DE2223183A1

DE2223183A1 - Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen von Glas und Ofen zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2223183A1
Application number: DE19722223183
Authority: DE
Inventors: Machlan George Richard
Original assignee: Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1971-05-17
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1972-11-30
Also published as: BE783519A; CA940574A; JPS5535336B1; IT955566B; GB1369144A; NL7206387A; FR2137947A1

Description

DR.-INQ. DIPL.-INQ. M. SC. DIPL.-PHYS. DR. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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5. Mai 1972

Owens-Corning Fiberglas Corp, Toledo, Ohio / USA

Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen von Glas und Ofen zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen von Glas in einem elektrischen, aus elektrisch leitendem feuerfestem Material aufgebauten Ofen mit mindestens einer ersten und einer zweiten, in dem Ofen im Abstand zu den Seitenwänden angeordneten-Elektrode sowie einen ofen zur Duchführung dieses Verfahrens.

Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Glasherstellung, und zwar von solchem Glas, welches bei Schmelztemperaturen einen relativ hohen elektrischen Widerstandswert aufweist.

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Bei der Glasherstellung wird Glas im allgemeinen dadurch gewonnen, daß man ein Gemenge roher Glasmaterialien in einem feuerfest ausgefütterten Ofen zum Schmelzen bringt. Der Ofen kann mittels eines Kohlenwasserstoffbrenners, aufgrund von Elektrizität oder mit Hilfe einer Kombination eines Brenners und Elektrizität geheizt werden. Glasofen, die Kohlenwasserstoff verbrennen, besitzen im allgemeinen eine feuerfest bzw. hitzewiderstandsfähig ausgefütterte Schmelzkammer, die einen geschmolzenen Glaskörper aufnimmt, sowie eine Vielzahl von Brennern, die Brennstoff, öl oder Gas verbrennen und die so angeordnet sind, daß sie der Oberfläche des geschmolzenen Glases Wärme zuleiten. Dabei wird das rohe Glasgemenge an einem Ende der Schmelzkammer zugeführt und das geschmolzene Glas an dem anderen entgegengesetzten Ende der Kammer entnommen. In der Schmelzkammer kann zur Erzielung einer Gleichförmigkeit des geschmolzenen Glases eine Rühranordnung bzw. ein Rührwerk angeordnet sein. Auch elektrisch geheizte Glasofen weisen eine feuerfest ausgefütterte Schmelzkammer zur Aufnahme eines Körpers geschmolzenen Glases auf. Dabei sind zwei oder mehr Elektroden in dem geschmolzenen Glas zur Erhitzung des Glases aufgrund des Joule'sehen Effektes eingetaucht, denen durch Anlegung einer Spannung zwischen den Elektroden elektrische Energie zuführbar ist. Das rohe Glasgemenge wird der Oberfläche des geschmolzenen Glaskörpers zugeführt und schwimmt auf dieser auf, während das geschmolzene Glas an einer in einer Seitenwand bzw. im Boden der Schmelzkammer angeordneten, unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befindlichen Mündungsöffnung entnommen wird. Die aufgrund der hohen Stromdichten an den Elektroden erzeugte Hitze bewirkt heftige Konvektionsströme in dem geschmolzenen Glas, wodurch das Glas während seiner Erhitzung kontinuierlich gerührt und bewegt wird. Entwurf, Aufbau und Typ der bei Glasschmelzofen verwendeten Wärmequellen werden von verschiedenen Faktoren bestimmt, beispielsweise auch der Zusammensetzung und den Eigen-

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schaften des Glases und von Erwägungen, denen wirtschaftliche Faktoren zugrunde liegen.

Dabei werden verschiedene Arten von feuerfesten Materialien zur Aufnahme von geschmolzenem Glas bei Glasschmelzöfen verwendet. Typische feuerfeste Materialien, die mit Glas in Kontakt kommen, beispielsweise für niedrig alkalische Borsilikatgläser,umfassen Chromoxyd, Zirkon und dichtes Quarzgut bzw. Silika auf. Die nutzvolle Lebenserwartung von feuerfesten Auskleidungen bei Glasofen ist hauptsächlich bestimmt durch die Geschwindigkeit, mit welcher sich das feuerfeste Material in dem geschmolzenen Glas auflöst. Von den zur Verwendung bei Glasofen bei niedrig alkalischen Borsilikatgläsern verwendbaren feuerfesten Materialien hat . Chromoxyd die längste Lebensdauer, die mindestens zehnmal größer ist als die von Zirkon, das nächstbeste feuerfeste Material, wobei dann die Lebensdauer von Chromoxyd gegenüber den übrigen feuerfesten Materialien hundert oder noch mehrmals langer ist. Die nutzvoll verwendbare Lebensdauer vieler feuerfester Materialien, wie beispielsweise dichtes Quarzgut, kann durch Wasserkühlung des Materials auf eine Temperatur verlängert werden, bei welcher sich das feuerfeste Material nur sehr langsam in dem geschmolzenen Glas auflöst. Jedoch reduziert das Kühlen der feuerfesten Materialien bzw. dieser Auskleidung drastisch die Wirksamkeit des Ofens, wobei Wassergekühltes dichtes Quarzgut, d.h. zusammengeschmolzenes Silika noch immer eine kürzere nutzbare Lebensdauer als feuerfeste Chromoxydmaterialien aufweisen. Dabei können bei Verwendung von Chromoxydmaterialien zur Aufnahme von geschmolzenem Glas insofern einige Probleme entstehen, als das aufgelöste feuerfeste Material dem Glas eine grünliche Färbung verleiht. Darüber hinaus "hat feuerfestes Chromoxyd bei den Temperaturen, die bei Glasschmelzofen auftreten, einen niedrigen elektrischen Wider-

