DE10200234C1 - Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze mit einer Unterdruck-Läuterkammer - Google Patents

Abstract

Im weit verbreiteten Umfang erfolgt dieses Läutern mit einer turmartigen Unterdruck-Läuterkammer (5), die einer Glasschmelzwanne (1) nachgeschaltet ist und der ein Steigschacht (9) für die Zufuhr der zu läuternden Glasschmelze zu einer Läuterbank (10), der Läuterkammer (5) sowie Fallschacht (8) für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank (10) zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist. DOLLAR A Um den Glasstand einzustellen, ist beim Stand der Technik eine verstellbare Unterdruck-Läuterkammer vorgesehen. Die Verstellung eines derartigen schweren Anlagenteils bereitet zahlreiche Probleme. DOLLAR A Die Erfindung sieht daher vor, daß die turmartige Unterdruck-Läuterkammer (5) eine vorgegebene, betrieblich nicht veränderbare Höhe besitzt und eine Regeleinrichtung mit Stellventilen (3, 12/14) vor dem Steigschacht (9) und hinter dem Fallschacht (8) abhängig von Glasstandssignalen, Drücken und Temperaturen in den einzelnen Anlagenteilen sowie den Stellpositionen der Ventile (3, 12/14) gewährleistet, daß das vorgegebene Prozeßfenster (Temperatur/Druck) in der Läuterkammer (5) nicht verlassen wird und der Glasstand vor dem Verarbeitungsprozeß konstant bleibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze mit einer turmartigen Unterdruck-Läuterkammer, der ein Steigschacht für die Zufuhr einer zu läuternden Glasschmelze zu einer Läuterbank der Unterdruck-Läuterkammer sowie ein Fallschacht für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist, und mit einer Einrichtung zum Ausgleich von Schwankungen im Glasstand.

Beim Schmelzen von Glas entstehen als Folge der chemischen Umsetzung der Ausgangsstoffe, des Gemenges, beachtliche Mengen an Gasen. Eine grobe Schätzung besagt, daß man aus 1.2 kg Gemenge etwa 1 kg Glas erschmilzt, d. h. während des Einschmelzens ≈1/5 des Gemengegewichts in Form von Gas freigesetzt werden. Andere Gase werden körperlich durch das Gemenge mitgeführt oder durch die Verbrennungs-Wärmequellen in das schmelzende Glas eingebracht.

Das meiste Gas entweicht zwar während des anfänglichen Aufschmelzens des Glases, jedoch wird ein beachtlicher Teil des Gases in der Schmelze eingefangen. Ein Teil des eingefangenen Gases wird in der Glasschmelze gelöst, der andere Teil verbleibt als örtliche Gaseinschlüsse, als sogenannte Blasen, in der Schmelze. Dabei wachsen oder schrumpfen die Blasen, wenn der Blaseninnendruck höher oder niedriger ist als der Gleichgewichtsdruck der gelösten Gase. Die Gasblasen haben dabei eine unterschiedliche Größe.

Da diese Gasblasen die Qualität eines aus der Glasschmelze hergestellten Glas- bzw. Glaskeramikkörpers nachteilig beeinträchtigen würden, wird die Glasschmelze von dem Gas geläutert.

Unter dem Läutern von Glas versteht man daher einen dem "eigentlichen" Aufschmelzvorgang in sogenannten Läuterbereichen nachgeschalteten Schmelzverfahrensschritt, der

• - eine weitgehende Beseitigung von Gasblasen definierter Größenklassen und
• - eine gezielte Einstellung des Gasgehalts der Glaschmelze sicherstellt und dabei gleichzeitig
• - in eine komplexe Abfolge von Schmelzprozeßschritten zu integrieren ist.

Dabei ist in der Regel eine scharfe Trennung dieser Verfahrensschritte nicht möglich.

Die Läuterung des Glases ist demnach von höchster Bedeutung für die Qualität des am Ende des Schmelzprozesses vorliegenden Produkts. Der durch den Läuterprozeß eingestellte Zustand der Schmelze ist insbesondere für den nächsten Prozeßschritt des Konditionierens wichtig, da dort die Abläufe wie Resorption von Blasen im Glas als auch Neuentstehen von Blasen im Glas auftreten können.

Für das Läutern haben sich in bekannter Weise verschiedene Methoden herausgebildet.

Die Gasblasen haben von Hause aus durch ihren statischen Auftrieb das Bestreben, in der Schmelze aufzusteigen und dann ins Freie zu entweichen. Dieser Vorgang braucht ohne äußere Einflüsse jedoch eine beträchtliche Zeit, die den Produktionsprozeß wegen langer Standzeiten verteuern würde. Es ist daher bekannt, in der Läuterungszone höhere Temperaturen zu erzeugen, um so die Viskosität der Schmelze und damit die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen zu erhöhen, sowie den Blasendurchmesser zu vergrößern. Diese zusätzliche Temperaturerhöhung erfordert allerdings eine beachtliche Energie, was ebenfalls den Produktionsprozeß kostenmäßig stark belastet.

Bewährt und weitgehend optimiert ist auch die Methode des chemischen Läuterns von Glas mit Oxiden mit temperaturabhängigen Oxidationsstufen. Hierbei kommen insbesondere als Läutermittel Sb(V)-Oxid, As(V)-Oxid und Sn(IV)-Oxid in Frage. Auch ist die NaCl- oder die Sulfatläuterung bekannt. Daneben gibt es exotische Läutermittel sowie ein Mix aus verschiedenen Läutermitteln. Hierbei sollte auch immer der Umweltaspekt berücksichtigt werden. Bei der chemischen Läuterung werden die Aufstiegsgeschwindigkeiten kleiner Blasen dadurch erhöht, indem man sie mit dem Läutergas, z. B. mit O₂ aufpumpt, das aus den Läutermitteln entsteht.

