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Der
Gegenstand der Erfindung ist ein Induktionsofen für die Verbrennung
und Verglasung organischer Stoffe, die Verglasung radioaktiver oder
nicht radioaktiver Abfälle,
die Verglasung gefährlicher
Abfälle
und die Schmelzung refraktärer
Körper.
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Die
Struktur solcher Öfen
umfasst im Wesentlichen eine Sohle aus refraktärem Beton mit Kühlwasserkreisläufen, auf
der eine mit Tiegel bezeichnete Seitenwand errichtet worden ist,
die von einer Induktionsspule umgeben wird, in der ein elektrischer
Strom mit einer Frequenz von mehr als 100 kHz fließt, der
die Quelle der Leistung ist, die im Innern des Tiegels erzeugt wird,
um das in ihm enthaltene Material zu schmelzen. Diese Öfen werden hauptsächlich zur
Verbrennung und Verglasung organischer Stoffe, zur Verglasung radioaktiver
oder nicht radioaktiver Abfälle
und zum Schmelzen refraktärer
Körper
benutzt. Die Industrien, die vor allem auf sie zurückgreifen,
sind die Verarbeitungs- bzw. Aufbereitungsindustrien von Abfällen, eingeschlossen nukleare
und gefährliche
Abfälle,
und die Glasindustrie.
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Die
Seitenwand des Tiegels ist normalerweise aus einem metallischen,
für elektrische
Felder durchlässigen
Material. Sie enthält
einen Kühlkreislauf,
damit erstens die Wand die sehr hohen Temperaturen aushält, die
erreicht werden, um refraktäre Materialien
wie Glas zu schmelzen, und zweitens die elektrische Leistung kompensiert
wird, die als Joulesche Wärme
in die Struktur abgeleitet wird. Ein solcher Tiegel wird "Kalttiegel" genannt. Zudem ist
er normalerweise in vertikale Sektoren unterteilt, die mit ihren
transversalen Seiten aneinander grenzen und dabei ein elektrisch
isolierendes Material einschließen,
um die in der Wand induzierten Ströme zu begrenzen, die zu Wärmeverlusten
und einer elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Induktor und dem
Inhalt des Tiegels führen
würden.
Die vertikalen Sektoren sind angeordnet wie die Dauben eines Fasses.
Der Kühlkreislauf
wird üblicherweise
durch in jedem der Sektoren vorgesehene vertikale Leitungen gebildet.
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Die
Sektoren und die Seitenwand des Tiegels müssen zusammengehalten werden.
Eine erste Einrichtung besteht darin, den Tiegel mit einer kreisrunden
Bandagierung aus Zement oder einem mit Elastomer oder Epoxydharz
imprägnierten
Glasfasergewebe zu umgeben. Ein anderes Mittel, das einen größeren Zusammenhalt
bietet, ist das Zusammenschweißen
der Sektoren auf einem kreisrunden Flansch über dem Induktor, wo die Magnetfeldintensität schwächer ist.
Eine letzte Montageart, die für
die Erfindung bevorzugt wird, besteht darin, die vertikalen Sektoren,
die den Ring bilden, auf einem kreisrunden Flansch über dem
Induktor festzuschrauben. Um den Zusammenbau zu vereinfachen, sind
die Sektoren auf der Ringaußenseite
mit Montagelappen bzw. -einrichtungen ausgestattet.
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Die
den Ring tragende Sohle besteht aus metallischen Kammern, in refraktären Beton
gebettet und von einem Kühlkreislauf
durchquert, oder aus Metallrohren mit diversen Querschnitten (rund,
quadratisch, rechteckig usw.) parallel oder winkel- bzw. zickzackförmig montiert
und in refraktären
Beton gebettet. Die Kammern oder die Rohre sind also durch eine
Dicke refraktären
Betons voneinander getrennt. Eine der Seiten ist so positioniert,
dass sie dem einzuschmelzenden Inhalt des Ofens genau gegenübersteht.
So wie bei den Rohren kann auch die Form der Kammern unterschiedlich
sein: rechtwinklig, dreieckförmig
usw.
