Verfahren zur Herstellung kleiner Glasperlen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung kleiner Glasperlen, welche zum Reflek tierendmachen und für verschiedene andere indu strielle Zwecke Verwendung finden können, bekannt.
Dabei werden 'die Glasperlen in der Weise herge stellt, dass man vorfabriziertes Glas abkühlt, zer bricht, Teilchen von annähernd der Grösse der ge wünschten Glasperlen aussiebt und diese in einen Ofen mit aufwärts. gerichteter Flamme einbringt, welche die Glasteilchen in Kugelform überführt und nach oben mitführt; die nunmehr kugeligen Glas teilchen durchlaufen darauf eine relativ kühlere Zone, wo :das Glas fest wird, und werden schliesslich in geeigneten Mulden in der Nähe des:
oberen oder Aus- trittsendes des Turms des Ofens gesammelt. Eine :derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der USA- Patentschrift Nr 2 730 841 beschrieben.
Die bekannten Verfahren weisen verschiedene Nachteile auf. Vorab sind sie für eine Massenproduk tion unwirtschaftlich, da Glas, das bei seiner ur sprünglichen Herstellung in geschmolzenem Zustand vorliegt, zum festen Zustand abgekühlt und nach der Zerkleinerung wieder geschmolzen werden muss. Der Verlust an Leistungsfähigkeit infolge zweier ge trennter und unterschiedlicher Heizoperationen ist offensichtlich.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren liegt darin, dass Glas, welches ein ausgeprägtes Schleifmittel darstellt, für die für seine Zerkleinerung gewöhnlich verwendeten Steinbrecher oder ähnlichen Vorrichtungen äusserst schädlich ist; der Unterhalt :der Einrichtungen ist daher teuer und zeitraubend.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass eine grosse Menge des ursprünglich geschmolzenen Glases während der Pulverisation als Staub, der für eine Verwendung im Verfahren zu fein ist, verloren geht. Diese Verluste betragen 5 bis 10 % der ursprüngli chen Glasmenge.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden, indem die Glasperlen direkt aus dem geschmolzenen Glas hergestellt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ;ist ein Verfahren Dur Herstellung kleiner Glasperlen, wel ches dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Strom heissen Gases von einer Temperatur oberhalb des normalen Verarbeitungstemperaturbereiches des Glases erzeugt, welcher eine Zone hoher Geschwin digkeit aufweist;
dass man einen Strom geschmolzenen Glases in :die Zone hoher Geschwindigkeit des Gas stromes einführt, wodurch der Glasstrom .in eine Vielzahl von feinen Strömen geschmolzenen Glases aufgeteilt wird, d'ass man die feinen Glasströme in eine Zone hoher Turbulenz einbringt, wobei die Ströme in eine Vielzahl kleiner Glasstäbchen zerbro chen werden, dass man die Temperatur der Glas stäbchen genügend hoch hält, damit sich unter der Einwirkung der Oberflächenspannung aus .den Glas- stäbchen Glasperlen bilden,
und dass man die Glas perlen abkühlt und sammelt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung .des erfindungs gemässen Verfahrens, welche dadurch gekennzeich net ist, dass sie eine verengte, mit einem Heissgas .erzeuger in Verbindung stehende, über ihre gesamte Länge konstante Abmessungen aufweisende Heiss gaszuführung, welche so ausgebildet ist, dass sie in sie durchströmenden heissen Gasen eine Zone hoher Turbulenz erzeugt, und eine mit einem Reservoir für geschmolzenes Glas in Verbindung stehende, in die von :
der Heissgaszuführung erzeugte Zone hoher Turbulenz einmündende Zufuhrleitung für geschmol zenes Glas aufweist. Zweckmässigerweise sind in der Nähe der Heiss gaszuführung, beispielsweise ringförmig um diese herum, mehrere Nebenheissgaszuführungen angeord net.
