DE2349243A1

DE2349243A1 - Schmelzofen

Info

Publication number: DE2349243A1
Application number: DE19732349243
Authority: DE
Inventors: George Bailey Boettner; Paul Francis Spremulli
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-10-01
Publication date: 1974-04-18
Also published as: GB1434661A; FR2201260B1; NL7313480A; FR2201260A1; DE2349243C2; US3755606A; JPS569455B2; JPS4980116A; BE801959A

Description

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, IT. Y., USA

Schmelzofen

Die Erfindung "betrifft elektrische Schmelzofen oder -wannen mit in die Schmelze eintauchenden Elektroden.

In Schmelzofen mit planebenen, mit der Ofeninnenwand abschliessenden Elektroden, z. B. gemäss TJS-PS 3*524,206, besteht eine erhebliche Abnutzung der den Elektroden benachbarten Wandstellen. Bei in die Schmelze eintauchenden Elektroden entstehen Konvektionsströme, die kaltes oder nur teilweise geschmolzenes Ansatzmaterial an den Ofenwänden entlang nahe den Elektroden nach unten ziehen und die Glasqualität verschlechtern. Dem lässt sich nur durch Erhöhen der Elektrodentemperatur oder Senkung der Durchsatzgeschwindigkeit begegnen; beide Massnahmen sind unwirtschaftlich bzw. führen wieder zu stärkerem Verschleiss.

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Die Erfindung hat Schmelzöfen mit geringerem Wandverschleiss, die' mit niedrigeren Temperaturen bei gleichem Durchsatz arbeiten können, zur Aufgäbe.-

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass über den Elektroden und ausser Berührung mit der Schmelze dn Ansatz von den Elektroden ablenkende Mittel vorgesehen sind, die eine Konvektion von ungeschmolzenem Ansatzmaterial auf die Wandstellen nahe den Elektroden verhindern und die abwärts gerichtete Konvektion von unvollständig geschmolzenem Ansatzmaterial wesentlich verringern.

Weitere günstige Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den Unteransprüchen.

Es ist bereits bekannt, zur Verringerung von Wärmeverlusten und Wandverschleiss durch das die Schmelze bedeckende Ansatzmaterial dieses von den Seitenwänden durch über dem normalen Schmelzspiegel um den Umfang geführte Wandblöcke fernzuhalten, US-PS 2,863,932. Diese Patentschrift behandelt aber nicht das Problem der das Ansatzmaterial an den Ofenwänden in Elektrodennähe nach unten ziehenden Konvektionsströme.

In öfen mit einer die Schmelz- und Läuterungszone voneinander trennenden Wand werden zur Regelung von Konvektionsströmen

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nach der US-PS 3,378,618 Teile der Ofenwände geneigt, ohne sich aber mit dem hier interessierenden Ansatsmaterial hinter die elektrodentragenden Konvektionsströmen zu befassen.

Die US-PS 1,880,540 zeigt eine von der Ofenwand über den Elektroden nach innen in die Schmelze reichende Stufe» welche die Elektrode vom Aufprall eisbergartig in der Schmelze schwimmender Ansatzmassen oder vom Aufschlag der absatzweise eingeschütteten Ansatzmassen schützen soll.

Es zeigen:

die Figur 1 einen bekannten, elektrisch beheizten Yertikalschmelzof en mit planebenen, mit der Innenwand abschliessenden Wandelektroden;

die Figur 2 den Ofen der Fig. 1 im Querschnitt entlang der Schnittlinie 2-2;

die Figur 3 einen Ausschnitt einer Ofenwand mit einer in die Schmelze eintauchenden Elektrode;

die Figur 4 den Schnitt entlang der Schnittlinie 4-4 der Ig. 3;

