DE2151959A1

DE2151959A1 - Regelanordnung fuer Schmelzwannen

Info

Publication number: DE2151959A1
Application number: DE19712151959
Authority: DE
Inventors: Mcquaid Gerald J
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1970-10-22
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1972-05-25
Also published as: NL7114504A; FR2113054A5; AR193509A1; BE774279A; CA944005A; AU3476071A; BR7106634D0; NL154341B; GB1353070A; US3636227A

Description

Anmelderin: Coming Glass Works
Corning, N. Y., USA

Regelanordnung für Schmelzwannen

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung für ganz oder teilweise elektrisch beheizte Schmelzwannen, öfen und dergleichen.

Besonders in senkrecht angeordneten Schmelzofen oder -wannen, aber auch in waagerechten Schmelzwannen, die wenigstens zwei verschiedene Schmelzzonen aufweisen, bereitet die zum einwandfreien Schmelz- und Läuterungsbetrieb erforderliche Energie- und Temperaturverteilung in der Wanne und im Schmelzgut einige Schwierigkeiten.

Sie Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine umfassende Regelanordnung für die Energie- und Temperaturverhältnisse in Schmelzwannen zu schaffen.

209822/0545

Die Aufgabe wird für eine Schmelzwärme mit wenigstens zwei verschiedenen Schmelzzonen dadurch gelöst, dass jeder Zone ein Energieversorger und je ein dessen Energiebeaufschlagung nach Höhe und Verteilung regelnder Regelkreis (Energieregelkreis) zugeordnet ist und ein mit einem der vorgenannten Regelkreise zusammenwirkender Regelkreis (Temperaturregelkreis) die Schmelzbadtemperatur regelt.

Weitere günstige Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigen:

die Figur 1 im Längsschnitt eine elektrisch beheizte Schmelzwanne in senkrechter Anordnung, für die die erfindungsgemässe Regelanordnung geeignet ist;

die figur 2 die Wanne der Figur 1 während des Schneizens;

die Figur 3 im Querschnitt entlang der Schnittlinie 3-3 der Figur 1 die Wanne Hit einem ersten, Elektroden steuernden Energieregelkreis;

die Figur 4 im Querschnitt entlang der Schnittlinie 4—4- der Figur 1 die Wanne mit einem zweiten, Elektroden steuernden Energieregelkreis und einem Temperaturregelkreis;

- 3 -209822/0545

die Figur 5 die Schaltung einer die Regelkreise der Figuren 3 und 4 modifizierenden Anordnung;

die Figur 6 zeigt einen unbegrenzten und die Figur 7 einen begrenzten Leistungsverhältnisregelkreis für die Regelkreise der Figuren 3 und 4.

Die Figur 1 zeigt die Schmelzwanne IO mit senkrechtem Behälter 12 aus feuerfestem Material, dessen vielseitige Innenwand 14 sich der Zylinderform annähert. Der Ansatz wird durch die Beschickungsvorrichtung 16, z. B. einen Lochbehälter mit einen Rührwerk, in die Wanne gegeben und bildet dann eine die Schmelze 20 ganz abdeckende Krone 18 (Fig. 2). Die Beschickung erfolgt am besten kontinuierlich,und geschmolzenes Glas kann dann kontinuierlich am Auslass 22 am Behälterboden abgezogen werden. Der Auslass 22 ist in einem Sockel angeordnet, der mit der Behälterwand eine ringförmige Vertiefung bildet, in der sich die Abzugskanäle 26 befinden.

Der Glasfluss von der Krone 18 zur Schmelzphase 20 ist senkrecht. Wärmeenergie wird durch zwölf in sechs Paaren, je drei auf verschiedener Höhe, angeordnete Glaskontaktelektroden zugeführt. Die ge sechs Elektroden 28A - 28F bzw. 32A 32F der oberen bzw. unteren Elektrodengruppe sind um den

- 4 209822/0545

Ofen und senkrecht miteinander ausgerichtet, wie in der Figur 3 "bzw· 4 dargestellt angeordnet. Die Elektroden liegen an Energiequellen, wie z. B. 34A - 34-C für die oberen Elektroden 28A-F, durch die z. B. Dreiphasenstrom mit je einer Phase für gegenüberliegende Elektrodenpaare geliefert wird, wobei die drei Elektrodenpaare 28C, 28F; 28A, 28D; 28B, 28E die oberen HauptStromkreise 1, 2 und 3 bilden.

