Evolution of glass melt quality in space and time from the batch to the working end

Bartolomey, Simon; Roos, Christian Hans-Georg; Hand, Russell J.; Conradt, Reinhard

doi:10.18154/RWTH-2018-231160

Evolution of glass melt quality in space and time from the batch to the working end

Bartolomey, Simon^RWTH*

2017 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Simon Felix Bartolomey

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (xi, 153 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Conradt, Reinhard (Thesis advisor) ; Hand, Russell J. (Thesis advisor) ; Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-231160
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/751197/files/751197.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
glass melt (frei) ; batch (frei) ; processing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, eine Korrelation zwischen der Qualität des Gemenges, welche durch die Rohstoffzusammensetzung bestimmt wird, und der aus dem Aufschmelzen des Gemenges resultierenden Qualität der Schmelze zu ermitteln. Im Fokus steht dabei die Reduktion der Bruchrate der Fasern während des kontinuierlichen Glasfaserziehprozesses auf das niedrigst mögliche Niveau. Die Entwicklung der Qualität der Schmelze von dem Rohstoffgemenge zum fertigen Produkt kann durch die Entwicklung des Redoxzustandes wiedergespiegelt werden, die sich in eine Initialphase, eine Zwischenphase und eine Endphase einteilen lässt. Während der Initialphase findet die Umwandlung des Gemenges in eine Schmelze statt, in der Zwischenphase erfolgt die Homogenisierung im Schmelzebad und in der Endphase ändert sich der Redoxzustand letztmalig während der Formgebung, bevor beim Abkühlen der Glasübergangsbereich zum Festkörper passiert wird. Die Initialphase bestimmt maßgeblich den endgültigen Redoxzustand, beziehungsweise die sogenannte Glasqualität. Der Begriff Glasqualität ist unpräzise und schlecht quantifizierbar und sollte durch den genaueren Begriff Defektkonzentration der Schmelze ersetzt werden. Es wurde postuliert, dass die Defektkonzentration der Schmelze proportional zu zwei messbaren Größen ist, nämlich der Bruchrate und der Standardabweichung der Verteilung der Glasdichten. Die Bruchrate dient in der Glasfaserindustrie als Indikator für die Leistungsfähigkeit des Formgebungsprozesses, eignet sich aber auch als quantitatives Maß für die Defektkonzentration der Schmelze. Die Breite der Dichteverteilung wurde zusammen mit der Mediandichte für eine repräsentative Menge an Glasstückchen, die in regelmäßigen Abständen während des laufenden Produktionsbetriebs genommen wurden, mit Hilfe der neu adaptierten und maßgeblich verbesserten Dichtetitrationsmethode bestimmt. Ergänzend zu den Glasproben wurden zur Charakterisierung der Gemengequalität —entsprechend der mittleren Verweilzeit der Wanne — 24 h vor der Probennahme der Glasproben fertig gemischte Gemengeproben am Schneckeneinleger entnommen. Die Proben wurden im Zeitraum Mai bis Dezember 2015 genommen. Obwohl die chemische Oxidzusammensetzung des Gemenges in diesem Zeitraum konstant war, konnten in der Grobkornfraktion geringe Änderungen der Mineralphasenzusammensetzung festgestellt werden, die zuerst im Oktober und allen darauf folgenden Proben auftraten und schlussendlich auf eine Änderung der Qualität des Rohstoffes Anorthosit zurückgeführt werden konnte. Die dazugehörigen stückigen Glasproben implizierten weder in der Standardverteilung der Dichteverteilungen, noch in den mittleren Dichten, dass die Defektkonzentration der Schmelze signifikant durch die Änderung der Gemengequalität beeinflusst wurde. Eine weitere Arbeitshypothese ist, dass ein beliebiger technischer Prozess Schwankungen unterliegt, die durch die Superposition von einfachen Wellenfunktionen mitdiskreten Frequenzen beschrieben werden können. Basierend darauf wurden die Zeitreihen der Bruchrate und der Produktions- und Wannendaten auf systematische, periodisch wiederkehrende Ereignisse untersucht, indem nach einer Zeitreihenzerlegung mit einer Periodenlänge von einem Jahr die Saisonkomponente isoliert wurde. Alle Zeitreihenzerlegungen wurden an Zeitreihen durchgeführt, die mindestens drei Perioden umfassen. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Saisonkomponente der Bruchrate einer Sinusfunktion folgt und dabei im Sommer zu höheren, im Winter zu niedrigeren Bruchratentendiert. Desweiteren wurde eine außergewöhnlich hohe Tendenz eines Anstiegs der Bruchrate im August festgestellt. Diese Tendenz im August korreliert mit dem Leistungseintrag in die Wanne derart, dass ein verringerter Leistungseintrag einen Anstieg der Bruchrate bedingt. Eine tiefergehende Untersuchung der kausalen Verkettung spiegelt das folgende Bild wieder: Im August führt die Reduzierung des Leistungseintrags über das Brenngas zu einem Temperaturabfall im Oberofen im Bereich der Gemengeschmelze. Dadurch wird die Gemengeumwandlung zur Schmelze beeinflußt, sodass die initiale Anzahl an Defekten, die zum Bushing gelangen und dort zu einem Bruch führen, ansteigt. Dieser spezielle Zusammenhang kann nicht ohne weiteres auf die langwelligen saisonalen Schwankungen während des restlichen Jahres übertragen werden, denn es ist denkbar, dass die Leistungsschwankungen auf Schwankungen der Außentemperatur beruhen. Des Weiteren ist es möglich, dass die Schwankungen der Bruchrate auch auf die klimatischen Bedingungen im Formgebungsbereich zurückzuführen sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Klimaanlage im Sommer an ihre Kapazitätsgrenzen stößt und in diesen Zeitenkeine konstanten klimatischen Bedingungen möglich sind. Dies kann zu einer Erhöhung der Bruchrate beitragen.

