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Gegenstand
der Erfindung ist ein Elektrodensystem für Glasschmelzöfen mit
einer Schmelzwanne, einem oberhalb des Schmelzspiegels angeordneten,
mit einer Kühlmittelführung versehenen Elektrodenhalter
und mit einer Heizelektrode, die über eine lös- und kühlbare Verbindung mit dem Elektrodenhalter
verbunden ist, wobei die Kühlmittelführung bis
in den oberen Teil der Heizelektrode reicht.
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Für die elektrische
Beheizung von Glasschmelzen werden üblicherweise Heizelektroden verwendet,
die entweder durch den Boden, die Seitenwände oder von oben in die Glasschmelze
eingeführt
werden. Da bisher alle verwendeten Elektrodenwerkstoffe auf Dauer
durch die Glasschmelze angegriffen werden, müssen die Elektroden je nach
ihrem Verschleiß nachgeschoben
oder ausgewechselt werden. Falls es das Schmelzverfahren zulässt, werden aufgrund
von geringeren betrieblichen Risiken beim Austausch der Elektroden
von oben durch das Gewölbe
eingeführte
Elektroden, die auch als Top- oder Tauchelektroden
bezeichnet werden, bevorzugt. Die Verbindung zwischen Elektrodenhalter
und Elektrode besteht üblicherweise
aus einer Verschraubung, die oberhalb des Schmelzspiegels liegt.
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Aus
EP 0 372 111 A1 ist
es bekannt, den Elektrodenhalter und die Verschraubung zu kühlen, wobei
der oberste Teil der Elektrode mit einer Bohrung versehen ist, in
die ein Kühlflüssigkeitsrohr
des Elektrodenhalters hineinreicht. Durch die Kühlung der Verschraubung sollte
ein Wechsel der Elektrode auch nach monatelangem Betriebseinsatz
im Glasschmelzofen zerstörungsfrei
möglich
sein. Um dem starken korrosiven Angriff der Schmelze auf die Elektrode
im Bereich des Schmelzspiegels Rechnung zu tragen, ist die Elektrode
in diesem Bereich verdickt, so dass sich dadurch eine längere Lebensdauer
des Elektrodensystems ergibt. Der Verschleiß als solcher an der Phasengrenze
im Bereich des Schmelzspiegels wird nicht beeinflusst, es wird lediglich
im Bereich der Phasengrenze mehr Material zur Verfügung gestellt,
so dass sich dadurch die Standzeit der Elektrode erhöht.
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In
EP 0 465 688 A1 wird
das Problem des starken Verschleißes im Bereich des Schmelzspiegels
in einer Weiterentwicklung der
EP 0 372 111 A1 dadurch gelöst, dass
zwischen Elektrodenhalter und Elektrode ein gekühltes Zwischenstück aus einem korrosionsfesten
Material wie Chrom oder oxiddispergiertem Stahl zwischengeschaltet
wird. Das Zwischenstück
enthält
eine Sacklochbohrung, die mit Kühlflüssigkeit
aus dem Elektrodenhalter beaufschlagt wird. Die Verschraubung der
Elektrode mit dem Zwischenstückerfolgt
unterhalb des Glasschmelzspiegels. Nachteilig ist hier, dass sich
auch das Zwischenstück
langsam auflöst,
wobei die dabei freiwerdenden Eisen- und Chrom-Ionen aufgrund ihrer färbenden
Eigenschaften die Glasschmelze negativ beeinflussen.
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Gemäß
EP 1 613 130 A1 wird
die Elektrode wieder wie in
EP
0 372 111 A1 direkt mit dem Elektrodenhalter verschraubt,
jedoch wird die Kühlung
des oberen Teils der Elektrode bis in die Primärschmelze vorgenommen und die
Elektrode in diesem Bereich zusätzlich
durch einen keramischen Mantel, der bis in die Glasschmelze hineinreicht
und ein dünnwandiges metallisches
Schutzgehäuse
aus Edelstahl trägt,
vor Korrosion geschützt.
Der keramische Mantel aus schmelzgegossenem Aluminium-Zirkonium-Silica (AZS) ist
mittels eines Kontakt-Mörtels
mit der Elektrode verbunden. Der keramische Mantel wird gegen mechanisches
Absprengen durch Temperaturdifferenzen und Temperaturwechsel durch
das Schutzgehäuse
aus Edelstahl geschützt.