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die Figur 4a einen der Fig. 4 "entsprechenden Schnitt, jedoch mit zwei in einer Ebene angeordneten Elektroden;

die Figur 5 einen der Fig. 3 ähnlichen Ausschnitt aus der Ofenwand, jedoch mit dem erfindungsgemässen Deflektor;

die Figur 6 die Aufsicht des Ausschnitts der Fig. 5;

die Figur 6a eine der Fig. 6 entsprechende Aufsicht aber mit zwei in einer Ebene angeordneten Elektroden;

die Figur 7 den Schnitt entlang der Schnittlinie 7-7 5;

die Figur 7a einen der Fig. 7 entsprechenden Schnitt, aber mit zwei in einer Ebene angeordneten Elektroden;

die Figur 8 schematisch als Detailansicht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit verstellbarem Deflektor;

die Figur 9 die gleiche Ausgestaltung entlang der Schnittlinie 9-9 der Fig. 8;

die Figur 10 einen der Fig. 5 ähnlichen Ausschnitt aus der Ofenwand mit einer weiteren Ausbildung des Deflektors;

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die Figur 11 den Schnitt entlang der Schnittlinie H-Il der Pig. 10;

die Figur 12 einen Teillängsschnitt eines Ofens mit senkrecht eingeführter Elektrode und Deflektor;

die Figur 13 den Schnitt entlang der Schnittlinie 13-13 der Fig. 12.

Der aus der US-PS 3,524,206 "bekannte Schmelzofen 10 besteht aus einem Vertikalbehälter 12 aus feuerfestem Material, mit einer in Segmente unterteilten, der Zylinderform angenäherten, polygonalen Seitenwand 14. Ihre Segmente 14a, 14b tragen abwechselnd Elektroden und keine Elektroden. Der Insatz wird von oben durch die z. B. aus einem Lochbehälter mit einem Rührer bestehende Aufgabevorrichtung in den Ofen gegeben und bildet eine die Schmelze 20 ganz überlagernde Decke oder Krone. Der Ansatz wird vorzugsweise kontinuierlich aufgegeben, und die Schmelze wird ebenfalls kontinuierlich durch einen Auslass 22 in der Mitte des Tankbodens 24 abgezogen. Der Auslass 22 befindet sich in einem erhöhten Mittelteil 26 des Tankbodens, wodurch am Umfang eine durch einen Stöpsel 30 verschliessbare Abzugsrinne entsteht.

Der Materialfluss in diesem Schmelzofen vom Ansatz zur Schmelze ist hier senkrecht. Die erforderliche Wärmeenergie wird in

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mindestens zwei übereinander liegenden Stufen zugeführt, wobei die Schmelzzone von etwas oberhalb der oberen Stufe bis dicht unter die untere Stufe reicht. Die Elektroden 34 sind vorzugsweise im gleichen gegenseitigen Abstand angeordnet, schliessen aber ungünstigerweise planeben mit der Tankinnenwand ab. Es wurde gefunden, dass die grossflächige Erhitzung der benachbarten Wandstellen eine rasche Erosion der Tankwand zur Folge hat. Durch die besonders starke Erhitzung des vor den Elektroden liegenden Materials und die nach oben gegen den Ansatz in Wandnähe drängenden Konvektxonsströme ist die Erosion hier besonders rasch und geschwinde.

Bei Verwendung in die Schmelze eintauchender Elektroden 40 gemäss Figur 3 bleiben die Ofenwände kühler als die Elektrodenspitzen und erreichen dadurch eine grössere Lebensdauer. Die Eonvekt ions strömungen verlaufen hier in Pfeilrichtung. Ist die Eintauchtiefe der Elektroden gering, etwa so gross wie ihre Breite, so ist der Temperaturunterschied (T.-T ) zwischen der Elektroden spit ze (T ) und der Innenwand (T ) immer noch klein genug, dass für das in Pfeilrichtung 42 nahe der Elektrode entlang der Ofenwand nach unten fliessende, nur teilweise geschmolzene Material noch genügend Zeit bei ausreichender Temperatur bleibt, um es ganz zu schmelzen. Bei grösserer, die Elektrodenbreite übersteigender Eintauchtiefe entsteht ein ungünstiger, kaltes oder nur teils geschmolzenes Material nach unten ziehender Konvektionsstrom entlang der

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Ofenwand und es entsteht Glas schlechter Qualität. Zur Abhilfe muss entweder die Temperatur gesteigert oder der Ofendurchsatz verlangsamt werden. Beides ist ungünstig, im ersteren Fall steigt die Wanderosion, im letzteren Fall wird die Herstellun g unwirtschaftlich.

