DE1596552B2 - Vorrichtung zur herstellung von faeden aus mineralischem material, vorzugsweise von glasfaeden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Fäden oder Fasern aus mineralischem Material, vorzugsweise zur Herstellung von Glasfäden oder -fasern, wobei nach dem Direktschmelzverfahren an einen an einen Schmelzofen angeschlossenen Vorkammerofen eine Vielzahl von Düsenwannen angeschlossen sind, denen über einen Kanal im Vorkammerofen das auszuziehende Material zufließt

Eine solche nach dem Direktschmelzverfahren arbeitende Vorrichtung zur Herstellung von Fäden oder Fasern ist bekannt aus der US-PS 30 82 614. Bei der bekannten Vorrichtung ist ein einziger umfangreicher Glasschmelzofen vorgesehen, von dem ausgehend sich ein sogenannter Vorherd oder Vorkammerofen in Form eines langen schmalen Kanals erstreckt, an den in Aufeinanderfolge eine Vielzahl einzelner Düsenwannen angeschlossen sind, denen von dem Vorkammerkanal schmelzflüssiges Glas zugeführt wird. Aus an den Böden der Düsenwannen angeordneten öffnungen fließen Glasströme aus, die dann üblicherweise zu Fäden oder Fasern ausgezogen werden. Aus dem Kanal des Vorkammerofens fließt das schmelzflüssige Glas zu jeder Düsenwanne jeweils durch eine große, im wesentlichen rechteckige öffnung, die ungefähr den gleichen Querschnitt aufweist, wie die das Glas aufnehmende Düsenwanne selbst Die bekannte Vorrichtung aus der US-PS 30 82 614 beschäftigt sich mit der sich aus den unterschiedlichen Standhöhen des Glases über den Düsenwannen ergebenden Schwierigkeiten, die wegen des hieraus resultierenden unterschiedlichen Drucks zu ausgezogenen Fäden unterschiedlichen Durchmessers führen. Die unterschiedlichen Standhöhen, die sich über die Länge^ des Vorkammerofens gesehen bei den jeweiligen Düsenwannen ergeben, sind auf die starke Viskosität und den Reibungseinfluß, dem das fließende Glas an den Vorkammeröfen ausgesetzt ist, -zurückzuführen. Um hier Abhilfe zu schaffen, schlägt die bekannte Vorrichtung vor, die einzelnen, aufeinanderfolgenden Düsen- wannen in unterschiedlichen Höhen anzuordnen.

