DE2347298A1 - Elektrischer schmelzofen fuer glasund keramikmassen - Google Patents
Elektrischer schmelzofen fuer glasund keramikmassenInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖN WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER
DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH DIPL.-ING. SELTlNG
5 KÖLN 1, DEICHMANNHAUS
19. Sept. 1973 Seh-DB/ls
Jacques, Marie, Yves LE CIERC DE BUSSY 80 BUSSY par POIX (Frankreich)
Elektrischer Schmelzofen für Glas- und Keramikmassen
Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen für Glas- oder
Keramikmassen, bestehend aus einer Wanne, in deren Mitte sieh eine Abzugvorrichtung für die Schmelzmasse
befindet·, die von Schmelzelektroden umgeben ist und mit diesen Elektroden eine Wärmequelle bildet, die dem
Wanneninneren Wärme zuführt, wobei diese Wärmequelle in dem Schmelzbad ein sehr hohes Temperaturgefälle zwischen
der Mitte der Wanne und ihrer Umfangszone hervorruft, indem sie radiale Konvektionsstrome erzeugt, die
an der Oberfläche des Bades nach außen und im Bereich des Wannenbodens zur Mitte gerichtet sind.
Das Vorhandensein dieser Konvektionsstrome gestattet
insbesondere ein Frischen des in dem Ofen bearbeiteten Produktes während dieses aus dem Wannenaußenbereich
- 2 -. 9813/0952
zur Mitte hin strömt. Versuche haben jedoch gezeigt,
daß in bekannten öfen aufgeschmolzene Produkte nicht
ausreichend homogen sind, da die radialen Konvektionsströme
nicht im gesamten Ofen die gleiche Temperatur haben. Hieraus folgt, daß durch diese unterschiedlichen
"Wärmebahnen" der Masse in den von diesen Konvektionsströmen bestimmten radialen Zonen die Homogenität des
aus dem Ofen abgezogenen Produktes nicht so gut ist wie wünschenswert wäre. Mit dem Ausdruck "Wärmebahn11
sind die Zeit- und Temperaturbedingungen gemeint, die die Bildung und Raffinierung des Produktes bestimmt
haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten elektrischen Ofen zu schaffen, mit dem es
gelingt, ein Schmelzprodukt zu erhalten, dessen Homogenität zu der bisher erreichbaren erheblich verbessert
ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen
sind, die in dem Schmelzmassebad zu den radialen Konvektionsströmen
eine leichte kreisende Bewegung um die Wannenmitte erzwingen, die ein gleichmäßiges Umrühren
der Radialströme in dem Schmelzbad bewirkt .
Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 schematische Ansichten zur Veranschaulichung der Nachteile eines herkömmlichen Schmelzofens,
409813/0952
Pig. 5 einen senkrechten Schnitt einer ersten Ausführungsform
eines Schmelzofens gemäß der Erfindung,
Fig. 6 den Mittelteil des Ofens nach Fig. 5 in vergrößertem
Maßstab und in Draufsicht und
Fig. 7 und 8 in Draufsicht bzw. perspektivischer Ansicht
schematisch zwei weitere Ausführungsformen der
Erfindung.
Der erfindungsgemäße Schmelzofen weist ein an sich bekanntes Gestell auf, auf dem eine Wanne mit im wesentliehen
kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist. In der Mitte dieser Wanne befindet sich eine Abzugvorriehtung,
die von drei Schmelzelektroden umgeben ist, welche mit der Abzugvorrichtung eine Wärmequelle darstellen,
die für die Aufschmelzung des in dem Ofen zu bearbeitenden Produktes notwendig ist.
Bei einem solchen Ofen läßt sieh in der Schmelze zwischen
dem Zentrum und dem Umfang der Wanne ein sehr hohes Temperaturgefälle feststellen, das radiale Konvektionsströme
erzeugt, die von der Mitte zur Oberfläche des Schmelzbades gerichtet sind. Die treibende
Kraft für diese Ströme ist die Wärmepumpe, die durch die Schmelzelektroden und die Abzugvorrichtung gebildet
ist, wobei die Wärme durch den Joule-Effekt in der Schmelzmasse selbst erzeugt xvird, die als Elektrizitätsleiter
wirksam ist. Diese Konvektionsströme sinken nach ihrer Bewegung aus der Mitte des Bades zu dessen Oberfläche
nach unten gegen "die senkrechte Umfangswand der Wanne und kehren dann über den Sehachtboden zur Mitte
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zurück.
