DE2114656A1

DE2114656A1 - Elektrischer Schmelzofen

Info

Publication number: DE2114656A1
Application number: DE19712114656
Authority: DE
Inventors: Jacques Marie Yves Ie Clerc de Par Poix Bussy (Frankreich)
Original assignee: PRATICIPATIONS VERRIERES SOC D
Current assignee: PRATICIPATIONS VERRIERES SOC D
Priority date: 1970-03-27
Filing date: 1971-03-26
Publication date: 1971-10-14
Also published as: BE764474A; LU62860A1; ZA711759B; FR2082839A5; AU2689671A; NL7103972A; US3659029A; IL36442A0

Description

PATENTANWÄLTE 21 1 4 6 5 Ό

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHONWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES Dl PL.-CH EM. ALEK VON KREISLER

DIPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH

Dipl.-Ing. Seiting KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

25· März I97I Sg/cg

SOCIETE DE PARTICIPATIONS VERRIERES,

121, Quai de Valmy, 75 Paris (Prankreich).

Elektrischer Schmelzofen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schmelzofen für hohe Temperaturen, bei welchem innerhalb einer Pfanne ein hoher Temperaturgradient zwischen der Mittelzone und der Randzone erzeugt wird, in dessen Mitte ein von den Schmelzelektroden umgebenes Auslauforgan angeordnet ist, und bei dem das Auslauforgan und die Elektroden aus hochschmelzendem Material bestehen und die Innenfläche der Pfanne mit einer hochschmelzenden keramischen Auskleidung versehen ist.

Derartige öfen werden insbesondere zum Schmelzen glasförmiger oder keramischer Materialien verwendet. Spezielle öfen sind in den folgenden deutschen Patenten beschrieben: 1 211 363, 1 258 559, 1 596 699. Diese bekannten öfen besitzen eine Pfanne, in der das im Schmelzzustand befindliche Material, die Elektroden und ein Abflußkanal für die Schmelze angeordnet sind. Sämtliche Teile sind

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symmetrisch um die Vertikalachse der Pfanne, entlang deren die Schmelze abläuft, angeordnet. Andererseits dient die Pfanne, die gekühlt gehalten wird, als Behälter zur Aufnahme einer an den Wänden befestigten Auskleidung aus hochschmelzenden keramischen Stoffen, die die Pfanne isolieren. Genau gesagt handelt es sich um dasselbe Material, das in geschmolzenem Zustand in der Pfanne enthalten ist.

Diese Auskleidung kann beispielsweise aus hochschmelzenden pulverförmigen Materialien bestehen, die man durch Aufdampfen anbringt (die chemische Verbindung wird durch das Silikat der Schmelze, beispielsweise unter Hinzufügung einer geringen Wassermenge, realisiert) oder man verwendet Stücke, die zuvor gebrannt wurden (keramische Verbindung), und die in der Pfanne miteinander/rerbunden werden oder man verwendet schließlich, wenn es darum geht, hochschmelzende Produkte zu schmelzen, eine Mischung aus einem Pulver des zu schmelzenden Materials selbst zur Herstellung der Auskleidung. Im zuletzt genannten Fall ist es nicht erforderlieh, die hochschmelzende Auskleidung zusammenzufügen oder sie mit irgendetwas zu verbinden. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß in allen genannten Fällen die Auskleidung porös und demnach gasdurchlässig ist.

Bei den bekannten öfen bilden sich innerhalb der Auskleidung Kriechwege für das Gas aus. Diese Kriechwege sind zweierlei Natur. Einmal handelt es sich um einen "Kamineffekt", der Luft, hervorgerufen durch besondere Verhältnisse der Ofenkonstruktion, beispielsweise nicht dichter Verbindungen verschiedener Organe. Dadurch wird in dem unteren Bereich des Ofens Luft angesaugt, die sich nach oben hin anstaut und den Sauerstoff mitnimmt. Zum anderen

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handelt es sich um partielle VerdampP^bestimmter Elemente, die in die zu schmelzende Mischung eindringen, beispielsweise Fluor- oder Schwefelverbindungen. Es bilden sich in Kombination mit dem stets vorhandenen Wasser leicht saure Fluorwasserstoffdämpfe (HF), Fluorsilikatdämpfe (SiF₆H₂), Schwefeldämpfe (Soda«) usw. Diese leichten Gase und Dämpfe werden teilweise durch den Rand der Pfanne aufgehalten. Dieser Rand liegt notwendigerweise höher als das Niveau der Schmelze, in der diese Gase und Dämpfe entstehen. Sie dringen durch die Poren der seitlichen Auskleidung hindurch und erreichen so den Teil der Auskleidung, der unterhalb der Schmelzmasse liegt.

