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Die
Erfindung betrifft ein Schmelzaggregat und ein Verfahren zur Gleichstromregelung
an einem Schmelzaggregat, wobei die Schmelzaggregate insbesondere
zur Produktion von Glas oder Glaskeramiken dienen.
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Eine
Glasschmelze stellt bei den für einen Produktionsprozess
von Glas oder Glaskeramiken notwendigen Temperaturen einen elektrisch
leitfähigen Elektrolyten dar. Dadurch sind verschiedene Produktionsabschnitte
von Schmelzaggregaten unvermeidbar elektrolytisch miteinander verbunden. Die
heiße Glasschmelze hat zumindest lokal direkten leitenden
Kontakt zu metallenen Bauteilen des Schmelzaggregats. Derartigen
Bauteilen kann man deshalb im elektrochemischen Sinne den Charakter von
Elektroden zuschreiben. Mit jeder äußeren, niederohmigen
Verbindung zwischen je zwei oder mehreren dieser Elektroden bzw.
Bauteilen, z. B. über eine gemeinsame Masse, ist daher
auch eine kurzgeschlossene elektrochemische Batterie realisiert.
Der zugehörige Kurzschlussstrom fließt als Gleichstrom durch
den Elektrolyten und kann die Ursache für blasen- oder
legierungsbildende Nebenreaktionen an den entsprechenden Grenzflächen
zwischen Schmelze und Metall sein. Bei einer kritischen Stromstärke
kommt es zu einer Bildung von Sauerstoffblasen, wenn der Strom,
unter dem negative Ladungen verstanden werden von der Schmelze in
das Metallteil fließt. Fließt ein Strom vom Metallteil
in die Schmelze, so kommt es bei einer weiteren kritischen Stromstärke
zu einer Mischblasenbildung (in der Regel Stickstoff, Kohlendioxid
und Schwefeldioxid SO2, abhängig
von dem Läutersystem) mit anschließender Legierung
ab einer dritten kritischen Stromstärke. Die in dem Schmelzaggregat
fließenden Gleichströme können sich beispielsweise
durch Änderung der Widerstände gegen Masse an
einzelnen Bauteilen verändern, z. B. durch alterungsbedingten
Verschleiß von feuerfestem Material oder durch einen Austausch
von Bauteilen wie beispielsweise Walzen oder Rührern. Dadurch
kann es an bestimmten Stellen des Schmelzaggregats zu einer Überschreitung
einer oder mehrerer der kritischen Stromstärken kommen, was
sich negativ auf die Qualität des Produkts auswirkt.
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In
dem deutschen Patent
DE
10 2004 033 714 B4 ist eine Einrichtung zur elektrischen
Erdung einer Glasfloatanlage beschrieben. Ein durch elektrochemische
Effekte bedingter Gleichstromfluss zwischen der Glaswanne und der
nachgeschalteten Floatwanne wird dadurch unterdrückt, dass
die Floatwanne mit dem Metallbad elektrisch mit Erde verbunden ist
und mindestens eine mit Erde verbundene Hilfselektrode im Kontakt
mit der Glasschmelze in der Glaswanne angebracht ist. Der erste
Pol der den Gleichstrom erzeugenden Batterie bildet hier der Oberofen
und den zweiten Pol das Zinn des Floatbades. Durch die beschriebene
Regelung wird lediglich genau dieser durchfließende Gleichstrom
minimiert, im Idealfall auf Null. Die Ableiterden leiten gezielt
den ausschließlich betrachteten Oberofenstrom ab.
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Nachteilig
an dem Stand der Technik ist, dass weitere Gleichstrom erzeugende
Batterien, welche durch beliebige metallene Bauteile als Pole im Bereich
des gesamten Schmelzaggregats gebildet sein können, nicht
in Betracht gezogen werden. Das Überschreiten kritischer
Stromstärken kann daher gegebenenfalls durch die vorgeschlagene
Lösung nicht in dem gesamten Schmelzaggregat verhindert werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Schmelzaggregat, sowie ein Verfahren zur
Gleichstromregelung an einem Schmelzaggregat zur Verfügung
zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der
unabhängigen Patentansprüche. In den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren dient zur Gleichstromregelung
an einem Schmelzaggregat, welches mehrere Bauteile zur Aufnahme
und/oder zur Behandlung einer Schmelze aufweist. In allen Bereichen
des Schmelzaggregats können metallene Bauteile eingesetzt
werden, die einen in der Regel elektrisch gut leitfähigen
Kontakt zu der elektrolytischen Schmelze besitzen. Daneben bestehen
weitere metallene Bauteile, welche keinen direkten Kontakt zur Schmelze
besitzen. Solche Bauteile befinden sich beispielsweise in dem sogenannten
Oberofen des Schmelzaggregats, in welchem eine Ofenatmosphäre
in teilweise ionisierter Form vorliegt, so dass ein Stromfluss möglich
ist. Ein weiteres metallenes Bauteil stellt die komplette Stahlverspannung
des Schmelzaggregats dar. Dieses Bauteil besitzt beispielsweise über
ein eingesetztes Feuerfestmaterial einen indirekten Kontakt zur
flüssigen Schmelze. Da die entsprechenden Flächen
vergleichsweise groß sind, kann dennoch ein merklicher
Strom fließen. Erfindungsgemäß wird eine
Mehrzahl der Bauteile über Masseverbindungen mit einer
gemeinsamen Masse verbunden. Dadurch sind mindestens zwei der Bauteile über
eine niederohmige Verbindung kurzgeschlossen, so dass eine komplette
Batterieschaltung mit Lastwiderstand realisiert ist. Die niederohmige Verbindung
kann ebenso über ein Kabel realisiert sein. Die Begriffe
Masse und Erde sind im Sinne der Erfindung als äquivalent
anzusehen. Gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird an einer Mehrzahl dieser Masseverbindungen ein Gleichstrom
gemessen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
kann der Stromfluss an den betreffenden Bauteilen überwacht
werden. Weiterhin werden erfindungsgemäß in der
Schmelze fließende Gleichströme berechnet. Die Berechnung
ist vorteilhaft aus den Gleichstrommessungen an den Masseverbindungen
möglich. Die Gleichströme in der Schmelze im Sinne
der Erfindung sind die von durch beliebige Paare von metallenen
Bauteilen mit Masseverbindung gebildeten Batterien erzeugten Gleichströme
in der Schmelze, welche sich gegenseitig überlagern können.