Die Schmelzmasse wird gefrischt, wenn die Konvektionsströme sich dem Zentrum nähern. Auf dieser Bahn der
Schmelzmasse kann sich die Absonderung von Blasen vollziehen, die durch die Schmelzung der Masse entstanden
sind und die infolge der unterschiedlichen Dichte des Produktes und in den Blasen eingeschlossener Gase zur
Oberfläche des Bades aufsteigen.
Praktische Versuche haben gezeigt, daß diese Konvektionsströme
ausschließlich in radialen Ebenen verlaufen. Zum Beweis dieses Phänomens kann man in ein Glasbad
als Indikator ein kräftiges Farbmittel einbringen. Dieses Farbmittel, beispielsweise 5 g Kobaltoxyd, die innig
mit einem Kilogramm der Schmelzmasse vermischt sind, wird auf die Oberfläche des Schmelzbades aufgebracht,
und zwar an einer Stelle dicht am Wannenrand. Eine solche Farbmittelmenge schmilzt langsam und man stellt
fest, daß sie etwa 20 mm in das Bad aufgenommen wird. Fünfzehn Minuten nach Einbringung dieses Farbmittels
erscheint in dem aus dem Ofen abgezogenen kontinuierlichen Glasstrahl ein sehr schmaler Farbfaden.
Fig. 1 zeigt das Auftreten dieses Fadens in der Q,uerschnittsdarstellung
des Strahles j,der den Ofen durch die Abzugvorrichtung verläßt. Der Indikator ist als
Punkt χ erkennbar.
Bei gegebener Größe des Ofens dauert es etwa 4 Stunden
bis der Faden sich allmählich vergrößert, dann verschwimmt und verschwindet, wobei der Faden inzwischen
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" 5" 2347295
etwa den Teil y des in Fig. 2 ebenfalls im Querschnitt dargestellten, die Abzugvorrichtung verlassenden Strahles
j einnimmt. Es ist also erkennbar, daß das Farbmittel nur in einer ganz bestimmten Zone des Ofens mit
der Schmelzmasse vermischt wird, was beweist, daß die Konvektionsströme auf ihrem Wege eine genau festgelegte
Radialbahn zurücklegen.
Wenn es sich um schwer schmelzbare oder in einem gleichartigen Ofen bearbeitete keramische Massen handelt und
wenn diese Massen insbesondere gegen Infrarot-Strahlung, die zu einem wesentlichen Teil zur Erhitzung des Ofenbades
beiträgt, undurchlässig sind, was den Wärmeaustausch zwischen den verschiedenen Radialzonen einschränkt,
stellt man fest, daß die Oberfläche der Schmelze dreieckige Form annimmt. Dies wird in Fig. 3 veranschaulicht,
die eine schematische Draufsicht eines Ofens mit drei Elektroden e zeigt, die zueinander einen Winkelabstand
von.120° haben und eine Abzugvorrichtung d mit einer Ablaßöffnung ο umgeben. Das Schmelzbad hat dreieckige
Form, woraus man schließen kann, daß warme Zonen (Pfei-
1 2
Ie f ) und kalte Zonen (Pfeile f ) vorhanden sind. Diese
Zonen entsprechen jeweils den Anbringungsstellen der drei Elektroden e und den Räumen zwischen diesen
Elektroden. Die warmen Radialzonen erstrecken sich über einen größeren Radialabstand, weil die Wärmezufuhr y
wichtiger ist als in den kalten Zonen.
Obwohl die erwähnten Vorgänge bei Produkten verschiedener Beschaffenheit festgestellt worden sind, kann man
annehmen, daß sie mehr oder weniger ausgeprägt auch bei Glas- und Keramikmassen auftreten. Der Mangel an
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Homogenität, den man bei einem in einem herkömmlichen Ofen bearbeiteten Produkt antrifft, ergibt sich also
aus verschiedenen "Wärmebahnen" des Produktes in den unterschiedlichen Radialzonen des Ofens.
Fig. 3 zeigt, daß die warmen und kalten Zonen etwa eine Winkelerstreckung von 60° aufweisen, und daß der
Joule-Effekt insbesondere zwischen den Elektroden e und der Abzugvorrichtung d auftritt. Andererseits wird
bei dem Ofen nach Fig. 4, der sechs Elektroden aufweist,
der Joule-Effekt vor allem zwischen den Elektroden selbst erzeugt und die Abzugvorrichtung ist wenigstens unter
elektrischen Gesichtspunkten nicht mehr unmittelbar betroffen. In diesem Falle erstrecken sich die warmen und
kalten Zonen also über etwa 30°. Bei dem Ofen gemäß Fig.
4 ist im übrigen der Temperaturunterschied zwischen den warmen und kalten Zonen nicht mehr so groß wie im
Falle der Fig. 3.
