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Verfahren und Ofen zum Schmelzen und Läutern von Glas und anderen
schwerschmelzenden Stoffen mittels elektrischen Stromes Zum Schmelzen und Läutern
von Glas und anderen schwerschmelzenden Stoffen ist es bekannt, die Rohmaterialcharge
zunächst durch mit ihr in Berührung stehende Heizwiderstände bis zur elektrischen
Leitfähigkeit zu erhitzen und dann die weitere Beheizung durch Stromzuführung mittels
Elektroden, zwischen denen das Schmelzgut als Widerstand liegt, zu bewirken.
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Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß dadurch vervollkommnet und verbessert,
daß das Anheizen mittels der elektrischen Heizwiderstände innerhalb einer inneren
Zone der Rohmaterialcharge erfolgt, aus der das geschmolzene und geläuterte Gut
vorzugsweise fortlaufend abgezogen wird, während ihr entsprechende Mengen neuen
Gutes von außen, oben und seitlich, zugeführt werden, welche dabei durch die Hitze
der inneren Zone auf die das Gut elektrisch leitend machende Temperatur gebracht
«-erden, worauf mittels der an den Außenschichten der Charge vorgesehenen Elektroden
der Strom zum weiteren oder zusätzlichen Erhitzen durch das Gut hindurchgeleitet
wird.
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Es ist bereits bei Ofen, die zum Erschmelzen von Glas zur Verarbeitung
auf Glasgespinst dienen, vorgeschlagen worden, elektrische Heizwiderstände in einer
inneren Zone der Rohmaterialcharge, aus welcher das Glas zur Verarbeitung abgezogen
wird, anzubringen und gleichzeitig aufeinander gegenüberliegenden Wandflächen des
Ofens Elektroden zum Hindurchleiten des Stromes durch das Gut vorzusehen. Bei diesem
Vorschlag erfolgt aber das Anheizen der Rohcharge durch
außenliegende
Heizmittel, wie Gasbrenner o. dgl., durch die aber bekanntlich die Elektroden, die
in der Regel aus Platin oder Platinlegierungen oder aus sonstigen Edelmetallen oder
Edelmetallegierungen bestehen, schädlich angegriffen und brüchig werden. Diese bekannten
Ofen arbeiten also nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei letzterem kann
eine Beeinträchtigung des Elektrodenmaterials nicht eintreten. Beim Anheizen der
Charge vom Innern derselben heraus wird die gesamte von dem Heizwiderstand entwickelte
Wärme auf die zwischen ihm und den Ofenwänden liegende Charge übertragen, so daß
keinerlei Wärmeverluste durch Strahlung oder sonstwie eintreten. Die restlose Ausnutzung
der aufgewandten elektrischen Energie bringt das Glas o. dgl. rasch auf eine genügend
hohe Temperatur, um die Ionisierung herbeizuführen und das Glas elektrisch leitend
zu machen, so daß dann die weitere Beheizung bis zum Schmelzflüssigwerden durch
den mittels der Elektroden durch das Glas geleiteten Strom, der ebenfalls ohne Verlust
zur Wirkung kommt, durchgeführt werden kann. Dabei hat man es in der Hand, auch
noch nach dem Anheizen die im Innern der Charge liegenden Heizwiderstände in Tätigkeit
zu lassen, so daß die aufgewandte elektrische Energie als Wärme nicht nur an einer
Fläche des Glases, sondern überall in demselben wirksam wird, wodurch sich eine
erhöhte Ausnutzung der Energie ergibt.