Das chemische Läutern besteht letztlich aus einer Abfolge zeitlich und räumlich miteinander verwobener Elementarschritte. Zunächst werden die in der Rauhschmelze fein dispergierten Blasen durch das Läutergas, z. B. O₂ so stark aufgebläht, daß eine drastische Verkürzung der Aufstiegszeiten eintritt. Gleichzeitig extrahieren die Läuterblasen die im Glas gelösten Gase. In abschließenden Abkühlschritten findet eine möglichst vollständige Resorption der unvermeidlichen Restblasen statt. Als Zielgrößen für eine gelungene Einstellung des Gasgehalts im Glas gelten u. a. Farbe, Wassergehalt und die Reboilbedingungen im wesentlichen von O₂ und SO₂. Eine einmal erreichte befriedigende Blasenqualität darf sich im Absteh- oder Formgebungsprozeß nicht wieder verschlechtern.

Das chemische Läutern hat einige prinzipbedingte Nachteile:

• - die Methode funktioniert nicht für jedes Glassystem in befriedigender Weise oder nur bei hoher Temperatur,
• - der Läutervorgang benötigt viel Zeit, da die Gasdiffusion in der Schmelze sehr langsam verläuft. Dadurch müssen die Läuterbereiche eine relativ große Ausdehnung haben, was die Produktionskosten erhöht,
• - die Läutermittel ändern die Chemie des Glases und damit dessen Eigenschaften; sie sind darüber hinaus z. T. toxisch (Arsen, Antimon).

Wegen dieser Nachteile sind auch sog. physikalische Läuterverfahren bekannt geworden, die die Chemie des Glases weitgehend unbeeinträchtigt lassen. Das physikalische Läutern einer Glasschmelze beruht darauf, daß Blasen mit physikalischen Methoden "gezwungen" werden, an die Oberfläche der Schmelze aufzusteigen, die dann dort zerplatzen und ihren Gasinhalt freigeben oder sich in der Schmelze auflösen.

Ein weitverbreitetes physikalisches Läuterverfahren stellt dabei das sogenannte Unterdruckläutern dar, das in zahlreichen einschlägigen Veröffentlichungen beschrieben wird. Beispielhaft sei hierzu auf die EP 0 231 518 B1 verwiesen. Durch die DE 198 22 437 C1 ist es dabei auch bekannt, eine Unterdruckläuterung mit einer Überdruckläuterung zu kombinieren.

Beim Unterdruckläutern wachsen ebenfalls die in der Schmelze vorhandenen Blasen. Das Blasenwachstum ist einmal bedingt durch das Boyle-Mariottesche Gesetz "p.V = const.", d. h. fällt der Druck p ab, so steigt das Volumen V und zum anderen dadurch, daß der Partialdruck der in den Blasen vorhandenen Gase unter den Partialdruck der Gase in der Schmelze erniedrigt wird. Ferner findet eine Diffusion der Gase aus der Schmelze in die Blasen statt. Die Blasen werden durch diese Effekte größer, steigen schneller an die Oberfläche der Schmelze auf, zerplatzen dort oder werden "abgeschröpft". Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß eine spontane Neublasenbildung der gelösten Gase an sogenannten Keimen (Wandung, Miniblasen) stattfindet, was in der Regel zu Schaum führt, der mit geeigneten Methoden bekämpft werden kann.

Es sind weitere Maßnahmen bekannt, um das Unterdruckläutern zu verbessern. So beschreibt die US 1 598 308 das sogenannte Pike-Verfahren, bei dem das Glas zunächst in einer Wanne geschmolzen und dann über einen Vorbau einer Unterdruck-Läuterkammer zugeführt wird. Das geschmolzene Glas gelangt dabei über einen Steigschacht zur Läuterbank der Läuterkammer, auf der die Glasschmelze von den Blasen "befreit" wird. Nach der Läuterung wird das geschmolzene Glas über einen getrennten, zum Steigschacht beabstandet angeordneten Fallschacht der Weiterverarbeitung zugeführt.

Eine Reihe von weiteren Dokumenten der Patentliteratur beschreiben Verbesserungen des Pike-Verfahrens. Hierzu seien stellvertretend die EP- Dokumente 0 939 058 A1, 1 078 891 A2, 1 044 929 A1, 0 967 179 A1 und 0 963 955 A1 genannt.

Ein wesentlicher Nachteil des Pike-Anlagenkonzeptes und der zugehörigen Verbesserungen dazu besteht darin, daß, um Schwankungen im Glasstand auszugleichen, die gesamte Läuterkammer in der Höhe verstellbar sein muß. Derartige Schwankungen im Glasstand treten aus den verschiedensten Gründen ständig auf und müssen daher fortwährend ausgeglichen werden. Da die Läuterkammer relativ groß ist und ein erhebliches Gewicht besitzt, müssen daher entsprechend leistungsstarke Antriebssysteme für das Bewegen des schweren Anlageteiles bereitgestellt werden. Weiterhin ist die Überlappungsstrecke, innerhalb der sich der bewegliche Teil der Läuterkammer gegenüber ihrem feststehenden Teil bewegen kann, kritisch, insbesondere hinsichtlich der notwendigen Abdichtung.

Hinzu kommt, daß die Läuterbank bei Vakuumausfall leer laufen kann und unflexible Glasstände vor und hinter dem Läuteraggregat vorhanden sind.

Durch die US 6,286,337 B1 ist eine ähnliche Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze aus einer Schmelzwanne mit einer turmartigen Unterdruck- Läuterkammer, die einen Steig- und Fallschacht für die Glasschmelze aufweist, bekannt geworden, bei der zwischen Schmelzwanne und Steigschacht ein Stellventil angeordnet ist. Der Glasstand in der Schmelzwanne wird dabei durch ein das Stellventil speisendes Überlaufrohr begrenzt.

