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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von kugelförmigen
Partikeln aus Glas u. a. glasartigen Stoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von kugelförmigen Par- tikeln aus Glas und andern glasartigen Stoffen, insbesondere zum Herstellen von Glasperlen.
Glasperlen und andere kugelförmige bzw. kugelähnliche Partikel haben viele industrielle und kom- merzielle Anwendungen. Beispielsweise werden Glasperlen häufig als Reflexionsfläche auf Kinoprojektions- wänden, Strassenschildern, in Markierungsfarben und bei Reklameschildern usw. verwendet. Dabei sollen die Perlen möglichst gute Kugelform haben, well unregelmässige oder nicht kugelförmige Perlen die ein- fallenden Lichtstrahlen so stark brechen, dass hiedurch die Reflexionseigenschaften der Oberfläche verschlechtert werden.
Es sind schon verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Glasperlen verwendet worden. So wurde z. B. zuerst eine Glasmasse gefertigt und nach ihrer Abkühlung mter Bildung von feinen Partikeln gebrochen. Diese Partikel wurden in den vertikalen Schacht eines Ofens derart eingeleitet, dass sie, während sie in einem heissen gasförmigen Medium dispergiert waren, wieder schmolzen und anschliessend durch die Oberflächenspannung unter Bildung der Glasperlen in eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt übergeführt wurden.
Vor allem wegen der hohen Kosten und der Unergiebigkeit dieses Verfahrens, bei dem eine Glasmasse hergestellt und vor der Erwärmung zur Bildung der Glasperlen gebrochen werden musste, sind bereits jahrelang Versuche unternommen worden, Perlen unmittelbar durch Dispersion von geschmolzenem Glas herzustellen. Bei diesen Versuchen wurde in den meisten Fällen ein Gasstrahl, mit hoher Geschwindigkeit quer gegen eine vertikal fliessende Strömung geschmolzenen Glases gerichtet, um das Glas in eine Vielzahl von Partikeln zu dispergieren, worauf der Gasstrahl anschliessend die Partikel entlang eines erhitzten Weges mitführte, so dass sie eine im allgemeinen kugelförmige Gestalt annehmen konnten.
Die bisher bei der Herstellung von Glasperlen angewendeten Verfahren und Vorrichtungen haben mehrere Nachteile gezeigt. Zum Beispiel war es bis heute schwielig, die Glaspartikel während der Bildung der Perlen auf der erforderlichen Temperatur zu halten, und oft waren ausgedehnte Heizvorrichtungen erforderlich, um zu gewährleisten, dass sämtliche Perlen die gewünschte kugelförmige Gestalt annahmen.
Zusätzlich stellten sich bei den bisherigen Verfahren und Vorrichtungen die auf der Dispersion von geschmolzenem Glas beruhten, häufig Schwierigkeiten bei der Herstellung von gleichmässig kugeligen Perlen unter Vermeidung der Bildung von Glasfasern ein. Weiter hat es sich bis heute oft als schwierig erwiesen, den Weg der Glaspartikel vor deren Härtung zur Bildung der Glasperlen genau zu steuern.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren zum Herstellen von kugelförmigen Partikeln aus Glas und andern glasartigen Stoffen, bei dem zumindest ein divergierender Strahl eines mit hoher Geschwindigkeit strömenden Mediums mit einem Strömungsfluss ans den geschmolzenen glasartigen Stoffen in Berührung gebracht wird, werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, dass der Strahl des strömenden Mediums entlang einer Achse, die im wesentlichen parallel zu dem Strömungsfluss und in ausreichender Nachbarschaft des auf einem im wesentlichen horizontalen Wege aus einer Schmelzflussquelle abgegebenen Strömungsflusses aus den geschmolzenen glasartigen Stoffen verläuft, ausgestossen wird, so dass der Strahl den
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Strömungsfluss berührt und diesen in zahlreiche getrennte Partikel zerteilt,
die bei ihrer Weiterbewegung entlang des Weges während derAbkilh1ung durch die Wirkung der Oberflächenspannung in Kugelform übergeführt werden.
