DE3490743C2 - Ofen - Google Patents

Description

Gebiet der Technik

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Ver­ schleißschutzes von feuerfesten Ofenauskleidungen (Ofenaus­ mauerung) durch ein elektrisches Feld und betrifft insbe­ sondere Industrieöfen, die im Eisen- und Nichteisenhüt­ tenwesen sowie beim Glasschmelzen Verwendung finden.

Stand der Technik

Die Hauptfaktoren, die beim Betrieb von Industrie­ öfen zum Verschleiß der feuerfesten Auskleidung führen, sind Wärmebelastungen und Hochtemperaturkorrosion durch Einwirkung von Schmelzen und Gasen, die sich bei der Ver­ brennung von Brennstoff bilden, sowie von flüssigen und gasförmigen Schmelzprodukten.

Die Wärmebelastungen der Ofenauskleidung sind durch ungleichmäßige Wärmeströmungen und Temperaturfelder sowie häu­ fige Wärmewechsel gekennzeichnet, was zum Auftreten von mechanischen Spannungen in der Auskleidung und letzten Endes zu deren Abspalten führen kann.

Der Hauptschaden der Korrosion besteht darin, daß sie das Gefüge der Arbeitsfläche der Auskleidung, die mit der Schmelze und der Ofenatmosphäre in Berührung steht, zerstört und somit die Haltbarkeit der Auskleidung ver­ mindert, wodurch der Abspaltvorgang der Ofenauskleidung wiederum wesentlich beschleunigt wird.

Beim Ofenbetrieb wird die Oberfläche des Feuerfest­ stoffes, der in seiner Basis schwerschmelzbare Metalloxi­ de (z. B. Al₂O₃, CaO, MgO, ZrO und andere) enthält, mit unterschiedlichen Stoffen wie mit Metallschmelze, Schlac­ ken in metallurgischen Schmelzöfen, mit Silikatmasse in Glasschmelzöfen, mit Wärmeträgerschmelze in Wärmeöfen sowie in allen Fällen mit gasförmigen Produkten beaufschlagt. Es bildet sich ein Bereich mit kompliziertem Gefüge ei­ ner komplizierten chemischen Zusammensetzung heraus, die die Eigenschaften sowohl von Halbleitern, als auch von fe­ sten Elektrolyten aufweisen kann. An verschiedenen Punk­ ten ist die Temperatur in diesem Bereich ungleich, die einen Stellen sind stärker als die anderen erwärmt. Zwi­ schen verschiedenen Abschnitten der Oberflächen entsteht deshalb eine thermoelektromotorische Kraft (Thermo-EMK), die gerade zum Entstehen eines eine verstärkte elektro­ chemische Korrosion des Feuerfeststoffes verursachenden elektrischen Stromes in der Auskleidung führt.

Die Größe und Richtung dieser EMK ist von der che­ mischen Zusammensetzung des mit den im Ofen befindlichen Produkten getränkten Feuerfeststoffes und der Temperatur­ differenz abhängig. Wenn die Temperaturdifferenz gering ist, so kann man E =α Δ T annehmen, worin E Größe der Thermo- EMK zwischen zwei Punkten, Δ T Temperaturdifferenz zwi­ schen diesen Punkten, α gleichbleibender Koeffizient, der die Stoffzusammensetzung berücksichtigt, sind. Beim Ofenbetrieb beträgt die Thermo-EMK üblicherweise 0,5 bis 2,0 V.

Der Mechanismus und die Geschwindigkeit der elektro­ chemischen Korrosion sind verschieden und von der Leit­ fähigkeit des jeweiligen vom elektrischen Strom durchflos­ senen Bereiches abhängig. In der Regel ist die Leitfähig­ keit gemischter Art: Elektronen- und Ionenleitfähigkeit.

Bei der Korrosionsbekämpfung der feuerfesten Ofen­ auskleidung gelangen verschiedene Verfahren zum Einsatz.