Die Fig·. 5 und 6 zeigen schematisch einen erfindungsgemäßen
Schmelzofen. Diesem Ofen weist auf einem nicht gezeichneten
Gestell eine Wanne 1 auf, die beispielsweise aus reinem Kupfer hergestellt sein kann. Diese Wanne 1 ist
von einer Anzahl Kühlschlangen 2 umgeben, die von geeignetem Kühlmittel, z.B. Wasser, durchflossen sind.
Die Wanne ist kreisförmig gestaltet und in ihrer Mitte mit einer Abzugvorrichtung 3 versehen. Zu letzterer
gehört ein Rohr 4 aus sehr feuerbeständigem Material, dessen Auslaßleitung 5 das Innere der Wanne 1 mit dem
Außenraum verbindet und durch die die verarbeitete und raffinierte Masse kontinuierlich abgelassen wird. Das
Rohr 4 ist am Boden der Wanne 1 mittels eines konischen
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Mantel-stüekes befestigt und trägt an ihrem oberen Ende
einen Zentralblock 7* der bei der dargestellten Ausführungsform eines Ofens mit drei Elektroden dreieckig
gestaltet ist (Fig. 6). Die Abzugvorrichtung 3 ist von drei Elektroden 8 umgeben, die von Elektrodenstangen
9 getragen werden, welche abgedichtet durch den Wannenboden hindurchgeführt und an eine dreiphasige Stromquelle
angeschlossen sind.
Der Wannenboden ist mit einem feuerfesten Material 10 ,
z.B. pulverisiertem Material wie Zirkonsand gefüllt,
auf dem eine ebenfalls feuerfeste Platte 11 liegt. Die Seitenwände .der Wanne sind mit einer feuerfesten Auskleidung
12 versehen.
Der Schmelzofen ist mit Mitteln zum Umrühren ausgestattet, die bei dem Beispiel gemäß Fig. 5 und 6 drei
gebogene Schirme oder Leitplatten 13 aus hochfeuerbeständigem
Metall, z.B. Molybdän, aufweisen. Diese Schirme 13 sind in Nuten 14 in der feuerfesten Platte 11
eingesetzt. Die Nuten I^ verlaufen beinahe radial und
sind in Anpassung an die Krümmung der Schirme I3 leicht
gebogen.
In Fig. 5 zeigen die Pfeile t den Weg der Konvektionsströme
in dem Ofenbad. Man sieht, daß diese Ströme zwischen dem Zentralblock 7 und den Elektroden 8 entstehen,
zwischen denen sich die Wärmepumpe befindet, die durch die Erwärmung der Masse aufgrund des Joule-Effektes
gebildet wird. Die Ströme bewegen sich entlang der Oberfläche des Bades zur Peripherie hin, wobei
sie unterhalb einer Masseschicht 15 verbleiben,
409813/0952 ~ 8 "
die dauernd von einem.nicht gezeichneten Verteiler oberhalb
des Ofens aufgefüllt wird. An der Peripherie sinken die Ströme auf den Boden, wobei sie ihre niedrigste
Temperatur innehaben. Danach kehren sie zum Zentrum zurück und geraten erneut unter den Einfluß der Wärmepumpe.
Während dieser letzten Bahn vollzieht sich das Raffinieren der geschmolzenen Masse.
Durch die Schirme I^ werden die Konvektionsstrome, die
sich in den kalten Zonen ausbreiten (Pfeile f^ in Fig. 6)
in die wärmeren Zonen im Bereich der Räume Elektrode-Zentralblock derart abgelenkt, daß die von diesen verhältnismäßig
kalten Strömen transportierte Masse dem aufheizenden Einfluß der Wärmepumpe im Zentrum unterworfen
wird, um dann von den radialen Konvektionsströmen der entsprechenden Wärmezone wieder aufgenommen zu
werden.,Hieraus ergibt sich, daß die Masse nicht nur dem Weg· der radialen Kovektlonsströme folgt, sondern
noch eine gewisse Rotationsbewegung um die Ofenmitte vollführt, wodurch die gesamte Schmelzmasse umgerührt
wird. Man erzielt auf diese Weise ein Produkt, dessen Homogenität weitaus besser ist als bei Schmelzen, die
mit herkömmlichen öfen gewonnen sind.
Die Höhe der Schirme Γ5 ist so gewählt, daß sie die
Bewegungsbahn der Konvektionsstrome an der Oberfläche des Bades nicht behindern. Die Schirme erstrecken sich
vorzugsweise etwa bis zur halben Höhe des Ofenbades.