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Die
bekannten Tiegel und Sohlen weisen Nachteile auf, die man wie folgt
detaillieren kann. Um sich für
die Verbrennung-Verglasung organischer Stoffe in Glasschmelzbädern oder
das Schmelzen refraktärer
Körper
in Induktionsöfen
zu eignen, sind sehr viel höhere
Frequenzen und Temperaturen als bei anderen Anwendungen notwendig.
Es besteht die Gefahr elektrischer Kurzschlüsse zwischen den metallischen
Elementen, die den Kalttiegel bilden (Sektoren, Flansche), die die
den Kalttiegel tragende Sohle bilden (gekühlte Metallkammern), sowie
zwischen den Elementen des Tiegels und der Sohle. Diese Kurzschlüsse treten
auch dann auf, wenn die elektrischen Isolationen zwischen den Sektoren
des Tiegels und den Kammern der Sohle breit bzw. dick sind.
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Diese
elektrischen Kurzschlüsse
zwischen den Sektoren des Tiegels und den Kammern der Sohle sind
unter anderem möglich
durch das Vorhandensein von Kohlenstoff, der sich bei der Verbrennung
organischer Stoffe auf den Innenwänden niedergeschlagen hat,
oder durch die Bildung von Sulfatinseln auf der Oberfläche der
Glasschmelzbäder,
die in Kontakt kommen mit diversen Sektoren und elektrischen Isolationen
zwischen den Sektoren, oder zum Beispiel aufgrund der Freisetzung
großer
Wassermengen während
des Schmelzens refraktärer Oxide.
Diese Kurzschlüsse
verursachen irreparable Schäden
bei den elektrischen Isolationen zwischen den den Tiegel bildenden
Elementen, bei dem refraktären
Beton zwischen den Kühlungskammern
der Sohle, oder sie durchlöchern
sogar die metallischen Elemente der Sohle und des Tiegels. Diese
elektrischen Kurzschlüsse
stehen auch im Widerspruch zu einer guten Nutzung der Induktionsenergie.
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Das
Dokument JP-A-5 322 451 beschreibt einen Induktionsofen mit einer
Seitenwand, die durch aneinandergrenzende vertikale Sektoren gebildet wird.
Die Oberfläche
der Sektoren, die mit dem Schmelzbad Kontakt hat, ist mit einer
Keramikschicht überzogen.
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Bei
den genannten Anwendungen entstehen korrosive Atmosphären mit
hohen Temperaturen, welche die metallischen Elemente des Ofens,
Tiegel und Sohle, beschädigen,
beziehungsweise zwingen dazu, sie aus Werkstoffen mit hohen elektrischen
Resistivitäten
herzustellen, was hohen elektrischen Verlusten führt.
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Unabhängig von
der Form der Sektoren des Tiegels (parallelflache, T-förmige, dreikantige
Profile) und der Sohle sind scharfe Kanten dieser aneinandergrenzenden
metallischen Elemente Quellen starker Lichtbögen (elektrischer Spitzeneffekt).
Dieses Auftreten von Lichtbögen
wird hauptsächlich
durch eine Betriebsart begünstigt,
bei der mit Frequenzen über
100 kHz gearbeitet wird, zum Beispiel bei den Anwendungen zur Verglasung
und Verarbeitung von Abfällen
in Glasschmelzbädern.
Diese Lichtbögen sind
hochenergetisch und schädigen
die elektrischen Isolationen der Tiegel und auch den Beton der Sohle. Es
sei präzisiert,
dass – wenn
die Sektoren rund oder oval sind –, der genannte Spitzeneffekt
entfällt,
jedoch auf Kosten der Dichtheit des Ofenrings, da die Dicke der
elektrischen Isolation zwischen den Sektoren reduziert wird, woraus
die Probleme des Entweichens von Material und von Gas resultieren,
sobald eine geringe Veränderung
des Isolationsmaterials eintritt.
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Zur
Beseitigung dieser Nachteile schlägt die Erfindung eine neue
Art von Tiegel und von Induktionsofensohle vor, so wie in dem Anspruch
1 definiert.
