DE10202024B4

DE10202024B4 - Vorrichtung und Verfahren zum kontaminationsarmen Schmelzen einer Substanz

Info

Publication number: DE10202024B4
Application number: DE10202024A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Leister; Ernst-Walter Schäfer; Leopold Eichberg; Volker Ohmstede; Stephen Krenitzky; Werner Dr. Kiefer; Sybill Dr. Nüttgens; Uwe Dr. Kolberg; Roland Dr. Schnabel; Hildegard Dr. Römer; Karl Dr. Mennemann; Guido RÄKE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2022-01-19
Also published as: DE10202024A1

Abstract

Vorrichtung (1, 101, 201, 301) zum Schmelzen einer Substanz, insbesondere zum Schmelzen von hochreinem, agressivem und/oder hochschmelzendem Glas oder Glaskeramik, umfassend
einen Einschmelztiegel (10),
eine Sendeeinrichtung (30) für elektromagnetische Strahlung, wobei mittels der Strahlung Energie in eine, in dem Einschmelztiegel (10) anordenbare Schmelze (40) einkoppelbar ist und
eine Mischeinrichtung oder Homogenisierungseinrichtung (50, 150, 250, 350, 350'), wobei die Mischeinrichtung oder Homogenisierungseinrichtung (50, 150, 250, 350, 350') dem Einschmelztiegel (10) zugeordnet ist, wobei die Mischeinrichtung oder Homogenisierungseinrichtung eine Einrichtung zum Einleiten von Gas oder Gasblasen (52) in die Schmelze (40) mit einer oder mehreren Gasdüsen (50) umfasst, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (58) zum Durchstoßen einer an der Tiegelwandung (12, 14) über einer Auslassöffnung (56) der Gasdüse(n) (50) befindlichen festen Skullschicht (42, 42a).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontaminationsarmen Schmelzen einer Substanz im allgemeinen und zum Schmelzen von insbesondere hochreinem, aggressivem und/oder hochschmelzendem Glas oder Glaskeramik im speziellen.
In traditionellen Schmelzverfahren wird Glas kontinuierlich in einem Platintiegel oder in feuerfesten Wannen geschmolzen. Nachteilig ist hierbei, dass durch das Platin Anteile an die Schmelze abgegeben werden und die feuerfesten Wannen nur kurze Standzeiten aufweisen. Die angestrebte hochreine Glasqualität kann hierbei nicht erzielt werden.
Es sind auch Verfahren bekannt, bei welchen Glas in Schmelzwannen kontinuierlich geschmolzen und entnommen wird. Hierbei schließen sich, um qualitativ hochwertiges Glas zu erhalten, gegebenenfalls eine Läuterrinne und eine Homogenisierungs-Einrichtung oder -wanne an die Schmelzwanne an.
Bei beiden genannten Verfahren, diskontinuierlich oder kontinuierlich, werden der Schmelztiegel bzw. die Schmelzwanne, z. B. mit einem Brenner von außen erhitzt und die Wärme wird an die im Inneren befindliche Schmelze konduktiv weitergeleitet. Dabei besteht ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Schmelze und dem Tiegel bzw. der Wanne. Dies weist eine Reihe von Nachteilen auf.
Zunächst ist die maximale Schmelzentemperatur durch das Tiegel- bzw. Wannenmaterial begrenzt. Üblicherweise bestehen daher der Schmelztiegel bzw. die -wanne sowie gegebenenfalls die Läuterrinne und die Homogenisierungswanne aus Platin, welches eine relativ hohe Schmelztemperatur und relativ gute Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Ferner wird der Platin-Schmelztiegel bzw. die Platin-Schmelzwanne, aber auch die Läuterrinne und die Homogenisierungswanne durch die Glasschmelze angegriffen und korrodiert.
Allerdings verursacht Platin nachteiligerweise Kontaminationen oder Verunreinigungen in dem Glas, welche die optischen Eigenschaften, insbesondere die Transmission verschlechtern, weshalb diese konduktiv heizenden Verfahren für hochreine Gläser höchstens beschränkt anwendbar sind. Derartige Verunreinigungen führen zu Transmissionverlusten in optischen Faser-Übertragungssystemen von bis zu 200 bis 500 dB/km.
Dies erweist sich insbesondere für das Schmelzen aggressiver Gläser, z. B. Zinksilikat- oder Lanthanboratgläser als höchst problematisch, da diese die Tiegel, bzw. Wannen regelrecht ”auffressen”.
Neben den vorstehend genannten konduktiv heizenden Verfahren sind noch solche Verfahren bekannt, bei welchen Glas in einem sogenannten Skulltiegel induktiv geheizt und eingeschmolzen wird.
