DE839688C - Schmelzen elektrisch schlecht leitender Stoffe, vorzugsweise von Glas - Google Patents

Description

Es ist der Vorschlag gemacht worden, Glas durch Induktion in'hochfrequenten magnetischen Wechselfeldern zu schmelzen. Hierbei mußten entweder die Glasrohstoffe so weit vorgeheizt werden, bis sie begannen, in gewissem Grad leitfähig zu werden, worauf sie erst der Einwirkung des Hochfrequenzfeldes ausgesetzt werden konnten, oder es mußte bei Verwendung kalten Rohmaterials ein sehr starkes Magnetfeld angewendet werden, zu dessen Ausbildung hohe Ströme erforderlich waren. Beide Verfahren haben keine praktische Bedeutung erlangt, nicht nur weil, wie im ersten Falle, die notwendige Vorerhitzung Arbeitsschwierigkeiten mit sich brachte, sondern auch weil in beiden Fällen die elektrische Ausrüstung kompliziert und daher kostspielig war, welche Umstände als erhebliche Nachteile empfunden wurden.

Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen und z. B. auch die Glasrohstoffe ohne Vorerhitzung nur auf elektrischem Wege zu erwärmen und zu schmel- so zen, hat man versucht, das Rohgemenge der Wirkung eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes auszusetzen. In dem Gemenge, welches hierbei das Dielektrikum eines Kondensators darstellt, setzen sich dessen dielektrische Verluste in Wärme »5 um. Als Ursache für diese Wärmeentwicklung nimmt man verstärkte Bewegungen und daher Reibung der Dipole im elektrischen Hochfrequenzfeld,

ferner eine gewisse, wenn auch minimale Bewegung im Gemenge an, die teilweise durch Elektrostriktion, teilweis« durch die Anziehungskraft des starken elektrischen Feldes auf die verschieden geladenen Gemengeteilchen hervorgerufen wird.

Eine Einrichtung zur praktischen Durchführung dieses Verfahrens sollte im Wesen aus einem aufrecht stehenden zylinderförmigen Gefäß bestehen, an welchem die Kondensatorbelegungen in Form ίο von an den Zylinder gelegten parallelen Tangentialebenen angebracht wären.

Diese Einrichtung weist jedoch gleichfalls eine Reihe von Mängeln auf, die als Erklärung dafür dienen können, daß auch sie keinerlei' praktische Bedeutung erlangt hat. Bei Gefäßen, Wannen oder Häfen eines für den Glasschmelzprozeß üblichen und zweckmäßigen Fassungsvermögens sind wegen des erheblichen Abstandes der Kondensatorbeläge und der Stärke des Dielektrikums außerordentlich ao hohe Spannungen notwendig. Ferner ist die Schicht des Schmelzgutes bei dieser Anordnung durchaus nicht gleichmäßig. Des weiteren verändern sich während des Schmelzvorganges dauernd die dielektrischen Werte des Gutes, wobei überdies wegen der Inhomogenität des Gemenges eine völlig ungleichmäßige Erhitzung desselben erfolgt. Es wurde vorgeschlagen, diese Schwierigkeiten durch Schaffung einer Relativbewegung zwischen Schmelzgut und Hochfrequenzfeld, etwa durch Drehen der Beläge um das Gefäß, zu beseitigen, doch könnte diese Maßnahme lediglich eine beschränkte Wirkung hervorbringen. Der Hauptmangel, nämlich die mit steigender Temperatur rapid sinkende Dielektrizitätskonstante, und die im Zustande der Schmelze l>estehende Leitfähigkeit der Glasmasse werfen Fragen auf, für die bisher keine Lösungen angegeben worden sind.

Als weiterer erheblicher Nachteil einer solchen Einrichtung ist das Fehlen eines kontinuierlichen Betriebes zu nennen, woraus erhellt, daß die Leistungsfähigkeit derartiger Anlagen und die Ausnutzung der in ihr aufgewendeten elektrischen Energie, also der Gesamtwirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit, niedrig bleiben. Schließlich ist ein nach dem gleichen Prinzip arbeitender Glasschmelzofen bekanntgeworden, der besonders zur Herstellung von Glasrohren gedacht ist. Der Ofen besitzt rohrförmige Gestalt, und die Kondensatorplatten sind Zylinder auf der äußeren bzw. der inneren Ofenwand. Dieser Ofen kann kontinuierlich betrieben werden und in der Längsrichtung unterteilt sein. Doch ist auch diese Ausführung wegen des in dem Ofen von innen nach außen auftretenden Temperaturgefälles nicht allen Anforderungen bezüglich gleichmäßiger Erhitzung des Schmelzgutes und infolgedessen auch hinsichtlich günstiger Energieausnutzung gewachsen.

