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BREVET D' INVENTION "PERFECTIONNEMENTS AUX FOURS ELECTRIQUES"
La présente invention est relative aux fours électriques du genre dans lequel la charge elle-même sert de résistance pour le courant électrique et elle a trait plus particulièrement aux fours pour la fusion et la fabrication du verre, du silicate de sodium et autres substances analogues.
Le but principal de la présente invention est de réaliser un système de four qui évite l'action destructive due au passage du courant électrique sur le revêtement du four et l'action destructive due au mouvement de la charge fondue du fait de courants de convexion et de régler la conductivité électrique de la charge autrement que cela n'a été fait jusqu'ici.
Dans la construction de fours électriques pour
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l'industrie, on n'a prêté que peu d'attention à l'action destructive qu'a le courant électrique passant dans celuici sur le revêtement réfractaire. Dans les fours destinés à certaines applications, ceci est inévitable, dans d'autres le bain fondu lui-même agit de façon si destructive que la détérioration due au passage du courant est négligeable. Dans d'autres fabrications, telles que celles du verre et du silicate de sodium, où il est important que le produit soit de qualité élevée, il est nécessaire de faire le four de façon que le bain soit souillé aussi peu que possible par le revêtement réfractaire.
De nombreuses recherches faites en vue de l'invention ont montré que lorsque les parois latérales d'un four se trouvent sur le trajet du courant électrique passant entre les électrodes, ce courant exerce une action destructive sur ces parois du four qui, si elle se continuait, peut même détruire complètement ces parois en très peu de temps.
Les courants de convexion du bain fondu lui-même exercent une autre action destructive sur les parois du four électrique dans lequel la masse sur laquelle on agit est fondue. Ces courants existent dans presque tous les fours de fusion, mais sont plus sensibles dans les fours électriques du type à résistance directe lorsque la chaleur est engendrée dans le bain au lieu de l'être à la surface comme dans un four chauffé par un combustible.
Un autre inconvénient du fonctionnement des fours électriques tient à la façon dont ils sont réglés. Lorsque, par exemple, la fabrication en provenance d'un four est réduite, ceci s'obtient en général en réduisant la tension.
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Cette chute de tension réduit momentanément ltampérage du four, réduisant ainsi nettement la charge, mais lorsque le four est stabilisé à la nouvelle tension, il regagne la plus grande partie de cette perte. Comme cette stabilisation peut nécessiter un ou deux jours, ce procédé de réglage est coûteux au point de vue du temps perdu. Il est par suite, beaucoup plus intéressant de régler le four en faisant varier directement l'ampérage plutôt que la tension ou en réglant les deux en combinaison.
La présente invention se propose par suite de remédier aux inconvénients ci-dessus ainsi qu'on va l'expliquer ci-après.
Suivant l'un de ses aspects, la présente invention consiste à placer les parois du four, qu'elles soient parallèles, obliques ou courbes, par rapport aux électrodes, et au courant qui passe entre celles-ci d'une façon telle, par rapport à celles-ci, que ces parois soient en dehors du champ de passage du courant et, par suite, ne soient pas soumises à des détériorations du fait de celui-ci.
A un autre point de vue, la présente invention envisage l'établissement et la disposition d'électrodes, dans un four de ce genre, de façon à réduire les pertes thermiques causées par les liaisons entre les électrodes et les barres omnibus qui, en général, traversent les parois du four.
La présente invention vise en outre une électrode ayant une grande masse ce qui est intéressant au point de vue de la conservation de la chaleur, lorsque ces électrodes sont montées sur des plateformes ou blocs qui peuvent être convenablement refroidis, de sorte que la profondeur du bain
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fondu entourant les électrodes est inférieure à une partie du bain se trouvant entre les électrodes.
La présente invention envisage en outre le recouvrement de la charge fondue au moyen d'une couche sèche de matière première qui empêche les pertes thermiques par radiation et qui en agissant sur elles peut servir pour régler de façon appropriée le fonctionnement du four.
D'autres avantages et particularités de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en plan d'un système de four type selon la présente invention;
La figure 2 en est une coupe en élévation, faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ;
La figure 3 en est une coupe en élévation, faite suivant la ligne 3-3 de la figure 1;
La figure 4 est une vue en coupe de détail, à plus grande échelle, d'une électrode, montrant les conduits de refroidissement;
La figure 5 est une vue de détail en coupe d'une variante de l'électrode.
Les exemples de réalisation représentés, donnés à titre d'exemples seulement,se réfèrent à un four monophasé construit conformément à la présente invention quoique évidemment la présente invention envisage l'emploi de courants polyphasés aussi bien que monophasés. Le four proprement dit peut consister en une pièce coulée en acier 1 sur laquelle est placé un fond fait de briques empilées à jour 2, l'espace compris entre les briques étant rempli de sable sec au-dessus duquel se trouve un lit d'argile réfractaire
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4 ayant environ 25 mm d'épaisseur par exemple. Sur le dessus du lit d'argile réfractaire, est placée de champ une série de briques,2 et sur ces briques sont placés les blocs 6 constituant la sole du four. La sole ainsi faite est enfermée entre des parois latérales appropriées 2.
