DE2910032A1

DE2910032A1 - Schauglasanordnung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2910032A1
Application number: DE19792910032
Authority: DE
Inventors: Roland R Van Der Beck; James W Chapman
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: Pfaudler Inc
Priority date: 1978-03-20
Filing date: 1979-03-14
Publication date: 1979-10-04
Also published as: US4162826A; FR2420779A1; DE2910032C2; FR2420779B1; CH640624A5; IT7948401A0; IT1116568B

Description

DIPL-PHYS. F. ENDLICH germer.ng 12. März 1979

PATENTANWALT j

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH POSTFACH, D - ΘΟ34 GERMERING

TELEX: 52 1730 PATE

S - 4604

Sybron Corporation
Rochester, N. Y., USA

Schauglasanordnung und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Schauglasanordnung für einen unter Druck stehendes Fluid enthaltenden großen Behälter. Das Fluid kann korrosiv sein und/oder eine hohe Temperatur haben.

Viele bisherige Schaugläser bestehen aus einem einzigen Glasteil geeigneter Zusammensetzung, das in einer Befestigungsanordnung einschließlich Flanschringen gehalten wird, die gegen die Aussen- und Innenflächen des Schauglases durch von Hand erfolgendes Anziehen von Flanschschrauben geklemmt werden. Hierdurch wird die Befestigungsanordnung gegen Leckverluste an Druck oder Vakuum abgedichtet. Die Flanschschrauben werden zur Gewährleistung einer vollkommenen Abdichtung angezogen, was ungleichmäßige Belastungen in der Glaslinse erzeugt. Eine andere Schauglasart, die für gewöhnlich bei Behältern mit unter Druck und hoher Temperatur befindlichen Fluiden verwendet wird, besteht aus einem einzigen Glasteil geeigneter Zusammensetzung,das in einem geeigneten Halter in der Wand des Behälters befestigt ist. Selbst wenn die Zusammensetzung und die Geometrie des gewählten Glases den durch den Betriebsdruck und die Betriebstemperatur erzeugten

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normalen Beanspruchungen widersteht, "bietet es keinen Schutz gegen abnormale Beanspruchungen, die durch Korrosion, mechanische Stöße, Wärmestöße und Linsenkratzer erzeugt werden.

Fine weitere Art eines allgemein erhältlichen Schauglases verwendet eine wärmebehandelte Glaslinse. Ein wärmebehandeltes Glas besteht aus einer inneren Zugschicht und einer dünneren äusseren Druckschicht. Dies erhöht die Festigkeit des Glases und entsprechend dessen Fähigkeit, einem inneren Druck zu widerstehen,· vorausgesetzt, daß die dünne Druckschicht nicht durch chemische Korrosion oder durch Kratzer beschädigt ist. Falls dies auftritt, wird das Glas tatsächlich schwächer als ein nicht wärmebehandeltes Teil, da das unbeschädigte Glas bereits unter Spannung steht.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Schauglasanordnung, die normalen und abnormalen Beanspruchungen widersteht, einer Schauglasanordnung einteiliger Konstruktion, erzeugt durch Schmelzen einer Drucklinse unmittelbar an einen mit einem Emailüberzug versehenen Stahlring, einer Schauglasanordnung mit beträchtlicher Festigkeit und hervorragender Stoßfestigkeit, einer Schauglasanordnung mit hoher Lebensdauer aufgrund der Festigkeitsreserve aufgrund ihres einteiligen Aufbaus, einer wartungsfreien Schauglasanordnung, die frei von jeglichem nachgiebigen Dichtungsmaterial zwischen der Glaslinse und dem Stahlring ist, und einer einteiligen Schauglasanordnung, deren gesamter Glasbereich unter gleichmäßigem Druck innerhalb des Stahlrings steht, was eine hervorragende Festigkeit gegen mechanische Stöße, Bruch und Wärmestöße ergibt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 bzw. 7.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung ist auch eine Schauglasanordnung vorgesehen,

durch die die Glaslinse dadurch zusammengedrückt wird, daß sie in einen emaillierten Stahlring geschmolzen ist.