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Neben dem angegebenen Verfahren betrifft die Erfindung auch einen
Schmelzofen, der besonders dazu geeignet ist, in der Weise betrieben zu werden,
daß das Schmelzgut zunächst mittels elektrischer Heizwiderstände bis zur elektrischen
Leitfähigkeit erhitzt und dann zur weiteren Beheizung Strom mittels Elektroden durch
das als Widerstand zwischen letzteren liegende Gut hindurchgeführt wird. Bei diesem
Ofen sind an den Innenflächen des Einsatzraumes für die Charge Platten o. dgl.,
beispielsweise aus hochwertigen Metallen oder Metallegierungen mit einem über den
im Ofen vorkommenden Temperaturen liegenden Schmelzpunkt, vorgesehen, die durch
eine Schaltung mit einer oder mehreren Stromquellen derart verbunden sind, daß sie
je nach der Einstellung der Schaltung als stromdurchflossene Heizwiderstände oder
als stromgespeiste, den Strom durch das Schmelzgut hindurchschickende Elektroden
wirken.
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Es ist zwar schon ein Glasschmelzofen bekannt, bei dem ein Bad aus
leichtschmelzendem :Metall, über «-elchen sich die Glasschmelze befindet, wechselweise
als elektrischer Heizwiderstand dienen oder die Elektroden bilden soll. Dieses Metallbad
muß, je nachdem es die eine oder die andere Funktion ausüben soll, durch Ableiten
oder Zuleiten von flüssigem Metall in dem Schmelzöfen zum Sinken oder zum Steigen
gebracht w@:den. Abgesehen davon, daß die Benutzung eines solchen Metallbades an
sich schon teuer und kompliziert ist, ist auch das Schalten durch Sinken- oder Steigenlassen
des Bades sehr umständlich und bedingt eine teure Ofenkonstruktion. Demgegenüber
ist die erfindungsgemäße Anordnung unter Verwendung von Platten aus einem Metall,
welches bei den vorkommenden Ofentemperaturen nicht schmelzen kann, und die einfache
Schaltverbindung dieser Platten mit einer oder mehreren Stromquellen derart, daß
man sie von ihrer Funktion als Heizwiderstände durch einen Griff auf die Funktionen
als Elektroden umstellen kann, ganz bedeutend einfacher. Außerdem ist auch der erfindungsgemäße
Ofen sowohl in der Herstellung wie im Betrieb wesentlich billiger und einfacher
als der mit einem flüssigen Metallbad arbeitende bekannte Ofen.
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In der Zeichnung zeigt Abb. i einen waagerechten Querschnitt durch
eine beispielsweise Ausführungsforen eines erfindungsgemäßen Ofens mit an den Innenflächen
des Einsatzraumes angebrachten Platten, die als Heizwiderstände wie auch als Elektroden
arbeiten können, Abb.2 einen senkrechten Schnitt nach Linie 2-2 der Abb. i, Abb.3
einen waagerechten Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines solchen Ofens
mit den elektrischen Verbindungen, Abb. 4. einen senkrechten Längsschnitt durch
den letzeren Ofen, Abb. 5 einen Querschnitt nach Linie 5-5 der Abb. 4., Abb. 6 einen
senkrechten OOuerschnitt durch eine Ausführungsform eines Ofens zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Anheizen durch Heizwiderstände in einer inneren
Zone der Charge und Abb. 7 einen Schnitt nach Linie 7-7 der Abb. 6.
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Die dargestellten Schmelzöfen sind besonders für die Verarbeitung
des geschmolzenen Glases auf Glasgespinst eingerichtet.
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Der Ofen 1o aus feuerfestem Material gemäß Abb. i und 2 ist oben zur
Zuführung der Charge offen und besitzt im Boden i i einen Auslaß 12, an dem ein
Metallmund-3tück 13 bekannter Art mit einer Anzahl von :l#,usflußdüsen vorgesehen
ist, durch welche dünne, in Fasern oder Fäden umzuwandelnde Ströme ausfließen können.
Auf gegenüberliegenden Wänden des Ofens 1o sind in einem geeigneten Abstand vom
oberen Rand und vom Boden aus Metallplatten bestehende Elektroden
15
und 16 angebracht. Jede der Elektroden erstreckt sich zweckmäßig über die ganze
Länge der Seitenwände. Die Elektrode 15 besitzt an ihren Enden elektrische
Anschlüsse 17 und 18 und die Elektrode 16 entsprechende Anschlüsse r9 und
2o. Jeder der Anschlüsse ist zweckmäßig mit einer Wasserkühlung 22 versehen.