Die betriebliche Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass die Schutzfunktion des
Schutzgehäuses
aus Edelstahl nicht ausreichend ist. Im Einsatz kann die Schutzhülle aufgelöst werden
oder abfallen. Dadurch gelangen färbende Bestandteile wie Nickel,
Chrom und Eisen in das Glas, die zu Produktionsausfall führen. Ein
weiteres Problem der Stahlhülle
ist der deutlich größere thermische
Ausdehnungskoeffizient des Stahles gegenüber der Keramik. Deshalb dehnt
sich die Hülse
stärker
aus. Es entsteht ein Spalt zwischen Hülse und Keramik, so dass sie
bereits kurz nach dem Eintauchen in das Glas abfallen kann. Bekanntermaßen neigen
schmelzgegossene Aluminium-Zirconium-Silica-Steine bei Temperaturdifferenzen
und Temperaturwechseln zur Rissbildung. Fehlt die stabilisierende Schutzhülle, ist
die Funktion des keramischen Mantels nicht mehr gewährleistet
und der Korrosionsangriff erfolgt an der Heizelektrode. Dies kann
dann unter Umständen
zu einem katastrophalen Wassereinbruch führen.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, ein Elektrodensystem anzugeben, das einen
oberhalb des Schmelzspiegels angeordneten kühlbaren Elektrodenhalter besitzt
und über
eine lös-
und kühlbare
Verbindung mit der Elektrode verbunden ist und bei der der korrosive
Angriff auf die Elektrode im Bereich der Gemengedecke sowie die
Gefahr der Verunreinigung der Schmelze durch störende Ionen, die sich vor allem
durch den Angriff von Verstaubungsprodukten oder Glasdämpfen auf
den Halter bilden können,
weiter verringert ist.
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Unter
Gemengedecke versteht man den Bereich zwischen dem noch nicht reagierten
Gemenge über
die so genannte Rau- oder Primärschmelze, den
blasigen Glasbereich bis hin zum fertigem Glas. Der so genannte
Schmelzspiegel befindet sich dabei in dem Bereich zwischen der Rau-
oder Primärschmelze
und dem blasigen Glasbereich.
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Die
Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beschriebene Elektrodensystem
gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Als
Elektrodenmaterial kommen in der Regel insbesondere Molybdän, Platin,
Wolfram und ggfls. deren Legierungen zur Anwendung. Im allgemeinen wird
Molybdän
bevorzugt. Die Verbindung zwischen Elektrode und Elektrodenhalter
ist bevorzugt lösbar ausgestaltet,
z. B. als Renk- oder Schraubverbindung. Eine Schraubverbindung wird
im allgemeinen bevorzugt. Die Verbindung ist über die Kühlmittelzufuhr kühlbar.
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Es
konnte gefunden werden, dass sich die Lebensdauer von z. B. Molybdänelektroden
verlängern
lässt,
wenn die Kühlmittelzufuhr
im oberen Ende der Elektrode 5 bis 50 cm, bevorzugt 10 bis 30 cm, insbesondere
15 bis 25 cm, unter den Spiegel der Glasschmelze geführt wird
und die Elektrode wenigstens in diesem Bereich mit einem Mantel
aus einer temperaturwechselbeständigen
Keramik, einem Glas oder einem chemisch resistenten Refraktärmetall umgeben
ist. Wird die Kühlmittelzufuhr
kürzer
gewählt,
so ist die Kühlwirkung
im Bereich der Gemengedecke nicht mehr ausreichend und die Elektrode wird
angegriffen. Dabei kann es sich einerseits um den Angriff durch
Luftsauerstoff handeln, zum anderen durch den Angriff durch Bestandteile
des Glases, vor allem aus der Primärschmelze. Wird die Kühlmittelzufuhr
länger
gewählt,
ergeben sich keine verfahrenstechnischen Vorteile mehr, lediglich
der Energieverbrauch steigt infolge der größeren Wärmeabfuhr.
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Durch
die bis weit unter den Glasspiegel geführte Kühlung wird der kritische Übergang
zwischen gekühltem
und ungekühlten
Teil der Heizelektrode aus dem Bereich der korrosiven Primärschmelze
und der Gemengedecke herausgenommen.