Die Erfindung betrifft somit kurz zusammengefaßt eine hochstoßfeste Schauglasanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung, bei dem die Glaslinse in einem mit einem Smailüberzug versehenen Metallring derart eingeschmolzen wird, daß sie an den Emailüberzug anschmilzt und der gesamte Glasbereich unter Druck steht. Die Glaslinse wird in die Bohrung eines Flanschrings eingebracht, wobei die Glaslinse und der Flanschring erhitzt werden, wodurch die Glaslinse fließt, sich an die Bohrung des Flanschrings anpaßt und an den Eiaailüberzug anschmilzt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht der Schauglasanordnung;

Fig. 2 ein Schnitt 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 die Schauglasanordnung vor dem Einsetzen in einen Ofen;

Fig. 4 eine hochstoßfeste Schauglasanordnung vor dem Einsetzen in einen Ofen;

Fig. 5 die Schauglasanordnung an einem im Betrieb stehenden Behälter angebaut.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Schauglasanordnung 10 nach der Erfindung mit einem Schauglas 12, das in einem emaillierten Flanschring 14 eingeschmolzen ist. Der Flanschring weist eine mit 2 verjüngte Bohrung zur Erleichterung des Zusammenbaus auf und ist mit einem chemisch widerstandsfähigen Glas-Emailüberzug 13 versehen. Die Stoßfestigkeit des Schauglases kann dadurch weiter verbessert werden, daß eine höchstoßfeste Glaslinse auf der der Atmosphäre ausgesetzen Seite abgedichtet wird._

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Der Herstellungsvorgang der Sehauglasanordnung findet im einzelnen in folgender Weise statt:

Eine kleine Setzplatte 16 aus Graphit, der Planschring 14, die Glaslinse 12 und eine große Setzplatte aus Graphit 18 werden gemäß Fig. 3 im kalten Zustand zusammengebaut. Der Durchmesser der kleinen Setzplatte ist geringfügig kleiner als der Bohrungsdurchmeεser des Flanschrings, dessen Oberfläche mit einem Emailüberzug 13 versehen ist und dessen Bohrung sich vorzugsweise mit 2 verjüngt. Der Durchmesser der Glaslinse ist geringfügig größer als der Bohrungsdurchmesser des Flanschrings. Die Setzplatten aus Graphit werden zum Gießen der Anordnung verwendet, obwohl auch jedes andere Substratmaterial verwendet werden Kann, das hinsichtlich der Abmessungen stabil ist und auch bei der hohen Temperatur nicht am geschmolzenen Glas haftet.

Die kalte Anordnung gemäß Fig. 4 wird in einen zwei Zonen aufweisenden vorerhitzten atmoshäris.chen Muffelofen mit elektrischer Heizung eingesetzt. Die aufrechterhaltene Temperatur ist die Fließpunkttemperatur des gewählten linsenmaterialsv Bei der vorliegenden Ausfi-hrungEjform wird Kronglas als Linsenmaterial gewählt, wobei eine Temperatur von etwa 871 C aufrecht erhalten wird. Die korrekte Siegelzeit beträgt etwa 5 Minuten nach Erreichen

der Ofentemperatur durch die Flanschringe. Die Viskosität des Kronglases liegt am Fließpunkt im Bereich von 10 Poise. Die Glaslinse erweicht, fließt in die Bohrung und verbindet sich mit dem erweichten Emailüberzug auf der Innenfläche der Bohrung, der bei

ρ dieser Temperatur eine Viskosität im Bereich von 10 Poise hat.

Die Tür zwischen den Ofenzonen wird dann angehoben, wobei die heißen Schal
ben werden.

heißen Schaugläser einfach in eine Kühlkammer mit 204 C gescho-

Wenn die angegebene Temperatur etwa 350 ⁰C oder weniger beträgt, wird die Sehauglasanordnung aus dem Of en bewegt und kann sich bei

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Raumtemperatur abkühlen. Ein zweiter Halteofen kann verwendet werden, wenn die Zeit zum Erreichen von .etwa 315 C übermäßig lang ist. Dieser Ofen sollte eine Temperatur von etwa 315 C haben, wobei die aus der Kühlkammer entfernten Teile sich wenigstens eine Stunde lang erwärmen können, sodaß eine Temperatur von etwa 315 ⁰C erreicht wird. Nach dem Abkühlen der Teile auf Raumtemperatur ist die Setzplatte aus Graphit normalerweise in den Planschring eingebettet. Sie wird durch Einschneiden mit einem scharfen Messer leicht entfernt.