Ein Konzept zum umfassenden Ausgleich von Schwankungen im Glasstand in der Gesamt-Vorrichtung unter Einbeziehung des Stellventils wird in dieser Schrift jedoch nicht beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von der eingangs bezeichneten Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze, mit einer Unterdruck- Läuterkammer, der einen Steigschacht für die Zufuhr einer zu läuternden Glasschmelze zu einer Läuterbank der Unterdruck-Läuterkammer sowie einen Fallschacht für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist, und mit einer Einrichtung zum Ausgleich von Schwankungen im Glasstand, diese hinsichtlich der Einrichtung so zu gestalten, daß keine schweren Anlageteile zum Einstellen des Glasstandes notwendig sind, ein Leerlaufen der Läuterbank bei Vakuumausfall vermieden werden kann und die Glasstände vor und hinter dem Läuteraggregat relativ flexibel einstellbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die turmartige Unterdruck-Läuterkammer eine vorgegebene, betrieblich nicht veränderbare Höhe besitzt und die Einrichtung zum Ausgleich der Schwankungen im Glasstand durch einen Regler-Baustein in Verbindung mit einem ersten Stellventil vor dem Steigschacht und einem zweiten Stellventil nach dem Fallschacht gebildet ist, dem eingangsseitig Signale für die einzelnen Glasstände und Drücke sowie Temperaturen in der Vorrichtung und für die Ventilpositionen zugeführt sind, der ausgangsseitig mit den Steilventilen, mit der Einrichtung für die Zufuhr der Glasschmelze, mit der Einrichtung zur Erzeugung des Unterdruckes und mit Heizeinrichtungen für die Glasschmelze in der Läuterkammer verbunden ist, und der hinsichtlich des Regelverhaltens so ausgelegt ist, daß ein im wesentlichen durch Druck und Temperatur vorgegebenes Prozeßfenster in der Läuterkammer nicht verlassen wird als auch der Glasstand vor dem Verarbeitungsprozeß in vorgegebenen Grenzen konstant bleibt.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden eine Reihe von Vorteilen erzielt:

• - Es müssen keine schweren Anlageteile bewegt werden. Dadurch entfallen Antriebs- und Dichtungsprobleme.
• - Bei Vakuumausfall wird selbsttätig der Glasfluß verschlossen. Dadurch kann die Anlagensicherheit erhöht werden, insbesondere kann die Läuterkammer nicht mehr leerlaufen.
• - Es sind sehr variable Einstellungsmöglichkeiten in Bezug auf die Glasstandshöhen vor und hinter der Läuterkammer, d. h. in der vorgeschalteten Schmelzwanne und der der Läuterkammer nachgeschalteten Stufe gegeben.

Eine erweiterte Regelmöglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung gegeben, wenn das zweite Stellventil mit einem Rührwerk kombiniert ist und der Regler-Baustein zusätzlich mit dem Antrieb des Rührwerkes zur geregelten Einstellung der Drehzahl des Rührwerkes verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Regelung ist mit besonderem Vorteil bei einer Vorrichtung einsetzbar, bei der die Läuterbank zwei übereinander im Abstand angeordnete Böden aufweist, mit einem unteren Boden, einer umlaufenden, den Glasstand in der Läuterbank bestimmenden Außenwandung und mit einem oberen Boden, der über einen Ringraum zur Außenwandung mit dem unteren Boden in Strömungsverbindung steht, wobei ein Boden mit dem Steigschacht und der andere Boden mit dem Fallschacht in Strömungsverbindung steht.

Diese Ausführung ermöglicht somit eine doppelte Nutzung der Läuterbanklänge, was sich einmal förderlich auf die Blasenentfernung auswirkt und was zum anderen eine kompakte Läuterbank bzw. Läuterkammer ermöglicht, was sich wiederum fördernd auf die Länge der Gesamtanlage auswirkt. Neben dem größeren Läuterweg wird aber auch das geläuterte Glas besser geschützt.

Diese Konzeption ermöglicht auch eine vorteilhafte Zu- und Abführung der Glasschmelze, indem für die Zufuhr und das Austragen der Glasschmelze eine Doppelrohr-Anordnung vorgesehen ist, mit einem Außenrohr, innerhalb dem radial beabstandet ein Innenrohr aufgenommen ist, wobei das Innenrohr entweder den Fallschacht und der freie radiale Raum zwischen dem Innen- und Außenrohr den Steigschacht oder das Innenrohr den Steigschacht und der radiale Raum den Fallschacht bildet.

Diese Konzeption ermöglicht einen kompakten Anlagenaufbau mit kurzer Anlagenlänge und gewährleistet eine beachtliche Materialeinsparung. Ferner ist das Doppelrohrsystem mit relativ einfachen Mitteln und mit nur relativ geringen Verlusten beheizbar, indem z. B. lediglich das Außenrohr, insbesondere induktiv beheizt wird. Auch wird das Glas im Fallschacht gegen eintretende Blasen auf einfache Weise durch das Glas im Außenrohr, d. h. im Ringraum, geschützt.

Vorzugsweise ist das Innenrohr koaxial in dem Außenrohr angeordnet, um peripher möglichst gleichförmige Verhältnisse zu haben. Dies ist besonders dann gegeben, wenn der Querschnitt der Rohre kreisförmig ist. Prinzipiell kann das Doppelrohrsystem auch so ausgebildet sein, daß der Querschnitt der Rohre vieleckig ist oder daß ein Rohr einen kreisrunden Querschnitt, das andere Rohr einen vieleckigen Querschnitt aufweist.

Der Querschnitt der Läuterbank, d. h. der Querschnitt der zugehörigen Böden, kann eine unterschiedliche Konfiguration haben. Er kann beispielsweise eine Rechteckform aufweisen, mit gedeckten Strömungskanälen an den Längsseiten, die zu den Stirnseiten führen, von wo aus die Glasschmelze auf den oberen Boden strömt.

Er kann aber auch eine kreisrunde Konfiguration haben, mit zentrischen Ein- und Auslässen in den Böden, wobei auch bei dieser Konfiguration radiale Strömungskanäle für einen definierten Strömungsverlauf vorgesehen sein können.

