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Schmelzofen zum Schmelzen schwerschmelzbaren, nichtmetallischen Gutes
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schmelzofen für schwerschmelzbares, nichtmetallisches
Gut, beispielsweise Kaolin. Es sind Schmelzöfen bekannt, bei denen außer der Hauptheizeinrichtung
zusätzliche Heizeinrichtungen vorgesehen sind, durch welche die Auslaufdüse so weit
erhitzt wird, daß nicht durch Abkühlen des Schmelzgutes eine Verstopfung der Düse
auftritt. Während bei dem Schmelzen von metallischem, schwerschmelzbarem Gut eine
einigermaßen gleichmäßige Erwärmung keine Sch«#ierigketen macht, da das metallische
Schmelzgut eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß eine im
Verhältnis gute `'Wärmeverteilung im Schmelzofen und an der Auslaufdüse stattfindet,
treten beim Schmelzen von schwerschmelzbarem, nichtmetallischem Gut, beispielsweise
von Kaolin, zur Herstellung hitzebeständiger Wolle für Isolationszwecke, erhebliche
Schwierigkeiten auf. Insbesondere ist es schwierig, die Charge in der Nähe der Ausflußöffnung
zum Schmelzen zu bringen bzw. in geschmolzenem Zustand zu halten.
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Gemäß der Erfindung ist bei einem Schmelzofen zum Schmelzen von nichtmetallischem,
schwerschmelzbarem Gut die Auslaufdüse für das Schmelzgut zur Sicherung des Gutaustrittes
mit einer zusätzlichen Heizeinrichtung versehen, die darin besteht, daß die Auslaufdüse
die eine Elektrode bildet, während die andere Elektrode derart im Innern des Ofens
angeordnet ist, daß der elektrische Strom durch die an der Auslaufdüse anliegende
Charge des Ofens hindurchgeht, so daß auch dieser Teil der Charge schmilzt. Zur
Regelung der Energiezufuhr zu diesem Hilfslichtbogen ist nach der Erfindung außerhalb
des Schmelzofens bzw. unterhalb der Auslaufdüse ein Impulsgeher vorgesehen, welcher
auf den Energiespiegel des auslaufenden Schmelzgutes anspricht und über geeignete
Verstärker-, Regel und Kontrollmittel die Energiezufuhr in reziprokem Sinne zu dem
Energiespiegel des ausfließenden geschmolzenen Materials regelt. Es ist hierbei
grundsätzlich möglich, einen der vorhandenen Energiespiegel auszunutzen, beispielsweise
die Temperatur, die Helligkeit u. dgl. In einfachster Form wird an der Meßstelle
etwa eine Photozelle angeordnet, die über geeignete Verstärker-, Regel- und Kontrollmittel
auf einen veränderlichen Widerstand arbeitet, der im Stromkreis des Heizstromes
liegt. Beispielsweise kann für diese Zwecke mit Erfolg eine mit Gleichstrom vormagnetisierbare
Drossel verwendet werden. Die Magnetisierung erfolgt derart, daß der Widerstand
der Drossel um so höher wird, je höher der Energiespiegel des ausfließenden Schmelzgutes
liegt. Damit sinkt die Stromstärke und die Heizleistung. Energiespiegel des ausfließenden
Schmelzgutes und Heizleistung stehen also in einem reziproken Verhältnis.
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Bei der praktischen Herstellung treten jedoch manche Probleme auf.
Beim Anlassen des Schmelzofens beispielsweise vergeht eine geraume Zeit, bevor eine
Menge von Schmelze an dem Abstichloch oder dem Ausfluß vorhanden ist. Die Folge
davon ist, daß ein Abziehen von geschmolzenem Material durch den Ausflugß erst einige
Zeit nach dem Beginn des Schmelzvorganges einsetzen kann. Infolge der hohen Temperatur
des geschmolzenen schwerschmelzenden Materials, die in der Größenordnung von 1650°
liegt, muß besondere Aufmerksamkeit auf das Abstichloch bzw. den Ausfluß, sein Material,
seine Lage und die Kühlmittel gerichtet werden.
