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Verfahren zur Glaserzeugung auf elektrischem Wege und Ofen zur Ausführung
dieses Verfahrens DieErfindung betrifftVerfahren zurGlaserzeugung, und zwar diejenigen,
bei denen Vorgänge, wie Schmelze und Läuterung der Glasmasse, durch einen durch
die Glasmasse hindurchgeleiteten elektrischen Strom bewirkt werden.
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Ein solches Verfahren benutzt die Eigenschaft des Glases, in geschmolzenem
Zustande elektrisch leitend zu sein. Die bei dieser Art der Wärmeerzeugung erhaltenen
Temperaturen hängen bei gleicher aufgewendeter Energiemenge von der Verteilung des
elektrischen Stromes im Glase ab. In der Glasindustrie ist die Erzeugung hoher Temperaturen
im allgemeinen sehr wünschenswert. Sie ist sogar unerläßlich, wenn es sich darum
handelt, Glas mit hohem Schmelzpunkt zu erzeugen, wie z. B. ein Spezialglas mit
kleinem Ausdehnungskoeffizienten. Andererseits ist man aber durch die Haltbarkeit
des feuerfesten Materials der Wandungen des Glasbehälters in der Erzeugung hoher
Temperatur beschränkt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Schmelzverfahren, welches es gestattet,
hohe Temperaturen auf eine wirtschaftliche Weise zu erreichen und sie für das Schmelzen
von Glas zu benutzen, ohne daß die Ofenwandungen selbst diesen hohen Temperaturen
ausgesetzt werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Erhitzung
des Gutes in der Schmelzzone durch senkrecht oder annähernd senkrecht durch den
Boden der Glaswanne eingeführte Elektroden erfolgt, die mit dem Glasbad bis zu einer
gewissen Höhe in Berührung stehen und in der Mitte dieser Schmelzzone und daher
im Abstand von den Seitenwandungen des Glasbehälters angeordnet sind. Das durch
die um die Elektroden herum entwickelte elektrische Energie erwärmte und längs der
Elektroden aufsteigende Glas bleibt infolge dieser Anordnung in längerer Berührung
mit den Elektroden und gelangt dann, nachdem es auf eine hohe Temperatur erhitzt
ist, unter den auf dem geschmolzenen Glas schwimmenden Gemengehaufen.
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Dieses Verfahren unterwirft daher das Schmelzgut der Wirkung einer
hohen Temperatur und einer Umwälzbewegung, welche beide zusammen ein rasches Schmelzen
bewirken. Zudem beschränkt sich die durch Erwärmung und Strömung erzielte Wärmewirkung
auf das Schmelzgut und vermeidet die Gefahr, daß sie die Ofenwandungen erreicht,
denn diese Strömungen des aus dem mittleren Teil der Schmelzzone austretenden heißen
Glases gelangen nur nach Berührung mit dem Schmelzgutklumpen und nach Zurücklegen
der waagerechten, in alle Richtungen ausstrahlenden Wege bis an die Ofenwandungen,
auf denen sowohl die Temperatur des Glases wie auch seine Fließgeschwindigkeit abnimmt.
Diese von der Schmelzzone ausstrahlenden Strömungen wirken nicht in dem Sinne, daß
sie den Schmelzgutklumpen nach irgendeiner bestimmten Richtung hin und von der Schmelzzone
hinweg treiben, sondern nur so, daß sie diesen Klumpen auf seiner Unterseite nach
und nach abtragen und die unmittelbar mit der senkrecht von den Elektroden .aufsteigenden
Strömung heißen Glases in Berührung stehende Schicht erneuern.
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Die Erfindung ist sowohl auf einen kontinuierlichen als auch auf einen
diskontinuierlichen Schmelzprozeß anwendbar.
