SE419334B - Apparat for upphettning av smelt, termoplastiskt material, serskilt smelt glas - Google Patents

Description

_7so1sso-2 '10 15 20 25 30- 35 H0 2 väsentlig del av den fria ytan hos de material som finns i ugnen, medför besparing av värme på grund av mängskiktets termiska isole- ringsegenskaper, sänkning av temperaturen för den gas som ut- släppes i atmosfären och minskning av utsläppet av gasformiga beståndsdelar från glassmältnings- och raffineríngsprocessen.

I de fall där glas har relativt låg elektrisk resistivitet vid smält- och arbetstemperaturerna, exempelvis alkaliborsilikat- och soda-silikatglas, har jouleeffektupphettning, vid vilken elektrisk ström matas genom det smälta glaset för att detta härvid skall verka som uppvärmningsmotstånd, utnyttjats effek- tivt. Glas och andra termoplastmaterial med relativt höga elek- triska resistiviteter vid de arbetstemperaturer, vid vilka de är_i smält tillstånd, har emellertid medfört problem som ej till- fredsställande kunnat lösas vid kommersiell tillverkning i stor skala.

Svårigheter har speciellt uppkommit vid försök att tillämpa jouleeffektuppvärmning eller -upphettning för tillverkning av kommersiella kvantiteter av den glaskompositíon som är känd under beteckningen E-glas och typiskt innefattar: Si02g Su % Al2O3 ln % CaO 17,5 % Mg0 4,5 % B203 10 % Dylikt glas kräver hög temperatur för smältníng och raffine- ring, har relativt hög elektrisk resistivitet och har relativt ~brant, negativ temperaturkoefficient för den elektriska resistansen.

Eldfasta material som användes i behållare för smält glas vid smältning, raffinering och bearbetning av glaset har en användbar livslängd som primärt bestämmas av den hastighet, varmed det eld- fasta materialet går förlorat. Den investering som är förknippad med konstruktion och ombyggnad av dylika behållare ställer krav på en livslängd av ett flertal år av kontinuerlig ugnsdrift, där under normal drift kontinuerlig tillförsel av mängmaterial resp. utmatning av glas göres.. i Ett föredraget väggmaterial för behållare för smält glas är kromoxid. E-glas bearbetas eller behandlas typiskt i ett temperatur- intervall från 131600 till omkring l5l0°C. Vid dessa temperaturer 10 15 20 25 30 35 UU 7601630-2 3 fungerar eldfasta material av kromoxid tillfredsställande under den erforderliga ugnslivslängden, då ugnen uppvärmes genom förbränning av fossilt bränsle, d.v.s. de eldfasta materialen undergår mekanisk erosion, förorsakad av glasbeståndsdelarna, samt termisk och kemisk korrosion med ekonomiskt godtagbara hastig- heter. Då emellertid försök-gjorts att upphetta E-glas medelst jouleeffektupphettning, har man funnit att eldfasta material av kromoxid förstöres med hög hastighet, såvida speciella mot- åtgärder ej vidtages.

Ett sätt att skydda en eldfast insats eller ett material av kromoxid finns behandlat i den amerikanska patentskriften 3 806 621, varvid åtminstone en sidovägg och vanligtvis samtliga sidoväggar hos smältkammaren är utförda av ett låg löslighet uppvisande eld- fast material av kromoxid och bottnen är tillverkad av eldfast material med hög elektrisk resistans vid temperaturen för det smälta glaset, varjämte ett flertal elektroder är placerade i kammaren för att åtminstone partiellt omge en eller flera sam- verkande, sammankopplade elektroder för att begränsa den maximala potentialskillnad eller elektriska påkänning i sidoväggarna som kan uppkomma från den spänning som påtryckes mellan elektroderna i och för åstadkommande av jouleeffektupphettning. Genom nlace- ringen av de sammankopplade elektroderna mellan väggen och den samverkande elektroden eller de samverkande elektroderna, om de är flera, erhålles ett stängsel eller en skyddsring med avseende på potentialskillnaden eller elektriska påkänningar i sidoväggen.

I ett arrangemang är stängsel- eller skyddselektroderna jordade och är den eller de elektroder som de omger anslutna till den spänningsförande sidan av energikällan.

Ett typiskt eldfast material som ger relativt hög elektrisk resistivitet vid glassmälttemperaturer är zirkon av hög densitet.

Detta material användes för ugnsbottnen enligt det nämnda patentet. Även om det eldfasta zirkonmaterialet av hög densitet har avsevärt högre elektrisk resistivitet än E-glaset vid temperaturer för smält E-glas, utsättes det för snabb förstöring genom erosion och korro- sion, då det användes i sidoväggarna av glastanken eller -behållaren.

Metoden för begränsning av den utsträckning i vilken elektrisk upphettning uppkommer av det smälta glaset i närheten av en glas- behållares sidoväggar har tidigare beskrivits i ett antal patent.

Var och en av de amerikanska patentskrifterna 2 089 689 och 2 089 690 visar ugnskonstruktioner, där elektroder är förda 10 15 20 25 30 35 40 _7eo1szo-2 4 genom en glassmältbehållares sidoväggar eller åtminstone har elek- triskt ledande element, som är i kontakt med dessa sidoväggar och sträcker sig mellan källan för elektrisk energi och elektroderna i beröring med glaset i behållaren. Exempel på ytterligare patent, vari utnyttjas speciell orientering av elektroder i en glassmält- ugn för undvikande av lokal upphettning av det smälta glaset i närheten av väggarna, utgör de amerikanska patenten 2 267 537, 2 552 395, 2 638 913 och 3 409 725. Arrangemangen enligt dessa kända patent har varit tillfredsställande vad gäller glaskompo- sitioner med relativt låg elektrisk resístivitet i smält tillstånd, men då glaskompositioner med en resístivitet i smält tillstånd, som är större än resistiviteten för det omgivande, eldfasta mate- rialet, behandlas i respektive arrangemang, uppkommer intolerabelt kraftig förstöring av eldfast material vid jouleeffektupphettning.

