DE19847318C1

DE19847318C1 - Verwendung einer Ultraschallmessung zum betrieblichen Einstellen der elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen und Vorrichtung zur Durchführung dieser Ultraschallmessung

Info

Publication number: DE19847318C1
Application number: DE1998147318
Authority: DE
Inventors: Gernot Roeth
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-10-15

Abstract

Bei der elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen werden Heizstäbe aus hochschmelzenden Metallen von der Seite oder von unten durch Bohrungen im Feuerfestmaterial in die Schmelze geschoben. Die Praxis hat gezeigt, daß sich die Metallstäbe betrieblich mehr oder weniger langsam auflösen. Dadurch kommt es zu geringerem bzw. ungleichmäßigem Wärmeeintrag in die Schmelze und damit zu instabilen Betriebszuständen und erhöhtem Ausschuß. DOLLAR A Bislang bleibt es der Erfahrung des Wannenbetreibers überlassen, welchen der Heizstäbe er wie weit nachschieben muß, um den Sollzustand wieder zu erreichen. DOLLAR A Die Erfindung sieht ein personenunabhängiges betriebliches Einstellen der elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen (1) vor, indem an dem aus der Wandung (2) herausragenden Ende der Heizstäbe (4, 5) jeweils ein Ultraschallimpuls erzeugt wird und die Ultraschalllaufzeit des vom anderen in die Schmelze (3) hineinragenden Ende des jeweiligen Heizstabes (4, 5) reflektierten Echoimpulses und damit die aktuelle Länge des Heizstabes gemessen wird, wobei entsprechend dem Meßergebnis im Vergleich zu einem Bezugswert ein Nachstellen der Heizstäbe (4, 5) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Ultraschallmessung zum betrieblichen Einstellen der elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen, in deren Wandung in die Glasschmelze hineinragende Heizstäbe verschiebbar gehaltert sind, durch Nachstellen der Heizstäbe entsprechend ihrem Abbrand.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung der vorgenannten Ultraschallmessung.

Bei der elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen werden Heizstäbe aus hochschmelzenden Metallen wie Molybdän, Wolfram oder Platin von der Seite oder von unten durch Bohrungen im Feuerfestmaterial in die Glasschmelze geschoben. Es ist auch prinzipiell möglich, die erwähnten Heizstäbe auch von oben, durch das Gewölbe der Wanne, in die Schmelze abzusenken. Diese Methode ist jedoch unüblich, da sie besonders lange und damit teure und bruchempfindliche Elektroden erfordert. Zudem müssen in diesem Fall Elektroden aus Molybdän und Wolfram wegen ihrer Unbeständigkeit gegen die Wannenatmosphäre durch einen inertgasgespülten Mantel geschützt werden.

Da die Übertragung von elektrischer Energie allgemein in Form von 3-Phasen- Wechsel-Strom vorgenommen wird, erfolgt auch die Beheizung der Schmelzwannen mit 3-Phasen-Wechselstrom, so daß drei Gruppen von Heizstäben (Elektroden) gebildet werden, zwischen denen der Heizstrom fließt. Es hat sich gezeigt, daß die metallischen Heizstäbe sich in Abhängigkeit vom verwendeten Glas, der Temperatur der Glasschmelze, der Frequenz und der Stromdichte des Heizstromes mehr oder weniger langsam auflösen. Der Materialabtrag ist besonders stark an der Spitze, so daß die Heizstäbe im Laufe der Zeit kürzer werden. Dabei geschieht dies bei den einzelnen Stäben nicht mit der gleichen Geschwindigkeit. Dadurch kommt es zu geringerem bzw. ungleichmäßigem Wärmeeintrag in die Wanne und damit zu instabilen Betriebszuständen und erhöhtem Ausschuß.

