DE102009029204B4

DE102009029204B4 - Verfahren zum Betreiben einer Schmelzwanne zum Schmelzen von Glas mit Schutzgasspülung von Elektrodenhaltern

Info

Publication number: DE102009029204B4
Application number: DE200910029204
Authority: DE
Inventors: Dr. Duch Klaus-Dieter; Robert Rühl; Frank Jürgen Druschke; Harald Baussmann
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2029-09-05
Also published as: DE102009029204A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Schmelzwanne zum Schmelzen von Glas mit einer eine Öffnung aufweisenden Wandung aus Feuerfestmaterial (102, 202, 302), die eine der Schmelze zugewandte Innenseite (110, 210, 310) definiert, mindestens einer eine Heizelektrode (101, 201, 301, 401) und einen mit der Heizelektrode verbundenen Elektrodenhalter (100, 200, 300, 400) mit Kühlmittelleitung (103, 203, 303, 403) aufweisenden Heizanordnung, die in die Öffnung der Wandung so eingeführt ist, dass die Heizelektrode zumindest teilweise in das Innere der Schmelzwanne hineinragt, wobei die Heizanordnung einen Spalt (215, 315, 415) zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter aufweist, in den während des Schmelzbetriebes ein Schutzgas geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Glasschmelze zugewandten Seite des Elektrodenhalters ein ungekühlter Abschnitt besteht, und dass zwischen einer Haltervorderkante und der Innenseite der Schmelzwanne eine Setztiefe (s) im Verhältnis zur Länge des ungekühlten Abschnitts so eingestellt wird, dass die Glasschmelze teilweise in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter eindringt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schmelzwanne zum Schmelzen von Glas mit einer eine Öffnung aufweisenden Wandung aus Feuerfestmaterial, die eine der Schmelze zugewandte Innenseite definiert, mindestens einer eine Heizelektrode und einen mit der Heizelektrode verbundenen Elektrodenhalter aufweisenden Heizanordnung, die in die Öffnung der Wandung so eingeführt ist, dass die Heizelektrode zumindest teilweise in das Innere der Schmelzwanne hineinragt.
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. Die Glasschmelze sowie die Atmosphäre über der Glasschmelze nehmen aggressiv Einfluss auf die Materialien der Schmelzwanne, der Elektrodenhalter und der Elektrode selbst. Dabei haben verschiedene Faktoren Einfluss auf das Ausmaß der Aggressivität des Schmelzprozesses auf die Komponenten der Schmelzwanne. Die wichtigsten Faktoren sind die Zusammensetzung des Glases, die Temperatur und der Strom, der zum Zweck der Beheizung der Glasschmelze über die Elektroden durch die Schmelze geleitet wird.
Durch die beschriebenen aggressiven Einflüsse werden die eingesetzten Materialien einerseits chemisch verändert und andererseits abgetragen. Der Abtrag, der am Feuerfestmaterial der Schmelzwanne stattfindet, führt so weit, dass die Elektrode mit fortschreitender Betriebsdauer immer weiter in die Glasschmelze hineinragt. Dieser Vorgang konkurriert mit dem fortschreitenden Abtrag des Elektrodenmaterials.
Zum Heizen von Glasschmelzen werden üblicherweise Molybdänelektroden oder in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Schmelze auch Wolframelektronen verwendet.
Es ist zum Beispiel aus US 3384698 A bekannt, Elektrodenhalter für Glasschmelzwannen mit Kühlkanälen zu versehen. Das Kühlmittel ist üblicherweise Wasser.
Es ist aus GB 1603476 A bekannt, die Elektrodenhalter mit einer Beschichtung zum Schutz vor den aggressiven Einflüssen der Glasschmelze zu beschichten.
Aus der US 4 433 419 A ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, das sich mit der elektrischen Heizung von Glasschmelzöfen mittels Elektrode befasst. Über einen außerhalb der Schmelzwanne liegenden Abschnitt der Elektrode ist zumindest in deren Hochtemperaturbereich eine Hülse gesteckt und beidseits abgedichtet. Durch einen Einlass in der Hülse wird Inertgas zur Vermeidung von Korrosion an der Elektrode in einen Spalt zwischen der Elektrode und der Hülse eingeleitet.
Auch aus der US 3 634 588 A ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung einer Glasschmelze mittels elektrischer Widerstandheizung bekannt. Wiederum ist außerhalb der Schmelzwanne eine Hülse angeordnet, durch die hindurch eine Elektrode in die Schmelze eingeführt wird. Ein Zwischenraum zwischen der Hülse und der Elektrode ist ebenfalls beidseits abgedichtet und wird mit einem Inertgas zur Vermeidung von Korrosion an der Elektrode beaufschlagt. Ferner weist die Hülse einen Hohlraum auf, der von einem Kühlmedium durchströmt wird. Es ist schließlich aus dieser Schrift bekannt, dass durch das Kühlen der Elektrode das auf der Schmelzwannenseite in einen Spalt zwischen der Elektrode und der Schmelzwannenwand eindringende Glas bei einer nicht näher definierten Annäherung an die Hülse erstarrt.
Diese Maßnahmen sind geeignet, den Elektrodenhalter vor den schädlichen Einflüssen der Glasschmelze und den darüber stehenden Dämpfen zu schützen, jedoch bedarf es einer Abdichtung zwischen dem Elektrodenhalter und der Schmelzwanne, deren Lebendauer bei den dort herrschenden Temperaturen begrenzt ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Schmelzwanne bereitzustellen, das gegenüber den Verfahren aus dem Stand der Technik eine verlängerte Lebensdauer der Schmelzwanne und insbesondere des Elektrodenhalters und der Elektrode selbst bei Verarbeitung aggressiver Gemenge gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schmelzwanne zum Schmelzen von Glas mit einer eine Öffnung aufweisenden Wandung aus Feuerfestmaterial, die eine der Schmelze zugewandte Innenseite definiert, mindestens einer eine Heizelektrode und einen mit der Heizelektrode verbundenen Elektrodenhalter mit Kühlmittelleitung aufweisenden Heizanordnung, die in die Öffnung der Wandung so eingeführt ist, dass die Heizelektrode zumindest teilweise in das Innere der Schmelzwanne hineinragt, wobei die Heizanordnung einen Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter aufweist, in den während des Schmelzbetriebes ein Schutzgas geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Glasschmelze zugewandten Seite des Elektrodenhalters ein ungekühlter Abschnitt besteht, und dass zwischen einer Haltervorderkante und der Innenseite der Schmelzwanne eine Setztiefe (s) im Verhältnis zur Länge des ungekühlten Abschnitts so eingestellt wird, dass die Glasschmelze teilweise in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter eindringt. Das Schutzgas dient dem Zweck, den Elektrodenhalter und die Elektrode vor schädlichen Einflüssen anderer gegebenenfalls anwesender Gase zu schützen. Solche Gase können einerseits die Gase sein, die von der Glasschmelze ausgehen, und andererseits in der Umgebungsluft enthaltene Gase, wie beispielsweise Sauerstoff, sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Schutzgas ein Inertgas, das vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Stickstoff, Argon und Helium besteht. Als Inertgas ist Stickstoff besonders bevorzugt, weil er kostengünstig und in großen Mengen verfügbar ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Schutzgas ein reduzierendes Gas. Reduzierende Gase können besonders dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die aggressiven Gase der Glasschmelze ausgeprägt oxidierend wirken. Ein bevorzugtes reduzierendes Schutzgas ist Formiergas. Formiergas ist eine Mischung eines Inertgases mit Wasserstoff, wobei der Anteil an Wasserstoff höchstens 10 Volumenprozent beträgt. Es ist bevorzugt, dass das Schutzgas frei von oxidierenden Stoffen, insbesondere Sauerstoff, ist.
Um einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten, beträgt die Flussrate bevorzugt 1 l/h bis 100 l/h. Weiter bevorzugt beträgt die Flussrate 5 l/h bis 40 l/h. Dadurch wird gewährleistet, dass die Flussrate einerseits hoch genug ist, den Elektrodenhalter und die Elektrode ausreichend vor aggressiven Einflüssen zu schützen, und andererseits die durch den Druck des Gases an der Glasdichtung, die sich im Bereich der Haltervorderkante ausgebildet hat, verursachte Belastung nicht zu hoch wird. Mit der beschriebenen vorteilhaften Verfahrensführung wird erreicht, dass der Gasdruck im Spalt bei 0,01 bar bis 1 bar liegt. Bevorzugt sind 0,05 bar bis 0,4 bar.
Die Reinheit des verwendeten Schutzgases sollte bei mindestens 99,99% liegen, um die Anwesenheit oxidierender Spezies, wie etwa Sauerstoff, auszuschließen.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Elektrodenhalter im Schmelzbetrieb der Schmelzwanne mit einem Abstand seiner der Schmelze zugewandten Vorderkante zur Innenseite der Wandung (Setztiefe s) von höchstens 200 mm zurückgezogen angeordnet. „Zurückgezogen angeordnet” meint, dass der Elektrodenhalter so zurückgesetzt ist, dass seine Vorderkante nicht in das Innere der Schmelzwanne hineinragt.
Die Vorderkante des Elektrodenhalters wird auch Haltervorderkante genannt. Die Vorderkante ist durch den äußersten vorderen Abschnitt definiert, der der Schmelze zugewandt ist. Entgegen dem eigentlichen Sprachsinn kann die Vorderkante auch durch einen flächigen Abschluss des Halters gebildet werden.
Die von der Glasschmelze abgewandte Seite der Wandung der Schmelzwanne wird Außenseite genannt.
Es wurde gefunden, dass ein Großteil des Abtrags des Feuerfestmaterials in Schmelzwannen daher rührt, dass Strom über überhitztes Feuerfestmaterial in die Glasschmelze fließt. In einem solchen aggressiven Betriebszustand hat das Feuerfestmaterial eine außerordentlich geringe Lebensdauer. Der Grund für den Stromfluss von der Heizelektrode über das Feuerfestmaterial liegt in der Aufheizung des Feuerfestmaterials. Durch die Aufheizung des Feuerfestmaterials steigt dessen elektrische Leitfähigkeit. Sobald die elektrische Leitfähigkeit des Feuerfestmaterials höher ist als die des Glases, fließt der Hauptstrom über das Feuerfestmaterial. Daher waren Gläser mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit einem Schmelzverfahren mit Elektrodenheizung bisher nur eingeschränkt zugänglich.