Bei einer Überschreitung kritischer Stromstärken
kann vorteilhaft sofort entschieden werden, welche Veränderung notwendig
ist, um die Überschreitung der kritischen Stromstärke
zu vermeiden. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine Qualitätseinbuße
an dem Produkt, welches aus der Schmelze hergestellt wird, vermieden
werden.
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Bevorzugt
erfolgt die Messung an allen bekannten Masseverbindungen von Bauteilen
des Schmelzaggregats. Der Gleichstrom wird bevorzugt nach seinem
Betrag und seiner Richtung gemessen bzw. berechnet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Betrag und/oder die Richtung der berechneten
Gleichströme in der Schmelze mit Grenzwerten verglichen.
Als Grenzwert können vorzugsweise bestimmte kritische Stromstärken
dienen, ab welchen mit einer Verminderung der Qualität
des Produkts oder mit einer Beeinträchtigung des Schmelzaggregats
zu rechnen ist, beispielsweise durch Blasenbildung in der Schmelze oder
durch Legierungsbildung.
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Befinden
sich die Gleichströme in der Schmelze innerhalb eines Stromprozessfensters,
erfolgen keine weiteren Maßnahmen. innerhalb des Stromprozessfensters
im Sinne der Erfindung bedeutet, dass keiner der vorgegebenen Grenzwerte überschritten
wird. Bei einem Überschreiten mindestens eines Grenzwertes
befinden sich die Gleichströme nicht mehr innerhalb des
Stromprozessfensters. In diesem Fall wird bevorzugt zunächst
mindestens ein zusätzliches Bauteil des Schmelzaggregats
mit der gemeinsamen Masse verbunden. Eine anschließende
Messung und erneute Berechnung der Gleichströme in der
Schmelze zeigt vorteilhaft, ob die Gleichströme wieder
innerhalb des Stromprozessfensters liegen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird
an mindestens einer der Masseverbindungen ein Übergangswiderstand zur
Masse verändert. Diese Ausführungsform ist besonders
vorteilhaft, wenn bereits alle Bauteile eine Masseverbindung aufweisen
und/oder die berechneten Gleichströme in der Schmelze weiterhin
nicht innerhalb des Stromprozessfensters liegen. Vorzugsweise wird
nach jeder Veränderung eines Übergangswiderstands
eine erneute Messung der Gleichströme durchgeführt
und eine erneute Berechnung der Gleichströme in der Schmelze
vorgenommen. Die Veränderung des Übergangswiderstands
mit anschließender Messung der Gleichströme wird
vorzugsweise solange wiederholt, bis die Gleichströme in
der Schmelze innerhalb des Stromprozessfensters liegen, also alle
Grenzwerte eingehalten werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird im Falle des Überschreitens mindestens
eines Grenzwertes eine zusätzliche Gleichstromquelle mit der
Schmelze verbunden. Insbesondere dann, wenn durch die Veränderung
der Übergangswiderstände der Masseverbindungen
der Bauteile die Gleichströme in der Schmelze nicht mehr
so reguliert werden können, dass sie innerhalb des Stromprozessfensters
liegen, ist diese Ausführungsform besonders vorteilhaft
einsetzbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird mindestens eine der Masseverbindungen über
eine Diode mit geeigneter Polarität geleitet, um einen Gleichstrom
mit definiertem Vorzeichen zuzulassen. Weiterhin bevorzugt wird
an mindestens einem der Bauteile aus Edelmetall eine elektrisch
negative Potentialdifferenz bezogen auf die Schmelze derart eingestellt,
dass ein nach Abwanderung von Wasserstoff durch die Edelmetallwandung
verbleibender Sauerstoff ionisiert wird, d. h. in negativ geladene Sauerstoff-Ionen
umgewandelt wird, die sich – anders als neutrale Sauerstoffmoleküle – in
unbegrenzter Menge in der Schmelze lösen und sich nicht
zu Gasblasen zusammenballen. So lässt sich mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch vorteilhaft die Wasserzersetzungsreaktion positiv
beeinflussen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Verfahrensschritte automatisiert durchgeführt.
