DE19933673C2 - Verfahren zum Schmelzen von Glas, Anwendung des Verfahrens und Schmelzofen hierfür - Google Patents

Abstract

Beim Schmelzen von Glas in einem Schmelzofen (1) mit einem Schmelzbereich (2), einem Läuterbereich (7) und einem Entnahmebereich (17) werden der Schmelze schwer mischbare und auf den Boden (4, 4a) des Schmelzofens (1) unter Bildung von Bodenglas absinkende Komponenten zugeführt, die eine höhere Dichte als die der Durchschnittsdichte der Schmelze aufweisen. Die Schmelze wird zwischen dem Läuterbereich (7) und dem Entnahmebereich (17) nacheinander durch mindestens einen Bodendurchlaß (14) und einen Riser (16) zum Entnahmebereich (17) geführt. In der Schmelze wird durch mindestens einen Bubbler eine aufsteigende Glasströmung erzeugt. Zur Vermeidung oder Reduzierung von "Cat Scratches" auf den Endprodukten wird die Glasschmelze zwischen dem Anfang eines Sogbereichs (20) des mindestens einen Durchlasses (14) und dem Entnahmebereich (17) durch mindestens ein Bubblergas aufgerührt, derart, daß das Bodenglas vor der Entnahme mit der übrigen Schmelze vermischt wird. Für den Fall einer Anordnung mindestens eines Bubblers (23) im Riser wird als Bubblergas ausschließlich Wasserdampf verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Glas nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Schmelzofen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Beim Herstellen von Hohlgläsern wurde schon seit geraumer Zeit beob­ achtet, daß auf den fertigen Produkten Schlieren, sogenannte "Cat Scrat­ ches", auftreten, die insbesondere zirkonoxid- und siliziumdioxidhaltig sind. Diese Erscheinung führt zum Teil zu erheblichen Produktionsaus­ fällen. Während man ursprünglich davon ausging, daß hierdurch nur das Aussehen, nicht aber die Gebrauchseigenschaften, insbesondere die Festigkeit, leiden, hat sich in letzter Zeit die Meinung breitgemacht, daß auch die besagten Gebrauchseigenschaften durch die Cat Scratches beeinträchtig werden.

Während die Literatur über Ursache und Wirkung der Cat-Scratches Bände füllt, sind darin nur wenige Anregungen für deren Beseitigung zu finden. Es wurde z. B. festgestellt, daß die Glasschmelze aus den Wand­ flächen der Schmelzwanne Zirkonoxid herauslöst, das sich aufgrund der höheren Dichte am Wannenboden sammelt und sich wegen der höheren Viskosität nicht oder nur schwer mit der Glasschmelze mischt. Dieser Effekt ist besonders stark bei neuen oder erneuerten Wannen und nimmt zwar mit der Dauer der Wannenreise ab, kommt aber nicht vollständig zum Erliegen

Diese vorgenannte Erscheinung wird grundsätzlich bei allen Gläsern festgestellt, vornehmlich jedoch bei Behälterglas. Bei Baryt- und Bleiglä­ sern, die in kontinuierlichen Glasschmelzöfen erschmolzen werden, welche überwiegend mit zirkonhaltigem Feuerfest-Material zugestellt sind, kann diese Form des Glasfehlers sogar in verstärktem Maße auftreten.

Die Fachliteratur (z. B. "ABC GLAS", Deutscher Verlag für Grundstoff­ industrie, Leipzig, 1991, Stichwörter "Bodenglas" und "Drainage") spricht von sogenannten "Bodengläsern", d. h. von Schichten geschmolzenen Glases abweichender Zusammensetzung und unterschiedlicher Dicke am Boden von Glaswannen. Das "Bodenglas" entsteht durch Aufnahme von Korrosionsprodukten des Feuerfestmaterials in den Randpartien der Wanne (s. o.). Die höhere Dichte und Zähigkeit (Aluminiumoxid- und Zirkonoxid-Aufnahme) führen zum Ansammeln am Wannenboden und unter ungünstigen Bedingungen zu einem ständigen Weiterwachsen. Schicht­ dicken von 20 bis 30 cm können beobachtet werden. Häufig besteht zwischen aktivem Glas und dem "Bodenglas" eine scharfe Grenze. Das "Bodenglas" nimmt an den Glasströmungen so gut wie nicht teil. Empfoh­ len werden zur Abhilfe hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Bodennähe, die aber schwer zu erreichen sind, und/oder ein regelmäßiges periodi­ sches Ablassen über eine spezielle, elektrisch beheizte Ablaßeinrichtung d. h. durch "Drainage" im Durchlaßbereich oder in der Arbeitswanne. Dabei gehen aber 3 bis 6% des Gesamtdurchsatzes der Wanne verloren.

