bubbling) und
einen Stoffaustausch bewirken. Aufgrund der Größe der Blasen wird in
erster Linie eine Konvektion in der Schmelze erzwungen. Als treibende Kraft
für den Stofftransport aus der Schmelze in die Blase wirkt der
Konzentrationsunterschied zwischen der in der Schmelze gelösten Gase
und der Konzentration des Gasen in der Blase. Das Eindiffundieren von
gasförmigen Bestandteilen ist mit einem Wachstum der Blase verbunden,
das zur Erhöhung der Aufstiegsgeschwindigkeit führt. Ein sehr effektiver
Stoffaustausch zwischen Schmelze und Blase wird durch eine große
spezifische Oberfläche (sehr viele kleine Blasen) erreicht. Da Blasen, die
durch Düsen in die Schmelze eingebracht werden, einen großen
Durchmesser aufweisen (∅ ∼ 10 cm bis 30 cm), ist der Stoffaustausch und
damit die Läuterwirkung realtiv gering (kleine spezifische Oberfläche).
Beispiele für rein physikalische Läuterverfahren mit dem Einführen von
externem Gas und Erzeugen von Gasblasen hieraus sind in DE 199 35 686
A1, DE 43 13 217 C1 und EP 0 915 062 A1 beschrieben. Als Bubblinggase
werden Luft oder Sauerstoff eingesetzt.
In EP 0 915 062 A1 wird zwar beschrieben, daß durch Variation des
Wassergehaltes im Bubblinggas die Blasengröße beeinflußt werden kann,
doch ist die Beeinflußbarkeit begrenzt und bei normalen
Schmelzviskositäten können bei Verwendung konventioneller
Bubblingdüsen mit einer Gasöffnung im Bereich 0,1 bis 10 mm kaum
Blasendurchmesser unter 5 cm erreicht werden. Außerdem führt die
Wasseratmosphäre in den Bubblinggasen eventuell zu negativen
unerwünschten Effekten wie Wasseranreicherungen in der Glasschmelze,
die die Glaseigenschaften negativ beeinflussen können.
Es hat nicht an Bemühungen gefehlt, die Größe der Gasblasen des extern
eingeblasenen Gases zu minimieren. Dies hat sich jedoch als sehr
schwierig erwiesen. Die Viskosität und die Oberflächenspannung der
Glasschmelze sorgen nämlich dafür, daß die Blasengröße nicht unter einen
bestimmten Wert abgesenkt werden kann. Außerdem stößt die Minimierung
der Blasengröße auf rein mechanische Grenzen. Es läßt sich nämlich nur
eine bestimmte Zahl von Düsen kleinen Durchmessers auf der zur
Verfügung stehenden Fläche unterbringen. Es hat sich ferner folgendes
gezeigt: Auch wenn es gelingt, mit großem apparativen Aufwand Blasen
relativ kleinen Durchmessers zu erzeugen, so lagern sich diese gleich nach
ihrer Bildung aneinander an, so daß hieraus wieder größerere Blasen
entstehen. Es ist somit mit den bisherigen Mitteln nicht möglich, nachhaltig
eine Vielzahl kleiner Blasen zu erzeugen.
Zusammenfassend läßt sich folgendes feststellen: Bubbling-Vorrichtungen
der genannten Art haben zwar den Vorteil, daß sie frei von Toxizität sind.
Sie sind jedoch in der Praxis nicht wirklich effektiv und müssen häufig noch
zusätzlich von chemischen Läutermitteln unterstützt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Läutern
von Schmelzen aus keramischen sowie aus metallischen Materialien,
insbesondere von Glasschmelzen anzugeben, die die Nachteile der
chemischen Läutermittel nicht aufweisen, die über eine effektive Läuterung
erbringen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfinder haben zunächst erkannt, daß aus externem Gas gebildete
Blasen erst dann Bestand in der Schmelze haben, wenn eine gewisse
Kleinheit erreicht wird. Die Blasengröße muß nur genügend stark minimiert
werden. Eine dramatische Absenkung des Blasendurchmessers gegenüber
den bisher erzielten Werten führt zu einer relativ stabilen Blasenbildung.