Einige beispielsweise Ausführungsformen der er- findungsgemässen Vorrichtung werden an Hand der Zeichnung näher beschrieben; es stellen dar:
Fig. 1 eine .Seitenansicht einer ersten Ausfüh rungsform der Vorrichtung, Fig. 2 einen Schnitt in grösserem Massstab durch die in Fig.l dargestellten Primär- und Sekundär brenner, woben die Wirkung des turbulenten Ver- brennungsgasstromes auf den Strom geschmolzenen Gases gezeigt wird, Fig. 3 einen Schnitt :
durch einen Teil des Ofens nach der Linie 3-3 ,in Fig. 2, Fig. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Abänderung der in Fig. 1 dargestellten Vor richtung, bei welcher die Verbrennungsgase und die gebildeten -Glasperlen sich äbm wesentlichen in verti kaler Richtung bewegen,
Fig. 5 einen Schnitt einer anderen Ausführungs- form. der in Fig. 1, 2 und 4 :dargestellten Austritts düse des Primärbrenners und der Zuführungsleitung für das geschmolzene Glas, Fig. 6 einen Teilschnitt nach Linie 6-6 durch den in Fig. 5 dargestellten Brenner und die Zu führungsleitung für das geschmolzene Glas,
und Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 in Fng. 5. In Fig. 1-3 ist eine Ausführungsform der er findungsgemässen Vorrichtung dargestellt, die hier als Horizontaltyp bezeichnet wird. Dieser Aus druck leitet sich von der allgemeinen Bewegungs richtung der heissen Gase in den Ofen hinein her. Die Vorrichtung besteht aus einem Ofen mit einer senkrechten Saitenwand 12, welcher jede gewünschte Form saufweisen kann, z. B. rund, rechteckig usw.
Er umfasst ferner einen Boden 14 und einen Ober teil 16, der eine geeignete Form aufweist, damit die Verbrennungsgase gesammelt und durch einen in der Mitte angeordneten Abzugsschacht 18 abgeführt werden.
Die Seitenwand 12 des Ofens 10 nst mit einem sich auswärts erstreckenden Teil 20 versehen, welche zur Aufnahme einer Primär-Heissgaszufuhrdüse 22 und einer Anzahl Sekundär-Heissgaszufuhrdüsen 24 geeignet ist. Die dargestellte Ausführungsform weist sechs Sekundärdüsen auf, doch könnte auch eine be liebige andere Anzahl vorgesehen sein.
Die Sekundär-Heissgaszufuhrdüsen 24 sind durch eine ringförmige Rohrleitung 26 und ein Zufuhrrohr 28 mit einer Heissgasquelle (nicht dargestellt) ver bunden.
Jede der Nebendüsen 24 ist mit einem Deflektor 30 versehen, welcher bewirkt, dass der von ihr ausgehende Gasstrom einwärts und auf einen im Innern :des Ofens gelegenen Fokalpunkt gerichtet ist, wie später noch näher erläutert werden wird.
Die Primär-Heissgaszufuhrdüse 22 umfasst das Austrittsende eines Primärbrenners 32, welcher im wesentlichen ein feuerfest ausgekleideter kleiner Ofen ist, :in welchem Wärme in grossen Mengen bei Tem peraturen der Grössenordnung 1650 C und Ge schwindigkeiten bis zu 750 m/sek. erzeugt wird.
Der ,Brenner 32 umfasst eine äussere Wand 34, welche mit irgendeinem feuerfesten Material 36 aus gekleidet ist, und besitzt eine Brennstoff- und Luft zufuhrleitung 38. Das durch die Zuführung 38 ge lieferte brennbare Gemisch tritt in eine Vorkammer 40 und von dort durch gelochte Keramikplatten 42 in die Hauptverbrennungskammer 44 ein. Die inneren Wände der Verbrennungskammer 44 laufen gegen das Ausladende hin zusammen, um in der Düse 22 :die Blasöffnung 46 zu bilden.
Die inneren Wände der feuerfesten Auskleidung 36 werden weissglühend, und eine intensive Strahlung, welche die Verbren nungsreaktion beschleunigt, bewegt sich von Wand zu Wand quer zum Weg der Verbrennungsgase.
Der überhitzte Gasstrom tritt aus der Auslass- düse 22 durch die Öffnung 46 aus und ist gegen das Innere des Ofens 10 gerichtet. Ein Tank oder eine Konditionierungsvorrichtung 50 für das geschmol zene Glas ist abseits vom Ofen 10 angeordnet und umfasst eine :durch die Saitenwände 52, einen Boden 54 und eine Decke 56 .gebildete Kammer.
