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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Glasschmelze, wobei die so hergestellte Glasschmelze unterschiedliche Konsistenzen für verschiedenste Glasarten bis hin zu Glaskeramiken aufweisen kann.
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Das Schmelzen von anorganischen Rohstoffen, insbesondere im Bereich der Glasherstellung ist ein energie- und zeitaufwendiger Prozess. Die traditionell strahlungsbasierte Übertragung der notwendigen Energiemengen in das Material, aus dem ein jeweiliges Gemenge besteht, ist bedingt durch die Materialeigenschaften der Rohstoffe (niedrige Wärmeleitfähigkeit), klein. Das bedeutet, dass das Material sehr langsam aufschmilzt. Konventionell kann die Schmelzleistung daher nur mit großem Aufwand gesteigert werden. Die Erfindung soll den Zeit- und Energieaufwand beim Einschmelzen von Ausgangsstoffen reduzieren.
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Gleichzeitig ist der Läuterprozess, d.h. das Austreiben von gelösten Gasen bzw. Blasen, im schmelzflüssigen Glas ebenfalls ein sehr langsamer Prozess, der durch die Redoxverhältnisse, die temperaturabhängige Viskosität und die Löslichkeit von Gasen beeinflusst wird. Dieser Vorgang der Läuterung soll ebenfalls beschleunigt werden. Insgesamt soll die für das ausreichende Aufschmelzen der jeweiligen Glasschmelze erforderliche Menge an Energie reduziert werden.
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Bisherige Schrägbettschmelzer werden üblicherweise entweder durch Gasbrenner oder durch elektrische Heizelemente erwärmt. Bedingt durch den strahlungsbasierten Wärmeübertrag ist der Schmelzprozess sehr langsam. Bei Gasbrennern ist keine Atmosphärenkontrolle möglich, bei reiner elektrischer Beheizung kann der Ofenraum zusätzlich begast werden, um eine definierte Atmosphäre zu erzeugen.
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Die Schmelzleistung ist in konventionellen Anlagen vergleichsweise gering, da sie durch den Wärmeübergang limitiert wird. Bei gasbeheizten Systemen ist sowohl eine Steuerung der Flammentemperatur als auch die Atmosphärenkontrolle nur begrenzt möglich. Rein elektrisch beheizte System (mit Heizelementen z.B. aus Molybdändisilizid) weisen, bedingt durch die maximale Oberflächenbelastung der Heizelemente eine sehr geringe Schmelzleistung auf. Zusätzlich ist der Energieverbrauch in den konventionellen Anlagen höher, da im Aufschmelzbereich bereits sehr hohe Temperaturen vorliegen müssen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten bei der Herstellung von Glasschmelzen anzugeben, mit denen eine Reduzierung des Energieverbrauchs, eine Reduzierung der Schmelzzeit, eine Reduzierung der Läuterzeit und eine Reduzierung des Feuerfestverschleißes durch Reduzierung der Wandtemperatur und möglichst auch eine gleichbleibend hohe Glasqualität erreichbar sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung erfüllt, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungen können mit in abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmalen realisiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Glasschmelze sind in einem Gehäuse im Anschluss an einen in horizontaler Richtung zumindest teilweise vertikal schräg nach unten geneigten Einlassbereich für Gemenge, an den sich ein Schmelzbereich und daran ein Läuterbereich anschließen, angeordnet wobei der Schmelzbereich und der Läuterbereich ebenfalls ausgehend vom Einlassbereich schräg nach unten in horizontaler Richtung geneigt und mit einer Ausmauerung aus Feuerfestmaterial ausgebildet sind, so dass gebildete Glasschmelze gravitationskraftbedingt zu einem Bodenauslass für fertig geschmolzenes Glas strömt, und zum Schmelzen des in den Einlassbereich aufgegebenen Gemenges oberhalb des Schmelzbereichs mindestens eine Mikrowellenquelle angeordnet ist, die Mikrowellen in Richtung des durch den Einlassbereich aufgegebenen Gemenges und den Schmelzbereich leitet.