Ein Skulltiegel besteht typischerweise aus beabstandeten, mäanderartig angeordneten wassergekühlten Metallrohren. Die im Inneren des Skulltiegels befindliche Schmelze wird über eine um den Skulltiegel angeordnete Spulenanordnung mittels Einkopplung von Hochfrequenzleistung in die Schmelze geheizt.
Durch die Kühlung des Skulltiegels entsteht zwischen dem Skulltiegel und der Schmelze eine, im wesentlichen feste Schicht oder Kruste aus arteigenem Material, d. h. insbesondere aus Glas. Insofern werden Verunreinigungen der Schmelze durch das Tiegelmaterial wesentlich reduziert.
Ein Skulltiegel ist z. B. aus PETROV YU. B. et al., ”Continuous Casting Glass Melting in a Cold Crucible Induction Furnace”, XV. International Congress on Glass 1989, Proceedings,
Bd. 3a, 1989, Seiten 72 bis 77 bekannt.
In der DE 199 39 780 A1 wird ein Skulltiegel für das Erschmelzen oder das Läutern von Gläsern und Glaskeramiken beschrieben, bei welcher die Tiegelwandung aus einem Kranz von Metallrohren gebildet wird, die an ein Kühlmedium anschließbar sind. Die Rohre des Kranzes sind mit einem Kurzschlussring kurzgeschlossen. Durch die Wahl der Position des Kurzschlussringes kann die Temperaturverteilung der Schmelze im Tiegel beeinflusst werden.
Die DE 199 39 785 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von farbigen Gläsern. Die sich aufgrund der großen Temperaturgradienten in einem Skulltiegel bildenden Konvektionsströme werden dazu genutzt, den Farbstoff für das Glas schnell in der Schmelze zu verteilen.
Weiterhin wird in der DE 101 38 109 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Gläsern beschrieben. Um der Glasschmelze Wasser zu entziehen, wird vorgeschlagen, mit einem gekühlten Platinrohr Chlorgas oder ein Chlor-Sauerstoff-Gemisch in die Schmelze einzuleiten.
Allerdings ergeben sich durch den komplexen Aufbau, insbesondere aufgrund der hochfrequenztechnischen Anforderungen einer induktiv geheizten Skull-Schmelzeinrichtung gegenüber den genannten konduktiv heizenden Schmelzvorrichtungen völlig neue Anforderungen und Problemstellungen. Daher ist zunächst ein Übertragen aufgrund hoher Schmelztemperatur und sehr hohen Durchsätzen pro Tiegelvolumen vieler Lösungsansätze von konduktiv heizenden Vorrichtungen auf Skull-Schmelzvorrichtungen nicht ohne weiteres möglich.
Grundsätzlich sind mit einer Skull-Schmelzvorrichtung hohe Einschmelzraten und somit Durchsätze realisierbar. Dies ist zwar wünschenswert, aber andererseits kann hierdurch unter Umständen die Qualität der Schmelze und damit des Endprodukts, z. B. durch thermische Reduktion leiden. Auch dies führt zu verschlechterten Transmissionseigenschaften des Glases.
Ferner hängt die Einkopplungsrate der Hochfrequenzstrahlung von verschiedenen Parametern der Schmelze ab. Somit wird die Aufschmelzleistung nicht lediglich durch die von der Spulenanordnung emittierte Hochfrequenzleistung, sondern auch von den Schmelzenparametern und Tiegelgeometrien beschränkt.
Aus der DE 199 39 780 A1 ist ein Skulltiegel für das Erschmelzen oder das Läutern von Gläsern oder Glaskeramiken bekannt, welcher mit einem Kurzschlussring versehen ist. Mittels des Kurzschlussrings wird das Hochfrequenzfeld z. B. in den Bodenbereich gedrückt, wobei eine Konvektion der Schmelze erzeugt wird.
Ferner ist aus der DE 199 39 785 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von farbigen Gläsern bekannt. Hierbei wird die Schmelze im Zuge einer Weiterverarbeitung in einer Skulleinrichtung zugeführt, in welcher die Schmelze einer Konvektion unterworfen ist. Diese Skulleinrichtung ist hinter einer Einschmelzstation angeordnet.
Die bekannten Skull-Schmelzvorrichtungen sind jedoch insbesondere hinsichtlich der Qualität und Homogenität der Schmelze als auch bezüglich der Aufschmelzleistung oder des Durchsatzes weiter verbesserungsfähig.
