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Verfahren zur Herstellung von flächenhaften Gegenständen. Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flächenhaften Gegenständen aus geschmolzenem
Quarz oder ähnlichen Stoffen mit Hilfe von elektrischen Widerstandsöfen und verfolgt
den Zweck, solche Gegenstände, namentlich Platten, Schalen u. dgl., mit wesentlich
größeren Abmessungen herzustellen, als es auf Grund der bisherigen Verfahren möglich
ist. Alle bisher bekannt gewordenen Verfahren zum Schmelzen von Quarz haben nämlich
den Nachteil gemeinsam, daß die Menge des in einer Schmelze gewinnbaren Schmelzgutes
verhältnismäßig gering ist und daß damit auch nur Gegenstände von verhältnismäßig
kleinen Abmessungen angefertigt werden können. Dieser Nachteil wird durch die Erfindung
beseitigt, und zwar in solch weitgehendem 'Maße, daß dadurch ohne Einbuße der Wirtschaftlichkeit
die Herstellung beliebig großer Gegenstände ermöglicht ist.
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Der Erfindung liegt folgendes bekannte Verfahren zugrunde. In einem
elektrischen Widerstandsofen wird ein stabförmiger Widerstand in den zu schmelzenden
Stoff eingebettet, so daß durch den Heizstrom ein ungefähr zylindrischer, hohler
Schmelzung von der' Länge des Widerstandes erzeugt wird. Ist die.Schmelzung beendet,
so wird der Heizwiderstand rasch aus dem Schmelzung herausgezogen und unmittelbar
anschließend der Schmelzling in einer Presse oder ähnlichen Vorrichtung zusammengepreßt,
so daß der ursprüngliche Hohlraum verschwindet und eine ungefähr rechteckige Platte
entsteht, die gegebenenfalls sogleich weiter zu einem Gebrauchsgegenstand verarbeitet
werden kann. Die auf diese Weise erreichbaren Abmessungen der herzustellenden Quarzgegenstände
sind jedoch für eine große Reihe von Zwecken der Industrie zu klein. Zwar kann man
mit einem größeren Heizwiderstand von größerem Durchmesser auch einen größeren Schmelzung
herstellen, und ebenso kann man durch entsprechende Wahl von Stromstärke und Spannung
und durch die-Dauer der Schmelzung die Wandstärke des Schmelzlings vergrößern; es
ergeben sich' jedoch bald Grenzen, über die hinauszukommen praktisch nicht möglich
ist. Einerseits sind diese Grenzen durch konstruktive Rücksichten bedingt, da beispielsweise,
um eine zu starke Erwärmung der stromzuführenden Elektroden zu verhüten, deren Querschnitt
mindestens etwa zwölfmal so groß als der Querschnitt des Heizwiderstandes sein muß,
also bei einem größeren Querschnitt des Heizwiderstandes für die Elektroden und
die ganzen stromzuführenden Teile unförmliche Abmessungen entstehen. Anderseits
verbietet sehr bald die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens eine weitergehende Vergrößerung
des Heizwiderstandes und damit des Schmelzlings, da die erforderliche Stromstärke
und der Energieverbrauch in wesentlich stärkerem 'Maße steigen -als die 'Menge des
erzeugten Schmelzgutes. Dabei wird die'#Värmeausnutzung immer schlechter, da bei
zunehmender Dicke des Schmelzlings die ganze für die weitere Schmelzung erforderliche
'\Värmemenge durch den bereits geschmolzenen Teil hindurchwandern muß. Außerdem
ist auch die zylindrische Form des erhaltenen Schmelzlings als Ausgangsform zur
Erzeugung von flächenhaften Gegenständen sehr ungünstig, da hierbei eine ganz beträchtliche
Formänderungsarbeit erforderlich ist, die sich bei dem zähen Quarzschmelzgut nicht
beliebig weit treiben läßt. Die Erfindung bildet nun ein Verfahren, das zwar den
gleichen Grundgedanken verwertet wie das geschilderte, nämlich Herstellung von Schmelzungen
mit durch die Heizwiderstände bedingten Hohlräumen, die sogleich nach der Schmelzung
durch Zusammenpressen des Schmelzlings beseitigt werden; sie umgeht jedoch die genannten
Schwierigkeiten und läßt eine beliebig weitgehende flächenhafte Vergrößerung des
erzeugten Schmelzlings zu. Dies wird dadurch erreicht, daß man nicht einen einzelnen