Die Schaugläser werden dann getestet.

Die zur Herstellung des grundlegenden angeschmolzenen Stahlschauglases verwendeten Materialien umfassen herkömmlichen, mit Titan stabilisierten Stahl, einen Eiriailuberzug, eine spannungsfrei erwärmte plattenförmige Kronglasscheibe und eine hochdichte Setzplatte aus Graphit. Dieser Stahl wurde wegen des leichten Verglasens und der Verfügbarkeit als Ausgangsmaterial in der gewünschten Dicke gewählt. Es könnten aber auch andere !'.'.aterialien, .Inconel- oder Incoloy-Metalle oder verglasbare Kohlenstoffstähle, verwendet werden. Das Kronplattenglas wurde gewählt wegen seiner Verfügbarkeit, der niedrigen Kosten und der passenden Y/ärmedehnungsdifferenz mit Stahl, bei der die Ausdehnung des Stahls größer als die diejenige des Glases ist. Die Glaslinse 12 muß zur Verhinderung des Brechens während des Siegeins geeignet spannungsfrei erwärmt sein und muß die minimale Abschrägung haben, die zur Verhinderung von Handhabungsproblemen erforderlich ist. Der für die Ringfläche gewählte Emailüberzug 13 ist so beschaffen, daß seine günstige Ausdehnungsdifferenz mit Metall einen Überzug über einen Radius gestattet. Dies wurde jedoch als notwendig gefunden, den Gehalt an Mahlzusatz von SiO₂ des Emailüberzugs zu erhöhen, um ein Dünnerwerden des Emailüberzugs auf dem Radius während des Siegeins zu verhindern. Ein Zusatz von Kieselerde verändert die Viskosität des Emailüberzugs. Somit erweicht das Email

. in Wärme, fließt aber nicht. Die erweichte Linse fällt dann in die

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Setzplatte aus Graphit, fließt unter Anpassung an den ausgedehnten Ring und verschmilzt mit dem Emailüberzug. Die Setzplatte muß aus einem hochdichten Material bestehen, so daß sie eben bearbeitet werden kann. Es können offensichtlich andere Materialarten wie die angegebenen verwendet werden zur Erzeugung von technisch gleichwertigen Schaugläsern, vorausgesetzt,daß die Eigenschaften der Materialarten angemessen sind und zweckmäßige konstruktive Auslegungen vorliegen. Von besonderer Wichtigkeit sind die relativen Dicken und Flächen von Glas und Stahl und auch die Wärmedehnungsdifferenz zwischen den beiden ,Materialarten.

Der zwei Zonen aufweisende elektrische Ofen mit atmospähren Eigenschaften erwies sich bei der Herstellung von Sehaugläsern als ideale Zur Erzeugung der Schaugläser können auch andere Öfen verwendet werden, vorausgesetzt,daß zur Erzielung einer vollständigen Siegelung eine angemessene Temperaturgleichmässig-

keit eingehalten wird.

Die Fähigkeit zur Herstellung von Sehaugläsern hängt etwas von der korrekten Abmessungskontrolle der überzogenen Ringöffnung, des Glaslxnsendurchmessers und des Durchmessers der Setzplatte aus Graphit ab. Die Glaslinse sollte während des kalten Zusammenbaus weder hindurchtreten, noch merklich über (d.h. 0,0012 mm) der Ringfläche sitzen. Wenn das Glas durch den Flanschring hindurchtritt, wird die Zeit, die zum Fliessen des Glases zum Flanschring erforderlich ist, übermäßig lang. Wenn aber die Glaslinse merklich über der Ringfläche sitzt, so neigt die Glaslinse dazu, sich nicht auf den Graphit der Aufsetzeinrichtung zu setzen, bevor sie etwas flüssig wird, und sich derart durchzubiegen, daß die obere Linsenfläche nach dem Siegeln verformt ist. Die Beziehung zwischen der Ringöffnung und dem Durchmesser der Setzplatte ist auch von Bedeutung. Der Durchmesser der dünnen Setzplatte aus Graphit sollte innerhalb 1,27 mm des überzogenen Innendurchmessers des umschliessenden Flanschrings liegen. Der Durchmesser