Aus der WO 00/32525 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verglasung organischen Abfalls, insbesondere radioaktiven Abfalls bekannt, bei welchem/r die Zufuhr von der Oxidation der organischen Substanzen dienenden Sauerstoff sowohl von der Oberfläche als auch von der Unterseite eines Schmelztiegels vorgenommen wird. Die Zufuhr von Sauerstoff erfolgt im wesentlichen so, dass dieser lokal beschränkten Einfluss hat. Hierdurch wird jedoch der Redox-Zustand der Schmelze nur lokal geändert und tritt eine Homogenisierung der gesamten Schmelze nicht ein.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren, insbesondere eine Skull- Schmelzvorrichtung oder ein Skull-Schmelzverfahren zum Schmelzen einer Substanz, insbesondere von Glas oder Glaskeramik verfügbar zu machen, welche eine verbesserte Homogenität, eine erhöhte Aufschmelzleistung, einen erhöhten Durchsatz und/oder eine hohe Substanz- bzw. Glasqualität ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bekannte Skull-Schmelzvorrichtungen oder Skull-Schmelzverfahren weiter zu entwickeln und die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zu vermeiden oder zumindest zu mindern.
Die Aufgabe der Erfindung wird in überraschend einfacher Weise bereits durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 20 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere Skull-Schmelzvorrichtung zum Schmelzen oder Einschmelzen einer Substanz oder Verbindung, insbesondere zum Schmelzen vom hochreinem, aggressivem und/oder hochschmelzendem Glas oder Glaskeramik umfasst einen, bevorzugt kühlbaren, z. B. wassergekühlten Tiegel oder Skulltiegel und eine Sendeeinrichtung für elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine um den Tiegel angeordnete Spulenanordnung. Die Sendeeinrichtung oder Spulenanordnung emittiert, insbesondere hochfrequente elektromagnetische Strahlung, welche in eine Schmelze, die sich in dem Tiegel befindet, eingekoppelt wird, so dass die Schmelze mittels der absorbierten Hochfrequenzleistung geheizt wird. Ferner ist eine Misch- oder Homogenisierungseinrichtung zum Mischen bzw. Homogenisieren der Schmelze vorgesehen, wobei die Misch- bzw. Homogenisierungseinrichtung dem Tiegel zugeordnet, z. B. an und/oder in diesem angeordnet sind, so dass das Mischen bzw. Homogenisieren in dem Tiegel oder Einschmelztiegel stattfinden kann.
Bevorzugt wird kontinuierlich aufzuschmelzendes Gemenge von oben etwa mittig auf die Schmelze aufgelegt und kontinuierlich flüssige Schmelze aus dem Tiegel entnommen.
Die Erfinder haben festgestellt, dass sich durch das Mischen und/oder Homogenisieren der Schmelze bereits in dem Einschmelztiegel oder Skulltiegel ein überraschender Mehrfachnutzen erzielen lässt. Erstens wird ungeschmolzenes Gemenge, welches z. B. von oben in fester Form in die Schmelze fällt, durch erhöhte Durchmischung mit dem flüssigen Anteil der Schmelze schneller aufgeschmolzen. Überraschenderweise haben die Erfinder festgestellt, dass die effektive Kontaktfläche zwischen der Schmelze und dem zugeführten Gut stark vergrößert und somit die Schmelzleistung erhöht wird. Zweitens wird die Temperaturverteilung der Schmelze nivelliert. Drittens wird eine gleichmäßige Verteilung oder Durchmischung verschiedener Glasbestandteile, welche z. B. unterschiedliche Schmelztemperaturen und/oder Hochfrequenzankopplungs-Koeffizienten aufweisen können, erzielt. Viertens kann der Redox-Zustand des Glases eingestellt werden.
Die gefundenen Wirkmechanismen sind insbesondere in Verbindung mit der vorzugsweise verwendeten induktiven Hochfrequenzheizung relevant, da die Ankopplung oder Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung auch vom Aggregatzustand, der Temperatur und dem jeweiligen Glasbestandteil in der Schmelze abhängig sind. Insbesondere ist die Ankopplung an unaufgeschmolzene Gemengebestandteile sehr gering.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren eignen sich besonders auch für hochschmelzende Gläser, bei welchen Schmelzentemperaturen von mindestens 1500°C oder 1600°C gefahren werden. Ferner können auch hervorragend aggressive Gläser, z. B. Zinksilikat- oder Lanthanboratgläser geschmolzen werden.
Das Mischen oder Homogenisieren erfolgt bevorzugt kontaminationsfrei oder zumindest kontaminationsarm, was besonders für hochreine Gläser von großem Vorteil ist.
Vorzugsweise wird die Schmelze zum Mischen oder Homogenisieren gezielt oder in vorbestimmter Weise in interne Bewegung versetzt oder es wird eine interne Bewegung angeregt, unterstützt und/oder aufrecht erhalten. Insbesondere wird eine vordefinierte Strömung, z. B. mit vordefinierter Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsrichtung in der Schmelze angeregt. Es kann z. B. durch gezielte Erzeugung einer Temperaturdifferenz in der Schmelze eine Konvektionsströmung verursacht, oder eine vorhandene Konvektionsströmung angeregt, unterstützt oder verstärkt werden.