Das wegen seines geringen Energieverbrauchs vorteilhafte Direktschmelzverfahren weist jedoch noch weitere Schwierigkeiten auf, die darin liegen, daß es sehr schwierig ist, die thermischen Werte des Glases in den jeweiligen Düsenwannen zu stabilisieren. . Abgesehen von einem Temperaturgradienten über die Länge des Vorkammerofenkanals ergeben sich noch zusätzliche komplizierte Abhängigkeiten im Temperaturverhalten zwischen den einzelnen Düsenwannen, dem Vorkammerofenkanal und dem eigentlichen Schmelzofen, die sehr schwierig zu beherrschen sind, insbesondere, wenn man sich verdeutlicht, daß es sich hierbei stets um Temperaturen von weit über 1000° C handelt, wobei der für das Ausziehen des Glases geeignete Temperaturbereich unter Umständen nur einige 10° umfaßt und mit erheblichen, bei diesen _ Temperaturen abgestrahlten Wärmemengen zu rech- Qj nen ist Untersuchungen haben ergeben, daß bei der bekannten Vorrichtung Temperaturschwankungen des Glases im Vorkammerofenkanal über die bestehenden Verbindungen auf die Düsenwannen übertragen werden; des weiteren übertragen sich aber auch Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Düsenwannen, j wie festgestellt worden ist, durch das im Vorkammerkanal befindliche schmelzflüssige Glas auf benachbarte . Düsenwannen, so daß es zu einer sogenannten thermischen Kopplung kommt, die im angelsächsischen Ausdruck als »thermal cross talk« bezeichnet werden kann. Wird beispielsweise aus irgendwelchen Gründen, beispielsweise wegen Bruch von auszuziehender Glasfäden, eine Düsenwanne abgeschaltet, so führt dies bei dieser Düsenwanne sofort zu erheblichen Temperaturänderungen, da das abgezogene Glas gleichzeitig erhebliche Wärmemengen abführt Diese Temperaturänderung bei der einen Düsenwanne, die ohne weiteres in Kauf genommen und entsprechend ausgeregelt werden kann, beeinflußt aber auch die Glastemperatur im Vorkammerofenkanal, so daß es zu einer Beeinflussung auch der anderen Düsenwanne kommt, denn jede Düsenwanne steht unter dem Einfluß der Strahlungsenergie des sich im Vorkammerofenkanal befindlichen Glases, so daß Temperaturschwankungen dieses Glases thermische Störungen in den Düsenwannen verursachen. Es kommt dann auch bei den anderen Düsenwannen zu einer Änderung der Viskosität und sonstiger Zustandswerte des Glases und somit auch zu ausgezogenen Fäden ungleicher Dicke und unterschiedlicher Festigkeitseigenschaften. Gerade bei der Herstellung feiner Glasfäden, beispielsweise für textile Zwecke, j müssen jedoch die Fäden notwendigerweise möglichst β gleichförmig sein. Dies trifft auch für spezielle industrielle Anwendungsfälle zu.

Bekannt ist die Herstellung von Glasfäden auch nach dem sogenannten Kugelschmelzverfahren, welches sich beispielsweise aus der US-PS 30 48 640 und 30 28 442 entnehmen läßt Bei diesem Kugelschmelzverfahren wird so vorgegangen, daß vorraffinierte und geläuterte Glaskugeln, die keinerlei Unreinheiten, Kristallkeime od. dgl. enthalten, einer Schmelzeinheit zugeführt und dort aufgeschmolzen werden. Die häufig selbst trichterförmig ausgebildete Schmelzeinheit steht über eine schmale Verbindungsöffnung mit einem darunter

angeordneten Speiser oder Feeder, ähnlich einer Düsenwanne, in Verbindung, von dessen Boden ebenfalls aus den austretenden Glasströmen Fäden ausgezogen werden. Wie beispielsweise den F i g. 4 und 5 dieser beiden US-Patente entnommen werden kann, ist beim Kugelschmelzverfahren jeder Schmelzwanne nur eine einzige Düsenwanne oder ein Speiser zugeordnet, und die Vorrichtung ist in etwa einstückig aufgebaut, wobei zwischen der ■ trichterförmigen Schmelzwanne und der Düsenwanne eine verengte Spaltöffnung angeordnet ist, die dafür sorgt, daß in die Düsenwanne selbst nicht etwa noch unaufgeschmolzene Glasteilchen hineinfallen können, was zu einer erheblichen thermischen Störung des sorgfältig in seiner Temperatur geregelten Glaskörpers in der Düsenwanne führen würde. Sämtliche Innenbereiche von Schmelzwanne im Übergang zur Düsenwanne sind mit einer metallischen, üblicherweise aus Platin und Rhodium bestehenden Legierung ausgekleidet, an die sich nach außen eine feuerfeste Auskleidung anschließt Aus der oberhalb der Düsenwanne angeordneten Schmelzwanne fließt das aufgeschmolzene Glas in dünnen Schleiern in die Düsenwanne ein, beruhigt sich dort und wird einer weiteren, genau geregelten Wärmebehandlung unterzogen. Eine sogenannte thermische Kopplung besteht bei dieser nach dem Kugelschmelzverfahren arbeitenden Vorrichtung nicht, denn die schmale, nach unten fließende Glasschichtung kann Wärmestörungen aus der Düsenwanne nicht auf die Schmelzwanne übertragen, was im übrigen auch unerheblich wäre. Darüber hinaus sorgt die nicht unterbrochene metallische Auskleidung für einen hervorragenden Wärmeübergang zwischen Düsenwanne und Schmelzeinheit, so daß sich mit Bezug auf die beim Direktschmelzverfahren auftretenden thermischen Probleme, ausgehend vom 35 ■ Kugelschmelzverfahren, keine Bezüge herstellen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung von Fäden oder Fasern aus mineralischem Material, vorzugsweise zur Herstellung von Glasfäden nach dem Direktschmelzverfahren zu schaffen, die thermisch hochstabil ist und bei der insbesondere von einer der an den Vorkammerofenkanal angeschlossenen Düsenwanne stammende thermische Störungen nicht auf andere Düsenwannen übertragen werden können, d. h., daß eine thermische Rückkopplung vermieden ist