Im Einzelfall hängt die zulässige Eintauchtiefe von einer Reihe veränderlicher Faktoren ab, wie Elektrodenform, Betriebstemperatur, Glaszusammensetzung usf. Als Beispiel konnte eine etwa 15 cm im Durchmesser betragende Elektrode zum Erschmelzen von Corning Nr. 77^0 Borsilikatglas bis zu einer maximalen Tiefe von etwa 19 cm bei einer Temperaturdifferenz T-T von ca. 13O⁰G eingetaucht werden, bevor die Konvektionsströme kaltes oder nur teilweise geschmolzenes Ansatzmaterial entlang der Ofenwand nahe der Elektrode in solchem Umfang herabziehen, dass die Glasqualität leidet» In diesem Beispielfall musste bei 19 cm übersteigenden Eintauchtiefen bisher also entweder die Elektrodentemperatur gesteigert oder der Ofendurchsatz verlangsamt werden. Die,Fig. 3-4, 4a zeigen den entlang der Ofenwand nahe der Elektrode abwärts gerichteten Konvektionsstrom und das Ansatzmaterial um die Elektroden, wobei über den Elektroden nur eine dünne Schicht von geschmolzenem Material bleibt. In einem Versuchsbeispiel war diese Schicht über den benachbarten Elektroden der Fig. 4-a nur 2,54 cm dick, bei einer Temperatur der Schmelze von etwa 155O°G. Wie die Fig. 4-a

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zeigt, drückt das Ansatzmaterial 18 zwischen den Elektroden 40a und 40b einen Sattel in die Schmelze, wodurch sich die örtliche Energieaufgabe verringert und die Schmelzlinie entlang der Ofenwand zwischen den Elektroden absinkt; gleichzeitig steigt der Widerstand des Elektrodenkreises.

Demgegenüber gestattet die erfindungsgemässe Ausbildung einen höheren Schmelzdurchsatz bei niedrigerer Schmelztemperatur und geringerer Abnutzung der Ofenwände.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5-7 ist ein Deflektor 44 in Form eines über der einzelnen Elektrode 40 und der hydrostatischen Kopflinie 38 einer Glasschmelze 20 durch die Elektrodenwand 14a geführten Materialblocks geführt. Wie die Fig. 6 zeigt, können in dem Block eine oder mehrere senkrechte Öffnungen zur Einsicht oder zur Aufnahme eines Thermoelements, Höhenstandsmessers usw. vorgesehen sein. Der D%lektor 24 ist vorzugsweise senkrecht mit der Elektrode 40 ausgerichtet und wenigstens so breit wie diese. Die Eintauchtiefe des Deflektors 44 kann geringer als die der Elektrode sein, ist vorzugsweise aber etwas grosser.

Der Deflektor 44a 'der Fig. 6a und 7a entspricht dem Deflektor 44, hat aber eine Breite die mindestens so gross ist, wie der Abstand von Mitte zu Mitte der beiden Elektroden 40a und 40b oder wenn grössere Gruppen von Elektroden vorgesehen sind,

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wie der Abstand von Mitte zu Mitte der äussersten Elektroden.