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stand. Dieser niedrige Widerstandswert kann bei elektrischen öfen zu Problemen führen. Oft werden Alkalimetalle, üblicherweise Natrium oder Kalium als Flußmittel dem Glas zugefügt, um das Schmelzen des Glaees zu erleichtern und die Viskosität des geschmolzenen Glases herabzusetzen. Allerdings bewirken Alkalimetalle, daß heißes Glas einen niedrigen elektrischen Widerstandswert aufweist. Dabei weist jedoch Glas, welches für die Herstellung elektrischer Isolatoren verwendet wird, sowie sehr viel von dem Glas, welches bei der Herstellung von Glasfasern für textile Zwecke verwendet wird, typischerweise weniger als 1% Alkaligehalt auf und ist in manchen Fällen frei von Alkalimetallen. Als Folge davon weisen diese Gläser in einem geschmolzenen Zustand einen relativ hohen elektrischen Widerstandswert, verglichen mit normalem Glas,auf. Oft wird diesem Glas auch Fluor hinzugefügt, welches als Flußmittel wirkt und hilft, einige der Gemengematerialien in Lösung zu bringen,und um Blasen und Bläschen in dem geschmolzenen Glas sowie die Viskosität dieses Glases zu reduzieren. Fluor ist jedoch ein flüchtiges Material. Von den 1% bis 2% Fluor, welches dem rohen Gemenge beigemischt wird, wird ein großer Anteil aus dem geschmolzenen Glas wieder ausgetrieben, so daß vielleicht lediglich 0,4% bis 0,5% in dem Glas verbleiben. Auch Bor wird von dem geschmolzenen Glas emittiert. Dies ist deshalb unerwünscht, weil die Emission von Fluor und Bor Probleme hinsichtlich der Luftverschmutzung erzeugen kann. Bei Brennstoff verwendenden Schmelzofen kann sich das emittierte Fluor auch mit dem Wasserstoff der Abgase verbinden und bildet Fluorwasserstoff.

Eine Möglichkeit zur Reduzierung bzw. zur Beseitigung der Emission von Fluor und Bor aus dem geschmolzenen Glas liegt in der Verwendung eines elektrischen Schmelzofens, wobei eine kontinuierliche Decke ungeschmolzenen Gemenges aufrechterhalten wird, welches auf

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der Oberfläche des geschmolzenen Glases in dem Ofen aufschwimmt. Das Fluor und Bor reagiert dann chemisch mit den Gemengematerialien oder kondensiert in der aus dem Gemenge bestehenden Decke. Dies reduziert dann wieder den Anteil an Fluor, der dem Gemenge zugegeben werden muß.

In der Vergangenheit haben sich Versuche, Glas mit einem hohen elektrischen Widerstandswert elektrisch zu schmelzen, als nicht erfolgreich erwiesen. Der niedrige Widerstandswert des feuerfesten Chromoxydmaterials und der höhere Widerstandswert des geschmolzenen Glases wirken dahin, daß ein größerer Anteil des dem Ofen zugeführten elektrischen Stromes durch die feuerfeste Auskleidung bzw. die Seitenwände fließt und nicht durch das Glas und eher die feuerfeste Auskleidung erhitzt. Dies führt zu heißen Stellen und zu einer ungleichmäßigen Erhitzung des Glases. Eine Lösung dieses Problems ist darin zu sehen, daß man "ein feuerfestes Material verwendet, welches bei der Temperatur geschmolzenen Glases einen hohen Widerstandswert aufweist. Nun löst sich jedoch Zirkon, das nächstbeste feuerfeste Material, in dem Glas wesentlich schneller als Chromoxyd auf und rekristallisiert, nachdem es sich in dem Glas bei den Ofentemperaturen aufgelöst hat, oft wieder aus dem Glas dann, wenn die Temperatur auf Arbeitstemperaturen reduziert wird, aus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit welchem es gelingt, auch Gläser mit sehr hohem spezifischen Widerstandswert im geschmolzenen Zustand in elektrischen Schmelzöfen aufzuschmelzen und zu erhitzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem Verfahren der eingangs geschilderten Art und besteht erfindungs-

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gemäß darin, daß in den Ofen eine Charge geschmolzenen Glases mit einem höheren Widerstandswert als das feuerfeste Material . der Ofenseitenwände eingebracht wird und man den Elektroden elektrische Energie zur Bewirkung eines elektrischen Stromflusses in dem geschmolzenen Glas zwischen der ersten und zweiten Elektrode zur Erhitzung des Glases aufgrund des Joule*sehen Effektes zuführt und daß man eine Vielzahl miteinander verbundener Elek-

ersten

troden zwischen der mindestens einen Elektrode und den Seitenwänden anordnet, so daß diese miteinander verbundene Elektroden den Strom in den Seitenwänden auf weniger als 3% des Stromes begrenzen, der zwischen den ersten und zweiten Elektroden fließt.