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Um
das Auftreten von Lichtbögen
zu vermeiden, besteht die gewählte
Lösung
darin, die den Tiegel bildenden metallischen Sektoren und die metallischen
Kammern der Sohle auf einer oder allen Flächen mit einer elektrischen
Isolationsschicht aus Keramik zu überziehen; wenigstens sich
gegenüberstehende
Innen- und Seitenflächen
der Sektoren, um die Lichtbögen
zu vermeiden, oder, je nach chemischen oder elektrischen Aggressionen,
alle Flächen
einschließlich
des Kopfes, des Fußes
und der der Außenseite
des Ofens zugekehrten Seite. Diese Keramiküberzüge werden zusätzlich zu
den elektrischen Isolationen realisiert, die zwischen den Sektoren
des Tiegels und den Kammern der Sohle vorhanden sind und sie ermöglichen
einen perfekten elektrischen Schutz zwischen den verschiedenen metallischen Elementen
des Ofens und sogar zwischen den metallischen Elementen und dem
Schmelze-Überzug.
Zudem sind die derart überzogenen
Tiegelsektoren und Sohlekammern gegen durch Gläser, Gase und verschiedene
Abfälle
verursachte chemische Aggressionen geschützt. Die refraktären keramischen,
perfekt elektrisch isolierenden Überzüge werden
zum Beispiel mittels Acetylenflamme oder Plasmabrenner erzeugt.
Die am häufigsten
aufgespritzten Materialien sind auf der Basis von Aluminiumoxid,
Mullit, Cordierit, Zirkon, Zirkonoxid, Zirkonat und Siliciumcarbid, mit
verschiedenen, mit den elektrischen Einschränkungen kompatiblen Dotierstoffen.
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Wenn
auf einer oder allen Flächen überzogen,
werden die metallischen Kammern in der Sohle angeordnet, umschlossen
von einem elektrisch isolierendes Material wie Beton. Die Sektoren
des Tiegels, auf einer oder allen ihren Flächen mit elektrisch isolierendem
keramischem Material überzogen,
können
dann auf den gekühlten
Flansch montiert und geschraubt werden, der auch mit elektrisch
isolierendem Material überzogen
sein kann. In der Beschreibung der Erfindung wird eine Montage der
Tiegel mittels Schrauben im Detail beschrieben, denn sie ermöglicht,
die Montagespannungen des mechanischen Typs (lokale Drücke) und
des thermischen Typs (wenn es Schweißungen gibt) zu begrenzen, aber
die Erfindung eignet sich auch perfekt für die anderen, im Stand der
Technik im Detail beschriebenen Montagearten.
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In
der Literatur wird empfohlen, die scharten Kanten zu fasen, um eine
Schwächung
und ein Absplittern der keramischen Überzüge zu vermeiden. Zwar begünstigt ein
Abfasen der scharfen Kanten das Überziehen
der Flächen
der Sektoren mit elektrisch isolierender Keramik, jedoch ist es
bei Frequenzen über
100 kHz noch kein ausreichender Schutz gegen das Auftreten von Lichtbögen zwischen
den Sohlekammern und den Sektorenflächen auf der Innenseite des
Tiegels, die sich gegenüber Kohlenstäuben, von
der Verbrennung organischer Stoffe in dem Glasschmelzbad stammend,
oder zu verglasenden Elementen befinden.
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Die
zur Innenseite des Ofens ausgerichteten scharten Kanten müssen mechanisch
bearbeitet werden, um sie mit Rundungen mit Krümmungsradies versehen. Das
Beseitigen der scharfen Kanten mittels mechanischer Bearbeitung
zur Herstellung von Krümmungsradien
betrifft nur die Innenseite des Induktionsofens. Bei den Kanten
auf der Außenseite des
Tiegels genügen
Fasen, ohne obligatorisch zu sein. Die Dimensionierung dieser Krümmungsradien ermöglicht,
die folgenden Funktionalitäten
zu erhalten:
- – Der Krümmungsradius darf nicht klein
sein (unter zum Beispiel 1 mm), um zu vermeiden, dass sich bei einer
Veränderung
der Höhe
des Glasbads in dem freien Spalt zwischen den Sektoren Material
verfängt,
- – wie
bei gewissen im Stand der Technik beschriebenen Konfigurationen
kann man in dem Raum zwischen den Sektoren einen elektrischen Isolator
anbringen, zum Beispiel Mica (Mica-Dicke zwischen 0,1 und 4 mm),
oder die aneinandergrenzenden Elemente ohne zusätzlichen elektrischen Isolator
außer
der Keramikabscheidung montieren. Der Krümmungsradius muss klein sein
(kleiner als 5 mm), um sicher zu sein, dass die gekühlten metallischen
Sektoren nahe genug beieinander sind, um zu vermeiden, dass geschmolzenes Glas
in Kontakt kommt mit dem elektrischen Isolationsmaterial, das sich
in den Zwischenräumen befindet,
da es dieses verschlechtern könnte
und Material von der Innenseite des Tiegels auf die Außenseite
gelangen könnte.