Die zur Ausübung dieses Verfahrens dienende erfindungsgemässe Vorrichtung weist ein langgestrecktes, horizontal ausgerichtetes Rohr auf, durch das der Schmelzflussstrom in die freie Atmosphäre abgegeben wird, und in enger Nachbarschaft dieses Rohres angeordnete Düsen auf, die einen divergierenden Gasstrahl oder-strahlen in Richtung des Schmelzflussstromes ausstossen.
Die Glasbeschickung wird in einem geeigneten Ofen oder in einem andere Behälter unter Bildung von geschmolzenem Glas geschmolzen. Das geschmolzene Glas wird dem Ofen in Form eines Strömungsflusses entnommen, der auf einem praktisch horizontalen Weg verläuft und dabei mit dem zerteilenden
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zahlreiche Glaspartikel unterteilt. Diese Partikel werden während ihrer Weiterbewegung auf ihrer Bahn durch die Oberflächenspannung in Kugelform übergeführt und dann abgekühlt, so dass sie unter Bildung von Glasperlen erhärten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein erster Strahl eines strömenden Mediums dem Schmelzflussstrom zugeleitet, um diesen auf eine im wesentlichen horizontale Bahn zu lenken, während ein zweiter divergierender Strahl eines strömenden Mediums entlang einer Achse abgegeben wird, die im wesentlichen parallel zum Schmelzstrom und in unmittelbarer Nähe desselben verläuft, wobei der zweite Strahl, dessen kinetische Energie und Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise wesentlich grösser als die des ersten Gasstrahles ist, mindestens einen Teil des Stromes unter Zerteilung desselben in zahlreiche.
Glaspartikel berührt, worauf diese Partikel auf einem bogenförmigen Weg durch den Raum geleitet werden, u. zw. für eine ausreichende Zeitspanne, um die Partikel durch die Wirkung der Oberflächenspannung in Kugelform zu überführen und unter Glasperlenbildung zu erhärten.
Ein dritter Gasstrahl kann den Glaspartikeln unmittelbar stromabwärts vom Berührungspunkt de"mit hoher Energie geladenen Gasstrahles in einer nach oben geneigten Richtung zugeführt werden. Dieser dritte Strahl lenkt die Partikel stärker nach oben ab, um damit ihre Verformung und Erhärtung zwecks Bildung der Glasperlen weiter zu erleichtern.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf'die Zeichnungen an bevorzugten Ausführungsbeispielen
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l istFig. 3 zeigt eine Teilansicht des Glasstromes, zusammen mit einem Teil der Vorrichtung nach Fig. l.
Fig. 4 ist eine Ansicht, gesehen in Richtung der Pfeile in Fig. 3. Fig. 5 ist eine im allgemeinen der Fig. 3 ähnliche, teilweise geschnittene Teilansicht, die jedoch Teile einer abgeänderten Vorrichtung zeigt. Fig. 6 ist eine Ansicht dieser abgeänderten Vorrichtung, gesehen in Richtung der Pfeile 6-6 inFig. 5.
Fig. 7 ist eine der Fig. 5 ähnliche Teilansicht, die jedoch eine andere Ausführung der Vorrichtung zeigt.
Fig. 8 zeigt eine Ansicht dieser Vorrichtung, gesehen in Richtung der Pfeile 8-8 in Fig. 7.
Fig. l der Zeichnungen zeigt einen Glasofen 15 aus keramischem oder einem andern wärmefesten Werkstoff, der von Beinen 17 in passendem Abstand über dem Boden 16 gehalten wird. Der Ofen 15 weist eine Beschickungsöffnung 18 auf, durch welche die Glasbeschickung oder ein anderes in Perlen umzuformendes. glasartiges Material eingegeben wird. Mit einer üblichen (nicht dargestellten) Heizanlage wird das Glas im Ofen unter Einhaltung einer bestimmten Viskosität in schmelzflüssigem Zustand gehalten.
