DE1596709C3 - Schmelzofen mit direkter elektrischer Widerstandsheizung für schmelzbare, vorzugsweise hochschmelzbare Stoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen mit direkter elektrischer Widerstandsheizung für schmelzbare, vorzugsweise hochschmelzbare Stoffe, wobei der Ofen aus lotrecht angeordneten, vorzugsweise rotationssymmetrischen Rohren besteht, die jeweils an den oberen Enden mit den Anschlüssen einer Stromquelle verbunden sind und sich untereinander an einem Ende leitend berühren, in dem zwischen ihnen gebildeten Ringraum das Schmelzgut aufnehmen und der Querschnitt des leitenden Werkstoffes so bemessen ist, daß die Schmelztemperatur des Gutes im Gesamtbereich, in welchem das Innenrohr mit dem Schmelzgut in Berührung ist, vom Innenrohr erreicht oder überschritten wird und die Temperatur des Außenrohres im gesamten Bereich, in dem es mit dem Schmelzgut in Berührung ist, über der Sintertemperatur des Gutes liegt und im Abschnitt von Austrittsöffnungen für das geschmolzene Gut die Schmelztemperatur mindestens erreicht.

Ein derartiger Schmelzofen ist aus dem Hauptpatent DT-PS 12 93 399 bekannt.

Es ist ferner bekannt, in einem Schmelzofen durch Anwendung eines Kernrohres mit oder ohne Sieböffnungen eine beheizte Ausbreitungsfläche für einen Schmelzefilm zu bilden (US-PS 22 12 528).

Die bekannten öfen dienen z. B. zur Herstellung von Glasschmelzen und finden unter anderem auch Anwendung bei der Glasfaser- und Glaswolleerzeugung, sind jedoch auch geeignet für die Bereitstellung kleinerer Schmelzmengen von Spezialgläsern. Der aus der DT-PS 12 93 399 bekannte Ofen hat jedoch im Verhältnis zu seiner Produktionskapazität ein geringes Fassungsvermögen, so daß die Durchflußgeschwindigkeit des Schmelzgutes und der Schmelze hoch ist. Dadurch bleibt der Schmelze wenig Zeit zur Entgasung und Läuterung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Ausbildung des Schmelzofens Möglichkeiten für eine bessere Läuterung der Schmelze zu schaffen, ohne dabei vom Prinzip eines Durchlaufofens abzugehen und einen Läuterungsbehälter einzufügen, in dem die Schmelze im flüssigen Zustand längere Zeit still steht, wie das in den bisherigen Schmelzofen der Fall ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß bei einem Schmelzofen der eingangs erläuterten Art das Innenrohr ein Stück über die Verbindungsstelle mit dem Außenrohr hinausragt und die Verlängerung des Innenrohres mit einem zweiten, mit einem elektrischen Anschluß am oberen Ende versehenen Außenrohr einen dem ersten Schmelzofen nachgeschalteten Ofen bildet, und daß das Innenrohr im Bereich von Austrittsöffnungen an sich bekannte beheizte Ausbreitungsflächen für einen eine freie Oberfläche aufweisenden Schmelzefilm bilden.

: Die "Schmelze fließt also beim erfindungsgemäßen

Schmelzofen aus den Austrittsöffnungen nahe dem unteren Ende des Schmelzofens aus diesem heraus und hat hierbei eine möglichst niedrige Viskosität. Da die Flächen über die die Schmelze nach ihrem Austritt aus dem Ofen fließt, gleichfalls beheizt sind, wird der Schmelze, die eine möglichst große freie Oberfläche bilden soll, die an dieser Oberfläche verlorengehende Energie wieder zugeführt, so daß ihre Viskosität nicht oder nicht erheblich zunimmt. Durch geeignete Wahl des elektrisch leitenden Materialquerschnittes der Ausbreitungsflächen kann diese Energiezufuhr gesteuert werden. Es ist also auch möglich, die Viskosität der Schmelze der besseren Entgasung wegen auf den Ausbreitungsflächen weiter zu verringern. Der Entweichungsweg der in der Schmelze bei ihrem Austritt aus den Austrittsöffnungen eingeschlossenen Gasblasen wird also verkürzt, indem die Schmelze einen dünnen Film bildet, und der Austritt der Gasblasen aus der Schmelze wird erleichtert, indem sie im Zustand niedriger Viskosität gehalten wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Verbindungs- | rohr von einer Entgasungskammer zwischen dem zweiten Außenrohr und dem Innenrohr zur Außenluft vorgesehen ist

