DE4446574C1 - Verfahren zum geregelten Kühlen und Homogenisieren eines Glasstroms und Rühreinrichtung für die Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Kühlen und Homogenisieren eines Stroms geschmolzenen Glases nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In letzter Zeit hat die Belastung der Wannen von Glas-Schmelzöfen ständig zugenommen, d. h. die pro Zeiteinheit in der Wanne hergestellte Glasmenge. Mit der Wannenbelastung aber steigen die Temperaturen des den Durchfluß der Wanne verlassenden Glases zunehmend weiter, so daß unverhältnismäßig große Arbeitswannen mit Kühlflächen bzw. lange Speiserrinnen gebaut werden müssen, um die hohen Temperaturen bis zur Verarbeitung des Glases abzubauen.

Es wäre nunmehr naheliegend, die Kühlung durch eine Wasserkühlung mit wesentlich verbessertem Wärmeübergang zu intensivieren. Dies führt jedoch zu dem Nachteil, daß an der gekühlten Stelle in der Glasschmelze sehr kalte Bereiche entstehen, die hohe Viskositäten aufweisen und deswegen an der Strömung nicht mehr teilnehmen. Im verbleibenden Strömungsquerschnitt werden dann die Geschwindigkeiten entsprechend höher, wodurch sich die negativen Auswirkungen verstärken.

Es ist bereits bekannt, Rührer im Glasbad einzusetzen, um dieses abzukühlen. Diese Rührer haben jedoch den Nachteil, daß sie hinsichtlich der abzuführenden Wärmemenge nicht regelbar sind. Da das Kühlwasser eine Temperatur von mehr als 100°C nicht überschreiten darf, um eine Dampfbildung zu vermeiden, ist die Temperaturdifferenz zwischen der Rührerwandung und der Glasschmelze relativ konstant, so daß folglich eine konstante Energiemenge entnommen wird.

Durch die DE 41 24 390 A1 ist es bereits bekannt, in einem Speiserkopf, d. h. im Entnahmebereich einer Speiserrinne, eine ungekühlte Rühreinrichtung vorzusehen, um die Temperaturverteilung zu homogenisieren. Merkliche Wärmemengen aber können durch die Rühreinrichtung bzw. die Rührerwelle nicht abgeführt werden. Es ist durch die gleiche Schrift weiterhin bekannt, der Drehbewegung des Rührers eine Auf- und Abwärtsbewegung zu überlagern. Diese Maßnahme dient jedoch zur Dosierung des Austritts von Glasschmelze durch eine unterhalb der Rührerwelle liegende Austrittsöffnung. Eine Veränderung der (nicht vorhandenen) Kühlwirkung ist dadurch weder möglich noch vorgesehen, zumal auch die Rührerflügel sämtlich stets unterhalb des Schmelzenspiegels gehalten werden.

Es ist durch die DE 27 18 653 A1 gleichfalls bereits bekannt, in einem aufsteigenden Durchlaß zwischen einer Schmelzwanne und einer Arbeitswanne eine Rühreinrichtung vorzusehen, um die Strömung zu verstärken und die Temperaturverteilung zu homogenisieren. Die bekannte Rühreinrichtung besitzt aber keinerlei Kühlkanäle und dient infolgedessen auch nicht zur Wärmeabfuhr.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, durch das die Kühlwirkung bzw. die pro Zeiteinheit abgeführte Energiemenge gezielt beeinflußt werden kann, so daß kleinere Arbeitswannen bzw. kürzere Speiserrinnen verwendet werden können, ohne daß hierdurch die Kühl- und Homogenisierungswirkung beeinträchtigt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Durch die Veränderung der Anzahl der in die Schmelze eingetauchten Rührflügel kann die abgeführte Wärmemenge gezielt beeinflußt werden. Dadurch ist es möglich, trotz einer hohen Wannenbelastung, d. h. hoher Glastemperaturen am Wannenausgang, kleinere Arbeitswannen und kürzere Speiserrinnen einzusetzen und dennoch an den Entnahmestellen der Arbeitswannen bzw. der Speiserrinnen Glasportionen mit einer Temperatur innerhalb eines engen vorgegebenen Bereichs zu entnehmen, die außerdem noch eine hervorragende Homogenität hinsichtlich der Temperaturverteilung besitzen.

