Elektrischer Ofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut Es sind Ofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut mittels elektrisch beheizter Heizstäbe aus Graphit bekannt. Derartige Ofen wei sen in der Regel einen senkrechten Schacht auf, des sen Querschnitt quadratisch oder rechteckig, gegebe nenfalls auch rund oder oval sein kann. Die Heiz- stäbe sind im oberen Teil dieses Schachtes parallel zueinander liegend angeordnet, und sie durchdringen den Schacht in waagerechter Richtung.
Im Ofenoberteil, oberhalb der Heizstäbe, lagert der Quarzsand und rieselt den Heizstäben zu. Beim Durchtreten zwischen den Heizstäben wird der Quarzsand geschmolzen und fliesst als geschmolzene Masse, als Quarzgut, aus dem Raum zwischen den Heizstäben nach unten ab. Die geschmolzene und allmählich erkaltende Masse bildet dann, im Quer schnitt und in der Länge den Ausmassen des Schach tes des Ofens entsprechend, einen Quarzgutblock grossen Ausmasses.
In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass die mit Ofen der vorstehend erläuterten Bauart angestrebte Möglichkeit, Quarzgutblöcke grossen Ausmasses her zustellen, sich nicht ohne weiteres verwirklichen liess. Die Heizstäbe zeigten einen vorzeitigen starken Ver schleiss und mussten schon nach kurzer, nur wenige Stunden betragender Betriebsdauer ausgewechselt werden. Die dadurch bedingte Unterbrechung des Schmelzvorganges machte es unmöglich, grössere Blöcke, insbesondere solche von praktisch brauch barer Länge, zu erzeugen und einen kontinuierlichen Schmelzbetrieb aufrechtzuerhalten.
Es wurde beobachtet, dass sich beim Schmelzen von Quarzsand in der Oberflächenschicht der aus Graphit bestehenden Heizstäbe Siliziumkarbid bildet, das sich in Form einer Schicht auf die Heizstäbe legt. Diese Schicht verbleibt fest an den Heizstäben, wenn eine Berührung der Heizstäbe mit der geschmolzenen Masse verhindert wird, wird jedoch ganz oder -teil weise abgerissen, wenn die Heizstäbe in Berührung mit der Schmelze kommen. Auf der freigelegten Gra- phitfläche bildet sich dann sofort wieder eine neue Siliziumkarbidschicht,
die ebenfalls wieder abgerissen wird. Die ständige Wiederholung dieser Vorgänge Bildung von Siliziumkarbidschichten und Abreissen derselben - bewirkt in sehr kurzer Zeit eine Ver ringerung des Querschnittes der Heizstäbe bis zu einer Stärke, bei der die Heizstäbe bei Stromdurchgang überlastet sind und unter Lichtbogenbildung eine Stromunterbrechung eintritt. Dabei genügt schon der Ausfall eines Heizstabes von mehreren hintereinan- dergeschalteten Heizstäben zur Unterbrechung des Schmelzvorganges.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, bei einem solchen, mit wanderndem Schmelz gut und wandernder Schmelze, insbesondere zum Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut, arbeitenden Ofen diesen grossen Verschleiss der Heizstäbe zu ver hindern und damit einen fortlaufenden Schmelz betrieb bzw. die Herstellung von Blöcken brauch barer Länge zu ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Ofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarz sand zu Quarzgut mittels elektrisch beheizter, im Ofenoberteil angeordneter, parallel zueinander und waagrecht liegender Heizstäbe aus Graphit, bei wel chem der Quarzsand von oben her zu den Heiz- stäben rieselt und das erschmolzene Quarzgut zwi schen den Heizstäben absinkt, welcher Ofen dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Heizstab zum Erschwe ren seiner Berührung mit dem Schmelzgut durch eine ihn in seiner ganzen Länge gegen oben abdeckende, ganze oder teilweise Umhüllung abgeschirmt ist.
Bei einem solchen erfindungsgemässen Ofen kann der Schmelzvorgang in der Weise durchgeführt wer- den, dass das Bilden der Siliziumkarbidschicht auf den Heizstäben und das nachfolgende Abreissen die ser Schicht bzw. der fortlaufend sich bildenden Schich ten durch die Schmelzmasse vermieden wird. Die Lebensdauer der Heizstäbe ist deshalb länger, so dass das Schmelzen längere Zeit ununterbrochen durchgeführt und dadurch Blöcke grossen Querschnit tes und von grosser Länge erschmolzen werden kön nen.