Nach einem bekannten Vorschlag (DE-PS 11 98 501) wird mindestens eine Elektrode aus einem beständigen Werk­ stoff ins Schmelzbad getaucht, die zu schützenden Feuerfest­ stoffe auf Zirkonoxidbasis werden mit metallischen Lei­ tern in Berührung gebracht und zwischen diesen Leitern und der ins Schmelzbad eingetauchten Elektrode wird eine kon­ stante elektromotorische Kraft von einer Außenquelle er­ zeugt, so daß im Bad ein von der Elektrode zu den zu schütz­ enden Feuerfeststoffen fließender elektrischer Strom ent­ steht. Die EMK wird geregelt, was einen elektrolytischen Strom von etwa 10 mA/cm² Feuerfeststoff-Flächendichte zur Folge hat. Auf diese Weise wird die Korrosion infolge des durch die chemische Potentialdifferenz zwischen den Schmelz­ stoffen und der Feuerfeststoff-Fläche verursachten Ionenaus­ tausches verzögert.

Diese Lösung ist nur für Feuerfeststoffe auf Zirkonoxidbasis anwendbar. Außerdem gewährleistet diese Lösung keine wesent­ liche Erhöhung der Futterhaltbarkeit, weil nur eine Kor­ rosionsart verzögert wird und sonstige Arten der Korro­ sion nicht beeinflußt werden. Außerdem wird in Glasschmelzöfen die Qualität der Glasmasse wegen ihrer elektrolytischen Zersetzung durch Einwirkung eines Stromes von etwa 10 mA/cm² verschlech­ tert.

Gemäß einer weiteren bekannten Lösung (CS-PS 1 36 876) wird der Korrosionsschutz mit Hilfe von Elektroden im Schmelzbad und leitenden Elementen in einem Übergangsglasurüberzug am Feuerfeststoff durchge­ führt, die an die Gegenpole einer Gleichstromquelle ange­ schlossen sind, wobei die EMK der Quelle derart geregelt wird, daß die Stromdichte an der Berührungsfläche von Schmelze und Feuerfeststoff weniger als 1 mA/cm² beträgt.

Durch diese Lösung kann ebenfalls keine wesentliche Erhöhung der Futterhaltbarkeit gesichert werden, weil da­ bei nur die elektrolytische Korrosion der Arbeitsfläche des Feuerfeststoffes an deren Kontaktstelle mit der Schmel­ ze verzögert wird.

Bekannt ist auch eine Ofenbauart, die die Aufgabe der Erhöhung der Haltbarkeit der feuerfesten Auskleidung löst (SU-Urheberschein 7 33 294).

Der Ofen enthält eine Wanne mit feuerfester Auskleidung für eine Silikat­ schmelze und in der Auskleidung unter- und oberhalb des Spiegels der Schmelze mit Austritt an die Arbeitsfläche angeordnete und jeweils mit Plus- und Minuspol einer Gleichstromquelle verbundene stromführende Elemente.

In dieser Einrichtung wird die Thermo-EMK zwischen verschiedenen Abschnitten der Arbeitsfläche der feuer­ festen Auskleidung ausgeglichen.

Die längs der Oberfläche fließenden Ströme, die die Korrosion des Feuerfeststoffes hervorrufen, werden also vermindert. Es gibt jedoch auch andere Korrosionsmechanismen, deren Bekämpfung damit unmöglich ist, und die Erhöhung der Futterhaltbarkeit erweist sich daher als unzureichend.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen In­ dustrieofen mit einer konstruktiven Ausfüh­ rung und Anordnung der stromleitenden Elemente zu schaf­ fen, die eine lange Beständigkeit der feuerfe­ sten Auskleidung des Ofens sowie eine Steigerung der Ofenleistung durch Verkürzung der reparaturbeding­ ten Stillstandzeiten gewährleistet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Ofen, der eine Wanne mit feuerfester Auskleidung für eine Silikatschmelze und in der Auskleidung unter- und oberhalb des Spiegels der Schmelze mit Austritt an deren Arbeitsfläche angeordnete und jeweils an Gegen­ pole einer Gleichstromquelle angeschlossene stromleiten­ de Elemente enthält, erfindungsgemäß zusätzliche strom­ führende Elemente vorgesehen sind, die im Körper der Auskleidung relativ zu deren Arbeitsfläche versenkt und an die Pole der Stromquelle mit Gegenpolarität in bezug auf den Anschluß der stromleitenden Elemente der jewei­ ligen Arbeitsfläche angeschlossen sind.

Es ist zweckmäßig, wenn unterhalb des Spiegels der Schmelze zumindest drei stromleitende Elemente ange­ ordnet sind, von denen zwei einen Austritt an die Arbeits­ fläche der Auskleidung auf unterschiedlicher Höhe haben, wäh­ rend das dritte dazwischen angeordnete und im Körper der Auskleidung versenkt ist.