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Der Ausfluß muß aus einem Material bestehen, das, wenn es hinreichend
gekühlt wird, die hohen Tempe= raturen aushält, die die Schmelze aufweist. Im Grunde
genommen handelt es sich um ein Problem einer 1i"ärmeal)leitung insofern, als dann,
wenn man die Temperatur des Abflusses regulieren kann, die Abflußmenge der Schmelze
und das Maß der Belastung in dem Ausfluß eingestellt werden kann. Im Zusammenhang
mit der Erfindung wurde gefunden, daß man eine solche Regelung durchführen kann,
wenn man genügend Kühlmittel dem Ausfluß zuführt, um ihn auf einerTemperatur zuhalten,
die unter der Schmelztemperatur des schwerschmelzbaren Stoffes liegt, und
andererseits
durch Zuführung genügend zusätzlicher «'ärmee zu dem Ausfluß, um die Temperatur
auf einen Wert zu bringen, bei dem die Schmelze in gewünschter Menge durchfließen
kann, ohne starr zu werden. Im vorliegenden Falle erfolgt dies dadurch, daß man
die relative Temperatur oder den Energiespiegel des geschmolzenen Materials mißt,
welches durch den Ausfluß abfließt, und indem man den gemessenen Wert mit einem
festgelegten Wert vergleicht, wobei dann die Differenz zwischen diesen Werten verwendet
wird, die Wärmemenge zu steuern, die zur zusätzlichen Heizung des Ausflusses dient.
Im speziellen kann eine Hilfselektrode in dem Schmelzofen vorgesehen sein, die so
angeordnet ist, daß ein Lichtbogen zu dem metallischen Ausfluß entsteht, wobei dann
die Hilfselektrode und der metallische Ausfluß mit einer Stromquelle verbunden werden,
die von dem Steuersystem der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.
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Um dies zu erreichen, wird bei der vorliegenden Erfindung ein auf
das Energieniveau ansprechendes Organ verwendet, etwa eine Photozelle oder ein Thermoelement,
das seitlich des Weges, den die Schmelze oder die Tropfen der Schmelze nehmen, angebracht
ist und das eine Ausgangs- oder Signalspannung liefert, die in jedem Augenblick
ein Nlaß darstellt für die Strahlungsenergie oder die Helligkeit der aufeinanderfolgenden
Schmelztropfen. Der Gleichstromimpuls, den das strahlenempfindliche Organ liefert,
wird in einen verstärkten Wechselstromimpuls umgewandelt, der einem Phasendiskriminatorkreis
zugeführt wird und dazu dient, einen den jeweiligen Ausfluß registrierenden Schreiber
zu betätigen. Der verstärkte Impuls als Potentialgröße wird mit einer genau vorgegebenen
und eingestellten Vergleichsspannung verglichen, deren Höhe dem gewünschten Ausfluß
oder dem Energiespiegel der Schmelztropfen entspricht.
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Die Resultierende aus dem gemessenen und verstärkten Impulspotential
und dem Vergleichspotential wird in eine verstärkte Wechselstromregelspannung umgewandelt,
die dazu dient, einen entsprechenden Gleichstrom zu steuern, der durch die Regehvicklung
einer vormagnetisierbaren Drossel fließt. Die Starkstromwicklung dieser vormagnetisierbaren
Drossel liegt in dem Gitterwechselstromkreis eines Vollweggleichrichters, der den
Gleichstrom zur Speisung der Regelspule einer zweiten Drossel steuert.
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Der Sättigungsgrad der ersten Drossel, der eine Funktion des seiner
Regelwicklung zugeführten Gleichstromes ist, bestimmt die wirksame Induktanz seiner
Starkstromwicklung. Diese Induktanz in dem Gitterkreis des Gleichrichters verändert
die Phase gegenüber dem Anodenkreis. Eine solche Phasenverschiebung wiederum bestimmt
den Zeitabschnitt der Gleichstromlieferung des Gleichrichters und damit den wirksamen
Gleichstrom in der Regelspule der zweiten oder Starkstromregeldrossel.
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Die Starkstromwicklung der Starkstromregeldrossel liegt in dem Speisekreis
für die elektrisch betriebene Zusatzheizung des Ausflusses. Die Gleichstromversorgung
der Regelwicklung der zweiten Drossel steuert die wirksame Induktanz ihrer Starkstromwicklung.
Auf diese Weise wird die der Zusatzheizung des Ausflusses zugeführte Energie entsprechend
der Differenz reguliert, die zwischen dem eingestellten Wert für den Energiespiegel
der geschmolzenen Tropfen und dem tatsächlich gemessenen Wert vorhanden ist, so
daß die strahlende Energie gleichmäßig groß gehalten wird. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben und in den Figuren dargestellt. Fig. 1 stellt ein Blockschema
der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung dar, Fig.2 ein schematisches Schaltbild.
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In Fig. 1 ist ein Schmelzofen 10 zum Schmelzen -von schwerschmelzbaren
Substanzen dargestellt, der ein Metallgehäuse 11 mit einer hitzebeständigen Auskleidung
12 enthält. Der Ofen 10 ist am Boden mit einem Abstichloch 13 versehen, an das sich
eine metallische Ausflußdüse 14 anschließt, welche im folgenden als Ausfluß bezeichnet
wird und der, wenn nötig, gleichfalls ausgekleidet sein kann. Der Ofen 10 kann als
elektrischer Bogenentladungs- oder Widerstandsofen ausgebildet sein; die Aggregate
für die Heizung des Ofens sind nicht dargestellt.