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Die Elektroden 15 und 16 sind mit einer regelbaren Stromquelle, beispielsweise
mit einem Regulierwiderstand 26 aufweisenden Transformator 25 verbunden. In der
elektrischen Verbindung ist ein Doppelschalter27 vorgesehen, durch welchen die Elektroden
15 und 16 nach Belieben so angeschlossen werden können, daß sie entweder als Elektroden
oder als elektrische Widerstände wirken. Befindet sich der Schalter 27 in der Stellung
A, so befinden sich die Elektroden in Hintereinanderschaltung mit der zwischen ihnen
liegenden Glascharge, wobei sie den Strom direkt durch das Glas leiten. Diese Schaltung
kommt erst zur Anwendung, nachdem das Glas auf Ionisationstemperatur gebracht worden
ist. Bis zur Erreichung dieser Temperatur, bei welcher das Glas stromleitend wird,
hält man den Schalter 27 in der punktierten S'rellung B. In dieser Stellung durchfließt
der elektrische Strom jede der Metallplatten 15 und 16 der Länge nach,
wobei diese als Heizwiderstände wirken. Die in den Platten 15 und 16 erzeugte Hitze
leitet das Schmelzen der Rohcharge oder Scherben ein und bereitet das Glas so für
die weitere Erhitzung mittels durch sie durchgeführten elektrischen Stromes vor.
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Die Spannungen für die verschiedenen Schaltungen können sehr unterschiedlich
sein. Beim Ingangsetzen des Ofens unter Verwendung der Platten 15 und 16 als Heizwiderstände
genügt eine verhältnismäßig niedrige Spannung von etwa 2 oder 3 Volt vollständig,
um die Platten auf die Schmelztemperatur des Glases zu bringen. Die genaue Spannung
richtet sich natürlich nach der besonderen Größe und der jeweiligen Temperatur der
Elektroden. Die Stromstärke kann dagegen sehr hoch sein und beispielsweise mehrere
Hunderte Ampere betragen. Nachdem das Glas auf Ionisationstemperatur und der Schalter
27 in die Stellung A gebracht worden ist, kann eine bedeutend höhere Spannung zur
Anwendung gelangen. So können Spannungen von 5o bis zoo oder mehr Volt benutzt werden,
um die Ströme durch das Glas zu leiten. Diese Spannungen sind natürlich von der
Menge und Temperatur der Charge und von der Schmelzgeschwindigkeit abhängig. Auch
kann die Spannung während des Schmelzvorganges etwas geändert werden. Bei Beginn
des Schmelzens mittels Stromdurchleitung, bei welchem das Glas im allgemeinen noch
eine verhältnismäßig niedrige Temperatur besitzt und gerade stromleitend wird, ist
eine entsprechend höhere Spannung erforderlich. Befindet sich das Glas jedoch schon
auf einer höheren Temperatur und in mehr oder weniger vollständiger Ionisation,
so kann die Spannung entsprechend verringert werden. Der Ofen liefert ein gleichmäßig
klares Glas, welches frei von Streifen oder sonstigen Fehlern ist.
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Die Ausführung gemäß Abb. 3 bis 5 zeigt einen liegenden länglichen
Ofen 30 mit einem Vorherd 31 an einem oder beiden Enden. Zwischen der eigentlichen
Schmelzkammer und den Vorherden befinden sich Wehre 32 zur Zurückhaltung von Schaum
u. dgl. Die Vorherde 3 z sind mit Auslaßmundstücken 33 irgendeiner gewünschten Ausführung
versehen. Auf den Seitenwänden 35 des Ofens 30 sind Metallplatten 36 bzw.
37 vorgesehen, die in entsprechender Weise wie die Platten 15 und 16 der vorher
beschriebenen Ausführung wahlweise als elektrische Heizwiderstände oder als Elektroden
benutzt werden können. Sie sind an ihren Enden mit den elektrischen Anschlüssen
4o und 41 bzw. 43 und 44 und Wasserkühlungen 45 für die Anschlüsse versehen.
