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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Schmelzen von Materialien und eine hierfür bestimmte
Vorrichtung und insbesondere ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Schmelzen von Glas, feuerfesten Oxiden, Silikaten
oder anderen im wesentlichen nichtmetallhaltigen
Materialien einschließlich der verschiedenen Chargenmaterialien
für die Herstellung von Steinwolle. Öfen zum Schmelzen
solcher Materialien umfassen die Verwendung von rund,
elliptisch und rechteckig geformten Schmelzschalen und von
Graphit-, Molybdän-, Wolfram- und Zinnoxid-Schmelzelektroden.
Niedertemperaturschmelzen wie Glas können auch
Verbrennungsatmosphären über der Schmelzenoberfläche verwenden.
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Diese Öfen zum Schmelzen von Glas und nichtmetallischen
Oxiden unterscheiden sich darin wesentlich von den
metallurgischen Schmelzöfen, daß sie wenn überhaupt, nur eine im
wesentlichen kleine Schicht aus geschmolzenem Metall unter
der geschmolzenen Schlacken-, Glas- oder Oxidschicht
aufweisen. Somit sind metallurgische Öfen gewöhnlich durch
eine verhältnismäßig dicke Metallschicht gekennzeichnet,
die von einer Schlackenschicht bedeckt ist, welche
verhältnismäßig flach gehalten wird, indem sie häufiger als die
Metallschicht abgezogen wird. Bei diesen metallurgischen
Schmelzöfen wird allgemein darauf Wert gelegt, die Schlacke
so flüssig wie möglich zu halten, um eine wirksame Trennung
von Metallkönig aus der Schlacke zu bewirken und die
Möglichkeit von Schlackenschäumen zu minimieren. So bemüht man
sich umfassend, geeignete Schmelztechniken zu entwickeln,
die Schlacken mit Viskositäten bilden werden, die in
Millipascal-Sekunden (Zentipoise) gemessen werden können, im
Gegensatz zu den nichtmetallurgischen Öfen, in denen
Viskositäten von 0,5 bis 100 Pascal-Sekunden (5 bis 1000 Poise)
für nachfolgende Schmelzeverarbeitungsschritte wie
Fasensierung oder richtige Glaserzeugung erwünscht sind.
Darüberhinaus war es nicht möglich,
einen kontinuierlichen Abzug durch den Boden solcher
metallurgischer Öfen durchzuführen, aufgrund der
Notwendigkeit, einen beträchtlichen Metallsumpf anzusammeln, der
chemisch mit der Schlackenschicht zusammenwirkt.
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Wie oben festgestellt, unterscheiden sich die
nichtmetallurgischen Glas- und Oxidschmelzöfen in großem Maße
hinsichtlich ihrer genauen Schmelzausrüstungen und -verfahren.
Solche Öfen haben aber gemeinsame Nachteile, die umfassen:
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- lange Aufenthaltszeiten der Schmelze im Ofen;
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- verhältnismäßig große Ofengrößen;
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- hohe Energieverluste;
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- selektives Schmelzen von Komponenten unter Bildung
einer ungeschmolzenen Schlacke;
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- die inhomogene Beschaffenheit der entstehenden
Schmelze;
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- das Fehlen von Flexibilität bei schneller
Außerbetriebnahme des Ofens und Verändern der
Schmelzenzusammensetzung.
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Parameter, die die Leistungen von nichtmetallurgischen Öfen
messen, umfassen:
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- Ofenherdbewertungen wie die Anzahl von Quadratmetern
(-fuß) der zum Schmelzen einer Tonne (englischen Tonne
= 1016,05 kg) Einsatz pro Tag benötigten
Herdfläche;
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- Aufenthaltszeit der Schmelze im Ofen;
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- Leistungs- oder Energieverbrauch pro Tonne (englische
Tonne) einer geschmolzenen Charge;
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- Prozent des Wärmewirkungsgrades des Ofens;
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Moderne Glas- und Oxidschmelzöfen weisen gewöhnlich die
folgenden Wertebereiche für diese Parameter auf:
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- 0,2 bis 0,7 m² Herdfläche pro Tonne (2 bis 7 ft² pro
englische Tonne) einer pro Tag geschmolzenen Charge;
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- 3 bis 48 Stunden Aufenthaltszeit der Schmelze im Ofen.
