DE1496043A1

DE1496043A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Glas

Info

Publication number: DE1496043A1
Application number: DE19641496043
Authority: DE
Inventors: Cable Jun Thomas Hamilton; Koepplin William John; Hinds Gene Wesley
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1963-04-30
Filing date: 1964-04-30
Publication date: 1969-03-27
Also published as: DE1496043B2; GB1024595A; FR1395208A; US3337324A

Description

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QNIOM CARBIDE CORPORATION, 2?0 PARK AVENUE, New iork 1?. it. Ϊ./USA

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON GLAS

Me vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glas und eine Vorrichtung zum Schmelzen und. Läutern von öin Glasgemenge bildenden Rohstoffen und zur Gewinnung eines Glas— Produktes von außerordentlich p;uter Struktur, Farbe und Klarheit.

Bei den ablichen Kontinuierlichen Glasherstellungsverfahren werden die Rohstoffe in ein Ende eines längsa:eforrnten Regenerativofens eingebracht, und am anderen Ende wird das geschmolzene fertige Glas entnommen, nachdem seine Bestandteile in dem nacheinander Schmelz-, Läuter— und Kühlprozessen unterworfen wurden. Gewöhnlich haben die öfen zwei Zonen; eine erste und längere zum Schmelzen des rohen Glasgemenges und eine zweite Läutern und Kühlen. Während geschmolzenes Glas aus Her Läutersöö« entnommen wird, werden die das Gemenge bildenden Rohstoffe in di· S'-.hmel zzone eingebracht, so daü das Schmelz- und Läuterverffthrtin mehr oder wenIrer kontinuierlich ist. Das rohe Gemenge besteht CTfiwöbnlich hub einem Gemisch von Kieselsäure, z.B. Sand, ein®» Alkali 7-'ie Kaliumcarbonat oder Soda und einer weiteren Base» bei— f'.ni c-1 sv/eise Kalk oder ßleiox.yd. Die genaue Mischung hängt von ds* an^f--5:tret>fien Glanprodukt und der gewünschten Farbe ab. Ein typische« Gemenge zur Berr.tel lung von klarem Kalk-Soda-Glas, wie mm ρ f.-wohn I ich zur Herstellung von Rehältern verwendet wird, enthält tjt'Ar.uie Is weise ?0O Teile Hand, 50 Teile Kalkstein und 70 Teile .)o'l;i. I".t dar; Gemenge- p;f3r,chmolzen, so ist die Schmelze von Gftfi-

BAD ORIGINAL

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Unbrfc<JC:t VS-751 Abs.2 Nr. 1 Sr.\i I -J*.* .Ine^rana^«· ···⁴·'"

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blasen durchsetzt. Das geschmolzene, ungeläuterte Glas kommt in die Läuterzone, wo es in entsprechenden Temperatur- und Viskositätsbeireichen ^ehalten wird, so daß die gelösten Gase langsam an die Oberfläche steigen und entweichen. Dieses Läuterverfahren dauert viele Stunden und ist der Hauptgrund für die t^erinp-e Produkt!onsgeschwindigkeit und Leistung des üblichen Glasherstellungsverfahrens.

Viele Fachleute nehmen an, daß ein langes Verbleiben des Gemenges in der Schmelzzone zu einer guten Durchmischung infolge der /i/irteune; von Konvekbionsströmen führe, so'daß bis zum Erreichen der Läuterzone die Homogenität des Glases gefördert werde. Entsprechend dieser Theorie ist es allgemein üblich, Brenner zum Schmelzen des Gemenges zu verwenden und die Temperatur der Schmelze durch auf ihre Oberfläche gerichtete Flammen aus Luft und Brennstoff zu erhöhen. In manchen Fällen werden die Brenner am Einfüllende des Ofens angeordnet und die Flammen brennen in Längsrichtung nüer der Schmelze; in anderen Fällen sind sie an den Seibenwänden des Ofens angeordnet, so daß die Flamme quer über die Schmelze verläuft." Bei beiden Methoden wird angestrebt, den Brennern genügend Brennstoff und Luft zuzuleiten, so daß die Schmelze ihre höchste Temperatur in der Ofenmitbe in Längsrichtung des Ofens hatte. Bei solchen Verfahren wird das Gemenge in das ßinfüllende des Ofens eingebracht und schwimmt auf der Glasschmelze, bis es schmilzt. Da nur ein kleiner Teil der Luft-Brennstoff-Flammen unmittelbar auf di'e Schmelze auftrifft, wird Wärme nur langsam auf diese übertragen. Im praktischen Betrieh ist daher das Gemenge vor dem Durchlaufen der Ofeniuitte nicht völlig geschmolzen. Außerdem wird ein wesentlicher Teil der Flammenenergie direkt auf die Ofenwände gestrahlt. Dies wiederum erfordert eine Begrenzung der bLammentemperatur, wenn eine schnelle Zerstörung der feuerfesten Ofenwandung vermieden werden soll. Wie weiter unten erläutert, sind bei diesen bekannten Verfahren große Schmelz"Πächen

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pro täglich erzeugter Tonne Glas notwendip;, wobei die gesamte Brennleistung niedrig ist.