Der zweite Schritt besteht gemäß der Erfindung in der Wahl eines
geeigneten Blasenspenders zum Erzeugen der genannten Mini-Gasblasen
sowie zu deren Einleiten in die Schmelze. Ein solcher Spender besteht aus
einem Porenkörper - siehe die Beschreibung sowie die Ansprüche.
Das Material des Porenkörpers kann von jeglicher Art sein. Zwei wichtige
Hauptgruppen sind Körper aus keramischen Materialien sowie Körper aus
Metallen.
Dabei kommen verschiedene Herstellungsarten in Betracht, die zu
unterschiedlichen Strukturen der Porenkörper führen. Verwendet man
keramische Materialien, so kommen in erster Linie Fritten in Betracht.
Verwendet man metallische Materialien, so können Strukturen aus Gewebe,
Geflechten, Netzen oder Gittern gewählt werden.
Wird Metall als Material des porösen Körpers verwendet, so hat sich in der
Praxis folgendes gezeigt:
Porös gesinterte Fritten, Ronden oder Rohre mit poröser Wandung aus
Refraktär-Metallen vornehmlich aus Legierungen auf Basis von Wolfram,
Molybdän, Platin, Iridium und Rhodium können dazu eingesetzt werden,
gezielt kleine Blasen in die Glasschmelze zu erzeugen, die den
Läuterprozeß der Schmelze unterstützen. Die untersuchten Fritten weisen
eine Porösität von 10% bis 40% auf und besitzen eine Porengröße von 5 µm
bis 30 µm. Das Sintern von Wolfram und Molybdän bei 1900°C bzw. bei
1800°C führt dazu, daß im Einsatz in der Glasschmelze bei Temperaturen
unterhalb ∼1600°C kein Nachsintern zu erwarten ist. Das Dichtsintern von
Platin-Rhodium-Legierungen und Rhodium beim Einsatz in der
Glasschmelze kann ebenfalls verhindert werden, wenn die Fritten in
entsprechender Weise bei Temperaturen oberhalb 1600°C gesintert
werden. Zusätzlich erweisen sich Platin-Rhodium-Legierungen mit einem
hohen Rhodium-Anteil (< 20 Gew.-%) in der Anwendung bei Temperaturen
um 1500°C stabil gegenüber dem Nachsintern in der Glasschmelze. Die
Stabilität gegen Nachsintern der Edelmetallfritten hängt ab von der
Ausgangskorngröße des Edelmetallpulvers und der Sintertemperatur. Reine
Rhodium Fritten weisen die höchste Stabilität auf.
Blasen können auch mit durchströmten dicht gewebten Netzkörpern aus
Platin-Rhodium-Legierungen erzeugt werden. Der Netzkörper ist aus
mehreren Netzschichten aufgebaut. Die einzelnen Schichten besitzen
unterschiedliche Maschenweiten. Die der Glasschmelze zugewandte Seite
weist die geringste Maschenweite auf (< 1 µm). Die darunter liegenden
Schichten dienen als Trag- und Stützkonstruktion. Ein Dichtsintern kann
ebenfalls verhindert werden, wenn zuvor bei hohen Temperaturen geglüht
wird und Legierungen mit einem hohen Rhodium-Anteil eingesetzt werden.
Ein Vorteil von Fritten oder Netzkörpern aus Platin-Rhodium-Legierungen
gegenüber Wolfram und Molybdän stellt die geringe Unempfindlichkeit
gegenüber Oxidation durch Sauerstoff dar.
Ein Verschließen der Poren durch Infiltration mit schmelzflüssigem Glas
wird nicht beobachtet. Durch direkten Stromfluß (Widerstandsbeheizung)
kann die Fritte oder der Netzkörper zusätzlich beheizt werden, so daß die
Viskosität des Glases an der Grenzfläche weiter herabgesetzt werden kann
und die Bildung von kleineren Blasen bevorzugt ist.