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kann natürlich so nahe dem Innendurchmesser des Planschrings kommen, wie es praktisch ist. Eine Ausgangsdurchmesserdifferenz von über 1,27 mm ergibt aber darin ein Problem, daß das freie Linsenglas während des Siegeins in den Spalt fließt und später zum Abblättern oder Absplittern neigt. Obwohl die Erzielung des gewünschten Gleichgewichts der Abmessungen etwas kompliziert erscheint, so haben sich doch in der Praxis keine größeren Schwierigkeiten ergeben. Der Glasdruchmesser wird vorgegeben, wonach der Graphitdurchmesser auf 1,27 mm kleiner als der Glasaurchmesser festgelegt wird_o Der minimale Innendurchmesser des Flanschrings wird dann so bearbeitet, daß 1,02 mm des Emailüberzugs einen Ringdurchmesser ergeben, der gleich dem Glasdurchmesser ist. Wenn diese logische Schrittfolge befolgt wird, kann jede Schauglasgröße problemlos hergestellt werden.

Zur Herstellung einer Schauglasanordnung mit höherer Stoßfestigkeit wird die Erfindung ferner dadurch abgeändert, daß eine Linse an eine Seite der Schauglasanordnung gesiegelt wird.

Es sind dieselben Abhängigkeiten wie bei der oben beschriebenen Schauglasanordnung auf das hoch stoßfeste Schauglas mit Ausnahme der Setzplatte aus Graphit anwendbar. In diesem Fall ist die Setzplatte dicker als eine Ringausnehmung und hat einen solchen Durchmesser, daß sie in den Bereich der Ausnehmung paßt.

Die Teile werden gem. Fig. 5 im kalten Zustand zusammengebaut. Die Verjüngung der Ringbohrung um 2 d:
Erleichterung des kalten Zusammenbaus.

Die Verjüngung der Ringbohrung um 2 dient wiederum lediglich zur

Die kalt zusammengebauten Teile werden dann in den vorerhitzten Ofen eingesetzt. Die korrekte Folge von Schritten beim Siegelvorgang ist wie folgt:

1. Der Ring dehnt sich schneller als das Glas aus, das auf die Setzplatte aus Graphit fällt. Bei korrekter Kontrolle der

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Abmessungen findet dies statt, bevor sich die Glaslinse oder der Smailüberzug auf dem Plansehring erweicht.

2. Die Glaslinse wird flüssig und fließt zur Anpassung an die Geometrie des Glasrings und siegelt sich an den Emailüberzug.

Die gesiegelten Teile werden dann zur Kühlkammer bewegt und können sich langsamer unter wenigstens 315 C, vorzugsweise 204 C, abkühlen, bevor sie zur Luftabkühlung entfernt werden. Diese Abkühlung sollte während einer Zeitdauer von wenigstens 90 Minuten stattfinden. Obwohl die Teile durch ein schnelles Abkühlen in Luft hergestellt wurden, wird durch eine langsame Abkühlung ein gleichmäßigeres und zuverlässigeres Produkt hergestellt.

Nachdem sich die Teile gründlich abgekühlt haben, wird die gehaltene Glasfläche bis zu visueller Klarheit poliert. Die freien Flächen werden dann vor dem Auftragen von Farbe durch Bandschleifen usw. gereinigt. Die Oberfläche sollte eben sein, um eine gleichmäßige Spannungsverteilung während der Befestigung zu gewährleisten. Eine korrosionsfeste und schmückende Farbe wird dann auf normale Weise aufgebracht. Es sollte für eine gleichmäßige und angemessene Bedeckung gesorgt werden, da. eine übermaßige Korrosion in der Nähe des Linsenbereichs schädlich ist. Danach werden die Stoßabschirmung und eine Dichtung unter Verwendung eines Silikonabdichtungsmittels am hochstoßfesten Schauglas angebracht. Die Stoßabschirmung ist vorzugsweise aus wärmebehandeltem Kronglas hergestellt. Sie schützt das Schauglas vor jeder mechanischen Mißhandlung von außen und wirkt als Sicherheitsabschirmung für die Glaslinse_o Die fertiggestellte Schauglasanordnung wird an einer Düse eines im Betrieb befindliehen Behälters angebaut, vergl. Fig. 5. Die Anordnung wird mit dazwischen befindlichen Dichtungen an der Düse verschraubt. Im Fall der hochstoßfe-• st en Schauglasanordnung ist die stoßfeste Abschirmung zur Atmosphäre gewandt.