Ein weiterer Nachteil der bekannten kontinuierlichen Glasherstellungsverfahren ist die Verwendung von teuren Regenerativöi'en. Diese üfen sind sehr groß und bestehen im wesentlichen aus einer langen Schmelzzone und einer kleineren Läuterzone sowie Regeneratoren entlang des Ofens zum Vorheizen von Verbrennungsluft durch Wärmeaustausch mit den Brenngasen. Gegenwärtig müssen diese Ofen so gebaut sein, daß sie eine

ρ
Schmelzfläche von etwa 0,46 m ' /nro Tagestonne Glas haben. Es leuchtet daher ein, daß die Gestehungs—, Unterhaltungsund Erneuerungskosten einer typischen Ofenanlage zur Herstellung von Glas in einem Umfang von beispielsweise 100 t/Tag oder mehr einen bedeutenden Anteil der Glasherstellungskosten ausmachen.

Mit "Schmelzfläche" ist der gesamte von der Schmelze in der Schmelz- und Lauterzone eines Ofens zur kontinuierlichen Glaserzeugung eingenommene Bereich gemeint. Die Schmelzfläche schließt nicht die gewöhnlich stromabwärts vom Überlauf liegende Zone ein.

Bisherige Versuche, die GlasBroduktion zu steigern oder mit einer kleineren Schmelzfläche pro Tagestonne Glas auszukommen, sind gescheitert; sie führten stets zu einem Produkt von schlechter Qualität, das ungeschmolzene Gemengebeilchen und eine abergroße Zahl von Blasen enthielt. Auch wurde dabei das feuerfeste Ofenmaterial stärker abgenutzt und die Gesaintbrennleistung war geringer.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ist daher, diese Schwierigkeiten zu überwinden und ein außerordentlich wirksames " Gl asherr;te 11 längsverfahren zu schaffen.

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Ein weiteres Ziel ist ein verbesserter Ofen zur Gewinnung von geläutertem Glas von erstklassiger Struktur, Farbe und Klarheit, der im Vergleich zu den bisher verwendeten Regenerativöfen nicht teuer im Bau und in der Unterhaltung ist, geringeren Raum einnimmt und kontinuierlich bei höheren Temperaturen als den bisher angewendeten zur industriellen Herstellung von billigem Glas, beispielsweise gewöhnlichem Kalkglas, wie es für Glasbehälter in Frage kommt, verwendet werden kann.

Zur Verwirklichung dieser Ziele sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Glas aus einem rohen Gemenge in einem Glasschmelzofen mit einem Einfüllbereich und einem Entnahmebereich vor, wobei das rohe Gemenge in den Einfüllbereich gebracht wird und mindestens ein heißer Gasstrom auf das rohe Gemenge gerichtet wird, um es völlig zu schmelzen, worauf das geschmolzene Glas aus dem Entnahmebereich entnommen wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der auf das rohe Gemenge gerichtete Strom eine Temperatur von mindestens 193O⁰C und einen auf. das Gemenge zu übertragenden Wärmegehalt von 68 000 bis 1 100 000 Kcal/Stde/m² Schmelzfläche des Ofens hat.

Das Verfahren beruht auf der Entdeckung, daß die zum Schmelzen und Läutern eines einer Glasschmelze zugesetzten gegebenen Quantums eines Glasgemenges erforderliche Gesamthitze sich umgekehrt zur Schmelzgeschwindigkeit ändert. Es wurde festgestellt, daß bei hoher (heat inputrak) Wärmebeaufschlagung pro Einheit des Bereiches, in dem die Rohstoffe geschmolzen werden, eine hohe Gesamtbrennstoffleistung vorhanden ist.

Mit dem Begriff "wirksame Wärmebeaufschlagung pro Schmelzflächeneinheit" wird die Schmelzgeschwindigkeit in einem Ofen von'gegebener Größe (Tonnen pro Tag) ausgedrückt. Mit

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anderen Worten, Je länger das Gemenge, bevor es völlig geschmolzen ist, auf der Schmelze schwimmt, desto mehr Gesamthitze ist erforderlich, und desto geringer ist die Gesamtbrennstoffleistung. Ohne sich auf eine Theorie zu beschränken, wird angenommen, daß,wenn Glasgemengeteilchen mit unregelmäßiger Oberfläche langsam geschmolzen werden, sich um diese herum eine geschmolzene Schicht bildet, deren Oberflächenspannung den wärmeabsorbierenden Teil verkleinert und so als Isolierung wirkt. Dadurch wird die Geschwindigkeit verringert, mit der Wärme von dem Gemenge aufenommen werden kann. Wird eine stärkere Heizquelle verwendet, um das Gemenge schneller zu schmelzen, so entsteht ein Abschäleffekt, wodurch diese Schichten abgeschält werden, so daß der Wärmequelle fortlaufend weiter innen liegende Schichten nicht geschmolzenen Materials ausgesetzt werden. Dadurch wird die Hitze sehr viel schneller auf das Gemenge übertragen, und es wird weniger Brennstoff pro Tonne erzeugten Glases verbraucht.