Das Mischen oder Homogenisieren kann mit oder ohne Einbringung von Material in die Schmelze induziert oder erzeugt werden.
Eine bevorzugte Form des materialeinbringenden Mischens umfasst das Einbringen von Gemenge, welches derart ausgebildet ist, dass bereits allein durch das Einbringen z. B. eine Strömung in der Schmelze angeregt wird. Zu diesem Zweck wird z. B. ein pelletiertes und/oder dragiertes Gemenge, in welches insbesondere Gasblasen eingeschlossen sind und/oder welches beim Aufschmelzen Gasblasen freisetzt, verwendet. Ohne diese Gasblasen kann auch das Gemenge pelletiert, dragiert und/oder anderweitig kompaktiert zugeführt werden. Im Sinne der Erfindung wird hierbei als Pelletieren das Zusammenbringen zu einem stabilen Festkörper, beispielsweise mittels Pressen verstanden. Als Dragieren wird eine mit einem, beispielsweise glasartigen Überzug versehende festkörperartige Struktur verstanden. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise sowohl eine Verstaubung durch das Zuführen granularen und feingranularen Materials vermieden und darüber hinaus die Füllrate wesentlich verbessert, da bei gleichem Volumenstrom ein deutlich erhöhter Materialeintrag in die Schmelze erfolgen kann. Ferner können Gemengebestandteile durch feinkörnigeres Material substituiert werden, ohne dass es zu erhöhter Verstaubung kommt, wobei es durch das feinkörnige Material mittels verkürzter Diffusionswege zu einer optimierten Aufschmelzgeschwindigkeit kommt.
Alternativ oder ergänzend wird vorzugsweise ein z. B. zu Stäben geformtes Gemenge, welches insbesondere durch rotierendes Absinken in die Schmelze ein Mischen oder Homogenisieren bewirkt aufgelegt. Die z. B. propellerförmigen Stäbe definieren insbesondere einen sich selbst auflösenden Rührer.
Alternativ oder ergänzend kann auch eine externe Rühreinrichtung, insbesondere aus beschichtetem Metall zum mechanischen Rühren oder ein in die Schmelze eintauchender und sich, z. B. durch Schmelzen selbstauflösender Rührer aus dem Schmelzenmaterial vorgesehen sein.
Gemäß der Erfindung ist außerdem eine Einrichtung zum Einleiten von Gas oder Gasblasen mittels einer oder mehrerer Gasdüsen in die Schmelze vorgesehen. Die Gasdüse ist vorzugsweise gekühlt, insbesondere flüssigkeitsgekühlt, z. B. wassergekühlt und ist bevorzugt am Boden des Tiegels angeordnet. Die Kühlung der Gasdüse kann mit der Kühlung des Tiegels verbunden oder separat ausgebildet sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ragt die Gasdüse zumindest abschnittsweise durch den Boden des Tiegels und erstreckt sich in das Innere des Tiegels hinein. Insbesondere erstreckt sich eine Spitze der Gasdüse bis an oder in die Schmelze, so dass aus der Gasdüse oder Spitze austretendes Gas in Form von Gasblasen in die Schmelze aufsteigt. Dieses ”Bubbling” bewirkt in besonders einfacher Weise ein Durchmischen und Homogenisieren der Schmelze in dem Aufschmelztiegel.
Vorzugsweise wird O₂-enthaltendes Gas verwendet, was sich insbesondere für Bleisilikatgläser als sehr vorteilhaft erweist. In diesen wird nämlich bei hoher Schmelzentemperatur, welche für eine hohe Aufschmelzleistung verwendet wird, das Blei thermisch reduziert. Dies wiederum bewirkt ähnlich einer Platinkontamination eine Transmissionverschlechterung des Glases welches bis zu einer starken Verfärbung führen kann, welches das erschmolzene Glas vollständig unbrauchbar macht. Durch das Einleiten von Sauerstoff in die Schmelze wird verhindert, dass das Blei reduziert wird, so dass über die Gaseinleitung eine effektive Steuerung des Redoxzustandes des Glases erzielt wird. Dadurch kann sogar z. B. für Bleisilikatglas eine Aufschmelzleistung von etwa 500 kg/Tag, 800 kg/Tag, 1000 kg/Tag oder mehr erzielt werden und gleichzeitig eine wesentliche Transmissionverschlechterung vermieden oder zumindest gemindert werden.
Bevorzugt ist der Abschnitt der Düse, welcher in die Schmelze ragt, also z. B. die Spitze aus kontaminationsarmem Material, z. B. einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, Magnesium oder Beryllium gefertigt oder ist zumindest mit einem solchen Material beschichtet. Eine Beschichtung mit Polytetrafluorethylen (Teflon^®) erscheint ebenfalls möglich.