röhrenförmigen Schmelzling, sondern gleichzeitig eine Reihe solcher Schmelzlinge
herstellt, und zwar neben- oder übereinanderliegend mit einem solchen gegenseitigen
Abstande, daß bei den günstigsten Schmelzbedingungen die einzelnen Schmelzlinge
sich
zu einem einheitlichen, zusammenhängenden Schmelzkörper verbinden. Man verwendet
also an Stelle des bisher benutzten einzigen Heizwiderstandes gleichzeitig im selben
Schmelzofen mehrere ungefähr parallel neben-oder übereinander angeordnete Heizwiderstände,
deren gegenseitiger Abstand so gewählt ist, daß beim Schmelzprozeß die Schmelzung
der ganzen zwischen zwei benachbarten Widerständen liegenden Menge des in Frage
kommenden Stoffes -unter wirtschaftlichen Bedingungen möglich ist und auf diese
Weise ein zusammenhängender, plattenförmiger Schmelzling gebildet wird. Dieser Schmelzling
wird sodann entsprechend dem bekannten Verfahren weiterverarbeitet, indem nach beendeter
Schmelzung rasch die sämtlichen Heizwiderstände aus der geschmolzenen blasse herausgezogen
und unmittelbar anschließend die von den Widerständen zurückgebliebenen Hohlräume
durch Pressen, Walzen o. dgl. beseitigt werden. Dabei wird vorteilhafterweise der
zum Schließen der Hohlräume erforderliche Druck gleichzeitig dazu benutzt, die erzeugte
Platte mit Hilfe von geeigneten Matrizen usw. in eine gewünschte Gebrauchsform zu
bringen. Auf diese Weise ist man imstande, massive Platten und plattenförmige Gegenstände,
wie Schalen, Pfannen u. dgl., mit beliebig großen Abmessungen auf sichere und einfache
Weise herzustellen, und zwar mit einem verhältnismäßig geringen Querschnitt der
Heizwiderstände und entsprechend geringem Stromverbrauch. Dabei hat sich durch Versuche
herausgestellt, daß die Menge des erzeugten Schmelzgutes, bezogen auf den einzelnen
Heizwiderstand, im Verhältnis zum Stromverbrauch beträchtlich größer ist als die
entsprechende ,menge bei einem einfachen zylindrischen Schmelzlinge mit demselben
Heizwiderstande. Dies erklärt sich daraus, daß durch das Zusammemvirken von nebeneinanderliegenden
Heizwiderständen eine wesentlich günstigere Wänneausnutzung entsteht als bei einem
einzigen Heizwiderstande, da im einen Falle die zwischen den Widerständen befindlichen
Teile von beiden Seiten Wärme zugeführt erhalten, während im anderen Falle die ganze
erforderliche Wärmemenge nur von einer Seite her zugeführt wird. Man kann infolgedessen
den Abstand zweier benachbarter Heizwiderstände erheblich größer wählen, als der
Stärke des mit einem einzigen Widerstande hergestellten zylindrischen Schmelzlings
entsprechen würde, was eine wesentliche Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
bedeutet.
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Die Anordnung der Heizwiderstände hinsichtlich der Stromführung kann
je nach den besonderen Verhältnissen in verschiedener Weise erfolgen. Es kann sowohl
Parallelschaltung als Reihenschaltung sowie auch eine gemischte Schaltweise der
Widerstände in Frage kommen. Im allgemeinen wird man meist die Reihenschaltung vorziehen,
um nicht zu große Stromstärken zu erhalten. Hierbei ist die vorteilhafteste Anordnung
die, daß die einzelnen Widerstände in der Reihenfolge, in der sie nebeneinanderliegen,
aneinandergeschlossenwerden, so daß für den Strom ein Zickzackweg entsteht. Als
Querschnitt für die einzelnen Heizwiderstände wird in der Regel die runde Form in
Frage kommen; doch steht nichts im Wege, auch andere Querschnittsformen anzuwenden,
soweit bei denselben nicht ein rasches Herausziehen der Widerstände nach der Schmelzung
erschwert ist. Für die Herstellung von dicken Platten kann es mit Rücksicht auf
möglichst geringen Stromverbrauch auch zweckmäßig sein, an Stelle einer Reihe von
verhältnismäßig dicken Widerständen zwei oder mehr Reihen von dünnen Widerständen
übereinander anzuordnen, die ebenfalls sowohl parallel als auch in Reihe oder gemischt
geschaltet sein können.
