DE3211392A1

DE3211392A1 - Verfahren und vorrichtung zur extrudierung von rohren aus einer glasschmelze

Info

Publication number: DE3211392A1
Application number: DE19823211392
Authority: DE
Inventors: Alexander Coucoulas; John Richard Nis
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-04-02
Filing date: 1982-03-27
Publication date: 1982-10-21
Also published as: JPS57179042A; US4372771A; CA1191690A; FR2503132A1; GB2096129B; FR2503132B1; DE3211392C2; GB2096129A

Description

Western Electric Co.Inc. Coucoulas, A. 19-2

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Verfahren und Vorrichtung zur Extrudierung von Rohren · · aus einer Glasschmelze V'

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Extrudierung von Waren. Im speziellen ist die Erfindung auf die Extrusionstechnik mit einem Gaskopf zur Herstellung von Waren aus einer viskosen Glasschmelze gerichtet.

Die Anwendung eines Gaspreßkopfes zur Extrusion eines Hohlglasrohrs aus einer Schmelze ist durch die US-PS 4 195 982 bekannt. Wärme wird einer zylindrischen Kammer zugeführt, die eine inerte Atmosphäre und Glasmaterial zur Bildung einer viskosen Schmelze enthält. Der Druck der inerten Atmosphäre innerhalb der Kammer wird vergrößert, und die viskose Schmelze wird zum Fließen durch einen Ringspalt im Boden der Kammer gebracht, um das Glasrohr zu bilden.

Das beschriebene Verfahren hat sich zur Extrudierung von Glasrohr bewährt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Material der Schmelze (z.B. SiO₉) infolge Verdampfung verloren geht, und zwar wegen Ungleichgewichtsbedingungen in der Kammer während des Extrusionsprozesses. Ein Teil des verdampften oder durch den Dampf mitgerissenen Materials schlägt sich auf der Innenseite des oberen, kühleren Bereichs der Kammer nieder. Der Niederschlag am Material und der begleitende Verlust aus der Schmelze kann beträchtlich sein, wenn das Glas über längere Zeit extrudiert wird. Zusätzlich können solche Niederschläge schädliche Stoffe von der Kammerwand oder der gasförmigen Umgebung aufnehmen und schließlich in die Schmelze während des Extrusionsprozesses zurückfallen, was zu einer schlechten Qualität des hergestellten Glasrohrs führt.

Es besteht demnach ein Bedürfnis für ein Verfahren zur Eliminierung oder Verringerung der Bildung von Nieder-

schlagen von verdampftem Schmelzniaterial während der Glasextrusion mit dem Gasdruckkopf.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren der Extrusion von Rohr aus einer Glasschmelze mit folgenden Schritten vorgeschlagen:

Es wird ein Gasdruckkopf innerhalb einer Kammer mit der Schmelze angewendet, um Teile der Schmelze durch einen Ringspalt in der Kammer zu pressen und das Glasrohr zu bilden, während gleichzeitig jeder wesentliche Verdampfungsverlust der Schmelze verhindert wird.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Extrusion von Rohr aus einer Glasschmelze mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen: Es ist eine Einrichtung zur Anlage eines Gasdruckkopfes innerhalb einer die Schmelze enthaltenden Kammer vorgesehen, um Teile der Schmelze durch einen Ringspalt zur Bildung des Glasrohres zu pressen, und es sind Einrichtungen zur gleichzeitigen Verhinderung von wesentlichem Verdampfungsverlust der Schmelze während der Extrusion des Rohres vorgesehen.

Eine Maschine zur Durchführung einer Ausführungsform der Erfindung zur Extrusion von Rohr aus einer Glasschmelze weist eine Kammer mit einem Gaseinlaß und einem Ringspalt im Boden der Kammer auf, und mindestens eine ebene Abschirmung ist innerhalb der Kammer in der Nähe der Schmelzzone angeordnet, um die Verdampfungsverluste der Schmelze während der Extrusion des Rohres im wesentlichen zu verhindern .

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bekannte Glas-

extrusionseinrichtung mit Gaskopf; Fig. 2 und 3 erfindungsgemäße Glasextrusionseinrich-

".kl.

tungen mit Gaskopf und darin angebrachten Abschirmungen und
Fig. 4 einen Querschnitt einer Glasextrusionsein-

richtung mit Gaskopf, wobei eine Glasstango kontinuierlich in eine Schmelzzone gefördert

wird.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Extrusionseinrichtung 10 mit Gaskopf dargestellt. Die Einrichtung 10 besteht aus sogenanntem TZM-Material, d.h. einer Legierung aus ungefähr 0,5 % Titan, 0,1 % Zirkon, 0,02 % Kohlenstoff und als Rest und Hauptbestandteil Molybdän. Die Einrichtung 10 ist aus einer zylindrischen Kammer 11 mit einer Kappe 12 am oberen Ende und einem Ringspalt 13 am Boden 14 aufgebaut. Der Ringspalt 13 kann durch Einfügung eines Kerns 15 in eine öffnung 16 des Bodens 14 gebildet werden, wie dies im einzelnen in der US-PS 4 195 982 beschrieben ist. In der Kappe 12 ist ein Rohr 17 angebracht, welches in das Kammerinnere führt. Eine elektrische Spule 18 umgibt den unteren Teil der Kammer 11.