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Im Falle eines diskontinuierlichen Schmelzprozesses, d. h. falls im
gleichen Behälter zuerst die Füllung mit Schmelzgut und das Schmelzen, dann die
Läuterung und endlich die Entnahme zwecks Verarbeitung erfolgt, ergibt die Erfindung
den Vorteil, daß die Berührungsfläche der Elektroden mit dem Glas mit zunehmender
Beschickung, d. h. ansteigendem Niveau des Glases größer wird. Zu diesem Zweck verschiebt
man die Elektroden entsprechend dem Ansteigen dieses Niveaus nach oben. Diese Art
der Regelung hat den Vorteil, daß sich die jeweilige Lage der Wärmezone sowohl gegenüber
den Seitenwandungen des Ofens als auch gegenüber dem Schmelzgutklumpen nicht ändert,
weil
diese Zone während der Regelung stets inmitten des Ofens und senkrecht unter dem
Schmelzgutklumpen bleibt. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens für Öfen mit periodischem
Betrieb ist, daß die Elektroden nach unten geschoben werden können, wenn man den
Ofen mittels Schöpflöffeln leert und infolgedessen bei sinkendem Niveau des Glases
jedes Hindernis für den Schöpflöffel entfällt.
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Im Fall eines fortlaufenden Betriebes wird das Schmelzgut ununterbrochen
an dem einen Ofenende aufgegeben und das fertige Glas am anderen Ende entnommen,
so daß das Gut auf seinem Weg von einem Ofenende zum anderen hintereinander geschmolzen,
geläutert und auf eine für die Verarbeitung geeignete Temperatur gebracht wird.
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Die Elektroden in der Schmelzzone können mit beliebigen anderenHeizmitteln,
insbesondere mit irgendwelchen geeigneten Elektroden in der Läuterzone kombiniert
verwendet werden.
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Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auf kontinuierlich
betriebene Öfen können die beschriebenen Schmelzelektroden mit in der Läuterzone
angeordneten horizontalen Elektroden kombiniert werden, welche durch die Seitenwandungen
des Ofens an einer nahe der Oberfläche gelegenen Stelle in das Glasbad eingeschoben
sind. Solche in der Läuterzone angeordneten Elektroden sind an sich bereits bekannt.
Die Erfindung besteht insbesondere in der kombinierten Verwendung solcher Elektroden.
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Infolge dieser Anordnung kann das nicht geläuterte, d. h. das Blasen
enthaltende und leichte Glas, welches bestrebt ist, an der Oberfläche des flüssigen
Glases zu bleiben, in die in der Nähe der Läuterelektroden gelegene Zone gelangen
und selbst auf eine für die Läuterung günstige Temperatur gebracht werden.
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Andererseits bildet sich in dem senkrecht unter der L äuterzone befindlichen
Glas eine außerhalb der Einwirkung des elektrischen Stromes gelegene Zone, welche
infolgedessen eine weniger hohe Temperatur aufweist.
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Steht die für die Glasentnahme bestimmte Ofenkammer mit dem unteren
Teil der Läuterkammer, der unter der Läuterzone liegt, in Verbindung, so sinkt das
geläuterte, zufolge seiner Läuterung dichter gewordene Glas in diese Zone niedrigerer
Temperatur in gleichem Maße hinab, wie die Glasentnahme aus dem Ofen fortschreitet,
und entzieht sich den Glasströmungen, welche auf den oberen Teil des flüssigen Glases
beschränkt bleiben und bestrebt sein könnten, jenes Glas in die heiße Läuterzone
zurückzubringen. Man läuft also nicht mehr Gefahr, daß das einmal geläuterte Glas
unter Erhöhung des Wärmeverbrauchs durch Strömungen zurückgebracht und unnützerweise
in die Läuter- oder Schmelzzone zurückgeführt wird. Vielmehr bildet diese Zone niedrigerer
Temperatur, in der das Glas sich iin Ruhezustand befindet, einen Vorrat für das
Glas, welches die geeignete Temperatur zur Verarbeitung besitzt, also ein Abteil,
aus dem Glas den Formmaschinen zugeführt werden kann.