Ein Vergleich der Fig. 4a und 7 a verdeutlicht den durch die Deflektor- oder Ablenkmittel erzielte Verbesserung. Bei gleichem Durchsatz ermöglicht der Deflektor eine um 100 niedrigere Betriebstemperatur (1450° anstatt 1550°), und entsprechend geringere Abnutzung der Ofenwände. Der Schmelzspiegel über den Elektroden ist etwa 7,6 cm höher (10 statt 2,5 cm). Das Ansatzmaterial kann nicht in den Raum zwischen den Elektroden eindringen und eine Abwärtsbewegung von Rohmaterial oder nur teilweise geschmolzenem Material entlang der Ofenwand in Elektrodennähe wird vermieden.

Die achsiale Eintauchtiefe der Ablenkmittel muss nicht unbe-.dingt grosser als die der waagerechten Elektroden sein. Im Fall einer einzelnen Elektrode »(Fig. 5 - 7) mit sehr grosser Eintauchtiefe, spielen die zur Wand gerichteten Konvektionsströme meist an der Elektrodenspitze eine geringere Rolle. Bei Elektrodenpaaren oder -gruppen waagerechter Anordnung ist die Eintauchtiefe des Deflektors aber vorzugsweise genau so gross oder grosser wie die der Elektroden.

Der Vergleich der Fig. 4-7 ergibt somit die folgenden Vorteile einer Vorrichtung mit Ablenkmitteln:

1. das Ansatzmaterial wird von den Elektroden abgelenkt;

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2. unvollständig geschmolzenes Material wird nicht zur Ofenwand in Elektrodennähe befördert;

3. "bessere Energie streuung, weil das Ansatzmaterial höher über den Elektroden bleibt und bei mehreren Elektroden nicht in den zwischen ihnen befindlichen Raum eindringt;

4-, frisches Ansatzmaterial gelangt in den Raum unter dem Deflektor nur wenn durch Abschmelzen oder Konvektion ein freier Raum entsteht;

5- der Schmelz spiegel über' den Elektroden ist höher, so dass die Elektroden weniger stark oxidiert werden;

6. die Betriebstemperatur ist bei gleichem Durchsatz niedriger;

7. die Abnutzung der Ofenwände ist geringer, die Lebensdauer grosser;

8. auch die Lebensdauer der Elektroden wird durch die niedrigeren Betriebstemperaturen verlängert.

Wie die Fig. 8 und 9 zeigen, kann der Deflektor 44b senkrecht und waagerecht verstellt werden. Er wird hierzu an einem Rahmen 52 mit senkrechten und waagerechten Verstellmittel·)! ^A, aufgehängt. Der Deflektor kann dann z. B. ohne Abschalten des Ofens repariert werden.

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Der Deflektor 44b ist mit einem zumindest die Endfläche 62
"bedeckenden abriebsfesten Material, z. B. Holz oder Gummi
überzogen und dadurch gegen Abrieb durch das Ansatzmaterial geschützt.

In der Ausgestaltung gemäss Fig. 10 und 11 ist der Deflektor U-förmig; in das offene Ende kann ein über die Leitung 66 versorgter Gasbrenner 64 eingeführt werden, der nach unten auf eine offene Fläche 68 der Schmelze 20 direkt über der Elektrode 40 strahlt und diese Fläche schmelzflüssig hält. Dies stellt eine weitere Sicherung gegen abwärts fliessendes Ansatzmaterial dar; selbst wenn ungeschmolzenes oder teilweise ungeschmolzenes Material an der Wand abwärts wandert, wird es durch den Brenner 64- geschmolzen. Ausserdem kann die Schmelzwanne 10 "atmen", d. h. die Brückenbildung von -angeschmolzenem Material wird verhindert und es bleibt ein gleiehmässiger
Schmelzspiegel erhalten.