Vad gäller exempelvis de amerikanska patenten 2 089 689 och 2 D89 690, skulle sidoväggarna av låg resístivitet leda större delen av den ström, som härrör från den över elektroderna på- tryckta spänningen, varför enbart en ringa del av strömmen skulle flyta in i glaset för att ge jouleeffektupphettníng. Man har funnit, att strömflöde i det eldfasta materialet utgör huvud- orsaken till förstörelse av materialet. Érosion och korrosion är speciellt besvärliga i gränsområden.

Vad gäller elektroder för jouleeffektupphettning av glas, angripes elektroderna intensivt vid luft-glas-,luft-mängmaterial-och mäng- material-glasgränsytorna, så att elektrodernas livslängd kraftigt minskar, såvida ej dylika gränsytor och eventuella oxiderande omgivningar undvikes vid höga temperaturer. Såsom visas i den amerikanska patentskriften 3.806 621, har elektroderna införts genom ugnsbottnen till en nivå under den övre ytan hos det smälta glaset. Detta är ej fallet i de övriga nämnda patenten, eftersom elektroderna där är införda i smältan under smältans övre yta och de väggar, genom vilka elektroderna är förda, ej är spe- ciellt valda för upptagning av de för glasbehandling erforderliga höga temperaturerna och sidoväggarna har lägre elektrisk resi- stivitet än det smälta glaset.

Enligt uppfinningen upphettas termoplastiskt material av relativt hög resístivitet i smält tillstånd och inrymmes i en eldfast behållare med sidoväggar av material, som vid drifts- temperaturerna har lägre elektrisk resístivitet än det smälta termoplastiska materialet. Elektroderna är elektriskt isolerade 10 15 20 30 35 UD 7601630-2 5 - från sidoväggarna, så att ledande banor i dessa minimeras. Den elektriska isoleringen åstadkommes genom elektrodernas placering.

I ett arrangemang användes behållarsidoväggar av eldfast material med låg löslighet, företrädesvis kromoxid, och en botten av eldfast material med relativt hög elektrisk resistivitet, exem- pelvis zirkon, genom vilken en uppsättning av elektroder sträcker sig, varav var och en är belägen på större avstånd från behållarens sidoväggar än respektive elektrods avstånd från den elektrod eller de elektroder, vartill huvuddelen av dess ström flyter genom glaset. Bottenerosíon uppkommer med mycket lägre hastighet än vad gäller sidoväggerosion, varför den relativt höga lösligheten för zírkonboifcnmaterialet kan tolereras, speciellt i det att den termiska profilen vertikalt genom glaset är sådan, att glaset omedelbart intill bottenväggen har relativt låg temperatur, och ett dämpande skikt av smält glas sträcker sig över bottenytan för att isolera denna yta från glasströmmar som uppkommer genom konvek- tion i kroppen av smält glas. Vad gäller E-glas, har det eldfasta kromoxidmaterialet en elektrisk resistivitet av från omkring 1/10 till omkring l/6 av glasets resistivitet i ett arbetstemperatur~ intervall av 126000 till lH82OC. Det eldfasta zirkonbottenmate- rialet har en resistivitet av omkring 86 ggr resistiviteten för glaset vid 126000 till omkring 60 ggr glasets resistivitet vid 1us2°c. Även om kromoxidkorrosion påskyndas, då ström matas därigenom, har man funnit att minskningen av livslängden hos kromoxid som lämpligt eldfast material för glasugnsidoväggar ligger inom tolera- bel nivå, då strömtätheten i det eldfasta materialet är begränsad till en täthet ej större än omkring 0,31 ampêre/cm?. Enligt uppfin- ningen placeras sålunda elektroderna på sådant sätt i förhållande till det eldfasta sidoväggmaterialet, som har lägre elektrisk resistivitet än det termoplastiska materialet, att resistansen i vilken som helst strömbana, där eldfast sídoväggmaterial ingår, är tillräckligt stor med avseende på den pâtryckta spänningen för begränsning av strömmen till en strömtäthet, som ej är större än omkring 0,31 ampêre/cm2.

På bifogade ritning är fig. 1 en planvy av en elektrisk ugn för smältning av glas enligt uppfinningen och visar en trefasig mat- ningskälla med en enskild fas till vart och ett av tre elektrodpar, varvid med streckade linjer visas de ledande huvudbanorna i ugnens sidoväggar och i det smälta glaset, medan fig. 2 är en tvärsektionsvy 7691630-2 10 l5 20 25 30 35 UD 6 av glasugntanken och halsen utefter linjen 2-2 i fig. 1.

Tankdelen 10 av en glassmältugn enligt uppfinningen visas i plan- och sidovy i fig. l och 2. Denna ugn kan arrangeras för enbart jouleeffektupphettning eller för jouleeffektupphettning i kombination med tillförsel av värme ovanför ytan hos de bestånds- delar som inrymmes i tanken. Medel för tillförsel av värme ovanför beståndsdelarna, det valv som omger utrymmet ovanför bestånds- delarna för inneslutning av värmet och riktning av detta mot beståndsdelarna, och rökgasportarna för ventilering av utrymmet till atmosfären har utelämnats i föreliggande beskrivning för att uppfinningen bättre skall framgå.

Allmänt sett är organisationen av mängmaterialmatningen och de övre glasupphettningssystemen konventionella, d.v.s. såsom visas i fig. l och 2 inmatas mängmaterial vid mänginmatnings- partier ll och 12 i sidoväggarna 13 och lä vid det bakre partiet av tanken 10 intill bakväggen 15. Mängmatare (ej visade), vanligt- vis av omrörartyp, är monterade i varje inmatningsparti och är inrättade att trycka mängmaterialet upp på ytan av smält glas, så att det flyter på ett parti av ytan eller på hela ytan. Eftersom mängmaterial har mycket högre elektrisk resistans än smält glas, kommer dess fördelning över det smälta glaset i tanken l0 ej nämnvärt att påverka de elektriska betingelserna för systemet.