Insbesondere wird dazu ein Computer verwendet, welcher die Messungen
der Gleichströme verarbeitet und die Berechnung der Gleichströme
in der Schmelze durchführt. Des Weiteren kann der Grenzwertvergleich
vorteilhaft mit Hilfe eines Computers durchgeführt werden,
ebenso eine Kalkulation, durch welche Maßnahmen die Grenzwerte
wieder eingehalten werden können. Das Zuschalten von Masseverbindungen
und/oder das Verändern eines Übergangswiderstands
und/oder das Zuschalten einer zusätzlichen Gleichstromquelle
können ebenfalls vorteilhaft durch einen Computer gesteuert
werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schmelzaggregat,
insbesondere zur Produktion von Glas oder Glaskeramik. Ein solches Schmelzaggregat
weist Bauteile zur Aufnahme und/oder Behandlung einer Schmelze auf.
Eine Mehrzahl der Bauteile weist eine Masseverbindung zu einer gemeinsamen
Masse auf. Erfindungsgemäß weist eine Mehrzahl
der Masseverbindungen eine Messvorrichtung zum Erfassen eines Gleichstroms, welcher über
die jeweilige Masseverbindung fließt, auf. Die Messvorrichtungen
zum Erfassen des Gleichstroms an einer Mehrzahl der Masseverbindungen
der Bauteile des Schmelzaggregats erlauben vorteilhaft einen Rückschluss
auf die Gleichströme, welche innerhalb der Schmelze fließen.
Die Messvorrichtungen weisen vorzugsweise zumindest teilweise Shunts
und Frequenzfilter auf. Weiterhin bevorzugt weisen die Messvorrichtungen
teilweise Induktivitäten auf. Durch diese Ausführungsformen
ist es vorteilhaft möglich, sehr kleine Gleichströme
bei gleichzeitiger Anwesenheit von hohen Wechselströmen messen
zu können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen zumindest
einige Bauteile des Schmelzaggregats schaltbare Masseverbindungen auf.
Dies erlaubt vorteilhaft das Zuschalten dieser Masseverbindungen.
Weiter bevorzugt sind die Bauteile des Schmelzaggregats zumindest
teilweise über variable Widerstände mit der Masse
verbunden. Weiterhin bevorzugt weist das Schmelzaggregat mindestens
eine externe Stromquelle auf, durch welche ein zusätzlicher
Gleichstrom in die Schmelze einprägbar ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben. Die Ausführungen beziehen sich
sowohl auf das erfindungsgemäße Verfahren, als
auch auf das Schmelzaggregat. Der allgemeine Erfindungsgedanke ist
nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Schmelzaggregats,
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2 eine
schematische Schaltungsanordnung einer elektrochemischen Batterie
in dem Schmelzaggregat nach 1,
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3 einen
Prozessablauf gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren in einem Flussdiagramm.
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Ein
Schmelzaggregat, wie das in der 1 schematisch
dargestellte Schmelzaggregat 10 zur Produktion von Glas
oder Glaskeramiken, umfasst in der Regel einen Bereich von der Einlage
eines Gemenges mittels Einlegemaschinen (nicht dargestellt) bis
hin zu einem Auslass, an dem die noch flüssige Schmelze 11 an
eine Nachverarbeitungseinrichtung übergeben wird. Dies
kann beispielsweise ein Tropfenspeiser oder auch ein Zinnbad, auf
das das flüssige Glas aufläuft, sein. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel sind Metallwalzen 15 einer
Walzmaschine als Nachverarbeitungseinrichtung schematisch dargestellt.
Eine Schmelzwanne 12 weist in der Regel einen Bereich zur
Bildung der flüssigen Schmelze 11 und einen Bereich,
in dem die Schmelze geläutert wird, auf. Die Einschmelz-
und Läuterzonen können sich in einer gemeinsamen
Wanne oder auch in räumlich getrennten Abschnitten befinden.
Die Schmelzwanne 12 kann rein fossil beheizt sein, mit einer
elektrischen Zusatzheizung versehen sein oder auch vollständig
elektrisch betrieben werden. Ein Verteiler 13 dient zur
Konditionierung der Schmelze, welche hier beispielsweise homogenisiert
und auf die für die Nachverarbeitung notwendigen Temperaturen gebracht
wird. Der Konditionierungsschritt könnte alternativ auch
in der Schmelzwanne 12 erfolgen. Der Verteiler 13 kann
mehrere metallene Komponenten oder Einbauten enthalten, wie den
in dem Ausführungsbeispiel dargestellten Rührer 14 zum
Homogenisieren der Schmelze 11.
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Der
Fachmann erkennt, dass das Problem des Gleichstromflusses in der
Schmelze 11 nicht bestehen würde, wenn die Schmelze 11 keinen
elektrischen Kontakt zur Masse 20 hätte. In der
Praxis weist ein Schmelzaggregat 10 jedoch eine Vielzahl
starker und schwacher (niederohmiger und hochohmiger) Masseverbindungen
auf. Aus Gründen der Personensicherheit beispielsweise,
sind direkte, massive Erdungen der Schmelze 11 unvermeidlich,
vor allem, wenn der Schmelzprozess durch eine elektrische Zusatzbeheizung
unterstützt wird. Da beispielsweise eine Glasschmelze bei
den für den Prozess notwendigen Temperaturen einen elektrisch
leitfähigen Elektrolyten darstellt, können sich
die an den Heizelektroden (nicht dargestellt) anliegenden, vergleichsweise hohen
Spannungen in dem gesamten Schmelzaggregat 10 verschleppen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Masseverbindung 23 des
Verteilers 13 als Personensicherheitserde ausgelegt. Eine weitere
Erdung ist die Masseverbindung 25 der Metallwalzen 15.
