DE2425025C3

DE2425025C3 - Elektrode für einen Glasschmelzofen

Info

Publication number: DE2425025C3
Application number: DE19742425025
Authority: DE
Inventors: Philip Anthony Maunsell Stourbridge Worcester Gell (Grossbritannien); Frederick Maynard Meritt; William Richards Steitz
Original assignee: ELEMELT Ltd LONDON
Current assignee: TECO/ELEMELT Ltd LONDON GB
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1979-03-29
Also published as: DE2425025A1; DE2425025B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Glasschmelzofen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Allgemein besteht bei derartigen Elektroden, die neben dem die Ofenwand durchsetzenden Schaftabschnitt einen in die Glasschmelze eintauchenden Arbeitsabschnitt aufweisen, das Problem darin, das Elektrodenmaterial, in aller Regel Molybdän, zuverlässig gegen Oxidation zu schützen. Insbesondere Molybdän nämlich wird durch elementaren Sauerstoff bei Temperaturen, wie sie üblicherweise in Glasschmelzofen auftreten, oxidiert, so daß also alle aus Molybdän bestehenden Teile derartiger Elektroden, die während des Ofenbetriebes eine Temperatur erreichen, bei der eine zerstörende Oxidation auftritt, gegenüber elementarem Sauerstoff geschützt werden müssen. Grundsätzlich wird dabei der in die Glasschmelze eintauchende Arbeitsabschnitt durch die Glasschmelze selbst gegen Sauerstoff geschützt, während der Schaftabschnitt nicht über seine gesamte Länge durch geschmolzenes Glas geschützt sein kann, weil das den Schaftabschnitt umgebende Glas zur Außenseite des Ofens hin infolge der für die Kühlung der Elektrode notwendigerweise vorhandenen Kühleinrichtungen immer kalter und damit fester wird, so daß also Sauerstoff aus der zumindest geringfügig porösen, aus Feuerfestrrwterial bestehenden Ofenwand zum Schaftabschnitt diffundie ren und diesen oxydieren kann.

Bei einer Elektrode der eingangs genannten Art, wie sie durch die DE-AS 11 18 407 vorbekannt ist, wird dieser Oxidationsgefahr insoweit Rechnung getragen, als der von der Metallhülse umgebene Schaftabschnitt seinerseits von dem zwischen der Metallhülse und der Ofenwandcffnung vorhandenen glasgefüllten Ringraum umgeben ist Auch in diesem Ringraum ist das Glas aber nicht über die gesamte Tiefe der Ofenwand flüssig, so daß sowohl der Schaftabschnitt als auch die ihn unmittelbar umgebende Metallhülse durch Oxidation beschädigt werden können. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Elektrode von der Außenseite des Glasschmelzofens aus bewegt oder verstellt wird, da hierdurch das zur Ofenaußenseite hin fester werdende, den Ringraum füllende Glas anbricht, wodurch Sauerstoffdiffusionserscheipangen unvermeidbar werden. Ähnliche Probleme zeigen sich auch bei der Elektrode nach der DE-AS 10 35 867, bei der ebenfalls, wie auch bei der Elektrodenanordnung nach der DE-AS 10 15 989 oder derjenigen nach der GB-PS 7 35 222, zwischen der den Schaftabschnitt umgebenden Hülse und dem Feuerfestmaterial der Ofenwand ein glasgefüllter Ringraum vorgesehen sein kann. Bei der Vorrichtung nach der US-PS 3634588 wiederum ist der Schaftabschnitt in der einggangs erörterten Art unmittelbar von geschmolzenem Glas umgeben, mit den hieraus resultierenden, oben erläuterten Schwierigkeiten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode der gattungsgemäßen Art za schaffen, bei der eine Oxidation des Schaftabschnittes auch bei einer Relativbewegung, insbesondere Verstellung, der Elektrode gegenüber der Ofenwand zuverlässig vermieden und darüber hinaus die axiale Verstellung der Elektrode erleichtert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der wesentliche Erfindungsgedanke liegt somit darin, dab die Metallhülse, anders als bei der gattungsgemäßen Elektrode, nicht nur aus gegen Oxidation widerstandsfähigem Material, wie Nickel, oder einer Nickellegierung, besteht und den Schaftabschnitt fest umgibt, wodurch also der glasgefüllte Ringraum zwischen dem Schaftabschnitt und der beschichteten Metallhülse vorgesehen ist, sondern daß die Metallhülse auch in einem feuerfesten Zement beschichtet ist, der nicht nur etwaige Poren der Metallhülse zuverlässig abdichtet, sondern infolge seiner Plastizität eine Verschiebung oder einen Schlupf zwischen der Metallhülse und entweder dem Schaftabschnitt oder aber der Ofenwand ermöglicht, wodurch die axiale Verstellbarkeit vergrö ßert und insbesondere verhindert wird, daß während einer axialen Einstellung des Schaftabschnittes der Elektrode Zerreißkräfte auf die Metallhülse übertragen werden, welche ansonsten das Auftreten von Poren in