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Die in den Ofen 10 eingeführte schwerschmelzbare Substanz wird durch
dessen Heizaggregate zum Schmelzen gebracht. Die Schmelze fließt durch die Bodenausflußöffnun:g
13 und den Ausfluß 14 in Form einer Folge oder eines Flusses von Tropfen 15 aus.
Die Kühl- und Einstelleinrichtung für den Ausfluß 14 ist nicht dargestellt, da sie
von der vorliegenden Erfindung nicht betroffen wird.
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Die Hilfsheizeinrichtung zur Aufrechterhaltung einer gleichförmigen,
vorgegebenen Temperatur im Bereich des Ausflusses 14 besteht in einer Hilfselektrode
16, die in den Ofen hineinragt und deren Gegenelektrode der Ausfluß 14 ist. Es kommt
mithin ein Strom zwischen dem Ausfluß und der Elektrode 16 durch das geschmolzene
Material an dem Ausfluß zustande. Ausfluß 14 und Elektrode 16 liegen in einem Speisestromkreis,
der durch einen Transformator 18 versorgt wird, der über die Klemmen 17 an eine
Wechselstromquelle angeschlossen ist (Fig. 2). Für den zu beschreibenden Zweck befindet
sich ferner die Starkstromwicklung 21 einer vormagnetisierba:ren Drossel im Primär-
oder Sekundärkreis des Transformators.
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Der Energiespiegel der Tropfen 15 des geschmolzenen schwerschmelzbaren
Materials wird beispielsweise durch ihre Leuchtfähigkeit gemessen, und zwar durch
ein auf den Energiespiegel ansprechendes Organ, etwa eine Photozelle 25, die unmittelbar
an dem Weg der herausfließenden Tropfen 15 angeordnet ist. Der Gleichstromausgang
oder das Signalpotential der Photozelle 25, das eine Funktion der Leuchtintensität
der Tropfen 15 ist, wird durch einen Wechselrichter 30
in eine entsprechende
Wechselstromgröße umgewandelt. Dieses Wechselstromsignalpotential wird in einem
mehrstufigen Verstärker 40 verstärkt und das gleichgerichtete und verstärkte Signalpotential
einem Phasendiskriminator 50 zugeführt, dessen Ausgang einen den Ausfluß aufzeichnenden
Schreiber 55 betätigt. Das verstärkte gemessene Signalpotential wird ebenfalls einer
Anordnung 60 zugeführt, wo es mit einem genau konstant gehaltenen einstellbaren
Potential abgeglichen wird, entsprechend der gewünschten optimalen Ausflu.ßtemperatur.
Die Resultierende dieser beiden Potentiale wird in einem Wechselrichter 70 in ein
entsprechendes Weehselstrompotential umgewandelt, in .einem mehrstufigen Verstärker
80 verstärkt und zu einem Phasendiskrimin.ator 90 geleitet.
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In dem Phasendiskriminator 90 wird das verstärkte und gleichgerichtete
Differenzpotential zwischen dem gemessenen und dem eingestellten Potential dazu
verwendet, die Sättigung der Gleichstromsteuerspule einer ersten vormagnetisierbaren
Drossel zu regeln, die in einer Phasenschieberanordnung 100 sitzt. Diese
erste vormagnetisierbare Drossel steuert die Phase des Gitterpotentials, bezogen
auf das Anodenpotential,
von einer Vollweggleichrichter- und Kraftverstärkeranordnung
110, welche die Gleichstromversorgung der Steuerspule 22 der vormagn.etisierbaren
Drossel 20 besorgt.
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Diese Steuerspule steuert di,-- Sättigung der Drossel 20 und damit
die wirksame Induktanz der den Kraftstrom führenden Spule 21. Da diese letztere
in den Hilfs'heizstromkreis geschaltet ist, wird die Hilfsheizung geändert mit jeder
Abweichung des gemessenen Energiespiegels der Tropfen 15 von einem vorgegebenen
`'Wert. In der Fig. 2 ist mit 30 ein Wechselrichter bezeichnet, der einen Zerhacker
31 aufweist, dessen Kontakte mit den entgegengesetzten Enden der Primärwicklung
32 eines Transformators 33 verbunden sind. Der Anker 34 des Zerhackers ist mit dem
einen Pol der Photozelle 25 verbunden, während der andere Pol der Photozelle geerdet
ist. Die Zerhackerspule 35 erhält Gleichstrom. Ein Kondensator 36 verhindert, daß
Wechselstrom in die Photozelle gelangt.