Bei gewollt eingesetzten Erdverbindungen beträgt der Widerstand
zur Masse in der Regel weniger als 100 Ω, häufig
weniger als 10 Ω. Wenn es sich um Personensicherheitserden
handelt, beträgt der Widerstand zur Masse weniger als 1 Ω.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, Ströme über
diese Erdverbindungen zu messen. Um sehr kleine Gleichströme
mit einer Auflösung von etwa 1 mA bei gleichzeitiger Anwesenheit
von hohen Wechselströmen von ca. 100 A, beispielsweise
von der elektrischen Heizelektrode, messen zu können, kommen
vorzugsweise hochpräzise Shunts (von 10 Ω bis
etwa 10–4 Ω) mit entsprechenden
Frequenzfiltern zum Einsatz. Bei Erdungen, welche einen höheren
Widerstand gegen Masse aufweisen, können auch Drosseln
(Induktivitäten) zum Blockieren des Wechselstroms zum Einsatz
kommen, was kostengünstiger ist. In allen Bereichen des
Schmelzaggregats 10 können metallene Bauteile
eingesetzt werden, die einen in der Regel elektrisch gut leitfähigen
Kontakt zu dem Elektrolyten, also der Schmelze 11 besitzen.
Metallene Bauteile, die einen direkten Kontakt zur flüssigen Schmelze 11 besitzen,
sind in der Regel Heizelektroden, Thermoelemente, Glasstandsmesser,
Bodenabläufe, Speisernadeln, Absperrschieber, Düsen,
ein flüssiges Zinnbad und sonstige Bauteile, die zur Strömungsbeeinflussung
oder zur Messung von Eigenschaften der Schmelze 11 dienen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind
beispielhaft eine Rinne 16, ein Verteiler 13 mit
einem Rührer 14, Walzen 15, sowie die
Schmelzwanne 12 selbst dargestellt. Als Materialien kommen
in der Regel Molybdän, Wolfram und Edelmetalle, wie Platin,
Rhodium, Iridium und deren Legierungen zum Einsatz. Die metallenen
Bauteile können entweder nur aus einem Werkstoff bestehen
oder aus einer Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen, wie
es z. B. bei den Rührern der Fall ist.
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Des
Weiteren haben bestimmte metallene Bauteile nur einen indirekten
Kontakt zur Schmelze 11. Diese Bauteile befinden sich in
der Regel in dem sogenannten Oberofen (nicht dargestellt) des Schmelzaggregats 10.
Da ein Teil der Ofenatmosphäre 11' in ionisierter
Form vorliegt, ist bei entsprechenden Spannungen ein Stromfluss
in der Schmelze 11 durch die Ofenatmosphäre 11' zu
in diesem Bereich eingebauten metallenen Bauteilen möglich.
Einen Sonderfall stellen die Schauklappen dar, da diese vor allem
bei Wannen mit elektrischer Zusatzbeheizung (EZH) aus Personensicherheitsgründen
in der Regel geerdet werden. Aufgrund von Verstaubung (vor allem
im Einlegebereich der Anlage) und Verdampfung von Glaskomponenten
bildet sich im Oberofen auf der feuerfesten Auskleidung eine Art Glasurschicht,
die den Strom von der flüssigen Glasschmelze bis zur Schauklappe
fließen lässt.
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In
der Regel sind die metallenen Bauteile, welche die Pole bzw. Elektroden
einer elektrochemischen Batterie bilden, genau zu lokalisieren.
Eine nur schwer fassbare und damit schlecht kontrollierbare Elektrode
stellt die Stahlverspannung des Schmelzaggregats dar, welche durch
feuerfestes Material gegenüber der Schmelze 11 isoliert
sein sollte. Da die indirekten Kontaktflächen zwischen
Stahlverspannung und Schmelze vergleichsweise groß sind,
kann dennoch ein merklicher Strom fließen, insbesondere bei
einem alterungsbedingten Verschleiß des feuerfesten Materials.
Besonderes Augenmerk ist diesbezüglich auf die Oberofenwand
des Einlegebereichs zu legen, insbesondere wenn nicht voll verkapselte Einlegemaschinen
zum Einsatz kommen. Bei Schaufeleinlegemaschinen existiert immer
ein kleiner Spalt, aus dem heiße Abgase und Verstaubungs-
und Verdampfungsprodukte nach außen gelangen können. Daher
sind auch die Absaugeinrichtungen in diesem Bereich in die Erdungssituation
mit einzubeziehen. Die Masseverbindung von der Schmelze 11 über
die Stahlverspannung ist schematisch durch Masseverbindungen 22 der
Schmelzwanne 12 dargestellt. Ein weiterer Fall einer möglichen
Kontaktierung zur Masse 20 tritt dann auf, wenn als Läutermittel
Natriumchlorid verwendet wird. Dem Fachmann ist bekannt, dass es
dabei zu einem Austritt von Kochsalz kommen kann, welches bei den
Prozesstemperaturen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
besitzt, um eine niederohmige Kontaktierung zur Masse 20, in
der Regel über die Stahlverspannung, zu realisieren. In
dem gesamten Erdungsumfeld muss auch die verwendete Messwerterfassungstechnik
berücksichtigt werden, da bei der Messung von Spannung
gegen Erde immer kleine, unter Umständen nicht zu vernachlässigbare
Ströme (sowohl AC als auch DC) fließen können.