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Im ganzen erhält man, gleichgültig ob es sich nun um einen fortlaufenden
oder einen periodischen Betrieb handelt, durch die beschriebene Elektrodenanordnung
eine vorteilhafte Wärmeverteilung sowohl hinsichtlich einer Schonung der Ofenwandungen
als auch hinsichtlich der Erzeugung hoher Temperaturen und dadurch ein hochwertiges
Glas, selbst wenn es sich um ein schwer schmelzbares Glas handelt.
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Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen von
Öfen als Beispiele für die Anwendung der Erfindung. Von diesen stellt Abb. 1 einen
senkrechten Schnitt eines Ofens für nicht fortlaufenden Betrieb, Abb. 2 einen waagerechten
Schnitt nach Linie II-II in Abb. 1, Abb. 3 einen senkrechten Längsschnitt eines
Ofens für fortlaufenden Betrieb, Abb. 4 einen waagerechten Schnitt nachLinieIV-IV
von Abb. 3, Abb.5 einen waagerechten Schnitt eines anderen Ofens für fortlaufenden
Betrieb und Abb. 6 eine abgeänderte Ausführungsform dar.
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In den Abbildungen bezeichnet 1 die Ofenwandung, 2 das Glasbad und
3 den Glasspiegel. Gemäß der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Ofens mittels senkrechter,
durch den Boden 6 in den Ofen eindringender Elektroden, wobei gekühlte Metallbüchsen
8 die Abdichtung und Verschiebungsmöglichkeit der Elektroden bewirken. Diese Elektroden
sind in der Ofenmitte angeordnet, so daß sie von den Seitenwänden des Ofens Abstand
halten.
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Im dargestellten Beispiel sind die drei Elektroden, welche aus Graphit
bestehen können, symmetrisch zu der Mittelachse des Ofens angeordnet und werden
von einem Dreiphasenstrom gespeist.
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Für die Inbetriebsetzung des Ofens werden die Elektroden so tief als
möglich zurückgezogen, so daß sie nur eine dünne Glasschicht deckt und gegen Oxydation
durch die Luft schützt.
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Im Verhältnis, in dem der Ofen sich mit Schmelzgut füllt, werden die
Elektroden nachgestoßen, so daß sie dem Steigen des Schmelzbadniveaus 3 folgen,
wobei sie jedoch erwünschtenfalls in einem gewissen Abstand von dem Schmelzgutklumpen
M bleiben. Hierdurch wird in demselben Maße, in dem sich der Ofen füllt, die Berührungsfläche
des Glases mit den Elektroden und die Dauer der Berührung zwischen Elektrode und
dem Teil des Glasbades vergrößert, der längs der Elektrode hochsteigt.
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Dank dieser verlängerten Berührung gelangt das Glas unter dein Schmelzgutklumpen
auf eine sehr hohe Temperatur, welche es besonders instand setzt, diesen Klumpen
anzugreifen und sein Schmelzen zu veranlassen, selbst wenn es sich um die Verarbeitung
schwer schmelzbaren Glases handelt, wie z. B. von Gläsern mit kleinen Ausdehnungskoeffizienten.
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Bei der Entnahme des Glases z. B. mittels Schöpflöffeln können die
Elektroden zurückgezogen werden, so daß sie die Schöpflöffel nicht behindern.
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In den Abb. 3 bis 6, die Öfen mit fortlaufendem Betrieb darstellen,
bezeichnet 1 die Ofenwandungen, 2 das Schmelzbad und 3 den Glasspiegel. 4 ist eine
Brücke, welche die Schmelzkammer F und die Läuterkammer A von dem Entnahmeabteil
P trennt, in dem sich das Glas mit der zu seiner Verarbeitung geeignetenTemperatur
befindet. Erfindungsgemäß bilden die in der Schmelzkammer F befindlichen Elektroden
durch den Ofenboden 6 hindurchdringende Elementes, welche sich bis auf das Niveau
des Schmelzbades erstrecken können. Diese Elektroden können daher einen großen Teil
der Höhe des Glasbades beeinflussen.