Die Schaltung für die unteren Elektroden der Figur 4 mit den Energiequellen 36A-C zu den unteren Hauptstromkreisen 4, 5 und 6 ist entsprechend.

Für den Betrieb der Schmelzwanne ist die Gesamtenergie, die Energieverteilung und die Temperatur von wesentlicher Bedeutung. Dabei richtet sich die erforderliche Gesamtenergie nach der Zusammensetzung und dem Durchsatz des Glases, sowie den Energie verlust en über die Behälterwände, den Boden 24 und die Krone 18. Die Energieverteilung beeinflusst die Konvektionsströme, die Verweilzeit und die Energieverluste, je nach dem Zustand der Krone 18. Die Temperatur im Läuterungsbereich beeinflusst die Blasenzahl. Die erfindungsgemässe Regelanordnung kann diese drei Faktoren steuern.

In dem oberen Energieregelkreis der Figur 3 wird die von den Energiequellen 3^A-C an die Elektroden 28A-F gelegte Energie

- 5 209822/05Ab

von den Energiewandlern oder -detektoren 38A-C, z. B. mit dem Hall-Effekt arbeitenden Geräten, empfangen, deren Ausgänge hintereinander geschaltet sind, so dass ein Signal entsteht, das in einen Regler 40 gespeist wird. Dieser vergleicht das der Gesamtleistung entsprechende Signal mit einem durch die Einstellmittel 42 gegebenen Sollwert und über einen Verstärker 44 die Energiequellen 34A-G derart, dass die an die Elektroden 28A-F gelegte Gesamtenergie konstant bleibt.

In dem unteren Energieregelkreis 25 (und Temperaturregelkreis 31) der Figur 4 wird die von den Energiequellen 36A-0 an die unteren Elektroden 32A-F gelegte Gesamtenergie von den hintereinander geschalteten Energiewandlern oder -detektoren 48A-C empfangen, die ein der Gesamtenergie entsprechendes Ausgangs signal über einen Modifikator 50 (hierzu vgl. weiter unten) auf einen Regler 52 geben, der das Signal mit dem am Einsteller 54 gesetzten Sollwert vergleicht und über den Verstärker 56 die Energiequellen 36A-0 entsprechend regelt. Die Regelkreise 25 und 30 steuern somit die Energiehöhe und-verteilung.

Das Verhältnis der an den Einstellern 42, 54 gewählten Sollwerte ergibt die gewünschte Energieverteilung für das zu

209822/0545

schmelzende Material und ihre Summe die für den bei gegebenen Verlusten gewünschten Durchsatz erforderliche Energiehöhe.

Die Temperaturregelung erfolgt über den mit dem unteren Energieregelkreis 30 verbundenen Modifikator 50. Die Temperatur wird durch ein. durch die Vannenwand geführtes Thermoelement 58 im unteren Wannenbereich, in dem das Glas geläutert wird, gemessen und ein der Temperatur an der inneren Seitenwand 14 entsprechendes Signal in den Temperaturregler 62 gegeben, der es mit dem am Einsteller 64 gesetzten Sollwert vergleicht, und ein Ausgangssignal an den mit dem unteren Hegelkreis 30 verbundenen Modifikator 50 weitergibt. Dieser Temperaturregelkreis 31 ist zur Unterscheidung vom Regelkreis 30 in dem gestrichelten Block 60 eingezeichnet.

Der auf verschiedene Maximalwerte einstellbare Modifikator 50 modifiziert die Energie signale im Sinne einer Schmelztemperaturregelung entsprechend dem Sollwert des Reglers 62. Die Figur 5 zeigt seine Schaltung. Ein Potentiometer 66 wandelt das Ausgangssignal des Temperaturreglers 62 zu einem Spannungssignal. Eine Gleichstromquelle 68 ist mit umgekehrter Polarität (positiv an positiv) hinter den Potentiometer 66 geschaltet. Der Potentiometer wird so eingestellt, dass bei maximalem Ausgangswert des Temperaturreglers 62 die Po-

- 7 209822/0545

t ent iomet er spannung V₁ genau das Doppelte der Spannung der Gleichstromquelle 68 ist. Daher ist Vp³⁺^b ^°^e^ Reglerausgang und -V^ bei Reglerausgang Null. Da der Regler umgekehrt arbeitet, entspricht ^V2^=+Vb ^einer Untertemperatur und ^2=-V, einer Übertemperatur. Ein variabler Spannungsteiler oder Potentiometer 70 und ein konstanter Spannungsteiler, z. B. Widerstände 72 und 74-» vermindern Vg auf V^, also auf eine mit den Detektoren 48A-0 vereinbare Spannungshöhe (Figur 4).