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- 770 bis 1980 KWH pro Tonne (700 bis 1800 KWH (oder
Btu-Entsprechung pro englische Tonne) geschmolzener
Charge.
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- 25 bis 75% thermischer Wirkungsgrad.
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Es wurde festgestellt, daß die Eingangsleistungs- (oder
Eingangsenergie-) Dichte ein die Ofenleistung
beeinflussender Hauptfaktor ist; innerhalb von Grenzwerten gilt, daß je
höher die Leistungsdichte ist, desto wirkungsvoller der
Ofen allgemein sein wird. Die oben aufgeführten
Wirkungsgrade von Glas- und Oxidschmelzöfen wurden erhalten in Öfen
mit Produktionsgrößen bei Leistungs- (oder Energie-)dichten
von 75 bis 215 KW/m² (7 bis 20 KW/ft²) Herdfläche, die
innerhalb der Metallschale des Ofens kombiniert ist (oder der
Außenseite der ziegelauskleidung für Öfen ohne
Metallschalen). Es wurde festgestellt, daß bei Leistungsdichten, die
wesentlich höher als etwa 215 KW/m² (20 KW/ft²) sind,
entweder die Ofenauskleidung sehr schnell erodiert oder die
Kühlung der Metallseitenwand zusammenbricht mit dem
Ergebnis von katastrophalen Ausbrüchen durch die Seitenwand.
Auch können bei Leistungsdichten von 215 bis 265 KW/m² (20
bis 25 KW/ft²) Oxid- oder Glasöfen zum Schäumen neigen, was
einen ungleichmäßigen und diskontinuierlichen Ofenbetrieb
zur Folge hat.
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Für die dickflüssigeren Schmelzen der nichtmetallurgischen
Schmelzöfen scheinen diese Begrenzungen der Leistungsdichte
mit der Art zusammenzuhängen, in der Wärme von der
Energiequelle auf die gesamte Schmelze übertragen wird. Für
Verbrennungsatmosphären muß die Wärme zuerst durch die
Oberflächenschichten der Schmelze eindringen, bevor
wärmeleitende Ströme sie durch das gesamte Schmelzenvolumen tragen
können. Daher können hohe Energiedichten leicht
überschüssige Schmelzenoberflächentemperaturen bewirken, die eine
schnelle Zerstörung des Ziegels an der Schmelzlinie
verursachen. Solche hohen Energiedichten müssen vermieden
werden, um die Notwendigkeit eines vorzeitige Wiederaufbaus
der Schmelzvorrichtung zu verhindern.
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Man nimmt an, daß beim Schmelzen unter Verwendung von
Graphit-, Metall- oder Zinnoxidelektroden die zwischen den
Elektroden erzeugte Wärme über die gesamte Schmelze durch
ein elektromagnetisches Rühren der Schmelze übertragen
wird, dessen Intensität sich bei wachsender Leistungsdichte
erhöht. Bei Glas- oder Oxidschmelzöfen mit Produktionsgröße
übertragen die elektromagnetischen Konvektions-Ströme die
überschüssige Wärme, wenn die Leistungsdichte sich auf über
etwa 215 KW/m² (20 KW/ft²) Herdfläche erhöht, scheinbar
schneller auf die Ziegel- oder Metallseitenwände als auf
die Charge an der Oberfläche. Daher wird die Ziegel- oder
Metallschale vorzeitig schadhaft oder die Schmelze kann in
Folge von lokalem Überhitzen tatsächlich schäumen, da die
erzeugte Wärme nicht schnell über die gesamte Schmelze
abgeleitet werden kann.
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Zur Überwindung dieser Nachteile, insbesondere soweit sie
die der die Größe und den Energieverbrauch betreffen, sind
Plasmaschmelzvorrichtungen vorgeschlagen worden. Diese
verwenden gewöhnlich ein rotierendes Stahlgefäß, in dem das
Schmelzen durch die Verwendung einer nicht übertragenen
Bogenplasmaelektrode erreicht wird, wobei das zugeführte
Material als eine dünne Schicht geschmolzen wird, die
entweder auf einer feuerfest ausgekleideten Wand (die aufgrund
der Intensität der plasmaerhitzten Rauchfahne zum Erodieren
und Verunreinigen des Produkts neigt) oder auf einem Bett
des zugeführten Materials getragen wird.