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In der Läuterzone A ist die Elektrode 7 in Gestalt eines zylinderförmigen
Balkens angeordnet. Sie geht quer durch das Glasbad und nimmt fast seine ganze Breite
ein. Diese Elektrode ist in das Glasbad eingetaucht und befindet sich in seinen
oberen Schichten.
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Der Ofen kann mit Dreiphasenstrom gespeist werden, wobei die beiden
Elektroden 5 jede an eine Phase und die -beiden Elektroden 7 an die dritte Phase
angeschlossen sind.
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Dank der vertikalen Anordnung der Schmelzelektrollen
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bleibt das Glas im unteren Teil der Wanne mit den Elektroden in Berührung. Durch
seine Erwärmung hat es die Neigung, emporzusteigen, bleibt während seiner Aufwärtsbewegung
mit der Elektrode weiter in Berührung und wird infolgedessen noch mehr erhitzt.
Gelangt das Glas in die oberen Schmelzbadschichten, so hat es eine so hohe Temperatur,
daß es imstande ist, durch innige Mischung die verglasbare Masse des Gemengehaufens
114' zu erhitzen. Diese verlängerte Berührung derselben Glasmasse mit den Elektroden
bewirkt ein rasches Schmelzen der Gemengestoffe, selbst wenn es sich um schwer schmelzbare
Gläser handelt, wie die Gläser mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten.
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Dagegen bewirkt die Elektrode 7 nur die Erhitzung der oberen Schmelzschichten,
und da sie sich zwischen der Schmelzzone F und der Zone P für das zur Entnahme fertige
Glas befindet, erwärmt sie das soeben geschmolzene Glas, welches wegen seiner Blasen
bestrebt ist, in den oberen Schichten des Bades zu verbleiben. Die Elektrode 7 kann
dann die Rolle einer Läuterelektrode spielen (Zone A). Die unter dieser Elektrode
befindliche Zone R liegt außerhalb des direkten Stromes zwischen den Elektroden
5 und 7. Sie besitzt daher eine niedrigere Temperatur und liegt abseits der in der
Nähe der Elektrode 7 gebildeten Wärmequelle und der durch sie erzeugten Konvektionsströme.
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Da übrigens die Verbindung zwischen der Läuterzone A und der Entnahmezone
P durch einen unter diesen Zonen liegenden Durchlaß stattfindet, bewirkt eine Entnahme
des Glases aus der Kammer P ein Absinken des Glases aus der Läuterzone in die Zone
R. Auf diese Weise gelangt das geläuterte und deshalb dichter gewordene Glas in
diese Zone, wo es bestrebt ist, zu bleiben und sich weiter abzukühlen und von wo
es direkt in die Kammer P gelangt, ohne Gefahr einer Mischung mit dem Glas der Zonen
A und F.
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Ein Vorteil des neuen Ofens beruht auch in der Möglichkeit, die senkrechten
Schmelzelektroden verschieben zu können. Dadurch kann man auf die Belastung der
Phasen der Elektroden 5 und 7 einwirken, sei es, um sie auszugleichen, sei es, um
ihnen eine bestimmte Lastverteilung zu geben. Durch Änderung der Eintauchtiefe der
Elektroden ändert sich die Lage der von den Elektroden erzeugten heißen Zone nicht
wesentlich, weil diese Zone alles Glas senkrecht oberhalb der Elektroden umfaßt
und deshalb beim Heben und Senken der Elektroden im wesentlichen unverändert bleibt.
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Die Höhenregulierung der Elektroden der Schmelzzone kann dazu dienen,
das Glas während der Inbetriebsetzung des Ofens, während welcher man den Ofen nach
und nach auffüllt, zu erhitzen, in ähnlicher Weise, wie dies für die Ofen mit unterbrochenem
Betrieb erläutert wurde.
