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Elektrischer Ofen zum Schmelzen von Glas Das Bestreben, den Ausstoß
der Glasschmelzöfen zu steigern, ist begrenzt durch die Tatsache, daß zur Aufnahme
der von außen zugeführten Wärme eine verhältnismäßig große Oberfläche notwendig
ist. Nur durch den elektrischen Strom ist es möglich, große Energiemengen in die
Glasschmelze zu bringen und auf diese Weise das Ausbringen zu vergrößern. Die elektrische
Widerstandsbeheizung unterscheidet sich im Prinzip nicht von der Gasbelheizung;
sie hat sich auf die Dauer auch deshalb nicht bewährt, da die erforderlichen Temperaturen
für metallische Heizleiter zu hoch und auch für keramische an der äußersten Grenze
der Belastung liegen. Beide werden durch die beim Schmelzen entstehenden Dämpfe
sehr rasch angegriffen. Die induktive Erhitzung, die an sieh die notwendige Reinhaltung
der Schmelze sicherstellt, begegnet der Tatsache, daß das Gemenge erst im heißen
Zustand den elektrischen Strom stärker zu leiten beginnt. Man hat deshalb dem Werkstoff
der feuerfesten Rinne Metalle, beispielsweise metallisches Silicium, beigemischt
und dadurch für einen Stromfluß zu sorgen gesucht, der ausreicht, die Rinne selbst
zu erhitzen und dann das feste Gemenge niederzuschmelzen. Nach einem anderen Verfahren
wurde die Glasschmelze auf ein induktiv erlhitztes flüssiges Metallband gesetzt.
Im wesentlichen hat sieh nur die unmittelbare Widerstandserhitzung durchgesetzt,
welche die zwischen Elektroden befindliche flüssige Schmelze als Widerstand benutzt.
Da der spezifische Widerstand der Glasschmelze mit steigender Temperatur rasch sinkt,
fließt der größere Anteil des Stromes durch die Zonen höherer Temperatur. Da im
Ofen die oberen Schichten, auf denen das Gemenge schwimmt, stets kühler sind als
die
tieferen, erhält der Schmelzvorgang durch die in den oberen
Schichten herrschende geringere Stromdichte weniger Leistungszufuhr, bis schließlich
der Sehmelzvorgang zum Stillstand kommt. Es bilden sich dann feste Brücken und Decken
aus halb geschmolzenem und wieder erstarrtem Gemenge, die zu Hohlräumen zwischen
Bad und Gemenge führen- Es treten daher im Bad Temperaturverteilungen und damit
Strömungserscheinungen auf, die schwer zu beherrschen sind, besonders wenn durch
irgendwelche Umstände ein Gleichgewichtszustand gestört wurde. Das ist besonders
für die Teile des Bades unerwünscht, die der Läuterung dienen, da die Güte des Endproduktes
wesentlich vom Ablauf des Läuterungsprozesses abhängt. Er dauert beträchtliche Zeit.
Um einen kontinuierlichen Betrieb zu führen, wären Wannen sehr großen Inhalts und
Oberfläche nötig. Es ging nunmehr das Bestreben dahin, im kontinuierlichen Betrieb
mit kleinen Apparaturen einen großen Durchsatz zu erzielen, was man beispielsweise
im elektrischen Elektrodenschachtofen zu erreichen suchte. Der Kernpunkt liegt also
darin, eine wohl definierte Strömung aufrecht zu erhalten, die gut beherrscht werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird nun eine elektrodenbeheizte Schmelzzone mit einer
induktiv beheizten Läuterungszone kombiniert, durch welche ein dauernder Materialfluß
aufrechterhalten wird. Beide Zonen können räumlich sowohl nebeneinander als auch
übereinander in Schachtform angeordnet werden. Bei der vertikalen Anordnung bildet
die Schmelzzone den Oberteil des Ofenschachtes und ist vom übrigen Teil durch eine
Zwischendecke abgetrennt, die in der Mitte mit einer konzentrischen Durchflußöffnung
versehen ist. Über dieser befindet sich eine rohrförmige Haube aus feuerfestem Material,
so daß ein ringförmiger Schmelzraum entsteht. Die Elektroden stehen sich an der
Innenwand des Sehachtes und der Außenwand der Haube gegenüber. Durch Schlitze in
der Nähe oder direkt durch die inneren Elektroden fließt das geschmolzene Glas in
den Innenraum der Haube und von da aus in den darunter befindlichen Läuterungsraum.