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Die
Erfindung unterscheidet sich in dem genauen Fall der Anwendungen
zur Verbrennung und Verglasung organischer Stoffe, zur Verglasung
von Abfällen
und zum Schmelzen refraktärer
Körper durch
die niedrigen Werte der zwischen dem zu verglasenden Material und
den Wänden
des Ofens ausgetauschten Wärmeflüsse. Zum
Beispiel sind diese Flüsse
um eine Größenordnung
kleiner als in den Metallschmelz-Kalttiegeln mit einem sich von
selbst bzw. automatisch auf der Wand des Ofens ausbildenden festen
und refraktärem
Glastiegel. Unter diesen Bedingungen werden die keramischen Materialien zum
elektrischen Schutz perfekt gekühlt,
was ihre Verschlechterung und ihr Absplittern verhindert und insbesondere
die Verunreinigung des verglasten Stoffs bzw. Materials verhindert.
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In
der Folge werden die Erfindung und alle ihre Aspekte beschrieben,
in Verbindung mit den beigefügten
Figuren:
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die 1 stellt
einen geschweißten
Tiegel nach dem Stand der Technik dar,
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die 2 und 3 stellen
eine Ausführung eines
Tiegels nach der Erfindung dar,
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die 4 und 5 zeigen
die Herstellungsart des Tiegels,
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und
die 6 und 7 zeigen eine erfindungsgemäße Sohle.
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Wie
in der 1 dargestellt, umfasst ein Tiegel eine refraktäre Sohle 1,
eine Seitenwand 2, Sektoren aus korrosionsfreiem Stahl 3,
elektrisch isolierende Zwischenschichten 4 und Induktorwindungen 5.
Die Details der Konstruktion und Anordnung dieser Elemente entsprechen
der vorangehenden Beschreibung. Die Seitenwand 2 ist nur
partiell dargestellt, aber es ist klar, dass sie sich über einen
Kreis oder einen kompletten Umfang erstreckt, wie bei jedem anderen
Tiegel, einschließlich
dem der Erfindung. Jeder der Sektoren 3 ist von einem Kühlkreislauf 6 durchbohrt,
der sich über
quasi seine gesamte Höhe erstreckt
und hier durch ein Paar paralleler vertikaler Kanäle gebildet
wird, die sich im Unterteil der Sektoren 3 vereinigen (ein
einziger dieser Kanäle
ist in geschnittener Darstellung sichtbar). Eingangs- und Ausgangsbohrungen 7 und 8 der
Kühlflüssigkeit
sorgen für
die Kommunikation der Kanäle
mit der Außenseite
des Sektors 3 und sie münden
in den übereinanderliegenden
Sammlern 9 und 10, die zu einem selben Flansch 11 gehören, mit
dem die Sektoren 3 verschweißt sind mittels einer runden
Schweißnaht 12 an
ihrem oberen Außenrand.
Zusätzlich
zu dieser Schweißnaht
ist es möglich,
der Struktur eine Außenbadagierung 13 hinzuzufügen, unter
dem Flansch 11, um den Zusammenhalt der Seitenwand 2 zu
verbessern und die Gasdichtheit sicherzustellen. Die oben erwähnten Nachteile
der beiden Zusammenbauarten der Seitenwand 2 verschwinden
jedoch nicht dadurch, dass man diese Zusammenbauarten kombiniert.
Die Sohle 1 wird durch eine Wasserzirkulation in den Metallkammern
gekühlt,
die hier nicht dargestellt worden sind.
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In
der Folge wird eine Realisierung der Erfindung beschrieben, mit
Bezug auf die 2 und 3.
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Die
Sektoren der Seitenwand tragen das Bezugszeichen 20. Sie
haben dieselbe Form und werden wieder von einem Paar von Kanälen eines
Kühlungskreislaufs 21 durchquert,
dessen Enden durch Rohre 23a und 23b auf der Außenseite
münden (3).
