DE2420749A1

DE2420749A1 - Elektroofen

Info

Publication number: DE2420749A1
Application number: DE2420749A
Authority: DE
Inventors: Thomas Aloysius Clishem; Francis Robert Duerr; Jun Carl Thomas Snook
Original assignee: Corhart Refractories Corp
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1973-04-30
Filing date: 1974-04-29
Publication date: 1974-11-21
Also published as: GB1466159A; FR2227706B1; CA1007686A; IT1010289B; NL7405742A; US3818112A; JPS5013939A; BE814414A; FR2227706A1

Description

Anmelder in: Corhart Refractories Company

Elektroofen

Die Erfindung betrifft einen Elektroofen zum Schmelzen von thermoplastischem Material, Glas und dgl. , mit besonders geeigneter Anwendung zum Erschmelzen von Glasansätzen für die Herstellung von Glasfasern.

Elektroöfen, z.B. gemäß US-PS 3 524 206 und 3 636 227, sind in letzter Zeit wegen einer Reihe von Vorteilen, insbesondere auch infolge der fossilen Brennstoffverknappung und Umweltverschmutzung gegenüber den mit Öl oder Gas, besonders Naturgas, beheizten Schmelzwannen, von zunehmendem Interesse.

Besondere, bisher ungelöste Schwierigkeiten ergeben sich bei der Erschmelzung von Ansätzen für die Glasfaserherstellung.

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Die Auskleidung der Ofenwände besteht aus feuerfestem Material (z.B. Chromoxid), dessen elektrische Leitfähigkeit der des Glasan-.satzes für Glasfasern gleichkommt oder sogar größer als diese ist. Infolgedessen, fließt ein Teil des elektrischen Stromes durch die stark leitenden Seitenwände des Ofens, anstatt von Elektrode zu Elektrode. Diese Energie geht nicht nur verloren, sondern verkürzt auch die Lebensdauer der feuerfesten Auskleidung.

Eine weitere Schwierigkeit entsteht durch den negativen Temperaturkoeffizienten vieler Gläser (Borsilikatgläser, Kalkgläser), der bei Glasfasergläsern besonders ausgeprägt ist. Mit steigender Temperatur fällt hier der elektrische Widerstand besonders stark ab. Durch sich gegenseitig steigernde Beeinflussung von Temperatur und Widerstand entstehen hierdurch zwischen den Elektroden bevorzugte "davonlaufende" Stromwege, die der optimale^ gleichmäßigen Stromverteilung im Wege stehen. Das Problem läßt sich auch durch eine von einer Ringelektrode mngebene Mitteleiektrode gemäß US-PS 2 018 886 nicht lösen, es sei denn, der Widerstand des Ansatzes würde sich in vorausbestimmter Weise ändern. Sowie der Widerstand entlang einem Radialweg etwas geringer wird, läuft der Strom davon. Eine Regelschaltung zur gleichmäßigen Stromverteilung ist hierbei nicht möglich.

Bei der Anordnung gemäß der US-PS 2 417 913 mit zwei Elektrodenseiten entlang gegenüberliegenden Seitenwänden und einer Elektrode " in der Mitte entsteht beim Erschmelzen von Faserglas wiederum der unerwünschte Stromfluß durch die stark leitenden Seitenwände.

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Ungünstig ist schließlich auch die starke Gleichstromkomponente des eingeführten Stromes. Diese verursacht eine unerwünschte Polarisierung und Blasenbildung im Glas, zu starke Erhitzung nahe den Elektroden und deren rascheAbmitzung.

Aufgabe der Erfindung ist ein Elektroofen, der auch beim Erschmelzen von Faserglas einen Stromdurchgang durch die Seitenwände sowie bevorzugte Stromwege zwischen den Elektroden vermeidet und die Gleichstromkomponente weitgehend herabsetzt.

Erfindungsgemäß werden Stromfluß und Stromverteilung in der Schmelzwanne genau gesteuert. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß um wenigstens eine senkrechte Elektrode in der Schmelzwanne weitere Elektroden jene umgebend angeordnet sind und eine elektrische Energiequelle nur die Elektroden versorgt, so daß der überwiegende Stromfluß von der ersten Elektrode zu den weiteren Elektroden und ein Minimum durch die Seitenwände der Schmelzwanne geht.