Während des Betriebes der Schmelzwanne ist der Elektrodenhalter in eine Öffnung, die insbesondere eine Bohrung sein kann, eingesetzt. Ist der Elektrodenhalter im Feuerfestmaterial zu weit zurück gesetzt, dringt flüssiges Glas bis weit in die Öffnung ein. In diesem Bereich gibt es keine Kühlung. Aus diesem Grund heizt sich des Feuerfestmaterial so stark auf, dass es für den Strom teilweise leitfähiger wird als des Glas selbst. Es kommt dazu, dass der Strom nicht primär über die Heizelektrode, die in die Glasschmelze hineinragt, sondern über überhitztes Feuerfestmaterial der Schmelzwanne fließt und so zu einem starken Abtrag des Materials führt.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung lösen dieses Problem über eine geringe Setztiefe des Elektrodenhalters. Geringe Setztiefe bedeutet, dass der Elektrodenhalter von außen weit in die Öffnung im Feuerfestmaterial der Schmelzwanne geschoben wird, so dass der Abstand zwischen Haltervorderkante und Innenseite der Schmelzwanne gering wird. Der Elektrodenhalter weist bevorzugt eine Kühlmittelleitung auf. Das Kühlmittel in der Kühlmittelleitung des Elektrodenhalters kühlt dabei nicht nur die Heizelektrode und deren Halter und schützt diese Komponenten damit vor Korrosion, sonder kühlt gleichermaßen die Glasschmelze und das Feuerfestmaterial der Schmelzwanne in Nachbarschaft des Elektrodenhalters. Dabei kann der Elektrodenhalter einerseits bündig, d. h. mit einer Setztiefe von 0 mm, andererseits aber leicht im Feuerfestmaterial zurückgesetzt angeordnet sein. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Elektrodenhalter mit einer Setztiefe von höchstens 150 mm anzuordnen. Ferner sind Setztiefen von höchstens 120 mm, 60 mm und 40 mm besonders vorteilhaft. Es ist besonders vorteilhaft, den Elektrodenhalter mit einer Setztiefe von mindestens 5 mm, weiter bevorzugt 15 mm, 20 mm, 50 mm und 80 mm in der Schmelzwanne anzuordnen. Es ist erfindungsgemäß am meisten bevorzugt, dass die Setztiefe des Elektrodenhalters zwischen 15 mm und 25 mm liegt. Die erforderliche Setztiefe des Elektrodenhalters hängt unter anderem von der elektrischen Leitfähigkeit des Feuerfestmaterials ab.
Zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial, und zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter, befindet sich ein Spalt. Durch diesen Spalt können aggressive Glasdämpfe und Sauerstoff aus der Luft an den Elektrodenhalter beziehungsweise die Bereiche der Heizelektrode gelangen, die nicht mit der Glasschmelze in Berührung stehen. Da die Glasdämpfe und der Sauerstoff sehr aggressiv sind, führt dies zu einer erhöhten Beanspruchung der verwendeten Materialien. Es ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühlmittelleitung, die im Elektrodenhalter angeordnet ist, nicht bis zur Haltervorderkante des Elektrodenhalters verläuft, sondern im Elektrodenhalter zurückgesetzt ist, so dass an der der Glasschmelze zugewandten Seite des Elektrodenhalters ein ungekühlter Abschnitt besteht. Der ungekühlte Abschnitt ermöglicht es der Glasschmelze, teilweise in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter einerseits und Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial der Schmelzwanne andererseits einzudringen. Die Glasschmelze kann jedoch nur ein kurzes Stück in den Spalt eindringen, bevor sie den von der Kühlung erfassten Bereich erreicht, in welchem sie erstarrt. Auf diese Weise entsteht eine Glasdichtung, die Teile des Elektrodenhalters, der Heizelektrode und des Feuerfestmaterials der Schmelzwanne vor den aggressiven Dämpfen der Glasschmelze und dem Luftsauerstoff bewahrt. Im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Schutzgasspülung wird ein effektiver Schutz der Materialien erreicht.
Durch richtige Wahl der Länge des ungekühlten Abschnittes im Verhältnis zur Setztiefe wird erreicht, dass die Kühlmittelleitung einerseits weit genug in die Öffnung im Feuerfestmaterial hinein reicht, und andererseits genügend Raum für die Glasschmelze bleibt, in den Spalt einzudringen und einen als Dichtung wirksamen Bereich erstarrten Glases auszubilden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den minimalen Abstand der Haltervorderkante zur Kühlmittelleitung zwischen 5 mm und 50 mm zu wählen. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der minimale Abstand der Haltervorderkante zur Kühlmittelleitung zwischen 10 mm und 25 mm, besonders bevorzugt zwischen 10 mm und 15 mm, liegt. Ein negativer Effekt eines zu groß gewählten Abstandes ist die unzureichende Kühlung der Haltervorderkante. Dadurch heizt sich die Glasschmelze in diesem Bereich so stark auf, dass die Schmelze eine hohe Leitfähigkeit hat und der Strom über die Haltervorderkante und nicht über den in die Schmelze hineinragenden Abschnitt der Heizelektrode austritt.
Durch Anordnung des Elektrodenhalters in oben genannter Weise im Zusammenspiel mit der Beabstandung des Kühlmittelkanals zur Haltervorderkante wird eine Schmelzwannenkonfiguration erreicht, die nicht nur die Lebensdauer des Feuerfestmaterials sowie des Elektrodenhalters und der Heizelektrode weiter erhöht, sondern auch das Auswechseln des Elektrodenhalters erleichtert.
In Schmelzwannen des Standes der Technik ist der Elektrodenhalter weit im Feuerfestmaterial zurückgesetzt, so dass sich bei Entnahme des Halters durch einfließendes Glas ein dicker Glaspfropf bildet. Dieser Glaspfropf muss beim Einsetzen des neuen Elektrodenhalters durchstoßen werden. Bei einer Heizelektrode, die nur eine geringe Dicke aufweist oder bei besonders festen Glaspfropfen kann es zu Beschädigungen der neuen Heizelektrode kommen. Bei der Schmelzwannenkonfiguration, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt angewendet wird, hingegen, kann sich aufgrund der geringen Setztiefe des Elektrodenhalters und der nahe an die Innenseite der Schmelzwanne heranreichenden Kühlung kein dicker Glaspfropfen bilden. Ein dünner Glaspfropfen wird durch den besonders hohen Temperaturgradienten erzielt, der zwischen der Glasschmelze und dem gekühlten Teil des Elektrodenhalters besteht.
Beim Austausch des gebrauchten Elektrodenhalters gegen einen neuen Elektrodenhalter in der Schmelzwanne gemäß der vorliegenden Erfindung wird zunächst die Kühlung unterbrochen, so dass sich die Glasdichtung, die sich in dem Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial gebildet hat, verflüssigt und der Elektrodenhalter leichter entnommen werden kann. Nun wird entweder sofort ein neuer Elektrodenhalter eingesetzt, bevor die Glasschmelze signifikant in die Öffnung des Elektrodenhalters eingedrungen ist, oder es wird ein so genannter Wasserstopfen eingesetzt, der die Glasschmelze am Austritt aus der Schmelzwanne und am weiteren Eindringen in die Öffnung hindert. Dieser Wasserstopfen ist in der Form mit dem Elektrodenhalter vergleichbar, weist jedoch keine Heizelektrode auf. Der Wasserstopfen weist wie der Elektrodenhalter eine Kühlmittelleitung auf.
Bei erfindungsgemäß bevorzugten Schmelzwannen muss die neu eingesetzte Heizelektrode nur eine dünne Glasschicht durchstoßen. Nach dem Einsetzen des neuen Elektrodenhalters wird dieser kurz ohne Kühlung betrieben, so dass flüssiges Glas in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter einerseits und Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial andererseits eindringen kann. Dann wird die Wasserkühlung wieder aktiviert, so dass sich die Glasdichtung im Spalt in oben beschriebener Weise bildet.
Die Breite des Spaltes zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial muss einerseits eine Mindestbreite haben, damit die Glasschmelze in den Spalt eindringen kann, um bei Erstarrung den Spalt abzudichten, andererseits darf der Spalt nicht zu breit sein, weil flüssiges Glas in diesem Fall zu weit in den Spalt vordringen könnte, bevor es unter Einfluss der Kühlung erstarrt. Es hat sich gezeigt, dass der Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial bevorzugt eine Breite von mindestens 1 mm aufweisen muss, damit das flüssige Glas in diesen Spalt eindringen kann.
Werden Gläser mit hohen Erweichungstemperaturen verarbeitet, ist die Spaltbreite von 1 mm zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial unter Umständen nicht ausreichend, so dass gemäß bevorzugter Ausführungsformen die Spaltbreite bei mindestens 3 mm und weiter bevorzugt bei mindestens 4 mm liegt.
Damit bei ökonomischem Kühlaufwand eine Erstarrung der in den Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial eingedrungenen Glasschmelze erreicht werden kann, darf der Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial bevorzugt nicht größer als 30 mm sein. Bei Gläsern, die bei der Verarbeitungstemperatur bereits eine sehr geringe Viskosität aufweisen, kann es erforderlich sein, die Spaltbreite noch enger zu wählen, so dass gemäß bevorzugter Ausführungsformen die Spaltbreite auf höchstens 15 mm und besonders bevorzugt auf höchstens 8 mm beschränkt ist.