Kühlwirkung und Rührwirkung lassen sich dadurch entkoppeln, daß die Anzahl der gleichzeitig in der Glasschmelze rotierenden Rührflügel verändert wird.

Durch den Erfindungsgegenstand werden auch bei starker Kühlung unzulässig kalte Zonen innerhalb der Schmelze vermieden, so daß keine durch die Viskosität bedingte Strömungsverengung eintritt.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Rührflügel in Richtung der Achse A-A Abstände "d" zwischen sich einschließen, und wenn durch den Antrieb für die Höheneinstellung der Rührwelle eine derartige schrittweise Höheneinstellung durchgeführt wird, daß es ausgeschlossen ist, daß ein Rührflügel innerhalb oder knapp unterhalb des Schmelzenspiegels durch die Schmelze bewegt wird. Hierdurch wird eine Blasenbildung im Glas ausgeschlossen.

Die schrittweise Höhenverstellung führt natürlich bei ansonsten gleichen Parametern zu einer diskontinuierlichen Änderung der Kühlwirkung. Die Kühlwirkung kann aber zusätzlich dadurch gezielt beeinflußt werden, daß man die Drehzahl des Rührers verändert. Bei höherer Drehgeschwindigkeit des Rührers wird sich der kalte Glasfilm auf den Rührflügeln vermindern, wodurch ein erhöhter Wärmedurchgang begünstigt wird. Durch die Einbeziehung der Drehzahl des Rührers kann mithin die kontinuierliche Änderung der Kühlwirkung wieder herbeigeführt werden. Mit anderen Worten: Durch die geeignete Wahl der Drehgeschwindigkeit zwischen den einzelnen Stufen und die Höheneinstellung des Rührers kann über einen weiten Bereich die Energieabfuhr aus der Glasschmelze linear geregelt bzw. gesteuert werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Rühreinrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Sie ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 4.

Je nach der Höhe des einstellbaren Sollwerts für die Temperatur wird der Rührer in der Höhe jeweils um einen waagrechten Kühlarm verstellt.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Rührflügel als koaxiale Rohre ausgeführt sind, von denen die in die Glasschmelze eintauchenden Enden der äußeren Rohre verschlossen sind. Das jeweils innere Rohr ist dabei bis nahezu zum Ende des jeweils äußeren Rohres geführt, welches geschlossen ist. Das Kühlwasser wird dabei durch das äußere Rohr bis zum Ende des Kühlrohres geführt und fließt dann über das innere Rohr wieder zurück.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn zumindest die oberen Rührflügel unter einem Winkel von 90 Grad zur Achse A-A ausgerichtet sind. Die unteren Rührflügel können dabei auch unter einem von 90 Grad verschiedenen Winkel angeordnet sein, was aber nicht zwingend erforderlich ist. Um eine gezielte Förderwirkung herbeizuführen, sind die Rührflügel auf dem Umfang der Rührwelle nach Art der Stufen einer Wendeltreppe gestaffelt angeordnet. Durch diese Maßnahme kann je nach der Drehrichtung eine Auf- oder Abwärtsbewegung des Glasstromes gefördert werden.

In besonders einfacher Weise werden die Rührflügel durch die entsprechend abgebogenen Enden von koaxialen Rohren gebildet, wobei die achsparallel verlaufenden Schenkel dieser koaxialen Rohre zu einem Bündel zusammengefaßt sind und dadurch die Rührwelle bilden.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Enden der Rührflügel von einem Strömungskanal für das Glas umgeben sind, insbesondere wenn diese Enden und ihre Bewegungsbahnen in einer ideellen Hüllfläche liegen, die der Innenfläche des Strömungskanals unter Belassung eines Spaltes geometrisch ähnlich ist. Hierdurch wird es zusätzlich vermieden, daß in der Glasschmelze kalte Bereiche entstehen, die nicht mehr an der Strömung teilnehmen können. Der Strömungskanal hat vorzugsweise in jedem Höhenbereich einen kreisförmigen Querschnitt; vorzugsweise wird der sogenannte "Riser" als Strömungskanal für die Unterbringung des Rührers verwendet. Da die resultierende Strömung senkrecht zu den Rührflügeln erfolgt, wird sowohl eine gleichmäßige Homogenisierung der Glasmasse als auch eine gleichmäßige Abkühlung erreicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Strömungskanal in Form eines Risers mit einer Seitenansicht der Rühreinrichtung und einem Blockschaltbild für eine Regeleinrichtung zur Herbeiführung der unterschiedlichen Rührerbewegungen und

