DE2655142B2

DE2655142B2 - Keramikelektrode für Glasschmelzöfen

Info

Publication number: DE2655142B2
Application number: DE2655142A
Authority: DE
Inventors: Richard John Pattingham Wolverhampton Brinkman; Gordon Brian Sheffield Shaw
Original assignee: Pickford Holland & Co Ltd Sheffield Yorkshire (grossbritannien)
Current assignee: Dyson Refractories Ltd
Priority date: 1975-12-05
Filing date: 1976-12-06
Publication date: 1979-08-30
Also published as: FR2334260B1; DE2655142C3; JPS5529936B2; JPS5292226A; FR2334260A1; DE2655142A1; GB1514590A; US4110545A

Description

Die Erfindung betrifft eine Keramikelektrode für Glasschmelzöfen, bestehend aus einem langgestreckten Elektrodenkörper aus keramischem Material und einem langgestreckten, hohlen Anschlußorgan aus elektrisch leitendem Material, wobei der Elektrodenkörper eine in Längsrichtung verlaufende Bohrung aufweist und das Anschlußorgan in die Bohrung im Elektrodenkörper einsetzbar ist.

Bei der bekannten Keramikelektrode für Glasschmelzöfen, von der die Erfindung ausgeht (vgl. die US-PS 3813468) ist das langgestreckte, hohle Anschlußorgan aus Kupfer hergestellt und weist in Längsrichtung verlaufende Dehnungsschlitze auf. In das Anschlußorgan eingesetzt ist ein Dehnungsorgan aus elektrisch leitendem Material. Das Dehnungsorgan ist an seinem rückwärtigen Ende mit einem Gewinde versehen, auf das eine am rückwärtigen Ende des Anschlußorgans zur Anlage kommende Spannmutter aufgeschraubt ist. Auf Grund konischer Anlageflächen zwischen dem Anschlußorgan und dem Dehnungsergan kann das Anschlußorgan gegen den Elektrodenkörper dadurch verspannt werden, tiaß das Dehnungsorgan durch Verdrehen der Spannmutter in das Anschlußorgan hineingezogen wird. Die Dehnungsschlitze im Anschlußorgan dienen betriebsmäßig dazu, die Dehnung des Anschlußorgans bei Erwärmung auszugleichen.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß bei der zuvor beschriebenen bekannten Keramikelektrode die Dehnungsschlitze für den angestrebten Ausgleich bei Erwärmung des Anschlußorgans nicht ausreichen, daß nämlich auf Grund der stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Elektrodenkörner aus keramischem Material einerseits und dem Anschlußorgan und dem Dehnungsorgan aus elektrisch leitendem Material andererseits so erhebliche Spannungen auftreten, daß im Extremfall der Elektrodenkörper aus keramischem Material vollkommen zerstört werden kann.

Ausgehend von dsm zuvor dargelegten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Keramikelektrode der in Rede stehenden Art anzugeben, bei der das Auftreten von Spannungen zwischen dem Elektrodenkörper und dem Anschlußorgan weitestgehend vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Keramikelektrode für Glasschmelzöfen, bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußorgan in Edelmetall ausgeführt und mit Feinpassung in die Bohrung im Elektrodenkörper eingesetzt ist, daß in das Anschlußorgan ein langgestreckter Stöpsel mit Feinpassung eingesetzt, ist und daß das Material des Stöpsels einen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Elektrodenkörpers im wesentlichen übereinstimmenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Keramikelektrode ist ein grundsätzlich anderes Konstruktionsprinzip verwirklicht als bei der bekannten Keramikelektrode, von der die Erfindung ausgeht. Anstatt das Anschlußorgan in die Bohrung im Elektrodenkörper mit Spiel einzusetzen und anschließend mit Hilfe eines Dehnungsorgans gegenüber dem Elektrodenkörper zu verspannen, wird erfindungsgemäß das Anschlußorgan von vornherein mit Feinpassung in die Bohrung im Elektrodenkörper eingesetzt. Der anstatt eines Dehnungsorgans in das Anschlußorgan mit Feinpassung eingesetzte Stöpsel ist erfindungsgemäß aus einem solchen Material hergestellt, daß er bei Erwärmung genau dasselbe Verhalten zeigt wie der Elektrodenkörper. Damit können Spannungen zwischen dem Elektrodenkörper einerseits und dem Stöpsel andererseits auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht auftreten. Allein verbleibende Quelle für Spannungen auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten ist das Anschlußorgan selbst, das jedoch auf Grund seiner Ausführung in Edelmetall extrem dünnwandig ausgebildet werden kann, ohne daß der elektrische Widerstand unerträglich hoch würde. Damit aber wird das Anschlußorgan selbst hinsichtlich des Auftretens von wärmebedingten Spannungen

praktisch irrelevant, so daß im Ergebnis das Auftreten von Spannungen zwischen dem Elektrodenkörper und dem Anschlußorgan nahezu vollständig vermieden wird.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Keramikelektrode werden im folgenden nur beispielhaft erläutert.