Da der Stand der Technik weder optische noch elektrische noch sonstige Meßmethoden zeigt, die geeignet sind, die Eintauchlänge der Heizstäbe zu messen, bleibt es der Erfahrung des Wannenbetreibers überlassen, welchen der Heizstäbe er wie weit nachschieben muß, um den Sollzustand wieder zu erreichen. Zum einen ist dieses Verfahren mit großen Schwankungen behaftet und es besitzt ferner den Nachteil, daß es personengebunden ist und eine große Erfahrung voraussetzt.

Durch die Glastech. Ber. Glass Sci. Technol. 70 (1997) No. 1, Seiten 1-7, ist der Einsatz einer Ultraschallmessung zur Bestimmung der Restwanddicke von feuerfesten Steinen einer Glasschmelzwanne bekannt geworden. Unterschreitet die gemessene Restwanddicke einen vorgegebenen Wert, dann wird die Wand der Schmelzwanne entsprechend verstärkt.

Das bekannte Verfahren ist spezifisch auf die Restwanddickenmessung von feuerfesten Steinen in Glasschmelzöfen abgestellt. Die betriebliche Einstellung der elektrischen Beheizung der Glasschmelzöfen durch Nachstellen der Heizstäbe entsprechend ihrem Abbrand erfolgt weiterhin gemäß dem eingangs erläuterten Stand der Technik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete betriebliche Einstellen der elektrischen Beheizung durch Nachstellen der Heizstäbe entsprechend ihrem Abbrand so durchzuführen, daß eine objektive Bestimmung der Längen der Heizstäbe und des Maßes des Nachstellens der Heizstäbe möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung durch die Verwendung einer Ultraschallmessung nach dem Meßprinzip:

- Erzeugen eines Ultraschallimpulses an dem aus der Wandung herausragenden Ende der Heizstäbe,
- Messen der Ultraschalllaufzeit des vom anderen in die Schmelze hineinragenden Ende des jeweiligen Heizstabes reflektierten Echoimpulses und damit der aktuellen Länge des Heizstabes, und
- Nachstellen der Heizstäbe entsprechend dem Meßergebnis im Vergleich zu einem Bezugswert.

Hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung der Ultraschallmessung bei der Verwendung gelingt die Lösung der vorgenannten Aufgabe mit:

- einer Glasschmelzwanne, in deren Wandung in die Glasschmelze hineinragende Heizstäbe verschiebbar gehaltert sind,
- einer Einstellvorrichtung zum Nachstellen jedes einzelnen Heizstabes,
- einem Ultraschallgeber/-empfänger, der an der Stirnseite des aus der Wandung herausragenden Endes jedes Heizstabes angebracht ist, und
- einer elektrischen Auswerte- und Steuereinheit zum Erzeugen eines die Ultraschallgeber aktivierenden Signals zum Messen der Ultraschalllaufzeit des vom anderen in die Schmelze hineinragenden Ende des jeweiligen Heizstabes reflektierenden Echoimpulses und damit der aktuellen Länge des Heizstabes, und zum Vergleichen der gemessenen aktuellen Länge des jeweiligen Heizstabes mit der gespeicherten Länge des jeweiligen Heizstabes bei seinem Einbau, wobei der Ausgang der Auswerte- und Steuereinheit mit der Einstellvorrichtung zum Nachstellen der Heizstäbe verbunden ist und auf diese ein Verstellsignal schaltet, sobald eine Längendifferenz, die einen vorgegebenen Wert überschreitet, auftritt.