Mängmaterialet kan sålunda vara begränsat till enskilda ytpartier i området omedelbart intill mänginmatningspartierna ll och 12, det kan utgöras av ett täcke eller skikt sträckande sig konti- nuerligt från sidoväggen 13 till sidoväggen 14, från bakväggen ett avsevärt avstånd framåt mot frontväggen 16 och halsen 17, från vilken smält glas avges från tanken, eller det kan helt och hållet täcka den smälta glasmassan i tanken. Det andra alterna- tivet har visats. Sålunda sträcker sig ett mängskikt l8 utefter längden av ugnen från bakväggen 15 mot frontväggen 16 till en framkant 19, bortom vilken den övre fria ytan utgöres av smält glas 21. Såsom visas i tvärsektion i fig. 2, har detta mängtäcke 18 en gränsyta 22 med därunder liggande smält glas 23, in i vilket mängmaterialet undan för undan smältes. Ett dylikt arrangemang inne- fattar ett valv, som innesluter en atmosfär ovanför täcket 18 och den smälta ytan 21, upphettare ovanför ytan 21 och en rökgasport från valvet (ingetdera visas) för att då brännaren eldas med fossilt bränsle, åstadkomma en typ av kombinerad elektrisk upphett- ning och förbränning av fossilt bränsle. 2 10 15 20 25 30 35 H0 7601630-2 7 Uppfinningen hänför sig speciellt till glastankar för smält- ning och raffinering av glas som har hög resistivitet i smält tillstånd vid smält- och raffineringstemperaturer. Dylikt glas klassas som lågalkaliglas, exempelvis E-glas. E-glas har mycket högre resistivitet än glas som normalt upphettas genom jouleeffekt- upphettning, vilka senare glas klassas som glas med relativt högt alkaliinnehåll (av storleken 15 vikts-% alkali), exempelvis ett alkaliborsilikatglas använt för tillverkning av glasull och med mycket högre resistivitet än flertalet eldfasta material lämpade för inneslutning av smält glas vid glasbearbetningstemperaturer.

Jouleeffektupphettning av glas med hög resistivitet medför sålunda förluster genom shuntströmmar i det eldfasta materialet, vilket ej föreligger vid glas av låg resistivitet.

Glas som har högre elektriska resistiviteter kräver vanligtvis högre smält-, raffinerings- och arbetstemperaturer. De tidigare observerade menliga effekterna av höjda temperaturer på de eldfasta materialen kommer att läggas till de menliga elektriska effekter som erhålles vid glas av hög resistivitet. En tumregel är att förslitningshastigheten för det eldfasta materialet fördubblas i det närmaste för varje 5500 (l00°F) temperaturökning vid glas- behandlingstemperaturer.

Ett föredraget eldfast material för glas, som behandlas vid höga temperaturer, i intervallet l370°C till l5l0°C, är kromoxid vad gäller förslitningshastighet. Den kraftigaste förslitningen erhålles vid glaslinjen, d.v.s. gränsytan mellan smält glas och ugnsatmosfären, i det fall där en fri yta av smält glas utsättes för denna atmosfär, och vid gränsytan mellan smält glas och mäng- material, där ett skikt av mängmaterial flyter på det smälta glaset. Vid användning till sidoväggar i en glastank, där joule- effektupphettning av E-glas utföres, har man funnit att korrosionen av kromoxiden är en funktion av den elektriska strömtätheten i det eldfasta materialet. En jämförelse av korrosionshastigheter med korrosion, där ingen elektrisk ström finns vid motsvarande temperaturer för smält E-glas, visar att ingen nämnvärd effekt på kromoxidens korrosionsmotstånd kan observeras, då en strömtät- het av 0,31 ampere/cm2 eller lägre matas genom kromoxiden vid glas- linjen. Vid 0,37 ampëre/cm? var emellertid ökningen i korrosions- hastighet för kromoxiden omkring 15 %, vid l,l3 ampêre/cm? obser- verades 90 %-ig minskning av livslängden, och vid 1,36 ampëre/cm2 minskade det eldfasta kromoxidmaterialets livslängd med 98 %. Korro- 10 15 20 25 30 35 40 _~7e010a0-2 8 sionen på kromoxiden under glaset var ej så stor som den som noterades vid glaslinjen.

Zirkon av hög täthet (exempelvis 4,25 g/cms) har mycket högre elektrisk resistivitet än kromoxid, även om dess korrosionsmot- stånd är avsevärt sämre än kromoxidens. Såsom framgår av tabell I, ligger dess elektriska resístivitet från omkring 1000 ggr till omkring 300 ggr resistiviteten för eldfast kromoxidmaterial i temperaturintervallet 114900 till 153800. _ De relativa elektriska resistiviteterna för kromoxid, zirkon, ett typiskt högalkaliglas och ett typiskt E-glas vid olika tempera- turer i_arbetsintervallet för dessa glas finns angivna i den följande tabellen.

Tabell I. Resistivitet i ohmcm Alkali- _ _ _ C Kromoxid Zirkon ullsglas) (E-glas) 11us 10,5 1,9 x 10” 7,2 .5,s x 102 120u 13 1,0 x 10" 6 2,0 x 102 1200 9,0 1 x 10" 5 1,5 x 102 1310 7,0 s,u x 103 4,0 au 1371 5,8 4,3 x 103 3,0 sa 1027 4,8 2,5 x 103 3,u au 1402 0,1 1,5 x 103 3,0 24 1538 3,0 1,1 x 103 2,0 17 I de fall där jouleeffektupphettning användes vid glas med låg elektrisk resístivitet, jämfört med den elektriska resistivi- teten för ugnssidoväggarna vid arbetstemperaturerna, är den elek- triska ledningsbanan i sidoväggarna försumbar, d.v.s. glasets resistans med avseende på matningen av elektrisk ström mellan elektroderna i smältan är mycket låg jämfört med den elektriska resistansen för kretsar innefattande ugnsväggarna, varför merparten av strömmen mellan elektroderna begränsas till det smälta glaset.

Jouleeffektupphettning av glas av låg resistivitet har sålunda kunnat utföras framgångsrikt utan att större avseende behövt fästas vid shuntbanorna i det inneslutande eldfasta materialet.