Wegen seiner besonders guten Leitfähigkeit ist es vorteilhaft, als Edelmetall für das Anschlußorgan Silber zu verwenden, das Anschlußorgan also in Silber auszuführen. Ein in Silber ausgeführtes Anschlußorgan ka.nn eine ganz besonders geringe Wandstärke haben, was hinsichtlich der Kosten natürlich anzustreben ist.

Um einen besonders guten Kontakt zwischen dem Anschlußorgan und der in Längsrichtung verlaufenden Bohrung des Elektrodenkörpers zu erhalten sind die Bohrung im Elektrodenkörper und das Anschlußorgan zweckmäßigerweise einander entsprechend konisch ausgebildet.

Hinsichtlich der Materialauswahl für den Elektrodenkörper und/oder den Stöpsel geht ein-; weitere Lehre der Erfindung dahin, den Elektrodenkörper und den Stöpsel in Zinnoxid auszuführen. Insbesondere zum Schmelzen von Bleiglas eignet sich Zinnoxid besonders gut, da es nicht wie z. B. Molybdän oder Graphit das Bleioxid zu Blei reduziert. Außerdem ergibt sich bei Verwendung von Zinnoxid für den Elektrodenkörper keine merkbare Verfärbung des zu schmelzenden bzw. geschmolzenen Glases. Im Zusammenhang mit der Verwendung von Zinnoxid als Material für den Elektrodenkörper und den Stöpsel ist die Ausführung des Anschlußorgans in Silber besonders vorteilhaft, da hier eine unerwünschte Oxidation und anschließende Reaktion mit dem Zinnoxid vermieden wird. Ist der Elektrodenkörper in Zinnoxid ausgeführt, so ergibt sich im übrigen auch die Möglichkeit, den Stöpsel in einem mit Zinnoxid verträglichen feuerfesten Material wie beispielsweise Zirkon oder Mullit auszuführen.

Vorzugsweise ragen das Anschlußorgan und der Stöpsel nach hinten aus dem Elektrodenkörper heraus. Dadurch ist einerseits auf einfache Weise ein elektrischer Anschluß des Anschlußorgans möglich, andererseits kann die Elektrode selbst mit ihrem hinteren Ende vollständig innerhalb .-1er Ofenwandung liegen, so daß die Möglichkeit einer Beschädigung der Elektrode praktisch ausgeschaltet ist. Der Anschluß des Anschlußorgans an eine elektrische Zuleitung erfolgt hier praktischerwcise über eine Klemmschelle.

Schließlich ergibt sich u. U. ein besonders geringer Übergangswiderstand zwischen dem Elektrodenkörper und dem Anschlußorgan, wenn die Wandung der Bohrung im Elektrodenkörper einen vor dem Einsetzen des AnschluDorgans aufgetragenen Silberbelag aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Keramikelektrode,

Fig. 2 im Längsschnitt die Keramikelektrode gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt durch den Gegenstand nach Fig. 2 entlang der Linie 3-3.

In Fig. 1 ist eine Keramikelektrode für Glasschmelzofen gezeigt, die zunächst einen langgestreckten Elektrodenkörper 1 aus keramischem Material mit einer in Längsrichtung verlaufenden Bohrung 2 aufweist. In die Bohrung 2 im Elektrodenkörper 1 ist ein hohles Anschlußorgan 3 aus elektrisch leitendem Material einsetzbar.