Eine ähnliche Überlegung liegt bevorzugten Ausführungsformen zugrunde, die derart im Feuerfestmaterial zurückgesetzt sind, dass ein Spalt zwischen Heizelektrode und Wandung der Öffnung im Feuerfestmaterial entsteht. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Elektrodenhalter nicht bündig mit der Innenwand der Schmelzwanne sitzt. Dabei weist der Spalt zwischen Heizelektrode und Wandung der Öffnung eine Breite von bevorzugt mindestens 5 mm auf. Besonders bevorzugt ist eine Breite von mindestens 8 mm und weiter bevorzugt mindestens 10 mm. Der Spalt zwischen Heizelektrode und Wandung der Öffnung hat bevorzugt eine Breite von höchstens 30 mm, besonders bevorzugt höchstens 20 mm und weiter bevorzugt höchstens 15 mm.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Öffnung im Feuerfestmaterial der Schmelzwanne eine abgesetzte Öffnung. Das bedeutet, dass die Öffnung an demjenigen Ende, das der Glasschmelze zugewandt ist, einen Absatz mit geringerem Öffnungsdurchmesser aufweist. Eine solche abgesetzte Öffnung ermöglicht einerseits eine einfachere Befestigung des Elektrodenhalters in der Öffnung unter Einhaltung der gewünschten Setztiefe, andererseits wird durch einen verringerten Öffnungsdurchmesser der Öffnung die Eintrittsgeschwindigkeit der Glasschmelze vermindert. Folglich ist die abgesetzt ausgeführte Öffnung besonders bei Heizelektroden in erfindungsgemäßen Schmelzwannen bevorzugt, die am Boden der Schmelzwanne angeordnet sind.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist der Elektrodenhalter eine Öffnung zur Aufnahme der Elektrode auf, wobei die Öffnung im Bereich der Vorderkante konisch aufgewertet ist. Unter konischer Aufweitung oder Konus der Haltervorderkante wird verstanden, dass sich die Spaltbreite zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter auf einer Länge L von der Haltervorderkante in axialer Richtung einwärts, vorzugsweise stetig, verkleinert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Elektrodenhalter so auszugestallten, dass die Länge L 20 bis 40 mm beträgt. Dabei ist der Winkel zwischen Elektrode und Mantelfläche des Konus bevorzugt kleiner als 45°.
Um zu gewährleisten, dass das Glas beim Eintritt in den Bereich des Konus noch flüssig ist, ist die Länge L bevorzugt kürzer als der Abstand der Haltervorderkante zur Kühlmittelleitung. Die Differenz des Abstands der Haltervorderkante zur Kühlmittelleitung und der Länge L beträgt bevorzugt mindestens 1/3 der Länge L.
Diese konische oder trichterförmige Aufweitung stellt sicher, dass die Glasschmelze in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter eindringt.
Der Elektrodenhalter ist so ausgestaltet, dass der Ort des Stromüberganges vom Elektrodenhalter auf die Heizelektrode bevorzugt möglichst großflächig ist, da Stromübertrag an kleinen Kontaktflächen zu einer starken korrosiven Materialbelastung fahren würde. Bei einem Elektrodenhalter, der nicht-nachschiebbar ausgestaltet ist, ist der Ort des Stromüberganges bevorzugt am der Glasschmelze abgewandten Ende der Heizelektrode. Dieses der Glasschmelze abgewandte Ende der Elektrode ist bevorzugt flach ausgestaltet, da so am sichersten ein großflächiger Kontakt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter möglich ist.
Der Elektrodenhalter ist bevorzugt überall dort, wo ein Stromübergang vom Elektrodenhalter auf die Heizelektrode, die Glasschmelze oder jedes andere Bauteil unerwünscht ist, ohne Kanten oder Spitzen ausgeführt, so dass dort kein unerwünschter Stromübergang mit den daraus resultierenden korrosiven Belastungen stattfindet.
Um unerwünschte Stromübergänge vom Elektrodenhalter auf die Heizelektrode zu vermeiden besteht zwischen Haltervorderkante und Heizelektrode bevorzugt ein Spalt. Auf diese Weise entsteht keine undefinierte Kontaktfläche zwischen Elektrodenhalter und Heizelektrode, über die ein Stromübergang stattfinden könnte.
Ferner weist der Elektrodenhalter bevorzugt am Übergang von der Haltervorderkante zu seiner Außenumfangsfläche eine Anfasung auf. Somit ist dieser Übergang im Bereich der Haltervorderkante keine spitze Kante. Diese Anfasung vermeidet den sogenannten Spitzeneffekt, der in extremen Betriebszuständen auftritt, bei denen die Wasserkühlung nicht ausreichend ist und die Temperatur der Glasschmelze derart ansteigt, dass ein Stromfluss über die Haltervorderkante in die Schmelze stattfindet.
Bevorzugte Ausführungsformen des Elektrodenhalters in der Schmelzwanne gemäß der vorliegenden Erfindung weisen einen Einschub für ein optional vorhandenes Thermoelement auf. Der Einschub ist in Form einer Hülse am Außenumfang des Elektrodenhalters befestigt. Das Thermoelement ist geeignet während des Betriebes, Temperaturmessungen in der Schmelzwanne vorzunehmen. Dabei ist der Einschub bevorzugt so ausgestaltet, dass das Thermoelement von außen in die Hülse am Elektrodenhalter eingeschoben werden kann. Auf diese Weise kann das Thermoelement bei Defekt einfach während des Betriebes ausgetauscht werden. Bevorzugt ist der Einschub für das Thermoelement so ausgestaltet, dass er nach allen übrigen Seiten geschlossen ist. Auf diese Weise wird die Berührung mit der Glasschmelze sowie mit aggressiven Gasen der Glasschmelze ausgeschlossen. Dies verlängert die Lebensdauer des eingesetzten Thermoelements.
Die Elektrodenhalter der Schmelzwanne gemäß der vorliegenden Erfindung können so ausgestattet sein, dass die Heizelektrode im Elektrodenhalter mit Hilfe eines Gewindes verschraubt ist.
Gemäß alternativer Ausführungsformen ist der Elektrodenhalter so ausgestaltet, dass die Heizelektrode von außen in den Elektrodenhalter eingeschoben werden kann, so dass bei fortschreitendem Abtrag des Elektrodenmaterials ein Nachschieben der Heizelektrode von außen möglich ist.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Elektrodenhalter gemäß der vorliegenden Erfindung nachschiebbar ausgeführt ist, weil dadurch die Notwendigkeit des Austausches des ganzen Elektrodenhalters bei verschlissener Heizelektrode entfällt. Ferner kann dadurch sichergestellt werden, dass der Ort des Stromübergangs in konstant weiter Entfernung zum Feuerfestmaterial stattfindet.
Im Falle, dass der Elektrodenhalter nachschiebbar ausgeführt ist, kommt beim Nachschieben bevorzugt ein Verfahren zur Anwendung, das des Ausschalten der Wasserkühlung vorsieht. Durch das Ausschalten der Wasserkühlung wird das Glas im Bereich der Haltervorderkante flüssig. Insbesondere erweicht die Glasdichtung, die sich im Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter gebildet hat Dadurch ist es möglich, die Heizelektrode nachzuschieben. Beim Nachschieben wird die Heizelektrode bevorzugt etwas weiter als die Solltiefe in die Glasschmelze geschoben, so dass die Schmelze die Heizelektrode benetzen kann. Dann wird die Heizelektrode auf Solltiefe zurückgezogen, so dass flüssiges Glas im Bereich der Haltervorderkante in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter gelangt. In einem nächsten Schritt wird die Wasserkühlung wieder eingeschaltet. Das Glas im Bereich zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter erstarrt und bietet als Glasdichtung Schutz vor eindringender Luft von außen und aggressiven Gasen von innen.
Die eingesetzte Heizelektrode ist bevorzugt aus Wolfram oder Molybdän gefertigt. Dabei handelt es sich bevorzugt um eine Elektrode in Stabform. Ihr Durchmesser liegt bevorzugt bei mindestens 20 mm. Die Höchstgrenze der Elektrodendurchmesser liegt bevorzugt bei 80 mm.
In alternativen Ausführungsformen können die Heizelektrode Plattenelektroden sein.
Der Elektrodenhalter, der in der Schmelzwanne gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt ist bevorzugt aus Stahl gefertigt. Dabei ist der vordere Teil des Halters, das ist der Teil, der der Schmelze zugewandt ist, aus kohlenstoffarmem Stahl, wie beispielsweise ST37, gefertigt. Es ist erforderlich, hier einen kohlenstoffarmen Stahl zu verwenden, da kohlenstoffreicher Stahl während der Nachschiebeprozedur der Heizelektrode durch die schnellen Temperaturwechsel spröde würde. Der äußere Teil des Elektrodenhalters, der außerhalb der Öffnung liegt, ist bevorzugt aus einem Stahl gefertigt, der kohlenstoffreicher ist als der Stahl des vorderen Teils.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der Elektrodenhalter, der in der Schmelzwanne der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, eine Keramikbeschichtung im Berührungsbereich zwischen Elektrodenhalter und Heizelektrode außer im Bereich des Stromübergangs auf. Die Heizelektrode steht in einem großen Bereich mit dem Elektrodenhalter in Berührung. Dabei ist nur ein bestimmter Bereich für den Übergang des Heizstromes bestimmt Alle übrigen Bereiche werden aus Gründen der Isolation bevorzugt mit einer Keramikbeschichtung versehen. Bevorzugt ist die Keramikbeschichtung eine Schicht, die Al₂O₃ oder ZrO₂ umfasst. Bevorzugt besteht die Keramikschicht aus einer dieser Komponenten. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Keramik um Al₂O₃. Diese keramischen Materialien haben sich als ausreichend isolierend einerseits und überaus resistent gegenüber den Einflüssen der Glasschmelze andererseits erwiesen.
Es ist ferner bevorzugt, dass auch die Außenumfangsfläche des Elektrodenhalters eine Keramikbeschichtung aufweist. Eine solche Beschichtung schützt den Elektrodenhalter vor dem Angriff der Glasschmelze und unterdrückt den Stromübergang über die Außenumfangsfläche.