Es ist ebenfalls zu beachten, daß die Auskleidung, ebenso wie die sie tragende Pfanne von mehreren Organen durchdrungen sind, wie beispMsweise von drei Elektrodenstangen, über die den Elektroden die elektrische Energie zugeführt wird, die Halterung für den Kühlkanal, die die Mittelelektrode trägt und evtl. noch von anderen Teilen, wie beispielsweise in dem Auslaufkanal des Ofens. Das Metall, aus dem diese verschiedenartigen Organe bestehen, muß notwendigerweise hochschmelzend sein, d.h. der Schmelzpunkt muß oberhalb von 2500 ⁰C liegen. Ferner darf es in den zu schmelzenden Materialien nicht löslich sein. Verwendbar sind daher Metalle wie Molybdän, Wolfram oder auch Tantal.

Alle diese Metalle sind unter Wärme sehr oxydationsempfindlich, bei niedrigen Temperaturen (50 bis 150 ⁰C) aber empfindlich gegenüber chemischen Angriffen.

Obgleich das Metall im Ofen durch das Schmelzmaterial selbst geschützt ist, stellt sich das Problem das Metall zu schützen, wenn die genannten Organe aus der Schmelz-

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zone, in der sie geschützt sind, herausführen müssen, um durch die Auskleidung hindurc-hzufuhren, bevor sie diejenige Zone erreichen, wo sie nach der Abkühlung durch mechanische Teile aus gewöhnlichem Metall unterstützt werden, die im Stande sind, sie zu betreiben oder sie unterstützen.

Wie schon erwähnt, sind die Bedingungen für den Angriff des Metalls am günstigsten innerhalb der Auskleidung, wenn die Auskleidung ständig von Sauerstoff und den sauren Dämpfen durchzogen ist. Der Sauerstoff ist insbesondere bei höheren Temperaturen von 450 ⁰C schädlich, während dies für die sauren Dämpfe urterhalb von 200 ⁰C gilt.

Bei den bekannten öfen hat man zur Verhinderung der Angriffe auf das Metall um die entsprechenden Teile eine Schutzhülle aus Glas gelegt. Soll der Ofen zum Schmelzen von Glas benutzt werden, kommt die Auskleidung niemals in Berührung mit dem Metall, und das Glas der Schutzschicht tritt in den Raum ein, der bewußt freigelassen wurde. Obwohl diese Lösung im wesentlichen ausreichend ist, wenn es sich darum handelt, reine Glasprodukte zu schmelzen, ist sie nicht zu empfehlen, wenn es um die Bearbeitung anderer hochschmelzender Materialien geht, da diese nicht zu den empfindlichen Zonen befördert werden können, einerseits aus Gründen ihres sehr hohen Schmelzpunktes (größer als I.500 ° C) und andererseits weil die Viskositätsgrenze gegenüber derjenigen von Gläsern sehr gering ist. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann man in der Nähe der gefährdeten Zonen vor der Inbetriebnahme des Ofens ein leichtes Glas in Pulverform anbringen. Bei ansteigenden Temperaturen schmilzt dieses Glas und bildet eine Schutzschicht.

Bei der Verwendung derartiger öfen hat sich jedoch gezeigt, daß diese Lösung noch unzureichend ist. Auf lange Sicht

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wird nämlich das Glas von den Kapillaren in der benachbarten Auskleidung aufgesaugt. Es ist offensichtlich, daß das Glas nicht ersetzt werden kann, wenn der Ofen in Betrieb ist, so daß das Glas der Schutzschicht nach einer gewissen Betriebsdauer nicht mehr vorhanden ist und die Abdichtung nicht gewährleistet ist. Die Elektrodenstangen und die Halterung des Auslauforganes, die sämtlich aus hochschmelzendem Metall bestehen, sind daher verstärkten Angriffen ausgesetzt, die so weit gehen können, daß diese Teile beschädigt oder in bestimmten Fällen zerstört werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Unzuträglichkeiten zu beseitigen und einen Ofen zu schaffen, bei dem die Angriffe auf das Metall völlig unterbunden werden. Dies soll sowohl bei der Verarbeitung von Glas als auch von Keramik der Fall sein, ohne daß eine aus Glas bestehende Schutzschicht um die empfindlichen Teile herum gebildet wird. Diese Aufgabe wird bei einem Schmelzofen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Pfanne über ihre gesamte Oberfläche mit Dichtmitteln gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, und daß Mittel vorgesehen sind, durch die ständig eine geringe Menge eines Inertgases durch die Auskleidung im Bodenbereich der Pfanne hindurchgeblasen wird, wodurch das Eindringen solcher Gas in die Auskleidung verhindert wird, die das Metall der Abstützung des Auslauforganes und die in Kontakt mit der Auskleidung stehenden Elektrodenstangen angreifen.