im Betrieb wird di<> Kappe 12 entfernt und ein fester Glasklotz, z.B. erschmolzenes Siliciumglas, oder Glasstücke werden in den unteren Teil der Kammer 11 eingebracht,und die Kammer wird mit der Kappe geschlossen. Durch die spule 18 wird elektrischer Strom geleitet, um den unteren Teil der Kammer 11 induktiv zu erhitzen und eine Heizzone 19 zu bilden. Der Klotz oder die Glasstücke werden auf eine Temperatur von etwa 2000⁰C gebracht, wodurch das Glas erweicht und in einen geschmolzenen Glaskörper 21 mit einer Viskosität von ungefähr 10 Poise übergeht. Der Glasfluß führt zu einer wirksamen Abdichtung des engen Ringspaltes 13, wenn ein Gas, z.B. Argon, Helium oder dergleichen, in die Kammer 11 über das Rohr 17 geleitet wird und einen Druck von ungefähr 7 bar erzeugt. Der Gasdruck führt zur Extrusion des Glaskörpers 21 durch den Ringspalt 13, wodurch ein Glasrohr 26 gebildet wird.

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Das beschriebene Verfahren hat. sich zur Extrusion von Glasrohren 26 als wirksam erwiesen, jedoch wurde festgestellt, daß ein wesentlicher Betrag von Kieselerde oder Siliciumdioxyd aus der Schmelze 21 verdampft. Die Kammer 11 steht unter nicht-isothermischen Bedingungen und enthält fremde Gasbestandteile infolge des Gasdruckkopfes oberhalb der Schmelze 21. Der gesamte Gleichgewichtsdampfdruck einer

-4 Siliciumdioxyd-Schmelze bei 1777°C beträgt etwa 10 at

und etwa 10~³at bei 207O⁰C. Dieser Gesamtdruck bei 207O⁰C setzt sich aus folgenden Teildrücken für folgende gasförmige Elemente und Moleküle zusammen:

SiO	ungefähr	10	-3	1	at	at
O₂	Il	8	X		Ο"⁴
L 0	It	10	_4	1	at	at
SiO₂	It	6	X		Ο"⁵
Si₂O₂	ti	10	"⁹	at

Wenn der Fremdgas-Druckkopf oberhalb der Schmelze verivendet wird, tritt ein Verlust an SiO₂ über Verdampfung infolge der offensichtlichen Nichtgleichgewichtsbedingungen in der Kammer 11 während dor Kxtrusion dos Glasrohres 26 auf. Ein feines Pulver ΓΙ schlügt sich auf dor Innonsoito der kühleren oberen Region 28 dor Kammer 11 ab. Die Pfeile vermitteln eine Andeutung über die Fließrichtung des verdampften Materials. Das Pulver wurde durch Analyse mit Rasterelektronenmikroskop als vor allem Si enthaltend festgestellt. Solche Niederschläge von Pulver 27 können zu bedeutsamen Verlusten an SiO^ führen, wenn Glasrohre 26 während längerer Zeit extrudiert werden. Zusätzlich kann das Pulver 27 schädliche Bestandteile aus der Kammerwandung sowie der gasförmigen Umgebung aufnehmen und in die Schmelze 21 zurückfallen, so daß ein Rohr 26 schlechter Qualität extrudiert wird.

Ms wurdo f osl. ß<;si öl I t, daß mit <λι·τ Anordnung ν·ι· mindestens einer ebenen Abschirmung 29 (Fig. 2) in enger Nachbarschaft zur Oberfläche der Schmelze 21 die Bildung von

niedergeschlagenem Pulver 27 auf der Innenseite der Kammerwandung 11 bei im wesentlichen den gleichen Temperaturen, Drücken und der beschriebenen gasförmigen Umgebung vermieden werden kann. In Fig. 2 ist eine Mehrzahl von parallelen, im Abstand zueinander angeordneten Abschirmungen 29-29 vorgesehen, die an Stangen 31 aufgehängt sind, wobei die unterste Abschirmung einen gewissen Abstand von der Schmelze 21 einhält. Obzwar die Erfindung unter Verwendung einer einzelnen Abschirmung 29 realisiert werden kann, sorgt die Anwendung von der Vielfachabschirmanordnung für eine isolierende Schicht zwischen den einzelnen Abschirmungen , die auch zur Herabsetzung des Wärmeverlustes zum oberen Teil 28 der Kammer 11 führt. In einer speziellen Ausführungsform bestanden die Abschirmungen 29-29 aus kreisförmigen Molybdänscheiben zwischen 0,13 und 0,25 mm Dicke, die einen Abstand von etwa 3 mm von der inneren Wandung der Kammer 11 einnehmen. Die Abschirmungen 29-29 werden über Stangen 31-31 gehalten, die beispielsweise aus Wolfram bestehen und von der Kappe 12 herabhängen.