Die Kompaktheit der Läuterbank erlaubt auch eine kompakte und damit verlustärmere einfache Heizung, sei es elektrisch oder mit fossilen Brennstoffen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet und werden in der Figurenbeschreibung erläutert.

Anhand eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze mit einer Unterdruck-Läuterkammer wird die Erfindung näher beschrieben. Dabei wird zunächst die Anlage selbst erläutert und erst danach im einzelnen auf die Einstellung des Glasstandes in der Anlage eingegangen.

Die einzige Figur zeigt eine Schmelzwanne 1 mit einer üblichen Einlegemaschine, in der Glas auf übliche Weise zu einer Glasschmelze 2 aufgeschmolzen wird. Der Glasstand in der Schmelzwanne ist mit "A" gekennzeichnet. Prinzipiell ist jeder Typ von Schmelzwannen einsetzbar, vorausgesetzt, daß der Schmelzwannentyp einen in weiten Grenzen veränderbaren Glasstand zuläßt.

Das in der Schmelzwanne geschmolzene und zu läuternde Glas wird über ein Stellventil 3, eine Speiserinne 4 und einen Steigschacht einer Läuterkammer 5 zugeführt. Durch das Anheben und Absenken des Ventils 3 läßt sich der Glasstand in der Läuterkammer beeinflussen. In der Läuterkammer wird mittels Pumpen ein Unterdruck erzeugt.

Für die Zufuhr der ungeläuterten Glasschmelze in die Läuterkammer 5 und für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterkammer 5 sind zwei koaxiale Rohre 7 und 8 vorgesehen. In dem Ringraum 9 zwischen beiden Rohren, dem sogenannten Steigschacht, wird das ungeläuterte Glas einer, die Läuterstrecke bildende Läuterbank 10 der Läuterkammer zugeführt. Das innere Rohr 9, der sogenannte Fallschacht, dient dazu, das geläuterte, möglichst blasenfreie Glas zur Weiterverarbeitung aus der Läuterbank 10 abzuführen.

Vorzugsweise besteht das Innenrohr 9 aus einem Refraktärmetall, insbesondere aus Molybdän. Molybdän ist kostengünstiger als Edelmetalle, z. B. Platin, stabiler bei hohen Temperaturen und korrosionsfest bei den meisten Glasarten. Aber auch andere Refraktärmetalle, wie Iridium oder Wolfram oder Edelmetalle können verwendet werden.

Das Außenrohr kann aus einem Refraktärmetall, einem Edelmetall oder aus einem feuerfesten Material, insbesondere einem keramischen Material, bestehen.

Da in der Läuterkammer Unterdruck herrscht, ist sie von einem vakuumdichten Stahlgehäuse 13 umgeben.

Da auch im Steig- und Fallschacht 8, 9 bereits Unterdruck herrscht, muß das Stahlgehäuse auch um das Doppelrohrsystem vakuumdicht gezogen werden.

Damit das geschmolzene Glas nicht erstarrt bzw. zu zähflüssig wird, müssen der Steig- und der Fallschacht beheizt werden. Diese Beheizung des Steig- und Fallschachtes erfolgt direkt im äußeren Rohr 7. Die Beheizarten können sein:

• - direkte Platinbeheizung
• - induktiv beheiztes Rohr aus Mobybdän oder anderen Refraktärmetallen
• - sonstige Strahlungsbeheizung (z. B. Mesh Heizkörper, Infrarotstrahler, Kanthalheiznadeln)
• - oder andere Beheizungen.

Das beschriebene Doppelrohrsystem hat nachstehende Vorteile:

• - Verzicht auf einen separaten Steig- und Fallschacht. Dadurch Einsparungen in der Beheizung, der benötigten Platinmenge (bei Wahl von Edelmetall als Rohrmaterial) bzw. Molybdänmenge, sowie bei der Gesamtanlagenlänge, beim Vakuumsystem, der Meßtechnik, usw.
• - Kurze Gesamtanlagenlänge möglich
• - Schutz des bereits geläuterten Glases im Fallschacht vor eintretenden neuen Blasen durch das Glas im Steigschacht
• - Die Wärmedehnung des Innenrohres des Steig- und Fallschachtes ist unproblematisch, da es in den freien Raum der Läuterbank dehnen kann.

Die Läuterbank 10 besteht aus einem Bodenteil 10a, einer peripheren Außenwandung 10b und einem Zwischenboden 10c. Sie kann eine rechteckige Konfiguration haben, aber auch kreisrund ausgebildet sein. Auch andere Konfigurationen sind denkbar.

In die Läuterbank 10 wird das ungeläuterte Glas vom Steigschacht 9 mittig auf den Bodenteil 10a eingebracht. Der Glasstrom wird dann, wie durch die Pfeile dargestellt, an die Außenwandung 10b der Läuterbank geleitet, vorzugsweise über gedeckte Kanäle. Bereits in diesem Strömungsbereich haben die Blasen aufgrund des Unterdruckes die Möglichkeit zu wachsen, zu wandern. Vor der Außenwandung 10b der Läuterbank tritt das unter dem Zwischenboden 10c fließende Glas aus, wird umgelenkt und gelangt auf den Zwischenboden 10c. Die Blasen treten dabei an der Oberfläche des Glasbades aus. Die Glasströme bewegen sich dann wieder zurück in Richtung Läuterbankmitte zum Fallschacht 8. Auf dieser Strecke mit freier Oberfläche werden die Blasen aus dem Glas entfernt, durch diesen Aufbau der Läuterbank ist mit Vorteil eine doppelte Nutzung der Läuterbanklänge möglich, was sich sehr förderlich auf das Entfernen der Blasen auswirkt.

Bei diesem Vorgang kann, je nach Prozeßeinstellung (Druck, Temperatur, Durchsatz), Glasschaum entstehen. Um zu vermeiden, daß dieser Schaum in den Fallschacht gezogen wird, werden in bekannter Weise geeignete Maßnahmen zur Schaumbekämpfung angewandt.