Der Erfindung gelingt es daher aufgrund einer speziellen Elektrodenanordnung auch bei einen sehr hohen spezifischen Widerstandswert aufweisenden geschmolzenen Glasmischungen ein zu starkes Erhitzen der Wände zu verhüten.

Allgemein ist die Erfindung also darin zu sehen, einen verbesserten Schmelzofen zur elektrischen Aufschmelzung von Glas oder anderen Materialien vorzusehen, wobei diese Materialien einen elektrischen Widerstandswert aufweisen, der größer als der elektrische Widerstandswert des feuerfesten Materials ist, welches innerhalb des Schmelzofens die Schmelzkammer bildet.

Vorteilhafterweise wird ein nur eine geringe Löslichkeit aufweisendes feuerfestes Material, vorzugsweise ein feuerfestes Chromoxyd einer solchen 'Formgebung unterworfen, daß es eine zur Aufnahme eines geschmolzenen Glaskörpers geeignete Schmelzkammer bildet. In der Kammer sind eine Vielzahl von Elektroden angeordnet, um das Glas aufgrund des Joule*sehen Effektes zu erhitzen. Wird der Ofen in Verbindung mit einer Einphasenstarkstromquelle verwendet, dann ist eine oder mehrere erste Elektroden mit der phasenführenden Seite, d.h. mit der "heißen" Seite der

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elektrischen Spannungsquelle verbunden; eine Vielzahl von zweiten Elektroden sind mit der an Masse gelegten Klemme der Spannungsquelle verbunden. Die ersten Elektroden sind dabei in der Schmelzkammer im Bereich des Kammermittelpunktes angeordnet, während die zweiten Elektroden zwischen den ersten Elektroden und den leitenden Seitenwänden der Kammer befindlich sind. Die zweiten Elektroden sind so angeordnet, daß sie den Potentialgradienten bzw. die elektrischen Spannungen in den Seitenwänden auf vorzugsweise weniger als 3% der zwischen den Elektroden angelegten Spannung absenken. Werden Vielphasen-Starkstromquellen verwendet, dann sind eine Gruppe erster Elektroden für jede Phase vorgesehen, wobei die ^asse- elektrodender zweiten Elektroden jeweils zwischen den die ersten Elektroden bildenden Gruppen, aber auch zwischen den ersten Elektroden und den Seitenwänden angeordnet sind.

Zusammengesetzte Gemenge von rohen Glasmaterialien sind über die Oberfläche des geschmolzenen Glaskörpers in der Sbhmelzkammer verteilt, das geschmolzene Glas wird an einer unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegenden Mündungsöffnung entnommen. Vorteilhafterweise ist das Glasgemenge so verteilt, daß es über der Oberfläche des geschmolzenen Glases eine kontinuierliche Decke aufrechterhält, so daß die Emission von Fluor und Bor an dieser Oberfläche beseitigt wird. Angrenzend an die untergetauchte Mündungsöffnung, an welcher das geschmolzene Glas entnommen wird, sind eine oder mehrere Masse-elektroden angeordnet, um im Bereich der Mündungsoffnung nach oben gerichtete Konvektionsströme zu erzeugen, so daß das ungeschmolzene Gemengematerial daran gehindert wird, an und in die Mündungsöffnung zu gelangen.

Vorteilhaft bei der Erfindung ist, daß der der Erfindung zugrundeliegende elektrische Schmelzofen Glas schmelzen kann, welches

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einen vorgegebenen elektrischen Widerstandswert aufweist, wobei die feuerfesten Wände des Schmelzofens einen vorgegebenen geringeren elektrischen Widerstandswert besitzen.

Dabei kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schmelzofens Glas aufgeschmolzen werden, welches weniger als 1% Alkalimetalle enthält.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der ünterarisprüche und in diesen niedergelegt. Im folgenden werden anhand der Figuren das erfindungsgemäße Verfahren sowie Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in Aufsicht einen Schmelzofen zur elektrischen

Schmelzung von Glas gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen elektrischen Schmelzofen zur Schmelzung von Glas gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 in Aufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schmelzofens zur Schmelzung von Glas und

