DE2542582C2 - Stromzuführungsvorrichtung für einen Elektrodenbadofen - Google Patents
Stromzuführungsvorrichtung für einen ElektrodenbadofenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Stromzuführungsvorriehtung
für einen Eiektrodenbadofen mit Stromführung über ein flüssiges Material.
Die Erfindung geht davon von einer Vorrichtung aus, wie sie als elektrischer Salzbadofen verwendet wird, in dem ein Salz durch Elektroden erwärmt und geschmolzen wird, wobei der elektrische Strom durch das Bad fließt (DE-PS 8 71 798). Die Stromzuführung erfolgt dabei über ein flüssiges Material, indem zwei Zuleitungen jeweils in eine Metallschmelze eintauchen, die ihrerseits als Elektrode mit dem Sal/.bad als zu schmelzendem Medium in Verbindung steht.
Die Erfindung geht davon von einer Vorrichtung aus, wie sie als elektrischer Salzbadofen verwendet wird, in dem ein Salz durch Elektroden erwärmt und geschmolzen wird, wobei der elektrische Strom durch das Bad fließt (DE-PS 8 71 798). Die Stromzuführung erfolgt dabei über ein flüssiges Material, indem zwei Zuleitungen jeweils in eine Metallschmelze eintauchen, die ihrerseits als Elektrode mit dem Sal/.bad als zu schmelzendem Medium in Verbindung steht.
In der Glasindustrie werden die Behälter, in denen sich das weiterzuverarbeiiende geschmolzene Glas befindet,
oft dadurch beheizt, daß man einen elektrischen Strom unmittelbar durch die Metaliwandung des Behälters
schickt. Für diesen Anwendungsbereich sind starke Ströme in der Größenordnung von etwa 1000 A erforderlich,
die von der Versorgungseinrichtung durch starke Kabel und Verteiler herangeführt werden müssen.
Eine besondere Rolle spielt die direkte Beheizung bei der Glasfasererzeugung. Die Fasern treten aus einer
Vielzahl von Düsen aus, die sich im allgemeinen am Boden einer rechteckförmigen Wanne befinden, die
man als Rinne bezeichnet. Angesichts der hierbei auftretenden hohen Temperaturen und der großen Oxidationsgefahr
eignet sich als Material für die Rinne lediglich Platin oder eine Platinlegierung. Der Heizstrom für
eine solche Rinne wird im allgemeinen über im Qucrschnitt rechteckige Leiter oder Kontaktstückc. die
ebenfalls aus Platin oder einer Platinlegierung bestehen und mit den Stirnseiten der Rinne verschweißt sind, herangeführt.
Die elektrische Verbindung zu diesen Leitern wird durch große, meist gekühlte Kupferklammern hergestellt, die ihrerseits mit den stromführenden Kabeln und Verteilerschienen elektrisch leitend verbunden sind. Die in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Temperatur auftretende Ausdehnung bzw. Rückführung der Rinne wird durch die Klammern mechanisch stark eingeschränkt, so daß nicht selten im Bereich der Konmkistücke das Platin vorzeitig beschädigt wird. Bei bis /u 50% aller unbrauchbar gewordenen Rinnen koniuen als
Die elektrische Verbindung zu diesen Leitern wird durch große, meist gekühlte Kupferklammern hergestellt, die ihrerseits mit den stromführenden Kabeln und Verteilerschienen elektrisch leitend verbunden sind. Die in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Temperatur auftretende Ausdehnung bzw. Rückführung der Rinne wird durch die Klammern mechanisch stark eingeschränkt, so daß nicht selten im Bereich der Konmkistücke das Platin vorzeitig beschädigt wird. Bei bis /u 50% aller unbrauchbar gewordenen Rinnen koniuen als
Ursache Brüche im Bereich der Kontaktstücke festgestellt
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
starken Wärmespannungen unterworfenen Elektrodenbadofen, beispielsweise in der Form einer elektrisch direkt
beheizten Rinne aus Platin, wie sie in der Glasindustrie verwendet wird, die auf die stromführenden Kontaktstücke
wirkenden mechanischen Kräfte zwecks längerer Lebensdauer von Elektrodenbadofen und Kontaktstücken
zu verringern und eine einfache und sichere Möglichkeit zu schaffen, mit der sich das Temperaturgefälle
in der Rinne und an deren Boden oder allgemein im Elektrodenbadofen steuern läßt.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird d'cce Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst,
daß durch einen das im Betriebszustand flüssige elektrisch leitende Material enthaltenden, an einen Stromzuteiler
angeschlossenen Behälter und eil. stromführendes Leiterstück das mit dem Elektrodenbadofen fest und
elektrisch leitend verbunden ist und in das elektrisch leitende flüssige Material ohne feste Verbindung mit
dem Behälter beweglich eintaucht.