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Zu diesem Zweck werden die senkrechten Elektroden 5 soweit als möglich
gesenkt, so daß sie nur noch von einer dünnen Schmelzgutschicht bedeckt sind. Nach
Maßgabe des Abschmelzens dieser Schmelzgutmasse werden die Elektroden gehoben, um
der Erhöhung des Schmelzbadniveaus zu folgen. Während dieses Vorganges der anfänglichen
Erwärmung befinden sich die horizontalen Läuterelektroden außerhalb des geschmolzenen
Glases, und die Schmelzelektroden werden vorzugsweise mit den Stromquellen so verbunden,
daß der gesamte elektrische Strom die vertikalen Elektroden speist. Ist einmal die
Füllung des Ofens erreicht ued sind die horizontalen Elektroden wirksam, so kann
die normale Schaltung der Verbindung zwischen Elektroden und Stromquelle hergestellt
werden.
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Allgemein, sowohl in den Ofen für fortlaufenden als für unterbrochenen
Betrieb, bieten die senkrechten Elektroden den Vorteil, daß man ihnen eine hohe
Stromdichte geben und deshalb das in ihrer Nähe befindliche Glas auf eine sehr hohe
Temperatur bringen kann. Die bisher einer hohen Stromdichte entgegenstehenden Gründe
waren folgende: Die erzielte hohe Temperatur schadet im allgemeinen den Ofenwänden
oder sie bewirkt einen Zerfall der Graphits der Elektroden, der eine Verschmutzung
-des Glases zur Folge hat.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung fällt dieser Übelstand weg, oder
seine Wirkungen zeigen. sich in einem unschädlichen Maße, weil die senkrechten Elektroden
in einem genügenden Abstand von den Wandungen angeordnet sind und zudem das Glas,
welches mit den Elektroden in Berührung stand und sich mit den Zerfallpartilceln
beladen konnte, senkrecht aufsteigt, auf die noch nicht flüssigen Teile des Schmelzgutklumpens
M trifft und durch Vermischung mit den oxydierenden Teilen dieses Klumpens gereinigt
wird.
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Für den Ofen für fortlaufenden Betrieb sind in den Abbildungen nur
zwei senkrechte Schmelzelektroden dargestellt, doch könnte man auch eine größere
Zahl verwenden und besonders mehrere Gruppen senkrechter Elektroden anordnen, deren
obere Enden bis in verschiedene Höhen reichen können. Auch kann man mehrere aufeinanderfolgende
horizontale Elektroden in der Läuterzone verwenden.
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Im beschriebenen Beispiel, welches sich auf Dreiphasenstrom bezieht,
sind in der Schmelzzone die Elektroden zweier Phasen angeordnet. Diese Anordnung
bietet den Vorteil, daß in der Schmelzzone eine große Wärmekapazität erreicht wird.
Man kann aber auch die Elektroden für zwei Phasen in der Läuterzone anordnen und
für das Schmelzen nur eine Phase verwenden.
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Wenn auch die Erfindung vorstehend nur für Dreiphasenstrom beschrieben
wurde, so können doch alle Stromarten Verwendung finden, namentlich auch Einphasenstrom.
In diesem Falle kann man an den einen Pol einen Teil der Schmelzelektroden und einen
Teil der Läuterelektroden anschließen und an den anderen die verbleibenden Schmelz-
und Läuterelektroden.
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Die Abb. 5 und 6 zeigen zwei Anordnungen für Einphasenstrom. Bei der
Anordnung nach Abb.5 sind jede der Elektroden 5a und 5b der Schmelzzone, wie auch
jede der Elektroden 7a und 7b der Läuterzone an einen Pol der Stromquelle
angeschlossen. Bei der Varianten nach Abb. 6 sind die Elektroden 5a der Schmelzzone
und 7b der Läuterzone an den einen Pol angeschlossen, während die Elektroden 5b
und 7a an den anderen Pol der Stromquelle angeschlossen sind.