An der untersten Stelle des Ofens 15 ist an dessen rechtem Ende (in Blickrichtung auf Fig. l) ein Abstichblock 20 aus keramischem oder einem andern geeigneten Material angeordnet. Der Block 20 geht horizontal von dem Ofen aus und weist, wie am besten Fig. 2 zeigt, eine Öffnung 21 auf, die während des Perlenbildungsvorganges eine Verbindung zwischen dem Inneren des Ofens und der Atmosphäre herstellt. Zur Bildung eines zeitweiligen Abschlusses ist am Innenende der Öffnung 21 ein geeigneter Stopfen 22 angeordnet. Der äussere Teil des Blockes 20 wird von einem Brenner 25 erwärmt, der von einem an einem benachbarten Teil des Ofens befestigten Bügel 28 gehalten wird. Der Brenner 25 ist von üblicher Bauart und derart angeordnet, dass er einen Strahl heissen Gases auf die frei- liegende Oberseite des Blockes 20 richtet.
Unter geringem gegenseitigen Abstand sind hintereinanderliegend neben dem Aussenende des lang- gestreckten Abstichblockes 20 drei Düsen 30,31 und 32 angeordnet. In der in Fig. 1 gezeigten Lage verläuft die Längsachse oder Mittellinie der Düse 30 in einer horizontalen Richtung, die parallel zur Achse der Abstichblocköffnung 21 liegt. Die Düse verläuft in dichter Nachbarschaft der Unterseite des
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Blockes 20 und ist an ein aufrechtstehendesRohr 35 angeschlossen, das bei 36 an seinem unteren
Ende gelenkig abgestützt ist. Das Rohr 35 ist über eine Leitlng 38, ein Ventil 39 und eine Lei- tung 40 mit einem Sammler 42 verbunden, der zu einer Luftquelle 43 oder zu einer ein anderes
Druckmittel enthaltenden Quelle führt.
In der gezeigten Lage verläuft die Längsachse der Düse 31 ebenfalls in einer horizontalen Rich- tung, die parallel zu der Achse der Abstichblocköffnung 21 ist. Die Düse 31 ist unterhalb und auf der Unterstromseite der Düse 30 in enger Nachbarschaft mit dem Block 20 ausgerichtet. Ein auf- rechtstehendes Rohr 45 ist bei 46 gelenkig abgestützt und verbindet die Düse 31 mit einer Lei- tung 48, einem Ventil 49 und einer Leitung 50, die zu dem Drucksammler 42 führt.
Die Längsachse der Düse 32 verläuft in aufwärts geneigter Richtung in einer vertikalen Ebene, in der auch die Achsen der Düsen 30 und 31 liegen. Die Düse 32 ist stromabwärts der Düse 31 an- geordnet und an den Sammler 42 über ein Rohr 52, das bei 53 gelenkig abgestützt ist, ferner über eine Leitung 55, ein Ventil 56 und eine Leitung 57 angeschlossen. Die Leitungen 38,48 und 55 für die zugeordneten Düsen 30,31 und 32 sind jeweils mit geeigneten Druckanzeiger, z. B. einem Druckmesser 58, versehen.
Gelenke 36,46 und 53 ermöglichen eine Bewegung der zugeordneten Düsen 30,31 und 32 um horizontale Achsen, die in seitlicher Richtung quer zu der Achse der Abstichblocköffnung 21 verlau- fen. Mit dieser Anordnung können die Lagen der Düsen gegenüber dem Abstichblock 20 auf einfache
Weise verstellt werden.
. Wie Fig. 2 am besten zeigt, hat jede Düse 30,31 und 32 einen abgeflachten, im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, dessen grössere Abmessung in Horizontalrichtung quer zu der Achse der Abstichblocköffnung 21 verläuft. Die Fläche der Austrittsöffnung der Düse 30 ist im wesentlichen gleich jener der Düse 32. Die Fläche der Austrittsöffnung der Düse 31 ist jedoch beträchtlich kleiner als jene der Düse 30 oder 32, u. zw. aus Gründen, die im folgenden noch dargelegt werden.
Die Glasbeschickung oder das andere glasartige Material im Ofen 15 wird auf eine ausreichende Temperatur erhitzt, um geschmolzenes Glas verhältnismässig niedriger Viskosität zu erzeugen, W3nn man diese mit der Glasviskosität bei üblichen Glasherstellungsverfahren vergleicht. Die Temperatur des geschmolzenen Glases liegt vorteilhaft im Bereich von etwa 1v400 bis etwa 33700 und vorzugsweise zwischen etwa 1150 und etwa 12600, kann aber ohne schädliche AuswirKung auch ausserhalb dieser Bereiche liegen.