Die Spannung V₄, ist in Reihe und umgekehrter Polarität an das der Gesamtleistung der unteren Elektrodenkreise proportionale Spannungssignal Vp angeschlossen, und die Summenspannung wird als variabler Messwert V. an den unteren Leistungsregler 52 gelegt. Es gilt daher:

^Vin " ^Vp - V

Bei Untertemperatur wird V^ positiv und V. kleiner als V . Da der Leistungsregler 52 V gleich dem eingestellten Sollwert hält, steigert der Regler 52 bei einer tatsächlich reduzierten Spannung V. und einer dadurch scheinbar verringer ten Spannung V die Energie in den Kreisen 4-6, bis V. gleich dem eingestellten Sollwert ist, so dass die Untertemperatur berichtigt wird. Bei einer Übertemperatur wird V höher, V^_n grosser als der eingestellte Sollwert und die

- 8 209822/Ob üb

Energiehöhe wird vermindert. Durch, geeignete Auslegung der Anordnung kann die Spannung V^ auf entsprechende Änderungen in Kilowatt der Kreise 4-6 geeicht werden. Über den Potentiometer 7Θ können die variablen Maximalwerte V^ erzielt werden; durch, die Einstellung des Potentiometers wird ein mehr oder weniger breiter Vorrang der Temperaturregelung des Kreises 31 über den unteren Energieregelkreis 30 hergestellt. Bei sehr weitgehendem Vorrang wird eine Temperaturregelung selbst bei sehr starker Abweichung möglich, allerdings auf Kosten der Regelung des Leistungs- oder Energieverhältnisses, während diese bei begrenzterem Vorgang erhalten bleibt, dann aber die mögliche Temperaturregelung auf geringere Abweichungen beschränkt bleibt.

Der durchschnittliche Spannungswert V^ (Pig. 5) ist nicht immer Null. Praktisch kann aber der Sollwerteinsteller 54-des Reglers 52 von Hand verstellt werden, bis die Spannung V^ sich Null annähert, so dass der Temperaturregelkreis 31 gleichmässig auf Über- und Untertemperaturen anspricht. Der Einsteller 42 des oberen Energiereglers 40 wird dann auf den Sollwert des durchschnittlichen Energieverhältnisses eingestellt.

Ist die "durchschnittliche" Energieregelung unzureichend, so kann mit der Anordnung der Figur 6 das Energieverhältnis

- 9 -209822/0545

kontinuierlich, geregelt werden. Der Energieverhältnisregelkreis 75 der 5¹Xg. 6 verstärkt den oberen Energieregler 40 und den Verstärker 44 des Energieregelkreises 25 der Figur 3. Ein der Ge samt energie V -, proportionales Signal wird dem Potentiometer 76 und ein der Gesamtenergie V proportionales Signal dem Potentiometer 78 zugeführt, deren Ausgangsspannung V und V^M der unteren und oberen Gesamtenergie jeweils entsprechen: V=OP₁; V^M=*KP_u. Sind V und V" verschieden, so wird die Abweichung V. durch den Gleichstromverstärker 80 verstärkt und über den oberen Regler 40 und Verstärker 44 die Energieerzeuger 34A-C angetrieben, bis V. » 0, d. h.

V'«V^H. Sodann ist

P_{11 0}
OP₁-KP oder γ* - £ - konstant.

Demnach kann der Sollwert des Energieverhältnisses durch Auswahl der Proportionalitätskonstanten 0 und K, also einfach durch Verstellen der Potentiometer 76 und 78 gewählt werden.