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Jede
in dem Schmelzaggregat 10 gebildete elektrochemische Batterie
besteht aus je zwei Polen, an welchen unterschiedliche Grenzflächenreaktionen zwischen
der Schmelze 11 und dem jeweiligen Metall ablaufen. Zwischen
den Polen herrscht ein messbares Potentialgefälle, welches
die messbaren Ströme über die gemeinsame Masse 20,
sowie die in der Schmelze 11 fließenden Ionenströme
antreibt. Die elektrolytische Schmelze 11 ist Teil des
Innenwiderstands der jeweiligen Batterie. In der 2 ist
beispielhaft eine der möglichen, elektrochemischen Batterien
schematisch dargestellt. Der linke Pol der Batterie wird durch die
Masseverbindung 22 der Schmelzwanne 12 (vergleiche 1)
gebildet. Der rechte Pol kann eine Personensicherheitserdung, hier
beispielhaft die Masseverbindung 23 des Verteilers 13 (1)
sein. Der Innenwiderstand 50 dieser Batterie setzt sich
zusammen aus dem Innenwiderstand 51 der Schmelze in der
Schmelzwanne 12 und dem dazu parallel geschalteten Innenwiderstand 51' der Oberofenatmosphäre 11',
dem Innenwiderstand 53 der Schmelze im Verteiler 13 (siehe 1),
sowie entsprechenden Polarisationswiderständen an den Grenzflächen
zwischen Schmelze und Metall an den Polen, also an den Masseverbindungen 22, 23.
Der Widerstand 21 der gemeinsamen Masse 20 ist
annähernd gleich Null. Das Potentialgefälle der
dargestellten elektrochemischen Batterie kann beispielsweise durch
eine Differenz in der Konzentration des Sauerstoffs in der Schmelze 11 (1)
erzeugt werden. Die nominellen Unterschiede in der Sauerstoffkonzentration
sind sehr klein, daher ist es üblich, die Partialdrücke
anzugeben. So werden beispielsweise bei oxidgeläuterten
Gläsern im Läuterbereich Sauerstoffdrücke
von 1 bis 2 bar aufgebaut, um etwa von dem Einschmelzschritt übrig
gebliebene Restblasen aufzublähen und so durch Aufstieg
aus der Schmelze zu entfernen. Dem gegenüber ist die Sauerstoffkonzentration
an anderen Positionen des Schmelzaggregats, wo metallene Bauteile
in die flüssige Schmelze eintauchen, in der Regel weitaus
geringer. Hier können die entsprechenden Drücke
bei 10–8 bis 10–5 bar liegen.
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Die
Pole der in 2 dargestellten Batterie befinden
sich in entsprechend unterschiedlichen Bereichen des Schmelzaggregats
und sind über eine niederohmige Verbindung, hier die gemeinsame Masse 20 kurzgeschlossen,
so dass eine komplette Batterieschaltung mit Lastwiderstand realisiert
ist. Es fließt ein mittels der Messvorrichtung 33 messbarer Gleichstrom.
Die Größe des Gleichstroms wird zum einen von
dem gesamten externen Widerstand bestimmt, zum anderen von der Leistung
der elektrochemischen Batterie, welche maßgeblich von deren Innenwiderstand 50 abhängt.
Dieser ergibt sich, wie zuvor beschrieben, aus der Summe der Teilwiderstände
zwischen den beiden Polen, welche weiterhin abhängig sind
von der Geometrie der Anordnung und der temperaturabhängigen,
spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze 11 und
den betreffenden Polarisationswiderständen an den entsprechenden Grenzflächen
zwischen Schmelze und Metall an den Polen. Der Polarisationswiderstand
wiederum ist abhängig von der Temperatur und von den durch
ihn hindurch fließenden Gleichströmen.
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Wird
die Masse als Referenzpunkt gewählt, ist zu beachten, dass
die gemeinsame Masse 20 von allen Materialien mit definiert
wird, die gleichzeitigen Kontakt zu den äußeren
Leitern und zur Schmelze besitzt. An allen Kontakten zwischen Schmelze
und Metallen bilden sich sogenannte Mischpotentiale aus, d. h. die
Einzelpotentiale der Elektroden verschieben sich bei Kurzschluss
der Batterien je nachdem, ob sie anodisch oder kathodisch belastet
werden. Das Potential der äußeren Leiter ist daher
vom Widerstand der Verbindungen abhängig (Dicke und Länge
der Erdkabel, sowie Widerstand entsprechender zusätzlicher
Bauteile, wie Drosseln etc.). Bevorzugt werden daher alle Messungen
gegen Masse gegen denselben geometrischen Punkt bei identischer Ausgestaltung
der Masseverbindungen durchgeführt. Alle Messwerte, die
dann relativ zu diesem Massepotential gemessen werden, können
bei Bedarf in die elektrochemische Spannungsreihe eingereiht werden.