Die Umhüllung der Heizstäbe kann verschiedene Querschnittsformen besitzen. Es ist von Vorteil, wenn ein guter Durchgang des Schmelzgutes durch den zwischen benachbarten Heizstäben vorhandenen ge ringen Zwischenraum gewahrt bleibt. Eine nur teil weise den Heizstab dachartig überdeckende Umhül lung hat den Vorteil, dass ein grosser Teil der von den Heizstäben ausstrahlenden Wärme das Schmelz gut unmittelbar trifft. Die Umhüllungen der Heiz- stäbe können aber auch kreisringförmigen oder oval ringförmigen Querschnitt aufweisen,
wobei gegebe nenfalls an ihrer Unterseite ein über ihre ganze Länge sich erstreckender Längsschlitz vorgesehen sein kann.
Dachförmige Umhüllungen bzw. Abdeckungen, deren Dachflächen eben oder gekrümmt sein kön nen, weisen an ihren unteren Kanten zweckmässig je eine Reihe von Aussparungen auf, derart, dass gezackte Traufkanten gebildet werden, welche Brük- kenbildungen des Schmelzgutes zwischen benachbar ten Abdeckungen entgegenwirken. Eine solche dach- förmige Abdeckung kann an ihrer Oberseite mit einer sich über die ganze oder nahezu die ganze Länge erstreckenden Versteifungsrippe versehen sein, wel che sie gegen Durchbiegung widerstandsfähiger macht.
Derartige dachförmigen Abdeckungen können an ihrer Aussenfläche parallel oder senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende, wellenförmige Erhöhun gen und Vertiefungen aufweisen, durch welche ihre die Wärme abgebenden Flächen vergrössert werden.
Die Umhüllungen dürfen vom elektrischen Strom nicht durchflossen werden. Dementsprechend werden sie vorteilhaft mit geringem Zwischenraum vom Heiz- stab angeordnet bzw. in geeigneter Weise elektrisch isoliert an den Elektrodenblöcken befestigt.
Als Bau stoff für die Umhüllungen wählt man zweckmässig einen möglichst gut wärmeleitenden, nichtmetallischen Stoff. Geeignet sind hochfeuerfeste Oxyde, beispiels weise Zirkonoxyd, auch Nitride, wie Titannitrid, Zir- konnitrid, oder Boride, wie Titanborid, Zirkonborid. Aber auch Karbide können verwendet werden, bei spielsweise Siliziumkarbid, Titankarbid. Sogar aus Graphit können die Umhüllungen hergestellt werden.
Solche Umhüllungen überziehen sich zwar mit einer Siliziumkarbidschicht. Hier bleibt aber diese Schicht fest. anliegen; sie wird von der Gutschmelze nicht abgerissen, da durch die Umhüllung kein Strom fliesst. Infolgedessen bleibt die Eigentemperatur der Umhül lung den Heizstäben gegenüber wesentlich niedriger, so dass auch kein Absprühen der gebildeten Silizium- karbidschicht eintritt. Vielmehr bildet diese Schicht für die Umhüllung eine Schutzschicht, welche die Lebensdauer der Umhüllung verlängert. Eine solche Schutzschicht oder eine aus anderen Stoffen beste hende Schutzschicht kann schon vor dem Einbau der Umhüllungen, auch bei solchen aus anderen Stoffen, auf die Umhüllungen aufgebracht werden.
Umhüllungen, die eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit als die Graphitheizstäbe besitzen, bei spielsweise solche aus . Siliziumkarbid, dürfen die Heizstäbe auch berühren oder können sogar mit ihnen verschweisst sein. Hier sind die Umhüllungen nicht oder nur in geringem Mass am Stromdurchgang beteiligt, da der Strom stets dem guten Leiter nach geht. Infolgedessen tritt in solchen Fällen keine Zer störung der Umhüllung ein.
Unterhalb der mit den Umhüllungen versehenen Heizstäbe bleibt infolge der hohen Viskosität der Schmelze ein Hohlraum. In diesem Hohlraum sam meln sich Gase oder Dämpfe, die sich beim Schmelz vorgang bilden, beispielsweise CO, Si, SiO, Si0_. Zweckmässig werden diese Gase aus dem Hohlraum abgezogen. Hierzu wird vorteilhaft in die lang gestreckten Hohlräume von deren einem Ende her ein inertes Spülgas, beispielsweise Stickstoff, unter Druck eingeblasen. Am gegenüberliegenden Ende der Hohlräume werden dann alle Gase herausgedrückt oder herausgesogen. Dadurch werden Gaseinschlüsse in der Schmelze vermieden, und diese wird blasen frei.