Fig. 2 einen Teilausschnitt aus Fig. 1 im Kreis II in vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 ist ein Strömungskanal 1 dargestellt, dessen Wandung 2 durch eine Zylinderfläche mit senkrechter Achse A-A gebildet wird. Das untere Ende des Strömungskanals 1 steht mit einem Zuströmkanal 3 in Verbindung, dessen nicht gezeigtes Eintrittsende mit der Homogenisierungszone einer Schmelzwanne in Verbindung steht. Das obere Ende des Strömungskanals 1 steht mit einem Abströmkanal 4 in Verbindung, der wahlweise zu einer Arbeitswanne oder zu einer oder mehreren Speiserrinnen führt. Der Schmelzenspiegel 5 des Glases 6 ist angegeben.

Oberhalb des Strömungskanals 1 befindet sich ein Hohlraum 7, der gewissermaßen eine koaxiale Verlängerung des Strömungskanals 1 darstellt und den gleichen Querschnitt aufweist. Sämtliche Strömungskanäle sowie der Hohlraum 7 sind von feuerfesten Bausteinen umgeben, was im vorliegenden Falle durch gestrichelte Schraffierung kenntlich gemacht ist. Dem Strömungskanal 1 ist eine Rühreinrichtung 8 zugeordnet, die eine koaxiale Rührwelle 9 besitzt. Der untere Teil 9a der Rührwelle 9 besteht aus einem Bündel achsparalleler konzentrischer Rohre 10, deren untere Enden rechtwinklig oder unter einem stumpfen Winkel abgebogen sind und dadurch Rührflügel 11 bzw. 11 a bilden. Die Achsen der Rührflügel 11 verlaufen senkrecht zur Drehachse A-A, während die Achsen der Rührflügel 11a unter einem stumpfen Winkel zu der besagten Achse verlaufen. Die rechtwinklig abgebogenen bzw. waagrecht verlaufenden Rührflügel 11 schließen zwischen sich in Richtung der Achse A-A Abstände "d" ein, auf deren Bedeutung nachstehend noch näher eingegangen wird. Die Rührflügel 11 und 11a bilden in ihrer Gesamtheit einen Rührer 12, der in der gezeigten Betriebsstellung gemäß Fig. 1 vollständig in das geschmolzene Glas 6 eingetaucht ist.

Die oberen Enden des Teils 9a der Rührwelle 9 sind in sogenannten Rotationskupplungen 13 und 14 zusammengefaßt, die über Leitungen 13a und 14a mit einem nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf verbunden sind. Durch symbolisch dargestellte, aber nicht näher bezeichnete Einstellventile lassen sich die Kühlmittelströmungen gezielt einstellen.

Die Rührwelle 9 besitzt an ihrem oberen Ende eine Schiebemuffe 15, die verdrehfest aber längsverschieblich auf der Abtriebswelle 16 eines Getriebemotors 17 geführt ist. Dieser Getriebemotor dient ausschließlich zur Herbeiführung einer Drehbewegung der Rührwelle 9.

Die Rührwelle 9 ist am oberen Ende mit einem Ausleger 18 versehen, in dem die Schiebemuffe 15 drehbar, aber axial unverschiebbar, gelagert ist. Durch den Ausleger 18 ist mittels einer Spindelmutter 19 eine achsparallele Gewindespindel 20 hindurchgeführt, die von einem Hubmotor 21 angetrieben wird, der zur gezielten Höheneinstellung der Rührwelle 9 dient. Mittels des Hubmotors 21 kann der Drehbewegung der Rührwelle 9 eine Hubbewegung überlagert werden, die einen solchen Umfang haben kann, daß der unterste der waagrechten Rührflügel 11 aus der Glasschmelze 6 herausgehoben wird und mit deutlichem Abstand über dem Schmelzenspiegel 5 liegt. In diesem Fall befindet sich der obere Teil des Rührers 12 innerhalb des Hohlraums 7, wodurch die aus der Schmelze herausgehobenen Rührflügel 11 keine merkliche Kühlwirkung mehr auf die Schmelze ausüben.