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Die Sekundärspule 37 des Transformators 33 ist kapazitiv mit der ersten
Stufe 41 eines Verstärkers 40 gekoppelt, und die dritte und letzte Stufe 42 dieses
Verstärkers ist kapazitiv mit dem Gitter eines Gleichrichters 51 in einem Phasendiskriminator
50 gekoppelt, Die Kathode der Röhre 51 liegt über eine Leitung 52 an dem Mittelpunkt
der Primärwicklung 32. Die Abschnitte 30, 40 und 50 haben in erster Linie die Aufgabe,
den Schreiber 55 für die Aufzeichnung des Ausflusses anzutreiben.
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Die Anordnung 60 umfaßt ein Paar Spannungsregelröhren 61 und 62, durch
die ein genauestens geregeltes und stabilisiertes Anodenpotential über das Potentiometer
65 :geliefert wird, welches parallel zu dem Widerstand 63 liegt. Der Effektivwert
des Signalspannungspotentials, das zugeführt wird, um die Hilfsheizung zu steuern,
wird durch den Kontakt 64 eingestellt.
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Ein Mittelabgriff an dem Widerstand 63 dient dazu, die Differenz zwischen
dem gemessenen und dem vorbestimmten Potential dem Anker 71 des Zerhackers 72 zuzuführen,
der einen Teil des Wechselrichters 70 bildet. Die Kontakte des Zerhackers 72 sind
mit den entgegengesetzten Enden der Primärwicklung 74 eines Transformators 75 verbunden;
der Mi,ttelabgriff dieser Wicklung liegt an der Kathode der Röhre 51. Eine mit Wechselstrom
gespeiste Spule 73 betätigt den Zerhackeranker 71. Die Sekundärwick!ung 76 des Transformators
75 ist kapazitiv mit der ersten Stufe 81 des Verstärkers 80 gekoppelt.
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Die dritte und letzte Verstärkerstufe 82 ist durch einen Transformator
83 mit den Steuergittern der Röhren 91 und 92 gekoppelt, die in dem Phasendiskriminator
90 liegen. Diese Röhren übernehmen die Gleichstromversorgung einer Regelwicklung
94 einer vormagnetisierbaren Drossel 95, wobei die Stromversorgung der Regelspule
abhängig ist von dem Potential, das den Steuergittern zugeführt ist, und somit von
dem Differenzpotential zwischen der gemessenen Temperatur der Tropfen 15 und der
vort;e;@ebenen Optimaltemperatur dieser Tropfen.
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Die starkstromführende Wicklung 96 der Drossel 95 führt ein Wechselstrompotential,
welches ihr von den Klemmen 97 durch eine Brückenschaltung 98 zugeführt wird. Der
Effektivwert der Induktanz der Wicklung 96 ist abhängig von dem Sättigungsgrad der
Drossel 95, welcher wiederum abhängt von dem Gleichstrom, der durch die Regelwicklung
94 fließt. Über einen Transformator 101 ist die Brückenschaltung 98 mit den Gittern
der Röhren 102 und 103 des Kraftverstärkers 110 verbunden. Das Anodenpotential für
diese Röhren wird von den Klemmen 104 des Transformators 105 geliefert. Die Regelwicklung
22 der Starkstromdrossel 20 liegt im Ausgangskreis der Röhren 102 und 103.
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Veränderungen der Induktanz der starkstromführenden Wicklung 96 der
Drossel 95 haben Änderungen in der Phase der Gitterspannung der Röhren 102 und 103,
bezogen auf die Anodenspannung, zur Folge. Das Phasenverhältnis von Gitter- und
Anodenspannungen steuert den Gleichstrom über die Regelwicklung 22 der Drossel 20,
indem sie den Anteil jeder Periode steuert, während der die Röhren leitend sind.
Der Betrag des Stromflusses durch die Spule 22 bestimmt die Sättigung der Drossel
20 und damit auch die tatsächliche Induktanz der Spule 21. Hierdurch wird wiederum
der Stromfluß in der Hilfsheizung für den Ausfluß 14 reguliert.
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Der Kreis kann entweder so entwickelt werden, daß er auf die jeweilige
Helligkeit eines jeden Tropfens 15 anspricht oder auf den Mittelwert eines Flusses
von Tropfen, indem man eine in ihrer Reaktionszeit geeignete Photozelle 25 auswählt.
Beispielsweise kann eine infrarotempfindliche Photozelle verwendet werden. Erforderlichenfalls
kann diese ersetzt werden durch ein strahlungsempfindliches Thermoelement.
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Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt nur eine der möglichen
Ausführungsformen der Erfindung dar. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen
im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.