der Metallhülse begünstigen und so die Oxidation des Schaftabschnittes fördern würden.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispieles im einzelnen erläutert Dabei zeigt:

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode im vertikalen Querschnitt, wobei die Elektrode in den Boden eines Glasschmelzofens eingebaut ist; und

F i g. 2 in fragmentarischer, vergrößerter Darstellung, ι ο teilweise im vertikalen und axialen Querschnitt, die der Elektrode zugeordnete Hülse.

Wie Fig.1 zeigt, weist eine Elektrode 10 einen Arbeitsabschnitt 11 auf, der sich in die Ofenkammer erstreckt und elektrischen Strom in die Glasschicht leitet Weiterhin weist die Elektrode einen Schaftabschnitt 12 auf, der sich durch eine öffnung 13 in einem in einem Boden 15 der Ofenkammer vorgesehenen Block 14 erstreckt Ein dem Inneren der Ofenkammer nächst gelegener Abschnitt 16 des Schaftabschnittes 12 der 2» Elektrode ist im Betriebszustand des Ofens rat einer Schutzschicht aus geschmolzenem Glas umgeben, wobei das geschmolzene Glas einen Ringraum 17 zwischen der öffnung 13 und dem Abschnitt 16 des Elektroden-Schaftabschnittes ausfüllt Als Material für den Arbeitsabschnitt 11 und den Schaftabschnitt 12 der Elektrode hat sich Molybdän am meisten bewährt, jedoch wird dieses Material durch Oxidation zerstört, wenn es bei Temperaturen oberhalb etwa 500⁰C Sauerstoff ausgesetzt wird.

Unterhalb des Abschnittes 16 würde die durch den Boden 15 und durch den Block 14 dissipierte Wärme dazu führen, daß sich das Glas im Zwischenraum zwischen dem Schaftabschnitt und der öffnung 13 fortschreitend nach unten verfestigt Dementsprechend besteht ein Risiko, daß Sauerstoff die einigermaßen poröse Struktur des Blockes 14 und des Bodens 15 der Ofenwand durchsetzt und den Molybdän-Schaftabschnitt erreicht, und zwar an einer Stelle, an der die Temperatur noch so hoch ist, daß zerstörende Oxidation <to stattfinden kann. Dementsprechend ist erfindungsgemäß eine Schutzhülse, welche im ganzen mit 17a bezeichnet ist, vorgesehen, welche so ausgebildet ist, daß eine relative Axialbewegung zwischen dem Schaftabschüitt 12 der Elektrode und der Ofenwand sowohl während des Einbaus der Elektrode als auch später, wenn dies während des Betriebes der Elektrode erforderlich ist, ermöglicht wird.