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind vorzugsweise die Längen und elektrisch leitenden Querschnitte der Rohre so bemessen, daß die Widerstände des Außenrohres des oberen Teiles des Innenrohres bis zur Verbindungsstelle mit dem Außenrohr und der Reihenschaltung des zweiten Außenrohres mit der Verlängerung des Innenrohres bei ihrer Betriebstemperatur gleich sind, so daß der Ofen einen symmetrischen Drehstromwiderstand in Sternschaltung darstellt. Dadurch ist ein Drehstromanschluß möglich, was bei größeren Anlagen wegen der damit beibehaltenen Netzsymmetrie besonders erwünscht ist.

Ein Schmelzofen nach der Erfindung kann jedoch auch als einteiliger Ofen ausgebildet sein, wobei sich die Austrittsöffnungen für die Schmelze aus dem Ringraum in den Rohrwandungen oberhalb der Schmelzofenunterkante befinden. Die aus den Öffnungen herausquellende Schmelze breitet sich dann auf den Rohr-, abschnitten aus und erhält eine im Verhältnis zu ihrer Schichtdicke große Oberfläche, so daß die eingeschlossenen Gasblasen einen kurzen Entweichungsweg ha- " ben.

Um definierte, vom Ofen ablaufende, Schmelzesträhnen zu bekommen, können entlang der Unterkante bekannte Tropfzacken vorgesehen sein.

Damit der durch Abstrahlung und Konvektion am unteren Ofenrand besonders starke Energieverlust des dünnen Schmelzefilms ausgeglichen wird, kann der elektrisch leitende Querschnitt der Rohre nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, unterhalb der Austrittsöffnungen geringer gewählt werden als im darüberliegenden Bereich.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Ausfiußöffnungen parallel zur Rohrachse des Innen- oder/und Außenrohres von der gemeinsamen Rohrunterkante her auftrennende Schlitze sind, deren Breite, Länge und zwischen zweien liegende Stegbreite so aufeinander abgestimmt sind, daß die Schmelze von der Schmelzofenunterkante in getrennt aus jedem Schlitz austretenden Schmelzefäden abläuft Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders einfach. Die Ausbreitungsflächen sind dabei die zwischen den Schlitzen gelegenen Stegflächen.

Die Schlitze bieten die Möglichkeit, durch geeignete Wahl ihrer Breite, Länge und Anzahl eine Verminderung des elektrisch leitenden Querschnittes herbeizuführen, durch welche die erforderliche hohe Energiezufuhr in der Austrittszone erreichbar und einstellbar ist

In besonderen Fällen, insbesondere bei Zusammenwirken des Schmelzofens mit einer Blasdüse, kann es von Vorteil sein, die geschlitzten Abschnitte in Richtung auf die Verbindungsstelle des Außen- und des Innenrohres in spitzem Winkel aufeinander zu verlaufen zu lassen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung entnehmen. Es zeigt

F i g. 1 einen zweistufigen Schmelzofen, der für Drehstromanschluß geeignet ist,

F i g. 2 eine Schemaskizze der Widerstandsaufteilung bei dem in F i g. 1 dargestellten Schmelzofen,

F i g. 3 den unteren Abschnitt eines Schmelzofens nach einer zweiten Ausführungsform,

F i g. 4 den unteren Abschnitt einer dritten Ausführungsform des Schmelzofens nach der Erfindung, F i g. 5 einen Schnitt nach V-V in F i g. 4,

F i g. 6 und 7 den Schmelzeaustritt aus einer abgewandelten Ausführungsform der Austrittsöffnungen eines erfindungsgemäßen Schmelzofens,

F i g. 8 den unteren Abschnitt des Schmelzofens in Verbindung mit einer Blasdüse zum Herstellen von Fäden und Fasern.