Eine solche Abschirmung der Heizstäbe gegen eine Berührung mit der Schmelzmasse kann man für alle Arten von Heizstäben zum Schmelzen verschie denartiger Stoffe anwenden, wenn die Heizstäbe vor einer Berührung mit dem Schmelzfluss geschützt wer den sollen oder eine Abführung von entstehenden Gasen erforderlich ist.
In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ofens und verschiedene Aus führungsformen der Umhüllung der Heizstäbe dar gestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch den oberen Teil eines Ofens zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut nach der Linie a-b in Fig. 2, Fig.2 einen waagrechten Schnitt durch diesen Ofen nach der Linie c-d in Fig. 1 und Fig. 3 bis 5, 7, 9, 11 sechs verschiedene Ausfüh rungsformen der Heizstabumhüllung im Querschnitt.
Fig. 6, 8, 10 sind Seitenansichten zu den Fig. 7, 9 bzw.<B>11.</B>
Der Ofenschacht wird von dem Wandmauerwerk 1 gebildet, das von einem Blechmantel 2 umgeben ist. In seinem oberen Teil wird der Ofenschacht von nahe beieinanderliegenden, parallel zueinander an geordneten Heizstäben 3 in waagrechter Richtung durchdrungen.
Oberhalb der Heizstäbe 3 lagert das zu schmel zende körnige Gut, der Quarzsand. Dieser Quarz sand rieselt den Heizstäben 3 zu, wird beim Durch treten zwischen den Heizstäben 3 geschmolzen und fliesst als geschmolzene Masse, als Quarzgut, aus dem Raum zwischen den Heizstäben 3 nach unten ab. Die allmählich erkaltende Masse bildet dann den Quarzgutblock.
Die Heizstäbe 3 sind in einem geringen, das Durchrieseln von Quarzsand noch ermöglichenden Abstand angeordnet und über ihre ganze Länge gegen oben mit einer Abdeckung 4 versehen, die eine Be rührung zwischen dem Schmelzgut und den Heizstä- ben 3 erschwert.
Die Abdeckungen 4 liegen an ihren Enden auf den Elektrodenblöcken 5 auf. Durch Anordnung von Isolierplättchen zwischen den Auflagern der Abdek- kungen 4 und den Elektrodenblöcken 5 können die Abdeckungen 4 gegen den Durchgang von Strom ge sichert werden. Mit 9 sind die Stromanschlüsse zu den Elektroden 5 bezeichnet.
Die Abdeckungen 4 der Heizstäbe 3 können ver schiedene Querschnittsformen besitzen. In Fig. 1 sind dachförmige Abdeckungen mit gekrümmten Dach flächen dargestellt. Bei der Ausführungsform der Ab deckung 4 eines Heizstabes 3 nach Fig. 3 weist diese Abdeckung oben eine Versteifungsrippe 6, welche sich über die ganze oder nahezu die ganze Länge der Abdeckung 4 erstreckt, auf. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Abdeckung 4 zur Erzielung ihres Auflagers mit Zwischenraum beispielsweise auch mit einer an ihrer Innenseite vorgesehenen, sich über ihre ganze oder nahezu ganze Länge erstreckenden Auflager leiste 7 versehen sein.
Bei der Ausführungsform ge mäss Fig. 5 liegt die Abdeckung 4 unmittelbar auf dem Heizstab 3 auf. Gemäss Fig.6 und 7 ist die Aussenfläche der Abdeckung 4 des Heizstabes 3 mit parallel zur Längsrichtung der Abdeckung 4 verlau fenden wellenförmigen Erhöhungen und Vertiefun gen, gemäss Fig. 8 und 9 mit senkrecht zu dieser Längsrichtung verlaufenden wellenförmigen Erhöhun gen und Vertiefungen versehen. In Fig. 10 und 11 ist eine Ausführungsform der Abdeckung dargestellt, welche kreisringförmigen Querschnitt aufweist und den Heizstab 3 in sich einschliesst.
Der geringe Zwi schenraum zwischen den Abdeckungen 4 und den Heizstäben 3 wird durch geeignetes Auflagern, gege benenfalls unter Anwendung von Isolierplättchen, der Abdeckungen 4 auf den Elektrodenblöcken 5 er reicht.