Um einen möglichst variablen Glasstand in der Läuterkammer 5 fahren zu können, sind deren Seitenwände entsprechend hoch und bestehen aus Feuerfestmaterial, soweit sie mit Glas in Berührung kommen. Der einzustellende Glasstand ergibt sich aus Blasenaufstiegszeit, Geometrie der Anordnung, Temperaturen und Schaumbildungsverhalten des Glases.

Die kompakte Läuterbank 10 wird fossil oder elektrisch mit bekannten einfachen Mitteln beheizt.

Im Anschluß an die Läuterbank 10 wird das Glas über den bereits beschriebenen Fallschacht 8 und eine sich daran anschließende Speiserinne 11 der weiteren Behandlung (Rühren, Homogenisieren, Abkühlen, Formen) zugeführt. Dabei passiert das Glas ein weiteres Stellventil 12. Beide Ventile 3 und 12 können dazu dienen, die Strömungswege bei einem Ausfall des Vakuums in der Läuterkammer 5 zu verschließen, da ansonsten das Glas aus dem Steig- bzw. Fallschacht herauslaufen und das Molybdän der Rohre der Schächte dem Luftsauerstoff ausgesetzt würde. Dies hätte eine Zerstörung der Mo-Bauteile zur Folge.

Vorzugsweise ist das Auslaufventil mit einem Rührer 14 und einer Durchflußregelung kombiniert.

Die Durchflußregelung dient als weiteres Steuerinstrument zusätzlich zum variablen Glasstand der Wanne und des angelegten Unterdrucks dazu, einen gleichbleibenden Glasstand in den nachfolgenden Anlagenteilen sicherzustellen. Der Rührer dient zum Homogenisieren des Glases.

Im Anschluß an das Auslaßventil 12 wird das Glas einer weiteren Bearbeitung zugeführt.

Bei dem beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Ringraum 9 den Steigschacht, der auf den unteren Boden 10a führt, und das innere Rohr 8 den Fallschacht, dessen Eintritt bündig mit dem Zwischenboden liegt. Das Doppelrohr-System kann jedoch auch umgekehrt betrieben werden. Bei dieser Ausführungsform bildet das innere Rohr 8 den Steigschacht, der auf den oberen Zwischenboden 10c führt, und der Ringraum 9 den Fallschacht, der seinen Eintritt am unteren Boden 10a hat. Die aus dem inneren Rohr 8 austretende zu läuternde Glasschmelze gelangt so auf den oberen Zwischenboden 10c, strömt an den Stirnwänden 10b nach unten auf den unteren Boden 10a, und von dort aus in den Zwischenraum zwischen beiden Rohren 7, 8.

Bei den beiden vorgenannten Ausführungsbeispielen sind sowohl der untere Boden 10a als auch der Zwischenboden 10c als ebene Böden ausgebildet, die zueinander parallel verlaufen. Es sind jedoch für beide Ausführungsbeispiele auch Ausführungsvarianten mit anders geformten Böden möglich, denen gemeinsam ist, daß die zu läuternde Schmelze möglichst nahe unterhalb des Glasstandes in der Läuterbank zugeführt wird, damit Blasen möglichst schnell aus der Schmelze an die Oberfläche gelangen und dort austreten können. Diese kann durch einen geneigten oberen Zwischenboden 10c oder durch einen eintrittseitig am Rand rechtwinklig hochgezogenen ebenen, zum unteren Boden 10a ansonsten parallelen oberen Zwischenboden 10c erzielt werden.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Rohre des Doppelrohr- Systems mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet und koaxial angeordnet. Sie können auch andere Querschnitte aufweisen und exzentrisch angeordnet sein.

Zum Einstellen des Glasstandes ist ein zentraler Regler-Baustein 15 vorgesehen, der vorzugsweise ein Digital-Regler in Form eines Mikroprozessors ist.

Aufgrund von bereitgestellten Eingangsgrößen werden in diesem Regler- Baustein mit Hilfe eines intelligenten Algorithmus Ausgangsgrößen bestimmt/berechnet, die an Stellglieder zur Regelung von z. B. Vakuumpumpen, Heizkreisen etc. weitergegeben werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind neun Eingänge E1-E9 und sechs Ausgänge A1-A6 vorgesehen. Je nach unterlegtem Regelkonzept können auch weniger Ein-/Ausgänge vorgesehen werden.

Um die Zeichnung übersichtlich zu halten, sind die Verbindungen zwischen den Ein- und Ausgängen des Regler-Bausteines und den Anlageteilen bzw. den Sensoren nicht dargestellt. Sie ergeben sich jedoch in eindeutig zuordenbarer Weise aus der nachfolgenden Beschreibung.

Eingänge

• 1. Glasstandsmesser in der Schmelzwanne 1 (positioniert vor Ventil 3)
• 2. Glasstandsmesser in der Läuterkammer 10
• 3. Glasstandsmesser im Verarbeitungsbereich (positioniert nach Ventil 12/14)
• 4. atmosphärischer Außendruck
• 5. Druck in der Läuterkammer 10
• 6. Ventilposition des Ventils 3
• 7. Ventilposition des Ventils 12/14
• 8. Temperaturinformationen des Gesamtsystems
• 9. Umdrehungen des "Rührwerkes" 14 des Ventils 12/14

Ausgänge

• 1. Signal für Stellglied des Ventils 3
• 2. Signal für Stellglied des Ventils 12/14
• 3. Signal für die Einlegemaschine der Schmelzwanne 1
• 4. Signal für die Vakuumanlage (Pumpen etc.) der Läuterkammer 10
• 5. Signal für Heizungen des Gesamtsystems (sowohl fossil als auch elektrisch)
• 6. Signal für Rührerumdrehungen des "Rührwerkes" 14

Der interne Algorithmus des Regler-Bausteines bestimmt nun aufgrund der Eingangsinformationen mit Hilfe des vordefinierten Prozeßfensters für das betreffende Glas in der Läuterkammer (Temperatur- und Druckbereich, Glasstand) die zu unternehmenden Ausgangsaktionen, z. B. die Veränderung einer Ventilstellung. Diese Aktionen müssen so abgestimmt sein, daß sowohl das vorgegebene Prozeßfenster (im wesentlichen Druck und Temperatur) nicht verlassen wird, als auch der Glasstand vor dem Verarbeitungsprozeß konstant bleibt.