Für einen wirkungsvollen Korrosionsschutz der Wannen­ auskleidung ist es wesentlich, wenn die unterhalb des Schmelzspiegels befindlichen stromleitenden Elemente, die einen Austritt an die Arbeitsfläche der Wandausklei­ dung der Wanne haben, in einem dem 0,1- bis 0,2fachen der Dicke der Auskleidung entsprechenden Abstand vom Schmelzspiegel und Wannenboden liegen und wenn im Körper der Auskleidung relativ zu deren Oberfläche versenkte stromleitende Ele­ mente von den erwähnten Elementen im gleichen Ab­ stand entfernt angeordnet sind.

Durch eine derartige Ausführung werden verbesser­ ter Korrosionsschutz der feuerfesten Auskleidung ermöglicht und eine Erhöhung der Haltbarkeit ge­ währleistet.

Das Wesen der Erfindung besteht im folgendem.

Beim Ofenbetrieb entsteht ein starkes Temperatur­ gefälle zwischen der Arbeitsfläche der feuerfesten Aus­ kleidung und dem Innenbereich der Auskleidung. Zwischen der Arbeitsfläche und dem Innenbereich der Auskleidung entsteht deswegen eine Thermo-EMK und, als Folge davon ein elektrischer Strom. Dieser Strom verursacht eine verstärkte elektrochemische Korrosion im Raum des Fut­ ters. was zum Entstehen einer fehlerhaften Struktur in dicken oberflächennahen Schichten und zu einem Festigkeits­ verlust sofort auf die ganze Tiefe führt.

Es wurde nun durch Untersuchungen festgestellt, daß die Volumenkorrosion durch die in der Auskleidung vorhande­ nen, im Körpe der Auskleidung relativ zu ihrer Arbeits­ fläche versenkten und an die Gegenpole einer Stromquelle in bezug auf den Anschluß der stromleitenden Elemente der jeweiligen Arbeitsfläche angeschlossenen zusätzlichen stromleitenden Elemente erheblich geschwächt wird.

Es wurde ferner festgestellt, daß dabei die Ein­ dringtiefe von Schmelze und Schmelz- und Verbrennungspro­ dukten des Brennstoffes in den Feuerfeststoff verringert und der Änderungsvorgang der chemisch-mineralogischen Feuer­ feststoffzusammensetzung und die Bildung einer Zonen­ struktur in der Auskleidungstiefe verzögert wird. Eine fehlerhafte Struktur bildet sich ebenfalls viel lang­ samer heraus. Durch all das bleibt die Festigkeit des Feuerfeststoffes auf hohem Niveau während einer langen Zeit erhalten, das Abspalten des Feuerfeststoffes wird verhindert und eine Dauerhaltbarkeit der Auskleidung ge­ währleistet.

Die mindestens drei vorhandenen, unterhalb des Schmelzspiegels angeordneten stromleitenden Elemente, von denen zwei einen Austritt an die Arbeitsfläche der Aus­ kleidung in unterschiedlicher Höhe haben, und das dritte dazwischen liegt und im Körper der Auskleidung versenkt ist, gestatten es, das elektrische Feld von einer Aus­ senquelle längs der Höhe der Wannenwände zu verteilen und somit die Auskleidung der Wannenwände vollkommen über ihre Höhe gegen Korrosion zu schützen.

Durch die Anordnung der stromleitenden Elemente, die einen Austritt an die Arbeitsfläche der Wandausklei­ dung der Wanne haben, in einem der 0,1- bis 0,2fachen der Dicke der Auskleidung entsprechenden Abstand von dem Schmelzspie­ gel und Wannenboden und der im Körper der Auskleidung relativ zur Arbeitsfläche versenkten stromleiten­ den Elemente im gleichen Abstand von den oben­ erwähnten Elementen bietet sich die Möglichkeit, eine Gestaltung des elektrischen Feldes mit einer Außenquelle zu schaffen, die es gestattet, jene Teile der Wannenwände auf die beste Weise gegen Korrosion zu schützen, die im höchsten Grad korrosionsanfällig sind, und zwar in der Nähe der oberen und unteren Grenze der Schmelze, wo intensive physikalisch-chemische Vorgänge ablaufen. Zugleich wird ein gleichmäßiger Schutz der Wandauskleidung der Wanne über die gesamte Resthöhe ge­ schaffen.