Obzwar die Ursache nicht völlig geklärt ist, scheinen die Abschirmungen 29 die Oberfläche der Schmelze effektiv abzuschirmen und so den Verlust infolge Verdampfung der Schmelze 21 gering zu halten. Es werden nahezu Gleichgewichtsbedingungen aufrechterhalten, wie dies grob durch Pfeile angedeutet ist. Das Gleichgewicht zwischen SiO^ (flüssig) und dem Dampfdruck dieser Flüssigkeit wird erzielt, die aus folgenden Bestandteilen besteht: SiO, O₇, 0, SiO₇ und Si₇O₇. Der gesamte Dampfdruck von

SiO₉ bei 2000⁰C beträgt ungefähr 10~³at. Wegen der hohen Temperatur der Abschirmung 29 schlagen sich nur geringfügige Beträge der verdampften Schmelze darauf ab.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, v/o bei die Abschirmungen 29a-29a sich vom Rand aus nach innen zu einer zentralen Öffnung 32 neigen. Die Abschirmungen sind also als umgekehrter Kegel gestaltet und ermöglichen

Glasstücken 33,in die Glasschmelze 21 über die zueinander ausgerichteten Öffnungen 32-32 zu fallen.Die Glasstücke 33 können entweder als Ursprungsladung im oberen Teil 28 oberhalb der oberen Abschirmung 29 eingebracht worden sein und bis zum Aufbrauch der Ladung kontinuierlich gefördert werden, oder die Glasstücke können später in den oberen Bereich der Kammer 11 über einen nicht gezeigten Druckeinlaß kontinuierlich zugeführt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine feste Glasstange 35 kontinuierlich in die Heizzone 19 zur Ergänzung der Schmelze 21 gefördert wird. Der Querschnitt der Stange 35 ist etwas kleiner als der Innenquerschnitt der Kammer 11, so daß der Gasdruckkopf auf die Schmelze 21 einwirken kann, während gleichzeitig die Gesamtoberflache, von welcher aus die Schmelze verdampfen kann, möglichst klein gehalten wird. Bei dieser Ausführungsform wirken die nicht geschmolzenen Teile der St-ange zur Abschirmung der Oberfläche der Schmelze, wobei eine wesentliche Verdampfung des geschmolzenen Materials verhindert wird. Zusätzlich wird durch die kontinuierliche Zuführung der Stange 35 in die Schmelze 21 die Anzahl der erzeugten Blasen weitgehend verringert. In einer speziellen Ausführungsform wurde eine feste erschmolzene Stange 35 aus Siliciurndioxyd mit einem Durchmesser von etwa 3,3 cm in die Kammer 11 eingeführt, welche einen Innendurchmesser von ungefähr 3,54 cm aufwies. Eine Abdichtung 34 in der Kappe 12 dichtet gegenüber der Stange 35 ab. Das Druckgas wird seitlich zugeführt, wie bei 17 dargestellt.

Leerseite

Claims

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PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsull Radeckestraße 43 SOQO München 60 Telefon (089)883605/883604 Telex 05-212313 Telegramme Hatenlconsult Palentconsult Sonnenbergsr StraOe 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Paientconsult

Western Electric Company Incorporated A.Coucoulas 19-2

New York, N-Y. 10038, USA

Patentansprüche

1/. Verfahren zum Extrudieren von Rohren aus einer Glasschmelze mit folgenden Schritten:

Anlage eines Gasdruckkopfes innerhalb einer Kammer (11), welche die Glasschmelze (21) enthält, um Teile der Schmelze durch einen Ringspalt (13) aus der Kammer herauszudrängen und ein Glasrohr (26) zu bilden; gekennzeichnet durch :

die Oberfläche der Schmelze (21) wird im wesentlichen und in der Weise abgeschirmt, daß die VerdampfungsVerluste aus der Schmelze (21) möglichst gering sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Schmelze außer dem äußeren Rand abgeschirmt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung durch kontinuierliche Zuführung einer Glasstange (35) in die Schmelze bewirkt wird, wobei die Querschnittsfläche der Stange etwas kleiner ist als die Querschnittsfläche des Inneren der Kammer (11).

München: R. Krarner Dipl.-Ing. · W. Wccer Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prot. Dr. jut. Dipl. Ing., Pat. Ass., Pat,-Anw. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl. W.-Ing.

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4. Vorrichtung zum Extrudieren von Rohr aus einer Glasschmelze mit einer Einrichtung zur Anlage eines Gasdruckkopfes innerhalb einer Kammer, in welcher die Schmelze enthalten ist, um Teile der Schmelze durch einen Ringspalt zur Bildung des Glasrohres zu drängen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (29) zur gleichzeitigen Verhütung von wesentlichen Verdampfungsverlusten der Schmelze (21) während der Extrusion des Rohres (26) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, .

dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsverhinderungseinrichtung mindestens eine Abschirmung (29) enthält, die innerhalb der Kammer (11) in der Nähe der Schmelzzone angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Hitzeschildern (29) vertikal übereinander und in Abstand voneinander sowie zur Schmelzzone (21) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daß jede Abschirmung (29) eben ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daß jede Abschirmung (29a) konisch-trichterförmig mit einem Durchlaß (32) in der Mitte ausgebildet ist.