Um nach einem ”Zufrieren” der Gasdüse, d. h. nach einer Ausbildung einer festen Substanz- oder Glasschicht über der Gasdüse, diese zu öffnen bzw. diese wieder frei zu machen, umfasst die Gasdüse eine Einrichtung zum Durchstoßen einer festen Substanz- oder Skullschicht. Diese Einrichtung zum Durchstoßen ist insbesondere als Nadel, z. B. aus hochtemperaturbeständigem Material, wie Wolfram oder ähnlichem Metall, gefertigt. Vorzugsweise ist die Nadel im Zentrum der Gasdüse, vorzugsweise längsverschieblich angeordnet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittzeichnung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Gasdüse,
2 eine schematische Draufsicht von oben auf einen Ausschnitt des Tiegelsbodens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Schnittzeichnung eines Ausschnitts des Tiegelsbodens entlang der Schnittlinie A-A in 2,
4 eine schematische Schnittzeichnung eines oberen Abschnitts der Gasdüse gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
5 ein Längsschnitt der Gasdüse gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
6 ein Querschnitt der Gasdüse entlang der Schnittlinie B-B in 5,
7 eine schematische Schnittzeichnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
8 eine schematische Schnittzeichnung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
9 eine schematische Schnittzeichnung einer vierten Ausführungsform der Erfindung und
10 eine schematische perspektivische Darstellung eines selbstauflösenden Rührers gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung und
11 eine schematische Schnittzeichnung der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Läuterrinne und einer Homogenisierungswanne.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Einschmelzen von Glas mit einem gekühlten, z. B. wassergekühlten Tiegel oder Einschmelztiegel 10. Um den Tiegel 10 ist eine Sendeeinrichtung für elektromagnetische Strahlung in Form einer Spulenanordnung 30 angeordnet. Mittels der Spulenanordnung wird Hochfrequenzleistung in eine Schmelze 40 z. B. aus Bleisilikatglas eingekoppelt und damit die Schmelze 40 geheizt. Es wird mit einer Hochfrequenz von etwa 250 kHz bis etwa 400 kHz bei einer Sendeleistung von etwa 200 kW bis etwa 300 kW oder höher gearbeitet. Die Temperatur der Schmelze beträgt im Bereich von 1200°C bis 2000°C.
Der Tiegel 10 umfasst einen wassergekühlten ringförmigen Wandabschnitt 12 und einen wassergekühlten Boden 14. Der Wandabschnitt 12 und der Boden 14 bilden zusammen die gekühlte Wandung des Tiegels 10 und umfassen jeweils mäanderartig angeordnete und voneinander beabstandete Metallrohre 16, wie am besten in den 2 und 3 zu sehen ist. Die Metallrohre 16 weisen einen Querschnitt von etwa 2 cm und Spalten von 5 mm zwischen den Rohren 16 auf, so dass die Tiegelwandung bei ungefülltem Tiegel 10 zunächst flüssigkeitsdurchlässig ist.
Durch die Kühlung des Wandabschnitts 12 und des Bodens 14, also der Tiegelwandung bildet sich im Kontaktbereich der Schmelze 40 und der Tiegelwandung eine feste geschlossene Skullschicht 42 aus arteigenem Material, d. h. in diesem Ausführungsbeispiel aus Glas, wodurch die Anordnung aus dem Tiegel 10 und der festen Skullschicht 42 flüssigkeitsdicht wird. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung des Tiegels die einzelnen Rohre 16 und die Skullschicht 42 nicht.
Weiter Bezug nehmend auf 1 wird festgehalten, dass die Schmelzvorrichtung kontinuierlich betrieben wird, so dass regelmäßig Gemenge durch eine im wesentlichen zentrale Öffnung 20 in einer Abdeckung 18 des Tiegels 10 auf die Schmelze aufgelegt wird. Ferner wird kontinuierlich Schmelze über eine Auslassöffnung 22 des Tiegels 10 entnommen.
Eine gekühlte Brücke 24 taucht in der Nähe der Auslassöffnung 22 zumindest etwa 3 cm bis 5 cm tief in die Schmelze 40 ein, um ungeschmolzene oder unaufgelöste Gemengebestandteile von der Auslassöffnung 22 fernzuhalten.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiter zwei Brenner 26, 28, welche durch Öffnungen in der Abdeckung 18 Flammen 27, 29 auf den Tiegelinhalt bzw. eine Oberfläche 41 der Schmelze 40 richten. Hierbei dient der Brenner 26 zum initialen Schmelzen des Tiegelinhalts beim Anfahren der Vorrichtung 1, z. B. nach einem Tiegelwechsel und der Brenner 28 zum kontinuierlichen Nacherhitzen der Schmelze 40 in der Auslassöffnung 22.