Die entstehenden Dämpfe können durch ein Abzugsrohr in der Haubendecke gegebenenfalls
abgesaugt werden. Die Zwischendecke kann auch zur Abflußöffnung hin geneigt sein.
Eine spezielle Wirlkung lädt sieh noch durch eine besondere Art der Stromzuführung
zu den an der Haube befindlichen Elektroden erreichen. Zwischen den Elektroden einer
Phase bildet der von den Stromfäden durchsetzte Teil des Bades einen Pyramidenstumpf
mit annähernd rechteckigen Begrenzungsflächen, in dessen Inneren die Stromverteilung
vom Widerstand der einzelnen Schichten der Schmelze abhängt. Werden nun die Zuleitungen
zu den Elektroden an der Haube unterhalb dieses Pyramidenstumpfes geführt, so wird
in an: sich bekannter Weise ein Teil der .Stromfäden nach oben in die kühleren Schichten
gedrückt, wodurch dort eine höhere Temperatur und damit ein rascheres Niederschmelzen
des Gemenges herbeigeführt wird. Der Anteil der hochgedrückten Stromfäden :hängt
neben der Stärke des Stromes von der geometrischen Formgebung der Stromschienen
ab. Durch eine geeignete Kühlung dieser Stromschienen, beispielsweise durch Einführung
eines Kühlmittels, kann die Zwischendecke gekühlt und dadurch die Schicht höherer
Temperatur noch mehr nach oben verlagert werden.
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Wird das innere Elektrodensystem als Sternpunkt des speisenden Drehstromes
ausgebildet, so wird die Sternverbindung nach außen verlegt, um die stromverdrängende
Wirkung der Zuleitungen nicht zu verlieren. Naturgemäß können auch die äußeren Elektroden
zum Sternpunkt vereinigt werden. Am besten werden jedoch die Phasen urverkettet
betrieben, um sie getrennt regeln zu können. Vorteilhaft kann man noch zwischen
den Elektroden Zwischenwände einbauen, die entweder in den Ringraum hineinragen
oder ihn ganz durchsetzen und so phasenweise Kammern bilden.
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Aus der Schmelzkammer fließt die Schmelze in die Läuterkammer, die
durch den Herd eines Xiederfrequenzinduktionsofens gebildet wird. Dieser 'kann eine
metallische Rinnenauskleidung besitzen, damit gegebenenfalls eine erstarrte Schmelze
wieder niedergeschmolzen werden kann. Wird darauf verzichtet, 'kann die metallische
Auskleidung wegfallen. Durch die ponderomotorischen und elektrodynamischen Kräfte
wird eine lebhafte Bewegung des durch die Erhitzung in der Schmelzrinne sehr dünnflüssig
gewordenen Bades hervorgerufen, wodurch eine innigeDurchmischung des Bades und seine
schon weitgehende Entgasung erfolgt. Zur weiteren Beschleunigung des Läuterungsprozesses
wird nun in den Herd des Induktionsofens ein Läuterungsrothr aus einem gegen Bad
und Hitze beständigen Stoff, seine Form ist im allgemeinen von der Form des Herdes
abhängig, eingestezt; es ist etwa in seinem oberen Viertel mit kleinen Löchern oder
Schlitzen verseihen. Die überhitzte dünnflüssige Schmelze tritt durch die Löcher
des Läuterungsrohres, die sc'non die Mehrzahl der Gasblasen zurückhalten und rieselt
an seiner äußeren «'arid herab, hier den Rest der Gasblasen verlierend. Aus der
Schmelzkammer wird die Schmelze zweckmäßig in einem Rohr tief in den Herd eingeführt,
um eine einwandfreie Zuführung zur Schmelzrinne sicherzustellen.
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Die geläuterte Schmelze fließt direkt in die Entnahmekammer. Diese
kann neben oder unter dem Induktionsofen angeordnet sein. Unter der Badoberfläche
der Entnahmekammer sind beispielsweise drei Elektroden der drei Phasen eines Drehstromsystems
angebracht, wobei der Sternpunkt an die metallarmierte untere Auslaßöffnung gelegt
ist. Sie haben die .\ufgabe, eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten, wie
sie eben erforderlich ist.