Um diese Aufgabe lösen zu können, geht die Erfindung von der Erkenntnis aus,,daß die thermische Rückkopplung sich aufgrund von Temperaturänderungen von einer Düsenwanne zur anderen über die Schmelze selbst ergibt und schlägt dann zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß ein thermisch isolierender Block zwischen Kanal und den Düsenwannen angeordnet ist, mit je einem Kanal und Düsenwanne verbindenden, im Vergleich zur Breite der Düsenwanne engem Durchlaß für das schmelzflüssige Material, dessen Querschnitt so bemessen ist, daß seine Durchflußkapazität gleich oder weniger größer ist als die Abflußkapazität des Speisers.

Auf diese Weise gelingt es, die von einer Düsenwanne zum Vorkammerofenkanal im wesentlichen durch Strahlung übertragene Energie zu vermindern bzw. sogar zu blockieren, so daß jede Düsenwanne unabhängig von der benachbarten betrieben werden kann und es auf diese Weise gelingt, die Betriebsbedingungen und Temperaturen von mehreren, an einen gemeinsamen Vorkammerofenkanal angeschlossenen Düsenwannen genau und individuell zu steuern.

Da der Querschnitt des den Vorkammerofenkanal mit der jeweiligen Düsenwanne verbindenden-Durchlasses so bemessen ist, daß seine Durchflußkapazität gleich oder wenig größer als die Abflußkapazität des Speisers ist, befindet sich das im Durchlaß befindliche schmelz_r flüssige Glas in einer merklichen Strömurigsbewegüng in Gegenrichtung zu der Richtung;" in welcher.die unerwünschte Wärmeenergieübertragung -'*■ erfolgen würde, so daß auch hierdurch die thermische Rückkopp-: lung vermindert wird. Selbstverständlich'basiert "die Querschnittbemessurig des Durchlasses in der Häuptsache darauf, der Düsenwanne stets die, jeweils pro Zeiteinheit benötigte Glasmenge zur ,Verfügung ,zu stellen und andererseits jede Düsenwanne gegenüber dem Vorkammerofenkanal soweit wie möglich thermisch abzudecken und zu isolieren. ^; -·—··- ' ■ ·. -^:

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt '

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Vorkammerofens mit angesetzten Düsenwanrien,

F i g. 2 einen vertikalen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. l.und

F i g. 3 eine schaubildliche Darstellung eines isolierenden Blockes für die Düsenwanne.

Die erfindungsgemäße Ausbildung zur thermischen Isolierung der Düsenwannen ist zwar bei der Herstellung von mineralischen Fasern und Fäden besonders vorteilhaft, sie kann jedoch auch überall sonst angewendet werden, wo es zweckmäßig erscheint

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung ist zur Durchführung des Direktschmelzverfahrens vorgesehen, um geschmolzenes Glas einer Vielzahl von Düsenwannen zuzuführen, die mit einem Vorkammerofen verbunden sind. Die Gläscharge wird in einen Schmelzofen 10 eingeführt, und zwar an dem dem Vorkammerofen 12 gegenüberliegenden Ende des Schmelzofens, der mit dem Vorkammerofen 12 verbunden ist

Die Glascharge wird im Schmelzofen 10 geschmolzen und durch diesen hindurchbewegt, um den Glasfluß aufzubereiten; dann wird der aufbereitete Glasfluß 14 einem sich in Längsrichtung des Vorkammerofens 12 erstreckenden Vorkammerkanal 16 zugeführt Längs des .Vorkammerofens 12 sind im Abstand voneinander Düsenwannen 18 angeordnet .