Im folgenden sollen die Faktoren erläutert werden, die die Druck- /Glasstandsverhältnisse im Gesamtsystem bestimmen und die in entsprechender Weise im Regler-Algorithmus berücksichtigt werden.

Ein erster bestimmender Faktor ist die Höhe des Läuterturmes, d. h. des Doppelrohrsystems. Um die Höhe entsprechend den geforderten, sich verändernden Verhältnissen anpassen zu können, sieht das bekannte eingangs erläuterte Pike-Anlagenkonzept einen in der Höhe verstellbaren Läuterturm vor. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß die Höhe des Läuterturmes konstant ist und die entsprechende Einstellung der Prozeßbedingungen über den Regler-Baustein 15 erfolgt. Dabei müssen Grenzen beachtet werden, wenn in derselben Anlage möglichst viele unterschiedliche Glasarten produziert werden sollen. In dem verfahrenstechnisch interessanten Temperaturbereich für die Vakuumläuterung von ca. 1200°C bis 1600°C variiert die Dichte der Gläser zwischen 1,9 g/cm³ bis 2,7 g/cm³. Die Glasarten umfassen das gesamte Spektrum von Borosilicatgläsern über AF-Gläser bis hin zu den Bleigläsern. Dies bedeutet nach der Formel

p = ρ.g.h

p: Druck
ρ: Dichte
h: Höhe
g: Gravitationsbeschleunigung
eine Glasstandshöhe in dem sogenannten "Läuterturm" von h_min = 260 cm und h_max = 510 cm unter der Voraussetzung, daß der für den Prozess notwendige Druckbereich in der Läuterkammer zwischen 50 mbar und 300 mbar beträgt. Nach durchgeführten Laborversuchen ist dieser Bereich für alle Glastypen und dem oben erwähnten Temperaturbereich sinnvoll. Eine Änderung des Glasstandes von ca. 250 cm über Druckvariationen unter Beachtung des Prozeßfensters ist in der Regel nicht unproblematisch. Vorteilhafter ist es daher, wenn man sich vor dem Bau der Anlage darüber klar ist, welche Glasarten in dem System produziert werden sollen, um es entsprechend optimiert auszulegen. Auch ist ein modularer, anpassungsfähiger Aufbau des Läuterturmes denkbar.

Ein zweiter bestimmender Faktor sind die Glasstandsänderungen in der Schmelzwanne.

1. Die Schmelzwanne kann so konstruiert werden und/oder die Fahrweise durch geeignete Maßnahmen so eingestellt werden, daß ein reliktfreies Aufschmelzen und die Bereitstellung einer bestimmten Blasenqualität für den eigentlichen Läuterschritt gewährleistet ist, auch wenn sich der absolute Glasstand in der Schmelzwanne um bis zu 50 cm ändern sollte. Die Umrechnung dieser Glasstandsänderung ΔGL = ±25 cm in einen Druckbereich ergibt ein Δp = 90-135 mbar, was von der Regler-Stufe 15 auszuregeln ist.
Eine Glasstandsänderung in der Schmelzwanne sollte dabei nur langsam erfolgen. Bei Wannen, die ohne eine zusätzliche Läutereinrichtung, d. h. allein aufgrund einer chemischen Läuterung, eine konstante Glasqualität liefern müssen, sind nur Glasstandsänderungen von ca. 1-3 mm/h tolerabel. Im Fall der Erfindung läßt sich diese Rate auf 5-10 mm/h steigern, falls reliktfreies Aufschmelzen in der Umschmelzphase gewährleistet werden kann. Dies ist jedoch extrem glasarten- und rohstoffabhängig.

Ein dritter bestimmender Faktor sind die Glasstandsänderungen in der Läuterkammer 5.

Der Glasstand in der Läuterkammer ist für den Gesamtprozeß äußerst kritisch. Es hat sich bei Laborversuchen sowie bei den laufenden bekannten Produktionsanlagen herausgestellt, daß eine Glasstandshöhe Δh₄ von ca. 20 ± 10 cm in der Läuterkammer wegen Blasenaufstieg und Schaumentwicklung und -bekämpfung eine sinnvolle Anlagengröße darstellt. Das Glasstandsintervall von 20 cm entspricht einem Druckbereich von Δp = 38-55 mbar. Die Änderung dieses Prozeßglasstandes erfolgt in der Regel in einem Zeitbereich von Stunden oder Tagen, d. h. in der Regel relativ langsam.

Ein vierter bestimmender Faktor sind die Luftdruckschwankungen. Bis auf wirklich extreme Zustände schwankt der atmosphärische Luftdruck zwischen typischen Tiefdruckgebieten mit 980 mbar und Hochdruckgebieten mit 1040 mbar. Dieser Druckschwankungen p von ca. 60 mbar entspricht eine Glasstandsänderung von ca. 22-32 cm. Da sich der atmosphärische Luftdruck sehr schnell ändern kann, müssen diese Schwankungen schnell ausgeglichen werden. Die Regelung sollte im Minutenbereich erfolgen. Das Prozeßfenster darf in bezug auf den zulässigen Druckbereich nicht zu eng sein, da man in bestimmten Situationen über die Ventilstellungen keinen Ausgleich mehr erzielen kann, wie die später erläuterten Fallbeispiele zeigen.