Die elektrische Verbindung gemäß der Erfindung eignet sich besonders für Hochleistungsaufgaben. Das
elektrisch leitende, flüssige Material kann sich in einem kanalförmig ausgebildeten Behälter befinden, der beispielsweise
im Weg des beweglichen Teiles angeordnet ist. Der Bewegungsverlauf dieses Teiles kann geradlinig
sein oder eine andere Form aufweisen, z. B. kreisförmig oder gebogen.
Die elektrische Verbindung nach der Erfindung kann überall dort verwendet werden, wo elektrischer Strom
an verschiedenen Punkten eines langgestreckten Bauteiles erforderlich ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht der das elektrisch leitende flüssige Material enthaltende Behälter
aus Metall und ist mechanisch starr mit der stromzuführenden Stromzuteiler verbunden. Das stromführende
Leiterstück ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als ein mildem die Schmelze enthaltenden Elektrodenbadofen
verbundenes Winkelstück ausgebildet, das mit dem Ofen starr verbunden ist. Das Kontaktstück
besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung aus einem Metall oder einer Legierung mit verhältnismäßig
geringem elektrischen Widerstand. Das elektrisch leitende, flüssige Material ist in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung ein Metall, wobei unter Metall auch metallische
Legierungen in flüssiger oder fester Form zu verstehen sind.
Wird die elektrische Verbindung zu der Vorrichtung über ein flüssiges Metall hergestellt, kann diese sich relativ
frei ausdehnen und zusammenziehen, wobei außerdem die Temperaturunterschiede durch Änderung des
Flüssigkeitsspiegels leicht ausgeglichen werden können.
Das Kontaktstück besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium,
Platin, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder Legierungen mit einem oder mehreren der vorgenannten
Metalle, oder aus Legierungen mit einem oder mehreren der vorgenannten Metalle zusammen mil anderen
Metallen. Der im Bereich des Übergangs zwischen Luft und flüssigem Metall befindliche Teil des Koniaktstükkes
weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine metallische oder nichtmetallische Schutzschicht, aus
Zirkonium-Zement auf.
Alle als flüssiges Leitermaterial infrage kommenden Metalle weisen einen niedrigen Dampfdruck auf und
sich unter allen Betriebsbedingungen flüssig. Wünschenswert ist ferner, daß ihr ohmscher Widerstand gering
ist und sie die übrigen Bauteile der elektrischen Verbindung nur wenig angreifen. Als für diesen speziellen
Zweck geeignetes Metall hai sich ein eutektisches Gemisch aus Gallium, Indium und Zinn erwiesen, in der
Zusammensetzung 62% Ga, 25% In und 13% Sn. Dieses Gemisch ist bei normaler Umgebungstemperatur flüssig.
Das ist zwar besonders günstig, doch ist es für die Erfindung nur erforderlich, daß sich das Metall unter
normalen Betriebsbedingungen der elektrischen Verbindung in flössigem Zustand befindet, d. h. wenn ein
Strom hindurchfließt und in dem Metall Wärme erzeugt wird.