Um diese Mangel und Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Schmelzen elektrisch schlecht leitender Stoffe, vorzugsweise von Glas, durch die Energie hochfrequenter Ströme entwickelt, darauf beruhend, daß in einem kontinuierlichen Arbeitsprozeß das zu schmelzende Gut zuerst zwischen den Belegungen eines Kondensators und parallel zu denselben unter Erhitzung durch die Energie der dielektrischen Verluste des Kondensators bis nahe an den Elektrolytzustand im Wesen geradlinig fortbewegt wird, worauf es durch ein Gefäß hindurchgeht, in welchem unter weiterer Erhitzung durch die von einer das Gefäß umgebenden Spule hervorgerufenen Wirbelströme die Vollendung des Schmelzprozesses, die Veredelung, Läuterung usw. erfolgt.

Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens, also ein Hochfrequenzofen, der aus einem Kondensator mit einem Heizraum für das Schmelzgut von im Wesen gleichmäßiger Tiefe zwischen den Belegungen und einem Gefäß, wie einer Wanne, einem Hafen o. dgl., besteht, welches von einer Hochfrequenzspule umgeben ist und mit dem Heizraum des Kondensators in Verbindung steht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Kondensator und die Spule Teile eines und desselben Hochfrequenzschwingungskreises.

Andere Merkmale der Erfindung, so ins1>esondere die Anordnung und Ausbildung eines Regelorgans für die Durchflußgeschwindigkeit bzw. -menge des erhitzten Gutes in der Verbindung zwischen dem Heizraum des Kondensators und dem Gefäß, können aus der folgenden, ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläuternden Beschreibung und Zeichnung entnommen werden, welch letztere einen Hochfrequenzofen für die Glasindustrie in schematischer Weise darstellt.

ι und 2 sind zylindrische, koaxial und vertikal angeordnete Belegungen des Hochfrequenzkondensators. Der äußere Belag 1 ist innen und der innere Belag 2 ist außen durch je eine ebenfalls zylindrische feuerfeste Ausfütterungsschicht 3, 4 gegen den zylindrischen Ringraum 5 abgeschirmt, der das zu schmelzende Gut führt. Das in dem Raum 5 befindliche Gemenge bildet zusammen mit den Schichten 3 und 4 sowie den Luftspalten 6 und 7 zwischen den Belegungen und den feuerfesten Schichten das Dielektrikum des Kondensators.

Die äußere Ausfütterungsschicht 3 setzt sich nach unten in einen sich verjüngenden Kegelstumpf 8 fort, der in ein Rohr 9 übergeht, welches in die unterhalb des Kondensators befindliche Wanne 10 mündet. Die innere Schicht 4 besitzt einen Boden 11, so daß der innere Kondensatorbelag 2 auch von unten her gegen die Hitze des Schmelzgutes abgeschirmt ist; sie kann unabhängig von dem inneren Belag 2 vertikal verstellt werden.

Die kreisförmige untere Abschlußkante 12 der Schicht 4 bildet zusammen mit der Innenfläche des Kegelstumpfes 8 ein Regelorgarv für den Fluß der Schmelze vom Kondensator zur Wanne. Selbstverständlich kann als Regelorgan ebensogut eine für solche Zwecke übliche Einrichtung, wie ein Ventil, ein Schieber o. dgl., vorgesehen sein.

Der innere Belag 2 ist mit einer Stange 13 verbunden, mittels der er in vertikaler Richtung auf 1*5 und ab bewegt werden kann.

Die äußere Ausfütterung 3 setzt sich nach oben hin in einen Fülltrichter 14 für das einzubringende Gemenge fort.

Die Wanne oder der Hafen 10 ist von einer Hochfrequenzspule umgeben, deren Windungen 15 in der Zeichnung angedeutet sind.

Der Erhitzungs- und Schmelzprozeß vollzieht sich in dem geschilderten Hochfrequenzofen folgendermaßen: Das kühle Gut wird in den Trichter 14 eingebracht und füllt den zylindrischen Ringraum 5 zwischen den Ausfütterungen 3 und 4 in eine.r gleichmäßig starken Schicht aus. Die Erhitzung durch die dielektrischen Verluste des Kondensators wird bis nahe an den Elektrolytzustand der Beschik-

¹S kung getrieben.

