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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner
wird der Platin-Schmelztiegel bzw. die Platin-Schmelzwanne, aber auch die Läuterrinne und
die Homogenisierungswanne durch die Glasschmelze angegriffen und
korrodiert.
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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.
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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”.
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Neben
den vorstehend genannten konduktiv heizenden Verfahren sind noch
solche Verfahren bekannt, bei welchen Glas in einem sogenannten
Skulltiegel induktiv geheizt und eingeschmolzen wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
bekannten Skull-Schmelzvorrichtungen sind jedoch insbesondere hinsichtlich
der Qualität und
Homogenität
der Schmelze als auch bezüglich der
Aufschmelzleistung oder des Durchsatzes weiter verbesserungsfähig.
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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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird in überraschend
einfacher Weise bereits durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und
20 gelöst.
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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.
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Bevorzugt
wird kontinuierlich aufzuschmelzendes Gemenge von oben etwa mittig
auf die Schmelze aufgelegt und kontinuierlich flüssige Schmelze aus dem Tiegel
entnommen.
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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.
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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.
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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.
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Das
Mischen oder Homogenisieren erfolgt bevorzugt kontaminationsfrei
oder zumindest kontaminationsarm, was besonders für hochreine
Gläser von
großem
Vorteil ist.
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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.
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Das
Mischen oder Homogenisieren kann mit oder ohne Einbringung von Material
in die Schmelze induziert oder erzeugt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittzeichnung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Gasdüse,
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2 eine
schematische Draufsicht von oben auf einen Ausschnitt des Tiegelsbodens
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
schematische Schnittzeichnung eines Ausschnitts des Tiegelsbodens
entlang der Schnittlinie A-A in 2,
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4 eine
schematische Schnittzeichnung eines oberen Abschnitts der Gasdüse gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung,
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5 ein
Längsschnitt
der Gasdüse
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung,
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6 ein
Querschnitt der Gasdüse
entlang der Schnittlinie B-B in 5,
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7 eine
schematische Schnittzeichnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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8 eine
schematische Schnittzeichnung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
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9 eine
schematische Schnittzeichnung einer vierten Ausführungsform der Erfindung und
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10 eine
schematische perspektivische Darstellung eines selbstauflösenden Rührers gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung und
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11 eine
schematische Schnittzeichnung der ersten Ausführungsform der Erfindung mit
einer Läuterrinne
und einer Homogenisierungswanne.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
diesem Beispiel enthalten die Gasblasen O2,
um gleichzeitig Blei in der Bleisilikatglasschmelze 40 zu
oxidieren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.