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Der
kühlbare
Teil der Heizelektrode ist mit einem Mantel aus einer temperaturwechselbeständigen Keramik,
einem Glas oder einer chemisch beständigen Refraktärmetallschicht
umgeben. Mitunter kann es von Vorteil sein, den Mantel länger auszuführen, z.
B. um den Wärmeentzug
aus der Schmelze zu verringern. Bei Mänteln aus isolierendem Material verkleinert
sich dadurch jedoch die Elektrodenoberfläche. Eine Verlängerung
des Mantels ist daher stets unter Berücksichtigung der örtlichen
Verhältnisse vorzunehmen.
Geeignete keramische Werkstoffe sind Quarzgut, wie z. B. Quarzal
oder Masrock, und hoch zirconiumhaltige Keramiken, z.B. HZFC (high zirconia
fused cast), wie z. B. ZB-X 950 oder ZS 90, AZS (alumina-zircconia-silica)
sowie ZAC (zirconia-alumina-cast), weitere geeignete Keramiken sind Mullite,
Zirconiumsilicate oder Aluminiumoxide. Als Gläser können Quarzglas und andere hochschmelzende
Gläser
Verwendung finden, soweit sie eine ausreichende Beständigkeit
gegenüber
der korrosiven Umgebung besitzen. Auch ein Mantel aus einem chemisch
beständigen
Refraktärmetall
kann Verwendung finden. Unter chemisch beständig wird in diesem Zusammenhang
verstanden, dass das Metall gegenüber der korrosiven Umgebung
vor allem im Bereich der Primärschmelze
ganz oder weitgehend beständig
ist. Refraktärmetalle
sind Metalle und Metalllegierungen, die bei den hohen in der Glasschmelze
und in der Glaswanne herrschenden Temperaturen formstabil sind.
Geeignete Refraktärmetalle
sind z.B. Molybdän-,
Wolfram-, Iridium- oder Platingruppenmetalle und Legierungen davon.
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Da
der Mantel neben einem zusätzlichen Schutz
der Elektrode auch einen übermäßigen Wärmeentzug
aus der Schmelze durch die Kühlung
der Elektrode verhindern soll, werden Mäntel aus Keramik oder Glas bevorzugt,
dabei werden Mäntel
mit einer Wandstärke
von 1 bis 30 mm, bevorzugt 5 bis 20 mm, insbesondere 10 bis 15 mm,
bevorzugt, weil sie eine gute mechanische Stabilität mit guter
Wärmedämmung vereinen.
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Es
ist mitunter vorteilhaft, den Mantel aus mehreren Schichten unterschiedlicherer
Materialien aufzubauen. So ist z.B. ein außen mit einem Refraktärmetall,
einer Refraktärmetalllegierung
oder einer Silicium-Bor-Schicht (SIBOR) beschichteter keramischer
Mantel besonders stabil. Eine besonders günstige Kombination besteht
aus einem mit Molybdän beschichteten
Mantel aus Mullit. Der Mantel ist auf der Heizelektrode vorzugsweise
mittels einer Gießmasse
befestigt, die die zusätzliche
Aufgabe hat, das unterschiedliche Wärmedehnungsverhalten von Elektrodenwerkstoff
und Mantelwerkstoff auszugleichen. Die Gießmasse soll so dicht sein,
dass der Zutritt von Sauerstoff aus der Luft oder von korrosiven Stoffen
aus dem Gemenge vermieden oder zumindest stark behindert wird. Gleichzeitig
wird durch die innige Verbindung der Gießmasse mit dem Elektrodenstab
und der Hülse
ein guter Wärmekontakt
gewährleistet.
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Als
vorteilhaft haben sich keramische oder glasige Gießmassen
bewährt.
Die keramischen Gießmassen
bestehen bevorzugt aus Zirconiumoxid, Mullit, Zirconiumsilicat oder
Aluminiumoxid, die glasigen bevorzugt aus Quarzgut oder Borosilicatglas.
Sie werden üblicherweise
durch Einschlämmen
in den Spalt zwischen Mantel und Elektrode eingebracht und anschließend eingebrannt.
Es entsteht eine vorzugswseise porige Struktur, die gegenüber der
Wärmedehnung
der Elektrode tolerant ist.
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Damit
die Gießmasse
ihre Funktion gut erfüllen
kann, soll sie eine ausreichende Dicke besitzen, d.h. der Spalt
zwischen Elektrode und dem Mantel sollte bevorzugt 1 bis 10 mm betragen.