Die Schutzhülse weist eine Metallhülse 18 auf, welche vorzugsweise aus Nickel oder einer Nickellegierung (»Inconel 6CT«) hergestellt ist Außen- und Innendurchmesser der Hülse 18 sind so gewählt, daß zwischen der Hülse und einem Abschnitt 20 des durch die Schutzhülse 17 geschützten Elektroden-Schaftabschnittes ein innerer Ringraum 19 und zwischen der Hülse 18 und der Öffnung 13 ein äußerer Ringraum 21 existieren. Die Hülse 18 kann dünnwandig ausgebildet sein, wobei die Wandstärke typischerweise etwa bei 1,6 mm liegt.

Weiterhin weist die Schutzhülse eine nichtmetallische Schicht auf, deren Länge so gewählt ist, daß die m> Metallhülse 18 über ihre gesamte Länge bedeckt und ausgekleidet ist Eine der Funktionen der nichtmetallischen Schicht besteht darin, etwaige Vakuolen oder Poren, die in der Metallhülse 18 vorliegen können, abzudichten, wodurcn das Risiko einer »ach innen f>5 gerichteten radialen Perforation von oxidierendem Gas durch die Wand des Ofens in Richtung auf den Schaftabschnitt 20 weiter reduziert wird.

Eine Komponente der nichtmetallischen Schicht, die vorteilhafterweise in Verbindung mit der Metallhülse verwendet werden kann, ist eine weitere Hülse 22, welche die Hülse 18 dicht an ihrer Außenfläche umfaßt und aus Fäsermaterial hergestellt ist Derartiges Material ist bei der Betriebstemperatur feuerfest und ist bezüglich des Materials der Metallhülse 18 nichtreaktiv. Ein geeignetes Material ist ein Papier auf Tonerde-Kieselsäure-Basis (»Fiberfrax«), welches die folgende Zusammensetzung und Eigenschaften hat:

Farbe

Dichte, nichtkomprimiert Empfohlene kontinuierliche Verwendungstemperatur Angenäherte chemische

Analyse

(Gew.-%; binderfrei)

Al₂O₃

SiO₂

B₂O₃

Na₂O

Fe₂O₃

Auslaugbare Chloride Anorganische Spuren

weiß

annähernd 195 kg/m³

bis zu oberhalb 176O°C

51J0/0 47.6% 0,15%

030%

0,01% bis 0,12% weniger als 50 ppm 03% bis 0,5%

Die Hülsen 18 und 22 können im wesentlichen die gleiche Länge haben, wobei letztere die Außenfläche der ersteren bedeckt

An ihrem unteren Ende ist die Hülse 18 mit einem radial verlaufenden Flansch 23 verbunden, an dessen äußerem Rand ein kurzer, axial verlaufender Flansch 24 vorgesehen ist

Diese beiden Teile liegen in einer erweiterten Einsenkung 25 am unteren Ende der öffnung 13, welche sich durch den Block 14 erstreckt Der Flansch 24 ist durch den Eingriff zwischen einer Scheibe 33 am oberen Ende der Einsenkung 25'· und einer Scheibe 26 abgestützt, die in einem im Querschnitt U-förmigen Ring 27 sitzt der am oberen Ende einer Kühleinrichtung vorgesehen ist weiche eine wassergekühlte Hohlhül?<: 28 aufweist, die den unteren Abschnitt des Schaftabschnittes 12 der Elektrode umgibt Beide Scheiben können aus Faser-Blattmaterial bestehen.