Obgleich die Viskosität des erhitzten Glases zum Teil von verschiedenen Faktoren, wie etwa von der Art des verwendeten Glases und der gewünschten Grösse der sich ergebenden Perlen abhängt, sollte die Glasviskosität verhältnismässig niedrig sein und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 50 Poise bis herab zu etwa 1 Poise oder noch weniger liegen. Bei der Herstellung von verhältnismässig grossstückigen Perlen stellen sich bei einer oberhalb dieses Bereiches liegenden Viskosität gute Ergebnisse ein.
Zu Beginn des Perlenbildungsvorganges wird der Stopfen 22 aus der Öffnung 21 entfernt, um den Scbmelzglasstrom in den Raum an der Seite des Ofens 15 einzuleiten. Der vertikale Abstand zwischen der Oberfläche des geschmolzenen Glases innerhalb des Ofens und dem Block 20 ist derart gewählt, dass das Glas in gleichförmigem, freifliessendem Strom aus der Öffnung 21 austritt. Der Temperaturabfall des Glasstromes beim Lauf vom Ofen zum Austrittsende des Blockes wird mit dem Brenner 25 auf einem Minimum gehalten, so dass dadurch der freie und kontinuierliche Ablauf des geschmolzenen Glases weiter gesichert wird.
Beim Öffnen der für die Düsen 30,31 und 32 vorgesehenen Ventile 39,49 und 56 wird jeder Düse Druckluft oder ein anderes strömendes Medium aus der Druckquelle 43 und dem Sammler 42 zugeführt und von der Düse in einem abgeflachten, etwas divergierenden Strahl abgegeben. Inder in Fig. l gezeigten Lage verlaufen die Achsen der aus den Düsen 30 und 31 austretenden Strahlen im wesentlichen waagrecht, während die Achse des Strahles aus der Düse 32 in einer nach oben geneigten Richtung verläuft. Wie bereits angegeben wurde, ist die Fläche der Austrittsöffnung der Düse 31 etwas kleiner als diejenige der Düse 30 oder 32. Infolgedessen ist die kinetische Energie des aus der Düse 31 austretenden strömenden Mediums wesentlich grösser als die Energie des von den Düsen 30 und32 abgegebenen strömenden Mediums. Der Druck im Sammler 42 kann z.
B. bei etwa 7 kg/cm2 liegen und ist derart bemessen, dass das strömende Medium aus der Düse 31 mit huher Geschwindigkeit abgegeben wird. Das unter Druck stehende strömende Medium hat zweckmässig Raumtemperatur, obgleich auch Dampf oder andere erhitzte strömende Medien angewendet werden können.
Nach dem Austritt aus dem Abstichblock 20 fliesst der Glasstrom entlang einsr horizontalen Bahn.
Kurz darauf bewirken die Schwerkräfte, dass der Strom etwas nach unten absinkt, bis er mit dem horizontalen Luftstrom, z, B. dem aus der Düse 30 austretenden strömenden Medium, in Berührung gelangt.
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Diese Düse dient als Steuerdüse, um zu gewährleisten, dass der Strömungsweg im wesentlichen horizontal ist. Die Lage deL Düse gegenüber dem Block 20 ist vorzugsweise so gewählt. dass der aus df r Düse aus- tretende horizontale Strahl den Strom unmittelbar nach seinem Austreten aus dem Block berührt, so dass die zum Einlenken des Stromes auf seinen horizontalen Weg benötigte Energie auf einem Minimum ge- halten wird.
