DE69131620T2

DE69131620T2 - Elektroofen

Info

Publication number: DE69131620T2
Application number: DE1991631620
Authority: DE
Inventors: Matthew Simpson
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 2000-05-31
Anticipated expiration: 2011-11-28
Also published as: EP0805326A3; EP0805326A2; DE69131620D1; EP0805326B1

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen Elektroofen, ausgehend vom EP-A-0 151,415.
Elektroöfen werden seit dem 19. Jahrhundert verwendet, um feuerfeste oder reaktive Materialien zu schmelzen. Sie sind heute das gebräuchlichste Mittel zum Schmelzen von praktisch allen Keramiken und allen Materialien mit hohem Schmelzpunkt, die leicht unter Luft reagieren. Die zum Schmelzen von großen Materialmengen bevorzugteste Art von Elektroöfen stellt der Kohlelichtbogenelektroofen mit Kohleelektroden dar, wie in Fig. 1A und 1B gezeigt wird. Die Kohlelichtbogenofenvorrichtung 10 ist einfach aufzubauen und zu betreiben, leidet aber unter dem Nachteil, daß ihre Kohleelektroden 12 in großer Nähe zum Erzeugnis 13 liegen. Diese Nähe der Elektroden bewirkt, daß die Schlacke in die Nähe der Oberfläche des schmelzenden Materials 13 spritzt, und ihre hohe Oxidationstemperatur führt typischerweise zu einer außerordentlichen Abnützung der Elektroden, womit die Betriebskosten erhöht werden und das Erzeugnis manchmal verunreinigt wird. Zum Beispiel können die Kosten der Abnützung der Elektroden während der Herstellung von Zirkondioxid aus Zirkon mehr als 15% der gesamten Herstellungskosten betragen.
Der herkömmliche Plasmalichtbogenofen 15, der in Fig. 1C gezeigt wird, stellt in gewisser Hinsicht eine Verbesserung gegenüber dem Kohlelichtbogenofen dar. Ein Lichtbogen wird zwischen einer sich nicht verbrauchenden Elektrode 16 in einem Plasmabrenner 17 gezündet, bei Beschickung wie zuvor, aber ein Schutzgasstrom 18 über die Elektrode in dem Brenner beseitigt die Abnützungsprobleme des Kohlelichtbogenofens. Der Strom in dem Ofen fließt gewöhnlich durch die Beschickung zu einer Gegenelektrode 19 am Boden. In anderer Hinsicht ähnelt er dem Kohlelichtbogenofen.
EP-A-0 151,415 beschreibt einen Gleichstromlichtbogenofen. Dieser Ofen wird zum Schmelzen von Materialien bei Verwendung einer Lichtbogenelektrode und zumindest einem Kontakt in der Basis des Ofens verwendet. Die Basis und der untere Abschnitt der Seitenwände des Ofens können aus einer Schicht von abwechselnd nicht leitenden und leitenden Ziegeln gebildet werden.
Sowohl der Kohlelichtbogenofen und der herkömmliche Plasmalichtbogenofen weisen keine bevorzugte Formgebung auf, um die Hitze in der Schmelze zurückzuhalten. Wie aus Fig. 1A-C ersehen werden kann, ist der geschmolzene Bereich breit und flach, um das Durchfließen von Strom direkt über die Oberfläche zu einer Seitenwand hin zu verhindern. Diese Formgebung führt zu einem beachtlichen Wärmeverlust; für Materialien mit Schmelzpunkten über ungefähr 2.00 K stellt Strahlung die Hauptursache des Wärmeverlusts dar, daher verliert die obere Oberfläche besonders große Hitzemengen, was zu einem ungünstigen Verhältnis zwischen der anfänglichen Materialbeschickung und der daraus erhaltenen Menge an Schmelze führt.
Ein zweiter Nachteil der herkömmlichen Öfen ist die große Feststoffmenge im Verhältnis zu der darin geschmolzenen Materialmenge. Die Wände dieser Öfen können nicht nahe an die Lichtbogenwärmequelle gebracht werden, da dann die elektrischen Lichtbögen direkt in die Wände zünden könnten.
Ein drittes, mit dem Kohlelichtbogenofen und dem herkömmlichen Plasmalichtbogenofen verbundenes Problem betrifft das Auslassen des geschmolzenen Erzeugnisses. Für Gießvorgänge, die sehr feuerfeste oder reaktive Materialien betreffen, ist es am besten, das Erzeugnis ununterbrochen abzugeben. Das schränkt die Größe, und infolgedessen die Kosten, der Gußstücke und der Bedienungsausstattung ein und erleichtert die Aufgabe, Material von reproduzierbarer Qualität herzustellen. Dieses ununterbrochene Gießen war bisher mit Kohlelichtbogen- oder mit herkömmlichen Plasmaöfen nicht möglich (außer bei Vorgängen von ungewöhnlich großem Maßstab), weil das Erzeugnis in der Abflußeinrichtung, aus der das Ausschütten geschieht, die Neigung zeigt, zu erstarren.
In Anbetracht des oben Gesagten sieht die Erfindung einen verbesserten Elektroofen gemäß des selbständigen Anspruchs 1 vor. Weitere vorteilhafte Merkmale, Gesichtspunkte und Einzelheiten gehen aus den Unteransprüchen, der Beschreibung, den Zeichnungen und den Beispielen hervor.