In einer der Seitenwände 52 ist ein Brenner konventioneller Bauart angeordnet; er erhält im Tank eine Tempe ratur :aufrecht, .die ausreichend ist, um einen Vorrat an geschmolzenem Glas 60 aufrechtzuerhalten. Der Tank 50 ist mit d em Brenner 32 mittels einer Lei tung 62 verbunden, welche dem geschmolzenen Glas erlaubt, aus dem Tank 50 zum Düsenende des Brenners 50 zu fliessen.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist :das Ende ;der Leitung 62 ungefähr in der Mitte der Blasöffnung 46 angeordnet. Weiter erstreckt sich das Ende der Leitung 62 radial in die Öffnung 46 hinein, so dass der .aus der Leitung 62 austretende Glasstrom ungefähr im Zentrum der Öffnung 46 ausströmt. Das Ende der Leitung 62 ist an einem solchen Punkte der Öffnung 46 angeordnet,
dass die unter der Einwirkung des turbulenten Gasstroms gebildeten Glasteilchen durch die Öffnung strömen können und der Glasstrom nicht seitlich aufspleisst und die Öffnung verstopft. Auch liegt das Ende der Leitung 62 zweckmässig an einem Punkte der öff- nung, wo das Glas nicht am Ende der Leitung fest wird.
Es zeigte sich, dass, wenn das Ende der Lei tung 62 zu weit vom Austrittsende der Blasöffnung 46 entfernt ist, das Glas, unabhängig von seiner Zusammensetzung, sich ausdehnt und Fasern statt der gewünschten kleinen, sich in Kugeln verwandeln den Stäbchen bildet.
Anderseits begegnet man, wenn sich das Ende der Leitung 62 zu nahe beim An- trittsende der Blasöffnung 46 befindet, zwei Proble men: .Erstens bewirkt die schnelle Ausdehnung der aus der Öffnung 46 ausströmenden Gase eine Ab- kühlung des Glases :
am ,Ende der Leitung 62 und verhindert dadurch das Fliessen des Glases durch dieselbe. Zweitens neigt das Vakuum, das durch die aus der Öffnung 46 ausströmenden, sich schnell ausdehnenden Gase erzeugt wird, dazu, grössere Mengen von Glas aus, der Leitung 62 abzuziehen; da durch wird der ständige Glasfluss unterbrochen, und es werden statt der benötigten fein verteilten Teil chen Glasklumpen gebildet.
Weiter zeigte sich, dass die Leitung 62 aus irgend einem feuerfesten Material bestehen kann, mit Aus nahme des Mundstückes, welches zweckmässig aus einem Material bestehen soll, das von dem durch strömenden geschmolzenen Glas nicht benetzt wird, beispielsweise Platin oder einer Platinlegierung. Falls das geschmolzene Glas nämlich das Ende der Lei- tung 62 benetzen kann, bleibt es daran kleben und verhindert dadurch einen kontinuierlichen Glasfluss in die Öffnung 46.
Es zeigte sich, dass bei einem Innendurchmesser der Blasöffnung 46 von 2,5 cm und einer Länge von 5,0 cm zufriedenstellende Resultate dann er zielt werden, wenn man das Ende der Leitung 62 ungefähr 0,63 cm vom Austrittende der Glasöffnung 46 .entfernt anbringt. Der Innendurchmesser betrug dabei ebenfalls 0,63 cm. Dementsprechend beträgt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Öffnung 46 vorzugsweise nicht weniger als etwa 2 : 1.
Im Betrieb wird die Temperatur ;des Glases 60 im Behälter 50 nm allgemeinen etwa 140 bis 280 C über dem normalen Verarbeitungstemperaturbereich der betreffenden Glasmasse gehalten; :dadurch wird das Glas .im Behälter 50 in stark flüssigen Zustand gehalten. Das geschmolzene Glas wird dann aus dem Behälter 50 durch die Leitung 60 zur Öffnung 46 fliessen gelassen.