Das Bodenteil einer jeden Düsenwanne ist mit Düsenöffnungen versehen, durch die Glasströme hindurchfließen; diese werden dann zu Fäden 20 ausgezogen, indem ein Strang 22 von Glasfäden auf eine Aufwickeltrommel 24 einer Wickelmaschine 26 üblicher Bauart aufgewickelt wird. Für jede Düsenwanne ist eine gesonderte Wickelmaschine vorgesehen. "

Das Glas wird im Vorkammerofen durch Erhitzen mittels Brennern 34 im flüssigen Zustand gehalten; die Brenner 34 sind am Oberteil des Vorkammerofens 12 angeordnet, und sie werden mit einer Mischung aus Gas oder öl mit Luft durch Zufuhrrohre 36 beschickt, die mit einer nicht dargestellten Mischvorrichtung verbunden sind; an jedem Brenner ist ein Ventil 38 vorgesehen, um die Brennstoffzufuhr zum Brenner zu regulieren. Die Brenner sind vorzugsweise vom Strahlungstyp, jedoch kann auch jede andere Brennerart dazu verwendet werden, den Vorkammerkanal 16 zu erhitzen, um so die Temperatur des Glasflusses 14 im Vorkammerkanal zu steuern.

Wie in F i g. 2 dargestellt ist, weist jede Düsenwanne 18 im wesentlichen vertikale Seitenwände 40 und Stirnwände 4t auf, die aus einer Legierung von Platin und Rhodium oder aus einem anderen geeigneten metallischen Material bestehen, das gegenüber. den hohen Temperaturen geschmolzenen Glases beständig ist und nicht korrodiert, j : . , . . ..

Jede Düsenwanne ist mit einer feuerfesten Isolierung 44 umgeben, die von einem metallischen Gehäuse 46 getragen ist Das Gehäuse 46 kann in beliebiger Weise am Vorkammerofen 12 befestigt sein. Ein Bodenteil 48 der Düsenwanne ist mit einer Gruppe von nach unten gerichteten Düsen 50 versehen, durch die jeweils ein Glasstrom 19 fließt T

Eine von den Seitenwänden 40 und den Stirnwänden 41 der Düsenwanne gebildete Kammer 52 weist vorzugsweise eine größere Tiefe als Breite auf. Die in der Zeichnung dargestellte Düsenwanne bildet einen . verhältnismäßig tiefen und engen Schacht in dem das Glas einer Temperaturbehandlung unterzogen werden kann. Im oberen Teil der Kammer 52 einer jeden Düsenwanne ist ein Heizkörper 56 angeordnet, der vorzugsweise die Form eines mit öffnungen 58 versehenen Siebes hat, durch die das Glas hindurchfließt _ Obwohl der Heizkörper 56 in der Zeichnung ^f V-förmig ausgebildet ist, kann er auch jede andere geeignete Form aufweisen. Der Heizkörper 56 hat an seinen oberen Kanten Flansche 60, die mit den Seitenwänden 40 der Düsenwanne verbunden sind. Jede Stirnwand 41 einer Düsenwanne hat ein mit ihr einstückiges Stirnansatzstück 62, das vorzugsweise überall gleich dick ist Jedem Stirnansatzstück wird Strom über eine Stromschiene 64 zugeführt die mit einer Stromquelle hoher Stromabgabe aber niederer Spannung verbunden ist