Högresistivt glas, exemplifierat genom E-glas, har en elek- trisk resistivitet som är avsevärt större än resístiviteten hos de eldfasta material som på grund av korrosíonsegenskaper och erosionsmotstånd kan föreskrívas för användning i ugnssidoväggar. 10 l5 20 25 30 35 H0 7601630-'2 9 Som resultat härav kan de elektriska potentialer som uppkommer mellan elektroderna i glaset i och för jouleeffektupphettning av detsamma, ge avsevärda strömmar i det eldfasta materialet i elek- triska banor som är parallella med de strömbanor, där jouleeffekt- upphettningen erhålles.

Det har vanligtvis antagits, att den övervägande delen av jouleeffektupphettningen sker i närheten av elektroderna, eftersom den största strömtätheten föreligger i detta område. Tendensen vid konstruktion av ugnar, där jouleeffektupphettning användes, har därför varit att fördela elektroderna över en avsevärd del av glasvolymen i och för fördelning av värmet och erhållande av ensartad upphettning. En sådan fördelning medför elektroder, som ligger nära intill ugnsväggarna. Under det att detta var lämpligt i de fall där de eldfasta väggarna hade hög elektrisk resistivitet relativt det smälta glaset, gav en dylik elektroduppsättning rela- tivt låg resistans mellan elektroderna och väggarna och därigenom lågresistiva banor för den ström som tillförts glaset i och för jouleeffektupphettning.

Ett lämpligt elektrodarrangemang för jouleeffektupphettning av glas är att föra den ledande anslutningen till elektroden genom en ugnsvägg under glaslinjen, för att gränsytorna mellan luft och glas eller mellan luft och mängmaterial och mellan mängmaterial och glas skall undvikas vid elektrodytan. En metod är att montera elektroder vertikalt genom tankens bottenvägg, såsom visas med elektroderna 24-29 i tankens 10 botten 31. Dylika elektroder är vanligtvis isolerade från oxiderande material i de hetare områdena i och för minímering av oxidation av elektroderna. Molybdenelektro- der av rätvinklig cylinderform med en diameter av omkring 7,5 cm är i typiskt fall mantlade i omrâdet under tankbottnen, så att de kyles till en temperatur under omkring 3H0°C vid den punkten, där de går ut från manteln. Vatten- eller luftkylning av manteln kan användas, och kväve är en lämplig icke oxiderande atmosfär kring de hetare partierna av elektroden i manteln.

För att kromoxidens utmärkta korrosionsmotståndskraft skall kunna utnyttjas i elektriska ugnar utan åstadkommande av lågresi- stiv shuntning mellan elektroderna 24-29, där de passerar genom tankens 10 eldfasta bottenvägg 31, användes kromoxiden i sido- väggarna och andra områden, som utsättes för höga erosionshastig- heter och/eller höga korrosionshastigheter till följd av termisk och kemisk inverkan, samtidigt som den hålles på avstånd från de 7601630-2 10 15 20 25 30 35 40 10 metalliska ledarna i upphettningssystemet. Zirkon användes för tankbottnen 31 för att ge hög elektrisk resistivitet mellan elek- troderna vid arbetstemperaturerna. Korrosionshastigheterna vid ugnens botten är relativt låga, varför zirkonbeläggningen får en livslängd anpassad till livslängden för kromoxiden vid sidovägg- glaslinjen, i inmatningspartierna ll och 12 samt i halsen 17.

Elektrisk erosion göres minimal genom att strömmen i sido- väggarna hålles lika med jouleeffektupphettningsströmmen vid eller under en strömtäthet av 0,31 ampere/cmz. Detta åstadkommes genom proportionering av längderna för de strömbanor som inne- fattar partier av den lâgresistiva sidoväggen med avseende på längderna för strömbanorna i det relativt högresistiva smälta glaset för vilken som helst påtryckt spänning och erforderlig ström för jouleeffektupphettning, så att väggströmmen begränsas till den önskade strömtätheten genom sambanden för de totala resistanserna för respektive banor.

Ett exempel på elektrodarrangemang som uppfyller de önskade kriterierna visas medelst elektrodpar 24-25 i fig. 1 och 2. Sido- väggarna 13 och lä utgöres där av kromoxid vid gränsytan mellan eldfast material och glas och bottenväggen 31 av zirkon vid gränsytan mellan eldfast material och glas. Molybdenelektroder 24 och 25 med en diameter av 7,62 cm sträcker sig 45,72 cm in i smält E-glas med en underglastemperatur i närheten av från om- kring 139300 till lR32°C och ger försumbar strömkorrosion i väggarna 13 och lä, då växelström med en spänning av 320 V påtryckes mellan elektroderna 2% och 25 och en ström av 725 ampere flyter i elektrodkretsen, där elektroderna är belägna på inbördes centrum- avstånd av 61,0 cm och är centrerade i en tank med en bredd av l,98 m. Strömbanorna mellan elektroderna 24 och 25 har sålunda en minimilängd av 53,3 cm i ett material med en resistivitet av omkring 34 ohmcm, förutsatt att ensartad temperatur för det smälta glaset föreligger mellan elektroderna. Den beräknade resistansen mellan elektroderna 24 och 25 är 0,440 ohm.

Elektroderna 24 och 25 är belägna på 84,8 cm avstånd från de i förhållande därtill mest närbelägna sidoväggarna 13 och 14. Samma minimiavstånd mellan vägg och elektrod och samma avstånd mellan elektrodparen användes även för elektroderna 26, 27, 28 och 29. Ändparen av elektroder, 24, 25 resp. 28, 29, är belägna på ett avstånd av 265 cm från bakväggen 15, och 125 cm från frontväggen 16, varför med avseende på elektriska ledningsbanor till väggarna led- 10 15 20 25 30 35 40 7601630-2 ll ning genom glaset till bak- och frontväggarna kommer att för- summas och det kommer att antas att väggshuntströmmen flyter genom glasmassan utefter den kortaste banan mellan varje elektrod och dess mest närbelägna vägg. Varje elektrodpar är centrerat i ett plan vinkelrätt mot ugnens längdaxel, och planet för elektrodparet 26, 27 är beläget på ett avstånd av 137 cm från planet för paret 24-25 och 99 cm från planet för paret 28-29.

En ugn av det visade slaget har drivits med en trefaskälla 32, så att var och en av tre transformatorprimärlindningar matas med en spänning fasförskjuten 1200 relativt de övriga och så att polariteten i transformatorns 43 sekundärlindning inverteras.