Auch das Buch von W. Trier "Glasschmelzöfen - Konstruktion und Betriebsverhalten", Springer-Verlag, 1984, Seiten 166/167, befaßt sich mit "Cat Scratches" und deren Reduzierung durch eine genau zu dimensio­ nierende Bodendrainage vor oder im Durchlaß unter Verwendung von elektrisch beheizten Platinrohren und Düsensteinen.

Die HVG-Mitteilung Nr. 904 der Hüttentechnischen Vereinigung der Deutschen Glasindustrie e. V., Frankfurt am Main, August 1962, mit dem Titel "Anwendung von Blasdüsen in Glasschmelzwannen", empfiehlt für die Anordnung der Blasdüsen vor dem Durchlaß eine Entfernung, die 2/3 des Abstandes zwischen der Stirnwand und dem Durchlaß entspricht, oder von 1/3 für die Anordnung der Düsen im Läuterbereich. Es hat sich jedoch gezeigt, daß damit die Cat Scratches nicht vermieden werden können.

Die DE 43 13 217 C1 empfiehlt eine in Strömungsrichtung verlaufende Reihenanordnung von Bubblern, die in einer besonderen zweiteiligen Bubbling-Zone bzw. Bubbling-Kammer angeordnet sind, die dem Läuter- bzw. Abstehteil vorausgeht. Als Bubblergase werden Stickstoff und Sauerstoff empfohlen. Stickstoff führt jedoch zur Bildung von sogenann­ ten Gispen, also wiederum von störenden Beimengungen im Glas.

Durch das Buch von Günther Nölle, "Technik der Glasherstellung", Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart, 1997, Seiten 82 bis 107, ist es bekannt, Schlieren in der Glasschmelze durch Bubbeln in der Schmelzwanne zu homogenisieren und bei vollelektrischen Wannen auch Elektroden in dem Riser anzuordnen, der sich zwischen dem letzten Bodendurchlaß und dem Entnahmebereich befindet. Durch diese Elek­ troden wird zwar eine Aufwärtsströmung in dem Riser erzeugt, gleichzeitig aber Wärme in einem Bereich zugeführt, in dem die Temperatur der Schmelze eigentlich abgesenkt werden soll. Dies gilt auch für die Anord­ nung von Elektroden gemäß der DE 25 39 355 C3.

Die HVG-Mitteilung Nr. 1671 der Hüttentechnischen Vereinigung der Deutschen Glasindustrie e. V., Frankfurt am Main, August 1988, mit dem Titel "Cat Scratches - derzeitiger Wissensstand", zeigt, daß sich die Schlieren aus Zirkonoxid bis zur Entnahmeöffnung im Vorherd bzw. Speiserkopf erstrecken, empfiehlt aber auch nur die Drainage der Glasschmelze unmittelbar vor einem Wall, der kurz vor der Entnahme­ öffnung im Speiserkopf angeordnet ist.

Die EP 0 329 930 B1 empfiehlt gleichfalls die Drainage durch Bodenaus­ lauf mit der Besonderheit, die Glasschmelze durch Kühlung alternierend einzufrieren und durch Beheizung wieder "aufzutauen", wobei die Auslauf­ düse eine bewegliche Isolierung aufweist.

Eine analoge Lehre ist auch noch in dem Aufsatz von Lutz "CONTI-DRAIN®, eine Lösung von Sorg® bei zirkonhaltigen Schlieren in der Produktion", veröffentlicht in "Glas-Ingenieur" 1.99, Seiten 47 bis 50, enthalten und empfiehlt auch nur, geringe Mengen von Glasschmelze aus dem Bodenbereich des Risers abzuziehen, in der Erwartung, daß damit das Problem zumindest weitgehend gelöst ist. Die Mengeregelung erweist sich jedoch als schwierig und führt in jedem Falle zu erheblichen Glasver­ lusten mit Energieverlusten und entsprechender Umweltbelastung.