Der Elektroofen gemäß eines Ausführungsbeispiels ist aus elektrisch isolierten Segmenten aufgebaut, der zum Schmelzen von Materialien, insbesondere Keramiken, mit spezifischen Widerständen, die 10&supmin;¹ Ohm/cm im festen Zustand bei deutlich unter ihren Schmelzpunkten liegenden Temperaturen übersteigen, und mit wesentlich niedrigeren spezifischen Widerständen im flüssigen Zustand, verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung sieht einen Elektro- oder Elektrodenofenentwurf vor, der eine verbesserte Steuerung der Formgebung der Schmelze der Beschickung bietet. Er ist brauchbar zum leistungsfähigen Schmelzen von Materialen, insbesondere Keramiken, wobei in diesem Ofen das Verhältnis vom geschmolzenen zum ungeschmolzenen Material verhältnismäßig groß sein kann. Die Erfindung erlaubt auch den wirksamen Abstich des geschmolzenen feuerfesten Materials aus dem Ofen.
Der Elektroofen umfaßt einen Behälter mit Seitenwänden und einer Basis. Die Seitenwände sind aus elektrisch leitenden Segmenten aufgebaut, die voneinander mittels nicht leitender Segmente isoliert sind. Ein Plasmabrenner liefert dem Ofen den elektrischen Strom und die Wärme. Eine geeignete Wahl der Abmessungen der Segmente erlaubt eine Steuerung der Formgebung der Schmelzenmasse durch das Festlegen des Stromweges innerhalb der Materialbeschickung. Der Strom fließt von der Brennerelektrode durch das Material im Ofen, das zu schmelzen ist, zu einem Bauteil des Ofens hin, wie etwa die Basis oder ein Seitenwandabschnitt, der die entgegengesetzte Polarität zur Brennerelektrode aufweist. Anders als bei Öfen vom Stand der Technik können die geschmolzenen Materialien verhältnismäßig nahe bei den Wänden sein, ohne elektrische Probleme in Kauf zu nehmen. Somit kann der Großteil des Materials im Ofen geschmolzen werden.
Der Ofen der vorliegenden Erfindung ist brauchbar zum Schmelzen von Materialien, wo im festen Zustand der Bereich des spezifischen Widerstandes wesentlich höher liegt als im flüssigen Zustand. Der spezifische Widerstand im festen Zustand muß größer als ungefähr 10&supmin;¹ Ohm/cm bei Raumtemperatur und im flüssigen Zustand wesentlich niedriger, zwischen ungefähr 10&supmin;³ Ohm/cm und ungefähr 10&supmin;² Ohm/cm, sein. Das schließt eine große Vielfalt von keramischen Materialien ein, schließt aber die meisten Metalle aus.
Diese Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1A ist eine Schnittansicht eines Ofens vom Stand der Technik.
Fig. 1B ist ein Grundriß von Fig. 1A.
Fig. 1C ist eine Schnittansicht eines weiteren Ofens vom Stand der Technik.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Ofens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Grundriß des Ofens aus Fig. 2.
Fig. 4A ist ein Seitenriß des Ofentragegestells.
Fig. 4B ist eine Schnittansicht der Befestigungsstelle des Winkeleisenträgers mit der elektrisch isolierten Segmentplatte.
Fig. 4C ist ein Seitenriß einer Stahlplatte des Tragegestells aus Fig. 4A.
Fig. 5 ist ein Grundriß von Fig. 4A.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Ofens aus Fig. 2 und 3.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Ofens nach dieser Erfindung.
Fig. 8 ist ein Grundriß des Ofens aus Fig. 7.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Ofens nach dieser Erfindung.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Ofens nach dieser Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird der Elektroofen der vorliegenden Erfindung in Fig. 2 und 3 allgemein gezeigt. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt der Elektroofen 20 einen Behälter 22 mit Seitenwänden 24, die aus elektrisch leitenden isolierten Segmenten 26 aufgebaut sind, welche voneinander durch elektrisch nicht leitende Abstandhaltersegmente 28 getrennt sind. Die Anzahl der Segmente 26 und 28 hängt von der Größe des Ofens und der zu schmelzenden Materialien in dem Ofen ab. Für Schmelzzwecke ist es wünschenswert, daß die Länge, Breite und Höhe des Ofens ungefähr gleich sind. Die Anordnung der Segmente ist so gewählt, daß sichergestellt wird, daß die Spannung zwischen benachbarten Segmenten klein genug ist, um das Auftreten von Lichtbögen zwischen Segmenten zu verhindern, und dadurch einen Stromweg zu erzeugen, der nicht durch die Schmelze verläuft. Es ist am besten, diese Spannung auf weniger als 50 Volt zu halten. Die Segmente sind somit, falls Materialien mit hohem spezifischen Widerstand geschmolzen werden sollen, kürzer, als wenn Materialien von niedrigem spezifischen Widerstand geschmolzen werden. Auf ähnliche Weise haben größere Öfen längere Segmente als kleinere. Die Segmente werden vorzugsweise so angeordnet, daß Äquipotentialflächen in der Schmelze in ungefähr derselben Ebene wie die isolierenden Segmente liegen. Das hilft sicherzustellen, daß die