Fig. 5 in Aufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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In Fig. 1 ist ein typischer Glasschmelzofen 10 bisher gebräuchlicher Art in Aufsicht dargestellt. Der Schmelzofen 10 besteht aus einer Schmelzkammer 11, die gebildet ist von vier Seitenwänden 12 bis 15 und weist vier Elektroden 16 bis'19 auf, um einem in der Schmelzkammer 11 befindlichem Körper aus geschmolzenem Glas elektrische Energie zuzuführen. Angrenzend an eine der Seitenwände 12 wird der Schmelzkammer 11 rohes Gemenge aus Glasmaterial beigegeben, während das geschmolzene Glas der Kammer 11 an einem untergetauchten, im Boden 21 des Ofens 10 angrenzend an die gegenüberliegende Seitenwand 14 angeordnetem Durchlaß bzw. Mündungsöffnung 20 entnommen wird. Ein Durchlaß 22 verbindet die Mündungsöffnung 20 mit einem nicht dargestellten Vorherd, aus welchem dann das geschmolzene Glas entnommen wird, um ihm eine Formgebung zu verleihen, so daß ein Produkt entsteht. Mit den vier Elektroden 16, 17, 18, 19 sind zur Erhitzung des in der Kammer 11 befindlichen geschmolzenen Glases aufgrund des Joule-Effektes, d.h. aufgrund der Joule¹sehen Wärme entweder zwei zweiphasige Starkstromquellen oder eine einzige vierphasige Starkstromquelle verbunden. Werden zwei zweiphasige Starkstromquellen verwendet, dann ist eine Phase mit den Elektroden 16 und 18 und die andere Phase mit den Elektroden 17 und 19 verbunden. Dies führt zu Stromflüssen in dem geschmolzenem Glas diagonal über die Kammer Ho Ist eine vierphasige Starkstromquelle verwendet, dann fließt Strom zwischen jeder der vier Elektroden. Die außerordentlich hohen Stromdichten an den Elektroden 16 bis 19 verursachen heiße Stellen des geschmolzenen Glaskörpers angrenzend an diese Elektroden. Die heißen Stellen verursachen wiederum heftige Konvektionsströme in dem Glas, die das geschmolzene Glas ständig in Be-

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wegung halten und umrühren. Aufbau und Entwurf eines solchen Schmelzofens 10 zum Schmelzen von Glas ist solange zufriedenstellend, als die die Seitenwände 12 bis 15 einen elektrischen Widerstandswert aufweisen, der beträchtlich größer als der elektrische Widerstandswert des geschmolzenen Glaskörpers ist. Dabei verstärkt sich der Stromfluß innerhalb der die Schmelzkammer 11 bildenden Wände, wenn der Widerstandswert der Wände abnimmt. Ein Stromfluß innerhalb der Wände erhitzt die Seitenwände in der gleichen Weise, in welcher der Stromfluß den geschmolzenen Glaskörper erhitzt, nämlich aufgrund des Joule'sehen Effektes. Nimmt der Widerstandswert der Wände ab, dann erhöht sich die Temperatur der Seitenwände und die Wärme, die in dem geschmolzenen Glaskörper erzeugt wird, nimmt ab. Es ist daher einleuchtend, daß, um eine überhitzung der Wände elektrischer Schmelzofen üblicher Art zu verhindern, das geschmolzene Glas einen geringeren elektrischen Widerstandswert haben muß, als die Wände des Ofens.

Bei den drei besten, üblicherweise zur Herstellung von niedrig alkalischen Borsilikatglas verwendeten feuerfesten bzw. hitzebeständigen Materialien für öfen handelt es sich um dicht geschmolzenes Silika, d.h. Kieselsäure, um Zirkon und Chromoxyd. Von diesen Materialien ist wiederum das Chromoxyd das bei weitem hitzebeständigste und feuerfeste für Glasschmelzöfen, aufgrund seiner geringen Löslichkeit im geschmolzenen Glas, das nächste in der Reihe der feuerfesten Materialien ist dann Zirkon. Bei den Temperaturen geschmolzenen Glases löst sich feuerfestes Chromoxyd bzw. eine daraus hergestellte Auskleidung mit etwa dem zehnten Teil der Geschwindigkeit auf, mit der sich

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Zirkon auflöst. Die Zusammensetzung eines typischen feuerfesten Chromoxyds besteht aus 95 % Cr₃O₃, 4 % TiO₃, 0_f2 % Fe₃O₃ und geringen Anteilen an SiO₂/ CaO und B₂O₃. ^E*^ne typische Mischung für ein feuerfestes Zirkon besteht aus 65 % ZrO₂, 34,4 % SiO₃, 0,25 % Al₃O₃, 0,2 % TiO₃ und Spuren von Fe₃O₃, CaO, MgO und Alkalimetallen.Die Zusammensetzung eines typischen, einen hohen Widerstandswert aufweisenden Glases, wie es bei der Herstellung von elektrischen Isolatoren "und Glasfasern für textile Zwecke verwendet Wird, beträgt 55 % SiO₃, 15 % Al₃O₃, 22 % CaO und 7 % B₃O₃. Es können sich auch Spuren von Alkalimetallen und anderen Unreinheiten in diesem Glas befinden, obwohl stets weniger als 1 % Alkalimetalle vorhanden sind, da diese einen großen Einfluß auf den Widerstandswert des Glases haben. In der nachfolgenden Tabelle sind angenähert die Widerstandswerte von feuerfestem Chromoxyd, feuerfestem Zirkon und einen hohen Widerstandswert aufweisenden Glas dargestellt:

	Tabelle I	in Ohm-Zentimeter	Glas mit hohem
	Widerstandswert	feuerfestes	Widerstand
Temperatur	in ⁰C feuerfestes	Zirkon	> 1000
	Chromoxyd	6.5 χ 10⁴	>1000
800	10.2	1.6 χ 10⁴	608
1000	2.5	6 χ 10³	204
1200	<1	4.5 χ 10³	12
1300	<1	3 χ 10³
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Bei Studium dieser Tabelle ergibt sich offensichtlich, daß Glas mit hohem Widerstandswert nicht in dem Schmelzofen 10 der Fig. 1 geschmolzen werden kann, wenn die Seitenwände 12 bis 15 der Schmelzkammer 11 aus feuerfestem Chromoxyd gebildet sind. Aufgrund des niedrigen Widerstandswertes hitze- bzw. feuerbeständigem Chromoxyd folgen die elektrischen Ströme dem kürzesten Weg durch das Glas zu den Seitenwänden 12 bis 15 und fließen dann durch die Seitenwände. Dies führt zu einer übermäßigen Erhitzung der Seitenwände und zu einer nicht angemessenen Erhitzung des Glases selbst.