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Durch das vorliegende neue Verfahren ist man imstande, ohne besondere
Schwierigkeiten plattenförmige Gegenstände aus Quarz oder ähnlichen Stoffen herzustellen,
deren Abmessungen weit über die bisher erreichbaren Grenzen hinausgehen. Während
man bisher an Höchstabmessungen von einigen Dezimetern gebunden war, kann man auf
Grund der Erfindung ohne weiteres Stücke mit ganz beträchtlich größeren Abmessungen
herstellen. Von besonderer Bedeutung ist dies namentlich für die Säureindustrie,
wo das Bedürfnis nach großen Quarzschalen, Quarzpfannen u. dgl. seit langer Zeit
vorliegt, ohne daß bisher die Möglichkeit bestand, es zu befriedigen.
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Ein zur Ausübung des neuen Verfahrens dienender Schmelzofen muß so
eingerichtet sein, daß nach beendeter Schmelzung gleichzeitig alle benutzten Heizwiderstände
rasch aus dem Schmelzgut herausgezogen werden können. Dies kann in ähnlicher, nur
entsprechend erweiterter Form verwirklicht werden, wie dies bei den bekannten Einrichtungen
mit einem einzigen Heizwiderstand bisher geschehen ist. Man wird die nebeneinanderliegenden
Widerstände an ihren Enden auf der einen Seite fest mit den stromzuführenden Elektroden
verbinden und auf der andern Seite nur lose in die Elektroden einstecken oder wenigstens
von außen lösbar daran anschließen. Die fest mit den Widerständen verbundenen Elektroden
werden in einer abnehmbaren Ofenwand gelagert, die in der Längsrichtung der Widerstände
verschiebbar ist, so daß nach erfolgter Schmelzung durch Abziehen dieser Ofenwand
gleichzeitig sämtliche Widerstände aus dem Schmelzling herausgezogen werden. Infolge
der Eigenart des neuen Verfahrens läßt sich ferner bei
der Anordnung
des Schmelzofens ein wesentlicher Vorteil dadurch erzielen, daß man die beiden parallel
zur Fläche der Heizwiderstände verlaufenden Ofenwände einstellbar anordnet in der
Weise, daß ihr Abstand von den Heizwiderständen verändert werden kann. Dadurch hat
man die Möglichkeit, die Dicke des Schmelzlings dem herzustellenden Gegenstande
anpassen zu können. Es versteht sich dabei, daß diese einstellbaren Ofenwände mit
einem geeigneten feuerfesten Stoffe, beispielsweise Graphit, verkleidet sein müssen,
der ein Festbacken des Schmelzlings verhindert. Im übrigen wird man den Schmelzofen
derart bauen, daß ein möglichst rasches Freilegen und Herausnehmen des erzeugten
Schmelzlings stattfinden kann und ihn außerdem in bekannter Weise drehbar anordnen.
Auch kann es unter Umständen mit Rücksicht auf eine leichte Handhabung des Ofens
zweckmäßig sein, Teile, die auf niederer Temperatur bleiben sollen, durch besondere
Hilfsmittel zu kühlen.
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Der Gedanke, zum Schmelzen von Quarz mehrere nebeneinanderliegende
Heizwiderstände zu benutzen, um einen zusammenhängenden Schmelzling zu erzielen,
ist bereits in der englischen Patentschrift 19 574 vom Jahre Z9o2 erwähnt.
Es handelt sich dort jedoch nicht darum, unmittelbar nach der Schmelzung den hohlen
Schmelzling zusammenzupressen, um einen plattenförmigen massiven Körper zu erzeugen,
sondern es ist gerade der umgekehrte Zweck angestrebt, nämlich einen Quarzkörper
mit vorgeschriebenen Hohlräumen herzustellen, und zu diesem Zwecke sind die Anordnung
und die Größe der benutzten Heizwiderstände den zu erzeugenden Hohlräumen angepaßt.