Die Heizflamme kann von einem ein Oxydationsmittel und Brennstoff verbrennenden Brenner geliefert werden mit Luft, reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft als Oxydationsmittel, oder es kann ein Lichtbogen verwendet werden. Die hitzeerzeugende Vorrichtung wird vorzugsweise entweder in der Wand oder der Decke des Ofens angebracht, so daß ihre Energie im wesentlichen senkrecht nach unten gerichtet werden kann und auf im Einfiil lab schnitt des Ofens befindliches Gemenge auftriffU.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist mit "im wesentlichen senkrecht nach unten" eine mit der Senkrechten einen Winkel von Null bis 45 Grad bildende Richtung gemeint.

Der Grundgedanke der Erfindung ist, das ganze eingebrachte

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Gemenge schnell zu schmelzen, solange es sich im Einfüllabschnitt des Ofens befindet. Das Schmelzen sollte in im wesentlichen direkter Berührung mit einer heißen Flamme oder einem Lichtbogen von einer Temperatur von mindestens 1930° 0, vorzugsweise mehr, erfolgen.Dieser Schmelzvorgang steht im · scharfen Gegensatz zum Lösungsschmelzen, bei dem das Gemenge auf der Glasschmelze schwimmt, bis es von der heißen Lösung schließlich geschmolzen wird. Lösungsschmelzen ist ein langsamer und unzulänglicher Vorgang und erf.ordert öfen von mindestens der neunfachen Größe der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Öfen für den gleichen Ausstoß.

Die Erfindung betrifft ferner einen Glasschmelzofen, der zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist und einen mit feuerfestem Material ausgekleideten Mantel mit Boden, Seitenwänden und eine Decke aufweist, die zusammen eine Kammer zum Schmelzen und Läutern einer Oharge eines rohen Glasgemenges bilden, wobei die Kammer einen Einfiillbereich mit Mitteln zum Einfüllen des Gemenges und Mittel zum Erzeugen eines heißen Stromes und einen Entnahmebereich mit Mitteln zum Entnehmen des Glases hat. Der Ofen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des heißen Stromes einen Gasstrom mit einer Temperatur von mindestens 1930 0 im wesentlichen senkrecht auf das Glasgemenge richten und auf dieses eine Hitze zwischen 68 000 und 1 100 000 Kcal/Stde/m Schmelzfläche des Ofens übertragen.

Wird mit Flammen- oder Lichtbogentemperaturen von im wesentlichen über 1930° C, beispielsweise etwa 2760° G oder sogar darüber, gearbeitet₉ so verwendet man zur Vermeidung schwerer Beschädigungen des feuerfesten Ofenfutters vorzugsweise einen Ofen der beschriebenen Art mit einem zweiten Mantel, der den mit feuerfestem Material gefütterten Mantel umgibt, so daß zwischen beiden ein Kanal vorhanden ist, durch den fortlaufend Kühlmittel strömen kann. Da der Boden des Ofens von dem

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geschmolzenen Glas vor der heißen Flamme oder dem Lichtbogenstrahl geschützt wird, brauchen Kühlkanäle nur um die Wände und das Dach des Ofens vorgesehen zu sein.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen kurvenmäßigen Vergleich der Wärmebeaufschlagung pro Schmelzflächeneinheit je Stunde bei verschiedenen Tageserzeugungsmengen bei dem bekannten und dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 einen kurvenmäßigen Vergleich der Wärmebeaufschlagung pro Schmelzflächeneinheit je Stunde bei einer gegebenen Tageserzeugung und die sich daraus 'ergebende Brennstoffleistung bei dem bekannten und dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3 und

Fig. 5 den in Fig. 3 dargestellten Brenner in vergrößertem Maßstab im Schnitt.

In Fig. 1 gibt die Kurve "A" die wirksame Wärmemenge an,

2
die pro Stunde pro Quadratfuß (m ) Schmelzfläche auf die eingefüllten Glasrohstoffe übertragen wird. (( bei verschiedenen Ofenausstößen zwischen etwa 30 bis 15Ot pro Tag)) Wie oben gesagt, wird bei dem bekannten Verfahren das Gemenge auf das geschmolzene Glas gehäuft und vorwiegend durch dessen Hitze geschmolzen. Wärmeströme wirken, daß es auf der Schmelze

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treibt und sich mit ihr vermischt, bis es völlig geschmolzen ist. Darauf bleibt die Schmelze vor der Entnahme aus dem Ofen genügend lange in einer Läuterzone, damit die Glasblasen entweichen können. Dieses Lösungsschmelzen ist · * ein langsamer Vorgang, der eine große Schmelzfläche erfordert und große Brennstoffmengen verbraucht. Wie die Kurve "A" zeigt, wird bei dem üblichen Verfahren bei Ausstößen zwischen 30 und 150 t pro Tag Wärme mit einer Geschwindigkeit von etwa 32 500 bis 49 000 Kcal/Stunde/m² Schmelzfläche auf die Glasrohstoffe übertragen. Bei einem 100 t täglich erzeugenden Ofen, was der üblichen Größe der in der Glasindustrie verwendeten Öfen entspricht, wird Hitze im Lösungsschmelzverfahren mit einer Geschwindigkeit von etwa 46 000 Kcal/Stunde/m Schmelzfläche auf das Gemenge übertragen (Kurve VA").