Der in der F i g. 1 dargestellte Schmelzofen 100 besteht zur Hauptsache aus einem lotrecht angeordneten Innenrohr 101, das koaxial von einem Außenrohr 102 umgeben wird. Das Außenrohr 102 ist trichterförmig. Oberhalb des von den beiden Rohren gebildeten Ringraumes 103 befinden sich hier nicht dargestellte Einfüllvorrichtungen, wie Trichter od. dgl. Innen- und Außen-. rohr sind am unteren Rand 102a des Außenrohres 102 miteinander elektrisch leitend verbunden, und in unmittelbarer Umgebung der Verbindungsstelle 102a sind im Außenrohr Ausfiußöffnungen 1026 für die Schmelze des im Ringraum geschmolzenen Gutes angebracht. Das Innenrohr ist über diese Verbindungsstelle 102a mit dem Außenrohr hinaus, nach unten verlängert und wird von einem zweiten, ebenfalls trichterförmigen Außenrohr 104 koaxial umgeben, so daß zwischen der Verlängerung 101a des Innenrohres 101 und dem zweiten Außenrohr ein zweiter Ringraum 105 besteht. Am unteren Rand der Verlängerung des Innenrohres ist dieses mit dem zweiten Außenrohr elektrisch leitend verbunden. Ein Kranz von Austrittsöffnungen 106 ist im unteren Rand des Schmelzofens vorgesehen.

Das Innenrohr 101 ist an seinem oberen Ende mit einem nach innen weisenden Flansch 1016 ausgestattet Ein den Innenrohrquerschnitt mit seinem Kopf 107a ausfüllender Kopfbolzen 107 durchsetzt den Flansch mit seinem Schaft nach oben. Auf dem Schaft sind eine Anschlußklemme 108 mit Lasche U für einen elektrischen Anschluß und eine Spiralfeder 109 aufgereiht und mit einer Spannmutter 110 gegen den Innenrohrflansch 1016 verspannt Die beiden Außenrohre 102 und 104 sind mit an ihren oberen Rändern nach außen abstehenden Flanschen 102c bzw. 104a ausgestattet, die zwischen Ringe 111 und 112 bzw. 113 und 114 eingeklemmt und so gehalten sind, wobei die oberen Ringe . 111 und 113 der Klemmringpaare Anschlußlaschen V und W für elektrische Anschlüsse aufweisen. Die ganze Anordnung ist von einer elektrisch und thermisch isolierenden Schicht 115 umgeben.

Das im oberen Ofenabschnitt zwischen die Rohre 101 und 102 eingebrachte Gut wird geschmolzen und tritt aus den Austrittsöffnungen 1026 am Umfang des Innenrohres 101 verteilt aus dem Ringraum 103 aus. Die Schmelze breitet sich als dünner Film auf der Mantelfläche der Verlängerung 101a des Innenrohres aus und fließt abwärts in den Ringraum 105, in dessen unteren Teil sie sich oberhalb der Austrittsöffnungen 106 des Ofens wieder sammelt. Der obere, erweiterte Abschnitt des Ringraumes 105 stellt eine Entgasungskammer dar, in welche die Gasblasen aus dem Schmelzefilm entweichen. Über eine schematisch angedeutete Rohrleitung 116 kann das Gas durch die Isolierung 115 hindurch in die Atmosphäre austreten. Der untere Ofenabschnitt dient als Sammelbehälter und Warmhalteofen für die gut geläuterte Schmelze, die dann aus den Austrittsöffnungen 106 austritt und der weiteren Verarbeitung zugeführt wird.

Die Anschlußklemmen U, V, W werden an die Phasen R, S, T eines Drehstromsystems angeschlossen, denn die Querschnitte und Längen der Rohre sind vorzugsweise so bemessen, daß (s. F i g. 2) die Widerstände der Rohre 101,102 und der Reihenschaltung der Rohre 104 und 101a gleich sind und mit dem Sternpunkt 102a einen symmetrischen Drehstromwiderstand bilden. Es ist jedoch auch möglich, bei entsprechender Querschnittswahl und Parallelschaltung die Anlage mit pteich- oder Einphasenwechselstrom zu betreiben.