Wie in der Zeichnung dargestellt, ist das aus der Kante 12 und der Innenfläche des Kegelstumpfes 8· gebildete Regelorgan geschlossen, so daß vorerst eine Bewegung des erhitzten Gutes nicht möglich ist. Wird nun durch Anheben der zylindrischen Ausfütterung 4 zwischen deren Kante 12 und dem Kegelstumpf 8 eine Durchlaßöffnung geschaffen, ist dem erhitzten Gemenge der Weg durch das Rohr 9 und von diesem in die Wanne 10 freigegeben. Der Durchlaß kann durch mehr oder weniger starkes Anheben des Zylinders 4 geregelt werden, so daß die Geschwindigkeit und damit die durchtretende Menge des in die Wanne gelangenden Schmelzgutes den jeweiligen Bedingungen und Erfordernissen angepaßt werden können.

Durch laufendes Nachfüllen von Rohmaterial in den Trichter 14 wird ein kontinuierlicher Verlauf des Schmelzprozesses erzielt. Das nachströmende Gut unterstützt die durch die Luftspalten 6 und 7 hervorgebrachte Kühlwirkung für die Schichten 3 und 4.

Da der innere Kondensatorbelag 2 ebenfalls vertikal verstellbar ist, besteht die Möglichkeit einer Variierung der Verluste des Kondensators und damit einer Regejung der Erhitzung bzw. genauen Anpassung an die Eigenschaften des verwendeten Gemenges sowie an die Arbeitsgeschwindigkeit. Es ist klar, daß ebensogut eine Verstellung des äußeren Kondensatorbelages oder auch beider den gleichen gewünschten Effekt liefern würde.

Die Vollendung des Schmelzprozesses erfolgt durch Induktionserhitzung in dem an den Kondensator anschließenden Teil der Wanne 10. Durch den Einfluß der auftretenden Wirbelströme sowie der sich bildenden Wärmeschichten wird das Bad in ständiger Bewegung gehalten, so daß eine gründliche Läuterung eintritt, die zur Erhöhung der Glasqualität erheblich beiträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bei Anwendung des erfindungsgemäßen Ofens weist gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen folgende Vorzüge auf: 1. Erwärmung im Kondensator nur bis nahe an den Elektrolytzustand des Gutes und dadurch gleichmäßigere Belastung der Kondensatorbelegungen (Feld im Wesen homogen); 2. Regelbarkeit durch Veränderung der Kapazität und der Durchflußgeschwindigkeit bzw. -menge; 3. durch Kombination von Kondensator und Hochfrequenzspule in ein und demselben Schwingungskreis günstige Energieausnutzung und hoher Wirkungsgrad; 4. niedriger Energieaufwand bei durchaus gleichmäßiger Temperatur der geschmolzenen Glasmasse, weil der bei der dielektrischen Erhitzung wegen der erhöhten Wärmeverluste · der Außenschichten an diesen entstehende Temperaturabfall durch die stärkere Erwärmung der Außenschichten ausgeglichen wird, welche wegen des bei der induktiven Heizung auftretenden Skineffektes entsteht.

Claims (5)

1. Patentansprüche.

   i. Verfahren zum Schmelzen elektrisch schlecht leitender Stoffe, vorzugsweise von Glas, durch die Energie hochfrequenter Ströme, dadurch gekennzeichnet, daß in einem kontinuierlichen Arbeitsprozeß das zu sehmelzende Gut zuerst zwischen den Belegungen eines Kondensators und parallel zu denselben unter Erhitzung durch die Energie der dielektrischen Verluste des Kondensators bis nahe an den Elektrolytzustand im Wesen geradlinig fortbewegt wird, worauf es durch ein Gefäß hindurchgeht, in welchem unter weiterer Erhitzung durch die von einer das Gefäß umgebenden Spule hervorgerufenen Wirbelströme die Vollendung des Schmelzprozesses, die Veredelung, Läuterung usw., erfolgt.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen im Wesen gleichmäßige Tiefe aufweisenden Heizraum (5) für das Schmelzgut zwischen den mit feuerfestem Material (3, 4) ausgefütterten Kondensatorbelegungen (1, 2) und durch ein von einer Hochfrequenzspule (15) umgebenes Gefäß (9, 10), Wanne, Hafen o. dgl., welches mit dem Heizraum (5) des Kondensators in Verbindung steht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen Heizraum (5) des Kondensators und Gefäß (9, 10) ein Regelorgan für die Durchflußgeschwindigkeit bzw. -menge des erhitzten Gutes eingeschaltet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zylindrische Ausfütterung (3) des 'äußeren Kondensator- no belages (1) unten in einen sich verjüngenden koaxialen Kegelstumpf (8) fortsetzt, gegen welchen die zylindrische Ausfütterung (4) des inneren Belages (2) axial verstellbar ist, so daß der Rand (12) dieser Ausfütterung (4) zusammen mit dem Kegelstumpf (8) das Regelorgan bildet.
5. 5. Vorrichtung nach einem der'Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator und die Spule Teile ein und desselben iao elektrischen Hochfrequenzschwingungskreises sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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