Wird der Spalt zu groß,
besteht die Gefahr, dass beim Einbrennen Risse in der Gießmasse entstehen
und die Gießmasse
dadurch den Zutritt von Sauerstoff oder von korrosiven Stoffen nicht
mehr verhindern kann. Zur Verbesserung der Haftung der Gießmasse auf
der Elektrode ist es vorteilhaft, die Oberfläche der Elektrode zu strukturieren.
Die Strukturierung kann durch eine Aufrauung der Oberfläche, z.B.
durch Ätzen,
Sandstrahlen oder Schleifen erfolgen oder in einer Rillierung oder
Riffelung bestehen. Gleiches gilt für die Innenfläche des
Mantels.
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Verfahrenstechnisch
ist es sinnvoll, unterschiedliche Elektrodenformen, wie beispielsweise Stäbe oder
Platten, einzusetzen, um die Strömungsverhältnisse
in der Schmelze zu ändern
bzw. zu optimieren. In diesem Fall ist es vorteilhaft, den unteren, nicht
gekühlten
in der Schmelze befindlichen Teil des Elektrodenstabes mit einem
Adapter, insbesondere einer Renk- oder Schraubverbindung, zu versehen. An
dem Adapter können
dann Elektroden beliebiger Form befestigt werden, um die gewünschte Stromverteilung
und Strömungsbeeinflussung
zu erzielen. Durch die gegenüber
einer einfachen Stabelektrode vergrößerte Elektrodenoberfläche bei
Plattenelektroden erreicht man eine geringere Stromdichte pro Flächeneinheit
der Elektrode, wodurch die Standzeit der Elektrode verlängert wird.
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Eine
weitere Verbesserung des Elektrodensystems wird erzielt, wenn der
Elektrodenhalter gegen die im Ofenraum herrschende Atmosphäre und gegen
den Angriff aggressiver Glasverdampfungsprodukte und Glaskondensate
geschützt
wird. Der Schutz folgt dadurch, dass der Elektrodenhalter mit einem
korrosionsbeständigen
Material verkleidet wird. Als Verkleidung ist insbesondre ein Schutzrohr aus
korrosionsbeständigem
Material geeignet, innerhalb dessen der Elektrodenhalter angeordnet
ist. Als Material für
das Schutzrohr ist insbesondere Glas, Quarzglas oder Keramik, z.B.
Mullit-, Zirconiumoxid-, Zirconiumsilicat- oder Aluminiumoxid-Keramik, geeignet.
Als besonders geeignet für
das Schutzrohr hat sich Borosilikatglas erwiesen, das in zahlreichen Varianten
bekannt ist, aus denen der Fachmann ohne Schwierigkeiten das seinen
Anforderungen, insbesondere hinsichtlich Temperaturbeständigkeit entsprechende
Glas auswählen
kann. In der Regel ist das bekannte Borosilikatglas 3,2 (Duran®,
Pyrex®) geeignet.
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Durch
das Schutzrohr wird der Elektrodenhalter vor Korrosion, z.B. Kaltkorrosion
bei Taupunktsunterschreitung auf dem gekühlten Elektrodenhalter geschützt. Kaltkorrosionsphänomene treten
insbesondere in SO2-haltiger Atmosphäre oder bei
einer NaCl-Läuterung
(HCl-Bildung) auf.
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Das
Elektrodenhalter-Schutzrohr hat bevorzugt eine Wandstärke von
2 bis 10 mm, um eine ausreichende mechanische Stabilität sicherzustellen. Größere Wandstärken erhöhen das
Gewicht des Schutzrohres, ohne einen deutlichen zusätzlichen Nutzen
zu bringen.
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Zwischen
Schutzrohr und Elektrodenhalter befindet sich ein Spalt, der im
allgemeinen 1 bis 20 mm beträgt.
Dieser Spalt ist bevorzugt mit einer lockeren mineralischen Masse,
z.B. einer Schüttung aus
Keramikpartikeln oder insbesondere einer Glas- oder Keramikfasermatte
umgeben. Dieses Material kann thermisch bedingte Dimensionsschwankungen zwischen
Elektrodenhalter und Schutzrohr besonders gut kompensieren. Der
Spalt kann aber auch leer oder mit einer Vergussmasse gefüllt sein.