Dieses Massepotential ist beispielsweise abhängig von:
- • Art und Anzahl der beteiligten Materialien,
- • Flächen der betreffenden Bauteile in Kontakt
mit der Schmelze,
- • Temperaturen an der Kontaktfläche zwischen Schmelze
und Metall,
- • Innenwiderstände der Batterien (geometrische Verteilung,
Temperaturverteilung),
- • Widerstand zur Masse (z. B. über Drosseln, Schiebewiderstände),
- • geometrische Lage des Messpunktes in der Stahlverspannung.
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Bezug
nehmend auf 1 kommen als mögliche
natürliche Batterien beliebige Kombinationen von Einzelelektroden
in Frage. Wenn beispielsweise die Masseverbindungen 22 der
Schmelzwanne 12 den ersten Pol bilden, dann kann der zweite
Pol gebildet werden durch:
- • Ein Bauteil
aus Refraktärmetallen, wie z. B. Molybdän oder
Wolfram, bzw. deren Legierungen. Ein solches Bauteil kann beispielsweise
eine Heizelektrode (nicht dargestellt) sein. Das elektrische Potential
beträgt in diesem Fall mindestens 200 mV, abhängig
von der Temperaturdifferenz zwischen den Polen.
- • Ein Edelmetallbauteil, beispielsweise aus Platin, Rhodium,
Iridium, oder deren Legierungen. Im Ausführungsbeispiel
ist dies etwa die Masseverbindung 24 des Rührers 14.
Das elektrische Potential beträgt in diesem Fall mindestens
600 mV, abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen den
Polen.
- • Spezialstähle, beispielsweise an den Metallwalzen 15 aus
Eisen, Nickel, Chrom, oder deren Legierungen. Das elektrische Potential
wird in diesem Fall hauptsächlich durch die Temperaturdifferenz
zwischen den Polen bestimmt.
- • Das im Floatbad befindliche Zinn. Die chemischen
Effekte und die Temperatureffekte haben entgegengesetzte Vorzeichen,
so dass das sich ergebende Potenzial nicht allgemein vorhergesagt
werden kann. Erfahrungsgemäß sollten die Spannungen
betragsmäßig kleiner 200 mV betragen.
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Nimmt
man das Bauteil aus Refraktärmetallen, beispielsweise die
Heizelektrode, als ersten Pol an, kann der zweite Pol gebildet werden
durch:
- • Das Edelmetallbauteil, wie
beispielsweise den Rührer 14. Das elektrische
Potential beträgt in diesem Fall mindestens 700 mV.
- • Das Bauteil aus Spezialstahl, wie beispielsweise die
Walzen 15.
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Das
elektrische Potential beträgt in diesem Fall bis zu 200
mV.
- • Das Zinn von einem Floatbad.
Das elektrische Potential beträgt bis zu 100 mV.
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Bildet
das Edelmetallbauteil, wie beispielsweise der Rührer 14 den
ersten Pol, kann der zweite Pol gebildet werden durch:
- • Den Spezialstahl der Walzen 15. Das elektrische Potential
beträgt mindestens 600 mV.
- • Das Zinn von einem Floatbad. Das elektrische Potential
beträgt hier mindestens 800 mV.
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Die
Gleichspannung der zuvor beschriebenen, möglichen Batterien
wird im Wesentlichen bestimmt durch:
- • Die
relative Lage der beteiligten Metalle in der elektrochemischen Spannungsreihe,
- • die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Polen
(Seebeck-Effekt),
- • den Partialdruck des Sauerstoffs in der Schmelze
an den jeweiligen Positionen der Pole,
- • den jeweiligen Elektrolyten, also die Schmelze 11.
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Bildet
eine Heizelektrode aus Refraktärmetallen den ersten Pol,
dann kann der zweite Pol durch eine Gegenelektrode des Heizkreises
aus Refraktärmetallen gebildet werden. Die Batterie kommt
dadurch zustande, dass es bei der Heizung mit Wechselstrom niedriger
Frequenz unter Umständen zu Gleichrichtereffekten in dem
betreffenden Heizkreis kommen kann.
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Die
in der Schmelze 11 fließenden Gleichströme
können die Ursache von lokaler Blasenbildung an den Grenzflächen
zwischen der Schmelze 11 und metallenen Bauteilen sein.
Des Weiteren kann es zu einer Legierungsbildung von Bereichen des
metallenen Bauteils kommen, wobei Bestandteile der Schmelze, wie
z. B. Arsen, Zinn, Silizium o. ä. in die Werkstoffmatrix
eingelagert werden. Durch diese Legierungsbildung kommt es zur Versprödung und
häufig zu einer Schmelzpunkterniedrigung des Werkstoffes,
was die Lebensdauer des jeweiligen Bauteils dramatisch verkürzen
kann. Treten die blasenbildenden Reaktionen hinter dem Läuterschritt auf,
führt dies in der Regel zu einer nicht tolerierbaren Qualitätseinschränkung
des Produkts. Ob es nur zu einer Blasenbildung, oder zu einer Blasenbildung
mit Legierungsbildung, oder nur zu einer Legierungsbildung kommt,
hängt von der Strombelastung und der Richtung des Stromes
ab. Eine kritische Grenze, ab der mit den genannten Reaktionen zu
rechnen ist, ist abhängig von der Art der Schmelze, der
Kombination der verwendeten Läutermittel, der Temperatur
und der Werkstoffart der Bauteile. In der Regel sind Strombelastungen
von mehr als 0,5 μA pro mm2 kritisch.