Untersuchungen durchströmter Fritten und Netzkörper wurden in einer
Modellflüssigkeit (PEG/Wasser) durchgeführt. Die Viskosität der
Modellflüssigkeit wurde über einen weiteren Bereich variiert, und
überdeckte den Bereich der Viskosität einer Glasschmelze (η ∼ 1 Pas bis η
∼ 10 Pas). Blasen mit einem Durchmesser von ∼ 1 mm bis ∼ 20 mm
werden gebildet, und können durch den Durchfluß bzw. durch den
Arbeitsdruck eingestellt werden.
Die Vorteile der Anwendung von metallischen Materialien gegenüber
keramischen Materialien liegen im folgenden:
- - Verglichen mit porösen keramischen Fritten zeigen Fritten aus Mo, W oder Edelmetallen eine gute Korrosionsbeständigkeit in der Glasschmelze, und können zusätzlich im direkten Stromfluß (Widerstandsbeheizung) beheizt werden.
- - Besonders vorteilhaft sind Edelmetallfritten oder Netzkörper, da sie den Einsatz von Sauerstoff haltigem Spülgas erlauben.
Insgesamt gesehen weist die Erfindung die folgenden Vorteile auf:
- - Örtlich gezieltes Einbringen von kleinen Blasen.
- - Schaffung einer großen spezifischen Kontakt- bzw. Austauschfläche zwischen Blase und Schmelze - gute Läuterwirkung.
- - Hinsichtlich der Entwicklung von Unterdruckläuterverfahren hat diese Methode Anwendungspotential. Diese Methode kann genutzt werden, um kleine Blasen, die als Keimbildner wirken, vor dem Einlauf der Unterdruckeinheit in die Schmelze einzubringen.
- - Kein Einbringen oder Freisetzen von toxischer oder umweltgefährdeter Stoffe.
Die folgende Tabelle gibt praktische Erfahrungen wieder, die mit
unterschiedlichen keramischen Materialien gemacht wurden:
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen erläutert. Darin ist im einzelnen
folgendes dargestellt:
Fig. 1 zeigt ein Läutergefäß in Gestalt eines Platintiegels mit
scheibenförmigem Porenkörper.
Fig. 2 zeigt ein Läutergefäß, wiederum in Gestalt eines Platintiegels,
mit einem Porenkörper in Gestalt eines Rohres.
Fig. 3 zeigt eine Anlage zum Erschmelzen und Läutern mit einem
porösen Läuterwannenboden.
Fig. 4 zeigt eine Anlage zum Erschmelzen und Läutern mit porösen
Bubbling-Rohren.
Der in Fig. 1 gezeigte Tiegel 1 enthält eine Glasschmelze. Er weist einen
Porenkörper 2 auf, der eine plattenförmige Gestalt hat. Der Porenkörper 2
ist als Kreisscheibe ausgebildet und sitzt in einer entsprechenden
Aussparung im Platintiegel 1. Er ist an seinem Umfang durch einen
Feuerfestkleber gegen den Boden des Platintiegels 1 abgedichtet.
Der Porenkörper 2 ist an einem hier nicht gezeigten Druckgasbehälter über
eine Zuleitung 4 angeschlossen. Der Druckgasbehälter enthält
beispielsweise Druckluft oder Sauerstoff.
Der in Fig. 2 gezeigte Platintiegel 1 ist mit einem Porenkörper versehen,
der die Gestalt einer Hülse aufweist. Die Hülse ist an ihrem oberen Ende
abgeschlossen, und an ihrem unteren Ende offen, so daß wiederum über
eine Zuleitung 4 Gas in das Innere der Hülse 2 eingeführt werden kann.