Da e"twa 2 000 000 Btu (500 000 Kcal) zum Schmelzen von einer Tonne Glasgemenge erforderlich sind, müßte bei dem üblichen Verfahren zur Erzeugung einer Tagesmenge von 100 t ein Ofen mit einer Schmelzfläche von

(2 000 OQQ Btu/T) (100 t/Tag)

17 000 Btu/Stunde/Quadratfuß Schmelzfläche χ 24 Std.

ρ
oder etwa = 45 m

verwendet werden.

Die Kurve "B" in Fig. 1 zeigt die untere Grenze der beim erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden Wärmebeaufschlagung pro Quadratfuß.

Wie daraus ersichtlich, ist bei einer Tagesmenge zwischen und 150 t eine Mindestwärmebeaufschlagung zwischen etwa 25 und 40 00p Btu/Stunde pro Quadratfuß » 68 000 bis 110 000

2
Kcal/Stunde/m Schmelzfläche erforderlich. Die untere Grenze

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- 9 - ■ bei einer Tagesproduktion von 100 t liegt bei etwa 36 000

Btu/Stunde/Quadratfuß = 98 000 Kcal/Stunde/m Schmelzfläche. Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderliche Schmelzfläche beträgt etwa

(2000 000) (100) _m _{etwa 25O Quadratf};_{ß oder 21 m}2 (36.000).(24)

Somit ist bei der unteren Betriebsgrenze des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger als die Hälfte des beim üblichen Verfahren benötigten Öfenraumes erforderlich.

Wie weiter unten genauer beschrieben, konnte bei Beaufschla-

gung mit etwa 410 000 Kcal/Stunde/m Schmelzfläche eine Tagesmenge von 25 t Glas guter Qualität erzeugt werden, wobei

ein Schmelzraum von nur 1,3 m erforderlich war. Die Erzeugung der gleichen Menge mit dem Üblichen Verfahren hätte einen Ofenschmelzraum von fast der neunfachen Größe, d.h. von 410 000 Kcal/Stunde/m eine Ofenbrennleistung von über 40 % erreicht, Entwicklungsversuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben ergeben, daß eine Wärmebeaufschlagung mit 410 000 Kcal/Stunde/m bis zu einem Wert von etwa 1 130 000

ο
Kcal/Stunde/m Ofenschmelzfläche wirtschaftlich gerechtfertigt erscheint. Bei dieser Wärmebeaufschlagung läßt sich nach

Ansicht der Anmelderin in einem Ofen mit nur 0,018 m Schmelzfläche/Tonne/Tag Glas guter Qualität erzeugen. Dies entspricht einem Zwanzigstel der für das übliche Glasherstellungsverfahren erforderlichen Ofengröße.

Man hat angenommen, daß zum Schmelzen einer Charge von 1 t Glasgemenge, das im wesentlichen frei von Glasbruch ist, etwa 500 000 Kcal erforderlich seien. Viele Glashütten verfahren in der Weise, daß sie eine Charge mit 10% Glasbruch einbringen, in welchem Falle der Wert von 500 000 Kcal/t sowie die

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anderen vorerwärmten Wärmebeaufschlagungswerte sich um etwa 5 % verringern.

In. Fig. 2 zeigt die Kurve A 1, daß Ofenbrennstoffleistungen im Bereich von 15-23 % in der Glasindustrie allgemein erzielt werden. Eine Brennstoffleistung von etwa 20 % scheint beim üblichen Verfahren für einen 100 t pro Tag erzeugenden Ofen typisch zu sein. Die Kurve B 1 zeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei den unteren Wärmebeaufschlagungsgrenzwerten gemäß der Kurve B in Fig. 1 sich Brennstoffleistungen im Bereich von 20-29 % erzielen lassen. Ein mit den unteren Wärmebeaufschlagungsgrenzwerten betriebener, eine Tagesmenge von 100 t erzeugender Ofen könnte eine Brennstoffleistung von 27 % erzielen. Die Kurve "G" in Fig. 2 gibt die Brennstoffleistungswerte an, die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in kleinerem Maßstab erzielt wurden. Die drei Punkte auf der Kurve entsprechen den höheren Energiebeaufschlagungswerten C 1, O 2 und C 3 in Fig. 1. Die Kurve zeigt vor allem die starke Zunahme an Brennstoffleistung bei schnellem Schmelzen durch auf die Oberfläche auftreffende Flamme und entsprechende Beaufschlagung mit starker Hitze im Gegensatz zu vorwiegendem Lösungsschmelzen mit niedrigerer Wärmebeaufschlagung. Die Krümmung der Brennstoffleistungskurve G nimmt bei den höheren Wärmebeaufschlagungswerten ab; dies zeigt an, daß bei noch stärkerer Hitzebeaufschlagung die Kurve flach verläuft.

Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Glasschmelzofen 10, der einen Mantel 11 mit einem feuerfesten Material ausgekleideten Boden 12, Seitenwänden 13 und Decke 14 hat und eine starke Hitze erzeugende Vorrichtung 15, beispielsweise einen in der Decke 14 angebrachten, Oxydationsmittel und Brennstoff verbrennenden Brenner. Der Ofen hat ein Einfüllende

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22 zum Einfüllen des rohen Gemenges und ein Entnahmeende zur Entnahme des geläuterten Glasproduktes durch das Zapfrohr 21. Obgleich nur ein Brenner dargestellt ist, können mehrere Brenner oder andere Heizvorrichtungen, beispielsweise ein elektrischer Lichtbogenstrahl verwendet werden. Das Haupterfordern!s einer solchen Vorrichtung ist, daß sie einen Gasstrom von einer Temperatur von mindestens 1930° G erzeugt.

Der Brenner ist in dem Ofen derart angeordnet, daß die Flamme im wesentlichen senkrecht nach unten auf das Zufuhrende des Ofens gerichtet ist. Vorzugsweise wird er mit Brennstoff und Sauerstoff gespeist, obgleich auch Luft oder sauerstoffangereicherte Luft verwendet werden kann. Bei Verwendung von nur Brennstoff und Luft können zur Erzeugung einer Flammentemperatur von 1930° C besondere Brennerformen mit Vorheizkammer erforderlich sein. Bei kontinuierlichem Betrieb mit sehr hohen, nahe der oberen Grenze des erfindungsgemäßen Verfahrens liegender Wärmebeaufschlagung können die Gastemperaturen im Ofen so hoch sein, daß eine starke Beschädigung des feuerfesten Materials eintritt. In solchen Fällen wird zweckmäßig ein Ofen mit von dem inneren Mantel 11 im Abstand vorgesehenem äußeren Mantel 16 und Kühlräumen zwischen den beiden Mänteln verwendet. Diese Kühlräume 17 können durch Trennwände unterteilt sein, so daß Kühlmittelkreisläufe entstehen, oder sie können, wie in der Zeichnung dargestellt, tankförmig sein. Ein Kühlmittel, z.B. Wasser, kann durch den Einlass 18 einströmen und durch den Auslass 19 ausströmen. Bei Wasserkühlung wird sich an der feuerfesten Wandung ein Teil der verdampften Glasbestandteile kondensieren, so daß ein dünner Glasiiberzug entsteht, der zusammen mit dem Kühlmittel das feuerfeste Ofenfutter gegen Beschädigung durch Strahlung schützt. Dadurch kann die Lebensdauer des Ofenfutters sehr

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verlängert werden. Im Dach des Ofens befindet sich, ein Auslaß 20 zum Ablassen der Verbrennungsgase.

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Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist zweckmäßig der Boden 12 in der Mitte des Ofens tiefer als an den Seiten, so daß sich ein mittlerer Kanal ergibt. Der dargestellte Querschnitt des Of enbödens ist trapezförmig, jedoch kann die untere Wand 17 ebensogut gekrümmt sein. Durch diese Ausführung ergibt sich ein tiefer, aber verhältnismäßig schmaler Kanal, der eine starke Hitzekonzentration auf das Gemenge ermöglicht, ohne daß ungeschmolzenes Gemenge von der Flamme nach dem Auslassende des Ofens hin geschwemmt wird. Ausserdem sind durch die starke Hitzekonzentration auf den engen, tiefen Kanal die Strahlungsverluste insgesamt geringer und die Brennstoffleistung höher.

Fig. 5 zeigt einen bevorzugten Brenner 15 niit einem Trichter 24, der an einer sich abwärts erstreckenden Leitung 25 befestigt ist, durch die rohes Glasgemenge eingefüllt werden kann. Eine zweite, koaxial zur Leitung 25 verlaufende Leitung 26 von grösserem Durchmesser bildet einen ringförmigen Kanal 27, durch den Oxydationsmittel eingelassen werden kann. Eine dritte koaxial verlaufende Leitung 28 von noch grösserem Durchmesser bildet einen ringförmigen Kanal 29 zum Einlassen von Brenngas. Diese Anordnung kann, wenn gewünscht, von einem Kühlwassermantel umgeben werden, indem man durch die miteinander verbundenen ringförmigen Kanäle 30 und 31 einen kontinuierlichen Kühlwasserstrom fHessen lässt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Brenner so gebaut, daß die mittlere Zufuhrleitung 25 für das Gemenge im Falle von Verstopfung bei längerem Betrieb leicht herausgenommen werden kann. Wie weiter unten ausgeführt, ist der Brenner 15 gemäß Fig. 5 für solche Fälle bestimmt, wo das Gemenge unmittelbar durch ihn hindurch in das Einfüllende des Ofens eingebracht wird. Soll er nur als üblicher Brenner verwendet werden, so können der Trichter 24 und die innere Leitung 25 wegfallen.

Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird rohes Glasgemenge in das Einlassende des Ofens eingebracht und schwimmt

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auf der darin befindlichen Glasschmelze. Das Gemenge soll so eingebracht werden, daß es eine· verhältnismäßig gleichmäßige Schicht auf der Schmelze bildet. Dem Brenner 15 werden genügend Brennstoff und Oxydationsmittel zugeleitet, daß er eine-Flamme von mindestens 193O°C, vorzugsweise von 2500-3000° C * ' oder darüber, erzeugt. Wird reiner Sauerstoff als Oxydationsmittel und Erdgas als Brennstoff verwendet, so kann die Flammentemperatur von 2500 - 3000° 0 durch Verbrennen von Sauerstoff und Brennstoff in einem Volumenverhältnis bei 21° C von etwa 1,7 bis 2,5 erzielt werden. Die dem Brenner zugefiihrte Sauerstoff menge hängt somit von der ihm zugeführten Brennstoffmenge ab; diese wiederum wird von der zu erzeugenden Glasmenge, der wirksamen Wärmebeaufschlagung des Glases und der Gesamtleistung des Verfahrens bestimmt.

Um ein Beispiel für die annähernd erforderliche Brennstoffmenge, Oxydationsmittelmenge und Ofengrösse bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an der unteren Grenze zu geben, sei eine angestrebte Tageserzeugung von 30 t Glas aus einem glasbruchfreien Gemenge angenommen. Die zum Schmelzen der Charge pro Stunde erforderliche Wärme beträgt.

C30 t/Tag) (2 000 000 Btu/t _{2 500 000} stu/Stunde oder 24 Stunden/Tag ~ ^ά POO UUU ötu/btunde, oder

^{= 63}° ⁰⁰° ^Kcal/Stunde. , .

Wie aus der Kurve B in Fig. 1 ersichtlich, beträgt der untere Wert der Wärmebeaufschlagung beim erfindungsgemäßen Verfahren für eine Tageserzeugung von 30 t etwa 25. 000 Btu/Stunde/Quadratfuss =» 68 000 Kcal/Stunde/m Schmelzbereich. Die erforder liche Gesamtschmelzfläche beträgt somit

2 500 000 Btu/Stunde ._{m Qll}„_rt-_r._n4-f₁₁oo _nA*r

25 000 Btu/Stunde/Quadratfuss ™° Quadratfuss,oder

6.3 x 10³ _m Q 3 _m2
6,8 χ 10 ^y'^{? m} "

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Nach, der Kurve B 1- in Fig. 2 beträgt die Gesamtbrennstoffleistung auf der unteren Grenze bei einer Tageserzeugung von 30 t etwa 20 %. Wird als Brennstoff Erdgas verwendet, das beim Verbrennen etwa 1 000 Btu/scf · 89 000 Kcal/m^ ergibt, so liegt der Brennstoffverbrauch schätzungsweise bei 2 500 000 Btu/Stunde _ΛΟ ^_n _a/,*._/Q<._lirwTe, _ΛΑαΎ% = ¹² 500 scf/Stunde, oder 6 5 χ 10

" ^⁰ .⁸*^&ηά^&Γ(1 Kubikmeter pro Stunde.

Wird das Erdgas in annähernd stöchiometrischem Verhältnis zum Sauerstoff verbrannt, so muß das Verhältnis des Oxydationsmittels zum Gas bei etwa 2:1 liegen. Dies ergäbe eine Flamme von einer Temperatur von etwa 2650° C. Der Sauerstoffverbrauch würde somit etwa bei 12 500 χ 2 = 25 000 scf/Stunde oder 350 χ 2 ■ 700 nr pro Stunde liegen.

Wird mit höherer wirksamer Wärmebeaufschlagung gearbeitet als dem durch die Kurve B in Fig. 1 dargestellten Minimum, so werden die Brennstoff- und Oxydationsmittelmengen und die Schmelzfläche im wesentlichen in der gleichen Weise wie oben errechnet. Jedoch kann es in solchen Fällen notwendig sein, die Brennstoff- und Oxydationsmittelmengen ungefähr zu schätzen durch Wählen einer geschätzten Leistung, die über dem der Kurve B 1 entsprechenden Minimum und unter der extrapolierten Kurve 0 in Fig. 2 liegt. Dies würde zur Bestimmung der GrÖsse und Zahl der erforderlichen Brenner ausreichen. Die genauen Brennstoff- und Oxydationsmittelmengen für die gewünschte Erzeugungsmenge können dann anhand des tatsächlichen Ofenbetriebs bestimmt werden.