Spannung an dem Segment unabhängig von der Beschickung des Schmelztiegels annähernd konstant bleibt. Die Seitenwände sind mit einer Basis 30 verbunden, die auch von den Seitenwandsegmenten 26 durch ein nicht leitendes Abstandhaltersegment 28 getrennt ist. Obwohl als zylindrischer Behälter dargestellt, kann der Ofen eine andere geeignete Gestalt aufweisen. Es wird hier die Verwendung eines Ofens mit im allgemeinen zylindrischen inneren Abmessungen und im wesentlichen rechteckigen äußeren Abmessungen bevorzugt. Der Elektroofen umfaßt ebenso einen Plasmabrenner 34, der dem Ofen den elektrischen Strom und die Hitze liefert, um das Material in dem Ofen zu schmelzen. Wie dargestellt, weist der Plasmabrenner eine negative Elektrode auf, während die Basis 30 die Anode darstellt. Der Plasmabrenner könnte jedoch die Anode mit der Basis 30 als Kathode darstellen. Um den Seitenwänden Stützen hinzuzufügen, kann ein herkömmlicher Trageaufbau verwendet werden. Der besondere Trageaufbau, der verwendet wird, hängt von der Außenform des Ofens ab. Aus Gründen der Darstellung zeigen Fig. 4A-C und 5 einen typischen Trageaufbau für einen Ofen der vorliegenden Erfindung mit im wesentlichen zylindrischen inneren Abmessungen und im wesentlichen rechtwinkeligen äußeren Abmessungen. Wie in Fig. 4A-C und 5 gezeigt wird, umfaßt der Trageaufbau Stahlplatten 130, die sich um zwei Seiten des Ofens herum erstrecken. Die Stahlplatten tragen Winkeleisenklammern 134, die an Platten 136 der isolierten leitenden Metallsegmente 138 angebracht sind. Wie aus Fig. 4B am besten hervorgeht, sind die Winkeleisenträger 134 mit Hilfe einer Mutter 140 und einer Schraube 142 befestigt. Ein isolierendes Abstandstück 144 zwischen der Schraube und der Platte 136 wird gemeinsam mit Kunststoffabstandstücken wie etwa Phenolabstandstücken 146 verwendet. Ein Isolierpulver 147 wie etwa das zu schmelzende Material kann verwendet werden, um die Hitze von den Abstandstücken 146 abzuhalten. Wie gezeigt wird, gibt es mehrfache Anbringungsstellen für die Winkeleisen 134 an die Platten 136 um den Umfang des Ofens herum. Fig. 5 zeigt 8 Anbringungsstellen der Schrauben 142. Die Winkeleisenträger werden vorzugsweise mit Schrauben und Muttern an den Stahlplatten angebracht (nicht gezeigt).
Fig. 4C zeigt eine typische Stahlplatte 130, die an den beiden Seiten des Ofens angeordnet ist, mit vorstehenden Teilen 148, an denen Achsbolzen 152 befestigt sind. Wie aus Fig. 4C am besten hervorgeht, erstrecken sich die hervorstehenden Teile 148 über die Vorderseite des Ofens heraus. Jeder Achsbolzen 152 ist mittels geeigneter Vorrichtungen an Ofenkippmotoren 156 befestigt. Die Ofenkippmotoren stehen auf dem Ofenrahmen und tragen den Ofen über Achsbolzen 152. Auch wenn es nicht notwendig ist, ist es wünschenswert, Gegengewichte 158 zu jeder der Seitenstahlplatten 130 zu befestigen, um den Ofenaufbau während eines Kippvorgangs auszubalancieren.
Im Betrieb arbeiten die Ofenkippmotoren mit zugehörigen Vorrichtungen zusammen, um das hintere Ende des Ofens aufwärts zu drehen, wodurch die Ausgußeinrichtung 160 (nur gezeigt in Fig. 5) nach unten gekippt wird. Ein derartiger Kippvorgang ist eine Möglichkeit, das Erzeugnis aus dem Ofen zu entfernen.
Es können herkömmliche Plasmabrenner verwendet werden, die Bauarten angehören, die zum Schmelzen von Metallen verwendet werden. Das in dem Brenner verwendete Gas kann irgendeines sein, das einen ruhigen Betrieb des Brenners gewährleistet, ohne das zu schmelzende Erzeugnis zu verunreinigen. Wie es für das Schmelzen von Metallen der Fall ist, ist Argon geeignet, obwohl andere geeignete Gase Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Luft und Kohlenoxide, entweder getrennt oder in Mischungen, je nach dem Wesen der zu schmelzenden speziellen Materialien, umfassen. Wieder ist, was das Schmelzen von Metallen angeht, die Temperatur des Plasmas vorzugsweise so hoch wie möglich, sie darf aber den verläßlichen Betrieb des Brenners nicht beeinträchtigen. Diese Temperatur ändert sich je nach dem gewählten Gas. Für Argon kann die Temperatur ungefähr 15.000 bis 20.000 K betragen, während sie für Wasserstoff nur ungefähr 8.000 K betragen kann.