Damit eine ausreichende Isolation erreicht wird, soll die Keramikbeschichtung bevorzugt eine Dicke von mindestens 0,01 mm haben, besonders bevorzugt sind Dicken von mindestens 0,05 mm und weiter bevorzugt mindestens 0,3 mm. Die Obergrenzen für die Dicke der Keramikschicht liegen bevorzugt bei 1 mm, weiter bevorzugt 0,5 mm und am meisten bevorzugt bei 0,4 mm. Die bevorzugte Dicke der Keramikschicht richtet sich nach den Glastypen, die mit der Schmelzwanne erschmolzen werden sollen. Je aggressiver die verarbeitete Glasschmelze ist, desto dicker muss die Keramikbeschichtung gewählt werden.
Es hat sich gezeigt, dass der Berührungsbereich zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter auf einer Länge von zwischen 30 mm und 100 mm gemessen ab der Haltervorderkante mit Keramik beschichtet sein sollte, um die erfindungsgemäß gewünschten Effekte zu erzielen.
Die Keramikbeschichtung auf der Außenumfangsfläche des Elektrodenhalters hat eine bevorzugte Ausdehnung von zwischen 100 mm und 200 mm ab der Haltervorderkante.
Die hier beschriebene Erfindung löst zahlreiche Probleme, die im Zusammenhang mit dem Betrieb von Heizelektroden in Glasschmelzwannen auftreten können. Vorteilhafte Aspekte der Schmelzwanne sind zum Beispiel:

• Die stabile Verglasung im Bereich der Haltervorderkante verhindert den Eintritt von Luftsauerstoff in den Bereich der Heizelektrode und den Stromfluss vom Elektrodenhalter in die Glasschmelze aufgrund der schlechten Leitfähigkeit der kühlen Glasdichtung.
• Die ausreichende Kühlung verhindert, dass die Haltervorderkante übermäßig angegriffen wird.
• Der Aufbau des Elektrodenhalters stellt sicher, dass der Stromübergang im gekühlten Bereich stattfindet, sicheres Nachschieben möglich ist und rechtzeitiges Zurückziehen von Elektrodenhalter und Heizelektrode ermöglicht wird.
• Der Verschleiß des Feuerfestmaterials wird vermindert.
• Die Lebensdauer der Heizelektrode, des Elektrodenhalters und der ganzen Schmelzwanne wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau wesentlich verlängert.
• Die Wahl des Feuerfestmaterials ist weniger eingeschränkt, da dieses nicht so widerstandsfähig sein muss.

Während des Betreibens der erfindungsgemäßen Schmelzwanne wird ein Glasgemenge in der Schmelzwanne erhitzt. Dies kann ausschließlich unter Verwendung von Heizelektroden erfolgen; es können aber auch zusätzliche Mittel zum Heizen der Schmelzwanne zum Einsatz kommen.
Bei Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Schmelzwanne sitzen in den Öffnungen für Boden- und Seitenelektroden bevorzugt sogenannte Wasserstopfen. Wasserstopfen sind Vorrichtungen, die als Elektrodenhalter ohne Elektrode aufgefasst werden können. Es handelt sich also um Stopfen, die genau wie der Elektrodenhalter in die Öffnung passen und eine Kühlmittelleitung aufweisen. Diese Stopfen verhindern, dass Glasschmelze in die Öffnungen eindringen kann.
Bevorzugt findet vor dem eigentlichen Schmelzvorgang ein sogenanntes Vorschmelzen statt, das das Aufheizen des Glasgemenges mit anderen Mitteln als Heizelektroden umfasst. Diese anderen Mittel sind bevorzugt Öl- oder Gasbrenner. Erst nachdem das Vorschmelzen beendet ist, werden die Wasserstopfen gegen Elektrodenhalter ausgetauscht. Nachdem der oder die Elektrodenhalter eingesetzt wurden, bleibt die Wasserkühlung der Elektrodenhalter bevorzugt zunächst abgeschaltet, so dass flüssige Schmelze in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter und in den Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial eindringen kann. Bei Glastemperaturen von mehr als 1500°C dauert dieser Betrieb ohne Wasserkühlung bevorzugt zwischen 1 und 2 Minuten, während bei Glastemperaturen von kleiner 1500°C bis zu 3 Minuten erforderlich sind, damit sich die benötigten Glasdichtungen ausbilden können. Liegen die Schmelztemperaturen sogar unter 1300°C, müssen mehr als 3 Minuten Betrieb ohne Wasserkühlung vorgesehen werden.
Ist die Schmelzwanne so ausgestaltet, dass sie einen Elektrodenhalter umfasst, der von oben in die Schmelze eingetaucht wird, kann es erforderlich sein, dass nach Entnahme eines verschlissenen Elektrodenhalters oder einer verschlissenen Heizelektrode ein neuer Elektrodenhalter eingesetzt werden muss. Dabei wird bevorzugt so verfahren, dass der neue Elektrodenhalter mitsamt der Heizelektrode mehrfach tiefer als sein Setzmaß in die Glasschmelze eingetaucht wird. Darauf folgt bevorzugt die Begutachtung der Verglasung, die sich am Elektrodenhalter gebildet haben soll. Ist diese ausreichend, so wird der Elektrodenhalter auf seine Setztiefe eingeschoben und befestigt Bevorzugt wird erst danach die Wasserkühlung aufgedreht, da bei Einsatz eines Elektrodenhalters von oben keine Gefahr eines Glasaustrittes besteht. Dieses Verfahren darf ohne Wasserkühlung jedoch nicht länger als 5 Minuten andauern, da der Elektrodenhalter Temperaturen von zwischen 1300°C und 1600°C nicht länger standhalten kann.
Die erfindungsgemäße Schmelzwanne wird bevorzugt bei Temperaturen von zwischen 1300°C und 1600°C betrieben.
Während des Betriebes der erfindungsgemäßen Schmelzwanne und sofern nichts anderes beschrieben ist, wird bevorzugt Kühlmittel durch die Kühlmittelleitungen geleitet. Das Kühlmittel umfasst bevorzugt Wasser. Dabei umfasst das Kühlwasser bevorzugt Zusätze, die Kalkablagerungen an den Leitungen vermeiden, Korrosion innerhalb des Kühlsystems minimieren und die elektrische Leitfähigkeit senken. Die elektrische Leitfähigkeit muss unter einem Wert von 1000 μS, bevorzugt unter 500 μS und besonders bevorzugt unter 300 μS liegen, damit kein Stromfluss über das Kühlwasser stattfinden kann.
Die Schläuche, die das Kühlmittel zum Elektrodenhalter führen, sind bevorzugt Gewebeschläuche, die ferner bevorzugt frei von metallischen Fasern sind.
Der Kühlmitteldruck muss ausreichend hoch sein, um ein Sieden des Kühlmittels zu vermeiden. Besonders hoch muss der Kühlmitteldruck dort sein, wo die höchste Wärmestromdichte auftritt. Bei den erfindungsgemäßen Schmelzwannen ist dies der Ort in der Kühlmittelleitung, der den kleinsten Abstand zur Haltervorderkante aufweist. Hier ist der Kühlmitteldruck bevorzugt größer als 2 bar, weiter bevorzugt großer als 4 bar und am meisten bevorzugt größer als 5 bar.
Im Falle von Wasser als Kühlmittel ist der Kühlmitteldruck bevorzugt größer als der sogenannte Stadtwasserdruck. Der Stadtwasserdruck ist der Druck des örtlichen Leitungswassers. Dadurch ist es möglich durch ein einfaches Druckventil bei Ausfall der Kühlung, das Stadtwasser als Notkühlwasser zu verwenden.
Trotz der Vorteile der Schmelzwanne der vorliegenden Erfindung muss der Elektrodenhalter gerade bei langer Betriebsdauer gegebenenfalls zurückgezogen werden. Der Grund dafür ist der Abtrag des Feuerfestmaterials, der dazu führt, dass die Setztiefe sich im Laufe einer Wannenreise verringern kann. Das hier beschriebene Verfahren umfasst daher bevorzugt den Schritt des Durchführens einer Wärmeentzugsmessung.
Die Wärmeentzugsmessung ermöglicht es, den richtigen Zeitpunkt zum Zurückziehen des Elektrodenhalters festzustellen. Erfolgt das Zurückziehen nämlich zu früh, kann ein erneutes Zurückziehen während der Wannenreise erforderlich sein, was die Kosten unnötig erhöhen würde. Erfolgt das Zurückziehen hingegen zu spät, kann es zu einer Schädigung des Halters mit allen negativen Begleiterscheinungen, wie zum Beispiel Verunreinigung der Schmelze durch Bestandteile des Halters, kommen.
Die Wärmeentzugsmessung umfasst bevorzugt die folgenden Schritte:

• Messung der Temperatur des zugeführten Kühlmittels,
• Messung der Temperatur des rücklaufenden Kühlmittels und
• Messung der Flussrate des Kühlmittels.

Die bevorzugte Flussrate des Kühlmittels liegt bei mindestens 5 l/min, weiter bevorzugt bei 10 l/min bis 15 l/min und besonders bevorzugt bei mindestens 20 l/min.
Der Temperaturunterschied zwischen zugeführtem Kühlmittel und rücklaufendem Kühlmittel ist bei konstanter Flussrate ein Maß für den Wärmeentzug, den die Glasschmelze durch die Kühlung erfährt. Ein Referenzpunkt ist der Wärmeentzug bei Inbetriebnahme des Elektrodenhalters. Bei Inbetriebnahme ist die Setztiefe des Elektrodenhalters bekannt. Steigt der Wärmeverlust der Glasschmelze im Betrieb um mindestens 30%, bevorzugt mindestens 45%, verglichen mit dem Referenzpunkt, wird der Elektrodenhalter zurückgezogen. Das Zurückziehmaß liegt bevorzugt bei mindestens 30 mm und höchstens 60 mm.
Das Zurückziehen erfolgt dabei bevorzugt in zwei Schritten:

• Zurückziehen des Elektrodenhalters um mindestens 30 mm,
• Durchführen einer erneuten Wärmeentzugsmessung, und optional
• erneutes Zurückziehen des Elektrodenhalters auf das endgültige neue Setzmaß.

Das erneute Zurückziehen wird nur durchgeführt, sofern die erneute Wärmeentzugsmessung ergeben hat, dass das erste Zurückziehen nicht ausreichend war. Der Wärmeentzug nach dem Zurückziehen sollte dem Wärmeverlust bei Inbetriebnahme des Elektrodenhalters entsprechen.