Mit Lichtbogenflämmen lassen sich Gasstromtemperaturen von beträchtlich über 3000° C erzielen. In ,jedem Fall wird jedoch eine Flamme oder ein Strom von so hoher Temperatur von dem Brenner 15 oder der Lichtbogenvorrichtung auf das schwimmende Gemenge gerichtet, daß dieses schnell schmilzt, während es sich im Ein-

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füllende des "Ofens befindet. Durch das Auftreffen der Flamme oder des Strahls auf das Gemenge entstehen sehr große Temperaturunterschiede zwischen dem Gemenge und der Flamme bzw. dem Strom, ohne daß der Ofen überhitzt werden muß. Das geschmolzene Gemenge lässt man nach dem Auslassende des Ofens hin fliessen^ wo die in ihm enthaltenen Gase entfernt werden. Da die Blasenentwicklung umso stärker ist, ,je niedriger die Viskosität des Glases, soll die Temperatur der Schmelze am Austrittende zwischen etwa 14-50 und 1700° C gehalten werden. Über dem Auslassende des Ofens kann ein Brenner als zusätzliches Heizmittel angebracht werden, um die Temperatur des Glases auf der genannten Höhe zu halten. Hierzu kann ein Brenner üblicher Art, der Brennstoff"und Luft verbrennt, verwendet werden. Nachdem das geschmolzene Glas bis zu dem gewünschten Grade geläutert worden ist, wird es durch den Auslaß 21 aus dem Ofen abgelassen. Gleichzeitig wird eine frische Charge rohen Glasgemenges in etwa der gleichen Menge in das Einlassende des Ofens eingebracht, so daß das Verfahren mehr oder weniger kontinuierlich ist. Die Produktionsgeschwindigkeit muß ein völliges Schmelzen der Charge im Einfüllabschnitt des Ofenszulassen. Eicht geschmolzenes Gemenge darf nicht zum Auslassende schwimmen, da es Fehler in dem fertigen Glasprodukt verursachen würde.

Bei dem bevorzugten Verfahren, das Gemenge, wie in Fig. 5 dargestellt, direkt durch den Brenner in den Ofen einzufüllen, kann das Gemenge schon während des Einfliessens in den Ofen geschmolzen werden. Das. rohe Gemenge kann entweder infolge. Schwerkraft in den aiaf den Brenner 15 sitzenden Trichter 24- gelangen oder durch Druck: in die innere Leitung 25 befördert werden, wie in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Bei letzterer Methode wird zweckmäßig ein Hochdruck Sauerstoffstrom unter hohem Druck als Trägergas für das Gemenge verwendet.

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Obgleich der Brenner I5 an den Wänden des Ofens angeordnet sein kann, so dab die Flamme im wesentlichen senkrecht abwärts gerichtet ist und auf das im Einfüllabschnitt des Ofens befindliche Gemenge auftrifft, wird er vorzugsweise an der Ofendecke angebracht. Obgleich mit "im wesentlichen senkrecht abwärts" eine Richtung gemeint ist, die mit der Senkrechten einen Winkel von 0 bis 45° bildet, ist es zweckmäßig, eine der Senkrechten möglichst nahekommende Richtung zu wählen, da die Hitzeiibertragung und damit die BrennstoffIeistung stark abfallen, wenn die Ausrichtung des Brenners stärker von der senkrechten Achse abweicht. Ein weiterer Vorteil der senkrechten Ausrichtung der heissen Flamme bzw. des heissen Stromes ist eine geringe direkte Strahlung auf das feuerfeste Ofenfutter.

Versuchsergebnisse

Zu Versuchszwecken wurde ein kleiner Ofen ohne Regenerator mit

ρ
einer Schmelzfläche von 0,75 πι gebaut, der in vieler Hinsicht dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Ofen entsprach, aber einen üblichen Boden hatte, und 48 Stunden lang betrieben. Ein grösserer Versuchsofen mit einer Schmelzfläche von 1,28 1 wurde später getestet (Versuchsofenmodell Nr. 2). Ein Vergleich der durchschnittlichen Betriebsbedingungen und -ergebnisse bei einem üblichen, im üblichen Verfahren betriebenen Glasschmelzofen und den im erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen, im kleineren Maßstab gebauten Versuchsofen ist nachstehend aufgeführt. Bei beiden Versuchen war das den Ofen verlassende Glasprodukt hinsichtlich seiner Struktur, Klarheit und Farbe von bemerkenswert guter Qualität.

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Versuchsofen	1 Modell 2
Modell '	0,049. .
0,137	25
5,4-	20,9
7,3	133
192	0
0	,257
325	41,7
29,3	157O°C
157O⁰C	709°C
709⁰G

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- 18 Tabelle

Bekanntes Verfahren Schmelzbereißh pro Tonne
pro Tag in m^ 0,41

Durchschnittl. Tageserzeugung in Tonnen 150

Tageserzeugung in Tonnen

pro m2 Schmelzfläche 2,4

Erdgas m⁵/t 252

Luft mVt 27 600

Sauerstoff mVt 0

Brennstoffleistung % Basis: 0,5 Millionen kcal/t theoretisch 22,5 Gasstromtemperatur 1470°C Erweichungspunkt des Glases 712°C

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ließ sich Glas hoher Qualität in einem Ofen von minimaler Größe herstellen. Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß sich durch Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre auf breiter industrieller Erzeugungsbasis eine wesentliche Steigerung sowohl des Ofenausstosses als der Wk Brennstoffleistung erzielen lässt.