Die elektrisch isolierten Segmente 26 können aus jedem geeigneten Material aufgebaut sein, das bei Temperaturen, bei denen der Ofen betrieben wird, bei einem angemessenen Abkühlen nicht schmilzt. Während hier Kupfer bevorzugt wird, können Messing, Bronze und Stahl oder Aluminium ebenso verwendet werden. Obwohl es nicht dargestellt wird, können die Segmente 26 durch jedes geeignete Mittel gekühlt werden, einschließlich dem Durchleiten einer Kühlflüssigkeit wie etwa Wasser durch die Segmentwände. Die Zwischenräume zwischen den elektrisch isolierten Segmenten 26 werden durch Verwendung von nicht leitenden Abstandhaltern 28 beibehalten. Der Befestigungsrahmen 32 neigt dazu, die Segmente zusammenzudrücken. Wenn die Abstandstücke weit weg von der Innenwand des Ofens sind, können sie aus Kunststoff gemacht sein, wobei Fluorpolymere, Phenol- oder Silikonmatrixverbindungen geeignet sind. Die genaue mechanische Einrichtung des Ofens bestimmt, welcher der geeignetste ist.
Im allgemeinen belegen die Abstandhalter 28 nicht die gesamte Lücke zwischen den Segmenten. Die Zwischenräume (nicht gezeigt) zwischen den Abstandstücken 28 werden vorteilhafterweise mit Pulver gefüllt. Es spricht dafür, Pulver von derselben Zusammensetzung wie das in dem Ofen zu schmelzende Material zu verwenden. Bevorzugterweise wird dieses Pulver in die Zwischenräume gepackt, bevor die Beschickung in den Ofen kommt.
Die Basis 30 ist vorzugsweise aus Kupfer aufgebaut, wobei seine obere Oberfläche mit Silber überzogen ist. Wenn die Basis 30 die Kathode ist, kann auf den Schutzüberzug aus Silber verzichtet werden, da die Basis weniger dem Angriff des zu schmelzenden Materials ausgesetzt ist, als wenn die Basis die Anode ist. Andere geeignete Materialien zum Gebrauch bei der Herstellung der Basis beinhalten Stahl, Bronze und Aluminium. Die Basis muß nicht im selben Ausmaß gekühlt werden wie die Seiten, wenn beabsichtigt wird, daß die Basis während des Betriebs teilweise schmilzt. Das vereinfacht den Aufbau der Basis, aber kann zur Verunreinigung des Erzeugnisses mit dem Basismetall führen. Dieses Problem ist besonders akut, wenn die positive Seite der Stromversorgung mit der Basis verbunden ist. Eine alternative Art, die Basis vor Abnützung zu schützen, ist, eine Schicht von Kohlenstaub an der Oberseite der Metallbasis zu verwenden. Die geschmolzene Flüssigkeit kommt dann nur mit dem Kohlenstoff in Berührung und greift die Basis in der Folge nicht an. Der Kohlenstoff verschwindet nach und nach in der Schmelze und kann durch ein Gas wie etwa Methan, das durch die Basis in die Schicht aus Kohlenstaub eingeleitet wird, ersetzt werden, das sich unter Freigabe von Kohlenstoff bei Erhitzen zersetzt. Das Gas zersetzt sich in der Hitze des Ofens, wobei Kohlenstoff zurückgelassen wird, womit der an die Schmelze verloren gegangene Kohlenstoff ersetzt wird.
Der Elektroofen ist besonders brauchbar beim Schmelzen von Materialien mit einem spezifischen Widerstand in ihrem festen Zustand von mehr als ungefähr 10³ Ohm/cm bei Raumtemperatur, und mit einem spezifischen Widerstand im flüssigen Zustand von mehr als ungefähr 10&supmin;³ Ohm/cm und weniger als ungefähr 10³ Ohm/cm.
Die Einschränkung auf einen spezifischen Mindestwiderstand des Feststoffs ist notwendig, um sicherzustellen, daß der Strom größtenteils durch die Flüssigkeit fließt. Der Höchstwert des spezifischen Widerstandes der Flüssigkeit wird angegeben, weil es bei höheren Werten zu schwierig wäre, den Strom durch die Flüssigkeit zu bringen. Der Mindestwert wird definiert, weil das Volumen der Flüssigkeit zu klein wäre. Materialien, die in dieser Beschreibung vorkommen, beinhalten im wesentlichen sowohl alle keramischen Oxide als auch die meisten keramischen Halogenide und einige Sulfide und Boride. Spezielle Materialien beinhalten Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Yttrium- oder Seltenerdenoxide, Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Aluminiumsulfid, Seltenerdenfluoride oder -chloride, die wahlweise mit Seltenerdenoxiden oder anderen Halogeniden gemischt sind, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid, das mit genügend Oxid gemischt ist, um eine Schmelze zu erzeugen, Bor, Feststofflösungen auf Borgrundlage, und dergleichen.
Im Betrieb fließt der Strom vom Plasmabrenner in Richtung der Pfeile 36 durch das zu schmelzende Material zur Basis 30, wobei er der Seitenwand 24 ausweicht, teilweise wegen der elektrisch isolierten Segmente 26, die das Fließen des elektrischen Stroms verhindern. Die Segmente lassen es in der Tat zu, daß der spezifische Widerstand des geschmolzenen Materials einen Spannungsabfall aufbaut, der zwischen dem Plasmabrenner und der Basis 30 mit größerer Linearität gerichtet ist, als wenn, wie bei Anordnungen vom Stand der Technik, die Ofenwände alle auf gleichem Potential lägen. Das hat zur Folge, daß ein verhältnismäßig großer Anteil des Materials in einen flüssigen Zustand 38 geschmolzen wird, wobei nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil im festen Zustand 39 ungeschmolzen bleibt. Das steht im Gegensatz zu Öfen vom Stand der