Diese Maßnahmen gemäß der Erfindung erlauben auf sehr einfache Weise eine objektive Bestimmung der aktuellen Länge der Heizstäbe und damit des Maßes einer gegebenenfalls notwendigen Nachstellung der Heizstäbe. Setzt man einen Ultraschallgeber/-empfänger auf die aus der Schmelzwanne ragende Stirnfläche eines Heizstabes auf, so läßt sich dessen Länge mit hinreichender Genauigkeit messen, da an der anderen in die Schmelze hineinragenden Stirnfläche, der Grenzfläche Metall/Schmelze, ein genügend großer Sprung in der Dichte (von ca. 10 g/cm³ auf ca. 2,5 g/cm³) vorliegt, um einen deutlichen Echoimpuls zu erzeugen. Der Ultraschallgeber sendet dabei einen kurzen Ultraschallimpuls in den Stab aus, der sich mit einer Geschwindigkeit, die von der Dichte und dem Elastizitätsmodul des Werkstoffes, aus dem die Heizstäbe gefertigt sind, abhängt, in dem Heizstab ausbreitet. Stößt der Impuls auf die Stelle, an der sich Dichte und der Elastizitätsmodul abrupt ändern, so wird ein Teil der Schallenergie an dieser Grenzfläche reflektiert, läuft zurück zum Sender und wird von einem Empfänger, der neben dem Sender angeordnet ist, registriert. Aus der Laufzeit des Signals und der bekannten Schallgeschwindigkeit im Heizstab läßt sich problemlos die Entfernung der Reflexionsstelle vom Sender und damit die Länge des Heizstabes berechnen.

Seit mehr als einem Jahrzehnt wird Ultraschall neben der Durchleuchtung mit Röntgen- oder Gammastrahlen zur zerstörungsfreien Prüfung von metallischen Bauteilen auf der Suche nach Fehlern (Hohlräumen) verwendet. Dieser Stand der Technik hat jedoch keinen Einfluß auf den Fachmann im Rahmen des betrieblichen Einstellens der elektrischen Heizung von Glasschmelzwannen ausüben können, ebenso wenig das bekannte Verfahren zur Bestimmung der Restwanddicke von Glasschmelzwannen.

Ein Maximum an Meßgenauigkeit läßt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erreichen, wenn die Ultraschalllaufzeit von neu eingebauten Heizstäben gemessen und als Längen- Bezugswert für spätere Messungen gespeichert wird.

Ein gleichmäßiger Schmelzwannenbetrieb läßt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erzielen, wenn die Länge der eingebauten Heizstäbe in vorgegebenen Abständen gemessen und bei Abweichungen von dem gespeicherten heizstabtypischen Bezugswert der jeweilige Heizstab nachgestellt wird.

Die Messung der Länge der Heizstäbe und deren Nachstellung kann im einfachsten Fall durch eine Handregelung durchgeführt werden.

Es ist auch ein automatisierter Betrieb möglich, wenn die Messung der Länge der Heizstäbe und deren Nachstellung durch einen Regler selbsttätig durchgeführt wird.

Weitere ausgestaltende Merkmale der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 in einer stark schematisierten Darstellung eine Glasschmelzwanne in Verbindung mit der Ultraschallimpulsmessung nach der Erfindung, und

Fig. 2 ein Ultraschall/Zeit-Diagramm zur Darstellung der Laufzeit des Ultraschallimpulses.

Die Fig. 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine konventionelle Glasschmelzwanne 1, in deren Wandung 2 aus Feuerfestmaterial in entsprechenden Bohrungen in die Glasschmelze 3 von unten hineinragende Heizstäbe 4 verschiebbar gehaltert sind. Der Einfachheit halber sind die Verstelleinrichtungen zum Verschieben der gehalterten Heizstäbe nicht dargestellt, zumal diese Verstelleinrichtungen ohnehin Stand der Technik sind.

Der besseren Übersicht wegen sind in der Fig. 1 nur zwei Heizstäbe 4, 5 dargestellt; bei der praktischen Ausführung der Glasschmelzwanne 1 sind jedoch zwei Gruppen solcher Heizstäbe vorgesehen. Zwischen jeweils zwei Gruppen von Metallheizstäben wird aus einer entsprechenden Quelle 9 eine Wechselspannung angelegt, so daß der Strom, wie durch die Pfeile in der Glasschmelze angedeutet, der vom einen zum anderen Stab fließt, die Schmelze aufheizt.