Vorzugsweise sollte die Strombelastung unter 0,1 μA pro
mm2, besonders bevorzugt unter 0,05 μA pro
mm2 gehalten werden. Unter dem zulässigen Stromprozessfenster
ist zu verstehen, dass es auf Grund der örtlichen Strombelastung
weder zu einer Blasenbildung noch zu einer Legierungsbildung an dem
betreffenden Bauteil kommt. Beim Einsatz einer Elektrode aus z.
B. Molybdän als ein Pol der Batterie kann sich Molybdän
als Oxid auflösen. Dies ist in der Regel tolerabel, da
sich das Molybdänoxid gutartig in der Schmelze löst.
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Bei
anodischer Belastung kommt es in der Regel nur zu einer Blasenbildung.
Bei kathodischer Belastung des Bauteils kann es sowohl zu einer
Blasenbildung als auch zu einer Legierungsbildung kommen. Kommt
es bereits zu Beginn eines Produktionsprozesses zur Legierungsbildung,
wird man zunächst keine negativen Effekte auf die Qualität
des Produktes bemerken. Wird dann durch Änderungen an dem Prozess
(Temperaturen, Läutermittelmenge etc.) oder durch Änderungen
der Erdungssituation in dem Schmelzaggregat 10 die Gleichstrombelastung
des Bauteils reduziert, kann sich das Potential an dem betreffenden
Bereich des metallenen Bauteils in den Bereich der Blasenbildung
verschieben und eine verzögerte Blasenbildung tritt ein.
Dies bezeichnet man auch als sogenannten Memory-Effekt. Dabei werden die
störenden metallenen Bestandteile der Legierung durch Redox-Vorgänge
unter Blasenbildung wieder langsam aus den metallenen Bauteilen
zurück in die Schmelze 11 eingebaut.
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Die
in der Schmelze 11 fließenden Gleichströme
werden nach Betrag und Vorzeichen aus Gleichstrommessungen gegen
die gemeinsame Masse 20 berechnet. Im Ausführungsbeispiel
erfolgt eine Messung des Gleichstroms gegen die gemeinsame Masse 20 durch
eine Messvorrichtung 33 an der Masseverbindung 23 des
Verteilers 13, welche als Personensicherheitserde ausgelegt
ist, sowie durch eine Messvorrichtung 34 an der Masseverbindung 24 des
Rührers 14, sowie durch eine Messvorrichtung 36 an
der Masseverbindung 26 der Rinne 16. Durch die
Berechnung der in der Schmelze 11 fließenden Gleichströme
kann entschieden werden, ob diese sich innerhalb des Stromprozessfensters befinden.
Kritische Bauteile, die bisher nicht mit Masse verbunden waren,
können über variable Widerstände mit
der gemeinsamen Masse 20 verbunden werden. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist ein Widerstand 46 zwischen
der Rinne 16 und der gemeinsamen Masse 20, sowie
der Widerstand 44 zwischen dem Rührer 14 und
der gemeinsamen Masse 20 regelbar. Der hochohmige Übergangswiderstand 42 von
der Schmelze 11 zu der gemeinsamen Masse 20 ist
dagegen kaum beeinflussbar. Der Übergangswiderstand der
Masseverbindung 23 des Verteilers beträgt weniger
als 1 Ω, da diese als Personensicherheitserde ausgelegt
ist, deren Übergangswiderstand nicht vergrößert
werden darf. Der Übergangswiderstand 45 von den
Walzen 15 zur gemeinsamen Masse 20 kann beispielsweise
zum Schutz der Anlage selbst dienen. Er beträgt beispielsweise
weniger als 10 Ω und kann in der Regel ebenfalls nicht
verändert werden.
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Die
variablen Widerstände 44, 46 liegen in der
Regel zwischen 0 und 1000 Ω. Dies ist abhängig von
der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze 11 und
von den Widerständen der unter Umständen notwendigen
Drosseln. Letztere sind abhängig von den Spannungen und
den Strömen gegen Erde, welche bei der niederfrequenten
Beheizung eingesetzt werden.
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Um
nur einen Gleichstrom mit definierten Vorzeichen zuzulassen, ist
es auch möglich, in verschiedenen Verbindungen zur Masse 20 Dioden
mit einer geeigneten Polarität einzubauen (nicht dargestellt).
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorteilhaft
die Wasserzersetzungsreaktion positiv beeinflusst werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in der 3 anhand eines Flussdiagrammes
dargestellt. In Schritt 100 erfolgt die Messung der Gleichströme
an den Masseverbindungen 23, 24, 26 (siehe 1)
und die Berechnung der Gleichströme in der Schmelze 11.