Der horizontale, divergierende und mit hoher kinetischer Energie geladene, aus der Düse 31 aus- tretende Gasstrahl stösst unmittelbar stromabwärts vom Berührungspunkt mit der Steuerdüse 30 auf den
Gasstrom. In diesem Zeitpunkt fliesst der Strom in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu und unmittelbar oberhalb der Achse des Luftstrahles aus der Düse 31 verläuft. Wie am besten in den Fig. 3 und 4 erkennbar ist, wird der Strom gleichsam auf die Strahlen aufgelegt und an der Berührungsstelle et- was abgeflacht. Als Folge hievon wird der Strom, beginnend in seinem unteren Abschnitt, in zahlreiche
Glaspartikel zerteilt, die durch den mit hoher Energie geladenen Strahl geringfügig nach obengelenki. und durch Oberflächenspannung in Kugelform übergeführt werden.
BeimWeiterlauf der Glaspartikel auf ihrem Weg berühren diese den aufwärts geneigten Strahl aus der
Düse 32. DieserStrahl verleiht den Partikeln weiteren Auftrieb und die Partikel werden im Raum längs eines im allgemeinen bogenförmigen Weges für eine ausreichende Zeitspanne geleitet, damit die Ober- flächenspannung die Partikel weiter in Kugelform überführen kann und eine ausreichende Abkühlung zwecks Erhärtung der Partikel und Glasperlenbildung ermöglicht wird.
Anschliessend fallen die Perlen auf den Bogen 16 oder in einen (nicht gezeigten) geeigneten Samm- ler, in dem sie zur Sichtung und/oder Verpackung gesammelt werden. Für sehr viele Anwendungsfäl- le liegt der Durchmesser dieser Perlen gewöhnlich im Bereich von etwa 2,9 mm bis herab zu etwa 25 Mi- kron, obwohl in andern Fällen der Perlehdurchmesser etwas ausserhalb dieses Bereiches liegen kann. Zum
Verändern des Durchmessers der Perlen wird das Ventil 49 verstellt, um die Strahlgeschwindigkeit aus der Hochenergiedüse 31 zu verändern. Bei verhältnismässig niedrigen Geschwindigkeiten nähert sich die Perlengrösse dem oberen Abschnitt des obigen Bereiches, während bei erhöhten Geschwindigkeiten verhältnismässig feine Perlen erzeugt werden.
Wie bereits angegeben wurde, sind die Düsen 30,31 und 32 um die Gelenkpunkte 36,46 und 53 schwenkbar. Durch diese Ausbildung ist die Lage der Düsen gegenüber dem Glasstrom schnell und ein- fach verstellbar, so dass eine äusserst genaue Regelung des Strömungsweges möglich ist. Zum Beispiel sind die Düsen 30 und 31 bei der in Fig. l gezeigten Ausführung derart angeordnet, dass zwischen dem Strö- mungsweg und der Achse des aus der Düse 31 austretenden Gasstrahles praktisch eine Parallelbeziehung für jeden Zeitaugenblick während der Dispersion der Perlen gewährleistet wird. Durch Verändern der Lage der Düse 32 wird der Auftrieb der Glaspartikel erhöht oder herabgesetzt, so dass dadurch die Zeit variiert wird, während der die Partikel den Raum vor dem Auftreffen auf dem Boden, 16 durchlaufen.
In den Fig. 5 und 6 ist ein Teil eines Glasofens 60 mit einem horizontal verlaufenden Abstichrohr 62 gezeigt, das von dem Ofen an dessen unterer, rechter Ecke ausgeht. Das Rohr 62 besteht aus Platin oder einem andern hitzebeständigen Werkstoff und lässt sich mit einer geeigneten (nicht gezeigten) Widerstandsheizanordnung versehen, um das Rohr z. B. auf einer erhöhten Temperatur zu halten.
Nach dem Aufheizen der Glasbeschickung im Ofen 60 auf eine zur Bildung von geschmolzenem Glas ausreichend hohe Temperatur wird das Glas über das Rohr 62 in einen frei fliessenden, im wesentlichen horizontalen Strom abgenommen.