Ein derartiger Schmelzofen gestattet es einerseits, aufgrund der Abdichtung der Pfannenwand den "Kamineffekt", durch den die Luft innerhalb der Auskleidung von unten nach oben getrieben wird, zu unterbinden, derart, daß der Luftzug und folglich auch der Sauerstoffstrom durch die

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Poren der Auskleidung hindurch, vollständig unterdrückt wird und andererseits, daß aufgrund des Einblasens eine ' sehr geringe Menge eines Inertgases, wie Argon oder Stickstoff, innerhalb der Auskleidung eine Schutzatmosphäre um die empfindlichen MetalIstück'e herum geschaffen wird, derart, daß sich kein durch die an der Oberfläche der Schmelzbasis erzeugten chemischen Substanzen bedingter Angriff auf das Metall herausbilden kann.

Das Inertgas, das am Boden des Ofens eingeblasen wird, füllt von unten nach oben fortschreitend alle Poren der Auskleidung aus und verläßt diese schließlich an der kreisförmigen Oberfläche. Aufgrund der Tatsache, daß das Gas ständig erneuert wird, bleiben die Poren während der gesamten Betriebsdauer des Ofens mit dem Inertgas ausgefüllt. Andere Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Pig· 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen elektrischen Ofen für Glas- oder Keramikprodukte nach der Erfindung, und

Pig. 2 zeigt einen Teilschnitt des gleichen Ofens in vergrößertem Maßstab.

Nach der in den Fig. dargestellten Ausführungsform enthält der Schmelzofen eine kreisförmige Pfanne C, beispielsweise aus reinem Kupfer, die auf einem Gestell aus zwei

a b ringförmigen äußeren Winkeleisen c und c montiert ist.

Ferner ist ein inneres ringförmiges Winkeleisen c^c vorge-

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sehen, das mit Hilfe radialer Verbindungsarme B mit den äußeren Winkeleisen verbunden ist. Die gesamte Konstruktion steht unter Zwischenschaltung eines (nicht dargestellten) Anpaßkörpers auf dem Boden. Die Pfanne C ist durch ein Bündel von sich an der Außenseite erstrecken Kühlrohren gekühlt. In den Kühlrohren fließt eine Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser.

Der Ofen ist mit drei Elektroden E versehen, von denen in den Zeichnungen nur eine dargestellt ist. Diese Elektroden sind radial um den Pfannenmittelpunkt herum angeordnet und an Elektrpdenstangen TE befestigt. Sie schließen jeweils, einen Winkel von 120 ein.
befindet sich das Auslauf organ 0.

weils.einen Winkel von 120 ein. In der Mitte der Pfanne

Das Auslauforgan 0 ruht auf einer aus einem kegelstumpfförmigen Mantel J gebildeten Halterung, deren unterer Rand auf einem gekühlten Ring A, z.B. aus Messing, aufliegt. Dieser Ring ist an dem Gestell des Ofens in einer Weise befestigt, die noch erläutert werden wird.

Das Auslauforgan besitzt eine Auslauföffnung OE (Fig. 2), deren Öffnungsgrad durch die Stellung einer Steuerstange oder Einlaßnadel T verändert werden kann. Die Steuerstange ist vertikal in einer Vorrichtung zur Steuerung der Auslaufmenge R verschiebbar.