Zum Abziehen der in dem Hohlraum unterhalb der mit den Abdeckungen 4 versehenen Heizstäbe 3 sich sammelnden Gase oder Dämpfe dienen in die Wände des Ofens, in welche die Elektrodenblöcke 5 eingesetzt sind, eingesetzte Rohre B.
Electric furnace for the continuous melting of quartz sand to form quartz material Furnaces for the continuous melting of quartz sand to form quartz material by means of electrically heated heating rods made of graphite are known. Oven of this type usually has a vertical shaft, the cross-section of which can be square or rectangular, and possibly round or oval. The heating rods are arranged parallel to each other in the upper part of this shaft and they penetrate the shaft in the horizontal direction.
The quartz sand is stored in the upper part of the furnace, above the heating rods, and trickles down to the heating rods. When it passes between the heating rods, the quartz sand is melted and flows down as a molten mass, as quartz material, from the space between the heating rods. The melted and gradually cooling mass then forms, in cross section and in length corresponding to the dimensions of the Schach tes of the furnace, a quartz block of large dimensions.
In practice, however, it has been shown that the possibility of producing quartz blocks of large dimensions, sought with the furnace of the type explained above, could not be easily realized. The heating rods showed premature heavy wear and had to be replaced after only a few hours of operation. The resulting interruption of the melting process made it impossible to produce larger blocks, especially those of practically useful length, and to maintain a continuous melting operation.
It has been observed that when quartz sand is melted, silicon carbide is formed in the surface layer of the graphite heating rods, and this is deposited in the form of a layer on the heating rods. This layer remains firmly on the heating rods when contact of the heating rods with the molten mass is prevented, but is wholly or partially torn off when the heating rods come into contact with the melt. A new silicon carbide layer then immediately forms on the exposed graphite surface,
which will also be torn down again. The constant repetition of these processes, the formation of silicon carbide layers and the tearing off of the same - causes the cross-section of the heating rods to be reduced in a very short time to a level at which the heating rods are overloaded when current passes through and a current interruption occurs with arcing. The failure of one heating element from several consecutive heating elements is sufficient to interrupt the melting process.
The present invention is based on the object to prevent this large wear of the heating rods in such a furnace that works well with migrating melt and migrating melt, in particular for melting quartz sand to quartz material, and thus a continuous melting operation or the production of To enable blocks of useful length.
The invention relates to an electric furnace for continuously melting quartz sand into quartz material by means of electrically heated graphite heating rods arranged in the upper part of the furnace, parallel to each other and lying horizontally, in which the quartz sand trickles from above to the heating rods and the molten quartz material between the heating rods sinks, which furnace is characterized in that each heating rod is shielded to make contact with the melting material more difficult by a whole or partial covering that covers it over its entire length.
In such a furnace according to the invention, the melting process can be carried out in such a way that the formation of the silicon carbide layer on the heating rods and the subsequent tearing off of this layer or the continuously forming layers by the melt is avoided. The service life of the heating rods is therefore longer, so that the melting can be carried out continuously for a longer period of time and blocks of large cross-sections and of great length can be melted.
The sheath of the heating rods can have various cross-sectional shapes. It is advantageous if a good passage of the melting material is maintained through the ge wrestling space between adjacent heating rods. An envelope which only partially covers the heating rod like a roof has the advantage that a large part of the heat radiating from the heating rods directly hits the enamel. The sheaths of the heating rods can, however, also have a circular or oval ring-shaped cross-section,
where appropriate, a longitudinal slot extending over its entire length can be provided on its underside.
Roof-shaped casings or covers, the roof surfaces of which can be flat or curved, have a number of recesses on their lower edges, so that serrated eaves are formed which counteract the formation of bridges in the melted material between adjacent covers. Such a roof-shaped cover can be provided on its upper side with a stiffening rib extending over the entire or almost the entire length, which makes it more resistant to bending.
Such roof-shaped covers can have, on their outer surface parallel or perpendicular to their longitudinal direction, wave-shaped elevations and depressions through which their heat-emitting surfaces are enlarged.
Electric current must not flow through the covers. Accordingly, they are advantageously arranged with a small gap between them from the heating rod or attached to the electrode blocks in an electrically insulated manner in a suitable manner.