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Außerdem ist am Gehäuse mindestens eine Plasmaquelle angeordnet und so ausgerichtet, dass mit dem Plasma und mindestens einer damit gebildeten Plasmafackel die im Schmelzbereich gebildete Glasschmelze im Läuterbereich in ausreichendem Maß läuterbar ist.
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Als Plasmaquelle(n) kann man ebenfalls mindestens eine Mikrowellenplasmaquelle einsetzen. Alternativ ist aber auch der Einsatz mindestens einer Lichtbogenplasmaquelle möglich. In jedem Fall wird ein Plasmagas zugeführt, das in üblicher Form Sauerstoff, Stickstoff, ein Edelgas oder ein Gasgemisch, das auch Luft enthalten kann, sein kann.
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Reine Mikrowellenquellen, die für die Erwärmung im Schmelzbereich eingesetzt werden können, sollen über eine ausreichend hohe Leistung verfügen, um das Glasgemenge sicher aufzuschmelzen, auf Zieltemperatur zu bringen und dabei die Energieverluste an die Umgebung auszugleichen.
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Plasmaquellen, die für die Energiezufuhr im Läuterbereich verwendet werden, sollten über ausreichend hohe Leistung verfügen, um die für die eingesetzten Glassorten notwendigen Läutertemperaturen im Läuterbereich einzustellen, die benötigte Fließzähigkeit und die Energieverluste der Vorrichtung im Läuterbereich auszugleichen.
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Der Einlassbereich sollte in einem Winkel geneigt sein, der sichert, dass das eingeführte Gemenge den Schmelzbereich so erreicht, dass das Gemenge eine maximale Dicke aufweist, mit der ein sicheres Aufschmelzen des zugeführten Gemenges mittels der Mikrowellenenergie erreichbar ist. Es kann ein Winkel im Bereich 40° bis 70° gewählt werden. Die Dicke des Gemenges eingangs des Schmelzbereichs kann auch mit dem Einlass erreicht werden, durch den Gemenge in den Einlassbereich eingeführt werden kann. Dazu kann eine entsprechende Dimensionierung und Spaltbreite genutzt werden.
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Als Gemenge können die üblichen Rohstoffe und auch zerkleinertes Altglas eingesetzt werden, die in aus dem Stand der Technik bekannter Form zugeführt werden können.
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Um eine möglichst gleichmäßige Zuführung des Gemenges durch den Einlassbereich in den Schmelzbereich zu erreichen, können Schwingungen, beispielsweise durch den Einsatz eines Vibrators unterstützend genutzt werden.
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Der Winkel mit dem Schmelz- und Läuterbereich gegenüber der Horizontalen geneigt sein sollten, ist deutlich kleiner, als der Neigungswinkel des Einlassbereichs. Er kann einen allgemein üblichen Wert aufweisen.
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Durch die Kombination der Technologien „Mikrowellengestütztes Schmelzen der eingesetzten Rohstoffe“ und „Hochtemperatur Plasmafackel“ mit einer als „Schrägbettschmelzer“ bezeichenbaren Vorrichtung kann der Aufschmelzprozess beschleunigt werden, da Mikrowellen das Gemenge von innen heraus erwärmen können. Der Energietransfer an das Gemenge wird im Wesentlichen nur durch die Leistungsfähigkeit der Mikrowellenquelle beschränkt und kann mehre Größenordnungen größer sein als bei konventionellen Verfahren. Durch den Einsatz einer oder mehrerer Plasmafackeln kann die Temperatur im Läuterbereich stufenlos geregelt werden und gleichzeitig die Gaszusammensetzung kontrolliert werden. Dadurch können die Läuterzeit reduziert und die Glasqualität verbessert werden. Die benannten Beheizungstechnologien können sowohl im Schmelzbereich als auch im Läuterbereich durch konventionelle Beheizungsverfahren, wie z.B. eine elektrische Beheizung durch SiC-Heizstäbe oder durch Gasbeheizung ergänzt werden.
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Dadurch, dass im Schmelzbereich keine hohen Ofentemperaturen notwendig sind, kann der Energieverbrauch der Anlage im Vergleich zu konventionellen Anlagen gesenkt werden.