Am Boden 14 des Tiegels 10 ist eine Misch- oder Homogenisierungseinrichtung in Form einer Gasdüse 50 angeordnet. Die Gasdüse 50 ragt abschnittsweise in den Tiegel hinein, und leitet das Gas in die Schmelze 40 ein.
Ferner ist die Gasdüse 50 exzentrisch, in diesem Ausführungsbeispiel etwa mittig zwischen dem Zentrum und dem Rand des runden Tiegels 10 und gegenüber der Auslassöffnung 22 angeordnet. Diese Position hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, da eine durch Temperaturdifferenz in der Schmelze ohnehin vorhandene zentral von einem heißen Kern 43 aufsteigende und am Rand abfallende Konvektionsströmung 54 unterstützt wird und gleichzeitig zentral durch die Öffnung 20 aufgelegtes Gemenge mittels der Gasblasen 52 von der kalten Tiegelwand 12 fern gehalten wird. Die im wesentlichen ringförmige Strömung 54 bewirkt vorteilhafterweise eine effektive Durchmischung und Homogenisierung der Schmelze und sorgt damit für einen Temperaturausgleich und eine gleichmäßige Materialverteilung in der Schmelze.
In diesem Beispiel enthalten die Gasblasen O₂, um gleichzeitig Blei in der Bleisilikatglasschmelze 40 zu oxidieren.
2 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf den Tiegelboden 14 mit der Gasdüse 50, welche in einer Öffnung 15 oder Aussparung in dem Tiegelboden 14 zwischen den mäanderförmig verlaufenden Metallrohren 16 angeordnet ist.
Wie weiter in 3 dargestellt ist, bildet sich die Skullschicht 42 nicht nur an dem gekühlten Boden 14 des Tiegels, sondern auch an der gekühlten Gasdüse 50 aus. Die entweichenden Gasblasen 52 sorgen allerdings dafür, dass eine Öffnung der Gasdüse dauerhaft freigehalten wird.
Trotzdem kann es, z. B. durch eine Unterbrechung der Gaszufuhr dazu kommen, dass sich die feste Skullschicht 42 über einer Auslassöffnung 56 der Gasdüse 50 schließt, so dass kein Gas mehr aus der Düse 50 austreten kann. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt. Um die Öffnung 56 wieder freizumachen, umfasst die Gasdüse eine Nadel 58, welche in Richtung des Pfeils 59 längsverschieblich innerhalb eines Kanals 60 im Zentrum der Gasdüse angeordnet ist. Mit einer Spitze 62 der Nadel 58 kann somit ein über der Gasaustrittsöffnung 56 liegender Abschnitt 42a der Skullschicht 42 durchstoßen, und so die Gasaustrittsöffnung 56 wieder freigemacht werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein oberer Abschnitt 51 der Gasdüse 50, welcher in den Tiegel 10 ragt und zumindest abschnittsweise in direktem Kontakt mit der Skullschicht 42 steht, bevorzugt aus nichtkontaminierendem oder zumindest kontaminationsarmem Material gefertigt ist. Als kontaminationsarm werden im Sinne der Erfindung solche Materialien angesehen, welche die Glasqualität im wesentlichen nicht oder wenig beeinträchtigen. Dies sind insbesondere Leichtmetalle, wie z. B. Aluminium. Aluminium tritt zwar in die Schmelze ein, Aluminiumionen oder Aluminiumverbindungen wirken sich aber im wesentlichen nicht oder wenig nachteilig auf die optischen Eigenschaften, insbesondere die Transmission des Glases aus. Die Kühlung der Gasdüse 50 sorgt andererseits dafür, dass die Gasdüse 50 den hohen Temperaturen im Tiegel 10 standhält.
Ferner hat sich die Verwendung eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt, z. B. höher als 2000°C, insbesondere Molybdän, Iridium, Wolfram oder eine Wolframverbindung als vorteilhaft für die Nadel 58 erwiesen.
5 zeigt die Gasdüse 50 in einem Längsschnitt. Die Gasdüse 50 umfasst die Gasaustrittsöffnung 56 und den Gaskanal 60, in welchem die Nadel 58 verläuft und geführt ist. Mittels einer Verschiebeeinrichtung 64 kann die Nadel 58 parallel zu dem Kanal 60 innerhalb der Gasdüse 50 verschoben werden. Die Gasdüse 50 umfasst ferner einen Gaseinlass 66 und eine Dichtung 68 für die Nadel 58. Der obere Abschnitt 51 der Gasdüse 50 umfasst Aluminium oder eine aluminiumhaltige Legierung, wobei ein unterer Abschnitt 53 der Gasdüse 50 aus Messing gefertigt ist. Der obere und untere Abschnitt 51, 53 sind durch Dichtungen 70 fluiddicht gegeneinander gedichtet. Im unteren Abschnitt 53 befindet sich ein Kühlwassereinlass 72 und ein Kühlwasserauslass 74, so dass die Gasdüse mittels Wasserdurchfluss effektiv gekühlt werden kann.