Die im Folgenden beschriebenen Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es zeigen im Einzelnen:
1 einen Schnitt durch den der Glasseite zugewandten Teil eines nicht-nachschiebbaren Elektrodenhalters
2 einen Schnitt durch den der Glasseite zugewandten Teil eines nachschiebbaren Elektrodenhalters
3 einen Schnitt durch den der Glasseite zugewandten Teil eines nachschiebbaren Elektrodenhalters in abgesetzter Bohrung
4 einen Schnitt durch den der Glasseite abgewandten Teil eines nachschiebbaren Elektrodenhalters
1 zeigt einen Elektrodenhalter 100, der eine Heizelektrode 101 aufweist, die über ein Gewinde 104 mit dem Elektrodenhalter 100 verschraubt ist. Solche Elektrodenhalter 100 kommen bevorzugt bei Elektroden 101 zum Einsatz, die einen Durchmesser von zwischen 20 mm und 60 mm, und vorzugsweise zwischen 30 mm und 40 mm, haben.
Der Elektrodenhalter 100 ist in eine Öffnung 118 im Feuerfestmaterial 102 der erfindungsgemäßen Schmelzwanne eingesetzt. Zwischen dem Elektrodenhalter 100 und der Wandung der Öffnung 118 entsteht ein Spalt 112.
Eine Kühlmittelleitung 103 sorgt dafür, dass ein Gewinde 104 und ein Ort des Stromüberganges 105 stets ausreichend gekühlt werden können, um ein Herausfallen einer Heizelektrode 101 aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien zu unterbinden. Die ausreichende Kühlung wird dadurch verwirklicht, dass die Kühlmittelleitung 103 ein Trennelement 113 aufweist, das sicherstellt, dass einströmendes, und somit noch sehr kaltes, Kühlwasser zunächst den Bereich nahe dem Gewinde 104 und dem Ort des Stromüberganges 105 passiert, bevor es in Richtung Haltervorderkante 107 und somit in Richtung der heißen Glasschmelze 106 weiterfließt.
Das Gewinde 104 und der Ort des Stromüberganges 105 sind derart gearbeitet, dass der Stromübergang an der größtmöglichen Fläche stattfindet, um die Übergangswiderstände zu minimieren. Der Strom fließt überwiegend über eine ebene und vollflächig anliegende Kontaktfläche am Ort des Stromüberganges 105. Um den Stromübergang möglichst auf diese Kontaktfläche zu beschränken, wird der Halter 100 an den übrigen Berührungsstellen mit der Elektrode 101 mit einer Keramikbeschichtung 111 versehen bzw. ein Spalt 109 zwischen Haltervorderkante 107 und Heizelektrode 101 vorgesehen. Durch diese Maßnahmen wird verhindert, dass der Strom über andere Kontaktstellen zwischen Elektrodenhalter 100 und Heizelektrode 101 übertritt, was zu korrosivem Angriff des Materials besonders an Stellen mit kleinen Flächen führen würde.
In einem hier gezeigten Elektrodenhalter 100 wird das Schutzgas im Schmelzbetrieb bevorzugt derart eingeleitet, dass eine Schutzgasleitung beispielsweise in der Kühlmittelleitung 103 in Richtung Elektrode 101 geführt wird, um dann in den sich zwangsläufig zwischen Elektrode 101 und Elektrodenhalter 100 bildenden Spalt zu münden. Die Mündung dieser Schutzgasleitung ist bevorzugt nicht im Bereich des Stromüberganges 105, sondern im Bereich des sich zwangsläufig bildenden Spaltes zwischen Elektrode 101 und Elektrodenhalter 100 angeordnet, damit der flächige Kontakt zwischen Elektrode 101 und Elektrodenhalter 100 nicht beeinträchtigt wird.
Beispielsweise kann die Schutzgasleitung in den Bereich des Gewindes 104 münden. Schließlich bildet sich auch im Bereich des Gewindes 104 ein Spalt zwischen Elektrodenhalter 100 und Elektrode 101.
Um im Falle extremer Betriebszustände, wie beispielweise einer ausgefallenen Wasserkühlung, zu verhindern, dass der Strom von einer spitzen Kante am Übergang von der Haltervorderkante 107 zu seiner Außenumfangsfläche unter starker Beanspruchung des Materials in die Glasschmelze 106 austritt, weist der Elektrodenhalter 100 dort eine Anfasung 108 auf.
Der abgebildete Elektrodenhalter 100 ist mit einer Setztiefe s in der Öffnung im Feuerfestmaterial 102 zurückgesetzt. Bei der abgebildeten Ausführungsform des Elektrodenhalters 100 ist die Setztiefe s bevorzugt zwischen 0 mm und 60 mm, weiter bevorzugt zwischen 5 mm und 40 mm und am meisten bevorzugt zwischen 15 mm und 25 mm. Diese Setztiefen s sind für Glastemperaturen in einem Bereich von 1200°C bis 1700°C geeignet. Die Setztiefe richtet sich unter anderem nach der Temperatur, bei der die Schmelzwanne betrieben wird. Ferner ist die optimale Setztiefe abhängig von der Glasart, die geschmolzen wird, dem Elektrodenmaterial und der Größe des Elektrodenhalters 100 (insbesondere seinem Durchmesser).
Der Abstand a ist der minimale Abstand der Haltervorderkante 107 zur Kühlmittelleitung 103. Bei dem abgebildeten Haltertyp sind Abstände a bevorzugt, die zwischen 5 mm und 50 mm, weiter bevorzugt zwischen 10 mm und 25 mm und am meisten bevorzugt zwischen 10 mm und 15 mm liegen.
Um den Elektrodenhalter 100 vor den schädlichen Einflüssen der Glasschmelze 106 zu schützen, kann dieser auf seiner Außenumfangsfläche 124 eine weitere Keramikbeschichtung aufweisen. Dabei sollte sich die Beschichtung abhängig von der Setztiefe s des Elektrodenhalters 100 über eine Länge von zwischen 100 mm und 200 mm ausgehend von der Haltervorderkante 107 an der Außenumfangsfläche 124 des Elektrodenhalters 100 erstrecken. Bevorzugt ist auch die Haltervorderkante 107 beschichtet.
Zusätzlich oder alternativ zur Keramikbeschichtung der Außenumfangsfläche 124 des Elektrodenhalters 100 kann dieser im Außenbereich mit anderen Schutzbeschichtungen versehen sein. Der Außenbereich des Halters ist derjenige Bereich, der nicht mit der Glasschmelze 106 in Berührung kommt. Der Außenbereich beginnt vorzugsweise wenigstens 200 mm gemessen ab der Haltervorderkante 107. Die Schutzbeschichtung erstreckt sich vorzugsweise auf alle Elemente des Elektrodenhalters 100, die außerhalb der Außenseite der erfindungsgemäßen Schmelzwanne liegen. Als Schutzbeschichtungen kommen insbesondere chemische Vernickelung, Polyurethanbeschichtungen oder Rostschutzfarbe, bevorzugt mit Bleioxid (PbO) als wirksamem Bestandteil, in Frage. Diese Schutzbeschichtungen haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu einer keramischen Beschichtung wesentlich kostengünstiger sind. Eine Keramikbeschichtung ist zwar widerstandsfähiger, was für Elemente, die außerhalb der Außenseite der Schmelzwanne liegen, jedoch nicht erforderlich ist.
2 zeigt einen Elektrodenhalter 200, der eine Heizelektrode 201 aufweist, die nachschiebbar ausgeführt ist. Folglich weist diese Ausführungsform kein Gewinde zur Aufnahme der Heizelektrode auf. Solche Elektrodenhalter 200 kommen bevorzugt bei Elektroden 201 zum Einsatz, die einen Durchmesser von zwischen 40 mm und 50 mm haben.
Der Elektrodenhalter 200 ist in eine Öffnung 218 im Feuerfestmaterial 202 der erfindungsgemäßen Schmelzwanne eingesetzt. Zwischen dem Elektrodenhalter 200 und der Wandung der Öffnung 218 entsteht ein Spalt 212.
Die Kühlmittelleitung 203 sorgt dafür, dass die Heizelektrode 201 stets ausreichend gekühlt werden kann, um die Oxidation der Heizelektrode 201 aufgrund hoher Temperaturen einzudämmen. Die ausreichende Kühlung wird dadurch verwirklicht, dass die Kühlmittelleitung 203 ein Trennelement 213 aufweist, das sicherstellt, dass einströmendes, und somit noch sehr kaltes, Kühlwasser zunächst den Bereich nah der Heizelektrode 201 passiert bevor es in Richtung Haltervorderkante 207 und somit in Richtung der heißen Glasschmelze 206 weiterfließt.
Der Elektrodenhalter 200 ist im Berührungsbereich mit der Heizelektrode 201 mit einer Keramikbeschichtung 211 versehen. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass der Strom an diesen Stellen unkontrolliert vom Elektrodenhalter 200 auf die Heizelektrode 201 übertreten kann.
Der abgebildete Elektrodenhalter 200 ist bündig im Feuerfestmaterial 202 eingesetzt. In anderen Ausführungsformen kann je nach geplanter Glaszusammensetzung eine andere Setztiefe s gewählt werden. Bei der abgebildeten Ausführungsform des Elektrodenhalters 200 ist die Setztiefe s bevorzugt zwischen 0 mm und 15 mm. Diese Setztiefen s sind für Glastemperaturen in einem Bereich von 1200°C bis 1700°C geeignet. Die Setztiefe richtet sich unter anderem nach der Temperatur, bei der die Schmelzwanne betrieben wird. Ferner ist die optimale Setztiefe abhängig von der Glasart, die geschmolzen wird, dem Elektrodenmaterial und der Größe des Elektrodenhalters 200 (insbesondere seinem Durchmesser).
Der abgebildete Elektrodenhalter 200 weist einen Spalt 215 zwischen der Heizelektrode 201 und dem Elektrodenhalter 200 auf. Dieser Spalt ist in der gezeigten Ausführungsform bevorzugt 1 mm breit. Ein Spalt 215 mit solchen Ausmaßen ermöglicht es dem Glas, beim Nachschieben der Heizelektrode 201, während die Kühlung abgestellt ist, in den Spalt 215 einzudringen und eine Glasdichtung auszubilden.