U.S. Patent Nr. 4545798 beschreibt ein Verfahren und ein
Gerät zum Schmelzen von Glas unter Verwendung einer
Plasmaschmelzvorrichtung, in der das Glas bei einer Temperatur
unter 1315ºC verflüssigt wird und durch einen Ablaß am
Boden des Schmelzgefäßes fließt, wobei das verflüssigte
Material aus dem Gefäß fließen gelassen wird, bevor es
vollständig geschmolzen ist. Zusätzliches Material wird der
Oberfläche zugeführt, um eine im wesentlichen konstante
Schicht des ungeschmolzenen Materials aufrechtzuerhalten,
wodurch die Temperatur des Schmelzgefäßes verhältnismäßig
niedrig gehalten wird und die Notwendigkeit eines
erzwungenen Kühlens des Gefäßes entfällt. Diese Vorrichtung des
Standes der Technik neigt dazu, eine begrenzte
Durchgangsmenge aufzuweisen, kann die Segregationen in dem
zugeführten Material nicht bewältigen und ist nicht sehr effizient
hinsichtlich ihres Energieverbrauchs. US-A-3 917 479
offenbart ein Verfahren zum Schmelzen von Materialien innerhalb
der Metallschale eines Schmelzgefäßes, bei dem das zu
schmelzende Material kontinuierlich einem zwischen zwei
oder mehr Plasmaströmen aufrechterhaltenen Transfer-Bogen
zugeführt wird, das zugeführte Material unter Drehen der
Metallschale des Gefäßes bei einer solchen Geschwindigkeit
geschmolzen wird, daß das geschmolzene Material eine
flüssige Wand bildet, deren Innenfläche sich einem
Rotationsparaboloid annähert, das heißt die parabolische Schicht wird
durch Zentrifugalkraft an ihrem Platz gehalten, und das
geschmolzene Material schließlich aus einer Ausgangsöffnung
abgezogen wird, die im Boden des Gefäßes vorgesehen ist.
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Wir haben jetzt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Schmelzen von Glas, feuerfesten Oxiden, Silikaten,
Keramikmaterialien, Schlacken und Steinwolle-Chargenmaterialien
auf einer kontinuierlichen Basis entwickelt, welches die
Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zum Schmelzen von Materialien bei Leistungsdichten
über 265 KW/m² (25 KW/ft²) pro Fläche innerhalb der
Metallschale eines Schmelzgefäßes mit den Schritten:
kontinuierliches Zuführen des
zu schmelzenden Materials zu einem Plasmabogenofen, der mit
mindestens zwei Transfer-Plasmabogen-Elektroden versehen
ist, die gegenüber der Vertikalen geneigt sind, wobei eine
Plasmabogenelektrode als Kathode und eine
Plasmabogenelektrode als Anode arbeitet, sowie Mitteln zum Drehen
mindestens des das zu schmelzende Material enthaltenden Teils des
Ofens, Schmelzen des zugeführten Materials unter Drehung
mindestens des drehbaren Teils des das zu schmelzende
Material enthaltenden Ofens, um eine Schmelze zu bilden, deren
heißeste flüssige Zone in ihrem Zentrum liegt, wobei die
Plasmabogenelektroden über die Schmelze oder in enger Nähe
zu dieser elektrisch gekoppelt sind, und kontinuierliches
Abziehen eines Stromes von geschmolzenem Material aus der
geschmolzenen Masse desselben durch den rotierenden Boden
des Ofens.
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Bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen sind in
abhängigen Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Wir haben gefunden, daß durch richtiges Koppeln von zwei
oder mehr Plasmabrennern sowohl mit dem zugeführten
Material als auch mit der Schmelzenoberfläche ein
Schmelzenvolumen
mit einer vollkommen anderen Form der
Wärmeverteilung, als sie in den Schmelzvorrichtungen des Standes der
Technik erhalten werden, erzeugt werden kann. Als Ergebnis
hieraus können zum Beispiel praktisch Leistungsdichten im
Bereich von 265 bis 915 KW/m² (25 bis 85 KW/ft²), d. h.