In Schritt 102 wird überprüft, ob die
Gleichströme in der Schmelze sich innerhalb oder außerhalb
des Stromprozessfensters befinden. Ist dies der Fall, so wird an
der Gleichstromregelung des Schmelzaggregats 10 nichts
geändert. Die Messung und Berechnung gemäß Schritt 100 und Überprüfung
gemäß Schritt 102 erfolgen laufend oder
periodisch. Befinden sich die Gleichströme in Schritt 102 außerhalb
des Stromprozessfensters, so erfolgt in Schritt 103 eine Überprüfung,
ob kritische Bauteile, welche bisher nicht mit der gemeinsamen Masse 20 (1)
verbunden sind, beispielsweise über einen variablen Widerstand
mit der gemeinsamen Masse verbunden werden können. Falls
ja, werden in Schritt 110 zunächst eines oder
mehrere kritische Bauteile mit der gemeinsamen Masse verbunden.
Anschließend wird eine erneute Messung der Gleichströme
und Berechnung der Gleichströme in Schritt 100 durchgeführt
und die Einhaltung des Prozessfensters in Schritt 102 überprüft.
Sofern die Gleichströme in der Schmelze weiterhin nicht
in dem Stromprozessfenster liegen, wird in Schritt 103 erneut überprüft,
ob nach wie vor kritische Bauteile nicht mit der gemeinsamen Masse
verbunden sind. Wenn bereits alle kritischen Bauteile mit der gemeinsamen
Masse verbunden sind, wird in Schritt 104 überprüft,
ob durch Regelung der variablen Widerstände 44, 46 (siehe 1)
die Gleichströme wieder in das Stromprozessfenster reguliert
werden können. Falls ja, erfolgt in Schritt 120 eine
Regulierung der variablen Widerstände. Die Messung und Berechnung
der Gleichströme in Schritt 100, sowie die Überprüfungen
in den Prozessschritten 102, 103, 104,
sowie die Veränderung der variablen Widerstände
in Schritt 120 werden so häufig wiederholt, bis
die berechneten Gleichströme in der Schmelze sich wieder
im Stromprozessfenster befinden. Erst wenn die Überprüfung
in Schritt 104 ergibt, dass durch Veränderung
der variablen Widerstände es nicht mehr gelingt, den Gleichstrom
in der Schmelze in das Stromprozessfenster zu regulieren, wird in
Schritt 105 geprüft, ob weitere metallene Einbauten
des Schmelzaggregats 10 mit der gemeinsamen Masse 20 (1)
verbunden werden können. Falls dies zutrifft, werden in
Schritt 130 diese zusätzlichen metallenen Einbauten
mit der gemeinsamen Masse verbunden. Danach wird in der Regel der
Gleichstrom in der Schmelze wieder durch Regulierung der variablen Widerstände
in Schritt 120 möglich sein. Sobald in Schritt 104 erneut
festgestellt wird, dass eine weitere Regulierung nicht mehr möglich
ist und in Schritt 105 festgestellt wird, dass keine weiteren
metallenen Einbauten zur Verfügung stehen, wird in Schritt 106 geprüft,
ob an geeigneten Stellen externe Gleichströme über
eine aktive Gleichstromquelle in die Schmelze eingespeist werden
können. Nach der Einspeisung von externen Gleichstromquellen
in Schritt 140 ist erneut eine Einstellung der Gesamtanordnung
wie zuvor beschrieben, vorzunehmen. Erst wenn Schritt 106 erneut
erreicht wird und eine Einspeisung von externem Gleichstrom nicht
mehr möglich ist oder keinen Erfolg bringt, wird die Gleichstromregelung
in Schritt 150 beendet. In diesem Fall wäre beispielsweise
die Qualität des Produktes nicht mehr zu gewährleisten.
Das Schmelzaggregat 10 kann dann beispielsweise außer
Betrieb gesetzt und einer Wartung unterzogen werden.
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Die
beschriebene Gleichstromregelung lässt sich vorteilhaft
automatisiert durchführen, beispielsweise mit einem Computer
zur Steuerung der beschriebenen Vorgänge, vorzugsweise
gemäß dem zuvor beschriebenen Prozessablauf.
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- 10
- Schmelzaggregat
- 11
- Schmelze
- 11
- Atmosphäre
des Oberofens
- 12
- Schmelzwanne
- 13
- Verteiler
- 14
- Rührer
- 15
- Metallwalzen
- 16
- Rinne
- 20
- Gemeinsame
Masse
- 21
- Widerstand
der Masse
- 22
- Masseverbindung
der Schmelzwanne
- 23
- Masseverbindung
des Verteilers (Personensicherheitserdung)
- 24
- Masseverbindung
des Rührers
- 25
- Masseverbindung
der Metallwalzen (Sicherheitserdung)
- 26
- Masseverbindung
der Rinne
- 33
- Messvorrichtung
des Verteilers
- 34
- Messvorrichtung
des Rührers
- 36
- Messvorrichtung
an der Rinne
- 42
- Übergangswiderstand
von der Schmelzwanne zur gemeinsamen Masse
- 44
- Regelbarer
Widerstand des Rührers
- 45
- Übergangswiderstand
von der Walze zur gemeinsamen Masse
- 46
- Regelbarer
Widerstand der Rinne
- 50
- Gesamter
Innenwiderstand
- 51
- Innenwiderstand
der Schmelze
- 51'
- Innenwiderstand
der Oberofenatmosphäre
- 53
- Innenwiderstand
im Verteiler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004033714
B4 [0003]