Bei der Auslegung des Reglers sind auch die Positionen der Stellventile 3 und 12/14 einzubeziehen. Diese beiden Ventile haben nur dann einen Einfluß auf die Druck- und damit Glasstandsverhältnisse im Gesamtsystem, wenn ein von 0 verschiedener Entnahmedurchsatz eingestellt wird. Die durch die Ventile verursachten Glasstandsabfälle oder dynamischen Druckabfälle werden durch die folgende Formel beschrieben:

Δh = DS.Ventilfaktor (Geometrie, Eintauchposition, Glaseigenschaften)

DS: Durchsatz

Das Ventil 12 ist dabei mit einem "Rührwerk" 14 kombiniert. Durch die spezielle Form der "Rührflügel" und Umdrehungsrichtung sowie -zahlen kann dadurch sowohl eine zusätzliche Sperrwirkung als auch eine weitere Homogenisierung der Glasmasse erreicht werden. Die durch die Ventile verursachten Druck- oder Glasstandsänderungen erfolgen schnell und sind somit für kurzfristige oder schnell durchzuführende Änderungen einzusetzen.

Ferner ist bei der Regler-Auslegung das beschriebene Prozeßfenster einzubeziehen. Für jedes Glas ist ein bestimmtes Prozeßfenster einzuhalten. Damit nach der Unterdruckanwendung die Glasqualität gut ist (keine Blasen, möglichst wenig Schaum auf der Oberfläche, wenn keine geeigneten Maßnahmen zur Schaumbekämpfung ergriffen werden), sind bestimmte Temperatur-Druckbereiche und ein Durchsatzintervall einzuhalten. Der Druck und die Temperatur bestimmen vor allem die Blasengröße, Diffusionsgeschwindigkeiten der im Glas gelösten Gasspezies und die Blasenneubildung im eigentlichen Läuterteil. Bei gegebener Geometrie der Anlage bestimmt der Durchsatz zusammen mit den Temperaturen in der Glasmasse neben der Blasengröße, ob die am Ende des Steigrohres vorhandenen Blasen aufgrund ihres physikalischen Aufstieges im Läuterteil 10 aus der Schmelze entfernt werden können.

Zur besseren Übersicht der bisherigen Ausführungen dient die nachstehende tabellarische Zusammenfassung, wobei für die bestimmenden Faktoren 2 und 3 eine Dichte des Glases von 2 g/cm³ angenommen wurde und SW die Schmelzwanne und LK die Läuterkammer bedeutet.

Im folgenden wird das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten beschrieben.

Für einen erfolgreichen Prozess sind zwei Bedingungen unbedingt einzuhalten. Der Glasstand kurz vor dem Formungsprozess (Blasen, Pressen, Walzen, Floaten etc.) ist konstant zu halten. Die Regelung muß in der Lage sein, im Zehntelmillimeterbereich zu arbeiten. Das für die Unterdruckläuterung notwendige Prozeßfenster (Temperatur, Druck, Durchsatz) darf nicht verlassen werden, weil ansonsten die notwendige Glasqualität nicht mehr sichergestellt werden kann.

Bei den bekannten Anlagen sind die geometrischen Verhältnisse nicht veränderbar. Parameter, die über eine intelligente Regelung gemäß der Erfindung beeinflußbar sind, sind Temperatur, Durchsätze und Druckverhältnisse.

Eine Aufgabe der Ventile 3, 12/14 ist, den Glasstand im Verarbeitungsbereich (hinter Ventil 12/14) konstant zu halten. In diesem Bereich wird je nach Empfindlichkeit des Artikels eine Genauigkeit der Glasstandshöhe im Bereich von 0,1 mm gefordert. Das Ventil 12/14 nimmt hauptsächlich diese Funktion wahr. Je nach Stellung des Ventils 3, welches noch Einfluss auf die Läuterkammer 5 ausübt, muß das Ventil 12/14 ausgleichend wirken. Der Regelbereich wird durch den Glasstand in der Schmelzwanne 1 definiert. Aufgrund der Rohrquerschnitte, Länge der Anlage, der Ventilgeometrien und -positionen zusammen mit dem Entnahmedurchsatz, der über die Einlegemaschine gesteuert wird, ergibt sich ein bestimmter dynamischer Druckverlust Δp zwischen der Schmelzwanne 1 und dem Verarbeitungsbereich:

Δp = DS.(f_Ventil3 + f_Ventil12/14 + f_Rohrsystem) ~ Δh = Δh₁ + Δh₂

DS: Durchsatz
f: dynamische Kenngrößen
h: Höhe

Beispiel

Oben wurde die maximale Glasstandsänderung in der Schmelzwanne mit 50 cm angegeben. Bei einer angenommenen Dichte des Glases von 2 g/cm³ und Anheben des Glasstandes in der Schmelzwanne auf 50 cm über dem Niveau im Verarbeitungsbereich bedeutet dies einen Druck von ca. 100 mbar. Der durch den Durchsatz, das Rohrsystem und die Ventilstellungen hervorgerufene dynamische Druckabfall muß also 100 mbar betragen. Ändert sich der Durchsatz aufgrund einer geänderten Prozeßeinstellung in der Läuterkammer (z. B. andere Temperaturen, Drücke), muß dies durch andere Ventilstellungen ausgeglichen werden und umgekehrt.

Neben den Ventilen ist die Läuterkammer 5 eine wesentliche zu betrachtende Komponente. Für den Vakuumläuterprozess ist neben Temperaturen der Absolutdruck in der Läuterkammer wichtig. Wie bereits oben beschrieben, ist schon allein aufgrund des großen Dichtebereiches der Gläser eine Einschränkung auf einen bestimmten Dichtebereich (Glasarten) sinnvoll. In der Regel wird das Druckbereichsfenster für den Prozess ca. 150 mbar betragen, d. h. man konzipiert die Anlage so, daß der wahrscheinlichste Absolutdruck die Höhe des Läuteraggregates bestimmt. Der Variationsbereich von ±75 mbar muß dann über intelligente Maßnahmen und Regelstrategien der Stufe 15 abgedeckt werden, und zwar durch eine Regelung der Vakuumpumpen und eine Verstellung der Ventilpositionen. Die Größe Δh₃ entspricht dabei einem Δp, gegeben durch die Differenz zwischen dem Umgebungsdruck in der Schmelzwanne (I bar) und dem Unterdruck im Läuterteil (X bar).