Leistungsdichten wesentlich über 265 KW/m² (25 KW/ft²) der
Herdfläche ohne Seitenwandbeschädigung und ohne Schäumen
oder Dampfen der Schmelzenoberfläche erhalten werden. Das
praktische Ergebnis der Entdeckung besteht in der
Entwicklung von sehr effizienten Schmelzvorrichtungen mit kurzer
Aufenthaltszeit, die leicht außer Betrieb und erneut in
Betrieb genommen werden können, wobei sie eine wichtige
Flexibilität gewährleisten, die in anderen
Schmelzvorrichtungen für Glas oder Oxidschlacken nicht erzielbar sind.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist besonders
geeignet zum Schmelzen von Glas, es kann jedoch zum Schmelzen
von feuerfesten und anderen Materialien wie Zirkonerde,
Tonerde und keramischen Materialien, Schlacken und
Ausgangsmaterial für Steinwolle verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist für kontinuierlichen
Betrieb vorgesehen, wobei das Ausgangsmaterial kontinuierlich
dem Plasmabogenofen zugeführt wird und das geschmolzene
Material kontinuierlich aus dem Ofen abgezogen wird. Die
Plasmabögen werden durch ein System erzeugt, das mindestens
zwei Plasmaelektroden aufweist, von denen mindestens eine
Elektrode als die Anode und eine Elektrode als die Kathode
arbeitet. Bei Verwendung dieser Anordnung von
Plasmaelektroden wird es offensichtlich sein, daß eine elektrische
Rückverbindung nicht benötigt wird, da der Leitungsweg über
die Plasmagase oder durch das geschmolzene Material selbst
verläuft. Dementsprechend treten bei Verwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens keine Verunreinigungsprobleme auf.
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Die Plasmaelektroden sind in einem Winkel zueinander
geneigt, vorzugsweise in einer symmetrischen Anordnung. Die
Plasmaelektroden sind weiter vorzugsweise im Dach des Ofens
angebracht und in einer solchen Weise angeordnet, daß sie
in einem variablen Winkel von der Vertikalen in Richtung
der Oberfläche des geschmolzenen Materials eingeführt oder
von derselben abgezogen werden können. Dies schafft ein
Mittel zum Verändern der Längen, Verteilung und Winkel der
Bögen, das in Verbindung mit der zugeführten Leistung ein
Steuern des Schmelzens und ein Betreiben der Einheiten
unter optimalen Bedingungen zuläßt. Allgemein werden die
Plasmaelektroden beim Ausführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit beiden Bögen von gleicher Länge betrieben, die
auf einer geeigneten Höhe gekoppelt sind, was über das
geschmolzene Material im mittleren Bereich des Ofens erfolgen
kann.
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Das Ausgangsmaterial wird allgemein in den Plasmabogenofen
über eine Öffnung oder ein Zugaberohr eingebracht. Wenn
gewünscht, kann das Ausgangsmaterial in einem geeigneten Gas
mitgeführt werden, um seine Einführung in den Ofen zu
unterstützen.
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Der verbesserte Plasmabogenofen ist aus zwei Teilen
aufgebaut, nämlich einer oberen Schale und einer unteren Schale,
wobei die untere Schale zur Drehung typischerweise bei
einer Geschwindigkeit im Größenbereich von 10 bis 30
Drehungen pro Minute ausgeführt ist, um ein gleichmäßiges
Erwärmen des zugeführten Materials durch die Plasmawärme zu
erhalten.
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Die vorliegende Erfindung wird weiter, um ein Beispiel zu
geben, unter Bezugnahme auf die einzige Figur der
beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, die eine Vorrichtung
zum Schmelzen von Glas oder eines feuerfesten Oxids gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellt.
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Bezugnehmend auf die Zeichnung umfaßt die Vorrichtung einen
Schmelzofen 10, der vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist.
Der Ofen hat einen Durchmesser von ungefähr einem Meter
(drei Fuß) und weist zwei Teile auf, nämlich eine drehbare
untere Schale 11 und eine feste obere Schale 12. Die
drehbare Schale 11 ist mit einem Drehmechanismus verbunden, der
nicht detailiert gezeigt ist. Die feste obere Schale 12 ist
mit einem mittleren Zugabeloch 13 ausgestattet, durch das
das Zugaberohr 14 verläuft. Das Ausgangsmaterial kann in
den Ofen bei einer jeglichen Geschwindigkeit eingebracht
werden, die der Geschwindigkeit angemessen ist, bei der das
Material im Ofen geschmolzen werden kann. Die feste obere
Schale 12 ist weiter mit Zwillingsplasmaelektroden
versehen, wobei die Elektrode 15 als die Anode und die Elektrode
16 als die Kathode arbeiten. Das diesen Elektroden
zugeführte Gas ist vorzugsweise Argon.