Technik, wie in Fig. 1A-C gezeigt, bei denen der Strom in Richtung des Plasmagases 18 und dann die Seitenwände hinunter und zur Gegenelektrode 19 fließt, wobei er am Großteil des Materials, das im Ofen zu verarbeiten ist, vorbeifließt. Während des Schmelzens wird das Material meistens bis auf einige hundert Grad C über seinen Schmelzpunkt hinaus aufgeheizt, weil das Vorhandensein von ungeschmolzenem Material an den Ofenwänden in der Nähe des isolierenden Zwischenraums für den Betrieb der Vorrichtung wesentlich ist. Die Zeit, nach der das Schmelzen eintritt, hängt nur von der dem Ofen zugeführten Leistung ab, aber es ist von Vorteil, die Beschickung in Perioden zu schmelzen, die kürzer als ungefähr eine Minute sind, wegen der Gefahr einer Explosion, die von Restwasser, das im Füllmaterial vorhanden ist, ausgeht.
Nachdem das Material geschmolzen ist, wird es aus dem Ofen entweder durch Anstechen des Ofens oder durch Bohren eines Loches in oder in der Nähe des Bodens des Ofens entfernt. Das ungeschmolzene Material kann entweder entsorgt oder wiederverwendet werden, wenn ein weiterer Durchgang desselben Materials zu verarbeiten ist.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in jeder Hinsicht der Ausführungsform aus Fig. 2 und 3 mit Ausnahme der Ausgußeinrichtung 40 gleicht. Demgemäß haben gleiche Teile dieselben Bezugsnummern. Wie gezeigt wird, umfaßt die Ausgußeinrichtung 40 ein elektrisch isolierendes Segment 42 und nicht leitende Abstandhaltesegmente 44 und eine Verschlußelektrode 46. Die Segmente 42 und 44 können aus denselben Materialien aufgebaut sein wie die Materialien, die zur Herstellung der Bauteile 26 und 28 verwendet werden. Die Verschlußelektrode wird vorzugsweise an einem Arm (nicht gezeigt) befestigt, damit sie aus dem Weg herausgeschwenkt werden kann, wenn der Anstich durchgeführt werden soll. Der Verschluß wird vorzugsweise aus Graphit aufgebaut, obwohl wassergekühlte Metalle wie etwa Kupfer oder Silber oder Metall auch geeignet wären. Vorausgesetzt, daß die Ofenatmosphäre sauerstofffrei ist, können ungekühlte Metalle wie etwa Wolfram oder Molybdän auch verwendet werden. Der Verschluß 46 nimmt die Stelle der Basis 30 in den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 als Elektrode ein und kann entweder die Kathode (nicht gezeigt) oder die Anode (wie gezeigt) je nach Polarität des Plasmabrenners darstellen. Wie gezeigt wird, fließt der Strom vom Plasmabrenner zum Verschluß, wobei er eine Flüssigkeitsansammlung bildet, die aus der Ausgußeinrichtung 40 fließen kann, wenn der Verschluß 46 abgenommen wird. Das Fließen der Flüssigkeit kann durch das Wiederanbringen des Verschlusses 46 abgestellt werden. Diese Ausführungsform sieht eine leichte und wirksame Art vor, das flüssige Erzeugnis aus dem Ofen zu entfernen.
Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 7 und 8 gezeigt. Der Elektroofen 50 umfaßt einen rechteckigen Behälter 52 mit Seitenwänden 54 und einer Basis 56. Die Seitenwände umfassen elektrisch isolierte Segmente 58 mit nicht leitenden Abstandhaltersegmenten 60, die zwischen jeder der Seitenwände 54 und der Basis 56 angeordnet sind. Obwohl nicht gezeigt, können die Seitenwände 54 durch das Durchleiten einer Flüssigkeit wie etwa. Wasser gekühlt werden. Die Segmente 58 und 60 können aus denselben Materialien wie die Segmente 26 und 28 der Ausführungsbeispiele aus Fig. 2 und 3 aufgebaut sein. Die Größe der Segmente wird durch die benötigte Ofenkapazität und durch die Anforderung bestimmt, daß die Spannung zwischen den Segmenten nicht zu hoch werden soll. Manchmal kann es wünschenswert sein, die Segmente 26 und 28 in kleinere isolierte Segmente zu unterteilen, um die Spannung zwischen Segmenten zu verringern. Die Basis 56 wird ebenso aus demselben Material wie die Basis 30 des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2 und 3 aufgebaut.
Ein Plasmabrenner 62 ist in der Nähe einer Kante der Seitenwand 54, die als Vorderseite 55 bezeichnet wird, angeordnet. Der Strom von dem Brenner fließt in das zu verarbeitende Material in der Nähe der Vorderfläche 55 und über die Seitenwand der Rückfläche 57 in der Richtung der Pfeile 64, wobei er das Material im Bereich 66 schmilzt, während er das Material im Bereich 68 in einem ungeschmolzenen oder verfestigten Zustand zurückläßt. Wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, ist die Brennerelektrode negativ, während die Rückfläche 57 die Anode darstellt, obwohl die Polarität umgekehrt werden kann. Auch wenn es nicht gezeigt wird, kann eine Abflußeinrichtung in der Vorderfläche eingebaut sein, um das Entleeren des geschmolzenen Materials zu ermöglichen.