Unterstützt wird das Einfließen des Glases beim Nachschieben des Halters dadurch, dass der Elektrodenhalter 200 eine Öffnung zur Aufnahme der Heizelektrode 201 aufweist, die im Bereich der Haltervorderkante 207 konisch aufgeweitet ist. Unter konischer Aufweitung oder Konus 214 der Haltervorderkante 207 wird verstanden, dass sich die Breite des Spaltes 215 zwischen Heizelektrode 201 und Elektrodenhalter 200 auf einer Länge L von der Haltervorderkante 207 einwärts in axialer Richtung auf die Kühlmittelleitung 203 zu verkleinert. Der Elektrodenhalter 200 ist so ausgestaltet, dass die Länge L 20 bis 40 mm beträgt. Dabei ist der Winkel α zwischen Heizelektrode 201 und Mantelfläche des Konus kleiner als 45°. Um zu gewährleisten, dass die Glasschmelze 206 in den Konus 214 eintritt, ist die Länge L des Konus 214 kürzer als der minimale Abstand a der Haltervorderkante 207 zur Kühlmittelleitung 203. Die Differenz k zwischen dem minimalen Abstand a der Haltervorderkante 207 zur Kühlmittelleitung 203 und der Länge L beträgt mindestens 1/3 der Länge L.
Der Konus 214 der Haltervorderkante vereinfacht das Eindringen der Glasschmelze 206 in den Spalt zwischen Heizelektrode 201 und Elektrodenhalter 200.
Um den Elektrodenhalter 200 vor den schädlichen Einflüssen der Glasschmelze 206 zu schützen, kann dieser auf seiner Außenumfangsfläche 224 eine weitere Keramikbeschichtung aufweisen. Dabei sollte sich die Beschichtung abhängig von der Setztiefe s des Elektrodenhalters 200 über eine Länge von zwischen 100 mm und 200 mm ausgehend von der Haltervorderkante 207 an der Außenumfangsfläche 224 des Elektrodenhalters 200 erstrecken.
Zusätzlich oder alternativ zur Keramikbeschichtung der Außenumfangsfläche 224 des Elektrodenhalters 200 kann dieser im Außenbereich mit anderen Schutzbeschichtungen versehen sein. Der Außenbereich des Halters ist derjenige Bereich, der nicht mit der Glasschmelze 206 in Berührung kommt. Das ist insbesondere der Bereich, der wenigstens 200 mm gemessen ab der Haltervorderkante 207 beginnt.
Die Schutzbeschichtung beschränkt sich dabei nicht notwendigerweise auf die Außenumfangsfläche 224 des Elektrodenhalters 200 sondern kann sich auf alle Elemente des Elektrodenhalters 200 erstrecken, die außerhalb der Außenseite der erfindungsgemäßen Schmelzwanne liegen und dort möglicherweise aggressiven Dämpfen ausgesetzt sein können, die von der Glasschmelze 206 selbst oder dem eingesetzten Läutermittel herrühren. Dies ist besonders bei Läuterung mit Natriumchlorid relevant. Als Schutzbeschichtungen kommen chemische Vernickelung, Polyurethanbeschichtungen oder Rostschutzfarbe, bevorzugt mit Bleioxid (PbO) als wirksamem Bestandteil, in Frage.
In einem Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schmelzwanne kann ein Gas in den Spalt 215 zwischen Heizelektrode 201 und Elektrodenhalter 200 geleitet werden. Des Gas schützt die Heizelektrode 201 vor Oxidation durch Luftsauerstoff. Besonders vorteilhaft ist diese Begasung im Falle einer unzureichenden Verglasung im Spalt 215 zwischen Heizelektrode 201 und Elektrodenhalter 200. Das Gas tritt dann an der Haltervorderkante 207 aus und gewährleistet Schutz für das Elektrodenmaterial. Das Gas kann ein Inertgas sein oder ein reduzierendes Gas. Als Inertgas ist Stickstoff bevorzugt. Als reduzierendes Gas kommt Formiergas in Frage. Reduzierendes Gas wird bevorzugt bei besonders oxidativen Schmelzbedingungen gewählt.
In einem Betriebszustand, in dem die Verglasung an der Haltervorderkante 207 noch nicht sauber ausgebildet ist, sollte die Gasspülung eine Flussrate von 1 l/h bis 100 l/h, bevorzugt 5 l/h bis 40 l/h und am meisten bevorzugt 10 l/h bis 20 l/h aufweisen. Sobald die Verglasung an der Haltervorderkante 207 sauber ausgebildet ist, kann dort kein Gas mehr austreten und es wird dann bevorzugt ein Gasdruck eingestellt, der bei 0,01 bar bis 1 bar, weiter bevorzugt bei 0,05 bar bis 0,4 bar und am meisten bevorzugt bei 0,1 bar bis 0,2 bar liegt. Ist der Druck geringer, kann eine ausreichende Gasspülung im Falle einer Beschädigung der Verglasung an der Haltervorderkante nicht mehr erreicht werden, während ein zu hoher Druck zu einer Beschädigung besagter Verglasung führen kann.
Im Betrieb der Schmelzwanne kann der Gasdruck als Test auf saubere Verglasung an der Haltervorderkante 207 herangezogen werden. Die Verglasung ist sauber, wenn bei einem Druck von zwischen 0,1 bar und 0,2 bar kein Gasdurchgang beobachtet wird. Die Reinheit des verwendeten Gases sollte bei mindestens 99,99% und bevorzugt bei mindestens 99,9999% liegen, da so die Anwesenheit oxidierender Verunreinigungen, wie beispielsweise Sauerstoff, weitgehend ausgeschlossen ist.
3 zeigt einen Elektrodenhalter 300, der eine Heizelektrode 301 aufweist, die nachschiebbar ausgeführt ist. Folglich weist diese Ausführungsform kein Gewinde zur Aufnahme der Heizelektrode auf. Solche Elektrodenhalter 300 kommen bevorzugt bei Elektroden 301 zum Einsatz, die einen Durchmesser von mehr als 60 mm und bevorzugt zwischen 76 mm und 80 mm haben.
Der Elektrodenhalter 300 ist in eine Öffnung 318 im Feuerfestmaterial 302 der erfindungsgemäßen Schmelzwanne eingesetzt. Die Öffnung, in die der Elektrodenhalter 300 eingesetzt ist, ist eine abgesetzte Öffnung mit einem radial einwärts gerichteten Absatz auf der der Glasschmelze zugewandten Seite. Das bedeutet, dass der Abstand der Wandung 318 der Öffnung zur Symmetrieachse der Heizelektrode 301 größer ist als der Abstand der Wandung 319 des abgesetzten Teils der Öffnung zur Symmetrieachse. Die abgesetzte Öffnung ist besonders vorteilhaft, wenn der Elektrodenhalter 300 im Bodenbereich der Schmelzwanne eingesetzt wird. Die abgesetzte Öffnung verkleinert den Radius der Öffnung im Wannenboden, so dass beim Austausch des Elektrodenhalters 300 die Glasschmelze 306 weniger weit in die Öffnung eindringen kann.
Zwischen der Wandung 319 des abgesetzten Teils der Öffnung und der Heizelektrode 301 besteht ein Spalt mit einer Breite d. Diese Breite d beträgt bevorzugt 5 mm bis 30 mm, weiter bevorzugt 8 mm bis 20 mm und am meisten bevorzugt 10 mm bis 15 mm. Die Breite wird so bemessen, dass je nach Glastyp flüssiges Glas bis zum Halter laufen kann.
Der Spalt 312 zwischen Elektrodenhalter 300 und Feuerfestmaterial 302 hingegen soll eine Breite von bevorzugt zwischen 1 mm und 30 mm, weiter bevorzugt zwischen 3 mm und 15 mm und am meisten bevorzugt zwischen 4 mm und 8 mm aufweisen.
Der abgebildete Elektrodenhalter 300 ist mit einer Setztiefe s in der Öffnung im Feuerfestmaterial 302 zurückgesetzt. Die Setztiefe s ist der Abstand der Haltervorderkante 307 zur Innenwandung der Schmelzwanne 310. Die Innenwandung der Schmelzwanne 310 ist die Seite der Wandung, die der Glasschmelze 306 zugewandt ist. Bei der abgebildeten Ausführungsform des Elektrodenhalters 300 ist die Setztiefe s bevorzugt zwischen 20 mm und 200 mm, weiter bevorzugt zwischen 50 mm und 150 mm und am meisten bevorzugt zwischen 80 mm und 120 mm. Die Setztiefe richtet sich unter anderem nach der Temperatur, bei der die Schmelzwanne betrieben wird. Ferner ist die optimale Setztiefe abhängig von der Glasart, die geschmolzen wird, dem Elektrodenmaterial und der Größe des Elektrodenhalters 300, insbesondere seinem Durchmesser.
Der Abstand a ist der minimale Abstand der Haltervorderkante 307 zur Kühlmittelleitung 303.
Die Kühlmittelleitung 303 ermöglicht, dass die Heizelektrode 301 stets ausreichend gekühlt werden kann, um die Oxidation der Heizelektrode 301 aufgrund hoher Temperaturen einzudämmen. Die ausreichende Kühlung wird dadurch verwirklicht, dass die Kühlmittelleitung 303 ein Trennelement 313 aufweist, das sicherstellt, dass einströmendes, und somit noch sehr kaltes, Kühlwasser zunächst den Bereich nah der Heizelektrode 301 passiert bevor es in Richtung Haltervorderkante 307 und somit in Richtung der heißen Glasschmelze 306 weiterfließt.
Bei großen Elektrodenhaltern 300 kann es vorkommen, dass sich Luftblasen in der Kühlmittelleitung 303 festsetzen, welche die Kühlung beeinträchtigen können. Zu diesem Zweck wird die Kühlmittelleitung bevorzugt so ausgestaltet, dass das Kühlmittel auf einer Spiralbahn in dem Elektrodenhalter 300 geleitet wird.