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Die elektrische Schaltung für die Metallplatten 36 und 37 kann ähnlich
wie in Abb. z sein. Es kann aber auch die in Abb. 3 gezeigte Schaltung benutzt werden.
Diese enthält zwei Transformatoren 50 und 51, von denen der erstere mit einer
verhältnismäßig hohen Spannung, beispielsweise von 3o bis Zoo Volt, und der letztere
mit einer niedrigen Spannung, beispielsweise von 2 oder 3 Volt, arbeiten kann. Der
Transformator 5o kann mit den Platten 36 und 37 und .der dazwischenliegende Glascharge
in Reihe geschaltet werden, so daß die Platten als Elektroden wirken und der Strom
zwischen ihnen direkt durch das Glas hindurchgeht. Dagegen wird der Transformator
51 so geschaltet, daß der Ström nur durch die Platten 36 und 37 fließt und diese
als Heizwiderstände arbeiten. Durch Schalter 52 und 53 können die Transformatoren
5o und 51 an- und abgeschaltet werden. In dem Stromkreis des Transformators 5o befinden
sich noch zusätzliche Schalter 54, 55 und 56, die beim Ein- und Ausschalten des
Transformators ebenfalls benutzt werden. Wenn der Transformator 50 in Tätigkeit
ist, sind die Schalter 54, 55 und 56 geschlossen. Dabei bleiben in dem Stromkreis
des Transformators 51 vorgesehene Schalter 57 und 58 offen. Wird dagegen der Transformator
51 benutzt, so befinden sich die genannten Schalter in der entgegengesetzten Stellung,
d. h. die Schalter 57 und 58
sind geschlossen und die Schalter 5.I,
55 und 56 sind offen. Hierbei wirken die Platten 36 und 37 als Heizwiderstände.
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Ein besonderer Vorteil des Ofens nach _11.3 bis 5 besteht in dem geringen
A1) -stand, in welchem die Metallplatten bzw. Elektroden 36 und 37 voneinander angeordnet
werden können. Bei einem solchen geringen Abstand ergibt sich eine sehr gleichmäßige
Verteilung des Stromes und damit der entwickelten Hitze auf der ganzen Länge des
Ofens, wodurch die Bildung von heißen Streifen verringert oder vollständig vermieden
wird.
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Der aus den feuerfesten `Fänden 6o, 61, 6 2 und einem Metallrahmen
63 bestehende Ofen gemäß A11. 6 und 7 ist im wesentlichen von an sich bekannter
Ausführung. Im Innern des Einsatzraumes befindet sich ein elektrischer Widerstand
64, der gleichzeitig als Leitkörper und als Heizelement zum Schmelzen und Läutern
der Charge 66 aus Rohmaterial und/oder Scherben dient. Innerhalb des Widerstandes
64 ist ein Leitkörper 65 vorgesehen, der sich von dem Boden 62 des Ofens nach oben
erstreckt und sich in Übereinstimmung mit einem Auslaß 67 befindet, durch welchen
das Glas in ein Düsenmundstück 68 gelangt. Durch das Düsenmundstück können in der
gezeigten Ausführung eine Mehrzahl dünner Ströme do geschmolzenen Glases ausfließen,
die zu Fasern oder Fäden ausgezogen werden können. Gegebenenfalls kann jedoch auch
ein anderes Mundstück zur Anwendung gelangen.
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Der elektrische Heizwiderstand 64 in Form einer unten offenen Haube
ist am oberen Ende mit einem Abzugsrohr 70 versehen, durch welches die Gase,
welche innerhalb der Haube aus dem in ihr geschmolzenen und geläuterten Glas austreten.
entweichen können. Zwischen der Haube 64. und dein Leitkörper 6,3
besteht
ein enger Zwischenraum. Am unteren Ende besitzt der Leitkörper 65 einen Flansch
71, niit welchem er auf dem Boden des Ofens aufruht. An seinem olleren Ende bildet
der Leitkörper 65 durch kleine bffnungen 72 ein Sieb, welches geschmolzenes Glas
durchtreten läßt, dagegen Gasblasen oder sonstige L-nreinigkeiten ausscheidet. Über
dem Auslaß 67 kann noch ein weiteres Sieb 73 vorgesehen sein. Der Widerstand 6..
wird durch Wechselstrom elektrisch geheizt. Der Strom wird durch Anschlußstücke
So, die zweckmäßig aus einem Stück mit der Haube 64 bestehen, zugeleitet.