Auch ist in dieser Patentschrift nirgends die Möglichkeit vorgesehen, sogleich nach
der Schmelzung die Heizwiderstände herauszunehmen und den noch heißen Schmelzling
@veiterzubearbeiten; vielmehr soll gerade die: durch die Schmelzung erzielte Form
bewahrt «erden. Man läßt daher dort die hergestellten Gegenstände zusammen mit den
eingeschlossenen Widerständen erkalten, so daß gegebenenfalls nach dem Erkalten
die Widerstände beseitigt werden müssen..
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Auf der Zeichnung ist ein zur Ausübung des neuen Verfahrens dienender
elektrischer Schmelzofen dargestellt. Abb. x zeigt einen Seitenriß des ganzen Ofens,
Abb.2 einen Grundriß desselben, Abb.3 eine Ansicht von der einen Längsseite, alle
drei Abbildungen teilweise im Schnitt; Abb. 4 zeigt die die ausziehbaren Heiz«zderstände
tragende, bewegliehe Längswand des Ofens mit den benachbarten Teilen. Der Schmelzofen
besitzt entsprechend der Form des herzustellenden Schmelzlings im ganzen eine flache,
rechteckige Gestalt. Das äußere Gehäuse des Ofens besteht zunächst aus einer rechteckigen
Bodenplatte a, die mit zwei an deren Schmalseiten sich anschließenden Seitenwänden
a1 des Ofens aus einem Stück besteht. Jede der beiden Seitenwände a1 trägt in ihrer
Mitte einen wagerechten Zapfen b, der in je einem fahrbaren Bock c gelagert ist,
so daß der Ofen sowohl um die durch die beiden Zapfen b bestimmte wagerechte Achse
drehbar als auch in Richtung dieser Achse fahrbar ist. Die Deckplatte des Ofens
besteht aus zwei Hälften dl und d2, die mittels angegossener Augen d3 und d4 um
eine zur Drehachse des Ofens parallele Achse aufklappbar und in der geschlossenen
Lage durch Schrauben a2 mit den Seitenwänden a1 verbunden sind. Innerhalb des Ofengehäuses
befindet sich über der Bodenplatte a eine Reihe von dicht nebeneinanderliegenden
rechteckigen Graphitblöcken e, die mit Hilfe von quer zu ihnen verlaufenden Flacheisen
f zu einer zusammenhängenden ebenen Platte vereinigt sind. Auf der Unterseite dieser
Platte sind mittels der Flacheisen f zugleich eine Anzahl von Schrauben g befestigt,
die durch die Bodenplatte a hindurchgehen und auf der Außenseite je eine mit einem
Handrade hl verbundene Mutter h tragen. Jede dieser Muttern A ist an der
Bodenplatte a drehbar, jedoch achsial unverschiebbar gelagert, so daß damit
die Graphitplatte in ihrer Lage gehalten wird und durch gleichmäßiges Drehen der
Handräder k1 mehr oder weniger hoch über der Bodenplatte a eingestellt werden kann.
In ähnlicher Weise sind auch unter den beiden Hälften dl und d2 der Deckplatte des
Ofens zwei Reihen von Gräphitblöcken e1 angeordnet, die durch Flacheisen f miteinander
verbunden sind und zusammen eine zweite Graphitplatte von derselben Größe wie die
untere ergeben. Die beiden oberen Graphitplattenhälften sind wiederum mit Schrauben
g verbunden und hängen damit in Muttern lt, die in den Deckplattenhälften dl und
d2 drehbar gelagert- sind, so daß auch die beiden oberen Graphitplattenhälften durch
Drehen der entsprechenden Handräder k1 auf einen beliebigen Abstand von der äußeren
Ofenwand und den Widerständen eingestellt werden können. Der zwischen der unteren
und der oberen Graphitplatte verbleibende freie Raum bildet den Schmelzraum des
Ofens, der somit in der Hauptsache von zwei zueinander parallelen, einstellbaren,
feuerfesten Wänden begrenzt ist, so daß durch Verstellen derselben die Dicke des
zu erzeugenden Schmelzlings nach Bedarf gewählt werden kann. Die beiden schmalen
Seitenwände a1 des Ofens sind mit fest angeordneten Graphitblöcken e= verkleidet.