Die Pfanne ist in ihrer Mitte mit einer öffnung 1 (Fig. 2) versehen, die koaxial zur Achse des Ofens verläuft. Der Rand dieser öffnung ist nach unten umgebogen, um einen Kragen 2 zu bilden. Dieser Kragen ist bei 3 in einen Metallring 4 eingesetzt, der fest mit dem Winkeleisen c^c, das Teil des Ofenrahmens ist, verbunden ist. Ein elektrisch

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isolierender Ring 5 ist mit ,(nicht dargestellten) .Schirauhen fest an dem Mag 4 angebracht» Andere Schraubengruppens die ebenfalls nicht dargestellt sind., drücken einen Hing 6 aus Metall -unter Zwischenschaltung eines Randes J eines !konischen 'Teiles -8 .gegen den Ring 5=· Der öftere Band de® konischen feiles B ist durch Löten an dem Kühlring A befestigt, an uem auch der Mantel J des Aus lauf organe s 0 abgestutzt ist,. Aufgrund dieser Anordnung erreicht man eine elektrische Isolierung zusehen dem Ring 4 und dem Teil 8.» Wie man klar aus den Zeichnungen ersehen kann., ist dieser Bereich des Ofens einerseits aufgrund des Einsetzens 3 des Ringes 2 der Pfanne in den Ring 4 abgedichtet und andererseits aufgrund der Tatsache* daß zwei Ringdiehtungen 9 Jeweils zwischen den Ring 5 und den Ring 4 und den Band J .und den Ring 5 gelegt sind»

Der unterhalb des Auslauf organs 0 von dem kegelstumpff örmi- Sen Mantel J und dem konischen Bereich S umschlossene Raum ist mit einem Gas gefüllt, das leichter als Luft ist, beispielsweise Wasserstoff, um jegliches Eindringen der TJmgebungsluft in. diesen Raum zu verhindern, derart, daß die aus hochschmelzend em Metall, wie ^beispielsweise Molycdan, bestehenden Organe,, die den kegeLstumpffSrmigen Mantel J und den Ranä der Öffnung OE bilden, vollständig vor dem Luftsauerstoff geschützt sind» Der Wasserstoff wird durch das Rohr 10 zugeführt, das in den den Raum des Auslauforganes durch eine in den Ring A hineingebohrte öffnung hindurch einmündet,

Der Boden der Pfanne besitzt drei Durehtritfesöffnungen 11 für die Elektroden, von denen eine in den Zeichnungen sichtftar ist. Jede öffnung ist mit einem sie umgebenden, wassergekühlten Rand 12 versehen. Die Elektroden sind an in ge-

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eigneter Weise gekühlten Halterungen Ij5 befestigt, die im einzelnen hier nicht beschrieben werden. Die Stromzuführung geschieht durch eine am Ende der Elektrode befestigte Klemme 14. Die dichte und elektrisch isolierte Verbindung zwischen dem Halter 15 der Elektrode E und der "Pfanne C ist mit einem Balg 15 aus relativ weichem Material, wie beispielsweise dickem Silikonkautschuk, realisiert. Dieser Balg gestattet eine Regelung der Elektrode in Längsrichtung und eventuell auch eine Regelung in radialer Richtung, wenn diese nötig erscheint, um die Elektrodenabnutzung auszugleichen. Der Balg 15 sorgt für die Abdichtung der Pfanne an dieser Stelle.

Es ist zu bemerken, daß die dargestellte Realisierungsform sich insbesondere auf einen Schmelzofen für hochschmelzende Materialien bezieht. In einem solchen Ofen ist an der Innenwand der Pfanne eine hochschmelzende Auskleidung 16 vorgesehen, die aus denjenigen Elementen besteht, aus denen auch das in dem Ofen zu schmelzende Material besteht. Andererseits wird die Oberflächenschicht 17 während des Betriebes des Ofens kontinuierlich durch einen (nicht dargestellten) Rotationsverteiler beliefert. Die die Elektroden umgebende Glühstelle des Schmelzmaterials ist einerseits in ihrer Oberfläche durch die kontinuierlich zugeführte Schmelzschicht begrenzt und andererseits durch diejenige Materialmenge, die an der Innenwand der Pfanne in einem Bereich anliegt, dessen Temperatur niedriger liegt als der Schmelzpunkt des Materials.

Die von den öffnungen 1 und 11 gebildeten Räume sind vollständig mit demjenigen Material ausgefüllt, das im Ofen in der Schmelze enthalten ist. Die so gebildete hochschmelzende Auskleidung erstreckt sich über ein Volumen, das vom Zentrum der Pfanne bis zum Seitenrand reicht. Inner-

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halb dieses Volumens sind zahlreiche von den pulverförmigen Bestandteilen gebildete Poren vorhanden. Um zu verhindern, daß sich dieses Volumen mit schädlichen Gasen füllt, die an der Oberfläche der Glühstelle des in der Schmelze befindlichen Materials entstehen, ist ein Zuführungsrohr 18 für ein Inertgas vorgesehen, das vorzugsweise leichter ist als diese schädlichen Gase. Als Inertgas verwendet man beispielsweise Argon oder Stickstoff. Dieses Rohr mündet in den zwischen dem Ring 2 und dem konischen Teil 8 gebildeten Ringraum, in den es durch eine Lötverbindung abdichtend hineingeführt ist. Infolge der Porosität der Auskleidung tritt dieses Inertgas in die Auskleidung ein und dringt bis zum oberen Rand der Pfanne vor, wo es entweicht. Ferner können die schädlichen Gase, die während des SchmelzVorganges in dem Bad erzeugt werden, nicht in die Auskleidung eindringen und sind gezwungen, direkt nach oben hin zu entweichen.