Där termoelement 33 resp. 34 anger underglastemperaturer av 139300 och lH32°C och där glastemperaturen vid inloppet till halsen 17 är 141600, har vid jouleeffektupphettningen använts en spänning av 290 V och en ström av 650 ampere i kretsen till elektroderna 2%, 25, 320 V och 725 ampere i kretsen till elektroderna 26 och 27 och 310 V och 830 ampere i kretsen till elektroderna 28 och 29.

I praktiken kommer underglastemperaturen utefter den längs- gående centrumlinjen av ugnen i fig. l och 2, då E-glas behandlas, att successivt öka från bakväggen 15 mot ett hett område unge- fär 2/3 av längden mot frontväggen, och kommer temperaturen där- efter att falla, då glaset närmar sig halsen 17. Termoelementet 3H är beläget ungefär vid det heta området. Ugnens termiska tvär- profil vid SH kommer att sänka temperaturen vid gränsytan mellan glas och sidovägg till omkring l260°C, och temperaturen vid det yttre av det eldfasta kromoxidmaterialet är i denna tvärsektion omkring l090°C vid ett temperaturfall av omkring l70°C över det 15,2 om tjocka skiktet av eldfast material. Liknande gradienter kommer att föreligga vid andra tvärsektioner utefter ugnens längd.

Det inses, att B-glaset i närheten av väggarna har en resisti- vitet av 150 ohmcm eller omkring 5 ggr resistiviteten för glaset mellan elektroderna även i trakten av det heta området, och att kromoxiden kommer att ha en resistivitet vid glasgränsytan av 10 ohmcm, vilken kommer att minska till 25 ohmcm vid ytterytan.

Den genomsnittliga resistiviteten för kromoxiden är ungefär 15 ohmcm. Även om glasets fluiditet och konvektionsströmmar däri ger olinjär tamperaturgradient mellan elektroderna och sidoväggarna, vilken gradient avviker från rätlinjig temperatur- eller resistivitets- gradient, inses att de lägre temperaturerna i glaset närmare sido- väggarna taget tillsamman med den logaritmiska, negativa temperatur- 10 l5 20 25 30 35 40 n?-6G1630-2 12 koefficienten kommer att orsaka att glasets resistans, då avståndet mellan vägg och elektrod är större än avståndet mellan elektroderna, blir flera gånger större än resistansen mellan elektroderna.

Matningskällan 32 utgöres av en trefas växelströmkälla som' från respektive fas matar varje par av elektroder via en trans- formator och en regleranordning. Transformatorn 35 har exempelvis en primärlindning kopplad till matningskällan 32 och en sekundär- lindning kopplad mellan elektrodparet 24 och 25. Ström flyter mel- lan elektroderna 2U och 25 via den krets, som bildas av trans- formatorns 35 sekundärlindning, regleranordningen 36 och det smälta glaset såsom detta representerats medelst det med streckade linjer visade motståndet 37. Regleranordníngen 36 kan i typiskt fall vara en mättningsbar reaktor eller motsatt polade, parallella, styrda kisellikriktare som fasstyres för att blockera strömflöde under förutbestämda delar av varje spänningsperiod, vilka delar vanligtvis är symmetriska för varje halvperiod. Elektroderna 26 och 27 är kopplade till transformatorns 38 sekundärlindning och regleranordningen 39, och huvudströmbanan i glaset mellan elek- troderna 26 och 27 representeras av motståndet 41. Pâ liknànde sätt har elektroderna 28 och 29 en matningsbana representerad av motståndet H2, som matas från transformatorns 43 sekundärlindning och regleranordningen HH. Varje elektrodpar kan anses upphetta en termisk zon i glasmassan. ' Vart och ett av elektrodparen ZU-25, 26-27 och 28-29 matas från källan 32 fasförskjutet med avseende på varandra följande elektrodpar, så att ögonblicksvärdet för den spänning som påtryckes elektroderna är olika. Som rosulrat härav måste strömbanorna i glasmassan betraktas mellan var och en av elektroderna. Storleken på den ström som kommer att flyta mellan varje elektrodpar med olika spänning beror av fasskillnaden. Dessa strömbanor är represen- terade medelst motstånd 45-H9 och 51-53 visade med streckade linjer. Shuntbanor i glasmassan från elektroderna till ugnssido- väggarna och utefter sidoväggarnas längd, mellan kopplingspunkterna med glasmassmotstånden, är representerade med motstånd 54-59 ritade med streckade linjer för elektrod-väggbanepartierna och med 61-66 för väggpartierna.

Varje strömbana är funktion av mediets resistivitet (glas i smältan), tvärsektionsarea och längd och detta bestämmer dess resi- stans, och den påtryckta spänningen bestämmer strömmens storlek.

För att underlätta illustrationen av en första approximation av 10 15 20 25 30 35 40 7601630-2 13 kretsarna mellan elektroderna, kommer det att antas att segmenten för banorna är av storlekar direkt proportionella mot deras längder i ett givet medium. Det torde emellertid inses, att de termiska och elektriska egenskaperna för glas i en elektrisk smältugn ej låter sig användas för en enkel analys beroende på det allmänt sett exponentiella sambandet för resistansens negativa temperaturkoefficient, temperaturvariationerna i en massa av smält glas, skikt av smält material intill de inneslutande väggarna och av en sammansättning skild från huvuddelen av massan samt flödesmönstren för den smälta glasmassan. Det antagna linjära sambandet mellan den konduktiva banlängden och banmotståndet är därför enbart en första approximation. I den omedelbara när- heten av sidoväggarna har dessutom kallare glas avsevärt högre resistivitet än glaset mellan elektroderna. Avlägsnandet av smält glas och tillförseln av relativt kallt mängmaterial stör även de termiska profilerna och sålunda resistiviteten i massan.