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Der Ofen 10 ist mit einer Auslaßöffnung oder einem
Abzugsloch 17 versehen, durch das ein Strom aus geschmolzenem
Material 18 austritt. Das zugeführte Material wird auf einem
Trägerbett aus zugeführtem Material gehalten und diese
"autogene" Auskleidung wird das geschmolzene Produkt nicht
verunreinigen, und es wurde festgestellt, daß sie nützliche
Wärmeisoliereigenschaften besitzt. Es besteht daher sogar
für Materialien mit niedriger Schmelztemperatur, wie
beispielsweise Glas, keine Notwendigkeit, eine feuerfeste
Auskleidung in dem Behälter zu installieren. Abhängig von der
Betriebstemperatur kann es unnötig sein, ihn mit
Wasseroder Druckluftkühlung auszustatten. Die feste obere Schale
12 ist weiter mit einer Öffnung 19 zum Herauslassen der
Abgase versehen.
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Die Höhe der Kombination von fester Schale/drehbarer Schale
ohne Berücksichtigung der Plasmaelektroden 15, 16, des
Zugaberohrs 14, der Abgasleitung 19, etc. beträgt ebenfalls
etwa einen Meter (3 Fuß), wodurch verglichen mit
herkömmlichen Glasschmelzbehältern eine sehr kompakte Einheit
erhalten wird. Diese Einheit ist daher zum Verarbeiten von bis
zu 900 kg (2000 lbs) Glas pro Stunde bei einer zugeführten
Leistung von 600 KW und einer Aufenthaltszeit von etwa vier
Minuten ausgeführt. Durch genaues Messen der Zufuhr und
kräftiges Rühren in der Schmelze wird eine einheitliche
Zusammensetzung erzielt. Die Temperatur des Produktstromes
von der Öffnung ist durch Verändern des Winkels der
Plasmaelektroden steuerbar. Dies sind wichtige Parameter, wenn
der Strom weiter verarbeitet, zum Beispiel faserisiert
werden soll.
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Die Plasmaelektroden sind im Dach der festen Schale 12 in
einem veränderlichen Winkel zueinander und derart
angebracht, daß sie durch nicht gezeigte Mittel in Richtung der
Schmelzenoberfläche eingeführt oder von derselben abgezogen
werden können. Dies schafft ein Mittel zum Verändern der
Längen und der Verteilung der Bögen, was in Verbindung mit
der zugeführten Leistung, ein Steuern des Schmelzens und
ein Betreiben der Einheit unter optimalen Bedingungen
zuläßt. Die feste Schale 12 kann auch durch nicht gezeigte
Mittel angehoben oder abgesenkt werden, um der
Positionierung der Elektroden weitere Flexibilität zu geben.
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Beim Betrieb des für das erfindungsgemäße Verfahren
verwendeten Plasmabogenofens koppeln sich die Plasmabögen durch
die Luft miteinander, wenn sie zuerst gezündet werden,
wobei keine Notwendigkeit besteht, einen jeglichen anderen
Leitungsmechanismus zum Schließen des elektrischen Kreises
einzuführen (zum Beispiel einen Kohlestab), wodurch eine
Verunreinigungsquelle beseitigt wird. Nach Zünden der
Plasmabögen und Schmelzen des zugeführten Materials wird der
elektrische Leitungsweg über die geschmolzene Masse
verlaufen, wodurch eine maximale Energieübertragung für
Heizzwecke sichergestellt wird.
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Das Ausgangsmaterial wird über das Rohr 14 eingeführt, das
so angeordnet ist, daß die Partikel durch die Hochenergie-
Plasmabogen-Kopplungszone 20 in die Schmelze fallen. Wenn
gewünscht, kann das Ausgangsmaterial in einem geeigneten
Gas mitgeführt werden, um seine Einführung in den Ofen 10
zu unterstützen. In diesem Beispiel ist das Zugaberohr 14
umgeben von der Gasauslaßöffnung 19 gezeigt, so daß ein
Teil der in den Abgasen enthaltenen Wärmeenergie auf das
hineinkommende Ausgangsmaterial übertragen wird, wodurch
der Gesamtenergiebedarf verringert wird.