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Der Kern der Erfindung liegt in der Kombination der drei Merkmale „Schrägbettschmelzer“, Einschmelzen von Glasgemenge mit Mikrowellen und Plasmafackel zum Läutern.
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Durch die Kombination der Beheizung mit Mikrowellen und Plasmabrennern kann eine deutlich schnellere Erwärmung und bessere Atmosphärenkontrolle erreicht werden, als dies beim Stand der Technik erreichbar ist. Insbesondere durch den Plasmabrenner können gezielt Gase, verdampfte Flüsigkeiten oder Partikel zugeführt werden und so Einfluss auf die Glaseigenschaften genommen werden. Zusätzlich entfällt bei der vorgeschlagenen Technologie die eigentliche Schmelzwanne, wodurch der Läuterprozess im Vergleich zum Stand der Technik beschleunigt werden kann.
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Mit der Erfindung kann eine Trennung zwischen Schmelzbereich mit Mikrowellen und Läuterbereich mit Plasmafackel(n) und dadurch eine zielgerichtete Einbringung der Energie nach Energieform ermöglicht werden.
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Ein Schrägbettschmelzer im Sinne dieser Erfindung ist ein Ofen, der mit einem Gehäuse und einem Innenausbau gebildet ist, der einen mit Wänden von der Umgebung abgetrennten Ofenraum bildet, in dem eine Energieübertragung stattfindet, in dem die das jeweilige Gemenge bildenden Rohstoffe oder zumindest teilweise bereits ein Glasgemenge kontinuierlich erwärmt und aufgeschmolzen werden können.
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Der Ofenraum ist dabei zweckdienlich in zwei Bereiche unterteilt. Lösungen mit einem zusammenhängenden Ofenraum oder mit mehr Bereichen sind ebenfalls vorstellbar. In einem der Bereiche findet der Aufschmelzvorgang statt, in einem anderen Bereich die Läuterung und Konditionierung. Mindestens der Bereich der Vorrichtung ist in horizontaler Richtung neigbar gelagert oder geneigt, wobei es zweckdienlich ist die Plasmaquelle(n) und die Mikrowellenquelle(n) gleichzeitig neigen zu können. Die beiden Bereiche können mit einem verschiebbaren und in der Höhe verstellbaren Skimmer aus geeignetem Material (z.B. AZS) atmosphärisch voneinander getrennt werden. Eine fest verbaute Trennung ist ebenfalls vorstellbar.
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Der Schmelzbereich wird hauptsächlich durch eine oder mehrere Mikrowellenquellen mit Wärmeenergie versorgt und sollte mindestens so groß sein, dass ein Mikrowellenport (zum Beispiel in Form eines Hohlleiters oder einer Hornantenne) von der Oberseite auf das Gemenge und bereits gebildete Glasschmelze gerichtet werden kann. Ein Hohlleiter sollte dabei so angebracht und ausgereichtet sein, dass er nicht in die Gemengedecke eintauchen kann und so, dass ein Großteil der Mikrowellenstrahlung im Gemenge absorbiert wird.
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Alle weiteren Bereiche und zumindest der Läuterbereich wird/werden mit dem Plasma und einer oder mehrerer Plasmafackel(n) erwärmt, deren Heißgas und Plasma durch entsprechend geformte und geeignete Feuerfeststeine über der Schmelze parallel zur Schmelze eingeleitet werden sollten. Dies kann abhängig von der Größe so geschehen, dass die Plasmafackel(n) quer zur Strömungsrichtung oder parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein sollten. Der Bereich mit der Plasmabeheizung ist mindestens so lang und breit, dass die Heißgase der Plasmafackel(n) sich in ähnlicher Form wie in einer Flamme ausbreiten können, um den Wärmegehalt der Gase nutzen zu können und ohne die feuerfeste Ausmauerung zu beschädigen. Eine Plasmafackel sollte eine Strömungsführung in Form eines „U“ ermöglichen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Plasma-Einlass und der Abgas-Auslass in derselben Wand positioniert werden. Dabei ist sowohl die Positionierung auf derselben Höhe als auch auf unterschiedlichen Höhen möglich.