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Zur Einleitung des Schmelzvorganges in der Schmelzkammer sind besondere
Vorrichtungen nötig. Hierzu eignen sich rohrförmige Körper
aus reinem
Aluminium, Anheizpatronen genannt, die zwei Elektroden verbinden. An sich können
auch massive Aluminiumstäbe verwendet werden, jedoch sind rohrförmige Patronen wegen
ihrer größeren Oberfläche vorzuziehen. Diese Patronen werden vorteilhaft mit zerkleinertem
oder gemahlenem, möglichst niedrig schmelzendem Glas gefüllt. Das Aluminium, daß
die Glasschmelze nicht verfärbt, schmilzt unter dem Einfluß einer hohen Stromdichte
nieder und bildet mit der erweichten Glasfüllung eine gut leitende Brücke, die durch
das bei steigender Temperatur leichtflüssige Aluminium rasch sich verbreitert. Die
eingesetzten Patronen werden zweckmäßig in eine Gemengeschicht eingebettet, die
außerdem eine unerwünschte Wärmeabstrahlung verhindert. Vorteilhaft kann auch die
Anheizpatrone beispielsweise mäanderförmig ausgebildet werden. Dadurch, wird erreicht,
daß schon vor dem Schmelzen des Aluminiums größere :Anteile des Gemenges erweichen
und leitend werden; damit erhält die leitende Brücke einen größeren Querschnitt.
Man wird am besten zu gleicher Zeit sämtliche möglichen Stromwege, <l. h. alle
Phasen mit solchen Anheizpatronen ausrüsten, auch diejenigen, die gegebenenfalls
in tieferen Ebenen liegen, um den Anschmelzvorgang zu beschleunigen.
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Abb. i und 2 veranschaulichen die Ausbildung der Schmelzkammer in
schematischer Form. Abb. i zeigt einen vertikalen Schnitt, während Abb. 2 den waagerechten
Schnitt in der Ebene A-A' darstellt. Durch die Zwischendecke 2 mit der Durchflußöffnung
7, welch erstere horizontal in den oberen Teil des Schachtes i eingebaut ist, wird
die Schmelze 9 von der Läuterkammer 8 getrennt. Die Zwischendecke kann auch zur
Abflußöffnung 'hin geneigt sein. Die oben abgedeckte Haube 3 mit dem Abzugsstutzen
io, die Haube kann auch oben vollständig offen sein, steht über der Durchflußöffnung
7. An der Innenwand des Schachtes stehen, gegebenenfalls auf niedrigen Vorsprüngen
aus Mauerwerk, die Elektrodensegmente 4 mit ihren Stromzuführungen 4a zum Anschluß
an die drei Phasen eines Drehstromsystems. Ihnen gegenüber befinden sich an der
Außenwand der Haube 3 die Innenelektroden 5 mit ihren Stromzuführungen 511. Diese
Elektroden können unterteilt oder auf eine beliebige Phasenzahl verteilt werden.
Die Phasenräume sind durch die Zwischenwände 12 getrennt. Auf der Oberfläche der
Schmelze 9 schwimmt das Gemenge i i. Das geschmolzene Glas fließt durch die in den
Elektroden 5 befindlichen Kanäle 6 und durch die Durchflußöffnung 7 in die Läuterkammer
8, die durch den Herd eines Niederfrequenzinduktiornsofens gebildet wird.
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Abb.3 zeigt den Zusammenbau der neuartigen Schmelzkammer mit dem die
Läuterungszone bildenden Induktionsofen. Aus der Schmelzkammer fließt die Schmelze
durch die mit einem Röhr 15 versehene Durchflußöffnung in den Herd 8 des Induktionsofens.
Durch das Läuterungsrohr 24 wird im Herd 8 ein äußerer Ringraum 47 abgeteilt. Durch
das Zuflußnohr i5 gelangt die Schmelze in den unteren Teil des Herdes 8 und von
da aus in -die Schmelzrinnen, die zum Primärteil i9 des Induktionsofens gehören,
wird in den Rinnen auf die erforderliche Temperatur überhitzt und fließt durch die
Löcher 49 und über den Rand des Läuterungsrohres24 in den Ringraum47. Von hier aus
gelangt sie durch den Kanal 25
in die danebenliegende Entnahmewanne 27. Hier
wird das Bad durch die Elektroden 12, 13 und 14 auf der vorgeschriebenen Temperatur
gehalten. Der untere metallische Abflußstutzen 29 bildet den Sternpunkt für die
Elektroden 12, 13 und 14. Soll in der Schmelzrinne erstarrte Schmelze wieder elektrisch
aufgeschmolzen werden, so erhält die Schmelzrinne ein geeignetes metallisches Futter.