Strömbanorna i fig. l visar att det valda avståndet mellan till varandra parade elektroder ger banan med lägsta resistans mellan dessa elektroder, och denna minskade resistans understrykes ytterligare av den intensivare upphettningen i detta område. Vad beträffar elektroderna 24 och 25, har den lägsta resistansen visats vid 37. En parallellbana till och genom sídoväggarna för den potential som påtryckes över elektrodparet 24-25 föreligger emellertid, från elektroden 24 genom glasmassmotstândet 54 till sidoväggen 13, därefter genom parallella banor i sidoväggen 13 till bakväggen 15 och sidoväggen 14, vars resistans markerats med motståndet 61, glasmassmotstândet 55 och elektroden 25. En annan parallellbana sträcker sig genom sidoväggen 13 framåt till front- väggen 16 och sidoväggen 14, representerad av motstånden 66, 85, 64, 63 och 62, och därefter genom den av motståndet 55 represen- terade glasmassan till elektroden 25. Elektrodens 24 avstånd från väggen l3 och elektrodens 25 avstånd från väggen l4 är vart och ett större än avståndet mellan elektroderna 24 och 25. Resistansen i banans glasdel, innefattande väggpartierna, är därför dubbelt så stor som resistansen mellan elektroderna, även bortsett från den större resistiviteten till följd av lägre glastemperaturer i riktning mot sidoväggarna. Då denna glasresistans adderas till väggarnas resistans, inses att med elektroderna 24 och 25 belägna närmare varandra än avståndet till sidoväggarna och med beaktande av den stora längden för sidoväggen i shunten den bana, som inne- _;76o1eso~2 10 15 20 25 30 35 H0 lä fattar väggarna, har en resistans som är många gånger större än resistansen för glaset mellan elektroderna 2U och 25, varför enbart en liten del av strömmen från den strömbegränsade, reglerade källan ledes därigenom.

Då de andra elekfroapàren tillföras effekt för jouleeffekf- upphettning, har de liknande primärströmledningsbanor mellan elektroderna och shuntbanor genom de eldfasta väggarna. Dessutom finns banor mellan elektrodparen med de polariteter som anges med punkterna vid transformatorlindningarna, exempelvis från trans- formatorns 3É sekundärlindning och elektroden 2H till en glas- massdiagonalbana 47 till elektroden 27 genom regleranordningen 39, sekundärlindningen hos transformatorn 38, elektroden 26, glas- massdiagonalbanan 48, elektroden 25, regleranordningen 36 och tillbaka till sekundärlindningen 35. Denna bana tillföres effek- tivt summan av de påtryckta spänningarna, exempelvis mellan elek- trodparen 24-25 och 26-27. Eftersom spänningarna är ur fas, är spänningarnas summa funktion av de pâtryckta enskilda beloppen för spänningarna och respektive faslägen. Fasskillnaden för spän- ningen pâ elektroden 25 är l2Q° relativt spänningen på elektroden 26 och 600 relativt spänningen på elektroden 27. Fasskillnaden i spänningen på elektroden 24 är 1200 i förhållande till spän- ningen pâ elektroden 27 och 600 i förhållande till spänningen på elektroden 26. Om de båda transformatorerna 35 och 38 matades med spänningar i fas, skulle fasskillnaden mellan två av elek- troderna i de olika paren vara 0 och 1800 mellan de övriga två._ I samtliga system med undantag för ett balanserat system, exempelvis ett tvåfas matningssystem med lika spänningar i 900, kommer vissa kombinationer av elektroder av olika grupper av elektriskt anpassade elektroder att ge en högre spänning däröver än andra kombinationer.

Sättet att koppla spänningskällorna till respektive elektrodgrupper eller -par kommer att bestämma läget för det område i glaset, till vilket de högre och lägre huvudspänningarna och -strömmarna kommer att tillföras, och bestämmer strömmen i shuntbanorna, innefattande sidoväggpartíer, som påtryckes dessa spänningar.

I exemplet i fig. 1 medför fasningen sålunda att de lägre huvudspänningarna och -strömmarna, erhållna på grund av fas- skillnaden på 600, tillföres parallellt med tanksidoväggarna och mellan elektroderna 25 och 27 intill sidoväggen lh och elektro- derna ZH och 26 intill sidoväggen 13. Denna bana sträcker sig från transformatorn 35 genom elektroden 2H, glasmassmotstândet 45, elek- 10 15 20 25 30 35 40 7601630-2 15 troden 26, transformatorn 38, regleranordningen 39, elektroden 27, glasmassmotståndet HB, elektroden 25, regleranordningen 36 och tillbaka till transformatorn 35. _ Shuntbanor innefattande ugnsväggarna kommer att ligga paral- lellt med de nämnda banorna mellan paren. Varje bana utsättes emellertid för det dubbla glasmassbegränsande motståndet hos de parade elektrodshuntarna, eftersom varje bana inbegriper summan av motstånden 54, 55, 56 och 57, och varje bana utsättes för mindre än dubbla elektrodparspänningen på grund av de skilda fassambanden för summaspänningen. Med antagande av att lika spänningar tillföres varje elektrodpar och att regleranordningarna 36, 39 är inställda för ledning under hela spänningsperioden, kommer summan av de 600 fasförskjutna spänningarna att vara 1,0 ggr en elektrodparspänning.

Spänningen mellan elektroderna QR och 26 är 0,5 av spänningen för den ena källan, och shuntströmmen i den mot denna spänning svarande väggen bestämmes huvudsakligen av summan av motstånden 54, 66 och 56. En mindre strömbana parallellt med motståndet 66 kring ugnsväggen mellan väggområdena intill elektroderna sträcker sig genom motstånden 61, 62, 63, SH och 65, varvid man dock kan bortse från denna, eftersom banan har mycket högre resistans än motståndet 66. Högre effektiv väggresistans kan erhållas där de_ parallella strömbanorna är mera lika varandra. Eftersom strömmen är funktion av spänningen och resistansens inverterade värde, kan mellanfasväggströmmarna minimeras genom att den högre mellanfas- spänningen påtryckes över det högre väggmotstàndet. Detta erhålles genom att åtgärder vidtages för att påtrycka mellanfasspänningen för högre summerade spänningar mellan elektroder på motsatta sidor av den rektangulära uppsättningen i fig. 1, så att de paral- lella väggströmbanorna är mera lika varandra med avseende på längd och sålunda resistans.