Bei kontinuierlicher Regelung des Energieverhältnisses muss die Möglichkeit der Regelung der Gesamtenergie aufgegeben werden. Jedoch lässt sich ein Kompromiss, also eine Regelung sowohl des Energieverhältnisses als auch der Gesamtenergiehohe durch eine begrenzte Regelung des Energieverhältniseea entsprechend der Anordnung der Figur 7 erreichen. Der begrenzte Energieverhältnisregelkreis 82 umfasst den Regelkreis

- 10 -20 9 822/0545

75 der Figur 6, sowie einen Regler 84 mit dem Einsteller und einen zwischen den Verstärker 80 und dem Regler 40 des oberen Regelkreises 25 geschalteten Hodifikator 5OJU Die oberen Energieerzeuger 34A-0 werden so eingestellt, dass das Energieverhältnis durch den Hodifikator 5OA konstant gehalten wird. Der Hodifikator beeinflusst das dem oberen Energiekreis proportionale Signal V derart, dass die oberen Energieerzeuger 34A-C das Energieverhältnis konstant halten. Der Hodifikator 5OA ist hinsichtlich der maximalen Änderung der an die oberen Elektroden gelegten Energie einstellbar, so dass das dem Begier 84 eingegebene Energieverhältnis auf dem Sollwert bleibt. Bei Einstellung des Reglers 84 auf Fall wird die Regelabweichung 7 Hull, entsprechend der Gleichung:

■) konstant.

Jedoch beeinflusst der Regler nicht unmittelbar die oberen Energieerzeuger 34A-C, sondern arbeitet über den Hodifikator 50A. Das der oberen Gesamtenergie proportionale Signal V wird nun vor Eingabe in den Regler 40 durch Subtraktion der Spannung V* modifiziert. (Die Spannung V* entsteht entsprechend der obigen Beschreibung der Figur 5)· Liegt das Energieverhältnis unter dem Sollwert, so wird eine positive Spannung V^ erzeugt und V_in herabgesetzt, entsprechend

209822/0545 - 11 -

215195Q

Dadurch wird V über den an 42 eingestellten Wert soweit pu °

erhöht, dass das Sollverhältnis erreicht wird. Liegt das Energieverhältnis dagegen über dem Sollwert, so wird durch eine negative Spannung V^ V. erhöht und das Energieverhältnis auf den Sollwert herabgesetzt. Die maximale Änderung der oberen Energie zur Einstellung des Energieverhältnisses auf die Sollhöhe kann über den Widerstand 70 eingestellt werden.

Zusammenfassend sind mit der erfindungsgemässen Anordnung vier verschiedene Segelbereiche möglich:

1. Regelung des Energieverhältnisses Regelkreise 25, 30
Gesamtenergiebeaufschlagung der Schmelzwanne:

Energieverhältnis:

worin P = Sollwerteinstellung des Reglers 40;

P, a Sollwerteinstellung des Reglers 52 P^¹= Vorrang des Temperaturregelkreises 31 über den unteren Energieregelkreis 30 in Energieeinheiten.

- 12 -

209822/0545

2151950

2. Begrenzte Temperaturregelung Regelkreise 25, 30, 31
Gesamtenergiebeaufschlagung der Schmelz wanne:

Energieverhältnis:

Fb ·.

3. Begrenzte Temperaturregelung "bei voller Regelung des Energieverhältnisses.
Regelkreise 25, 30, 31, 75.
Gesamtenergiebeaufschlagung der Schmelzwanne:

P₁=P₁J₁Fb¹+R (P₁J₁Fb¹)

=(l+R) (P₁J₁Pb¹). Das Energieverhältnis ist konstant und = R.

. Begrenzte Temperaturregelung und begrenzte Regelung des Energieverhältnisses,
Regelkreise 25, 30, 31, 82,
Gesamtenergiebeaufschlagung der Schmelzwanne:

worin Pb" = Vorrang des Energieverhältnisregelkreises hinsichtlich des unteren Energieregelkreises 30 in Ener-

- 13 209822/0545

gieeinheiten.

Das Energieverliältnis ist:

P +FbS

Die Erfindung ist anstelle der gezeigten Senkrechtwanne auch für waagerechte Schmelzwannen geeignet, die entweder voll elektrisch beheizt oder mit einer Flamme beheizt werden und mit einer elektrischen Zusatzheizung versehen sind, wobei die Schmelzkrone kalt oder konstant gehalten heiss sein kann.