Wenn diese Forderung nicht erhoben wird, muß vorgesorgt werden, daß der Induktionsofen
entleert werden kann; das .kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß er von
der Schmelzkammer entikuppelt, herabgelassen oder ausgefahren und gekippt werden
kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt Abb.4 und 5 im senkrechten und
waagerechten Schnitt. Bei dieser Ausführung ist die Schmelzkammer als Ringraum um
den Induktionsofen angeordnet, wodurch sich eine große Verminderung der Wärmeverluste
ergibt. Die Außenwand 37 der Schmelzkammer 38 umgibt den Induktionsofen 21 konzentrisch.
Die Schmelzkammer besitzt ein oder mehrere Elektrodensysteme 31 an der Wand 37.
Das feuerfeste Mauerwerk 21 des Induktionsofens ist außen mit einem metallischen
Mantel 32 umgeben, der den Elektroden 31 gegen übersteht und mit dem Sternpunkt
des speisenden Transformators verbunden ist. Durch Einbau von Zwischenwänden zwischen
den Elektroden 31 kann zweckmäßig, wie früher im einzelnen beschrieben, wieder in
Kammern unterteilt werden. Da infolge der kürzeren Elektrodenentfernungen niedere
Spannungen und hohe Stromstärken sich ergeben, resultieren zunächst große Elektrodenoberflächen.
Diese können in eine Mehrzahl von kleineren Elektroden aufgelöst werden, für die
dann mannigfache Schaltungsmöglichkeiten vorliegen; sie können in Reihe oder parallel
oder auch beispielsweise ähnlich der Ständerwicklung eines Drehstrommotors verbunden
werden. Aus der ringförmigen Schmelzkammer 38 fließt die Schmelze durch den Kanal
18 in den Innenraum 2o des Läuterungsrohres 24, wo das Bad in der Schmelzrinne der
induktiven Heizeinrichtung i9 überhitzt wird. Über das Läuterungsrohr 24 gelangt
sie in den Ringraum des Induktionsöfens und vorn da aus .durch den Kanal 26 in die
Entnahmekammer 27, welche wieder mit einem Elektrodensystem 33 bis 36 mit metallischem
Abflußrahr 29 ausgerüstet ist. Eine Ausführungsform, bei welcher der Aufbau als
Schacht konsequent d'urchgefü'hrt ist, zeigt Abb.6 im senkrechten Schnitt. Die Schmelzkammer
ist gegen Abb. i und 2 unverändert und daher nicht gezeichnet. Da hier die Entnahme-,kammer
zur Verminderung der Wärmeverluste
unterhalb des Induktionsofens
angeordnet ist, müssen seitliche Rinnen Verwendung finden. Die Schmelzrinnen 51
führen um die am Umfang des Ofens Primärspulen 49 herum. Durch entsprechendeAnordnung
von Ein- und Ausgang der Rinnen kann erreicht werden, daß die Schmelze in der Nähe
des Läuterungsrohres 2.4 austritt. Je nach Größe und Leistung des Ofen: können drei
und nie''nr Rinnensysteme eingebaut werden. In der vorher beschriebenen Weise tritt
die iiberliitzte Scfiinelze durch und über das Läuterungsrohr 24 in den Ringraum
47 und fließt von dort durch zwei senkrechte Rohre 52 in die Entnahmekammer 27 ab.
Der 13adinhalt des Induktionsofens und der Entnahmekammer, die in der vorbeschriebenen
Weise finit einer Elektrodenlieizung ausgerüstet sein kann, kann beliebig lange
warm gehalten werden, wobei der I:iiergiebedarf gering ist. Die .'0)gase des Schmelzprozesses
können in jeder Kammer abgesaugt, gegebenenfalls kann unter vermindertem ()ruck
gearb.-itet werden.