Durch das Protokoll der projektbegleitenden Arbeitsgruppe 83: "Unter­ suchung von Cat-Scratches an Hohlgläsern" vom 26.01.1999 ist es bekannt, Bubblergase auch in den Riser einzuleiten, allerdings ohne Erfolg. Versuche der Anmelderin haben ergeben, daß bei Verwendung anderer Bubblergase als Wasserdampf in der Glasschmelze des Risers sogenannte Gispen, d. h. kleinste Gasblasen, entstehen, die bis zur Entnahme der Glasschmelze keine ausreichende Zeit mehr haben, aus der Glasschmelze zu entweichen.

Eine der letzten Darstellungen über "Cat Scratches" findet sich in einem Kurzreferat der "73. Glastechnischen Tagung" in Halle (Saale) vom 31. Mai bis 2. Juni 1999; es werden aber keine Vorschläge zur Lösung des Problems gemacht.

Die folgenden Zitate befassen sich weder mit derartigen Schlieren noch mit ihrer Beseitigung:
Die US 5 665 137 A befaßt sich mit dem Problem, den in Glasschmelzöfen durch Zuschlagstoffe gebildeten Sekundärschaum durch die Einleitung oxidierender Gase wie Sauerstoff, Luft und Dampf durch Bubbler aufzulösen. Soweit dies in einem Grundriss dargestellt ist, befinden sich am Ende des zweiten Schmelzbereichs vier Bubbler in einer Reihe, die vor einem Durchlass und einem Riser angeordnet ist, der zu Vorherden führt.

Über den Abstand dieser Reihe zu dem Durchlass ist nichts ausgesagt, insbesondere ist auch weder vor dem Durchlass selbst noch im Durchlass oder im Riser ein Bubbler angeordnet. Es ist auch nicht offenbart, daß durch die Bubbler sogenanntes Bodenglas aufgerührt werden könnte, das schwere Komponenten enthält, die zu Schlieren ("Cat Scratches") auf Hohl­ glas führen. Der Fachmann hat also nur die Beseitigung des Sekundär­ schaums auf der Glasoberfläche im Auge. Dagegen spricht auch nicht die Feststellung, das die Bubbler eine Homogenisierung von Beschickungs­ gut ("batches") und Schmelze herbeiführen.

Durch die US 5 078 777 A ist es bekannt, zwischen dem Schmelzteil und dem Läuterteil eines Glasschmelzofens einen Bodendurchlass anzuord­ nen, um das Umschalten von einer Glasart (farblos) auf eine andere Glasart (farbig) zu erleichtern. Dem Läuterteil folgt jedoch weder ein Bodendurchlass noch ein Riser. Soweit bei einigen Ausführungsbeispielen Bubbler vorgesehen sind, befinden sich diese im Einströmbereich ("spring zone") des Läuterteils, und zwar noch vor einem Wehr, das den Läuterteil unterteilt. Sinn und Zweck dieser Anordnung beruhen auf der Beobach­ tung, daß die großen Gasblasen der Bubbler die kleinen mit der Schmelze zugeführten Gasblasen aufgrund des mit der dritten Potenz des Blasen­ durchmessers wachsenden Auftriebskraft und des nur mit der zweiten Potenz des Blasendurchmessers wachsenden Widerstandes der Glas­ schmelze nach oben treiben. Es ist auch nicht offenbart, daß durch die Bubbler sogenanntes Bodenglas aufgerührt werden könnte, das schwere Komponenten enthält, die zu Schlieren ("Cat Scratches") führen. Die Auflö­ sung von Schlieren, die auf dem langen Wege stromabwärts der Bubbler gebildet werden, ist auch nicht möglich.