Jede Stromschiene ist vorzugsweise mit Hilfe nicht dargestellter, justierbarer Mittel mit dem angrenzenden Stirnansatzstück 62 verbunden, um so die Stelle, an der die Stromschiene mit dem Stirnansatzstück verbunden ist einstellen zu können, damit die Stromverteilung durch die Wände der Düsenwanne und im Heizkörper 56 gesteuert werden kann. Das Glas in jeder Düsenwanne wird durch den den Heizkörper 56 ■ durchfließenden Strom erhitzt so daß das Glas in'der Düsenwanne einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Das Glas kann in der Düsenwanne über die Glastemperatur im Vorkammerofen erhitzt werden, jedoch sollte die Glastemperatur in der Düsenwanne die maximale Temperatur im Schmelzofen 10 nicht übersteigen, um so ein Aufkochen zu verhindern. , ·

Bei den weiter .vorn beschriebenen bekannten • Einrichtungen, bei denen das Glas von einem Vorkammerofen Düsenwannen zugeführt wird, ist es üblich, daß das Glas vom Vorkammerofen in die Düsenwanne durch eine öffnung im Flußbett des Vorkammerkanales hindurchfließt die ungefähr die gleiche Größe und Form wie der Querschnitt der Düsenwanne hat Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein im Vergleich zur Breite der Düsenwanne enger Glasdurchlaß bzw. im Block 72 zwischen Vorkammerkanal und Düsenwanne 70 im Flußbett vorgesehen, so daß dieser Glasdurchlaß wesentlich enger ist als dies bei den bis jetzt benutzten Einrichtungen der Fall ist

Der Block 72 .ist aus hochtemperaturbeständigem feuerfestem Material, und der enge Glasdurchlaß 70 im Block hat ungefähr dieselbe Länge (in Längsrichtung des Vorkammerofens) wie die Düsenwanne. Bei dem verhältnismäßig engen Glasdurchlaß, durch den das Glas vom Vorkammerkanal in eine Düsenwanne fließt bewirkt das angrenzende, feuerfeste Material des gleichzeitig das Flußbett des Kanals bildenden Blockes 72 eine thermische Isolierung oder Abdeckung der Düsenwanne gegenüber dem Vorkammerofen. Da der Block 72 mit Ausnahme des engen Glasdurchlasses 70 die Düsenwanne abdeckt wird die Zustrahlung von Energie von einer Düsenwanne zum Vorkammerofen und infolgedessen zu den benachbarten Düsenwannen verhindert ... .

Bei der vorliegenden Vorrichtung ist somit jede Düsenwanne thermisch isoliert so daß die Eigenschaften des Glases in einer Düsenwanne unabhängig von denjenigen des im Vorkammerofen befindlichen Glases sind, wodurch die Glaseigenschaften in jeder Düsenwanne unabhängig von den Betriebsbedingungen der anderen Düsenwannen genau eingestellt werden können. Bei Einrichtungen, wie sie in F i g. 2 dargestellt sind, bei denen das Glas in den Düsenwannen einer Temperaturbehandlung durch Erhitzen mittels eines elektrischen. Heizkörpers unterworfen wird, verhindert der Block 72 eine Energieabstrahlung vom Glas in der Düsenwanne zum Glas im Vorkammerofen.

Der Glasdurchlaß 70 hat einen derartigen Querschnitt, daß etwas mehr Glas vom Vorkammerkanal in jede Düsenwanne fließen kann, als aus ihr infolge der den Düsen 50 entströmenden Glasströme abfließt; auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Düsenwannen ständig gefüllt sind. Außerdem wird durch den engen Glasdurchlaß 70 erreicht daß das vom Vorkammerofen 12 in die Düsenwannen fließende Glas mit einer so großen Geschwindigkeit fließt daß durch das fließende Glas keine Wärme von den Düsenwannen zum Vorkammerofen übertragen werden kann.