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Sowohl der Schmelzbereich wie auch der Läuterbereich sind mit geeignetem Feuerfestmaterial ausgekleidet, das sowohl für die Temperaturen als auch den zu erwartenden chemischen Angriff aus den Glasschmelzen geeignet sein sollte. Das Gehäuse bzw. der Ofen kann mit geeignetem Wärmedämmmaterial so zugestellt sein, dass die äußeren Wandtemperaturen den technologischen, normativen und legislativen Ansprüchen entsprechen.
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Die Beheizung sollte so dimensioniert sein, dass der gewünschte Glasgemengemassenstrom kontinuierlich aufgeschmolzen werden kann. Hierbei sollte(n) die Mikrowellenquelle(n) in der Lage sein, die gesamte notwendige Energie aufzubringen. Eine Zusatzbeheizung durch konventionelle elektrische Heizer z.B. aus SiC ist im Schmelzbereich aber auch im Läuterbereich möglich.
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Die Plasmaquelle(n) sollte(n) so gewählt werden, dass sie einen ausreichend heißen Gasstrom erzeugen kann/können und gleichzeitig genügend Energie in das System eingebracht werden kann um die Wärmeverluste über Wände und Abgasstrom auszugleichen. Insgesamt sollte das kombinierte Beheizungssystem in der Lage sein, genügend Energie in den Ofen einzubringen, um einen kontinuierlichen Schmelzprozess aufrecht zu erhalten.
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Das als Ausgangsmaterial eingesetzte Glasgemenge kann über eine mikrowellendichte Zufuhr direkt neben einer Mikrowellenquelle, wie einem Hohlleiter so eingebracht sein, dass ein möglichst flacher Schüttkegel entsteht, mit dem eine maximale Schüttdicke des Gemenges erreicht werden kann, die geeignet ist, von den Mikrowellen vollständig durchdrungen zu werden, um ein möglichst energiesparendes Aufschmelzen zu erreichen.
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Das geschmolzene Glas kann am Ende des Läuterbereichs und einer ggf. vorhandenen Konditionierungszone durch einen Bodenauslass entnommen werden. Der Bodenauslass kann zur besseren Steuerung der Badhöhe mit einem Plunger reguliert werden.
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Abgase können durch einen geeigneten Auslas in ein Abgassystem geleitet werden.
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Eine Temperaturüberwachung sollte mindestens im Läuterbereich vorgesehen sein, aus Sicherheitsgründen können weitere Messstellen z.B. an einer eventuellen Zusatzbeheizung, im Schmelzbereich und im Abgasstrang ebenso mit geeigneten Temperatursensoren ausgestattet sein.
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Der Schmelzbereich sollte im kontinuierlichen Betrieb niedrigere Temperaturen an der Decke des Gehäuses ermöglichen, da die Gemengeschicht das bereits geschmolzene Glas abdeckt und thermisch isoliert. Dafür sollten Aufschmelzprozess und Gemengezufuhr kontinuierlich und im Gleichgewicht mit dem Abfluss in den Schmelzbereich erfolgen. Dies kann durch Einstellung der Gemengezufuhr, die Einstellung eines Skimmers und durch Einstellung der Mikrowellenleistung erreicht werden.
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Ein Skimmer ist eine Barriere aus Feuerfestmaterial, wie z.B. AZS, welcher von oben in die Schmelze eintaucht. Der Skimmer kann so eingestellt sein, dass nur schmelzflüssiges Glas aus dem Schmelzbereich in den Läuterbereich fließen kann und so, dass möglichst kein Heißgas aus dem Läuterbereich in den Schmelzbereich eindringen kann.