Durch die US 2 331 052 A ist es gleichfalls bekannt, zwischen dem Schmelzteil und dem Läuterteil eines Glasschmelzofens einen Boden­ durchlass anzuordnen. Dem Läuterteil folgt jedoch weder ein Boden­ durchlass noch ein Riser. Es ist auch hier nicht offenbart, daß durch die Bubbler sogenanntes Bodenglas aufgerührt werden könnte, das schwere Komponenten enthält, die zu Schlieren ("Cat Scratches") führen. Die Schrift befaßt sich vielmehr mit der Beschaffenheit und dem Einfluß von Bubbler- Gasen, zu denen auch Sauerstoff, Luft und Wasserdampf gehören, und kommt zu dem Ergebnis, daß es zweckmäßig ist, nacheinander Wasser­ dampf und Sauerstoff durch das Glas aufsteigen zu lassen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Bildung von Cat Scratches und anderen Fehlern an den Endprodukten zuverlässig beseitigt oder zumindest deutlich verringert werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und bei dem eingangs angegebenen Schmelzofen erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentan­ spruchs 4. Eine Anwendung des Verfahrens ist in Anspruch 3 angegeben.

Der Boden des Risers bildet gewissermaßen eine Sammelstelle für das schwere Bodenglas, das mithin durch das Bubblergas aufgerührt und mit dem übrigen Glas vermischt wird. Hierdurch wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, d. h., die auf dem Boden des Risers liegenden und ankommenden Schlieren und Schichten von Zirkonoxid und Boden­ gläsern anderer Zusammensetzung werden aufwärts gefördert und mit der übrigen Schmelze vermischt, und die Bildung von Cat Scratches und anderen Fehlern auf den Endprodukten wird zuverlässig beseitigt oder zumindest deutlich verringert. Zusätzlich wird auch noch erreicht, daß etwa aus den Speisern in den "Riser" zurückfließendes Bodenglas in den Misch­ prozeß einbezogen wird. Durch die Verwendung von Wasserdampf, der in geschmolzenem Glas löslich ist, wird die Bildung von Gispen im Riser verhindert.

Es geht also im Ergebnis darum, den Einsatz des mindestens einen an sich bekannten Bubblers gegenüber dem Stande der Technik in Richtung auf den Entnahmebereich zu verlagern.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Glasschmelze über eine Gefällestrecke in den Riser eingeleitet wird, wobei der Boden des Risers den tiefsten Punkt in der Bodenkonstruktion der Wanne darstellt.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens bei Schmelzöfen, deren innere Oberfläche vollständig aus zirkonhaltigen Steinen besteht oder nur teilweise zirkonhaltige Steine enthält, deren Zirkonverbindungen beim Betrieb der Schmelzöfen aus der Oberfläche herausgelöst werden.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schmelzofens besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination -:

• - der mindestens eine Bubbler am unteren Ende des Risers angeordnet ist, und/oder, wenn
• - der Bodendurchlaß in Richtung auf den Riser eine Gefällestrecke aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Varia­ tionsmöglichkeiten werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, die einen Vertikalschnitt durch das Ende des Schmelzofens und seinen Entnahmebereich zeigt.

In der Figur ist ein Schmelzofen 1 für Gläser dargestellt, dessen Schmelz­ bereich 2 links außerhalb der Zeichnung liegt und der dem Stande der Technik entspricht. Eine Schmelzwanne 3 besitzt einen Wannenboden 4 und einen Oberofen 5 mit einer Ofendecke 6 sowie einen Läuterbereich 7, der bis zu einer Endwand 8 reicht. Für die Beheizung des Läuterbereichs 7 können Brenner 10 vorgesehen sein.

Gestrichelt und als Alternative dargestellt sind ein höher liegender Wan­ nenboden 4a und eine stufenförmig abgesetzte und davon aufragende Läuterbank 11. Durch eine schräge Flanke 11a der Läuterbank 11 ist innerhalb des Läuterbereichs 7 ein "Deep-Refiner®" 12 abgegrenzt.

Unterhalb der Endwand 8 befindet sich ein Durchlass 14. Jenseits der Endwand 8 und des Durchlasses 14 befindet sich ein an sich bekannter Riser 16, dessen oberes Ende in einen Entnahmebereich 17 übergeht, der im vorliegenden Fall ein Vorherd oder Speiser ist, von dem nur der Anfang gezeichnet ist. An den Entnahmebereich 17 kann sich jedoch auch eine Arbeitswanne anschließen. An den Wannenboden 4 schließt sich in Rich­ tung auf den tiefer liegenden Boden 18 des Risers 16 eine Gefällestrecke 19 an.