Der Gasstrom hoher Geschwin digkeit in der Blasöffnung 46 des Brenners 32 be wirkt eine Aufteilung ,des Stromes geschmolzenen Glases in eine Vielzahl von dünnen Strömen. Das aus der Öffnung 46 in den Ofen austretende Gas strebt danach, sich beim Eintritt in den Ofen 10 radial auszudehen, und bildet eine Zone hoher Tur bulenz. Die Turbulenz der heissen Gase zerbricht die dünnen Ströme von geschmolzenem Glas wirk sam in eine Vielzahl stabförmiger Teilchen.
Diese kleinen Stäbchen werden schnell kugelförmig und bilden unter dem Einfluss der Oberflächenspannung kleine Glasperlen. Das Glas wird durch die kom binierte Wirkung der durch den Primärbrenner 32 und die Vielzahl von Sekundärbrennern 24 erzeugte Wärmeenergie auf einer hohen Temperatur gehalten. Die Temperatur im Innern des Primärbrenners 32 wird beispielsweise auf etwa 1380 bis 1600 C gehalten, während das von den Sekundärbrennern 24 emittierte Gas auf Temperauren der Grössenordnung 1000 C gehalten wird.
Zu den prinzipiellen Funk tionen des Primärbrenners 32 gehört es, das Glas zu zerstäuben und den Weg des zerstäubten Glases gegen das Innere des Ofens 10 zu richten, während die Sekundärbrenner 24 so wirken, dass sie das zer stäubte Glas auf einer genügend hohen Temperatur halten, dass es vollständig Kugelgestalt annehmen kann, und in den Gasen im Ofen zusätzliche Tur bulenz schraffen, damit alle Glasfasern zu kleinen Stäbchen zerbrochen werden, aus welchen sich dann ,die kleinen Glasperlen bilden.
Sobald die kugelförmigen Glasperlen ihre durch :die kombinierte Wirkung der Brenner 32 und 24 bewirkte Vorwärtsbewegung verlieren, fallen sie ge gen den Boden des Ofens 10 und passieren dabei Zonen relativ niedrigerer Temperatur. Die Glas perlen werden darauf fest und werden .am Boden 14 des Ofens 10 gesammelt. .Die Abgase werden aus dem Ofen 10 durch den Abzugschacht 1.8 entfernt.
Fig. 4 zeigt eine Abänderung :der in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Vorrichtung. Die in Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Vorrichtung kann, wie erwähnt, als Horizontaltyp bezeichnet werden, da die Gas ströme die zerstäubten Glasteilchen in einer im allgemeinen horizontalen Richtung bewegen. .Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung kann als Vertikal typ bezeichnet werden, da die Gasströme die zer stäubten Glasteilchen in einer im allgemeinen verti kalen Richtung bewegen.
Im folgenden werden nur ,die in Fig. 4 gegenüber den Fig. 1, 2 und 3 modi- fizierten Elemente der Vorrichtung im Detail be schrieben.
Die Vorrichtung weist einen Ofen auf, der mit einer senkrechten Seitenwand 70 und einen schräg nach unten rund einwärts gerichteten Bodenteil 72 versehen und oben offen ist. Die ringförmige obere Wand 74, welche einen nach unten konisch erwei- terten unteren Rand 76 aufweist, umgibt das obere offene Ende der Seitenwand 70 und weist von diesen einen gewissen Abstand auf. Am oberen Ende der oberen Wand 74 ist eine Abzugshaube 78 mit einem Abzugschacht 80 für die Abgase angeordnet.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Vertikalapparat erwies es sich als zweckmässig, am Ausflussende der Glaszufuhrleitung 62 eine kleine Ausflusslippe 82 vor zusehen. Diese bekämpft jegliches unerwünschtes Ab tropfen von geschmolzenem Glas, das aus der Lei tung 62 austritt, in die Öffnung 46.