Die weitere, erfindungsgemäß stets vorgesehene Komponente der nichtmetallischen Schicht besteht aus Beschichtung^) aus feuerfestem Zement an der Innen- und/oder Außenseite der Metallhülse 18. Eine der Aufgaben der Beschichtung besteht darin, die axiale Bewegung des Schaftabschnittes der Elektrode sowohl während des Einbaus als auch, wenn erforderlich, danach zu ermöglichen, ohne daß die Metallhülse birst Auf diese Weise kann innerhalb der Zementbeschichtung selbst oder aber in einer Kontaktfläche zwischen der Zementbeschicntung und dem den Ringraum füllenden Glas oder auch innerhalb der Glasschicht selbst eine Strömung oder eine Scherung stattfinden. Das Glas kann also in den Ringraum zwischen dem Elektrodenschaft und der inneren Zementbeschichtung oder der Metallhülse eintreten. Die Anordnung ist so ausgelegt, daß ein axialer Schlupf innerhalb und/oder außerhalb der Metallhülse möglich ist, während die Schutzhülse als Ganzes durch das die Hülse 22 zusätzlich versteift w>d. Die Metallhülse soll stationär bleiben, wobei der Schlupf in F i g. 1 und 2 im inneren Ringraum zwischen der Hülse 18 und dem Schaftabschnitt der Elektrode stattfindet. Aus diesem Grunde ist unmittelbar auf der Oberfläche der Metallhülse eine

innere Beschichtung 34 vorgesehen. Um den Abdichtungseffekt der Hülse 22 zu vergrößern, ist an der Außenfläche eine Außenbeschichtung 35 vorgesehen. Es ist jedoch klar, daß dann, wenn die nichtmetallische Hülse 22 weggelassen wird, die Außenbeschichtung 35 direkt auf die Außenfläche der Metallhülse 18 aufgebracht werden würde.

Eine geeignete Beschichtungssubstanz für die oben angegebenen Zwecke ist ein Zement, der unter der Bezeichnung »Fiberfrax«-Zement im Handel erhältlich ist. Von den unter dieser Bezeichnung erhältlichen verschieder.en Zementen hat die Nr. QF 180 Eigenschaf ten, die sich insbesondere für den erfindungsgemäßen Zweck eignen. Der »FiberfraxwZcment Nr. QF 180 hat die nachfolgende Zusammensetzung:

SiO₂	57,0%
Al₂Oj	41,0%
Na₂U	ö,8%
B₂O₃	0,6%
MgO	0,5%
Anorganische Spuren	0.2%

Während des Betriebes erreicht der Abschnitt 20 des Schaftabschnittes typischerweise eine Temperatur im Bereich von 1000⁰C bis 1300⁰C Bei dieser Temperatur ist das Metall, aus welchem die Hülse 18 hergestellt werden soll, gegenüber der Oxidation sehr widerstandsfähig. Infolge des Vorliegens der Beschichtungssubstanz werden Vakuolen oder Poren, die die Permeation von gasförmigem Sauerstoff zum Abschnitt 20 des Schaftabschnittes ermöglichen könnten, verhindert.

Die Hohlhülse 28 weist einen Einlaß bzw. einen Auslaß 29, 30 auf, durch welche Kühlwasser durch das Innere der Hülse geleitet werden kann. Die Hohlhülse 28 ist durch eine Manschette 31 am Elektroden-Schaftabschnitt mittels einer Inertgasdichtung 32 abgestützt. Die Inertgasdichtung 32 ist nicht notwendigerweise für Gas undurchlässig, so daß ein kontinuierlicher Strom von Inertgas durch den Ringraum 33a zwischen dem Schaftabschnitt der Elektrode und der Kühleinrichtung zugeführt werden kann. Wenn die Elektrode in der Ofenwand, beispielsweise im Boden, so installiert ist. daß sie in das Innere des Ofens hineinragt, ist der Ringraum 19 teilweise durch die Zementbeschichtung 34 ausgefüllt, enthält aber auch Glas 36, welches sich zwischen dem Abschnitt 29 des Elektroden-Schaftabschnittes und der Beschichtung 34 befindet. Bei normalen Betriebsbedingungen behält derjenige Abschnitt des Glases 35, der nahe dem Inneren des Ofens liegt, eine plastische, fließfähige Konsistenz, und zwar infolge der ihm durch die Glasschmelze und nach unten durch den Elektrodenschaft zugeführten Wärme. An entlang des Schaftes in Richtung auf das Ofenäußere entfernt gelegenen Stellen hingegen verfestigt sich das Glas 36 infolge der niedrigeren Umgebungstemperatur, welche durch die Wirkung der Kühleinrichtung erzielt wird. Letztere kann jedoch teilweise oder vollständig dadurch außer Betrieb gesetzt werden, daß die Zufuhr von Wasser reduziert oder aber vollständig unterbunden wird. Dies hat zur Folge, daß das gesamte Glas irr, Raum 19 in einp plastische nd«*r ihiLtfähige Knnsktrn/ gebracht wird. Zwischen dem Glas und der Zementbeschichtung 34 kann an der Kontaktfläche zwischen diesen boden Materialien eine gewisse Durchmischung stattfinden. Der Gesamteffekl besteht darin, daß der Schaftabschnitt der Elektrode, wenn erforderlich, in Rkhtung auf das Innere des Ofens, vorgeiückl werden kann, ohne daß das Hülsenelement 18 unter allzu hohe Spannung gesetzt wird.