Den Abschluß des Ofengehäuses an der einen Längsseite (in Abb. z auf der linken
Seite) bildet eine um Zapfen il licrabklappbare Wand i, die
durch
eine an der Deckplatte d2 befestigte Schraube i= gehalten wird. Auf der anderen
Längsseite (in Abb. r auf der rechten Seite) ist der Ofen durch eine bewegliche
Wand k verschlossen, die an seitlichen Ansätzen 7z'- je zwei Laufrollen L trägt,
mit Hilfe deren sie auf Schienen a3, die mit der Bodenplatte a aus einem Stück bestehen,
parallel zu sich selbst vom Ofen abgezogen werden kann. In der Versehlußlage wird
die Wand k durch zwei Schrauben k2 gehalten, deren eine an der Bodenplatte a und
deren andere an der Deckplatte dl befestigt ist. Die beiden Längswände
i und k
bilden die Träger für eine Reihe von Graphitelektroden
an, die, je umgeben mit einem Isoliermantel lt, in entsprechende Öffnungen
der beiden Wände i und k eingesetzt. sind und sich dabei auf je eine mit der Wand;
zusammengegossene Rippe i3 bzw. k3 stützen. Die Elektroden an sowie auch
ihre Isoliermäntel n sind parallel zur Bodenfläche des Ofens in der 1litte geteilt
und fassen zwischen ihren beiden Hälften die Enden von runden Graphitstangen o,
die in dem freien Raum zwischen -den beiden den Schmelzraum begrenzenden Graphitplatten,
parallel zu denselben, von der einen Längswand zur andern verlaufen und die Heizwiderstände
bilden. Die Anordnung der Elektroden an und der Heizwiderstände o ist dabei
so getroffen, daß der Heizstrom die einzelnen Heizwiderstände hintereinander in
wechselnder Richtung durchläuft, also einen Zickzackweg ausführt, so daß mit Ausnahme
von zwei in der Wand k gelagerten Elektroden m' und aste, an deren einer ml der
Strom in den. Ofen eintritt und an deren anderer m' er austritt, alle Elektroden
stets zwei benachbarte Enden der Heizwiderstände o leitend miteinander verbinden.
Zur Befestigung der einzelnen Elektroden in ihren Öffnungen ist über denselben an
beiden Längswänden i und k je ein Winkeleisen P angebracht, deren
jedes durch zwei an den Enden angeordnete, leicht lösbare Schrauben q mit der unter
den Elektroden verlaufenden Rippe i3 bzw. k3 (Abb. 4) verschraubt ist. Außerdem
ist in den beiden Winkeleisen P über jeder Elektrode noch eine besondere Stellschraube
r angebracht, durch die jede Elektrode für sich festgeklemmt werden kann. Durch
Anziehen der Schrauben q und der Stellschrauben a# werden zugleich auch die von
den Elektroden gefaßten Heizwiderstände festgehalten. Die Stromzuführung erfolgt
durch zwei Kabel s1 und s2, die an die beiden über die übrigen Elektroden etwas
vorstehenden Elektroden an'
und m2 angeschlossen sind. Die zwischen den einstellbaren
Graphitplatten und den Längswänden i und k verbleibenden Zwischenräume
sind durch fest angeordnete Graphitblöcke e3 ausgefüllt.
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Bei der Benutzung des Schmelzofens wird derselbe zunächst nach Einstellung
der die Dicke des Schmelzlings begrenzenden Wände auf den erforderlichen Abstand
vollständig mit dem zu schmelzenden Sand gefüllt und allseitig geschlossen. Die
die Elektroden und Heizwiderstände festklemmenden Schrauben q und Stellschrauben
r werden festgezogen, so daß an allen Stellen eine gute leitende Verbindung der
einzelnen stromführenden Teile vorhanden ist. Sodann wird der Heizstrom eingeschaltet
und der Ofen während der vor sich gehenden Schmelzung mehrmals um die Zapfen b in
eine wechselnde Stellung gedreht, um einen nach allen Seiten gleichmäßigen Schmelzvorgang
zu erzielen. Ist die Schmelzung beendet, so werden bei wagerechter Stellung des
Ofens die an der Wand i befindlichen beiden Schrauben q gelöst und
damit die Heizwiderstände von der Klemmung mit den sie umfassenden Elektroden befreit,
worauf nach Lösen der Schrauben k2 die Längswand k zusammen mit den sämtlichen in
ihr befestigten Heizwiderständen vom Ofen abgezogen werden kann. Nach Herabklappen
der Längswand i wird sodann der Schmelzung aus dem Ofen herausgenommen und in bekannter
Weise durch Pressen oder Walzen zu einem flachen Körper zusammengepreßt und weiterverarbeitet.