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Die drehbare Schale 11 wird bei einer Geschwindigkeit
gedreht, die typischerweise in der Größenordnung von zehn bis
dreißig Drehungen pro Minute liegt, um die Verteilung von
Wärme über das gesamte geschmolzene Material zu
unterstützen und ein gleichmäßiges Schmelzen des
Ausgangsmaterials zu unterstützen.
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Die Einheit ist zum Arbeiten auf einer kontinuierlichen
Basis ausgeführt, wobei die Ausgangsmaterialeingabe zu jeder
Zeit im wesentlichen gleich der Produktausgabe ist, wobei
zu jeder Zeit eine vorbestimmte Masse in dem Behälter
enthalten ist und verarbeitet wird. Das heißeste (und folglich
die niedrigste Viskosität aufweisende) Material wird sich
in der Mitte des Behälters befinden, wo es abwärts und
schließlich aus der in der Mitte angeordneten Auslaßöffnung
17 fließt, was eine längere Aufenthaltszeit für Material in
den kühleren Bereichen gewährt. Die Temperaturprofile sind
in der Figur gezeigt, wo die Wände der drehbaren Schale 11
durch eine feste Schale 21 aus Ausgangsmaterial geschützt
zu sehen sind. Daneben befindet sich ein Bereich 22 aus
abgeschlackter Schmelze mit der heißesten flüssigen Zone 23
in seiner Mittel. Es ist daher möglich, ein Gleichgewicht
zwischen der Zuführgeschwindigkeit und der zugeführten
Leistung
herzustellen und eine aktive Fusions- oder
Reaktionszone
innerhalb definierter räumlicher Grenzen
aufrechtzuerhalten, wodurch die Größe des Ofens verglichen mit der der
herkömmlichen Glasschmelzbehälter bedeutet verkleinert
werden kann.
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Für manche Schmelzanwendungen ist die Öffnung 17 aus einem
Edelmetall, zum Beispiel Platin hergestellt und es ist
gewöhnliche Praxis, die Öffnung zu erwärmen, um die Bildung
einer kalten Haut auf der Oberfläche des austretenden
geschmolzenen Stroms zu minimieren. Zum Kompensieren
jeglicher Abnutzung, die die Öffnung erhalten kann, kann eine
Nadelanordnung in der Öffnung installiert werden, um ein
Mittel zum Steuern des Auslaßstromes vorzusehen.
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Das System kann zusätzlich durch die Verwendung eines
Strahlungssensors (nicht gezeigt) gesteuert werden, der so
angeordnet ist, daß er die Fließgeschwindigkeit und
Temperatur des Auslaßstroms überwacht, und der mit geeigneten
Schaltsystemen und Mechanismen zum Steuern des Hitzegrades
und der Abzugsgeschwindigkeit aus der Schmelzvorrichtung
verbunden ist.
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Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete
Schmelzvorrichtung kann auch in größeren Dimensionen ausgeführt
werden, mit entsprechender Vergrößerung der
Durchsatzgeschwindigkeiten. Beispiele sind:
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2045 kg/Stunde (4500 lbs/Stunde) Glas durch eine
Schmelzvorrichtung mit einem Durchmesser von 1,4 Metern (4,5 Fuß)
bei einer Strombelastung von 1250 KW.
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3500 kg/Stunde (7700 lbs/Stunde) Glas durch eine
Schmelzvorrichtung mit einem Durchmesser von 1,8 Metern (5,9 Fuß)
bei einer Strombelastung von 2320 KW.