In den Fig. 2 und 3 ist daher ein Schmelzofen 25 entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Schmelzofen 25 umfaßt eine Schmelzkammer 26, die von vier Seitenwänden 27 bis 30 gebildet ist. Die Seitenwände 27, 29 sind parallel, desgleichen die Seitenwände 28 und 30, so daß die Schmelzkammer 26 einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Mindestens eine und vorzugsweise ein Paar heißer Elektroden 31 sind so angebracht, daß sie in einer ersten Ebene liegen, die zentral zwischen und parallel zu den Seitenwänden 28 und 30 verläuft. In einer zweiten Ebene, die sich parallel zu und im Abstand zwischen der Seitenwand 28 und den heißen, d.h. elektrisch hoch liegenden Elektroden 31 erstreckt, ist eine Vielzahl an Masse gelegterElektroden 32 angeordnet, desgleichen in einer dritten Ebene, die sich parallel zu und im Abstand zwischen der Seitenwand 30 und dem die Phase führenden Elektroden 31 erstreckt. Die gestrichelt dargestellten Linien in Fig. 2 und den nachfolgenden Figuren geben elektrische Zwischenverbindungen zwischen den "heißen" Elektroden 31 und

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den an Masse gelegten Elektroden 32 an. Die Masseelektroden 32 in der zweiten und dritten Ebene sind den Seitenwänden 27 und 29 beträchtlich näher als die heißen Elektroden 31. Aufgrund einer solchen Anordnung werden die Wände 28 und 30 nahe dem Massepotential gehalten, so daß elektrische Spannungen bzw. auf elektrische Spannungen zurückzuführende Verzerrungen in den Wänden 27 und 29 klein gehalten werden. Sind die Elektroden 31 und 32 im ausreichenden Abstand zu den Wänden 27 und 29 angebracht, dann können diese Seitenwände aus einem feuerfesten Chromoxyd hergestellt werden, obwohl in dem Schmelzofen 25 ein Glas hohen Widerstandes geschmolzen wird. Die Elektroden 31 und 32 sind so montiert, daß sie sich durch den Ofenboden 33 erstrecken. Da der Ofenboden 33 hohen elektrischen Spannungen unterworfen ist, muß er aus einem feuerfesten Material mit einem extrem hohen elektrischen Widerstandswert hergestellt sein, wie beispielsweise dicht geschmolzenes Silika, d.h. also aus dichtem Quarzgut. In diesem Falle sind um die Elektroden 31 und 32 zur Durchführung einer Wasserkühlung Uimkleidungen bzw. Wassermantelkühler 34 vorgesehen, um den Ofenboden 33 zu kühlen und damit ein Einschneiden des Bodens 33 durch das geschmolzene Glas zu verhindern bzw. klein zu halten. Wenn zur Erhitzung des Glaskörpers in dem Ofen 25 eine größere Anzahl von Elektroden 31 und 32 verwendet werden, kann für diese Erhitzung auch eine geringere Spannung benutzt werden. Dies führt zu geringeren Stromdichten an den Elektroden 31 und 32 und eliminiert wiederum die heftigen Konvektionsströme, die angrenzend an jede Elektrode in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 auftreten. Indem diese heftigen Konvektionsströme beseitigt werden, wird auch eine Erosion des Bodens 32 beträcht-

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Ein Vorteil, der sich bei der Verwendung des elektrischen Ofens 25 zur Erhitzung von Glas mit hohem Widerstandswert ergibt, ist, daß Fluor dem Glas als Flußmittel und zur Kontrolle der Viskosität beigegeben wird und daß von einer Oberfläche 35 des geschmolzenen Glases in dem Ofen 25 Bor nicht freigegeben bzw. emittiert wird, über der Oberfläche 35 sind kühle Gemengematerialien 36 verteilt, um eine kontinuierliche Decke zu bilden. Die Decke aus kühlen Gemengematerialien 36 schließen das zugefügte Fluor in dem geschmolzenen Glas im Ofen 25 ein und verhindern die Freisetzung von Bor aus dem geschmolzenen Glas. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber Ofen, die öl bzw. Brennstoff verbrennen, und bei denen die Oberfläche 35 des geschmolzenen Glases von einer Flamme erhitzt wird, was das Entweichen von Fluor und Bor erlaubt.