Aber im Gegensatz zu der bekannten Ausführung sind die Sektoren 20 der
Erfindung nicht nackt sondern mit einem Keramiküberzug 22 versehen,
der ausgewählt
werden kann unter den Zusammensetzungen auf der Basis von Aluminiumoxid, Cordierit,
Zirkonen, Zirkonoxiden oder Zirkonaten, wobei verschiedene Additive
hinzugefügt
werden können,
in Abhängigkeit
von den thermischen, chemischen und elektrischen Beanspruchungen,
denen der Tiegel ausgesetzt sein wird. In der 2 ist
ein einziger Sektor 20 mit dem Überzug 22 dargestellt, aber
in der Wirklichkeit weisen ihn alle auf. Auch der Sektor 20 der 3 umfasst
einen Überzug 22,
der aber zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt worden
ist. Es wird empfohlen, wenigstens die Innenfläche 24 der Sektoren 20 zu überziehen,
sowie die Seitenflächen 25 und 26,
welche diejenigen Flächen
sind, die der Korrosion und den Lichtbögen ausgesetzt sind, jedoch
ist es nicht schlecht, und wie hier dargestellt, auch die Außenfläche 27 und
sogar die Ober- und die Unterseite zu überziehen. Da die chemischen
Aggressionen oder die Gefahren von elektrischen Kurzschlüssen, welche
die Anwendung des Überzugs 22 rechtfertigen,
eher von Gasen, die sich über
dem geschmolzenen Material befinden, und den von diesen Gasen mitgeführten Teilchen
als von dem geschmolzenen Material selbst stammen, und eine Funktion
dieser Kalttiegel darin besteht, eine solide Dicke des Inhalts des
Tiegels auf der Seitenwand aufrecht zu erhalten, erstreckt sich
der Überzug 22 bis
zum oberen Ende des Sektors 20. Seine Dicke ist je nach
Anwendung zwischen 50 μm
und 500 μm
enthalten. Eine zusätzliche
Maßnahme
zur Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Lichtbögen sowie
zur Verbesserung der Haftung des Überzugs 22 besteht darin,
die scharfen Kanten zwischen den Flächen 24 bis 27 der
Sektoren 20 zu beseitigen: hier wurden die Kanten 28 und 29 auf
der Innenseite des Ofens (zwischen der Innenfläche 24 und den Seitenflächen 25 und 26)
mit einem Krümmungsradius
gerundet, der von 1 mm bis 5 mm gehen kann, und die anderen Kanten
wie 30 und 31 (zwischen der Außenfläche 27 und den Seitenflächen 25 und 26)
wurden einfach abgefast. Diese letzte Maßnahme dient nur der besseren
Haftung des Überzugs 22 auf
dem Übergang
zwischen den beiden überzogenen Flächen. Die
horizontalen Kanten der Sektoren 20, oben wie unten, können auch
gerundet oder abgefast werden, wenn Lichtbögen mit den benachbarten Elementen
zu befürchten
sind.
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In
der 3 sieht man, dass es keinen Flansch 11 mehr
gibt und dass die Kühlungskreisläufe 21 nicht
mehr mit an den Tiegel angebauten Sammlern wie 9 und 10 verbunden
sind, sondern ganz anders konzipiert sind, wobei die Rohre 23a und 23b sich
nach außen
verlängern.
Die Sektoren 20 umfassen an ihrer Oberseite, über der
Außenfläche 27,
einen Ansatz 32 mit einem nach außen offenen Einschnitt 33.
Ein Ringflansch 34 ruht auf der Gesamtheit der Ansätze 32 und
umfasst Innengewinde 35. In den Innengewinden 35 sitzen
Einschnitte 3 durchquerende Schrauben 36, welche
die Ansätze 32 gegen
den Ringflansch 34 pressen. Auf diese Weise sind die Sektoren 20 befestigt
und bilden eine einzige Einheit. Eine Außenbandagierung 37 kann hinzugefügt werden,
um die Luftdichtheit des Tiegels sicherzustellen und das Ganze noch
fester zu machen, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Sie kann
ein Glasgewebe sein, imprägniert
mit Elastomer oder mit Epoxydharz. Schließlich kann man elektrisch isolierende
Schichten 38, zum Beispiel aus Mica, zwischen den Seitenflächen 25 und 26 benachbarter
Sektoren 20 einfügen.