Die Heizstäbe bestehen aus hochschmelzenden Metallen wie Molybdän, Wolfram oder Platin. Es hat sich dabei gezeigt, daß diese Metallstäbe in Abhängigkeit vom verwendeten Glas, der Temperatur der Glasschmelze, der Frequenz der Wechselspannungsquelle 9 und der Stromdichte des Heizstromes sich mehr oder weniger langsam auflösen. Der Materialabtrag ist dabei besonders stark an der Spitze der Heizstäbe, so daß die Heizstäbe 4, 5 im Laufe der Zeit kürzer werden. Dabei geschieht dies bei den einzelnen Stäben nicht mit der gleichen Geschwindigkeit. Dadurch kommt es zu geringerem bzw. ungleichmäßigem Wärmeeintrag in die Glasschmelze 3 und damit zu instabilen Betriebszuständen und erhöhtem Ausschuß. Es bleibt dabei der Erfahrung des Wannenbetreibers bisher überlassen, welchen der Stäbe er wie weit nachschieben muß, um den Sollzustand wieder zu erreichen.

Um das betriebliche Einstellen der elektrischen Beheizung der Glasschmelzwanne 1 zu objektivieren, sieht die Erfindung vor, daß auf die aus der Wanne herausragende Stirnfläche der Heizstäbe 4, 5 ein Ultraschallbauelement, bestehend aus einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, aufgesetzt wird. Da der Abbrand der Heizstäbe relativ langsam verläuft, ist es aus Kostengründen zweckmäßig, die Länge der Heizstäbe im Abstand von mehreren Wochen mit Hilfe eines von Hand aufgesetzten Ultraschallelementes nacheinander zu kontrollieren.

In Fig. 1 ist eine automatisierte Version dargestellt, bei der jeder Heizstab 4, 5 eine solche Ultraschallbaueinheit besitzt.

Die Ultraschallbaueinheiten 6, 7 sind mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 8 verbunden, die Mehrfachfunktionen hat. Zu Beginn einer Messung aktiviert sie den Ultraschallsender der daraufhin einen kurzen Ultraschallimpuls I₁ (Fig. 2) in den jeweiligen Heizstab schickt. Der Impuls breitet sich mit einer Geschwindigkeit, die von der Dichte und dem Elastizitätsmodul des Werkstoffes des Heizstabes abhängt, in dem Heizstab aus. Stößt der Impuls auf eine Stelle, an der sich Dichte und der Elastizitätsmodul abrupt ändern, im vorliegenden Fall die Grenzfläche zwischen der Stirnfläche des in die Schmelze 3 hineinragenden Heizstabes und der Glasschmelze selbst mit einem Sprung in der Dichte von ca 10 g/cm³ auf ca. 2,5 g/cm³, so wird ein Teil der Schallenergie an dieser Grenzfläche in Form eines Echoimpulses I₂ (Fig. 2) reflektiert. Dieser Echoimpuls I₂ läuft zurück zum Sender und wird von einem Empfänger, der neben dem Sender in der Baueinheit 6, 7 angeordnet ist, registriert. Aus der Laufzeit ΔT des Ultraschallsignals und der bekannten Schallgeschwindigkeit im Heizstab läßt sich problemlos mit bekannten Methoden die Entfernung der Reflexionsstelle vom Sender und damit die aktuelle Länge des Heizstabes berechnen, was im Fall der Fig. 1 mit der Auswerteeinheit 8 durchgeführt wird.

Abhängig von dem Meßergebnis im Vergleich zu einem Bezugswert erfolgt ein Nachschieben der Heizstäbe 4, 5, was entweder manuell im Sinne einer Handregelung oder automatisch durch einen entsprechenden Regler selbsttätig durchgeführt werden kann. Im letzteren Fall ist der Ausgang der Auswerteeinheit 8 mit der (nicht dargestellten) Einstellvorrichtung für die Heizstäbe verbunden.