Im Betrieb fliesst das geschmolzene Glas 60 aus dem Tank 50 durch die Leitung 62 zur Öffnung 46, worauf der Glasstrom infolge :der hohen Geschwin digkeit der aus dem Primärbrenner 32 durch die Blasöffnung 46 strömenden Gase .in eine Vielzahl dünner Ströme zerteilt wird. Die durch die Öffnung 46 strömenden Gase hoher Geschwindigkeit sind bestrebt, sich nach ihrem Eintritt in den Ofen 10 schnell auszudehnen und dabei im Ofeneine Turbu- lenzzone zu bilden.
Die Turbulenz der Gase be wirkt ein Zerbrechen der Ströme geschmolzenen Gla ses in eine Vielzahl kleiner Glasstäbchen. Die Energie des durch die Öffnung 46 aufwärtsströmenden Gases führt die Glasstäbchen aufwärts in, die durch die Seitenwand 70 begrenzte Ofenkammer. Die vielen kleinen, stabförmigen Glasteilchen nehmen durch die Oberflächenspannung kugelförmige Gestalt an.
Durch die kombinierte Wirkung des Primärbrenners 32 und der Sekundärbrenner 24 werden die Glas teilchen aufwärtsgetragen, bis die .in der durch die ringförmige obere Wand 74 begrenzten Zone relativ niedrigerer Temperatur fest werden. Zu diesem Zeit punkt hat das Glas bereits kugelförmige Gestalt angenommen und Perlen gebildet, welche sich schräg nach aussen gegen die Seitenwand 74 bewegen.
Da nach verlieren die Perlen ihr Aufwärtsmoment und fallen unter der Einwirkung der Schwerkraft durch den ringförmigen Raum zwischen dem konisch er weiterten unteren Rand 76 und der Aussenfläche der senkrechten Seitenwand 70 abwärts und werden schliesslich in einem geeigneten .Sammler, wie einem ringförmigen Trichter (nicht dargestellt), gesammelt.
Eine andere Abänderung der ;in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten und vorstehend beschriebenen Vorrich tung ist in Fig. 5, 6 und 7 dargestellt;
sie betrifft eine modifizierte Form der Zuführung des ge schmolzenen Glases aus dem Reservoir Dur Zentral- axe der Primäröffnung in der Nähe von deren Aus- trittsende.
Wie in Fig. 5, 6 und 7 ;dargestellt, ist das Düsen ende 22 des Primärbrenners 32 mit einem senk rechten Schlitz 86 versehen, dessen oberes Ende in Verbindung mit der Zufuhrleitung 62 für das ge schmolzene Glas und dessen unteres Ende in Ver bindung mit dem Austrittsende der Blasöffnung 46 stehen.
Im Inneren der Öffnung 46 und von deren Austrittsende leicht zurückgesetzt ist, auf den Schlitz 86 ausgerichtet, ein. stromlinienförmiger De- flektor 88 angeordnet. Der Deflektor 88 verbreitert sich in Richtung des: Gasstroms, und sein stromab- wärts liegendes Ende ist so ausgebildet, dass es. dem Querschnitt des Schlitzes im grossen ganzen entspricht.
Die soeben beschriebene Abänderung stellt einen relativ einfachen Kunstgriff dar, um das geschmol zene Glas ins Zentrum des Gasstroms einzuführen, bevor es in Berührung mit der heftigen Wirkung der strömenden Gase kommt.
Es ist für den .Fachmann klar, dass die Grösse der nach :dem beschriebenen Verfahren und mittels der beschriebenen Vorrichtung hergestellten Glas perlen von einer Reihe variabler Faktoren abhängt. Es sind dies unter anderem die Viskosität der Glas partie,
der Durchmesser der Austrittsöffnung des Glastanks und die Geschwindigkeit und die Tempe ratur der aus der Hochdruckbrenndüse ausströmen den aufgeheizten Glase.
Obschon Glas verschiedener Typen zur Durchfüh- rung des Verfahrens in zufrsedenstellender Weise verwendet werden kann, zeigte es sich, dass besonders gute Resultate mit einem modifizierten Glas vom Soda-Kalk-Silicat-Typ folgender Zusammensetzung erhalten werden können:
Siliciumdioxyd Si02 68 %, calcinierte Soda Na2C03 10 %, Bariumcarbonat BaC03 4 %, Calciumoxyd Ca0 16 %, Fluoride 2 %.