Außerdem dient der Block 72 aus feuerfestem Material aber auch dazu, die Übertragung von Temperaturschwankungen im Glas des Vorkammerofens auf die Düsenwannen zu verhindern. Infolgedessen und wegen des engen Glasdurchlasses 70 beeinflus-, sen Temperaturschwankungen des Glases im Vorkammerofen die Glaseigenschaften in den verschiedenen Düsenwannen nur unwesentlich. Falls eine Düsenwanne stillgelegt wird, so beeinflußt die Temperaturänderung des im Vorkammerofen befindlichen Glases das Glas in den in Tätigkeit befindlichen Düsenwannen ebenfalls nicht wesentlich.

Wie insbesondere F i g. 3 zeigt, ist der Durchlaß im Block 72 verhältnismäßig eng, und er erstreckt sich im wesentlichen über die ganze Länge der Düsenwanne. Die öffnung muß aber so groß sein, daß die den Durchlaß durchfließende Glasmenge zumindest gleich und vorzugsweise etwas größer ist als die der Düsenwanne durch die Düsen entströmende Glasmenge, um die Düsenwanne dauernd gefüllt zu halten und am Bodenteil der Düsenwand einen im wesentlichen konstanten statischen Druck im Glas aufrechtzuerhalten. Bei der durchschnittlichen Größe einer Düsenwanne ist es angemessen, wenn der Glasdurchlaß im Flußbett eine Breite von ungefähr 1,9 cm hat, da dann die Düsenwanne stets mit Glas gefüllt ist; der den Glasdurchlaß bildende Block deckt dann noch sehr wirkungsvoll die Düsenwanne ab und isoliert sie infolgedessen thermisch gegenüber dem Vorkammerofen.

Es ist jedoch selbstverständlich, daß bei Düsenwannen mit verschiedenen Abflußmengen pro Zeiteinhei der Glasdurchlaß 60 stets genügend breit und lang seir

muß, um das Durchfließen der benötigten Glasmenge zu gestatten.

In der Zeichnung ist zwar der Glasdurchlaß in Verbindung mit einer mit einem Heizkörper versehenen Düsenwanne von erheblicher Tiefe gezeigt, jedoch kann ein Flußbett mit engen Glasdurchlässen auch mit verhältnismäßig flachen Düsenwannen oder solchen anderer Form kombiniert werden.

Durch die Erfindung wird die Herstellung und das Konditionieren von Glas zur Bildung feiner, kontinuierlich ausgezogener Fäden erheblich verbessert, da bei der vorliegenden Vorrichtung den verschiedenen Düsenwannen Glasströme gleichmäßigerer Dicke entströmen, wofür die größere thermische Stabilität je'der Düsenwanne und das Fehlen einer thermischen Kopplung zwischen einander benachbarten Düsenwannen und/oder dem Vorkammerofen verantwortlich ist.-—

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609586/158

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Fäden oder Fasern aus mineralischem Material, vorzugsweise zur Herstellung von Glasfaden oder -fasern, wobei nach dem Direktschmelzverfahren an einen an einen Schmelzofen angeschlossenen Vorkammerofen eine Vielzahl von Düsenwannen angeschlossen sind, denen über einen Kanal im Vorkammerofen das auszuziehende Material zufließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermisch isolierender Block (72) zwischen Kanal (16) und den ,Düsenwannen (18) angeordnet ist,-mit je einem Kanal (16) und ■ ■ Düsenwanne (18) verbindenden im Vergleich zur Breite der Düsenwanne engen Durchlaß (70) für das schmelzflüssige Material, dessen Querschnitt so bemessen ist, daß seine Durchflußkapazität gleich oder wenig größer ist als die Abflußkapazität der Düsenwanne.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (72) gebildet ist von dem hochfeuerfesten Isoliermaterial des Kanalbettes.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (70) in Längsrichtung des Kanals ungefähr dieselbe Abmessung wie die Düsenwanne (18) hat

~~*t)

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenwanne (18) mit Ausnahme eines Bodenteils (48) mit feuerfestem Material (44) ausgekleidet ist ·