In Strömungsverengungen, insbesondere im Durchlass und im Riser konzentriert sich natürlich der relative Anteil des sogenannten Bodengla­ ses im Verhältnis zur übrigen, durch die gleiche Strömungsverengung fließenden Glasschmelze. Diesen Effekt macht sich nun die Erfindung zunutze:
Im Boden 18 des Risers 16 ist nun mindestens ein Bubbler 23 angeord­ net, dem über ein Regelventil 24 Wasser oder Wasserdampf zugeführt wird. Durch diesen Bubbler 23 (die aufsteigenden Gasblasen sind durch Kreise angedeutet) wird nun das Bodenglas sehr wirksam aufgerührt und mit dem übrigen Glas vermischt, so daß die gefürchtete Schlierenbildung (Cat Scratches) am Endprodukt unterbleibt, zumindest aber stark verrin­ gert wird. Auch unterbleibt dadurch die bekannte Ansammlung von Boden­ gas in der Wanne, im Durchlaß und/oder im Riser, ohne daß das Boden­ glas (zusammen mit anderem Glas) durch Drainage abgeführt werden müßte. Im Grenzfall ist nur ein Bubbler erforderlich. Es kann jedoch, insbesondere bei größeren Wannen vorteilhaft sein, mehrere Bubbler einzusetzen.

Von Vorteil ist hierbei auch die Anordnung der Gefällestrecke 19 vor und in dem Durchlaß 14, wodurch sich das Bodenglas, am Boden 18 des Risers 16 ansammelt und dort besonders intensiv aufgerührt wird. Die dargestellte Gefällestrecke 19 verhindert auch, daß etwa aus dem Entnahmebereich 17 zurückströmendes Bodenglas wieder in die Wanne gelangt.

Bezugszeichenliste

1

Schmelzofen

2

Schmelzbereich

3

Schmelzwanne

4

Wannenboden

4

a Wannenboden

5

Oberofen

6

Ofendecke

7

Läuterbereich

8

Endwand

10

Brenner

11

Läuterbank

11

a Flanke

12

Deep-Refiner®

14

Durchlaß

16

Riser

17

Entnahmebereich

18

Boden

19

Gefällestrecke

23

Bubbler

24

Regelventil

Claims (6)

1. Verfahren zum Schmelzen von Glas in einem Schmelzofen (1) mit einem Schmelzbereich (2), einem Läuterbereich (7) und einem Entnahmebereich (17), wobei der Schmelze schwer mischbare und auf den Boden (4, 4a) des Schmelzofens (1) unter Bildung von Bodenglas absinkende Komponenten mit einer höheren Dichte als die der Durchschnittsdichte der Schmelze zugeführt werden, wobei die Schmelze zwischen dem Läuterbereich (7) und dem Entnahme­ bereich (17) nacheinander durch einen Bodendurchlaß (14) und einen Riser (16) zum Entnahmebereich (17) geführt wird und wobei in der Schmelze durch mindestens einen Bubbler eine aufsteigende Glas­ strömung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas­ schmelze im Riser (16) durch den mindestens einen Bubbler (23) Wasserdampf zugeführt wird, derart, daß das Bodenglas mit der übrigen Schmelze vermischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas­ schmelze über eine Gefällestrecke (19) in den Riser (16) eingeleitet wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einem Schmelzofen, dessen innere Oberfläche mindestens stellenweise Zirkonoxid enthält, das beim Betrieb des Schmelzofens aus dieser Oberfläche herausgelöst wird.

4. Schmelzofen zum Schmelzen von Glas mit einem Schmelzbereich (2), einem Läuterbereich (7) und einem Entnahmebereich (17), wobei zwischen dem Läuterbereich (7) und dem Entnahmebereich (17) nacheinander ein Bodendurchlaß (14) und ein Riser (16) angeordnet sind und wobei mindestens ein Bubbler (23) zur Erzeugung einer aufsteigenden Glasströmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der mindestens eine Bubbler (23) im Riser (16) angeordnet und an eine Quelle für Wasser oder Wasserdampf angeschlossen ist.

5. Schmelzofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Bubbler (23) im Boden (18) des Risers (16) ange­ ordnet ist.

6. Schmelzofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodendurchlaß (14) in Richtung auf den Riser (16) eine Gefälle­ strecke (19) aufweist.