Effekten enligt ovan illustreras med mellanfasspänningarna eller huvudspänningarna mellan elektroderna 24 och 27 och elek- :raderna 25 och 26, där fasskiilnaden på 12o° ger v51 1,732 av de enskilt påtryckta spänningarna vid lika spänningar i varje fas.

Denna högre mellanfasspänning eller huvudspänning påtryckes den högre resistansen hos de i det närmasæ balanserade sidoväggban- motstånden och det glasmassbegränsande motståndet, så att shunt- strömmen för denna huvudspänning minimeras.

Om resistansen för väggpartierna i flera shuntbanor adderas gvae1szo-2 10 15 20 25 30 35 40 16 till de glasmassbegränsade resistanserna, inses att strömmarna i väggarna kommer att vara enbart en bråkdel av strömmen mellan elektroderna och sålunda enbart en bråkdel av den primära joule- effektupphettningsströmmen även vid de högre huvudspänningarna.

Vid ínneryttemperaturer av omkring 126000 har de kallare ugns- väggarna resistivíteter av omkring 10 ohmvm, och vid vn tumoera- tur av omkring 109000 har ytterytan en resistívítet av omkring 25 ohmcm, varför väggarna förstärker glasmassans begränsande resistans.

Intilliggande elektrodpar 26-27, 28-29 illustrerar effekten av fasförskjutning på 600 för ögonblicksvärdet av spänningen på elektroderna intill en gemensam sidovägg vid det antagna fassam- bandet på 1200 mellan primärlindningarna 35, 38 och H3. Härvid är spänningen mellan elektroderna 27-29 och 26-28 l,732/2Vsin (üJt +30°), där den på elektroderna 27-26 påtryckta spänningen är Vsin (fiàt) och på elektroderna 29-28 Vsin (QJt -600). Denna högre spänning över glasmassresistansen och den kortare vägg- längden, exempelvis för elektroderna 27-29 genom motstånden 57, 63 och 59, är det minst önskvärda arrangemanget med hänsyn till spänningens bidrag till väggströmmarna. Detta skall undvikas vid tlångvarig drift, där systemet drives i närheten av den kritiska sidoväggströmtätheten, och under dessa förutsättningar användas enbart då den höjda mellanfasströmmen eller huvudströmmen i glas-I massans motståndsbanor 51 och 79 önskas temporärt för höjning av glastemperaturen i dessa områden.

Förutom de primära jouleeffektströmbanorna i glasmassan mellan elektroderna hos intilliggande elektrodpar finns även dylika banor för ändparen ZH-25 och 28-29, och sålunda finns shuntströmmar i ugnsväggarna på grund av potentialerna mellan dessa elektroder, begränsade av glasmassans resistans mellan elektrod och vägg och sidoväggresistanserna. Detta arrangemang höjer huvudspänningen över elektroderna 26-28 och 25-29 jämfört med vad som uppnås med l2Û° fasförskjutning utefter sidoväggarna, även om sidovägg- banornas större längd dämpar uppkomsten av höga strömmar.

Jouleeffektupphettning medelst strömmar mellan ändelektrodpar reduceras av den större glasmassresistansen för de längre lednings- banorna. Huvudströmmarna i längdriktningen vid 600 fasskillnad mel- lan elektroderna i paren 29-25 och 28-29 följer regleranordningen 36, elektroden 25, glasmassresistansen 21, elektroden 29, regler- anordningen HH, transformatorns 43 sekundärlindning, elektroden 28, 10 15 20 25 30 35 H0 7601630-2 17 glasmassresistansen 72, elektroden 24, transformatorns 35 sekundär- lindning och tillbaka igen till regleranordningen 36, jouleeffekt- diagonalupphettningsbanor relaterade till 1200 fasskillnad mellan elektroderna i paren 2H-25 och 28-29 sträcker sig från regleranord- ningen 36 genom elektroden 25, glasmassdiagonalresistansen 73, elek- troden 28, transformatorns H3 sekundärlindning, regleranordningen MH, elektroden 29, glasmassresistansen 7H, elektroden 2H, trans- formatorns 35 sekundärlindning och regleranordningen 36.

De diskuterade shuntströmmarna är kumulativa i sídoväggarna, och därför måste den kumulativa effekten beaktas med hänsyn till strömtätheten. De nämnda korta strömbanorna i sidoväggarna genom- flytes av merparten av shuntvägghuvudströmmarna och är därför en primär begränsande faktor, där väggströmtätheten är det begränsande vid jouleeffektupphettning. Då elektrodparen placeras tätare intill varandra utefter ugnens längdaxel, blir bidraget från sido- väggresistansen med avseende på huvudströmshuntning av de längs- gående jouleeffektströmmarna begränsat. I den visade utförings- formen är elektrodparen 26-27, 28-29 belägna närmare intill var- andra i längdriktningen än elektrodparen 2U-25 och 26-27. Ström- nivåerna kan sänkas i denna shuntbana med lägre resistans genom sänkning av spänningen över den kortare banan. En ändring till 1200 fasförskjutning mellan de i längdriktningen på inbördes avstånd belägna elektroderna 27 och 29 och 26 och 28 minskar sålunda påtagligt strömmarna i denna bana.

Med avseende på undvikande av elektrisk korrosion på ugns- sidoväggarna vid långvarig drift är det fördelaktigt att arrangera fassambandet för de olika källorna på sådant sätt, att de till varje källa hörande elektroderna har sådant fassambanda i förhållande till de till varandra hörande elektroderna för nästa intilliggande källa, att den större huvudspänningen pâtryekes över de elektroder, vilkas mest närbelägna sidoväggpartier är belägna på det största avståndet efter sidoväggens längd, för att härvid den största elektriska sidoväggresistansen skall erhållas i de shuntbanor som utsättes för den större spänningen. I exemplet betyder detta att elektrodspänningarna mellan elektroder kopplade till skilda källor, som inbördes är fasförskjutna i förhållande till varandra, kopplas som par 24-25 och 26-27, så att 600 fas- vinkelskillnad erhålles mellan dessa elektroder intill en gemensam sidovägg och så att 1200 fasskillnad erhålles mellan de elektroder som ligger intill motbelägna sidoväggar, exempelvis genom omkastning _ 7601630 -2 I 10 15 20 30 35 H0 18 av polariteten för den spänning som pâtryckes elektroderna 24-25 vid transformatorn 35.