Auch hier ist wiederum ein Feuerfestkleber 3 als Abdichtung vorgesehen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist einer Läuterwanne 1 eine
Einschmelzwanne 5 vorgeschaltet. Die Läuterwanne 1 weist einen porösen
Boden 2 auf. Dieser Boden stellt somit den Porenkörper gemäß der
Erfindung dar.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist einer Läuterwanne 1 wiederum
eine Einschmelzwanne 5 vorgeschaltet. Die Läuterwanne 1 ist mit
Trennwänden 1.1, 1.2, 1.3 versehen, die den Innenraum der Läuterwanne 1
in Kammern unterteilen. Am Boden der Kammern liegen Rohre 2 aus
porösem Material. Diese dienen als Bubbling-Rohre gemäß der Erfindung.
Diese laufen im folgenden Falle horizontal.
Es kann auch vorteilhaft sein, bereits in der Einschmelzwanne das
Feinbubbling einzusetzen, um direkt beim- Einschmelzen Gase hiermit
auszutreiben.
Ideale Bubbling-Läutergase sind Sauerstoff oder Helium. Sowohl Sauerstoff
als auch Helium sind Gase, die von der Schmelze selbst nach der Phase
des Bubbling sehr gut resorbiert werden können und damit gute
Blasenqualitäten ermöglichen. Insbesondere bei metallischen Fritten kann
Helium von Vorteil sein, da es keine oxidierende Wirkung auf das
Frittenmaterial hat.
Claims (15)
1. Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze;
- 1. 1.1 mit einem Blasenspender zum Erzeugen von Gasblasen von einer externen Gasquelle sowie zum Einleiten dieser Gasblasen in die Schmelze;
- 2. 1.2 mit einer dem Blasenspender vorgeschalteten Druckgasquelle;
- 3. 1.3 der Blasenspender umfaßt einen Porenkörper mit offenen Poren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Poren des Porenkörpers 2 einen mittleren Durchmesser von weniger
als 0,5 mm haben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Poren des Porenkörpers 2 einen mittleren Durchmesser von weniger
als 100 µm haben.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Porenkörper 2 scheiben- oder
propfenförmig ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch die folgenden Merkmale:
- 1. 5.1 der Porenkörper (2) ist hülsenförmig;
- 2. 5.2 der Porenkörper (2) ist derart in ein Läutergefäß (1) einbaubar, daß er in die Schmelze hineinragt;
- 3. 5.3 der Porenkörper (2) ist mit seinem einen Ende an die Druckquelle anschließbar, während sein anderes Ende geschlossen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Porenkörper (2) aus porösem Material
besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Porenkörper (2) eine Geflecht-, Gewebe-,
Netz- oder Gitterstruktur aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Porenkörper (2) aus keramischen Material
besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Porenkörper (2) aus einem der folgenden Materialien besteht:
Silicium-Carbid
Aluminium-Oxid
Silicium-Dioxid
Aluminium-Sllicat
Silicium-Carbid
Aluminium-Oxid
Silicium-Dioxid
Aluminium-Sllicat
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Porenkörper (2) aus einem Metall besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Porenkörper (2) aus einem der folgenden Metalle besteht:
Wolfram
Molybdän
Platin
Iridium
oder einer Legierung aus diesen Metallen.
Wolfram
Molybdän
Platin
Iridium
oder einer Legierung aus diesen Metallen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Porenkörper (2) elektrisch beheizbar ist.
13. Anlage zum Läutern einer Glasschmelze;
- 1. 13.1 mit einem Läutergefäß;
- 2. 13.2 mit einem Blasenspender zum Erzeugen von Gasblasen von einer externen Druckgasquelle sowie zum Einleiten der Gasblasen in die Schmelze;
- 3. 13.3 der Blasenspender umfaßt einen Porenkörper (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Vorrichtung und Verfahren zum Läutern einer Glasschmelze nach
Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Bubblinggas
Sauerstoff verwendet wird.
15. Vorrichtung und Verfahren zum Läutern einer Glasschmelze nach
Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Bubblinggas
Helium verwendet wird.
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AT01117249T ATE327208T1 (de) | 2000-09-01 | 2001-07-17 | Vorrichtung zum läutern einer glasschmelze |
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