Entnommen wird geschmolzenes Glas aus dem Ofen durch eine Mündungsöffnung 37, die sich durch eine der Seitenwände, nämlich die Seitenwand 30 unterhalb der Oberfläche 35 des geschmolzenen Glases erstreckt. Mindestens eine der an Masse gelegten Elektroden 32' ist angrenzend an die unter der Flüssigkeitsoberfläche liegende Mündungsöffnung 37 angeordnet. Die im Bereich dieser Masseelektrode 32' erzeugte Hitze bewirkt nach oben gerichtete Konvektionsströme des geschmolzenen Glases, so daß die rohen Gemengematerialien 36, die an der Oberfläche 35 des geschmolzenen Glases schwimmen, daran gehindert werden, in die Mündungsöffnung 37 einzudringen. Die öffnung 37 ist dann mittels eines Durchlasses 38 mit einem üblichen Vorherd verbunden, von

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welchem das geschmolzene Glas den weiteren Maschinenanlagen zugeliefert wird, um verschiedene"Arten von Glasprodukten, beispielsweise Glasfaden und dgl. zu erzeugen. Trotz der Vorteile des Ausführungsbeispiels in den Figuren 2 und 3 ist es möglich, daß die Wände 27 und 29 von etwa 10 bis 15 % der zwischen die heißen Elektroden 31 und die Masseelektroden 32 angelegten Spannung unter Spannung gesetzt werden. Dies unter Spannung setzen kann dadurch reduziert werden, daß man die Elektroden 31 und 32 von den Seitenwänden 27 und 29 noch weiter im Abstand hält, was zu einem kühleren Glas angrenzend an diese Wände führt. Trotzdem sind die Spannungen in den Seitenwänden 27 und 29 gelegentlich größer als erwünscht.

In der Fig. 4 ist daher ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Glasschmelzofens 40 dargestellt. Der Schmelzofen 40 weist eine rechteckförmig ausgebildete Schmelzkammer 41 auf, die gebildet ist von einem Paar paralleler Seitenwände 42 und 43 und einem zweiten Paar paralleler Seitenwände 44 und 45. Wie bei dem Ofen der Fig. 2 ist der Ofen 40 zur Verwendung in Verbindung mit einem Einphasen-Starkstrom entworfen und weist mindestens zwei heiße Elektroden 46 auf, die von einer Vielzahl von Masseelektroden 47 umgeben sind. Die heißen Elektroden 46 sind angrenzend bzw. im Bereich des Zentrums der Schmelzkammer 41 angeordnet und liegen in einer ersten Ebene parallel zu den Seitenwänden 44 und 45. Eine erste Reihe von Masseelektroden 47 ist in einer zweiten Ebene parallel zu und im Abstand zwischen der Ebene der heißen Elektroden 46 und der Seitenwand 44 angeordnet; eine zweite Reihe von Elektroden 47 liegt in einer dritten Ebene, die parallel zu und im Abstand zwischen der Ebene der heißen Elektroden 46 und der Seitenwand 45

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verläuft. Die heißen Elektroden 46 sind beträchtlich weiter von den Seitenwänden 41 und 42 entfernt als die Endelektroden der Reihen von Masseelektroden 47 in der zweiten und dritten Ebene. Zusätzlich sind dann noch zwei Masseelektroden 47 in einer Ebene parallel zu der Seitenwand 42 und im Abstand zwischen den Endelektroden der Elektrodenreihen in der zweiten und dritten Ebene und im Abstand zwischen den heißen Elektroden 46 und der Seitenwand 42 angeordnet. In gleicher Weise sind zwei Masseelektroden 47' in einer Ebene parallel zur Seitenwand 43 angeordnet und befinden sich zwischen den heißen Elektroden 46 und der Seitenwand 43. Diese Masseelektroden 4 7' isolieren die Seitenwände 42 und 43 von den elektrischen Spannungen, die in den Seitenwänden 27 und 29 des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispieles auftreten können. Bei dieser Anordnung kann die an den Seitenwänden 42-45 maximal auftretende elektrische Spannung auf unter 2% bis 3% der Spannung gehalten werden, die zwischen den heißen Elektroden 46 und den Masseelektroden 47 angelegt ist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 _f sind rohe Gemenge von Glasmaterialien über der Oberfläche des geschmolzenen Glaskörpers verteilt, der sich in der Schmelzkammer 41 des Ofens 40 befindet. Geschmolzenes Glas wird entnommen aus einer Mündungsöffnung 48 unterhalb der Oberfläche, die sich durch die Seitenwand 45 erstreckt. Bei dieser Anordnung können die Seitenwände 42-45 aus feuerfestem Chromoxydmaterial hergestellt sein, obwohl das in dem Ofen 40 geschmolzene Glas einen hohen Widerstandswert aufweist.

In Fig. 5 ist ein Schmelzofen 50 dargestellt, der zum elektrischen Aufschmelzen eines einen hohen Widerstandswert aufweisenden Glases mit Hilfe einer Vielphasenstarkstromquelle geeignet ist; im vorliegenden Fall mittels einer dreiphasigen Starkstromquelle. Der Ofen 50 weist eine rechteckförmige Schmelzkammer