BEISPIEL 1

Der in Fig. 9 gezeigte Ofen 70 wurde aufgebaut. Sein Innendurchmesser betrug 25 cm, die Höhe jedes wassergekühlten Kupfersegments 72 betrug 10 cm, und die Lücke zwischen den Segmenten betrug 0,6 cm, die bei Verwendung von Kunststoffabstandhaltern 74 aus Bornitrid und Phenol eingestellt worden ist. Die wassergekühlte Basis 76 wies eine Kohlenstaubschicht 78 mit ungefähr 2 cm Dicke an ihrer Oberseite auf.
Der Plasmabrenner 80, ein herkömmliches 2000-A-Gerät mit einer Wolframkathode (Modell TA-2000 von Plasma Materials Inc.) wurde an eine 300 V bei Leerlauf, 1800 A Gleichstromversorgung angeschlossen. Argongas wurde mit einer Rate von ungefähr 0,6 Liter pro Minute durch den Brenner geleitet. Ein Lichtbogen wurde auf die Graphitstaubschicht hin gezündet und Füllmaterial aus ZrO&sub2; - 3 Gew.-% CaO wurde mit einer Rate hinzugefügt, die ausreichte, um den Ofen in ungefähr 30 Minuten zu füllen. Der Strom wurde bei ungefähr 800 A gehalten, während die Spannung ungefähr 150 V betrug. Nachdem der Ofen gefüllt war, wurde die Leistung ungefähr 10 Minuten lang eingeschaltet gelassen, um zu den Wänden hin auszuschmelzen, wodurch eine flüssige Schmelze 82 gebildet wurde. Danach wurde der Ofen durch eine Graphitausflußeinrichtung 81 abgestochen. Eine optische Prüfung des Ofens nach dem Abstich wies darauf hin, daß das Schmelzen auf innerhalb ungefähr 5 cm zu den Wänden hin über beinahe die gesamte Länge des Ofens fortgeschritten ist.