Um ein Maximum an Meßgenauigkeit zu erreichen, wird zweckmäßig die Ultraschalllaufzeit bei allen neu eingebauten Heizstäben gemessen und in der Auswerteinheit 8 archiviert. Anschließend wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Länge der Stäbe überprüft, d. h., ausgelöst von der Auswerteeinheit 8 wird ein Ultraschallimpuls ausgelöst und die Laufzeit des Ultraschallsignals gemessen und in der Auswerteeinheit 8 mit dem gespeicherten Bezugswert verglichen. Wenn die Längendifferenz zwischen der aktuellen Länge und dem Bezugswert einen vorgegebenen Wert überschreitet, sendet dann die Auswerteeinheit 8 ein Signal für die Verstelleinrichtungen der Heizstäbe aus oder zeigt der Bedienungsperson das Verstellmaß an, damit diese manuell die Verstellung durchführen kann.

Da das Meßprinzip bei der ausgegebenen Verwendung sowie der Vorrichtung auf rein akustischer Basis arbeitet, wird es weder durch die an den elektrisch beheizten Glasschmelzwannen vorhandenen starken elektromagnetischen Felder noch durch hohe Temperaturen oder ausgeprägte Temperaturgradienten gestört. Ein Abschalten der Wannenbeheizung ist daher bei der Messung mit Vorteil nicht notwendig, so daß die Messung den laufenden Betrieb nicht beeinflußt.

Claims

1. Verwendung einer Ultraschallmessung zum betrieblichen Einstellen der elektrischen Beheizung von Glasschmelzwannen, in deren Wandung in die Glasschmelze hineinragende Heizstäbe verschiebbar gehaltert sind, durch Nachstellen der Heizstäbe entsprechend ihrem Abbrand, nach dem Meßprinzip:

1. Erzeugen eines Ultraschallimpulses an dem aus der Wandung herausragenden Ende der Heizstäbe,
2. Messen der Ultraschalllaufzeit des vom anderen in die Schmelze hineinragenden Ende des jeweiligen Heizstabes reflektierten Echoimpulses und damit der aktuellen Länge des Heizstabes, und
3. Nachstellen der Heizstäbe entsprechend dem Meßergebnis im Vergleich zu einem Bezugswert.

2. Verwendung nach Anspruch 1, bei der die Ultraschalllaufzeit von neu eingebauten Heizstäben gemessen und als Längen-Bezugswert für spätere Messungen gespeichert wird.

3. Verwendung nach Anspruch 2, bei der die Länge der eingebauten Heizstäbe in vorgegebenen Abständen gemessen und bei Abweichungen von dem gespeicherten heizstabtypischen Bezugswert der jeweilige Heizstab nachgestellt wird.

4. Verwendung nach Anspruch 3, bei der die Messung und die Nachstellung durch eine Handregelung durchgeführt wird.

5. Verwendung nach Anspruch 3, bei der die Messung und die Nachstellung durch einen Regler selbsttätig durchgeführt wird.

6. Vorrichtung für die Durchführung der Ultraschallmessung bei der Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit:

1. einer Glasschmelzwanne (1), in deren Wandung (2) in die Glasschmelze (3) hineinragende Heizstäbe (4, 5) verschiebbar gehaltert sind,
2. einer Einstellvorrichtung zum Nachstellen jedes einzelnen Heizstabes (4, 5),
3. einem Ultraschallgeber/-empfänger (6, 7), der an der Stirnseite des aus der Wandung (2) herausragenden Endes jedes Heizstabes (4, 5) angebracht ist, und
4. einer elektrischen Auswerte- und Steuereinheit (8) zum Erzeugen eines die Ultraschallgeber aktivierenden Signals zum Messen der Ultraschalllaufzeit des vom anderen in die Schmelze hineinragenden Ende des jeweiligen Heizstabes reflektierenden Echoimpulses und damit der aktuellen Länge des Heizstabes, und zum Vergleichen der gemessenen aktuellen Länge des jeweiligen Heizstabes (4, 5) mit der gespeicherten Länge des jeweiligen Heizstabes bei seinem Einbau, wobei der Ausgang der Auswerte- und Steuereinheit (8) mit der Einstellvorrichtung zum Nachstellen der Heizstäbe verbunden ist und auf diese ein Verstellsignal schaltet, sobald eine Längendifferenz, die einen vorgegebenen Wert überschreitet, auftritt.