Av den föregående diskussionen är det uppenbart, att det smälta materialets elektriska resistans användes för begränsning av strömtätheten i de eldfasta sidoväggarna till en nivå under kritiska, menliga nivåer vid den erforderliga påtryckta spän- ningen för att härvid jouleeffektupphettning skall erhållas mellan elektriskt till varandra hörande elektroder med delar ned- sänkta i det smälta glaset av relativt hög resistivitet. Detta åstad- kommes med användning av en strömbanelängd i glaset mellan till varandra hörande elektroder, vilken är kortare än strömbanan från var och en av elektroderna till dess mest närbelägna sídoväggparti.

Då ett flertal till varandra anpassade elektrodgrupper användes med separata spänningskällor anslutna till varje grupp, såsom i den rektangulära uppsättningen av elektrodgrupper EU-25, 26-27 och 28-29, skall de kumulativa spänningseffekterna från de olika källorna beaktas vad gäller shuntströmmarna i de eldfasta sido- väggarna. Då enfaskällor med samma spänning användes, kommer spän- ningarna mellan vissa elektroder i olika grupper att fördubblas.

I det visade exemplet där trefasmatning användes till tre grupper som är 1200 fasförskjutna i förhållande till varandra, var och en med samma påtryckta spänning, är spänningarna mellan vissa elek- troder 0,866 av den enskilda spänningen och mellan andra elektroder 0,5 av den enskilda spänningen. Shuntbanor i sidoväggarna har maximal resistans för de huvudspänningar, där elektroderna i skilda grupper, till vilka maximispänning pâtryckes, ligger närmast sidoväggpartier av det eldfasta materialet belägna på ett maximalt avstånd utefter sidoväggen, så att den maximala sidovägg- resistansen blir effektiv för begränsning av strömmen. I den rektangulära uppsättningen eller mönstret av elektroder skall fasskillnaden på 60° föreligga mellan elektroder i skilda grupper på motsatta sidor av uppsättningen, exempelvis mellan elektroderna 25 och 26 och mellan elektroderna ZH och 27, i och för erhållande av maximal begränsande väggström.

Det torde inses, att de olika shuntströmbanorna är parallell- kopplade i sidoväggarna och att därför den totala strömmen måste beaktas vad gäller livslängden för det eldfasta materialet i sido- -väggarna. Eftersom man har observerat, att kraftig försämring av livslängden för eldfast kromoxidmaterial börjar vid omkring 0,37 ampere/cmz, kan något högre strömtätheter påtryckas, om en 10 15 7601630-2 19 minskad livslängd för det eldfasta materialet kan tolereras i en ugnsanläggning. Där jouleeffektuonhettning mellan elektrod- grupper användes och där lokaliserad unphettnina önskas, är det dessutom tolererbart att under kortare intervaller påtrvcka maximal huvudspänning utefter den ena sidan av unnsättninaen, exempelvis mellan elektroderna 27 och 29, samtidigt som spän- ningen påtryckes över den minimala sidoväqasresistansen hos motståndet 63, även om strömtätheten tenderar att överstiga den nämnda nivån.

Uppfinninqen har beskrivits i samband med speciella eldfasta material för tankbottnen och sidoväuaarna och i samband med ett speciellt glas. Det inses, att andra kombinationer av material som har elektriska resistivitetssamband av det slag som avses enligt uppfinningen med fördel kan användas och behandlas enliut de givna riktlinjerna. Det torde sålunda inses, att beskrivninaen enbart är exemplifierande och ej begränsande.

Claims (2)

1. 0 15 20 25 30 .35 40 27601630-2 , 20 PATENTKRAV l. Apparat för upphettning av smält termoplastiskt material, särskilt smält glas, genom jouleeffekt, innefattande en tank (10) med sidoväggar (l3, l4, l5, l6) av eldfast material, vars elektriska motstånd är lägre än det elektriska motståndet hos det _ termoplastiska materialet vid uppvärmningstemperaturen, två eller flera par elektroder (24, 25; 26, 27; 28, 29), nedstuckna i tanken för att vara i beröring med det smälta termoplastiska materialet och placerade på tvären parvis mellan sidoväggarna efter varandra i sidoväggarnas längdriktning, samt en till elektrodparen ansluten väkelspänningskälla (32), varvid de spänningar som påtryckes elektrodparen är fasförskjutna relativt varandra, k ä n n e - t e c k n a d av att elektroderna (24, 25; 26, 27; 28, 29) är placerade i tanken (l0) på sådant sätt relativt varandra och rela- tivt sidoväggarna (l3, l4, l5, 16), att motståndet hos strömbanorna i det smälta termoplastiska materialet mellan varje elektrod och sidoväggarna är större än motståndet i det termoplastiska materialet mellan elektroderna i ett par för begränsning av den shuntström, som flyter i sidoväggarna mellan elektroderna i varje par, och att spänningskällan är kopplad till respektive elektrodpar (24, 25; 26, 27; 28, 29) för påtryckning av relativt varandra fasförskjutna spänningar på respektive elektrodpar genom individuella spännings- regleranordningar (36, 39, 44) under åstadkommande av en större potentialskillnad mellan de diagonalt anordnade elektroderna (24, 27 resp. 25, 26) och en mindre potentialskillnad mellan de g närmast resp. sidoväggar anordnade elektroderna (24, 26 resp. 25, 27), varvid de sidoväggpartier, som skulle kunna leda shunt- ström mellan elektroderna (24, 27 resp. 25, 26) med den större potentialskillnaden, har en sidovägglängd mellan de ifrågavarande elektroderna, som är större än längden hos de sidoväggpartier, som befinner sig närmast elektroderna (24, 26; 25, 27) med den mindre potentialskillnaden.

2. Apparat enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att växelspänningskällan utgöres av en trefaskälla och att denna trefaskällas huvudspänning påtryckes de respektive elektrodparen. ANFöRoA PUBLIKATIONER: Sverige 151 657 (cosa 5/02), 221 328 (coss 5/02, 312 207 (coaa 5/02), 392 092 (cosB 5/02) Norge 138 527 (cosß 5/02)