BEISPIEL 2

Dieses Beispiel zeigt, wie ein Ofen, der ein feuerfestes Material mit einem geeigneten spezifischen Widerstand schmilzt, vom Boden aus angestochen werden kann, ohne aggressive mechanische Verfahren zu verwenden, sondern vielmehr mit einer in Segmente unterteilten Ausgußeinrichtung, die verwendet werden kann, um ein kleines Loch in dem Ofenboden zu halten. In der gewöhnlichen Praxis werden Löcher unter Verwendung von Wärmelanzen oder Schußvorrichtungen bei Bedarf geöffnet.
Die in Fig. 10 gezeigte Ausgangsanordnung wurde auf Grundlage eines Ofens aufgebaut, der dem in Fig. 9 gezeigten ähnelt, außer daß der Ofen 108 10 cm Durchmesser und 10 cm Höhe aufwies. Der Ofen war aus wassergekühlten Kupfersegmenten 110 aufgebaut, die von der wassergekühlten Kupferbasis 112 durch isolierende Abstandstücke 114 aus Phenolkunststoff abgesetzt waren. Die segmentierte Ausgußeinrichtung 116 wurde aus wassergekühlten Kupfersegmenten 118 aufgebaut, die voneinander durch isolierende Abstandstücke 120 aus Azetonkunststoff abgesetzt waren. Das Mittelloch 121 in der Anordnung wies ungefähr 5 mm Durchmesser auf.
Vor dem Beschicken des Ofens wurde ein Stück Graphitschnur (nicht gezeigt) durch das Ausflußloch 124 bis zu einem Graphitblock (nicht gezeigt), der gegen das wassergekühlte Segment 118 am Boden hochgehalten wurde, gezogen. Der Ofen wurde mit zerkleinerten Keramikteilen der Zusammensetzung Al&sub2;O&sub3; - 40 Gew.-% ZrO&sub2; auf ungefähr 2/3 seiner Tiefe befüllt. Eine Stromversorgung wurde zwischen die Kathode eines Standard-1000-A-Schmelzbrenners 123 (Plasma Materials Modell ATA 1000) und der wassergekühlten Anodenplatte am Ofenboden, und eine weitere zwischen der Kathode und dem untersten wassergekühlten Abstandstück angeschlossen.
Ein Lichtbogen wurde zwischen dem Plasmabrenner 123 und dem Ofen gezündet. Der Strom zur wassergekühlten Platte wurde auf ungefähr 100 A und der Strom zur unteren wassergekühlten Basis 112 auf ungefähr 40 A eingestellt. Die Beschickung in dem Ofen konnte dann ungefähr 10 Minuten lang schmelzen, um eine Flüssigkeitsansammlung 122 zu bilden. Es ist anzunehmen, daß in ungefähr den ersten 30 Sekunden dieser Dauer die Graphitschnur vollständig weggebrannt ist, aber es dauerte lange genug, die Keramik in dessen Nähe zu schmelzen, um einen leitenden Weg von flüssiger Keramik zum Bodenabstandstück aufzubauen. Als das Material in dem Stahltiegel ausgeschmolzen war, so daß die Flüssigkeit an der Oberseite innerhalb ungefähr 25 mm von den Wänden war, wurde der Graphitpfropfen an der Ofenbasis plötzlich entfernt und der Ofen rann durch das Loch 124 aus.