Erfindungsgemäß ist das Anschlußorgan 3 in Edelmetall, nämlich in Silber ausgeführt und mit Feinpassung in die Bohrung 2 im Elektrodenkörper 1 eingesetzt. Das Anschlußorgan 3 wird praktisch von einer zylindrischen Hülse 4 aus Silber gebildet, die einen Längsschlitz S aufweist. Seinerseits mit Feinpassung in das Anschlußorgan 3 eingesetzt ist ein langgestreckter Stöpsel 6. Das Materia! des Stöpsels 6 weist erfindungsgemäß einen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Elektrodenkörpers 1 im wesentlichen übereinstimmenden Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Als Material für den Elektrodenkörper 1 bietet sich Zinnoxid an, als Material für den Stöpsel 6 Zinnoxid, Zirkon oder Mullit. Wie aus den Fig. 1 und 2 deutlich wird, ragen das Anschlußorgan 3 und der Stöpsel * nach hinten aus dem Elektrodenkörper 1 heraus. Dabei ist das Anschlußorgan 3 mit einer Klemmschelle 7 zum Anschluß an eine elektrische Zuleitung 10 versehen.

Der Elektrodenkörper 1 mit dem Anschlußorgan 3 und dear Stöpsel 6 ist in eine entsprechende Einsatzöffnung 8 in einer Ofenwandung 9 eingesetzt, und zwar so, daß das hintere Ende 11 des Elektrodenkörpers 1 sich vollständig innerhalb der Ofenwandung 9 befindet. Damit sind Beschädigungen des Elektrodenkörpers 1 praktisch ausgeschlossen.

Um die Leistungsmerkmale einer erfindungsgemäßen Keramikelektrode zu prüfen, wurde ein Elektrodenkörper 1 aus Zinnoxid mit einem Durchmesser von 70 mm und 350 mm Länge axial von einem Ende her bis zu einer Tiefe von 115 mm unter Verwendung eines Kernbohrers mit einem Außendurchmesser von 38,6 mm aufgebohrt. Anschließend wurde die Wandung der Bohrung 2 mit einer Silbersuspension bestrichen und der Elektrodenkörper 1 anschließend bei 600° C gebrannt, um eine festhaftende Silberschicht auszubilden. Aus einem Silberblech mit einem Reinheitsgrad von 99,9% und einer Dicke von 0,4 mm wurde eine zylindrische Hülse 4 von 38 mm Durch-

, messer und 150 mm Länge hergestellt Die zylindrische Hülse 4 wurde in die Bohrung 2 im Elektrodenkörper 1 eingeschoben. Ein Stöpsel 6 aus Zinnoxid mit einem Durchmesser von 37,7 mm und 150 mm Länge wurde dann in die zylindrische Hülse 4 einge-

i drückt. Durch das feste Eindrücken des mit Feinpassung in die zylindrische Hülse 4 hineinpassenden Stöpsels 6 wurde die zylindrische Hülse 4 fest gegen die versilberte Wandung der Bohrung 2 im Elektrodcnkorper 1 gepreßt. Der elektrische Anschluß an die

i Hülse 4 wurde durch zwei halbkreisförmige Klemmschellen 7 erzielt, welche nach dem Zusammenschrauben allseits fest an der Hülse 4 anlagen und diese gleichzeitig fest auf den innenliegenden Stöpsel 6 preßten, so ^aB ein einwandfreier elektrischer ι Kontakt erzielt wurde.

Um den Einsatz in einem Glasschmelzofen zu simulieren, wurde an das andere Ende des EJektrodenkörpers 1 eine elektrische Leitung angeschlossen um den Stromkreis zu schließen, welcher in der Praxis durch die Glasschmelze geschlossen wird. Zu diesem Zweck wurde der Elektrodenkörper 1 außen versilbert und mit halbkreisförmigen Klemmschellen bestückt, an welche die elektrische Leitung direkt ange-

schlossen wurde.

Das Anschlußorgan 3 (Hülse 4) wurde dadurch getestet, daß die gesamte Keramikelektrode in einen Ofen eingesetzt wurde, der dazu diente, die Temperatur der gesamten Keramikelektrode zu erhöhen und so Betriebsbedingungen zu simulieren. Drei Thermoelemente T₁, T₁,

T_} zeichneten die tatsächlich er

reichten Temperaturen auf. Der Test erstreckte sich über eine Zeitspanne von 698 Stunden (29 Tage), wobei folgende Temperaturen aufgezeichnet wurden:

Durchschnitt Hereich

805 ° C
670° C

800-920° C
""50-830° C
580-725° C.