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51 auf, die gebildet ist von parallelen Seitenwänden 52 und und parallelen Seitenwänden 54 und 55. Diese Seitenwände 52-55 können wiederum hergestellt sein aus einem feuerfesten, eine geringe Löslichkeit aufweisendem Chromoxydmaterial. In Ebenen parallel zu und im Abstand zu den Seitenwänden 54 und 55 sind drei Paare von Elektroden 56, 57 und 58 angeordnet. Eine dreiphasige Starkstromquelle ist zwischen die Elektroden 56, 57 und 58 zur Erhitzung des Glases geschaltet. In vier Ebenen sind Masseelektroden 59 in Reihen angeordnet, die Ebenen erstrecken sich parallel zu den Seitenwänden 54 und 55 und sind jeweils im Abstand gehalten zwischen den Elektroden 56 und der Seitenwand 54, zwischen den Elektroden 56 und 57, zwischen den Elektroden 57 und 58 und zwischen den Elektroden 58 und der Seitenwand 55. Die drei Elektrodenpaare 56, 57, 58 sind gegenüber den Reihen von Masseelektroden 59 in den vier oben erwähnten Ebenen weiter von den Seitenwänden 52 und 53 entfernt als diese. Zwischen jedem Paar von heißen Elektroden 56-58 und den Seitenwänden 52 und sind dann noch eine oder mehr zusätzliche Masseelektroden 59' angeordnet, um das auftreten elektrischer Spannungen in diesen Seitenwänden zu verhindern. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, reduziert eine einwandfreie Abstandshaltung der Masseelektroden 59 und 59* die in jeder der Seitenwände 52-55 auftretenden elektrischen Spannungen auf weniger als 3% der Spannung, die zwischen den Elektroden 56, 57 und 58 angelegt ist. Aus dem Aufbau des Ofens 50 ist weiterhin klar erkennbar, daß dieser auch einer zweiphasigen Starkstromquelle oder einer anderen vielphasigeren Starkstromquelle, die daher mehr als drei Phasen aufweist, angepaßt werden kann. Die Verwendung von vielphasigen Starkstromauellen hat den Vorteil, daß eine zonenmäßige Regelung bzw. Kontrolle der Temperaturen in dem Ofen möglich ist.

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Es versteht sich, daß innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens viele Veränderungen und Modifikationen hinsichtlich der Anordnungen der Elektroden und der Abstände in dem elektrischen Ofen eingeführt werden können. Darüber hinaus kann ein solcher Ofen auch für das Schmelzen von Glassorten mit niedrigen Widerstandswerten wie für Glassorten mit hohen Widerstandswerten verwendet werden, aber auch für das elektrische Schmelzen anderer, elektrisch leitender Materialien, ohne daß der erfindungsgemäße Rahmen verlassen wird.

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Claims

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Patentansprüche;

Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen von Glas in einem aus elektrisch leitendem feuerfesten Material aufgebauten Ofen, mit mindestens einer ersten und einer zweiten, in dem Ofen im Abstand zu den Seitenwänden angeordneten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ofen eine Charge geschmolzenen Glases mit einem höheren Widerstandswert als das feuerfeste Material der Ofenseitenwände^ingebracht wird und man den Elektroden elektrische Energie zur Bewirkung eines elektrischen Stromflusses in dem geschmolzenen Glas zwischen der ersten und zweiten Elektrode zur Erhitzung des Glases aufgrund des Joule'sehen Effektes zuführt und daß man eine Vielzahl miteinander verbundener Elektroden zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und den Seitenwänden anordnet, so daß diese miteinander verbundenen Elektroden den Strom in den Seitenwänden auf weniger als 3 % des Stromes begrenzen, der zwischen den ersten und zweiten Elektroden fließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ofen eingebrachte Glascharge einen Alkalimetallgehalt von weniger als 1 % aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche Decke aus ungeschmolzenem Glasmaterial auf der Oberfläche des geschmolzenen Glases in dem Ofen schwimmend aufrecht erhalten wird.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der miteinander verbundenen und zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und den Seitenwänden angeordneten Elektroden die zweiten Elektroden sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der miteinander verbundenen Elektroden angeordnet sind zwischen der mindestens einen zweiten Elektrode und den Seitenwänden und zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ofen mindestens eine dritte, mit Energie versorgte Elektrode angeordnet ist, wobei eine Vielzahl der miteinander verbundenen Elektroden weiterhin angeordnet sind . zwischen dieser mindestens einen dritten Elektrode und den ersten und zweiten Elektroden und zwischen dieser mindestens einen dritten Elektrode und den Seitenwänden.

7. Ofen zum elektrischen Aufschmelzen von elektrisch leitendem Material, vorzugsweise zum Schmelzen und Erhitzen von Glas mit einem höheren elektrischen Widerstandswert im geschmolzenem Zustand als die mit dem Glas in Kontakt stehenden Seitenwände des Ofens, dadurch gekennzeichnet, daß eine Boden- (33) und Seitenwände (27, 28, 29, 30; 42, 43, 44, 45; 52, 53, 54, 55) aus feuerfestem bzw. hitzebeständigem Material aufweisende Kammer (46, 41, 51) zur Aufnahme des

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geschmolzenen Körpers vorgesehen ist, das mindestens eine erste Elektrode (31, 46, 56, 57, 58) und eine Vielzahl von zweiten Elektroden (32, 47, 59) und Einrichtungen zum Zuführen einer elektrischen Starkstromleistung zwischen die erste und die zweiten Elektroden zum Erhitzen des in dem oben enthaltenden Materials aufgrund des Joule'sehen Effektes vorgesehen sind und daß die zweiten Elektroden (32, 47, 59) so- im Abstand zwischen der ersten Elektrode (31, 46; 56, 57, 58) angeordnet sind, daß diese den Potentialgradienten in den Seitenwänden des Ofens reduzieren.

8. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (27, 28, 29, 30; 42, 43, 44, 45; 52, 53, 54, 55) aus einem bei der Schmelztemperatur des zu schmelzenden Materials elektrisch leitendem feuerfestem Material gebildet sind.

9. Ofen nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die ersten und zweiten Elektroden eine vorgegebene Spannung anlegbar ist und die zweiten Elektroden so angeordnet sind, daß der Potentialgradient in den Seitenwänden auf weniger als 3 % der vorgegebenen Spannung reduziert ist.

10. Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadufch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Energiezuführung eine vielphasige Starkstromquelle vorgesehen ist, wobei die erste Elektrode mindestens jeweils eine erste Elektrode für jede Phase der Starkstromquelle aufweist, daß die zweiten Elektroden (32, 47, 59) mit Masse verbunden sind.

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11. Ofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus feuerfestem Material bestehenden Seitenwände (27, 28, 29, 30; 42, 43, 44, 45; 52, 53, 54, 55) des Ofens einen geringeren elektrischen Widerstandswert aufweisen als der elektrische Widerstandswert des geschmolzenen Glases in der Kammer und daß der Boden (33) aus einem feuerfestem Material besteht, das bei der Temperatur des geschmolzenen Glases einen hohen elektrischen Widerstandswert aufweist.

12. Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Seitenwände feuerfestes Chromoxyd ist.

13. Ofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (32, 47, 59) so angeordnet sind, daß sie die elektrischen Spannungen in den Seitenwänden auf weniger als 3 % der zwischen die ersten und zweiten Elektroden angelegten Spannung reduzieren.

14. Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des geschmolzenen Glaskörpers in der Schmelzkammer (26, 41, 51) eine Decke aus ungeschmolzenem Glasgemenges angeordnet ist.

15. Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Seitenwände (30, 45, 55) unterhalb der Oberfläche eine Mündungsöffnung (38, 48) zur Entnahme geschmolzenen Glases aus der Schmelzkammer (26, 41, 51) angeordnet ist und daß mindestens eine der zweiten

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Elektroden (32') angrenzend an die Mündungsöffnung derart angeordnet ist, daß das an der MündungsÖffnung befindliche geschmolzene Glas erhitzt und nach oben gerichteten Konvektionsströmungen unterworfen ist.

16. Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 15/ dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei erste Elektroden (31, 46) vorgesehen sind, daß die Seitenwände erste (27, 29) und zweite (28, 30) parallele, eine rechteckförmige Schmelzkammer (26, 41, 51) bildende Wände aufweist, daß die ersten

Ebene Elektroden (31, 46) in einer Reihe in einer ersten/parallel zu und im Abstand zwischen dem ersten Wandpaar (28, 30) angeordnet sind, daß eine Vielzahl zweiter Elektroden (32, 47) in einer Reihe in einer zweiten Ebene parallel zu und im Abstand zwischen einer der ersten Wände (28) und der ersten Ebene und eine Vielzahl zweiter Elektroden in einer Reihe in einer dritten parallel zu und im Abstand zu der anderen ersten Wand (30) und der ersten Ebene angeordnet sind, wobei die ersten Elektroden (31) beträchtlich weiter von den zweiten Wänden (27, 29) als die Endelektroden in den Elektrodenreihen in der zweiten und dritten Ebene im Abstand gehalten sind.

17. Ofen nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei weitere zweite Elektroden (47') zwischen den zweiten und dritten Ebenen in einer vierten Ebene parallel zu einer der zweiten Wände (42) und mindestens zwei zweite Elektroden (47') zwischen der zweiten und dritten Ebene in einer fünften Ebene parallel zu der

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anderen zweiten Wand (43) angeordnet sind, wobei die vierten und fünften Ebenen im Abstand gehalten sind zwischen den ersten Elektroden (46) und den zweiten Wänden (42, 43).

18. Ofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die unter der Oberfläche liegende Öffnungsmündung (48) in einer der ersten Wände (45) und im Abstand zu den zweiten Wänden (42, 43) angeordnet ist, wobei mindestens eine der zweiten Elektroden (47) angrenzend an die öffnungsraündung angeordnet ist.

19. Ofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden aus drei Elektrodengruppen (56, 57, 58) mit mindestens jeweils einer Elektrode bestehen, daß diesen drei Gruppen erster Elektroden ein dreiphasiger Starkstrom zuführbar ist, wobei die zweiten Elektroden (59) geerdet sind, daß die Gruppen (56, 57, 58) aus ersten Elektroden in parallelen Reihen angeordnet sind und die zweiten Elektroden (59) im Abstand zwischen den Gruppen der ersten Elektroden und den Gruppen der ersten Elektroden und den Seitenwänden (54, 55) angeordnet sind.

20. Ofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein vielphasiger Starkstrom verwendet ist, wobei die ersten Elektroden für jede Phase des.Starkstromes mindestens eine Elektrode aufweisen und die zweiten Elektroden an Masse gelegt sind und die zweiten Elektroden so zwischen den ersten Elektroden und den ersten Elektroden in den Seitenwänden angeordnet sind, daß die elektrischen Spannungen in den Seitenwänden reduziert sind.

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