Unmittelbar unterhalb des herausragenden Endes des Rohres 62 ist eine horizontal ausgerichtete Düse 63 angeordnet, die im allgemeinen der vorstehend beschriebenen Düse 31 (Fig. l) ähnlich ist. Die Düse 63 wird aus einer geeigneten (in den Fig. 5 und 6 nicht gezeigten) Quelle mit Luft oder einem andern unter Druck stehenden strömenden Medium gespeist und dient dazu, einen divergierenden, hoch beschleunigten Strahl auf eine im wesentlichen horizontale Bahn zu lenken. Die Düse ist ausreichend nahe dem Rohr 62 angeordnet, so dass im Zeitpunkt des Auftreffens des Strahles auf den geschmolzenen Glasstrom dessen Strömungsrichtung im wesentlichen horizontal und parallel zur Strahlachse liegt. An dem Berührungspunkt wird der Strom, wie in Fig. 5 gezeigt ist, in zahlreiche Glaspartikel zerteilt.
Diese Partikel werden durch den Strahl ausreichend lange auf eine-nach oben gerichtete Bahn geleitet, damit die Oberflächenspannung sie in Kugelform überführt und eine Erhärtung unter Bildung der Glasperlen bewirkt wird.
Bei der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführung ist ein Glasofen 65 an seinem unteren, rechten Ende mit einer langgestreckten, horizontal verlaufenden Abgabeleitung 67 versehen. Die Leitung 67 hat im allgemeinen Rohrform, ist aber an ihrem äusseren Ende unter Bildung einer im wesentlichen rechteckigen Abgabeöffnung 68 abgeflacht. Die Anordnung ist so getroffen, dass nach Aufheizen des Ofens
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zur Bildung von geschmolzenem Glas dieses von dem Glied 67 in Form eines abgeflachten, im wesentlichen horizontalen Stromes von allgemein rechteckigem Querschnitt abgegeben wird.
Unmittelbar unterhalb der Abgabeöffnung 68 ist eine Düse 70 angeordnet, die so ausgebildet ist, dass ein divergierender, mit hoher Energie geJadener Luftstrahl in eine Richtung geleitet wird, die im wesentlichen parallel zu und in dichter Nachbarschaft mit dem geschmolzenen Glasstrom verläuft. Die Düse 70 hat eine abgeflachte, rechteckige Auslassöffnung 71, so dass auch der Querschnitt des Luftstrahles eine abgeflachte, im wesentlichen rechteckige Form bekommt. Auf Grund der abgeflachten Form des Glasstromes berührt der Luftstrahl diesen anfänglich auf dessen verbreiterter Unterseite, so dass ein äusserst schnelles und vollständiges Aufbrechen des Stromes in zahlreiche Glaspartikel bewirkt wird.
Anschliessend werden die Partikel, ähnlich wie dies schon beschrieben worden ist, auf einer Bahn ausreichend lange geführt, um ihre Verformung und Erhärtung zur Bildung von Glasperlen zu ermöglichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von kugelförmigen Partikeln aus Glas und andern glasartigen Stoffen, bei dem zumindest ein divergierender Strahl eines mit hohe. : Geschwindigkeit strömenden Mediums mit einem Strömungsfluss aus den geschmolzenen glasartigen Stoffen in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl des strömenden Mediums entlang einer Achse, die im wesentlichen parallel zu dem Strömungsfluss und in ausreichender Nachbarschaft des auf einem im wesentlichen horizontalen Wege aus einer Schmelzflussquelle abgegebenen Strömungsflusses aus-den geschmolzenen glasartigen Stoffen verläuft, ausgestossen wird, so dass der Strahl den Strömungsfluss berührt und diesen in zahlreiche getrennte Partikel zerteilt,
die bei ihrer Weiterbewegung entlang des Weges während der Abküh-
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strömenden Mediums dem Schmelzflussstrom zugeleitet wird, um diesen auf eine im wesentlichen horizontale Bahn zu lenken, und dass ein zweiter divergierender Strahl eines strömenden Mediums entlang einer Achse abgegeben wird, die im wesentlichen parallel zum Schmelzstrom und in unmittelbarer Nähe desselben verläuft, wobei der zweite Strahl mindestens einen Teil des Stromes unter Zerteilung desselben in zahlreiche Glaspartikel berührt, worauf diese Partikel auf einem bogenförmigen Weg durch den Raum geleitet werden, u. zw. für eine ausreichende Zeitspanne, um die Partikel durch die Wirkung der Oberflächenspannung in Kugelform zu überführen und unter Glasperlenbildung zu erhärten.