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Durch den Einlassbereich wird das Glasgemenge in den Schrägbettschmelzer eingebracht. Das Gemenge bildet unter dem Hohlleiter eine geschlossene Gemengedecke, ohne dass die Mikrowellenquellen, z.B. ein Hohlleiter, berührt werden sollte. Im Schmelzbereich kann so das Glasgemenge durch die Einwirkung der Mikrowellenstrahlung direkt aufgeschmolzen werden und fließt durch die Neigung des Schrägbettschmelzers kontinuierlich ab. Dabei kann/können die Mikrowellenquelle(n) (z.B. durch einen Tuner) so geregelt werden, dass die Einkopplung der Mikrowellenstrahlung direkt im Gemenge erfolgen kann. Anschließend fließt das geschmolzene Glas durch den Läuterbereich, wo die Plasmafackel(n) einwirkt/einwirken. Die Plasmafackel(n) sollte(n) so ausgerichtet sein, dass das geschmolzene Glas nicht direkt überstrichen wird, um die Bildung von Hotspots zu vermeiden. Zudem sollte ihre Strömungsführung dergestalt ausgelegt sein, dass durch den Gas-Jet eine U-förmige Strömung erreicht werden kann.
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Durch eine Regelung der Plasmafackel(n) kann die mittlere Gastemperatur der Plasmafackel(n) so eingestellt werden, dass sie der Zieltemperatur des Läuterbereichs erreicht und dort eingehalten werden kann. Abschließend wird das Glas durch den Bodenauslass aus dem Schrägbettschmelzer ausgeschleust. Die Fließgeschwindigkeit kann durch die Neigung des Schrägbettschmelzers eingestellt werden. Ein Plunger kann verwendet werden, um den Abfluss und damit die Schmelzbadhöhe im Läuterbereich zu kontrollieren.
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Eine zusätzliche konventionelle elektrische Beheizung kann eingesetzt werden, um Aufheizprozesse und Halteprozesse zu verbessern, sie kann aber auch den Schmelzbetrieb unterstützen. Alle Beheizungssysteme sollten dabei aufeinander abgestimmt sein.
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Die Erfindung kann ebenfalls überall dort zum Einsatz kommen, wo kleine Mengen Glas mit hohen Anforderungen an Reinheit schnell aufgeschmolzen werden müssen, um z.B. wechselnden Anforderungen der Produktion gerecht zu werden. Beispiele wären die Herstellung von optischen Gläsern für Linsen oder Laboratorien der Glasproduktion und Verarbeitung. Zusätzlich ist der Einsatz für die Herstellung von Dentalglaskeramiken denkbar.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft weiter erläutert werden.
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Dabei zeigt 1 eine Schnittdarstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Das dargestellte Beispiel weist ein Gehäuse 6 auf, das alle übrigen Teile der Vorrichtung umschließen sollte. Es sollten lediglich über eine Einlassöffnung 1.1 für Gemenge, ein Bodenauslass 4 für die fertige Glasschmelze und eine nicht dargestellte Abgasauslassöffnungen nach außen verfügen.
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An die Einlassöffnung 1.1 schließt sich ein in horizontaler Richtung schräg unten gerichteter Einlassbereich 1 an, über den zugeführtes Gemenge in fester Form zugeführt werden kann. Der Neigungswinkel in Bezug zur Horizontalen beträgt bei diesem Beispiel 32 °. Das dort eingeführte Gemenge kann dann am Ende des Einlassbereichs 1 und im Schmelzbereich 5 mit der Energie einer Mikrowellenquelle 2 aufgeschmolzen werden. Die Mikrowellen werden dazu in Richtung Gemenge emittiert.
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Infolge der Neigung mit einem kleineren Neigungswinkel als dem des Einlassbereichs 1 kann die gebildete Glasschmelze in den anschließen an den Schmelzbereich 5 angeordneten Läuterbereich 7 strömen. Schmelzbereich 5 und Läuterbereich 7 können mit einem oberhalb der Glasschmelze angeordneten Skimmer einfach voneinander getrennt werden.
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Die Glasschmelze wird dann mit der Energie mindestens einer Plasmafackel und des Plasmas aufgeheizt, die beide mit mindestens einer Plasmaquelle 3 ausgebildet werden. Das Plasma wird mit zugeführtem Plasmagas gebildet. Dies führt auch dazu, dass eine Plasmafackel bis in den Läuterbereich 7 reichen kann.
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Am Ende des Läuterbereichs 7 kann der Bodenauslass 4 angeordnet sein, über den die fertige Glasschmelze einer Weiterverarbeitung zugeführt werden kann.