in ährücher Weise ist auch der Ringraum 21, obwohl er teilweise durch die Außenbeschichtung 35 aus Zement besetzt ist, durch Glas 37 gefüllt.

Als mögliche Alternative kann im durch das Glas 36 gefüllten Raum eine andere schlupffördernde Substanz vorgesehen sein. Eine Substanz, die sich in bestimmten Fällen verwenden läßt, ist Natriumsilikat. Die Hülse 22 aus Faserblatt-Material kann weggelassen sein. Die Abdichtung der Metallhülse 18 und die Längs-Verstellbarkeit der Elektrode werden dann dadurch gewährleistet, daß Glas und/oder Natriumsilikat im Ringraum innerhalb und außerhalb der Metallhülse 18 vorliegt. Die Fluidität des Glases und/oder des Natriumsilikates werden durch Steuerung der Wasser-Durchströmungsrate durch die Hohlhülse 28 bzw. 128 der Kühleinrichtung gesteuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Elektrode aus oxidablem Material, wie Molybdän, für einen Glasschmelzofen, mit einer den die Ofenwand durchsetzenden Schaftabschnitt umgebenden Metallhülse und einem glasgefüllten Ringraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhülse (18) aus gegen Oxidation widerstandsfähigem Material, wie Nickel oder einer Nickellegierung, besteht und innen und/oder außen mit einem feuerfesten Zement (34, 35) beschichtet ist, wobei der glasgefüllte Ringraum (19) zwischen dem Schaftabschnitt (12) und der beschichteten Metallhülse (18) vorgesehen ist, um so eine Längsverschiebung der Elektrode relativ zur Metallhülse (18) zu ermöglichen.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS das den Ringraum (19) füllende Glas (36) im Betrieb des Ofens wenigstens teilweise fest ist und dann, wenn dies wünschenswert ist, zum Vorschieben der Elektrode (11) in die Ofenkammer fließfähig gemacht werden kann.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas (36) Natriumsilikat ist

4. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere Hülse (22) aus Faser-BlattmateriaL

5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Hülse (22) die Metallhülse (18) umgibt; und daß die Hülse (22) eine Außenbeschichtung (35) aus feuenestem Zement aufweist

6. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzef hnet, daß eine Kühleinrichtung (28, 29, 30) zum Kühlen der Elektrode in Längsrichtung mit Abstand von der Hülse und dieser benachbart angeordnet ist, so daß mittels der Kühleinrichtung die Hülse kühl und das den Ringraum (19) füllende Glas (36) wenigstens teilweise festgehalten werden kann, während durch Reduzieren des mittels der Kühleinrichtung bewirkten Kühleffektes das Glas verflüssigt werden kann.

7. Elektrode nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einführen eines Inertgases in einen Zwischenraum (33a) zwischen der Elektrode und der Kühleinrichtung (28).