Weitere metallische Gemische mit einem niedrigen Schmelzpunkt sind schmelzbare Legierungen, die beispielsweise
Wismut, Cadmium oder Blei enthalten. Da die Oberfläche des Metalls im allgemeinen der Luft ausgesetzt
ist, sollte das Metall zudem möglichst oxidationsbeständig sein. Aus diesem Grunde kommt das bekannte
Eutektikum NaK in diesem Fall nicht in Betracht.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert;
in der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A in F i g. 1. Gemäß F i g. 1 wird einem Elektrodenbadofen 1, der in der Glasfaserindustrie und nachfolgend Rinne genannt wird und dort dem Warmhalten der Glasschmelze dient und Düsen am Boden, sogenannte »Zwiebeln«, aufweist, über ein Leiterstück 2 aus Platin oder einer Platinlegierung elektrischer Strom zugeführt. Das Leiterstück 2 ist hier gegenüber der üblichen Ausführung länger ausgebildet und taucht mit seinem der Rinne i abgewandten Ende in flüssiges Metall 3 eines Behälters 4 ein. Der quaderförmig ausgebildete Behälter 4 besteht aus Kupfer und ist starr mit einer stromzuführenden Verteilerschiene 5 als Stromzuteiler verschraubt. In dem Behälter 4 ist ein Kühlwasser führendes Rohrleitungssystem 6 vorgesehen, durch das die von der Rinne 1 abgegebene und über das Leiterstück 2 nach unten geleitete Wärme sowie die Wärmestrahlung vom Ende der Rinne 1 und die Stromwärmeverluste des Anschlußteiles selbst abgeleitet werden. Die Einführung des Leiterstückes 2 in den Behälter 4 ermöglicht eine weitgehend ungehinderte Bewegung in senkrechter und/oder in waagerechter Richtung zwischen Leiterstück 2 und Behälter 4, so daß im Bereich der Verbindung 7 zwisehen Leiterstück und Rinne keine Schaden verursachenden Kräfte auftreten.
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A in F i g. 1. Gemäß F i g. 1 wird einem Elektrodenbadofen 1, der in der Glasfaserindustrie und nachfolgend Rinne genannt wird und dort dem Warmhalten der Glasschmelze dient und Düsen am Boden, sogenannte »Zwiebeln«, aufweist, über ein Leiterstück 2 aus Platin oder einer Platinlegierung elektrischer Strom zugeführt. Das Leiterstück 2 ist hier gegenüber der üblichen Ausführung länger ausgebildet und taucht mit seinem der Rinne i abgewandten Ende in flüssiges Metall 3 eines Behälters 4 ein. Der quaderförmig ausgebildete Behälter 4 besteht aus Kupfer und ist starr mit einer stromzuführenden Verteilerschiene 5 als Stromzuteiler verschraubt. In dem Behälter 4 ist ein Kühlwasser führendes Rohrleitungssystem 6 vorgesehen, durch das die von der Rinne 1 abgegebene und über das Leiterstück 2 nach unten geleitete Wärme sowie die Wärmestrahlung vom Ende der Rinne 1 und die Stromwärmeverluste des Anschlußteiles selbst abgeleitet werden. Die Einführung des Leiterstückes 2 in den Behälter 4 ermöglicht eine weitgehend ungehinderte Bewegung in senkrechter und/oder in waagerechter Richtung zwischen Leiterstück 2 und Behälter 4, so daß im Bereich der Verbindung 7 zwisehen Leiterstück und Rinne keine Schaden verursachenden Kräfte auftreten.
Gegebenenfalls kann an dem Leiterstück 2 ein Schutzring 10 aus Metall oder einer Legierung vorgesehen
sein, der verhindert, daß flüssiges Metall insbesondere infolge von Kapillarwirkung am Leiterstück 2 aufsteigt,
oxidiert und verlorengeht.
Beim Einrichten der Rinne durch eine Bedienungsperson ist dafür zu sorgen, daß die Temperaturgradienten
nahe den Enden der Rinne 1 so niedrig wie möglich M> gehalten werden. Bei bekannten Lösungen werden hierfür
wassergekühlte Kupferklammern auf den Leiterstücken in senkrechter Richtung bewegt, wodurch der
vvdrmefluß in diesem Bereich so lange beeinfluß; wird,
bis die gewünschten Bedingungen hergestellt sind. Ein hi Bewegen der Klammern bedeutet aber, daß die Klammerbefestigungen
abwechselnd gelöst und angezogen und darüber hinaus die Klammern selbst jeweils um
einen geringen Betrag bewegt werden müssen. Beides
führt jedoch zu einer erheblichen Beanspruchung der Rinne. Die Steuerung des Temperaturgefälles ist jedoch
wesentlich einfacher durch Verwendung eines flüssigen Leitungsmediums gemäß der Erfindung, wo lediglich
der Flüssigkeitsstand in dem Behälter 4 zu verändern ist. Ein verhältnismäßig leicht durchführbares Verfahren
für diese Steuerung ist gemäß Fig.2 durch die Bewegung
einer Justierschraube 8 möglich, mit der der Flüssigkeitsspiegel unmittelbar veränderbar ist. Ein Dichtwulst
9 am Schraubenschaft verhindert ein Austreten des flüssigen Metalls.