Weitere günstige Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der"Zeichnungen und aus den Unteransprüchen.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen zum Schmelzen von Glas mit negativem Temperatur-Widerstandskoeffizient, z. B. für die Glasfaserherstellung, besonders geeigneten Elektroofen mit den Tankseitenwänden 10, 12, 14, 16 und einem Tankboden 18, einem Glasansatzeinlaß und

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einen Schmelzauslaß. Ein erster Satz Elektroden 20, 22, 24 ist in einer Reihe in der Tankmitte, ein zweiter Satz Elektroden 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40 ist am Tankboden angeordnet. Die zweiten Elektroden sind um die Tankinnenwand zwischen den ersten Elektroden und den Seitenwänden in bestimmten gegenseitigen Abständen angeordnet. Der Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Elektroden erhitzt den Schmelzansatz 42.

Figur 3 zeigt die elektrische Energiequelle. Wechselstrom vom Transformator 44 wird in die Festkörper regler 46 gegeben, die mit den Elektroden 24, 32 in Reihe geschaltet sind. In der gezeigten Ausbildung sind die einzelnen Regler zu einem als "Triac" bezeichneten einheitlichen Gerät zusammengefaßt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Paar von siliziumgesteuerten Gleichrichtern als Regler verwendet. Eine Kippschaltung 48 steuert den Phasenwinkel, bei dem die Regler während abwechselnder Halbwellen der Wechselstromquelle zünden. Eine Rückkopplungsschaltung 50 regelt den Stromfluß zwischen beiden Elektrodensätzen. Ein Nebenschlußwider stand ist mit ihnen in Reihe geschaltet. Seine Spannung zeigt den Strom an und wird in die Rückkopplungs schaltung 50 gegeben.

Eine Ausbildung der Kippschaltung 48 und Rückkopplung 50 ist in Figur 4 gezeigt. Das am Widerstand 52 abgegriffene Rückkopplungs signal wird über den Transformator 54 mit der Lampe 56 gekoppelt. Diese strahlt eine dem Quadrat des durch den Rückkopplungs wider stand 52 gehenden Stromes proportionale Lichtintensität ab. Nach Auftreffen

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des Lichts auf eine Photozelle 58 entsteht eine dem mittleren Quadratwert des Stromes durch den Widerstand 52 proportionale Spannung.

Die Kippschaltung enthält einen durch den Regler 46 aufgeladenen Kondensator 60 und einen Transistor 62 mit einem Übergang, der leitet, sobald die Kondensatorladung eine bestimmte Höhe erreicht. Ein Stromimpuls geht dann durch die Primärspule des Impulstransformators 64. Die Sekundärspule ist mit dem Tor des Reglers 46 gekoppelt und löst ihn aus.

Die Spannung des Reglers 46 wird in einem Doppelweggleichrichter (mit den Dioden 66, 68, 7O₁ 72) gleichgerichtet. Die Zener-Dioden" und 76 kappen die Spitzen oder Spannungsausschläge.

Die Rückkopplung beaufschlagt den Kondensator 60 mit einer Vorspannungj deren Höhe durch die Photozelle 58 bestimmt wird.

Die Regeltätigkeit ist folgendermaßen. Es sei angenommen, daß die Spannung im Rückkopplungswiderstand über dem Sollwert liegt. Das an die Lampe 56 gelegte Rückkopplungssignal steigert die Lichtintensität und senkt den Widerstand der Photozelle 58. Daher fällt die an den Kondensator 60 gelegte Vorspannung, und der Kondensator benötigt für die Aufladung bis zur Zündspannung des Transistors 62 während der Halbwelle eine längere Zeitspanne, der Regler 46 zündet später,und die Stromversorgung der Elektroden nimmt ab.

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Die Figur 5 zeigt die Ausgestaltung mit siliziumgesteuerten Gleichrichtern 80, 82 zwischen der Wechselstromquelle und den Elektroden. Eine Regelschleife 84 regelt den mittleren Quadratwert des Widerstands des Ladestroms, während eine Regelschleife 86 die Gleichstromkomponente des Elektrodenstroms regelt.

Das Signal vom Rückkopplungswiderstand wird über einen Vorverstärker 88 in einen Summenverstärker 90 gegeben. Dieser summiert es mit einem vom mittleren Stromquadrat-Bezugspotentiometer in den Bezugssignalverstärker 91 gegebenen Wechselstrom-Sollwertsignal und gibt den Summenwert in einen Photomodulator 92. Dieser erzeugt ein dem mittleren Widerstands quadrat des Stroms durch den Rückkopplungs widerstand proportionales Signal. Ein Regelverstärker 94 steuert über die T or schaltungen 96 und 98 den Leitwinkel der "Widerstände 80, 82 und hält damit den Strom zwischen den Elektroden auf dem am Eingangs— potentiometer eingestellten Sollwert.