Im ganzen gestattet es die Einrichtung, die Halt­ barkeit der feuerfesten Auskleidung um das 1,5- bis 2fache zu erhöhen. Dadurch steigt die Ofenleistung, weil die Ofenreise länger wird. Die Stillstandzeit, während der die verschlissene Auskleidung ausgewechselt wird, wird kürzer. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, daß eine Modernisierung des Ofens entsprechend der Er­ findung überaus billig ist, weil sie keine Umänderung der Hauptbauarten des Ofens verlangt. Daher sind keine großen Kapitalien erforderlich. Zu gleicher Zeit gehen die Reparaturkosten zurück. Ein weiterer Vorteil besteht im einfachen Betrieb bei dieser Bauart.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden Zeichnungen einer Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung der Beschreibung beigefügt; es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Industrieglas­ schmelzofen mit zusätzlichen stromleitenden Elementen und einen Anschlußplan der Elemente an eine Stromquel­ le;

Fig. 2 dasselbe, wobei zwei Elemente, die unterhalb des Schmelzspiegels angeordnet sind, einen Austritt an die Arbeitsfläche der Aus­ kleidung haben, während das dritte dazwischen liegt und im Körper der Auskleidung versenkt ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Der in Fig. 1, 2 dargestellte Ofen enthält eine durch Wände 2 und einen Herd 3 aus feuerfester Ausklei­ dung gebildete Wanne 1 für eine Glasflußmasse 4, Wände 5 des Ofenoberteils und ein Gewölbe 6, die ebenfalls aus feuerfester Auskleidung bestehen. In der feuerfesten Aus­ kleidung des Gewölbes 6 und der Wände 5 sind oberhalb des Schmelzspiegels stromleitende Elemente 7, die einen Aus­ tritt an die Arbeitsfläche der Auskleidung haben, und zu­ sätzliche, im Körper der Auskleidung relativ zu ihrer Arbeitsfläche versenkte stromleitende Elemente 8 ange­ ordnet. In der Herd- und Wandauskleidung der Wanne 1 sind unterhalb des Schmelzspiegels mindestens drei strom­ leitende Elemente vorgesehen, von denen zwei 7 a einen Austritt an die Arbeitsfläche haben, während ein zusätzli­ ches stromleitendes Element 8 a dazwischen liegt und im Auskleidungskörper versenkt ist.

Sämtliche stromleitende Elemente stellen 1,5 bis 2,0 mm starke Nirosta-Platten dar, wobei diese Elemente aber auch aus anderen bekannten beständigen Werkstof­ fen wie z. B. Platin, Molybdän u. a. hergestellt werden kön­ nen.

Die stromleitenden Elemente 7 a, die einen Austritt an die Arbeitsfläche der Auskleidung der Wände 2 der Wan­ ne 1 haben, sind in einem Abstand von dem Spiegel der Schmelze 4 und dem Boden 3 der Wanne 1 gleich der 0,1- bis 0,2fachen Auskleidungs­ dicke angeordnet, während das strom­ leitende Element 8 a im Körper der Auskleidung relativ zu ihrer Arbeitsfläche versenkt ist und von den obener­ wähnten Elementen 7 a im gleichen Abstand entfernt liegt.

Die Einrichtung enthält ferner eine Gleichstromquel­ le 9 mit einer positiv gepolten Klemme 10 und einer ne­ gativ gepolten Klemme 11. Die stromleitenden Elemente 7 a und 8 sind an die Klemme 10 und die stromleitenden Ele­ mente 7 und 8 a an die Klemme 11 angeschlossen. Der An­ schluß erfolgt mittels Drähte 12.

Der obenbeschriebene Ofen wird wie folgt betrieben.