209822/05-45

Claims

2151950 Patentansprüche

1. Regelanordnung für eine Schmelze enthaltende Schmelzwarmen, Schmelzofen und dergleichen, die wenigstens zwei verschiedene Schmelzzonen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zone ein Energieversorger (28A-F; 32A-F) und je ein dessen Energiebeaufschlagung nach Höhe und Verteilung regelnder Regelkreis (Energieregelkreise) (25» 30) zugeordnet ist und ein mit einem der vorgenannten Regelkreise zusammenwirkender Regelkreis (Temperaturregelkreis 31) die Schmelzbadtemperatur regelt.

2. Regelanordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schmelzzonen die obere und untere Zone eines Vertikalschmelzofens sind.

3. Regelanordnung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer, mit den beiden Energieregelkreisen (25« 30) zusammenwirkender Regelkreis deren Energieverhältnis regelt.

209822/0545

2151950 /Γ

4. Regelanordnung gemäss Anspruch 2 oder 3» dadurch, gekennzeichnet, dass die beiden Energieversorger je einen an mehrfache Stromkreise angeschlossenen Elektrodensatz (28A - 28F; 32A - 32F) aufweisen, jede der Energieregelkreise (25, 30) wenigstens eine Energiequelle (34-A-C; 36A-0) und Detektoren (38A-C; 48A-C) für die den mehrfachen Stromkreisen aufgegebene Energie enthalten, wobei die Ausgangssignale dieser
Stromkreise der den Elektroden aufgegebenen Gesamtenergie
proportional sind (Proportionalsignale), und durch mit Einstellmitteln (42, 5²O versehene Regler (40; 52) mit einem den Einstellmitteln aufgegebenen Sollwert verglichen werden und über Verstärker (44, 56) die Energieversorger so eingestellt werden, dass über die mehrfachen Stromkreise die den Elektroden aufgegebene Energie konstant gehalten wird, während das Verhältnis der Sollwerte der Einstellmittel die jeweils erforderliche Energieverteilung bewirkt.

209822/0545

2151950

5. Regelanordnung gemäss Anspruch 4-, dadurch, gekennzeichnet, dass der Temperaturregelkreis (31) einen Temperaturmesser (58) enthält, dessen Ausgangssignal dem Temperaturistwert der Schmelze entspricht, ein dritter, mit Einstellmitteln (64) ausgestatteter Regler (62) dieses Ausgangssignal mit einem den Einstellmitteln aufgegebenen Sollwert vergleicht, ein einstellbarer Modifikator (50) mit einem Eingang an die Detektoren (48A-0), mit einem weiteren Eingang an den drit- * ten Regler (62) und mit seinem Ausgang an den Regler (52) angeschlossen ist und das entsprechende Signal für die Energieversorger (36A-0) der Elektroden (32A-F) im Sinne der Angleichung des Temperaturistwerts der Schmelze an den ' Sollwert ändert.

209822/05A5

6. Regelanordnung gemäss Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Regelkreis einen das Energieverhältnis der beiden Energieregelkreise voll regelnden Kreis (75) bildet, der die beiden Proportionalsignale empfangende, derart einstellbare Empfänger (76, 78) enthält, dass ihre Ausgangssignale gleich sind, solange sich das Verhältnis der beiden Sollwerte nicht ändert, ein erster Signalverstärker (80) mit den beiden einstellbaren Empfängern und dem Regler (40) verbunden ist und die Regelabweichsignale bei ungleichem Ausgang der einstellbaren Empfänger verstärkt, wobei die Abweichsignale die erste Energiequelle beeinflussen, bis die Regelabweichung Null wird.

2Q9822/0545

7. Regelanordnung gemäss Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Regelkreis einen das Energieverhältnis der beiden Energiereg^Lkreise begrenzt regelnden Kreis (82) bildet, ein vierter Regler (84) mit einem Sollwerteinsteller (86) am Eingang vom Verstärker (80) das Regelabweichungssignal empfängt und dieses mit einem Nullwert am Einsteller vergleicht, und ein verstellbarer zweiter Modifikator (50A) mit einem Eingang an diesem Modifikator und mit einem zwei- w ten Eingang das erste Signal empfängt, und mit seinem Ausgang an den ersten Regler (40) angeschlossen ist, und das erste Signal so modifiziert, dass die Gesamtenergie der Elektroden (28A-P) im Sinne des Sollwertverhältnisses verändert wird, wobei der Modifikator für eine gewünschte Maximaländerung der Elektrodenenergie-beaufschlagung eingestellt werden kann.

209822/05A5