Uie F i g. 3 stellt den unteren Abschnitt eines einstufigen Schmelzofens dar, bei welchem das koaxiale Innen- 121 und Außenrohr 122 an ihren Unterkanten elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein Stück oberhalb der Verbindungsstelle sind die Rohrwandungen von Schlitzen 121a bzw. 122 durchsetzt, aus denen die im Ringraum 123 zwischen den Rohren befindliche Schmelze austreten und sich auf den Mantelflächen der Rohre unterhalb der Schlitze ausbreiten kann. Vorzugsweise verlaufen die Rohrabschnitte unterhalb der Schlitze 121a, 122a in spitzem Winkel aufeinander zu, um den toten Raum, in welchem sich Schmelze sammelt, möglichst klein zu halten. Um einen definierten Abfluß von Schmelzesträhnen zu erhalten,-zieht sich entlang der Ofenunterkante eine Tropfzakkenleiste 124. Durch geeignete Wahl der Materialstärke der Rohrabschnitte unterhalb der Schlitze 121a, 122a wird den als Ausbreitungsflächen dienenden Abschnitten die eroforderliche Energie zugeführt, um die Schmelze dünnflüssig zu halten und dadurch die Läuterung zu begünstigen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den F i g. 4 bis 7 dargestellt. Von der Unterkante der beiden koaxialen Rohre 131,132 her verlaufen Schlitze 133 radial und achsparallel durch die Rohrwandungen. Die Stege 131a, 132a zwischen den Schlitzen sind nach Anzahl, Länge und Breite so gewählt, daß die Schmelze, die in einzelnen Strähnen 134 aus den Schlitzen austritt, sich auf den Stegflächen 131a, 132a ausbreitet, die damit die Ausbreitungsflächen darstellen, ohne mit der Strähne des Nachbarschlitzes zusammenzufließen. Somit fließt definiert von jedem Schlitz 133 eine Schmelzesträhne 134 ab, die infolge ihrer Ausbreitung auf den beheizten Stegflächen von Gasblasen geläutert ist. Durch die Querschnittsbemessung, die Schlitzzahl und die Schlitzbreite und Länge werden die Läuterungseigenschaften dieser Anordnung wesentlich beeinflußt und können dem Material, das geschmolzen wird, angepaßt werden. Auch das Maß der Energiezufuhr an den Schmelzefilm auf den Ausbreitungsflächen ist hierdurch in gewissem Umfang beeinflußbar.

Diese Ausführungsform ist in bezug auf die Läuterung der Schmelze wegen der größeren Dicke der Schmelzesträhnen im Bereich der Schlitze nicht so wirkungsvoll. Sie eignet sich aber z. B. sehr gut als zweite Läuterungsstufe am unteren Austritt eines zweistufigen

■ 25 Schmelzofens gemäß F i g. 1.

Die in F i g. 3 und in den F i g. 6 und 7 dargestellte Ausbildung der Rohre, weiche nahe der unteren Verbindungsstelle in spitzem Winkel aufeinander zu verlaufen, eignet sich besonders bei der Anwendung des Schmelzofens in Verbindung mit einer Blasdüse, wie dies in der F i g. 8 angedeutet ist. Es wird dadurch möglich, den Schmelzofen weit in die Blasdüse hineinzuziehen und somit den Schmelzefäden lange Energie zuzuführen, wodurch die Fäden dann, bevor sie erstarren, sehr dünn ausgezogen werden können. Das ist besonders wichtig bei extrem »kurzen« Schmelzen, also Schmelzen mit großem Viskositätsgradienten abhängig von der Temperatur.