Physikalische Analyse des erzeugten Glases ergab einen Erweichungspunkt, der im Durchschnitt um 3°C tiefer als derjenige des nach dem bekannten Verfahren erzeugten Glases lag. An dieser Stelle ist noch zu sagen, daß dem rohen Gemenge gewöhnlich Flußmittel zugesetzt werden, die das Glas "weich" machen, so daß es sich leichter bearbeiten lässt. Diese Flußmittel sind teuer, und ein Verlust von 15 % infolge ihrer Verflüchtigung ist nicht selten. Dieser Verlust ist nicht nur deswegen ein Nachteil, weil er eine Vergeudung der gewöhnlich teuersten Bestandteile des Gemenges darstellt, sonder auch deswegen weil erreich schwer errechnen läßt und wegen deren Verschiedenheit hinsichtlich

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bei den einzelnen Abschnitten ein und derselben Gharge eines Gemenges, Zusammensetzung und Grosse unterschiedlich ist. Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren ein niedriger Erweichungspunkt erzielt wird, ist die Verflüchtigung von Flußmittel geringer als beim bekannten Verfahren, so daß weniger Flußmittel am Anfang zugesetzt zu werden braucht, was. eine weitere Kostenersparnxs pro erzeugter Tonne Glas bedeutet.

BAD

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Claims

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P H 96 043.1 24. September 1968

Union Carbid.e Corporation . Gzy/lh.

Patentansprüche

J Verfahren zur Herstellung von. Glas aus Rohstoffen, in einem Glasofen mit einer Einführungszone und ,einer Entnahmezone, wobei die Rohstoffe als Kaufen in die Einführungszone eingebracht werden, woDei man auf die Rohstoffe wenigstens einen heißen Gasstrom zum Niederschmelzen des Materials riehte.t, und das geschmolzene Glas aus der Entnahmezone abzieht, dadurch gekennzeichnet, daß'man den -Gasstrom direkt auf die "Oberfläche der'Ausgangsstoffe richtet, daß der Gasstrom eine Temperatur von wenigstens 193O°C hat, und daß er stündlich 68 000 bis 1 1oo ooo.kcal auf jeden Quadratmeter des Gebietes

■ überträgt, wo er geschmolzen wird.
2. Verfahren nach ^Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Glas »eine zwischen dem Einführungsabschnitt- und dem Entnahmeabschnitt angeordnete Läuterzone durchläuft und in dieser Läuterzone auf eineE l'emperatur von mindestens 1430⁰C gehalten wird.
3. Verfahren nach ^Anspruch .1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas bei einer Temperatur von 1430⁰C bis 1700⁰C aus dem Entnahmeabschnitt entnommen wird,
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe von einer durch Verbrennung von Brennstoff und Oxydationsmittel gebildeten.Flamme geschmolzen werden, die im wesentlichen senkrecht auf das Gemenge auftrifft. "

. BAD ORäQINAL 909813/1154

Neue Unterlagen (Art. 7 § 1 Abs. 2 Nr. I Sate 3 des Ande

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel mit Sauerstoff angereicherte. luft. ist.
6« Glasschmelzofen mit einem mit feuerfestem Material gefütterten Mantel, dese-en Boden, Seitenwände und Decke eine Kammer "bilden, wobei die Kammer einen Zuführungsabschnitt mit Kitteln sum Zuführen des Gemenges und einen heißen Gasstrom erzeugenden Mitteln und einen Entnahmeabschnitt mit Mitteln zum Entnehmen des. Glases und einen zwischen dem Zuführungsabschnitt und dem Entnahmeabschni'tt gelegenen Läuterabschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, daß die den heißen Strom erzeugenden Mittel einen Gasstrom mit einer Temperatur von qindeelen 1930°c hat, wr €8 ooo hia ι ioo ooo knai/ Stunde/m¹". Ofenüchmelzfläche auf das Crla&g emetine tlbepir&ß fc, im wesentlichen senkrecht auf das Glasgemenge richtet.
7«-Ofen nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zweiten Mantel, der den mit feuerfestem Material gefütterten Mantel umgibt, so daß ein Kühlraum zwischen beiden Mänteln gebildet wird, und durch Mittel zum Erzeugen eines kontinuierlich durch den Kühlraum strömenden Kühlmittels..
8. Ofen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dis άΰΊζ hei.?en Strom erzeugenden .mittel einen Bronner umfassen iMiz einer niütleren leitung £üu BinfUlloil dm Ge= isenges durch sie hindurch und zwei zylindrische Landungen, die zwei koaxiale ringförmige Kanäle zum Zuführen von Brennstoff und Oxydationsmittel um die mittlere Leitung herum bilden. .

BAD OFMGINAL