Der Elektrodenhalter 300 weist ein Thermoelement 317 auf, das seitlich an der Haltervorderkante 307 angeordnet ist. Es dient zur Temperaturkontrolle an der Haltervorderkante 307 bei Inbetriebnahme des Elektrodenhalters 300. Wie beschrieben muss die Temperatur an diesem Ort eine plastische Verglasung ermöglichen, damit sich eine Glasdichtung bildet, die einerseits dicht und andererseits nicht brüchig ist.
Im Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schmelzwanne wird nach Einsetzen des Elektrodenhalters 300 bevorzugt abgewartet bis die Temperatur an diesem Ort bis auf 200°C über die Verglasungstemperatur gestiegen ist, so dass der komplette Bereich der Haltervorderkante 307 benetzt wird. Es kann also der exakte Zeitpunkt abgewartet werden, an dem die richtige Temperatur für eine effektive Verglasung erreicht ist, ohne dass die Temperatur derart hoch ansteigt, dass eine Beschädigung der Komponenten des Elektrodenhalters 300 zu befürchten wäre.
Ist die erforderliche Temperatur erreicht, wird die Kühlung eingeschaltet. Da das Thermoelement 317 an einer sehr exponierten Stelle angebracht ist, hat es nur eine geringe Lebensdauer. Dies ist in der Regel nicht von Nachteil, da die Information über die Temperatur zur Ausbildung einer Glasdichtung in erster Linie bei Inbetriebnahme des Halters benötigt wird.
Für den Fall, dass auch später noch Informationen eingeholt werden müssen, ist am Elektrodenhalter 300 ein Einschub 316 für ein Thermoelement an der Außenumfangsfläche des Elektrodenhalters 300 vorgesehen. Dadurch werden Informationen über Temperaturen in der Nähe der Haltervorderkante 307 jederzeit während des Betriebes der Schmelzwanne zugänglich. Folglich kann die benötigte Verglasungstemperatur auch beim Nachschieben der Heizelektrode 301 im Betrieb beobachtet werden. Das eingeschobene Thermoelement kann dann nach Erhalt der benötigten Temperaturinformation wieder entnommen werden, so dass eine lange Lebensdauer des Thermoelementes gewährleistet ist.
Die große Heizelektrode 301 ist nachschiebbar ausgeführt. Je nach Gewicht der Elektrode kann am Fuß der Heizelektrode 301, der bei einer Bodenelektrode unterhalb der Schmelzwanne angeordnet ist, eine Unterstützung angebracht sein, die die Heizelektrode 301 hält. Diese Unterstützung kann mit einem Wagenheber verbunden sein, der es ermöglicht, auch schwere Elektroden 301 ohne zu große Anstrengung nachzuschieben.
Der Wagenheber kann bevorzugt mit einer Bohrmaschine betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass die Heizelektrode 301 komfortabel und präzise von nur einem Menschen nachgeschoben und zurückgezogen werden kann.
Der Elektrodenhalter 300 ist im Berührungsbereich mit der Heizelektrode 301 mit einer Keramikbeschichtung 311 versehen. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass der Strom über andere Kontaktstellen als den Ort des Stromüberganges (nicht im Bild) zwischen Elektrodenhalter 300 und Heizelektrode 301 übertritt, was zu starkem korrosivem Angriff des Materials besonders bei Stromübergang an kleinen Flächen führen würde.
Unterstützt wird das Einfließen des Glases beim Nachschieben des Halters dadurch, dass der Elektrodenhalter 300 eine Öffnung zur Aufnahme der Heizelektrode 301 aufweist, die im Bereich der Haltervorderkante 307 konisch aufgeweitet ist. Unter konischer Aufweitung oder Konus 314 der Haltervorderkante 307 wird verstanden, dass sich die Breite des Spaltes 315 zwischen Heizelektrode 301 und Elektrodenhalter 300 auf einer Länge L von der Haltervorderkante 300 einwärts in axialer Richtung auf die Kühlmittelleitung 303 zu verkleinert. Der Elektrodenhalter 300 ist so ausgestaltet, dass die Länge L 20 bis 40 mm beträgt. Dabei ist der Winkel α zwischen Heizelektrode 301 und Mantelfläche des Konus kleiner als 45°. Um zu gewährleisten, dass die Glasschmelze 306 in den Konus 314 eintritt, ist die Länge L des Konus 314 kürzer als der minimale Abstand a der Haltervorderkante 307 zur Kühlmittelleitung 303. Die Differenz k zwischen dem minimalen Abstand a der Haltervorderkante 307 zur Kühlmittelleitung 303 und der Länge L beträgt mindestens 1/3 der Länge L.
Um den Elektrodenhalter 300 vor den schädlichen Einflüssen der Glasschmelze 306 zu schützen, kann dieser auf seiner Außenumfangsfläche 324 eine weitere Keramikbeschichtung aufweisen. Dabei sollte sich die Beschichtung abhängig von der Setztiefe s des Elektrodenhalters 300 über eine Länge von zwischen 100 mm und 200 mm ausgehend von der Haltervorderkante 307 an der Außenumfangsfläche 324 des Elektrodenhalters 300 erstrecken.
Zusätzlich oder alternativ zur Keramikbeschichtung der Außenumfangsfläche 324 des Elektrodenhalters 300 kann dieser im Außenbereich mit anderen Schutzbeschichtungen versehen sein. Der Außenbereich des Elektrodenhalters 300 ist derjenige Bereich, der nicht mit der Glasschmelze 306 in Berührung kommt. Das ist insbesondere der Bereich, der wenigstens 200 mm gemessen ab der Haltervorderkante 307 beginnt. Die Schutzbeschichtung beschränkt sich dabei nicht notwendigerweise auf die Außenumfangsfläche 324 des Elektrodenhalters 300 sondern kann sich auf alle Elements des Elektrodenhalters 300 erstrecken, die außerhalb der Außenseite der erfindungsgemäßen Schmelzwanne liegen und dort möglicherweise aggressiven Dämpfen ausgesetzt sein können, die von der Glasschmelze 306 selbst oder dem eingesetzten Läutermittel herrühren. Dies ist besonders bei Läuterung mit Natriumchlorid relevant. Als Schutzbeschichtung kommen insbesondere chemische Vernickelung, Polyurethanbeschichtungen oder Rostschutzfarbe, bevorzugt mit Bleioxid (PbO) als wirksamem Bestandteil, in Frage.
In einem Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schmelzwanne kann ein Gas in den Spalt 315 zwischen Heizelektrode 301 und Elektrodenhalter 300 geleitet werden. Das Gas schützt die Heizelektrode 301 vor Oxidation durch Luftsauerstoff. Besonders vorteilhaft ist diese Begasung im Falle einer unzureichenden Verglasung im Spalt 315 zwischen Heizelektrode 301 und Elektrodenhalter 300. Das Gas tritt dann an der Haltervorderkante 307 aus und gewährleistet Schutz für das Elektrodenmaterial. Das Gas kann beispielsweise Inertgas sein oder ein reduzierendes Gas. Als Inertgas ist Stickstoff bevorzugt. Als reduzierendes Gas kommt Formiergas in Frage. Reduzierendes Gas wird bevorzugt bei besonders oxidativen Schmelzbedingungen gewählt.
In einem Betriebszustand, in dem die Verglasung an der Haltervorderkante 307 noch nicht sauber ausgebildet ist, sollte die Gasspülung eine Flussrate von 1 l/h bis 100 l/h, bevorzugt 5 l/h bis 40 l/h und am meisten bevorzugt 10 l/h bis 20 l/h aufweisen.
Sobald die Verglasung an der Haltervorderkante 207 sauber ausgebildet ist, kann dort kein Gas mehr austreten und es wird ein Gasdruck eingestellt, der bei 0,01 bar bis 1 bar, bevorzugt bei 0,05 bar bis 0,4 bar und am meisten bevorzugt bei 0,1 bar bis 0,2 bar liegt. Ist der Druck geringer, kann eine ausreichende Gasspülung im Falte einer Beschädigung der Verglasung an der Haltervorderkante nicht mehr erreicht werden, während ein zu hoher Druck zu einer Beschädigung besagter Verglasung führen kann.
Im Betrieb der Schmelzwanne kann der Gasdruck als Test auf saubere Verglasung an der Haltervorderkante 307 herangezogen werden. Die Verglasung ist sauber, wenn bei einem Druck von zwischen 0,1 bar und 0,2 bar kein Gasdurchgang beobachtet wird. Die Reinheit des verwendeten Gases sollte bei mindestens 99,99% und bevorzugt bei mindestens 99,9999% liegen, da so die Anwesenheit oxidierender Verunreinigungen, wie beispielsweise Sauerstoff, weitgehend ausgeschlossen ist.
4 zeigt einem Elektrodenhalter 400, der eine Heizelektrode 401 aufweist, die nachschiebbar ausgeführt ist. Folglich weist diese Ausführungsform kein Gewinde zur Befestigung der Heizelektrode auf. Solche Elektrodenhalter 400 kommen bevorzugt bei Elektroden 401 zum Einsatz, die einen Durchmesser von zwischen 40 mm und 50 mm haben.
Die Abbildung zeigt einen Teil eines Elektrodenhalters 400 einer erfindungsgemäßen Schmelzwanne, der nicht mit der Glasschmelze in Berührung steht. Beispielsweise kann der außenliegende Teil des Elektrodenhalters 200 aus 2 oder 3 wie hier abgebildet ausgestaltet sein.
Die Kühlmittelleitung 403 sorgt dafür, dass die Heizelektrode 401 stets ausreichend gekühlt werden kann, um die Oxidation der Heizelektrode 401 aufgrund hoher Temperaturen einzudämmen. Die ausreichende Kühlung wird dadurch verwirklicht, dass die Kühlmittelleitung 403 ein Trennelement 413 aufweist, das sicherstellt, dass einströmendes, und somit noch sehr kaltes, Kühlwasser zunächst den Bereich nahe der Heizelektrode 401 passiert, bevor es in Richtung Haltervorderkante und somit in Richtung der heißen Glasschmelze weiterfließt.