Die Fig. 12 und 13 zeigen die Anwendung bei senkrechter Elektrodenanordnung. Die Elektrode 40c reicht z. B. senkrecht nach oben durch den Wannenboden 24 in die Glasschmelze 20. Der Deflektor 44 reicht senkrecht zur Elektrode durch die Wand 14 nach innen. Er ist vorzugsweise mit der Elektrode senkrecht ausgerichtet und braucht nur so weit einzutauchen, dass die zur Wand gerichteten Konvektionsströme kein Rohmaterial oder teilweise geschmolzenes Material mitnehmen. Diese Eintauch-

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tiefe ist vorzugsweise nicht kleiner als der Abstand der Elektroden-mittelachse von der Ofenwand und vorzugsweise etwas grosser. Wie die Fig. 13 zeigt, geht der nach innen gerichtete Konvektionsstrom etwa von der Elektrodenmittelachse aus.

Die schon erläuterten Verstellmittel können in allen Ausführungsformen der Ablenkmittel vorgesehen werden. Das gleiche gilt für die öffnungen 46 und die Überzüge 60.

Die Ablenkmittel können raum- und materialsparend bei waagerechten Elektroden auf den über diesen liegenden Bereich beschränkt bleiben, brauchen also keinen ununterbrochenen Kranz um den Schmelzofenumfang zu bilden. Die Materialzusammensetzung ist nicht kritisch, da sie, mit Ausnahme des Deflektors 44c nicht erhitzt werden und auch mit der Schmelze nicht in Berührung gelangen. Vorzugsweise wird aber ein Material gewählt, das sich beim zufälligen Einsturz in der Schmelze störungsfrei auflöst.

Die Erfindung ist auch in waagerechten Schmelzofen oder -wannen, mit senkrechten oder waagerechten Elektroden verwendbar.

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Claims

Pat ent ansprüche

ίIJ Ofen zum Schmelzen und Läutern von thermoplastischem Material in dessen oberen Teil das zu schmelzende feste Ansatzmaterial eingegeben wird, mit einer darunter befindlichen Schmelzzone, die durch mehrere in die Schmelze eintauchende Elektroden beheizt wird und einer Läuterungszone, dadurch gekennzeichnet, dass über den Elektroden und ausser Berührung mit der Schmelze den Ansatz von den Elektroden ablenkende Mittel (44) vorgesehen sind, die eine Konvektion von ungeschmolzenem Ansatzmaterial auf die Wandstellen nahe den Elektroden verhindern und die abwärts gerichtete Konvektion von unvollständig geschmolzenem Ansatzmaterial wesentlich verringern.
2. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet * dass die Ablenkmittel mit wenigstens einer Elektrode senkrecht ausgerichtet sind und ihre Breite mindestens so gross wie diejenige dieser Elektrode ist.
3. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel mit wenigstens zwei benachbarten, waagerecht angeordneten Elektroden senkrecht ausgerichtet sind, ihre Breite mindestens so gross wie der Abstand von Mitte zu Mitte der Elektroden und ihre Eintauchtiefe derjenigen der Elektroden zumindest gleich ist.

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4-, Ofen gemäss Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe der Ablenkmittel mindestens so gross wie der Mindest ab st and von der "benachbarten Ofenwand zur senkrechten Mittellinie einer der Elektroden ist.
5. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe der mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführten Elektroden in achsialer Sichtung grosser als der Elektrodendurchmesser aber kleiner als die achsiale Eintauchtiefe der Ablenkmittel ist.
6. Ofen gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Verstellen der Ablenkmittel in jeder Richtung vorgesehen sind.
7. Ofen gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel aus einem mit dem zu schmelzenden Material verträglichen Material bestehen und zumindest an ihrer achsialen Endfläche im Ofen mit einem abriebfesten Material überzogen sind.
8. Ofen gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Vertikalschmelzofen mit Heizelektroden auf mehreren Stufen einer Schmelzzone, einer darunter befindlichen Lauterungszone, einem Bodenauslass zum Abzug des geläuterten Schmelzguts, wobei das feste Ansatzmaterial, den oberen Ofenteil ganz bedeckt und wenigstens die Elektroden der obersten Stufe achsial in die Schmelze eintauchen.