Die Blasdüse 140 besteht aus einem rotationssymmetrischen Innenkörper 141, der an einem zum Ofen 100 zentralen Rohr 142 befestigt ist und dem durch das Rohr 142 Blasluft zugeführt wird. Vom als Zylinder ausgeführten Außenkörper 143 der Düse wird Luft durch einen Ringspalt 144 in den Düsenschlitz geblasen, in den auch das untere Ende des Schmelzofens 100 hineinragt. Somit werden durch die Saugwirkung der Düse die Schmelzesträhnen zu Fäden ausgezogen, während ihnen während des ersten Zeitabschnittes dieses Vorgangs noch Energie zugeführt werden kann.

• Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schmelzofen mit direkter elektrischer Widerstandsheizung für schmelzbare, vorzugsweise hochschmelzbare Stoffe, bei welchem nach Patent 12 93 399 der Ofen aus lotrecht angeordneten, vorzugsweise rotationssymmetrischen Rohren besteht, die jeweils an den oberen Enden mit den Anschlüssen einer Stromquelle verbunden sind und sich untereinander an einem Ende leitend berühren, in dem zwischen ihnen gebildeten Ringraum das Schmelzgut aufnehmen und der Querschnitt des leitenden Werkstoffes so bemessen ist, daß die Schmelztemperatur des Gutes im Gesamtbereich, in welchem das Innenrohr mit dem Schmelzgut in Berührung ist, vom Innenrohr erreicht oder überschritten wird und die Temperatur des Außenrohres im gesamten Bereich, in dem es mit dem Schmelzgut in Berührung ist, über der Sintertemperatur des Gutes liegt und im Abschnitt von Auslaßöffnungen für das geschmolzene Gut die Schmelztemperatur mindestens erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (101 bzw. 121,122; 131,132) ein Stück über die Verbindungsstelle (102a) mit dem Außenrohr (102) hinausragt und die Verlängerung des Innenrohrs mit einem zweiten, mit einem elektrischen _t-r Anschluß (W) am oberen Ende versehenen Außen- *■ rohr einen dem ersten Schmelzofen nachgeschalteten Ofen bildet, und daß das Innenrohr im Bereich von Austrittsöffnungen (1020; 121a, 122a; 133) an sich bekannte beheizte Ausbreitungsflächen für einen eine freie Oberfläche aufweisenden Schmelzefilm bilden.

2. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungsrohr (116) von einer Entgasungskammer (105) zwischen dem zweiten Außenrohr (104) und dem Innenrohr (101) zur Außenluft vorgesehen ist.

3. Schmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen und elektrisch leitenden Querschnitte der Rohre (101,102, 101a, 104) so bemessen sind, daß die Widerstände des Außenrohres (102) des oberen Teiles des Innenrohres (101) bis zur Verbindungsstelle (tO2a) mit "dem Außenrohr (102) und der Reihenschaltung des zweiten Außenrohres (104) mit der Verlängerung (iQta) des Innenrohres (101) bei ihrer Betriebstemperatur gleich sind, so daß der Ofen einen symmetrischen Drehstromwiderstand in Sternschaltung darstellt.

4. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (Uta, 122a^für die Schmelze aus einem Ringraum (123) in den Rohrwandungen (121, 122) oberhalb der Schmelzofenunterkante angeordnet sind.

5. Schmelzofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Unterkante Tropfzacken (124) vorgesehen sind.

6. Schmelzofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Querschnitt der Rohre (121,122) unterhalb der Austrittsöffnungen (Uta, 122a) geringer ist als im darüberliegenden Bereich.

7. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflußöffnungen parallel zur Rohrachse das Innen- (131) oder/und Außenrohr (132) von der gemeinsamen Rohrunterkante her auftrennende Schlitze (133) sind, deren Breite, Län-

ge und zwischen zweien liegende Stegbreite so aufeinander abgestimmt sind, daß die Schmelze von der Schmelzofenunterkante in getrennt aus jedem Schlitz (133) austretenden Schmelzefäden (134) abläuft (F i g. 4 bis 7).

8. Schmelzofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlitzten Abschnitte in Richtung auf die Verbindungsstelle des Außen-(132) und des Innenrohres (131) in spitzem Winkel aufeinander zu verlaufen (F i g. 7).