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Auf den Seitenwänden 61 des Ofens sind aneinander gegenüberliegenden
Stellen und zweckmäßig etwas unterhalb des normalen Spiegels des Glasbades Elektroden
9i und 92 vorgesehen. Die unteren Enden der Elektroden besitzen durch die Seitenwände
nach außen gellende elektrische Anschlüsse 93 und zur Zuführung elektrischen Stromes
gewünschter Spannung.
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Alle in dem Ofen liegenden Metallteile. nämlich 9i, 92, 6.4. 65 und
73 sind zweckinä ßig aus hochhitzebeständigem Metall, beispielsweise aus Platin
oder einer Platinlegierung, Hergestellt.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem in Abb.
6 und 7 gezeigten Ofen gestaltet sich wie folgt. Die aus Rohmaterial bestehende
Charge wird durch das obere offene Ende in den Ofen eingeführt und sinkt während
des Schmelzvorganges allmählich nach unten. Das Anheizen erfolgt mittels des aus
der Haube 6.I bestehenden elektrischen Heizwiderstandes. Zii Beginn der Aibeit wird
die Haube 64. mittels des elektrischen Stromes auf genügend hoher Temperatur gehalten,
um das --Material, «-elches sich an ihr oder in ihrer Nähe vorbei bewegt, zu schmelzen.
Alle von der Haulee 64 ausgestrahlte Hitze wird von der zwischen ihr und den Ofenwänden
liegenden Charge absorbiert. Das geschmolzene Glas geht von unten in die Haube 64.
hinein und bewegt sich innerhalb derselben zwischen ihr und dein Leitkörper aufwärts.
Zufolge der Enge dieses Durchgangs bewegt sich das Glas nur in einer dünneren Schicht
aufwärts und wird dadurch auf eine hohe Temperatur und in einen hochflüssigen Zustand
gebracht. Bei dieser hohen Temperatur können die Gase oder Gasblasen aus dem geschmolzenen
Glas leicht austreten und durch den Abzug 70 entweichen. Am oberen Ende des
Leitkörpers 65 tritt das geschniolzene hochflüssige Glas durch das Sieb 72, fließt
auf den Innenflächen des Leitkörpers 65 in einer dünnen Lage abwärts und sammelt
sich in dein Auslaß 68.
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Wenn das zwischen den Elektroden 9i und 92 liegende Glas durch den
Heizwiderstand Ci.t auf eine genügend hohe Temperatur gebracht worden ist, um die
Ionisierung herbeizuführen und das Glas elektrisch leitend zu machen, wird mittels
der Elektroden 9i und 92 elektrischer Strom direkt durch das Glas geschickt. Dieser
Strom bringt das ionisierte Glas in sehr kurzer Zeit in den schmelzflüssigen Zustand,
so dali sich eine hohe Leistung des Ofens bei kleinen Abinessungen ergibt. Dabei
wird die aus der Mitte im Gegenstrom zur Bewegung der zugeführten Charge wirkende
Strahlungswärme zur Erhitzung der Charge selbst vollständig ausgenutzt. Die frisch
zugeführte Charge nimmt also einen großen Teil der Strahlungswärme auf, die sonst
verlorengehen wurde. Beim Arbeiten der Elektroden 9i und 92. welchen Ströme hoher
Spannungen von 30
bis 150 Volt zugeführt werden können, kann die
Stromzuführung zu dem Widerstand 6,4, die meistens durch schwere Stromleiter mit
nicht unerheblichen Verlusten erfolgen muß, völlig abgeschaltet oder auch verringert
werden.