Claims

1. Elektroofen (20, 50, 70, 90, 108) zur Verwendung beim Schmelzen von Materialien mit einem Behälter (22, 52) mit mindestens einer Seitenwand (24), welche an einem Basiselement (30, 56, 76, 112) angebracht ist, um einen Behälterhohlraum auszubilden, und einem Plasmabrenner (34, 62, 80, 98, 100, 123) zum Schmelzen von Materialien indem Behälter (22, 52), dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Seitenwand (24, 54) aus mindestens einem horizontal angeordneten elektrisch leitenden Segment (26, 58, 72, 92, 110) und mindestens einem horizontal angeordneten elektrisch nichtleitenden Segment (28, 60, 74, 93, 114) aufgebaut ist, so daß im Betrieb Strom von dem Plasmabrenner (34, 62, 80, 98, 100, 123) über dem zu schmelzenden Material durch den Hohlraum und das darin enthaltene Material zu dem Bereich des Behälters mit entgegengesetzter Polarität im Vergleich zu dem Plasmabrenner (34, 62, 80, 98, 100, 123) fließt, wobei bei einer ersten Alternative das mindestens eine elektrisch leitende Segment durch das eine elektrisch nichtleitende Segment zwischen dem Basiselement und dem elektrisch leitenden Segment isoliert ist, oder wobei bei einer zweiten Alternative zwei elektrisch leitende Segmente durch das eine elektrisch nichtleitende Segment voneinander isoliert sind.

2. Elektroofen gemäß Anspruch 1, bei dem die geschmolzenen Materialien einen spezifischen Widerstand von mehr als etwa 10&supmin;³ Ohm · cm im flüssigen Zustand aufweisen.

3. Elektroofen gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Seitenwand (24) aus mindestens zwei elektrisch leitenden Segmenten (26) und mindestens zwei nichtleitenden Segmenten (28) zusammengesetzt ist, welche abwechselnd übereinander angeordnet sind, wobei ein nichtleitendes Segment (28) zwischen der Basis (30) und einem elektrisch leitenden Segment (26) angeordnet ist.

4. Elektroofen gemäß Anspruch 3, bei dem das Basiselement (30) eine Anode und der Plasmabrenner (34) eine Kathode ist.

5. Elektroofen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Behälter zusätzlich eine Abflußeinrichtung (40) im Basiselement aufweist, damit geschmolzene Materialien aus dem Behälter entfernbar sind, wobei die Abflußeinrichtung (40) Seitenwände aus mindestens einem nichtleitenden Segment (44) und mindestens einem elektrisch isolierten Segment (42) aufweist.

6. Elektroofen gemäß Anspruch 5, bei dem die Abflußeinrichtung (40) ebenso einen entfernbaren Pfropfen (46) an einem Ende aufweist.

7. Elektroofen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Behälter (22) im allgemeinen zylindrisch ist.

8. Elektroofen gemäß einem der Ansprüche 1-6, bei dem der Ofen im allgemeinen rechteckig ist, und wobei eine Abflußeinrichtung nahe einer Seitenwand des Behälters positioniert ist.

9. Elektroofen zum Schmelzen von Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem im wesentlichen rechteckigen Behälter (52) mit vier Seitenwänden (54) und einem Basiselement (56) zur Ausbildung eines Hohlraums zur Aufnahme des Materials, wobei jede der Seitenwände mit einer benachbarten Seitenwand durch elektrisch nichtleitende Segmente (60) verbunden ist.

10. Elektroofen gemäß Anspruch 9, bei dem die Seitenwände (54) mit dem Basiselement durch die elektrisch nichtleitenden Segmente (60) verbunden sind.

11. Elektroofen gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem eine der Seitenwände (54) die Vorderfläche (55) des Behälters und die entgegengesetzte Seitenwand (57) die Rückfläche des Behälters ist, wobei die Vorderfläche (55) eine Abflußeinrichtung zur Entfernung von geschmolzenem Material aus dem Behälter (52) aufweist.

12. Elektroofen gemäß Anspruch 11, bei dem die Rückfläche (57) die Anode und der Plasmabrenner (62) die Kathode ist, so daß im Betrieb Strom von dem Plasmabrenner (62) durch den Hohlraum und darin enthaltenes Material zur Rückfläche (57) fließt.

13. Elektroofen gemäß Anspruch 12, bei dem der Plasmabrenner (62) in der Nähe der Vorderfläche (55) angeordnet ist.

14. Elektroofen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der des weiteren folgendes aufweist: einen Wandabschnitt, der vom Rest des Ofens elektrisch isoliert ist; eine Lippe in diesem Wandabschnitt zur Ermöglichung einer Ausgabe des Produktes; und Bereitstellung (96) einer Ausgabe eines Gases unter der Lippe in einem Strahl, welcher von der Wand weg gerichtet ist, mit einer Geschwindigkeit von mindestens 20 m/s und einer Massenstromrate von Md/2vg oder mehr, wobei Md der Massenstrom der Produktausgabe und vg die Gasstrahlgeschwindigkeit ist.