Das geschmolzene Produkt, das in der Wannenmitte nach oben getrieben wird, ist praktisch von Blasen frei,
weil - wie schon erwähnt - das Frischen sich in den
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Konvektionsströmen In der Nähe des Wannenbodens vollzieht
und größere Mengen von Blasen in der Umfangszone der Wanne vorhanden sind. Die Länge der Schirme
wird zweckmäßig so gewählt, daß das hochfeuerfeste Metall praktisch keine Berührung mit Blasen des noch
nicht raffinierten Produktes hat, weil diese Blasen insbesondere Oxydationsgase enthalten, die schädlich
sind und das Material der Schirme angreifen. Es hat sich herausgestellt, daß eine Länge von etwa 1/4 des
Ofenhalbmessers zu bevorzugen ist.
Insbesondere in Fig. 6 ist erkennbar, daß die Schirme
13 mit den elektrischen Teilen des Ofens keine Berührung haben und daß sie nicht an der Energiezufuhr im
Ofen teilnehmen, wodurch ihr Verschleiß sehr eingeschränkt wird.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht eines Ofens mit sechs
Elektroden 8a, wobei Schirme 13a in der Nähe jeder
Elektrode vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform
bestehen die Schirme aus ebenen Platten, die senkrecht und parallel zu den entsprechenden Radialebenen des
Ofens angeordnet sind« Diese Radialebenen sind vorzugsweise diejenigen, in denen die Achsen der Elektrodenstangen
8a liegen. Die Schirme 13a haben die gleiche Wirkung wie die Schirme des vorstehend erläuterten Ausführungsbeispieles,
d.h. auch sie verursachen einen Transport der Schmelzmasse aus kalten Zonen in warme
Zonen des Schmelzbades.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit der
Erfindung für einen Ofen mit drei Elektroden 8b. In
0 9 8 13/0952 - io -
diesem Falle sind die Schirme \~ya als ebene Platten
ausgebildet, die in Richtung der Ofenradien angeordnet, jedoch zur Senkrechten schräggeneigt sind. Diese
Schirme 13b sind ebenfalls im Bereich der Ofenmitte
und zwischen zwei benachbarten Elektroden 8b vorgesehen.
- 11 -
0 9 813/0952
Claims (6)
1. Schmelzofen für Glas- oder Keramikmassen, bestehend aus einer Wanne, in deren Mitte sich eine
Abzugvorrichtung für die Schmelzmasse befindet, die von Schmelzelektroden umgeben ist und
mit diesen Elektroden eine Wärmequelle bildet, die dem Wanneninneren Wärme zuführt, wobei diese Wärmequelle
in dem Schmelzbad ein sehr hohes Temperaturgefälle zwischen der Mitte der Wanne und ihrer
Umfangszone hervorruft, indem sie radiale Konvektionsströme erzeugt, die an der Oberfläche des Bades
nach außen und im Bereich des Wannenbodens zur Mitte gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel (13, 13a, 13b, .14)
vorgesehen sind, die in dem Schmelzmassebad zu den radialen Konvektionsströmen (t) eine leichte kreisende
Bewegung (f ) um die Wannenmitte erzwingen, die ein gleichmäßiges Umrühren der Radialströme
in dem Schmelzbad bewirkt .
2. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Erzwingung
des Rühreffektes Schirme (13a, Ij5k/ 13c)
aufweisen, die in einer feuerfesten Auskleidung (11) auf dem Wannenboden befestigt und so angeord- ■
net sind, daß sie die Konvektionsströme (t) von ihrer Umkehrbahn zur- Ofenmitte hin ablenken.
3. Schmelzofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet
, daß die Schirme (13a, 13b, 13c) in den Konvektionsströmen angeordnet
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sind, die sich in den Radialzonen des Ofens bewegen,
in denen die Temperatur niedriger als in den benachbarten Zonen ist, die unmittelbar unter dem
Einfluß der Wärmeenergiezufuhr von den Elektroden (8, 8a, 8b) stehen.
4. Schmelzofen nach den Ansprüchen 2 und 3>
d a dur'ch gekennzeichnet, daß die
Schirme -(13a* 13d* 13c) aus Platten aus hochfeuerfestem
Metall, z.B. Molybdän, bestehen, die in Nuten (14) in der feuerfesten Auskleidung (11)
eingesetzt sind.
5· Schmelzofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Platten (13) gebogen ausgebildet und senkrecht angeordnet sind.
6. Schmelzofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet
, daß die Platten (13a) senkrecht stehen und parallel zu den Radialebenen angeordnet sind, die vorzugsweise mit denjenigen
zusammenfallen, in denen die Achsen der Elektrodenstangen (8a) liegen.
7· Schmelzofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet
, daß die Platten (13b) eben gestaltet und radialgerichtet, jedoch zur
Senkrechten schräggeneigt, angeordnet sind.
409813/0952
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