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Somit ist die Schauglasanordnung nach der Erfindung eine einteilige Konstruktion, die durch unmittelbares Schmelzen einer Drucklinse auf einen mit einem Emailüberzug versehenen Glas-Stahlring hergestellt ist und eine beträchtliche Festigkeit einschließlich hervorragender Stoßfestigkeit aufweist. Das Schauglas wurde getestet und zeigte einen Sicherheitsfaktor von wenigstens dem 20 -fachen Nenndruck bis zum Auftreten von Leckverlusten und von wenigstens dem 10 -fachen Nenndruck (bei Nenntemperatur) bis zum Auftreten von Spannungsrissen. Diese hervorragenden Eigenschaften werden dadurch erzielt, daß die Glaslinse unter einem hohen Grad von gleichmäßiger Zusammendrückung steht aufgrund der Differenzkontraktion zwischen ihm und dem Metallteil. Die Glaslinse ist daher widerstandfähig gegenüber thermischen oder mechanischen Stößen. Da Glas unter Druck _; nicht bricht, kann das äußere Metallteil aus herkömmlichem Stahl, einer korrosionsfesten Legierung oder aus mit Glas ausgekleidetem Stahl hergestellt werden. Das klare Glasbauteil kann korrosionsfestes Borsilikatglas, Plattenglas usw. sein. Das gewählte Glas sollte die korrekte Wärmedehnungsdifferenz mit dem Flanschringmetall haben, so daß die Ausdehnung des Metalls größer als diejenige des Glases ist. ". - . ■

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Claims

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH cermerins 12. März 1979 PATENTANWALT PHONE TELEGRAMMADRESSE: pATBNDUCM MÜNCHEN CABLE ADDRESS: DIPL.-PHYS. F. ENDLICH POSTFACH. D - B034 G E R M E R I N O TELEX: S2 I73O PATE S - 4604 Sybron Corporation Rochester, N.Y., USA PATENTANSPRÜCHE

1.J Schauglasanordnung,

gekennzeichnet durch eine in einen mit einem Emailüberzug (1$) versehenen ...etallring (1*0 eingeschmolzene, unter L'ruck stehende Linse (1.1;

2. Schauglasanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß der Metallring (14) aus Stahl hergestellt ist«,

3. Schauglasanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der Linse. (12) ein Stoßschutz angesiegelt ist

4. Schauglasanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Glasbereich unter Druck steht.

5. Schauglasanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (12) aus Kronglas hergestellt ist,

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6. Schauglasanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (12) auf den auf dem Metallring (14) befindlichem Emailüberzug (13) geschmolzen ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Schauglasanordnung, gekennzeichnet

a) durch Anbringen einer aus einem nichthaftenden Substrat bestehenden Setzplatte innerhalb einer Bohrung eines mit einem Emailüberzug versehenen Metallrings,

b) durch Anbringen einer Glaslinse in der Bohrung des Metallrings,

c) durch Erhitzen des auf diese Weise angeordneten Substrats aus Metallring und Glaslinse auf die Fließpunkttemperatur der Glaslinse, so daß sich der Metallring ausdehnt und sich die Glaslinse an die Bohrung des Metallrings anpaßt, und

d) durch Abkühlen zum Zusammendrücken der Glaslinse im Ketallring.

8. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß an der Schauglasanordnung eine stoßfeste Abschirmung dichtend angebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Glaslinse anfänglich einen größeren Durchmesser als die Bohrung des Metallrings hat.

10. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzei chnet,

daß die angewendete Erhitzungstemperatur etwa 927 °C beträgt.

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11. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring auf einem nienthaftenden Substrat angeordnet wird.

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