Bezugnehmend auf 6, welche einen Querschnitt der Düse darstellt, ist gezeigt, dass sich der untere Abschnitt 53 parallel zu einer Längsachse L der Gasdüse 50 in zwei Hälften 53a, 53b, welche elektrisch gegeneinander isoliert sind, aufteilt.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 mit einer alternativen Einrichtung 150 zum Durchmischen und Homogenisieren der Schmelze 40. Über ein Förderband 154 wird zu Pellets, Dragees und/oder Kugeln 156 geformtes Glasgemenge durch die Öffnung 20 in die Schmelze 40 eingebracht. Die Glaskugeln 156 umfassen einen äußeren Randbereich 158 und einen inneren Kernbereich 160. Der Randbereich 158 umfasst im wesentlichen Glas von der Zusammensetzung der Schmelze 40. Der Kernbereich 160 umfasst eine Substanz, welche in der Schmelze ein Gas bzw. Gasblasen 152 freisetzt, wenn der Randbereich 158 aufgeschmolzen ist. Die Substanz im Kernbereich 160 kann ein Gas, eine Flüssigkeit, z. B. Wasser oder ein festes Material, z. B. ein Salz umfassen, welche in Zusammenwirkung mit der heißen Schmelze 40 die Gasblasen 152 freisetzen.
Durch ein Absinken der Glaskugeln 156 in einem linken Abschnitt 40a der Schmelze und ein Aufsteigen der Gasblasen 152 in einem rechten Abschnitt 40b der Schmelze 40 wird eine im wesentlichen ringförmige Strömung innerhalb der Schmelze 40 erzeugt oder induziert. Es kann aber auch, wie in 1 gezeigt ist, eine ohnehin vorhandene Konvektionsströmung unterstützt werden.
8 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 201, bei welcher mittels einer Mischungs- und Homogenisierungseinrichtung 250 stabförmig gepresste Gemengekörper 256 in die Schmelze 40 eingebracht werden. Die stabförmigen Körper 256 sind z. B. von propellerartiger Form und rotieren beim Absinken innerhalb der Schmelze 40 unter gleichzeitiger Aufschmelzung der Körper 256 und erzeugen dabei Strömungsvorgänge in der Schmelze 40.
9 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 301 mit einem Rührer 350, welcher die Schmelze 40 in dem Einschmelztiegel 10 durch rotierende Bewegung mechanisch in Strömung versetzt.
10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines langgestreckten Rührers 350'. Der Rührer 350' ist im wesentlichen aus dem Glas hergestellt, z. B. gepresst, welches auch die Schmelze 40 bildet. Der Rührer 350' wird entlang seiner Längsachse 352 z. B. ähnlich dem Rührer 350 in 9 von oben in die Schmelze 40 eingeführt und um seine Achse 352 gedreht. Der Rührer 350' umfasst drei sich vom Zentrum weg erstreckende Rührarme und löst sich selbst durch Abschmelzen in der Schmelze 40 auf. Um eine kontinuierliche Glaszugabe und Rührung zu gewährleisten, wird der Rührer 350' entsprechend kontinuierlich von oben nachgeführt.
11 zeigt die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer angeschlossenen Läuterrinne 80 und einer zusätzlichen externen Homogenisierungseinrichtung 90. Es wird kontinuierlich flüssiges Glas aus dem Tiegel 10 entlang des Pfeils 82 in die Läuterrinne 80 und von dort entlang des Pfeils 84 weiter in die externe Homogenisierungseinrichtung 90 geführt. Die externe Homogenisierungseinrichtung 90 umfasst einen Glasauslass 92 zum Gießen, z. B. in eine Form und/oder zur Weiter- oder Endbearbeitung des Glases zu einem Glasprodukt oder Glaskeramikprodukt.
