Untersuchung des 3D Wärme- und Stofftransportes von flüssigem Glas im Induktortiegel

Mit der Skull-Melting-Technologie steht ein geeignetes Schmelzverfahren für innovative Werkstoffe im Bereich von Gläsern und Oxiden zur Verfügung, das gleichzeitig hohe Prozesstemperaturen und die Einhaltung von geforderten Reinheiten ermöglicht. Zu den geeigneten Schmelzmaterialien können insbesondere optische Gläser gezählt werden, die als Linsen, Fasern oder Filter in diversen Technologiezweigen zum Einsatz kommen. Bei der Herstellung dieser Produkte sind strenge Anforderungen hinsichtlich der optischen Eigenschaften zu erfüllen, die maßgeblich beim Aufschmelzen aus dem Gemenge und dem anschließenden Läutern definiert und beeinflusst werden.
Ein bisher ungelöstes Problem beim Schmelzen von Gläsern und Oxiden mittels der induktiven Skull-Melting-Technologie bestand in der Tatsache, dass die Prozesse im Inneren der Schmelze weitestgehend unbekannt sind, weil Messungen von Temperaturen und Strömungen im flüssigen Glas bei Temperaturen von bis zu 3000°C praktisch nicht möglich sind. Der Temperatur- und Strömungsverteilung in der Schmelze kommt jedoch hinsichtlich der Sicherheit des Schmelzverfahrens, der Prozesssteuerung für die Herstellung der geforderten Eigenschaften sowie der Neu- oder Weiterentwicklung der Schmelzaggregate eine enorme Bedeutung zu. Aus den praktischen Versuchen stehen neben einzelnen Werten der Oberflächentemperatur und –strömung lediglich sekundäre Prozessparameter, wie die Verluste in einzelnen Anlagenteilen und die Induktorspannung, zur Verfügung.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde diese Problematik aufgegriffen und ein numerisches Modell entwickelt, mit dem die Prozesse in der Schmelze simuliert werden können und so ein umfassendes Bild der im praktischen Versuch verborgenen Abläufe geschaffen werden konnte. Mithilfe eines Vergleichs praktischer Versuche von drei verschiedenen Glastypen mit den entsprechenden Simulationen konnte gezeigt werden, dass das numerische Modell die realen Prozesse in guter Übereinstimmung wiedergibt. Dies konnte gezeigt werden, indem Oberflächentemperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten, Verluste in einzelnen Anlagenteilen und die jeweilige Induktorspannung aus praktischen Schmelzversuchen mit den Ergebnissen der Simulation des entsprechenden Glastyps verglichen wurde.