As a construction material for the casings, it is advisable to choose a non-metallic material that conducts heat as well as possible. Highly refractory oxides, for example zirconium oxide, also nitrides, such as titanium nitride, zirconium nitride, or borides, such as titanium boride, zirconium boride, are suitable. But carbides can also be used, for example silicon carbide, titanium carbide. The casings can even be made from graphite.
Such casings are covered with a silicon carbide layer. But here this layer remains fixed. issue; it is not torn off by the melted material, since no current flows through the casing. As a result, the temperature of the casing itself remains significantly lower than that of the heating rods, so that the silicon carbide layer that has formed is not sprayed off. Rather, this layer forms a protective layer for the cover, which extends the service life of the cover. Such a protective layer or a protective layer consisting of other substances can be applied to the casings even before the casings are installed, including those made of other substances.
Coverings that have poorer electrical conductivity than the graphite heating elements, for example those from. Silicon carbide, the heating rods can also touch or can even be welded to them. Here the sheaths are not involved, or only to a small extent, in the passage of the current, since the current always follows the good conductor. As a result, no destruction of the envelope occurs in such cases.
Due to the high viscosity of the melt, a cavity remains underneath the heating rods provided with the sheaths. In this cavity, gases or vapors that form during the melting process collect, for example CO, Si, SiO, SiO_. These gases are expediently withdrawn from the cavity. For this purpose, an inert purge gas, for example nitrogen, is advantageously blown under pressure into the elongated cavities from one end thereof. At the opposite end of the cavities, all gases are then pushed out or sucked out. In this way, gas inclusions in the melt are avoided and the melt becomes free of bubbles.
Such a shielding of the heating rods against contact with the molten mass can be used for all types of heating rods for melting various denartiger substances if the heating rods are to be protected from contact with the melt flow or if the gases produced need to be removed.
In the drawing, an embodiment of the inventive furnace and various forms of implementation of the sheathing of the heating rods are presented. 1 shows a vertical section through the upper part of a furnace for the continuous melting of quartz sand into quartz material according to line ab in FIG. 2, FIG. 2 shows a horizontal section through this furnace according to line cd in FIG. 1 and FIG 3 to 5, 7, 9, 11 six different embodiments of the heating rod casing in cross section.
Figures 6, 8, 10 are side views of Figures 7, 9 and 11, respectively
The furnace shaft is formed by the wall masonry 1 which is surrounded by a sheet metal jacket 2. In its upper part, the furnace shaft is penetrated by heating rods 3 arranged close to one another and parallel to one another in the horizontal direction.
Above the heating rods 3, the granular material to be melted, the quartz sand, is stored. This quartz sand trickles down to the heating rods 3, is melted when passing through between the heating rods 3 and flows as a molten mass, as quartz material, from the space between the heating rods 3 downwards. The gradually cooling mass then forms the quartz block.
The heating rods 3 are arranged at a small distance that allows quartz sand to trickle through and are provided over their entire length with a cover 4 at the top, which makes contact between the melted material and the heating rods 3 difficult.
The ends of the covers 4 rest on the electrode blocks 5. By arranging small insulating plates between the supports of the covers 4 and the electrode blocks 5, the covers 4 can be secured against the passage of current. The power connections to the electrodes 5 are denoted by 9.
The covers 4 of the heating rods 3 can have ver different cross-sectional shapes. In Fig. 1 roof-shaped covers with curved roof surfaces are shown. In the embodiment of the cover 4 from a heating rod 3 according to FIG. 3, this cover has a stiffening rib 6 above, which extends over the whole or almost the entire length of the cover 4 on. As shown in Fig. 4, the cover 4 can be provided to achieve its support with space, for example, with a provided on its inside, extending over its entire or almost all of its length support bar 7.
In the embodiment according to FIG. 5, the cover 4 rests directly on the heating rod 3. According to Fig. 6 and 7, the outer surface of the cover 4 of the heating rod 3 is provided with parallel to the longitudinal direction of the cover 4 running wave-shaped elevations and depressions, according to FIGS. 8 and 9 with perpendicular to this longitudinal direction undulating increases and depressions. In Fig. 10 and 11 an embodiment of the cover is shown, which has a circular cross-section and includes the heating rod 3 in itself.
The small inter mediate space between the covers 4 and the heating rods 3 is reached by suitable support, if necessary using insulating plates, the covers 4 on the electrode blocks 5.
In order to withdraw the gases or vapors that collect in the cavity below the heating rods 3 provided with the covers 4, tubes B inserted into the walls of the furnace in which the electrode blocks 5 are inserted are used.