Wenn es sich bei dsm Ofen im speziellen Fall um einen Schmelzofen für Glas handelt, kann an dem Boden der Pfanne 1 und die anschließenden Vertiefungen oder Hohlräume mit einem

leichten hochschmelzenden Pulver ausfüllen, wie beispielsweise mit Zirkonsand oder Aluminiumpulver. Es ist zu be- ψ merken, daß die Anwesenheit des hochschmelzenden Materials in den im Boden der Pfanne und um die Elektrodenstangen herum vorhandenen Vertiefungen es erlaubt, die Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung vom Zentrum des Ofens aus herabzusetzen. Dies führt zu einer Vergrößerung des energetischen Wirkungsgrades.

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Claims

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Elektrischer Schmelzofen für hohe Temperaturen, bei welehem innerhalb einer Pfanne ein hoher Temperaturgradient zwischen der Mittelzone und der Randzone erzeugt wird, in dessen Mitte ein von den Schmelzelektroden umgebenes Auslauforgari angeordnet ist* und bei dem das Auslauforgan und die Elektroden aus hoehsehmelzendera Material bestehen und die Innenfläche der Pfanne mit einer hochschmelzenden keramischen Auskleidung versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Pfanne (C) über ihre gesamte Oberfläche mit Dichtmitteln (3, 9, 15) gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, und daß Mittel vorgesehen sind, durch die ständig eine geringe Menge eines Inertgases durch die Auskleidung im Bodenbereich der Pfanne hindurehgeblasen wird, wodurch das Eindringen solcher Gase in die Auskleidung verhindert wird, die das Metaller Abstützung (J) des Auslauforganes (0) und die in Kontakt mit der Auskleidung stehenden Elektrodenstangen (TE) angreifen.

Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (1) in der Mitte der Pfanne (c) von einem sich nach unten erstreckenden Ring (2) umgeben ist, welcher in einen fest alt dem Gestell (B, c^a, e , c°) des Ofens verbundenen Stützring (4) eingesetzt ist, und daß an dem Hing (2) die Halterung (J") des Auslauf organes (O) abdichtend befestigt ist.

Schmelzofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (J) aus einem kegelstumpfförmigen Mantel besteht, welcher auf einem gekühlten, an einem konischen Teil

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(8) befestigten Ring abgestützt; ist, daß der Ring den kegelst umpf för migen Mantel (J) verlängert und mit einem horizontalen Rand (7) versehen ist, der abdichtend zwischen einem elektrisch isolierenden Ring (5) und einem Metallring (6) eingespannt ist, und daß die gesamte Anordnung starr am Ring (4) befestigt ist.

4. Schmelzofen nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Isolierring (5) und dem Rand (7) einerseits und dem Rand (7) und dem Metallring (6) andererseits Ringdichtungen (9) angebracht sind.

5· Schmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede in dem Boden der Pfanne (C) vorgesehene Öffnung (11), durch die hindurch eine Elektrodenstange (TE) führt, mit einem Rand (12) versehen ist, an dessen Ende*ein Balg (15), z.B. Silikonkautschuk, angebracht ist, der ebenfalls an der Halterung (13) der Elektrode abdichtend befestigt ist.

6. Schmelzofen nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Pfanne (C) und der von dem Rand (12) der Öffnung (11) und dem Balg (15) gebildete Raum mit einem pulverförmigen Material ausgefüllt ist, das beispielsweise aus einem Zirkonsand, Aluminiumsand oder einem weiteren Material zur Durchführung der Verschmelzung in dem Ofen besteht, wenn dieses Material hochschmelzend und elektrisch isolierend ist.

7. Schmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß ein ZufUhrungsrohr (18) für ein Inertgas, wie Argon oder Stickstoff vorgesehen ist, das am Boden der Pfanne am Rande der Halterung (J) des Auslauforganes (0) in die Pfanne einmündet.

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