Daneben lassen sich aber auch andere Verfahren zur Steuerung des Flüssigkeilssiandes verwenden, beispielsweise
die Steuerung mit Hilfe eines getrennten beweglichen Behäiters, oder einer beweglichen Mem- ϊ5
brane auf einer Seite des Flüssigkeitsleiters. Das verlängerte Leiterstück 2 taucht, wie bereits erwähnt, in flüssiges
Metall 3 ein. Das Leiterstück muß jedoch nicht notwendigerweise aus Platin bestehen. Eine Verringerung
der Kosten tritt bereits ein, wenn man das Platinleiterstück unmittelbar unterhalb der Übergangsstelle zwischen
Luft und flüssigem Metall mit einem anderen hochleitfähigen Metall verbindet, beispielsweise mit
Palladium, Kupfer oder Silber. In diesem Fall verändert sich das Temperaturgefälle am Leiterstück nicht, wenn
die übliche Klammeranordnung durch den Flüssigkeitsleiter gemäß der Erfindung ersetzt wird.
Mit einigen geringfügigen Änderungen ist es auch möglich, das Verlängerungsstück mit dem Platinleiterstück
etwas oberhalb der Berührungsfläche zwischen Luft und flüssigem Metall zu verbinden. Für die erfindungsgemäße
Vorrichtung ist es darüber hinaus nicht zwingend, daß der das flüssige Metaii enthaltende Behälter
4 aus Kupfer besteht. Auch andere elektrisch gut leitende Metalle wie Silber oder Aluminium eignen sich,
wenngleich Aluminium mit einem gegen flüssiges Metall etwas widerstandsfähigerem Metall ausgekleidet werden
müßte.
Für andere mögliche Anwendungsbereiche oder bei der Wahl anderer schmelzbarer Verbindungen wird
möglicherweise ein Betrieb mit höherer Temperatur erforderlich sein. Für diese Fälle böte sich vorteilhaft ein
Behälter aus einem elektrisch widerstandsfähigeren Material, wie rostfreier Stahl, an.
Im Ausführungsbeispiel sind das Leiterstück 2, dessen Verlängerung und das Gehäuse 4 für das flüssige Metall
rechtwinklig zueinander angeordnet.
Andere Bauformen können jedoch ebenfalls gewählt werden, wenn dies aus räumlichen Gründen für eine
Einrichtung erforderlich ist, beispielsweise eine runde, ringförmige, blattförmige, mehrlagige usw, wobei ailen
Formen gemeinsam ist, daß es sich um einen festen in flüssiges Metall eintauchenden Leiter handelt
Am unteren Ende des Leiterstückes herrscht ein hohes Temperaturgefälle und bei bestimmten Betriebsbedingungen
können am Übergang Luft/flüssiges Metall sehr ungünstige Bedingungen herrschen so daß das heiße
Platin in diesem Bereich durch das flüssige Metall angegriffen wird.
Abhilfe kann hier dadurch geschaffen werden, daß man das Platin in diesem Bereich mit einem widerstandsfähigen
metallischen oder nichtmetallischen Überzug versieht, Infrage käme hierfür beispielsweise
Iridium oder ein gebundener Zirkoniumzement wie er beispielsweise unter dem Warenzeichen »Thermocem «
bekannt ist
Die Erfindung wird nach stehend zusätzlich anhand einiger Verfahrensbeispiele erläutert:
Ein wassergekühlter Kupfcr-Leilerstückstrcifen mit einem Querschnitt von 1.499 ■ 0,737 cm-' wurde bis zu
1,27 cm2 in Gallium, Indium-Zinn Eutcktikum eingetaucht,
das sich in einem Kupferbehältcr behind. liin Wechselstrom von 1000 AMPS wurde durch das so gebildete
flüssige Metalleiicrstück über einen Zeitraum
von 525 Stunden geleitet. Dies entspricht einer Stromdichte von 905 AMPS/cm- in dem Kupfcr-l.eitersiik-kstreifen,
und 176AMPS/cmJ an der Verbindung von
Leiterstück und dem flüssigen Metall. Der Temperaturanstieg im Leiterstück bei diesen Bedingungen war vernachlässigbar
gering. Im Leiterstück wurden weder Spannungs- noch Stromänderungen festgestellt, die eine
Beschädigung des Leiterstückes hätten herbeiführen können, und nach Beendigung des Versuches konnte
auch keine Beeinträchtigung des Kupfers durch das flüssige Metall festgestellt werden.