The present thesis aims at the investigation of the correlation between the constituting raw materials of the batch and the subsequent evolution of melt quality in order to reduce the break rate of fibres during the continuous production of reinforcement fibres to the lowest possible limit. The evolution of melt quality may be mirrored by the evolution of redox state, which undergoes three consecutive stages, i.e. the initial stage during the melting of the batch, an intermediate stage during homogenization in the basin, and a final stage during which the redox state is finally adjusted to that of the glass product. The initial stage determines predominantly the resulting redox state of the glass and the so called glass quality respectively. The term glass quality is imprecise and unquantifiable and should be substituted by the more accurate term of defect concentration. It is postulated that the defect concentration in the melt is proportional to two quantities, namely the break rate and the width of the density distribution. Therefore, the break rate as the standard forming performance indicator in the fibre glass industry can also be used as a quantifying measure of defect concentration. The width of the density distribution and the median density were determined for a representative set of glass particles by utilization of the newly adapted and significantly improved density titration method. The samples were taken at the bushing in regular intervals during running production. For further analysis, corresponding to these glass samples, ready mixed batch samples were taken at the charger, considering the mean residence time of the melter, 24 h prior to the glass samples. The sampling took place in the period between May to December 2015.Even though the chemical oxide composition of the batch was constant for all samples, the segregation into a coarse and fine grain fraction revealed a change of mineral phase composition, which was initially detected in October 2015 and all following samples. This could be attributed to a change of an orthosite raw material quality. This change in the mineral composition of the batch shows neither in the measured width of the density distribution nor in the measured median density of the glass samples an indication fora significant correlation. Another working hypothesis states, that any technical process is subject to fluctuations, that can be described by the superposition of simple wave functions with discrete frequencies. Based on this working hypothesis the time series of the break rate, production data, and furnace data were analysed for systematic, periodically reoccurring events by time series decomposition with a one year period and the subsequent isolation of the obtained seasonal components. All decompositions were conducted on time series comprising > 3 periods. It was shown, that the seasonal component of the break rate follows a sine wave with the tendency to a higher break rate in summer and a lower break rate in winter. Additionally, an exceptionally high probability for filament breakage was registered in August. This probability correlates with the power input for the furnace and the break rate. To be specific, a reduction of gas power coincides with an elevated break rate. A deeper investigation of the causal interlinks is shown by the following context: in August the gas power input decrease leads to a temperature drop to an all-year low in the combustion chamber in the batch melting area. Thereby the batch to melt conversion is affected in a way that the initial number of defects, which subsequently are conveyed to the bushing causing breaks, is increased. This special correlation cannot readily be used to explain the long-wave seasonal fluctuations during the rest of the year, because it is deemed possible the power fluctuations depend on fluctuations of outside temperature. It is also possible, that the fluctuations of the break rate correlate with the climate conditions in the forming area. It was shown, that the air conditioning run sat maximum capacity in summer and struggles to provide constant climate conditions. This may also cause an elevated break rate. Finally, a recommendation based on the results is given.

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