Es versteht sich, daß durch den Hubmotor 21 auch Zwischenstellungen ein­ gestellt werden können, jedoch mit Ausnahme solcher Zwischenstellungen, bei denen sich einer der Rührflügel im Bereich des Schmelzenspiegels 5 be­ findet oder knapp darunter. In einem solche Falle würde nämlich durch die Bewegung der Rührflügel eine Blasenbildung im Glas erzeugt, die außeror­ dentlich unerwünscht ist, nachdem man Gasblasen gerade erst in der Läuter­ zone der Schmelzwanne entfernt hat. Um eine solche Zwischenstellung zu vermeiden, haben die einzelnen Rührflügel untereinander jeweils einen Ab­ stand "d", der größer ist als der Außendurchmesser eines Rührflügels, so daß der Rührer 12 jeweils so eingestellt wird, daß der Schmelzenspiegel 5 etwa in der Mitte des Abstandes "d" zu liegen kommt. Die Abstände "d" sind vor­ zugsweise, aber nicht notwendigerweise identisch.

Es ist Fig. 1 noch zu entnehmen, daß die Rührflügel 11 und 11a auf dem Umfang der Rührwelle 9 bzw. 9a nach Art der Stufen einer Wendeltreppe gestaffelt angeordnet sind. Hierdurch wird je nach der Drehrichtung ein Auf­ wärts- oder Abwärtsimpuls auf die Schmelze ausgeübt.

Am Anfang des Abströmkanals 4, d. h. im Bereich der vom Rührer 12 ab­ fließenden Glasströmung, befindet sich ein Temperaturfühler 22, dessen Ausgangssignale über eine Leitung 23 einer Regelanordnung 24 zugeführt werden, in der sie mit einem Temperatur-Sollwert verglichen werden, der über einen Sollwertgeber 25 eingestellt wird. Von der Regelanordnung 24 führt eine weitere Leitung 26 zu einem Hubregler 27, der über eine Leitung 28 mit dem Hubmotor 21 verbunden ist, so daß hierdurch die gewünschten Höheneinstellungen der Rührwelle 9 herbeigeführt werden können. Es ver­ steht sich, daß hierbei durch entsprechende Programmierung der Regelan­ ordnung 24 die weiter oben beschriebenen unerwünschten Zwischen­ stellungen der Rührflügel 11 ausgeschlossen werden.

Von der Regelanordnung 24 führt eine weitere Leitung 29 zu einem Drehzahlregler 30, der seine Stellsignale über eine Leitung 31 dem Getriebemotor 17 zuführt. Der Getriebemotor 17 besitzt einen hier nicht besonders gezeigten Drehzahlgeber, dessen Ausgangssignale über eine Leitung 32 zum Drehzahlregler 30 zurückgeführt werden, in dem sie mit einem Drehzahl-Sollwert verglichen werden, der über einen Sollwertgeber 33 vorgegeben wird. Der Drehzahlregler 30 ist jedoch in der Weise ausgelegt, daß das Ausgangssignal des Sollwertgebers 33 unberücksichtigt bleibt, wenn eine Drehzahländerung zur Linearisierung der Regelcharakteristik erforderlich ist. Dieser Vorgang findet dann statt, wenn ein in der Regelanordnung 24 enthaltener Rechner ermittelt, daß der Temperatursprung am Temperaturfühler 22 zu groß würde, wenn der jeweils nächstfolgende Rührflügel 11 aus der Schmelze herausgehoben oder in diese eingetaucht wird. In diesem Fall wird der Abstand zwischen einem solchen errechneten oder durch Versuche bestimmten Temperatursprung durch eine entsprechende Erhöhung oder Erniedrigung der Drehzahl der Rührwelle 9 in einen linearen steigenden oder fallenden Temperaturverlauf umgewandelt, und zwar je nach dem, ob die Temperatur angehoben oder abgesenkt werden soll.

Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Rührflügel 11 mit Hohlräumen 34 und 35 versehen sind, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. In einem äußeren Rohr 36, das durch einen Stopfen 37 verschlossen ist, befindet sich in konzentrischer Lage eines inneres Rohr 38, das mit Abstand vor dem Stopfen 37 endet. Das Kühlmedium (Wasser) durchströmt zuerst den Hohlraum 34 und wird alsdann nach Umlenkung durch den Hohlraum 35 im inneren Rohr 38 zurückgeführt.