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Aufgrund der einzigartigen räumlichen Kopplung des Plasmas
mit dem zugeführten Material und der Schmelzenoberfläche
zusammen mit einer genauen Steuerung der Temperatur des
Auslaßstroms durch eine Modulierung der Strahiwinkel haben
wir festgestellt, daß es möglich ist, erfolgreich
Leistungsdichten über 265 KW/m² (25 KW/ft²) Herdfläche zu
entwickeln und zu verwenden. Die entsprechenden Parameter der
Ofenleistung für die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendete Schmelzvorrichtung beim Verarbeiten von weichem
Glas sind:
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Herdbewertung: 0,03 m² Herdfläche pro Tonne (0,3 ft²
Herdfläche pro englische Tonne)
geschmolzenes Glas/Tag
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Aufenthaltszeit: .97 Stunden
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Leistungsdichte: 915 KW/m² (85 KW/ft²) Herdfläche
innerhalb Schmelzschale
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Energieverbrauch: 660 KWH/Tonne (600 KWH/englische
Tonne) geschmolzenes Glas
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Wärmewirkungsgrad: 87%
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So liegt Verbesserung um eine Größenordnung hinsichtlich
der Herdbewertungen der Schmelzvorrichtung und um zwei
Größenordnungen hinsichtlich der Aufenthaltszeit der
Schmelze vor. Darüberhinaus wird der Energieverbrauch
wesentlich verringert mit entsprechender Verbesserung des
Wärmewirkungsgrads.
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Durch Veränderung des Abstands zwischen den beiden
Brennern, des Positionswinkels zwischen den beiden Brennern und
des Abstands der beiden Brenner von der Schmelzenoberfläche
wurde die Möglichkeit demonstriert, nicht nur das
Aufprallsteuervolumen
sondern auch das Schnittprofil der Systeme
für niedrige Viskositäten zu verändern.
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So vergrößert sich die Plasmabogen-Auftrefffläche, wenn
sich der Abstand der Plasmabogenbrenner von der
Schmelzenoberfläche vergrößert. Dies hat die Auswirkung, daß die
Profile der Bereiche von geschmolzenem Material 23 mit
niedriger Viskosität und der abgeschlackten Schmelze 22
verändert werden, wobei der Schmelzenbereich mit niedriger
Viskosität breiter aber flacher wird, um ungefähr das
gleiche Gesamtvolumen von geschmolzenem Material für die
gleiche Antriebsleistung der Plasmabogenstrahlen zu gewähren.
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Darüberhinaus haben wir es aufgrund des verhältnismäßig
kleinen Schmelzenvolumens innerhalb der erfindungsgemäßen
Schmelzvorrichtung und der Fähigkeit der variabel geneigten
Plasmabrenner, eine verfestigte Schmelze schnell zu der
Öffnungshöhe zu durchdringen, als möglich befunden, die
erfindungsgemäße Schmelzvorrichtung zu einem jeglichen
gewünschten Zeitpunkt in Betrieb zu setzen und außer Betrieb
zu setzen. Um die Schmelzvorrichtung außer Betrieb zu
setzen, wird der Strom abgeschaltet und die Chargeninjektion
unterbrochen. Der Abzug von der Schmelzvorrichtung kann
fortgesetzt werden oder nicht. Die Schale kühlt sich
schnell ab und innerhalb von 5 bis 10 Minuten kann die
Drehung gestoppt werden und die Schmelzvorrichtung so lange
wie gewünscht unbedient bleiben. Bei erneuter
Inbetriebnahme werden die Brenner mit einem typischen
Positionswinkel zwischen 30 bis 45º zueinander angeordnet und die
Energie wird angelegt. Durch geeignetes Anordnen der Brenner
auf einen Abstand innerhalb ein paar Zoll zueinander ist es
möglich, die Öffnung innerhalb von 10 bis 15 Minuten nach
der Inbetriebnahme auf die Schmelztemperatur zu bringen. Zu
diesem Zeitpunkt werden die Brennerwinkel verkleinert und
die Chargeninjektion wird begonnen. Innerhalb von 20 bis 30
Minuten ist die gesamte Schmelzvorrichtung im
Wärmegleichgewicht und die volle Schmelzgeschwindigkeit wird erhalten.
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Schmelzenzusammensetzungen können in ähnlicher Weise
aufgrund der kleinen Schmelzenvolumen in der
Schmelzvorrichtung schnell wieder verändert werden. Ausgeglichene
Zusammensetzungen werden ungefähr 20 bis 30 Minuten nach
Veränderung der Zusammensetzung erreicht. Es ist weiter möglich,
bei ähnlichen Ergebnissen schnell von feuerfesten
Oxidschmelzen zu glasartigen Schmelzen zu wechseln.