Innerhalb der gesamten Testzeit von 648 h wurde durch die Keramikelektrode über das Anschlußnrgan 3 Sirom während 1 i 1 ii iπ 2! gciicmiicii Z«:iispannen von jeweils annähernd 5 h hindurchgeleilet. Der Durchschnittsstrom betrug während dieser Zeit 1.10 A.d. h. viel mehr, als für eine Keramikelektrode mit diesem Durchmesser in Glasschmelzöfen üblich ist. Der Strom wurde jeweils zu Beginn einer jeden der 21 Perioden eingeschaltet, so daß die volle Stromstarke praktisch sofort wirksam war, und nicht allmählich, wie dies im praktischen Betrieb der Fall ist. Auf diese Weise wurden Elektrodenkörper 1 und Anschlußorgan 3 Bedingungen unterworfen, welche den härtesten Betriebsbedingungen in der Praxis entsprechen.

Unter diesen Bedingungen wurde der Strom einwandfrei durch die Keramikelektrode hindurchgeleitet, d. h. es wurde keine Schwankung in der angelegten Spannung oder Stromstärke aufgezeichnet. Das beweist, daß während des gesamten Tests ein einwandfreier elektrischer Kontakt vorhanden war. Nach Abkühlung der gesamten Anlage auf Raumtemperatur wurde sie erneut auf Testtemperatur erhitzt und der Strom erneut eingeschaltet. Auch hier blieb die Leistung voll zufriedenstellend.

Wie /U erwarten war, wurde beim Durchgang des Stromes durch die Keramikelektrode eine Leistung von annähernd 100 W verbraucht. Dies reichte aus. um /', um etwa 50° C zu erhöhen und außerdem die Temperatur des Anschlußorgans 3 (T₂ bzw. '/",) um 30° C. Dieser Temperaturanstieg erfolgte innerhalb weniger Minuten nach Eischalten des Stroms und es ergaben sich keinerlei nachteilige Wirkungen.

Nhcm dein Tesi winde uic Kcianiikciciuiwuc umgeschnitten, und /war in der vom Anschlußorgan 3 eingenommenen Fläche, wobei nur geringe Veränderungen im Zustand der Hülse 4 und des Zinnoxides des Elektrodenkörpers 1 festgestellt werden konnten. Die einzig bemerkenswerte Beobachtung war die, daß die Hülse 4 mit dem Zinnoxid des Elektrodenkörpers 1 am heißeren Ende eine schwache Bindung gebildet hatte. Dies ist jedoch als günstiger Faktor anzusehen, dadadurc'.'.die Wirksamkeit des elektrischen Kontaktes verbessert wird. Es ergaben sich keinerlei Anzeichen einer chemischen Reaktion noch irgendwelche Anzeichen einer physikalischen Beschädigung.

Hierzu I Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Keramikelektrode für Glasschmelzöfen, bestehend aus einem langgestreckten Elektrodenkörper aus keramischem Material und einem langgestreckten, hohlen Anschlußorgan aus elektrisch leitendem Material, wobei der Elektrodenkörper eine in Längsrichtung verlaufende Bohrung aufweist und das Anschlußorgan in die Bohrung in den Elektrodenkörper einsetzbar ist, dadurch ge keηnze ichne t, daß das Anschlußorgan (3) in Edelmetall ausgeführt und mit Feinpassung in die Bohrung (2) im Elektrodenkörper (1) eingesetzt ist, daß in das Anschlußorgan (3) ein langgestreckter Stöpsel (6) mit Feinpassung eingesetzt ist und daß das Material des Stöpsels (6) einen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Elektrodenkörpers im wesentlichen übereinstirci wenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.

2. Keramikelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußorgan (3) in Silber ausgeführt ist.

3. Keramikelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (2) im Elektrodenkörper (1) und das Anschlußorgan (3) einander entsprechend konisch ausgebildet sind.

4. Keramikelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkörper (1) und der Stöpsel (6) in Zinnoxid ausgeführt sind.

5. Keramikelektrode nach dnem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkörper (1) in Zinnox.J und der Stöpsel (6) in Zirkon oder Mullit ausgeführt sind.

6. Keramikelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußorgan (3) und der Stöpsel (6) nach hinten aus dem Elektrodenkörper (1) herausragen.

7. Keramikelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Bohrung (2) im Elektrodenkörper (1) einen vor dem Einsetzen des Anschlußorgans (3) aufgetragenen Silberbelag aufweist.

8. Keramikelektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußorgan (3) an seinem aus dem Elektrodenkörper (1) herausragenden Ende mit einer Klemmschelle (7) an eine elektrische Zuleitung (10) angeschlossen ist.