Durch ein Läutern des Glases in der Läuterrinne 80 und ein Nachhomogenisieren in der externen Homogenisierungseinrichtung 90 wird die Qualität des Glases weiter verbessert. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielte Glasqualität kann aber auch bereits so hoch sein, dass die Läuterrinne 80 und/oder die Homogenisierungseinrichtung nicht notwendig sind, so dass die Glasschmelze 40 bereits an der Auslassöffnung 22 für die Weiter- oder Endbearbeitung zur Verfügung steht.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung (1, 101, 201, 301) zum Schmelzen einer Substanz, insbesondere zum Schmelzen von hochreinem, agressivem und/oder hochschmelzendem Glas oder Glaskeramik, umfassend einen Einschmelztiegel (10), eine Sendeeinrichtung (30) für elektromagnetische Strahlung, wobei mittels der Strahlung Energie in eine, in dem Einschmelztiegel (10) anordenbare Schmelze (40) einkoppelbar ist und eine Mischeinrichtung oder Homogenisierungseinrichtung (50, 150, 250, 350, 350'), wobei die Mischeinrichtung oder Homogenisierungseinrichtung (50, 150, 250, 350, 350') dem Einschmelztiegel (10) zugeordnet ist, wobei die Mischeinrichtung oder Homogenisierungseinrichtung eine Einrichtung zum Einleiten von Gas oder Gasblasen (52) in die Schmelze (40) mit einer oder mehreren Gasdüsen (50) umfasst, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (58) zum Durchstoßen einer an der Tiegelwandung (12, 14) über einer Auslassöffnung (56) der Gasdüse(n) (50) befindlichen festen Skullschicht (42, 42a).
Vorrichtung (1, 101, 201, 301) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschmelztiegel (10) eine Ausflussöffnung (22) für die Schmelze (40) und eine, insbesondere gekühlte Brücke (24), welche in die Schmelze (40) eintaucht, umfasst, wobei mittels der Brücke (24) ungeschmolzene Gemengeanteile von der Ausflussöffnung (22) ferngehalten werden.
Vorrichtung (301) gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Rühreinrichtung (350, 350') umfasst, welche dem Einschmelztiegel (10) zugeordnet ist.
Vorrichtung (301) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührer (350') umfasst ist, welcher in der Schmelze (40) auflösbar oder schmelzbar ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse(n) (50) gekühlt, insbesondere flüssigkeitsgekühlt ist(sind).
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (50) am Boden (14) des Einschmelztiegels (10) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Abschnitt (51) der Gasdüse (50) in das Innere des Einschmelztiegels (10) hineinragt und/oder der erste Abschnitt (51) kontaminationsarmes Material, insbesondere Leichtmetall, z. B. Aluminium umfasst.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel (58) im Zentrum der Gasdüse (50) angeordnet ist.
Verfahren zum Schmelzen einer Substanz, insbesondere zum Schmelzen von hochreinem, agressivem und/oder hochschmelzendem Glas oder Glaskeramik, insbesondere zum Betreiben der Vorrichtung (1, 101, 201, 301) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, das Verfahren umfassend Bereitstellen eines Einschmelztiegels (10), Bereitstellen einer Sendeeinrichtung (30) für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Kühlen des Einschmelztiegels (10), Heizen einer in dem Einschmelztiegel befindlichen Schmelze mittels elektromagnetischer Strahlung, welche von der Sendeeinrichtung (30) emittiert wird und Mischen oder Homogenisieren der Schmelze (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen oder Homogenisieren der Schmelze (40) in dem Einschmelztiegel (10) stattfindet und zum Mischen oder Homogenisieren über eine oder mehrere Gasdüsen (50) ein Gas oder Gasblasen (52) in die Schmelze eingeleitet werden, wobei eine sich an der Tiegelwandung (12, 14) über einer Auslassöffnung 56 der Gasdüse(n) (50) befindliche feste Skullschicht (42, 42a) mittels einer Einrichtung (58) durchstoßen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Mischen oder Homogenisieren die Schmelze (40) gezielt in interne Bewegung versetzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Mischen oder Homogenisieren eine Strömung in der Schmelze (40) in vorbestimmter Weise angeregt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Mischen oder Homogenisieren ein erstes Material (52, 156, 256) in die Schmelze eingebracht wird, wobei das erste Material (52, 156, 256) eine im wesentlichen vordefinierte Fließbewegung in der Schmelze (40) verursacht oder zumindest anregt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiegel (10) mit einer Ausflussöffnung (22) für die Schmelze (40) und einer, insbesondere gekühlten Brücke (24), welche in die Schmelze (40) eintaucht, bereitgestellt wird, wobei mittels der Brücke (24) ungeschmolzene Gemengeanteile von der Ausflussöffnung (22) ferngehalten werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemenge (156, 256) in die Schmelze (40) eingebracht wird, wobei die Zusammensetzung des Gemenges (156, 256) oder die Form von Gemengebestandteilen derart ausgebildet sind, dass das Einbringen des Gemenges (156, 256) in die Schmelze (40) ein Mischen oder Homogenisieren der Schmelze (40) bewirkt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein pelletiertes und/oder dragiertes Gemenge (156, 256) in die Schmelze (40) eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemenge (156) in die Schmelze (40) eingebracht wird, welches beim Schmelzen ein Gas oder Gasblasen (152) freisetzt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (40) zum Mischen oder Homogenisieren gerührt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich selbstauflösender Rührer (350') in die Schmelze (40) eingebracht wird.