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Ein Bild einer Anheizpatrone zeigt Abb. 7. Das \Ittmitiitinirdhr 2,
das gegebenenfalls gewellt sein kann, ist gut passend zwischen die Elektroden i
gebracht. Der auf der einen Seite eingeschweißte Deckel 3 und der mit einem geeigneten,
beispielsbajonettartigen Verschluß eingesetzte andere Deckel 4 ist zur Erzielung
eines guten Kontaktes finit besonderen Paßflächen versehen. Das Rohr ist finit zerkleinertem
oder gernahlerieni Glas 5 gefüllt, das keine unerwünschteFärbung desEndproduktes
verursacht. Die Stromdichte im Aluminiumrohr wird so gewählt, daß die Füllung 5
sich gut durchwärmt und vor dem Schmelzen des Aluminiumr(-lires schon erweicht,
also den Strom schon leitet und auch die am Rohr anliegende Gemerigeschicht schon
leitend ist. Wenn das Aluminiumrohr niederschmilzt, vermischt es sich mit dem schon
leitenden Glas und sorgt für die Aufrechterhaltung des Stromflusses, dessen Stärke
nun durch geeignete Regeleinrichtungen gesteigert wird. Es können je Phase auch
mehrere Anheizpatronen eingesetzt werden.
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Die beschriebenen Ofenbauarten sind gedrängt, haben daher gegenüber
den üblichen flammenbeheizten Formen eine kleinere Oberfläche und daher sehr viel
geringere Wärmeverluste; zudem können sie gut isoliert werden. In der Schmelzkammer
stellen sich übersichtliche Strömungsverhältnisse ein, da der Strom keine Möglichkeit
für große Umwege mehr Trat. Da die Zone der größten Energiedichte nach oben gedrückt
ist, können sich keine Brücken mehr bilden. Die Energiedichte wächst auch gegen
die innere Elektrode an der Haube zu, so daß gerade an der Ausflußstelle die Schmelze
am flüssigsten wird. Die Ausbildung der Stromzuführung sorgt zudem für eine günstige
Ausbildung der Temperaturverteilung in der Schmelzzone. Durch die Kühlung der Zwischendecke
mittels der Stromzuführungen zu den Elektroden wird ihr Verschleiß verringert. Zwischen
den Elektroden befinden sich nur geringe Geinengemassen, die infolge der hohen Energie-
| dichten rasch niedergeschmolzen werden, so daß |
| die Schmelzleistung in der Zeiteinheit durch den |
| kontinuierlichen Betrieb gesteigert werden kann. |
| Die Einleitung des Sc"nnielzvorganges durch die |
| beschriebenen Atilieizpati"vnert erfolgt rasch gegen- |
| über den bisherigen Verfahren; es sind keine be- |
| sc»idereri @rlteitsgünge, wie Entiernen von Gas- |
| brennern ti. dgl., nötig. \lan kaiirr zu gleicher Zeit |
| sämtliche Stroin"ie(zl(# finit :\iilieizl)atroiieii au- |
| rüsten uir(1 dadurch (las _\lilatifeii des Ofens ci-- |
| lieblich beschleunigen. 111 lern durch den I-ii- |
| duktionsofen gebildeten Läuterungsteil wird durch |
| seine starke Badbewegung eine innige I-)urch- |
| misc'hung der SAinelze lierl>eigefü@hrt, w;ihrend |
| der Weg durch und über (las 1_üttterungsrohr eine |
| Beruhigungsstreckc darstellt. Der 1Zatiinbedarf ist |
| gegenüber (lern liislterigeii \vbeneiiianderbau |
| wesentlich geringer. 1)L-i- Ofcn, der nunmehr all- |
| seits geschlossen ist, kaiiii unter verminderten |
| Druck gesetzt werden, tn)durch (1 t, f:iitfernung der |
| Gaseinschlüsse sehr beschletiiiigt wird. Die Größe |
| der einzelnen Teile kante gut aufeinander al)- |
| gestinimt und der Etiergieatifwtttid durch einfache |
| und zuverlässige Mittel auf (lest Durchsatz ab- |
| gestellt werden. Es ist aui.ler(lem niiiglich. den Ofen |
| aus verliältnism:ißig Nvetiigeii Formteilen zu- |
| sammenzusetzen, die auf 1_agei- gehalten werden |
| können, woraus sich eine Verkürzung der Repara- |
| turzeit ergibt. |