Es ist nicht erforderlich, daß die Rührflügel 11 und 11a und ihre Zuführungsleitungen im Bereich des Teils 9a der Rührwelle 9 als koaxiale bzw. konzentrische Rohre ausgeführt sind; es sind auch andere geometrische Konfigurationen denkbar, jedoch ist die im Ausführungsbeispiel gezeigte Anordnung besonders einfach in der Herstellung. Denkbar ist beispielsweise der Ersatz des achsparallelen Rohr­ bündels durch ein konzentrisches Doppelrohr, an das radiale Rührflügel angesetzt sind.

Claims (11)

1. Verfahren zum geregelten Kühlen und Homogenisieren eines Stroms geschmolzenen Glases (6) mittels einer rotierenden Rühreinrichtung (8), dadurch gekennzeichnet, daß man

• a) einen um eine den Schmelzenspiegel (5) durchdringende Achse (A-A) rotierenden Rührer (12) mit einer Rührwelle (9, 9a) verwendet, an der in unterschiedlichen Höhenlagen abstehende Rührflügel (11, 11a) angeordnet sind,
• b) durch die Rührflügel (11, 11a) ein Kühlmedium hindurchleitet und
• c) durch Veränderung der Höheneinstellung der Rührwelle (9, 9a) gegenüber dem Schmelzenspiegel (5) die Anzahl der gleichzeitig in die Glasschmelze (6) eingetauchten Rührflügel (11, 11a) verändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührflügel (11) in Richtung der Achse (A-A) Abstände zwischen sich einschließen, und daß durch einen Hubantrieb (21) für die Höheneinstellung der Rührwelle (9, 9a) eine derartige schrittweise Höheneinstellung durchgeführt wird, daß zur Vermeidung einer Blasenbildung im Glas ausgeschlossen ist, daß ein Rührflügel (11) innerhalb oder knapp unterhalb des Schmelzenspiegels (5) durch die Schmelze (6) gedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich die Drehzahl des Rührers (12) beeinflußt.

4. Rühreinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• a) einen um eine den Schmelzenspiegel (5) durchdringende Achse (A-A) drehbaren Rührer (12) mit einer Rührwelle (9, 9a), an der in unterschiedlichen Höhen lagen abstehende Rührflügel (11, 11a) angeordnet sind, die mit Hohlräumen (34, 35) zur Durchleitung eines Kühlmediums versehen sind,
• b) die höhenverstellbare Lagerung der Rührwelle (9, 9a), mindestens einen Temperaturfühler (22) zur Erfassung der Temperatur der vom Rührer (12) abfließenden Glasströmung und
• d) eine Regelanordnung (24) zur Beeinflussung der Höheneinstellung des Rührers (12) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur und einem vorgegebenen Sollwert für die Temperatur.

5. Rühreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Regelanordnung (24) zusätzlich die Drehzahl des Rührers (12) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur und einem vorgegebenen Sollwert für die Temperatur beeinflußbar ist.

6. Rühreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührflügel (11) in Richtung der Achse (A-A) Abstände zwischen sich einschließen und daß die Regelanordnung (24) in Bezug auf die Höheneinsteilung der Rührwelle (9, 9a) in der Weise ausgelegt ist, daß eine Drehung der Rührwelle (9) dann ausgeschlossen ist, wenn einer der Rührflügel (11) teilweise in die Glasschmelze (6) eintaucht oder knapp unterhalb des Schmelzenspiegels (5) liegt.

7. Rühreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührflügel (11, 11a) als koaxiale Rohre (36, 38) ausgeführt sind, von denen die in die Glasschmelze (6) eintauchenden Enden der äußeren Rohre (36) verschlossen sind.

8. Rühreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührflügel (11, 11a) auf dem Umfang der Rührwelle (9, 9a) nach Art der Stufen einer Wendeltreppe gestaffelt angeordnet sind.

9. Rühreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rührflügel (11, 11a) von einem Strömungskanal (1) umgeben sind.

10. Rühreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rührflügel (11, 11a) und ihre Bewegungsbahnen in einer ideellen Hüllfläche liegen, die der Innenfläche (2) des Strömungskanals (1) unter Belassung eines Spaltes geometrisch ähnlich ist.

11. Rühreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die oberen Rührflügel (11) unter einem Winkel von 90 Grad zur Achse (A-A) ausgerichtet sind.