Die andere Regelschleife 86 bestimmt eine Regelabweichung der Gleichstromkomponente. Hierzu wird das Rückkopplungssignal vom Verstärker 88 im Gleichrichter 100 und Integrator 102 gleichgerichtet und integriert. Das gleiche Signal wird ferner im Inverter 104, Gleichrichter 106 und Integrator 103 verarbeitet. Der Unterschied der Ausgangswerte der Integratoren 102 und 103 ist ein Maßstab der Gleichstromkomponente. Die Ausgangs werte werden zunächst in einen Differentialverstärker 110 gegeben, dessen Ausgang mit dem Regelverstärker 112 verbunden ist. Mit dem Bezugspotentiometer 114 wird eine Nulleinstellung der Gleichstromkomponente vorgenommen. Der Eingangswert

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des Regelverstärkers 112 bewirkt über den Summenverstärker 116 die Regelung des Zündwinkels des Gleichrichters 82 im Sinne einer Vor- oder Rückverstellung, bis die Gleichstromkomponente Null ist.

In der Darstellung der Wellenformen dieser Schaltung zeigt die Figur 6 A die Wechselstromeingangsspannung, die Figur 6 B die Ladespannung, die Figur 6 C die Spannung der siliziumgesteuerten Widerstände; die Figuren 6 D und 6 E zeigen die diesen Widerständen eingegebenen Torimpulse.

Die Figuren 7-11 dienen zur näheren Erläuterung der Arbeitsweise. Figur 7 zeigt die Kennlinie eines'Glases mit einer im Gegensatz zu normalen Borsilikat- oder Natriumkalkgläsern stellen Widerstands-Temperatur kennlinie. Infolge des scharfen Widerstandsabfalls bei steigender Temperatur entstehen Stromdurchschläge ,bzw. an einzelnen Stellen kann der Strom "durchgehen¹¹. Dieser Gefahr wird durch Stromregler, die je einen Satz Elektroden regeln, begegnet; der Strom wird hierdurch in der Glasschmelze gleichmäßig verteilt.

Figur 8 zeigt die Äquipotentiallinien des Spannungsfelds zwischen zwei Elektroden am Tankboden und einer gemeinsamen oberen Elektrode. Der Strom fließt quer zu den Äquipotentiallinien. Ein Stromweg zwischen den beiden Elektroden am Tankboden ermöglicht einen Stromfluß zur und durch die Seitenwand. Die Figur 9 veranschaulicht den durch Aneinanderrücken der beiden Bodenelektroden erzielten Abschirmeffekt, der einen Stromdurchgang durch die Seitenwände weitgehend ausschaltet. Figur 10

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zeigt das bei Anordnung von drei mittleren Elektroden in einer Reihe, umgeben von acht Elektroden mit Eingangs spannung umgekehrter Polarität entstehende elektrische Feld; es entsteht eine gute Abschirmung. Figur 11 zeigt den Einfluß stark leitender Seitenwände auf das Spannungsfeld der Figur 10. Auch hier ist noch eine gute Abschirmung gegeben.

Angelegte Spannung sowie Zahl und Abstand der Elektroden können im Hinblick auf die beste Abschirmung für die jeweilige Tankgröße verändert werden, wobei anhand von Modellen die Äquipotentiallinien jeweils gefunden werden können. Ein optimaler Betrieb ergibt sich bei einem der Figur 11 entsprechenden Spannungsfeld oder einem Feld mit noch kontinuierlicheren Äquipotentiallinien zwischen den äußeren Elektroden.

Der weiteren Erläuterung ohne Beschränkung dient das folgende Beispiel.

Die Ofenseitenwände eines Elektroofens waren mit Schamotte C-1215 (Corhart) mit einer Resistivität von 1 Ohm/cm bei 1500 C ausgekleidet. Ein zur Herstellung von Fasern geeignetes Glas hat die sehr viel größere Resistivität von 24 Ohm/cm bei 1500 ⁰C . Der Ofenboden bestand aus Zirkonschamotte ZS-1300 (Corhart) mit einer Resistivität von etwa 3400 Ohm/cm und trug zur Leitung der Schamotteauskleidung nicht wesentlich bei. Die Elektroden waren Zinnelektroden T-1185 (Corhart) mit einer Regelspannungseingabe zwischen jedem Elektrodensatz von 180 - 200 Volt Wechselspannung (einphasig, 60 Hertz). Der Aus gangs strom wurde auf - 1% für Ladeströme von 20 - 200 Ampere

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eingestellt. Es wurden Siliziumgleichrichter mit Leitwinkel von mindestens 95 verwendet. Bei Betriebs aufnahme wurde der Ofen zunächst mit Brennstoff erhitzt, bis genügend Glas zur Stromleitung zwischen den Elektroden erschmolzen war, u. U. auch langer, bis zur Läuterungstemperatur der Glasschmelze (bei Faserglas etwa 1500 °C).

