DE102008042117A1 - Schmelzaggregat und Verfahren zur Gleichstromregelung an einem Schmelzaggregat - Google Patents

Schmelzaggregat und Verfahren zur Gleichstromregelung an einem Schmelzaggregat Download PDF

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Abstract

Es wird ein Schmelzaggregat, insbesondere zur Produktion von Glas oder Glaskeramiken, sowie ein Verfahren zur Gleichstromregelung an einem Schmelzaggregat mit Bauteilen zur Aufnahme und/oder Behandlung einer Schmelze beschrieben, wobei eine Mehrzahl der Bauteile über Masseverbindungen mit einer gemeinsamen Masse verbunden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schmelzaggregat und ein Verfahren zur Gleichstromregelung an einem Schmelzaggregat, wobei die Schmelzaggregate insbesondere zur Produktion von Glas oder Glaskeramiken dienen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen angegeben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schmelzaggregats,
  • 2 eine schematische Schaltungsanordnung einer elektrochemischen Batterie in dem Schmelzaggregat nach 1,
  • 3 einen Prozessablauf gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Flussdiagramm.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das elektrische Potential beträgt in diesem Fall bis zu 200 mV.
    • • Das Zinn von einem Floatbad. Das elektrische Potential beträgt bis zu 100 mV.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorteilhaft die Wasserzersetzungsreaktion positiv beeinflusst werden.
  • 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.
  • Die beschriebene Gleichstromregelung lässt sich vorteilhaft automatisiert durchführen, beispielsweise mit einem Computer zur Steuerung der beschriebenen Vorgänge, vorzugsweise gemäß dem zuvor beschriebenen Prozessablauf.
  • 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
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004033714 B4 [0003]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Gleichstromregelung an einem Schmelzaggregat (10) mit Bauteilen (12, 13, 14, 15, 16) zur Aufnahme und/oder Behandlung einer Schmelze (11), wobei eine Mehrzahl der Bauteile über Masseverbindungen (22, 23, 24, 25, 26) mit einer gemeinsamen Masse (20) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Mehrzahl dieser Masseverbindungen (23, 24, 26) ein Gleichstrom gemessen wird und in der Schmelze (11) fließende Gleichströme berechnet werden.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichströme nach Betrag und Richtung gemessen und/oder berechnet werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag und/oder eine Richtung der berechneten Gleichströme in der Schmelze (11) mit Grenzwerten verglichen werden.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten mindestens eines Grenzwertes mindestens ein zusätzliches Bauteil mit der gemeinsamen Masse (20) verbunden wird.
  5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten mindestens eines Grenzwertes an mindestens einer der Masseverbindungen (13, 14) ein Übergangswiderstand (44, 46) zur gemeinsamen Masse (20) verändert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung und Berechnung der Gleichströme in der Schmelze (11) nach einem Verbinden eines zusätzlichen Bauteils mit der gemeinsamen Masse und/oder nach einem Verändern eines Übergangswiderstands einer Masseverbindung wiederholt wird.
  7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten mindestens eines Grenzwertes eine zusätzliche Gleichstromquelle mit der Schmelze (11) verbunden wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Masseverbindungen über eine Diode mit geeigneter Polarität geleitet wird, um einen Gleichstrom mit definiertem Vorzeichen zuzulassen.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Bauteile (13, 14, 15, 16) aus Edelmetall eine elektrisch negative Potentialdifferenz bezogen auf die Schmelze (11) derart eingestellt wird, dass ein nach Abwanderung von Wasserstoff durch die Edelmetallwandung verbleibender Sauerstoff ionisiert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte automatisiert durchgeführt werden.
  11. Schmelzaggregat (10), insbesondere zur Produktion von Glas oder Glaskeramiken, mit Bauteilen (12, 13, 14, 15, 16) zur Aufnahme und/oder Behandlung einer Schmelze (11), wobei eine Mehrzahl der Bauteile eine Masseverbindung (22, 23, 24, 25, 26) zu einer gemeinsamen Masse (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Masseverbindungen eine Messvorrichtung (33, 34, 36) zum Erfassen eines Gleichstroms über diese Mehrzahl der Masseverbindungen aufweist.
  12. Schmelzaggregat nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtungen zumindest teilweise Shunts und Frequenzfilter aufweisen.
  13. Schmelzaggregat nach einem der Patentansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtungen teilweise Induktivitäten aufweisen.
  14. Schmelzaggregat nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (13, 14) teilweise über variable Widerstände (43, 44) mit der gemeinsamen Masse (20) verbunden sind.
  15. Schmelzaggregat nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile teilweise schaltbare Masseverbindungen aufweisen.
  16. Schmelzaggregat nach einem der Patentansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass über eine externe Stromquelle ein Gleichstrom in die Schmelze (11) einprägbar ist.
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