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Der
Raum zwischen Schutzrohr und Elektrodenhalter wird zweckmäßigerweise
gegen den Eintritt der Ofenatmosphäre geschützt, was z.B. durch eine besonders
dichte Faserpackung an den Enden des Schutzrohres bewirkt werden
kann. Das Schutzrohr wird an seinen oberen Ende z. B. durch eine
mechanische Schraubklemmung am Elektrodenhalter fixiert. Diese Fixierung
kann so konstruiert sein, dass das Schutzrohr dort auf oder in eine
Faserpackung gepresst wird. Das untere Ende des Schutzrohres wird
bevorzugt durch einen Halter fixiert, der auf dem oberen Ende der
Elektrode befestigt ist. Zweckmäßigerweise
wird auf dem Mantel der Heizelektrode eine zweihälftige Hülse aus einem hitzebeständigen Material,
bevorzugt aus Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus
Molybdän,
aufgeklemmt, die das untere Ende des Schutzrohres aufnimmt. Der Halter
kann in seinem Inneren eine Packung aus einem Dichtmaterial, insbesondere
eine Keramikfaser-Packung tragen, die die Funktion hat, das Schutzrohr
abzudichten und gleichzeitig Dimensionsschwankungen zu kompensieren.
Ein weiterer Vorteil des an dem Mantel der Elektrode befestigten
Halters besteht darin, dass er einen Wärme-Strahlungsschutz für die Verschraubung zwischen
Elektrode und Halter bildet und dass er so gestaltet werden kann,
dass er zusätzlich
eine Verdrehsicherung für die
Elektrodenverschraubung bilden kann.
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Weiterhin
ist es möglich,
den Elektrodenhalter direkt mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung
zu versehen. Geeignet erweisen sich metallische Schichten aus Silicium-Bor,
das etwa 10 Gew.-% Bor enthält
und unter der Marke Sibor® der Firma Plansee bekannt
ist. Auch geeignet sind Schichten aus MCrAlY-Legierungen, wobei
M Ni und/oder Co und/oder Fe bedeutet, Nickel-Chrom-Basislegierungen,
z.B. Nimonic® und ähnliche
oder Nickel-Chrom-Molybdänlegierungen, z.B.
Hastelloy® und
dergleichen. Ferner geeignet sind auch die aus dem Gasturbinenbau
wohlbekannten Wärmedämmschichten
wie Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid. Vorteil dieser Beschichtungen
ist eine sehr gute Handhabbarkeit des beschichteten Elektrodenhalters,
nachteilig ist allerdings ihr hoher Preis.
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel schematisch
erläutert.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt
durch Elektrodenhalter 1 und Elektrode 2. Die
Elektrode 2 ist mit dem Elektrodenhalter 1 durch
ein Gewinde 3 verbunden. Der Elektrodenhalter 1 ist
zum Schutz gegen korrosiven Angriff aus der Ofenatmosphäre mit einem
Schutzrohr 4 umgeben. Im Innern des Elektrodenhalters befindet
sich eine Kühlmittelführung 5 in
Form eines Rohres, dessen Ende weit über das Ende des Elektrodenhalters 1 vorsteht
und in den Hohlraum 6 der Heizelektrode 2 hineinreicht,
der bis weit in die Glasschmelze unterhalb der Linie 10 hineinreicht.
Die strichpunktierte Linie 7 deutet die Oberkante der Gemengeschicht
an, unterhalb der Gemengeschicht befindet sich die Glasgalleschicht,
deren Oberkante durch die Linie 9 dargestellt ist und unterhalb
der Linie 10 beginnt die Glasschmelze.
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Durch
das Rohr 5 wird ein Kühlmittel,
z. B. Wasser, in das obere Ende der Heizelektrode 2 eingeführt und über den
Ringspalt 8 in den Elektrodenhalter 1 zurückgeleitet.
Das obere Ende der Heizelektrode 2 ist von einem Schutzmantel 11 umgeben,
der aus einem chemisch resistenten Refraktärmetall oder einer temperaturwechselbeständigen Keramik besteht.
Der Schutzmantel 11 ist auf der Heizelektrode 2 mittels
einer Gießmasse 12 befestigt.
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Durch
die bis weit unter die Glasoberfläche 10 gezogene Kühlung der
Heizelektrode wird die Lebensdauer des Elektrodensystems verlängert und die
Gefahr der Verunreinigung der Schmelze durch störende Ionen weiter verringert.