Die Erfindung ist auch in kombinierten Öfen, mit Brennstoff- und Elektrobeheizung, anwendbar.

Die Figuren 12 A - 12 F zeigen typische Zündfolgen der Elektroden. Andere Zündkombinationen sind ebenfalls möglich. Die Regler können auch die Energiezufuhr zu den mittleren anstatt den äußeren Elektroden regeln.

Nach anderen Abwandlungsmöglichkeiten kann z.B. der Tank in einzeln regelbare Zonen unterteilt werden; jede Zone wird dann mit Energie einer anderen Phase versorgt. Wird der Ofen z.B. in drei Zonen unterteilt, so kann eine Phase einer Dreiphasen-Energiequelle an die mittleren Elektroden jeder Zone gelegt werden, denen die äußeren Elektroden gemeinsam sind. Die Zonen werden hierbei durch Sequenzschalten der inneren oder äußeren Elektroden geregelt. Werden die inneren Elektroden folge ge s ehaltet, so bleibt die Abschirmung während des ganzen Zyklus im wesentlichen konstant.

Die Erfindung bringt für alle Gläser mit negativem Temperaturkoeffizient des Widerstands- mit ungleichmäßigem Stromfluß beim Erschmelzen, Durchlauf oder Durchschlag des Elektrodenstroms,einen wesentlichen Fortschritt. _ Patentanspräche -

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Claims

Patentansprüche

•^/Elektroofen zum Schmelzen von thermoplastischem Material mit genauer Steuerung von elektrischem Stromfluß und -verteilung in der Schmelzwanne, dadurch gekennzeichnet, daß um wenigstens eine senkrechte Elektrode (22) in der Schmelzwanne weitere Elektroden (26, 30, 34, 38) jene umgebend angeordnet sind und eine elektrische Energiequelle nur die Elektroden versorgt, so daß der überwiegende Stromfluß von der ersten Elektrode, zu den weiteren Elektroden und ein Minimum durch die Seitenwände der Schmelzwanne geht.
2. Elektroofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle mit Sätzen oder Gruppen von ersten und zweiten Elektroden verbunden ist und Stromregler für jeden Satz oder jede Gruppe von Elektroden den Strom durch diese regeln.
3. Elektroofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Auslegung der Stromquelle und entsprechenden Abstand der weiteren Elektroden zueinander, zur ersten Elektrode und zu den Seitenwänden der Schmelzwanne ein die erste Elektrode gegen die Seitenwände abschirmendes Spannungsfeld in dem Schmelzgut mit im wesentlichen ununterbrochenen Äquipotentiallinien zwischen den weiteren Elektroden erzeugt wird.

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4. Elektroofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste Elektroden (20, 22, 24) am Wannenboden, in dessen Mitte in einer Reihe angeordnet sind und von den weiteren Elektroden (26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40) umgeben sind.
5. Elektroofen nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle mit einer den Stromfluß zwischen den ersten Elektroden und den weiteren Elektroden regelnden Rückkopplung (50) versehen ist.
6. Elektroofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen eine Wechselstromquelle und eine der Elektroden (24, 32) elektronische Regler (46) geschaltet sind und mit der Rückkopplung (50) eine Auslöseschaltung (48) verbunden ist, welche den Phasenwinkel regelt, bei dem die Regler (46) während abwechselnder Halbphasen der Wechselstromquelle zünden.
7. Elektroofen gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Auslöser und Rückkoppler (48, 50) eine den Gleichstromfluß durch einen Rückkopplerwiderstand (52) anzeigende Schaltung (54, 56, 58) und eine auf die Ausgabe jener Schaltung ansprechende, den Zündungs-Phasenwinkel eines der Regler (46) beeinflussende und die Gleichstromkomponente weitgehend vermindernde Schaltung (60, 62, 64) enthalten.

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8. Elektroofen gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zum Erschmelzen von Glasansätzen mit hohem negativem Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes für Glasfasern und dgl.

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