Zur Simulation des Wärmegefälles am Leiterstück einer in Betrieb befindlichen Rinne wurde ein Platinstreifen
mit einem Querschnitt von 1,41 · 0,158 cm2 in das in einem wassergekühlten Kupferbehälter befindliche flüssige
Metall eingetaucht und 600 Stunden lang mit 320 A unter Strom gehalten. Die Stromstärke betrug unter
diesen Bedingungen in dem Platin 1436 a/cm', wodurch das Leiterstück etwa 4 cm oberhalb der Oberfläche des
flüssigen Metalls rotglühend wurde. Am F.nde des Versuches wurde der Plalinstrcifen geprüft und man stellte
fest, daß er am Übergang zwischen flüssigem Metall und Luft nur sehr geringfügig angegriffen worden war. nämlich
in so geringem Maße, daß die Beschädigung bei der Glasfaserherstellung mittels Platinrinnen noch zulässig
ist.
Das Leiterslück 2 wurde im Bereich des Übergangs zwischen Luft und flüssigem Metall, wie vorerwähnt,
mit einem geeigneten widerstandsfähigen Material beschichtet. Zu diesem Zweck wurde ein Platinlciter von
1,69 ■ 0,1 cm? Querschnitt sandgestrahlt und in diesem
Bereich mit Zirkonium-Zement beschichtet. Ein Wechselstrom von 600 A (was einer Stromstärke von 3500 A/
cm2 entspricht) wurde 24 Tage lang hindurchgclasscn. ohne daß mehr als eine geringfügige Beeinträchtigung
eintrat
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (18)
1. Stromzuführungsvorrichtung für einen Elektrodenbadofen
mit Stromführung Ober ein flüssiges Material, gekennzeichnet durch einen das
im Betriebszustand flüssige elektrisch leitende Material (3) enthaltenden, an einen Stromzuteiler (5)
angeschlossenen Behälter (4) und ein stromführendes Leiterstück (2), das mit dem Eiektrodenbadofen
(1) fest und elektrisch leitend verbunden ist und in das elektrisch leitende flüssige Material (3) ohne feste
Verbindung mit dem Behälter beweglich eintaucht
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) aus Meull besieht und
mechanisch starr mit dem Stromzuteiler (5) verbunden ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß das stromführende Leiterstück (2) als
ein mit dem Eiektrodenbadofen (1) verbundenes Winkelstück ausgebildet ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das Leiterstück (2) starr mit dem Eiektrodenbadofen
(1) verbunden ist
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß das Leiterstück (2) aus einem
Metall oder einer Legierung mit verhältnismäßig geringem
elektrischen Widerstand besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Leiterstück (2) aus Ruthenium,
Rhodium, Palladium, Iridium, Platin, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder Legierungen mit einem
oder mehreren der vorgenannten Metalle besteht
7. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet daß der im Bereich
des Übergangs zwischen Luft und flüssigem Metall befindliche Teil des Leiterstückes (2) eine metallische
oder nichtmetallische Schutzschicht aufweist
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Zirkoniumzement
oder Iridium besteht.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück (2) in
dem Übergangsbereich zwischen Luft und flüssigem Metall einen das Aufsteigen von flüssigem Metall am
Leiter verhindernden Schutzring (10) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlsystem (6) vorgesehen ist das ein Kühlmittel zu dem Behälter
(4) und von diesem wegführt
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Flüssigkeitsspiegel in dem Behälter (4) regelnde Einstellvorrichtung
vorgesehen ist
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellvorrichtung aus einer Justierschraube (8) besteht.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das
flüssige Material (3) enthaltende Behälter (4) aus einem Metall der Gruppe Ruthenium, Rhodium, Palladium,
Iridium, Platin, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder einer Legierung besteht, die ein oder
mehrere der genannten Metalle enthält.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eiektrodenbadofen
(I) aus Platin besteht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß der Eiektrodenbadofen
die Form einer Wanne hat, deren Lage veränderbar ist
16. Vorrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lageänderung durch Änderung des Fassungsvermögens des Behälters (4) erreichbar
ist
17. Vorrichtung nach Anspruch 16. dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungsvermögen des Behälters
(4) durch ein in die Wandung des Behälters einschraubbares Teil veränderbar ist
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
17, dadurch gekennzeichnet daß der Elektrodenbadofen
zur Aufnahme geschmolzenen Glases bestimmt ist
IS. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromzuteiler eine Stromverteilerschiene (5) ist.
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|---|---|---|---|
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