Während des Schmelzens der Glas­ flußmasse 4 entsteht in der feuerfesten Auskleidung der Wände 2, 5, des Ofenherdes 3 und des Ofengewölbes 6 zwi­ schen der Arbeitsfläche der Auskleidung und ihrem Innen­ bereich eine Thermo-EMK aufgrund der Temperaturdifferenz und Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung, die durch Tränken des Feuerfeststoffes mit Schmelze und in der Ofen­ atmosphäre befindlichen Schmelzprodukten sowie durch Strukturunterschiede von Oberflächen- und Tiefenschich­ ten verursacht ist. Zwischen der Arbeitsfläche der Aus­ kleidung entsteht ober- und unterhalb des Schmelzspiegels ebenfalls eine Thermo-EMK, die in erster Linie durch ei­ nen Unterschied in der chemischen Zusammensetzung der in die­ sen Zonen die Oberfläche der Auskleidung imprägnierenden Ofenprodukte hervorgerufen ist. Dabei ist die Ladung der Oberflächen der Wände 5 und des Gewölbes 6 oberhalb des Schmelzspiegels und die Ladung des Innenbereiches der Auskleidung der Wände 2 unterhalb des Schmelzspiegels positiv, sowohl hinsichtlich der Ladung des Innenbereiches der Wände 5 und des Gewölbes 6 oberhalb des Schmelzspie­ gels als auch hinsichtlich der Ladung der Oberfläche der Wände 2 unterhalb des Schmelzspiegels. Der Wert des Po­ tentialunterschiedes beträgt 0,7 bis 1,0 V.

Wie Fig. 1 und 2 veranschaulichen, liegt eine Span­ nung von 3,0 bis 4,0 V an sämtlichen stromlei­ tenden Elementen 7, 7 a, 8, 8 a von den Klemmen 10 und 11 der Gleichstromquelle 9 mittels Verbindungsdrähten 12 an.

Das elektrische Feld, das dabei durch die strom­ führenden Elemente in der Auskleidung erzeugt wird, ist in allen Auskleidungszonen in bezug auf die Thermo-EMK entgegengesetzt gerichtet.

Dadurch, daß von der Quelle eine die Größe der Ther­ mo-EMK überschreitende Spannung zugeführt wird, erweist sich das durch die stromführenden Elemente erzeugte Feld stark genug, um trotz der diskreten Anordnungsart der stromführenden Elemente in der Auskleidung und einem gewissen Spannungsabfall an den Verbindungsdrähten einen korrosionshervorrufenden Strom zuverlässig zu unterdrüc­ ken. Auf diese Weise wird die Zerstörung der feuerfesten Ofenauskleidung verzögert.

Wie ersichtlich, weist die vorliegende Einrichtung im Vergleich zu den bekannten wesentliche Vorteile auf, da sie es gestattet, die Haltbarkeit der feuerfesten Auskleidung eines Ofens zu erhöhen und dadurch dessen wirtschaftliche Kennzahlen zu verbessern.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Erfindungsgemäß ausgestattete Industrieöfen können auf ver­ schiedenen Gebieten der Technik Verwendung finden. Vor­ zugsweise gelangen sie im Eisen- und Nichteisen­ hüttenwesen sowie beim Glasschmelzen, wo mechanische Span­ nungen und Volumenkorrosion stark sind, zum Einsatz.

Claims (3)

1. Ofen, enthaltend eine Wanne (1) mit feuerfester Auskleidung für eine Schmelze (4) und in der Ausklei­ dung mit Austritt an deren Arbeitsfläche unter- und oberhalb des Spiegels der Schmelze (4) angeordnete und jeweils an Gegenpole einer Gleichstromquelle (9) ange­ schlossene stromleitende Elemente (7) und (7 a), da­ durch gekennzeichnet, daß er zu­ sätzliche stromleitende Elemente (8) und (8 a) enthält, die im Körper der Auskleidung relativ zu ihrer Arbeits­ fläche versenkt und an die Pole der Gleichstromquel­ le (9) mit Gegenpolarität in bezug auf den Anschluß der stromleitenden Elemente (7) und (7 a) der jeweiligen Ar­ beitsfläche angeschlossen sind.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß unterhalb des Spiegels der Schmel­ ze (4) zumindest drei stromführende Elemente (7 a) und (8 a) angeordnet sind, von denen zwei (7 a) einen Aus­ tritt an die Arbeitsfläche der Auskleidung in unterschied­ licher Höhe haben und das dritte (8 a) dazwischen liegt und im Körper der Auskleidung versenkt ist.

3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einen Austritt an die Arbeits­ fläche der Auskleidung der Wände (2) der Wanne (1) be­ sitzenden stromleitenden Elemente (7 a) in einem das 0,1- bis 0,2fache der Auskleidungsdicke betragenden Abstand von dem Spiegel der Schmelze (4) und dem Boden (3) der Wanne (1) liegen und daß das im Körper der Auskleidung relativ zu Arbeitsfläche versenkte stromleitende Element (8 a) von den obenerwähnten Elementen (7 a) im gleichen Ab­ stand entfernt ist.