Fallbeispiele

• - ρ_Glas = 2 g/cm³
• - Glasstand in der SW 25 cm über dem der Verarbeitung = ~50 mbar dynamischer Druckverlust
• - Prozeßdruckfenster in der LK: 50-200 mbar
• - aktueller Absolutdruck in der LK: 125 mbar
• - Glasstand über Boden in der LK: 20 cm
• - äußerer Luftdruck: 1000 mbar
  • 1. Luftdruck fällt um 40 mbar = ~20 cm Glasstand
  • 2. Glasstand über Boden in der LK würde auf 0 cm fallen
  • 3. Regelstrategie
  • 4. mit Hilfe der Vakuumpumpe den Absolutdruck auf 85 mbar erniedrigen, da dieser Druck noch innerhalb des Prozeßfensters liegt. Dabei sind über Heizleistungen die für diesen Druck optimalen Temperaturen einzustellen
  • 5. oder die Ventilpositionen ändern, da hier 50 mbar Spielraum besteht. Dies ist komplexer als a), da hier der Durchsatz mit eingeht.
  • 6. oder eine Kombination von a) und b).

Wenn der Luftdruck um 60 mbar = ~30 cm Glasstand sinkt, muß in jedem Fall eine Kombination von Vakuumpumpe und Ventilen gewählt werden, wobei in diesem Fall die Regelung über die Vakuumpumpe ausreichend wäre, da der Druck noch innerhalb des Prozeßfensters liegt.

• 1. Glasstand über Boden LK um 5 cm = ~10 mbar anheben
• 2. wenn man Zeit hat, 5 cm Glasstand in der SW aufbauen
• 3. oder über die Vakuumpumpe mit gegebenenfalls Heizung, um Temperaturen optimal anzupassen (schnelle Reaktion)
• 4. oder über Ventil 3 (mehr öffnen), um 10 mbar dynamischen Druckverlust zu gewinnen. Dafür muß das Ventil 12/14 mehr geschlossen werden, um den Glasstand in der Verarbeitung zu halten (elegante Lösung).

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Läutern einer Glasschmelze (2) mit einer turmartigen Unterdruck-Läuterkammer (5), der ein Steigschacht (9) für die Zufuhr einer zu läuternden Glasschmelze zu einer Läuterbank (10) der Unterdruck-Läuterkammer (5) sowie ein Fallschacht (8) für das Austragen der geläuterten Glasschmelze aus der Läuterbank (10) zwecks Weiterverarbeitung zugeordnet ist, und mit einer Einrichtung zum Ausgleich von Schwankungen im Glasstand, dadurch gekennzeichnet, daß die turmartige Unterdruck-Läuterkammer (5) eine vorgegebene, betrieblich nicht veränderbare Höhe besitzt und die Einrichtung zum Ausgleich der Schwankungen im Glasstand durch einen Regler-Baustein (15) in Verbindung mit einem ersten Stellventil (3) vor dem Steigschacht (9) und einem zweiten Stellventil (12/14) nach dem Fallschacht (8) gebildet ist, dem eingangsseitig Signale für die einzelnen Glasstände und Drücke sowie Temperaturen in der Vorrichtung und für die Ventilpositionen zugeführt sind, der ausgangsseitig mit den Stellventilen (3, 12/14), mit der Einrichtung für die Zufuhr der Glasschmelze, mit der Einrichtung zur Erzeugung des Unterdruckes und mit Heizeinrichtungen für die Glasschmelze in der Läuterkammer verbunden ist, und der hinsichtlich des Regelverhaltens so ausgelegt ist, daß ein im wesentlichen durch Druck und Temperatur vorgegebenes Prozeßfenster in der Läuterkammer (5) nicht verlassen wird als auch der Glasstand vor dem Verarbeitungsprozeß in vorgegebenen Grenzen konstant bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Stellventil (12) mit einem Rührwerk (14) kombiniert ist und der Regler-Baustein (15) zusätzlich mit dem Antrieb des Rührwerkes zur geregelten Einstellung der Drehzahl des Rührwerkes verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuterbank (10) zwei übereinander im Abstand angeordnete Böden (10a, 10c) aufweist, mit einem unteren Boden (10a) einer umlaufenden, den Glasstand in der Läuterbank bestimmenden Außenwandung (10b), und mit einem oberen Boden (10c), der über einen Ringraum zur Außenwandung mit dem unteren Boden in Strömungsverbindung steht, wobei ein Boden mit dem Steigschacht und der andere Boden mit dem Fallschacht in Strömungsverbindung steht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zufuhr und das Austragen der Glasschmelze eine Doppelrohranordnung vorgesehen ist, mit einem Außenrohr (7), innderhalb dem radial beabstandet ein Innenrohr (8) aufgenommen ist, wobei das Innenrohr (8) entweder den Fallschacht und der freie radiale Raum (9) zwischen dem Innen- und Außenrohr (7, 8) den Steigschacht (9) oder das Innenrohr (8) den Steigschacht und der radiale Raum den Fallschacht bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (8) koaxial in dem Außenrohr (7) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Boden (10a) der Läuterbank (10) bündig mit dem Ende des Außenrohres (7) einen mittigen Einlaß für die aus dem Steigschacht (9) austretende Glasschmelze besitzt und der obere Boden (10c) der Läuterbank bündig mit dem, das Ende des Außenrohres (7) berragenden Ende des Innenrohres (8) einen mittigen Auslaß für die auf dem oberen Boden strömende Glasschmelze besitzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden (10a, 10c) der Läuterbank (10) eine rechteckige Fläche aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden (10a, 10c) der Läuterbank (10) eine runde Fläche aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß definierte Strömungskanäle von dem Einlaß des Steigschachtes (9) im unteren Boden (10a) zu der Außwandung (10b) sowie auf dem oberen Boden (10c) zum Einlaß des Fallschachtes (8) hin ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuterbank (10) fossil und/oder elektrisch beheizt wird.