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Ein Überzug 57 aus
Keramik kann auf dem Flansch 34 vorgesehen werden, vor
allem auf seiner Innenfläche 58,
welche die Ansätze 32 der
Sektoren 20 berührt.
Auch hier ist es nützlich,
die Kanten abzufasen, welche die beiden mit Keramik überzogenen Flächen verbinden.
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Eine
andere Maßnahme,
möglich
gemacht durch den flachen Flansch 34, besteht darin, einen Deckel 39 hinzuzufügen, der
auf ihm ruht und durch Befestigungseinrichtungen 40 mit
Schrauben 41 gehalten wird, die in Gewinden des Flansches 34 sitzen,
um den Inhalt des Tiegels einzuschließen und eine perfekte Dichtheit
sicherzustellen.
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Es
wurde schon erwähnt,
dass die genaue und unveränderbare
Justierung der Sektoren 20 dank des Zusammenbaus mittels
Schrauben und des Ringflansches 34 es ermöglicht,
die Sektoren 20 ohne Risiko mit Keramik zu überziehen.
Es wird nun mit Bezug auf die 4 und 5 ein
Verfahren für den
Zusammenbau der Seitenwand beschrieben, bei dem die Keramik keinen
Beschädigungsgefahren ausgesetzt
ist. Die Sektoren, nachdem sie mit einer an den notwendigen Stellen
ausreichenden Genauigkeit (insbesondere an der auf der Betonsohle 1 ruhenden
Unterseite, an der Oberseite der Ansätze 32 und an den
Seitenflächen 25 und 26)
und durch eine Plasmaabscheidung und eine Schleifmittelpolitur bearbeitet
worden sind, werden – nachdem
sie umgedreht wurden – ohne
Genauigkeit auf den Ringflansch gestellt, dann wird ein konischer
Zentrierkeil 42 auf ihnen angeordnet und Spannringe 43 werden um
sie herum angebracht und gespannt, um sie einander anzunähern, bis
sie alle die konische Flanke des Zentrierkeils 42 berühren. Die
elektrisch isolierenden Schichten 38 sind schon eingefügt worden.
In Abhängigkeit
von der Höhe
des Keils 42 und von der Spannung der Ringe 43 können der
Durchmesser der Seitenwand und ihre Vorspannung eingestellt werden.
Dann werden die Schrauben 36 angezogen, um die Ansätze 32 auf
den unter ihnen befindlichen Ringflansch 34 zu pressen.
Damit ist der Zusammenbau komplett. Die Bandagierung 37 kann
zunächst durch
Wicklungen 371 gebildet werden, die sich zwischen den Spannringen 43 befinden,
dann durch zusätzliche
Wicklungen, wenn die Spannringe 43 entfernt worden sind.
Dieses Anbringen der Bandagierung in zwei Schritten ermöglicht,
die Vorspannung der Seitenwand auch während dem Entfernen der Spannringe 43 aufrecht
zu erhalten.
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Die 6 und 7 zeigen
die Sohle 46 der erfindungsgemäßen Realisierung. Sie umfasst
eine Hauptplatte 47, versehen mit einer zentralen Konkavität, besetzt
durch Kühlungskammern 48.
jede Kammer 48 umfasst eine Eingangsleitung 49 und
eine Ausgangsleitung 50 für Wasser.
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Wie
die Sektoren 20 des Tiegels umfassen auch die Metallkammern 48 keramische Überzüge zum Schutz
gegen chemische und thermische Aggressionen und Lichtbögen. Sie
sind wenigstens auf der Oberseite 51, die mit dem Schmelzbad
Kontakt hat, mit einer Schicht 52 überzogen. Die diese Oberseite 51 abgrenzenden
Kanten 53 sind gerundet, auch sie mit einem Krümmungsradius
von 1 mm bis 5 mm. Die anderen Kanten 56 (vertikal und
die Unterseite 55 abgrenzend) können auch gerundet oder wenigstens
abgefast sein, vor allem dann, wenn die Seitenflächen 54 und die Unterseite 55,
die sie abgrenzen, auch mit Keramik überzogen sind.