Der Elektrodenhalter 400 ist im Berührungsbereich mit der Heizelektrode 401 mit einer Keramikbeschichtung 411 versehen. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass der Strom über andere Kontaktstellen als dem Ort des Stromüberganges 405 zwischen Elektrodenhalter 400 und Heizelektrode 401 übertritt, was zu starker korrosivem Angriff des Materials besonders bei Stromübergang an kleinen Flächen führen würde.
Der abgebildete Elektrodenhalter 400 weist einen Spalt 415 zwischen der Heizelektrode 401 und dem Elektrodenhalter 400 bzw. der Keramikbeschichtung 411 auf.
Um den Elektrodenhalter 400 vor den schädlichen Einflüssen der Glasschmelze zu schützen, kann dieser auf seiner Außenumfangsfläche 424 eine weitere Keramikbeschichtung aufweisen. Dabei sollte sich die Beschichtung abhängig von der Setztiefe des Elektrodenhalters 400 über eine Länge von zwischen 100 mm und 200 mm ausgehend von der Haltervorderkante an der Außenumfangsfläche 424 des Elektrodenhalters 400 erstrecken.
Zusätzlich oder alternativ zur Keramikbeschichtung der Außenumfangsfläche 424 des Elektrodenhalters 400 kann dieser im Außenbereich mit anderen Schutzbeschichtungen versehen sein. Der Außenbereich des Halters ist derjenige Bereich, der nicht mit der Glasschmelze in Berührung kommt. Das ist insbesondere der Bereich, der wenigstens 200 mm gemessen ab der Haltervorderkante beginnt. Die Schutzbeschichtung beschränkt sich dabei nicht notwendigerweise auf die Außenumfangsfläche 424 des Elektrodenhalters 400 sondern kann sich auf alle Elemente des Elektrodenhalters 400 erstrecken, die außerhalb der Außenseite der erfindungsgemäßen Schmelzwanne liegen und dort möglicherweise aggressiven Dämpfen ausgesetzt sein können, die von der Glasschmelze selbst oder dem eingesetzten Läutermittel herrühren. Dies ist besonders bei Läuterung mit Natriumchlorid relevant. Als Schutzbeschichtung kommen insbesondere chemische Vernickelung, Polyurethanbeschichtungen oder Rostschutzfarbe, bevorzugt mit Bleioxid (PbO) als wirksamem Bestandteil, in Frage.
In einem Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schmelzwanne kann ein Gas durch die Zuleitung 420 in den Spalt 415 zwischen Heizelektrode 401 und Elektrodenhalter 400 geleitet werden. Das Gas schützt die Heizelektrode 401 vor Oxidation durch Luftsauerstoff. Besonders vorteilhaft ist diese Begasung im Falle einer unzureichenden Verglasung im Spalt 415 zwischen Heizelektrode 401 und Elektrodenhalter 400. Das Gas tritt dann an der Haltervorderkante aus und gewährleistet Schutz für das Elektrodenmaterial. Das Gas kann beispielsweise Inertgas sein oder ein reduzierendes Gas. Als Inertgas ist Stickstoff bevorzugt. Als reduzierendes Gas kommt Formiergas in Frage. Reduzierendes Gas wird bevorzugt bei besonders oxidativen Schmelzbedingungen gewählt.
Um zu verhindern, dass das Gas In Richtung Außenumfangsfläche der Schmelzwanne entweicht, weist der Elektrodenhalter 400 Dichtungen 421 auf. Das Dichtmaterial ist bevorzugt eine Graphitpackung. Graphit ist bevorzugt, weil es auch bei hohen Temperaturen beständig ist und größere Maßtoleranzen bei den Heizelektroden zulässt. Es können aber auch handelsübliche O-Ringe verwendet werden. Zur Befestigung der Dichtung wird vorzugsweise ein Stopfbuchse verwendet.
In einem Betriebszustand, in dem die Verglasung an der Haltervorderkante noch nicht sauber ausgebildet ist, sollte die Gasspülung eine Flussrate von 1 l/h bis 100 l/h, bevorzugt 5 l/h bis 40 l/h und am meisten bevorzugt 10 l/h bis 20 l/h aufweisen.
Sobald die Verglasung an der Haltervorderkante sauber ausgebildet ist, kann dort kein Gas mehr austreten und es stellt sich ein Gasdruck ein, der bevorzugt bei 0,01 bar bis 1 bar, weiter bevorzugt bei 0,05 bar bis 0,4 bar und am meisten bevorzugt bei 0,1 bar bis 0,2 bar liegt. Ist der Druck geringer, kann eine ausreichende Gasspülung im Falle einer Beschädigung der Verglasung an der Haltervorderkante nicht mehr erreicht werden, während ein zu hoher Druck zu einer Beschädigung besagter Verglasung führen kann.
Im Betrieb der Schmelzwanne kann der Gasdruck als Test auf saubere Verglasung an der Haltervorderkante herangezogen werden. Die Verglasung ist sauber, wenn bei einem Druck von zwischen 0,1 bar und 0,2 bar kein Gasdurchgang beobachtet wird. Die Reinheit des verwendeten Gases sollte bei mindestens 99,99% und bevorzugt bei mindestens 99,9999% liegen, da so die Anwesenheit oxidierender Verunreinigungen, wie beispielsweise Sauerstoff, weitgehend ausgeschlossen ist.
Der Elektrodenhalter 400 weist eine Elektrodenbefestigung 422 auf, welche die hier stabförmig ausgestaltete Heizelektrode 401 hält, dabei die Heizelektrode 401 insbesondere axial in dem Elektrodenhalter 400 fixiert und über die Stromzuführung 423 elektrischen Kontakt zwischen Spannungsquelle und Heizelektrode 401 herstellt.
Die Elektrodenbefestigung 422 weist bevorzugt eine Beschichtung aus Al₂O₃ auf. Al₂O₃ dient als Isolator, der gewährleistet, dass der Strom ausschließlich über die Heizelektrode 400 in die Glasschmelze geleitet wird. Die Elektrodenbefestigung 422 ist also überall außer am Ort des Stromübergangs 405 beschichtet.
Bezugszeichenliste

100: Elektrodenhalter
101: Heizelektrode
102: Feuerfestmaterial
103: Kühlmittelleitung
104: Gewinde
105: Ort des Stromübergangs
106: Glasschmelze
107: Haltervorderkante
108: Anfasung
109: Spalt zwischen Haltervorderkante und Heizelektrode
110: Innenseite der Schmelzwanne
111: Keramikbeschichtung
112: Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial
113: Trennelement
118: Wandung der Öffnung
124: Außenumfangsfläche des Elektrodenhalters
200: Elektrodenhalter
201: Heizelektrode
202: Feuerfestmaterial
203: Kühlmittelleitung
206: Glasschmelze
207: Haltervorderkante
210: Innenseite der Schmelzwanne
211: Keramikbeschichtung
212: Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial
213: Trennelement
214: konische Aufweitung (Konus)
215: Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter
218: Wandung der Öffnung
224: Außenumfangsfläche des Elektrodenhalters
300: Elektrodenhalter
301: Heizelektrode
302: Feuerfestmaterial
303: Kühlmittelleitung
306: Glasschmelze
307: Haltervorderkante
310: Innenseite der Schmelzwanne
311: Keramikbeschichtung
312: Spalt zwischen Elektrodenhalter und Feuerfestmaterial
313: Trennelement
314: konische Aufweitung (Konus)
315: Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter
316: Einschub für Thermoelement
317: Thermoelement
318: Wandung der Öffnung
319: Wandung des abgesetzten Teils der Öffnung
324: Außenumfangsfläche des Elektrodenhalters
400: Elektrodenhalter
401: Heizelektrode
403: Kühlmittelleitung
405: Ort des Stromübergangs
411: Keramikbeschichtung
413: Trennelement
415: Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter
420: Zuleitung für Gasspülung
421: Dichtung
422: Elektrodenbefestigung
423: Stromzuführung
424: Außenumfangsfläche des Elektrodenhalters
s: Setztiefe
a: Abstand
L: Länge
α: Winkel
k: Differenz
d: Spaltbreite

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Schmelzwanne zum Schmelzen von Glas mit einer eine Öffnung aufweisenden Wandung aus Feuerfestmaterial (102, 202, 302), die eine der Schmelze zugewandte Innenseite (110, 210, 310) definiert, mindestens einer eine Heizelektrode (101, 201, 301, 401) und einen mit der Heizelektrode verbundenen Elektrodenhalter (100, 200, 300, 400) mit Kühlmittelleitung (103, 203, 303, 403) aufweisenden Heizanordnung, die in die Öffnung der Wandung so eingeführt ist, dass die Heizelektrode zumindest teilweise in das Innere der Schmelzwanne hineinragt, wobei die Heizanordnung einen Spalt (215, 315, 415) zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter aufweist, in den während des Schmelzbetriebes ein Schutzgas geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Glasschmelze zugewandten Seite des Elektrodenhalters ein ungekühlter Abschnitt besteht, und dass zwischen einer Haltervorderkante und der Innenseite der Schmelzwanne eine Setztiefe (s) im Verhältnis zur Länge des ungekühlten Abschnitts so eingestellt wird, dass die Glasschmelze teilweise in den Spalt zwischen Heizelektrode und Elektrodenhalter eindringt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas ein Inertgas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas ein Inertgas umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Argon und Helium.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas Stickstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas ein reduzierendes Gas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas Formiergas umfasst.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas frei von oxidierenden Stoffen, insbesondere Sauerstoff, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einer Flussrate von 1 l/h bis 100 l/h in den Spalt geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einer Flussrate von 5 l/h bis 40 l/h in den Spalt geleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasdruck im Spalt von 0,01 bar bis 1 bar eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasdruck im Spalt von 0,05 bar bis 0,4 bar eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinheit des verwendeten Schutzgases bei mindestens 99,99% liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenhalter bei seiner Inbetriebnahme mit einem Abstand seiner der Schmelze zugewandten Vorderkante (Haltervorderkante: 107, 207, 307) zur Innenseite der Wandung (Setztiefe s) von höchstens 200 mm zurückgezogen angeordnet ist.