De façon à réduire les courants de convexion dans le bain fondu, les blocs 8 supportant les électrodes sont placés sur la sole du four et ces blocs peuvent évidemment être distincts du bloc 6 constituant la sole ou en faire partie intégrante, comme on le désire. Ces blocs forment en effet deux plateformes longitudinales de chaque côté du four et portent les électrodes.
Entre ces deux pla- teformes et sous les bases des électrodes, se trouvent, entre les parois transversales du four , un canal ou bassin H qui a une largeur et une profondeur telles qu'il contienne une masse sensible de matière fondue de sorte que le verre ou autre charge fondue contenue dans celui-ci se refroidit très lentement à travers les côtés de la plateforme et le fond du four, jusqu'à une température inférieure à celle qu'a le verre dans la zone de chauffage comprise entre les électrodes. Le verre ainsi refroidi a une plus grande densité que le verre plus chaud qui se trouve au-dessus et, par suite, ne prend pas part au mouvement du verre dans la zone de fusion ou de chauffage, ce qui conserve de façon sensible la chaleur et empêche nettement les mouvements dus aux courants de convexion.
Ce refroidissement ne doit pas avoir lieu dans une mesure telle que l'opération de raffinage qui se produit dans le verre s'arrête.
Chacune des plateformes 8 peut être pourvue de canaux de refroidissement 10 dans lesquels passe n'importe
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quel agent de refroidissement approprié, combinés avec des régulateurs de circulation appropriés (non représentés) de façon à régler le degré et la vitesse de l'enlèvement de chaleur se produisant, à partir de ce point, de la charge du four. Le four étant fortement isolé, la radiation est faible et il est par suite possible de régler la température du verre dans le bassin en réglant la qualité d'agent réfrigérant passant par les canaux 10. Des pyromètres placés en différents points, en combinaison avec d'autres appareils appropriés (non représentés), peuvent régler automatiquement cette température.
Les électrodes représentées en 11 peuvent être en fer à faible teneur en carbone, en alliages de fer, en métaux non ferreux et en alliages de métaux à point de fusion élevé, en carbone ou en graphite mais, dans la plupart des cas, c'est le fer à faible teneur en carbone qui convient le mieux car il est bon marché, robuste et durable et ne souille en aucune façon le bain et, du fait de sa bonne conductibilité calorifique, on peut maintenir uniforme sa température. Les électrodes sont faites non seulement de façon à avoir une large surface de contact avec la partie du bain qui sert de résistance pour le courant électrique mais encore à avoir un grand volume ce qui tend à égaliser leur chaleur et sert à empêcher des surchauffes locales.
L'arrivee de courant à chacune des électrodes peut se faire au moyen d'une plaque 12 traversant les parois du four ou allant à l'extérieur et sur laquelle peut se faire la liaison avec la barre omnibus. Comme on le voit sur la figure 3, le dessus des électrodes peut pénétrer
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dans la couche de matière première 13 qui se trouve au- dessus du bain fondu 14 auquel cas on a constaté que la détérioration ou l'oxydation est négligeable. Comme cela est représenté, les électrodes sont entourées sur les quatre faces verticales par le bain fondu.
Lorsque l'on utilise des électrodes en carbone ou en graphite, il est bon de leur donner une forme telle que celle représentée sur la figure 5. Celle-ci peut con- sister en un bloc rectangulaire 15, taraudé en 16, de façon à recevoir une vis 17 munie d'une liaison 18, avec la barre omnibus. Il y a lieu de noter qu'une disposition de ce genre permet de noyer les pièces 17 et 18 dans le recouvre- ment en matière première.
Il faut avoir bien soin, lorsque l'on détermine l'emplacement des parois du four qu'il n'y ait pas de partie sensible du courant qui passe par ces parois. On a constaté d'après un nombre considérable d'expériences que l'emplacement de ces parois peut être déterminé par la for- mule suivante : C = A+B/@
2 dans laquelle A est la distance entre les électrodes, B l'épaisseur d'une électrode et 0 la distance entre le côté de l'électrode et la paroi du four qui est en face, le tout comme représenté sur la figure 1.
On a constaté que cette distance varie un peu avec la tension qui régne dans le four et, par suite, une formule plus exacte serait la suivante : C = A+B V C = 2 74 dans laquelle V est la tension moyenne de fonctionnement du four.
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En plaçant les parois latérales du four par rapport aux électrodes, suivant ces formules, on peut soit supprimer complètement, soit réduire sensiblement, la détérioration des parois du four due au passage du courant.
Evidemment, la dimension C peut être comprise entre le côté de l'électrode et une paroi latérale sensiblement parallèle ou entre le côté de l'électrode prolongé et une paroi latérale du four.
La couche de matière première 13 peut être utilisée comme moyen servant à diminuer ou augmenter la conductivité électrique de la résistance qui est le bain fondu lui-même. En tout cas, la couche de matière première recouvrant la surface du bain fondu devrait avoir une épaisseur minimum telle que les gaz qui y pénètrent quittent cette couche de recouvrement aussi froids que la matière première nouvellement chargée. Elle doit en outre être si épaisse qu'il n'y ait pas de poche de gaz entre son fond et la surface du bain fondu. La couche de matière première 13 peut être étalée uniformément sur le four par un chariot 19, actionné par moteur, circulant sur des rails 20 que l'on peut faire descendre ou monter au moyen d'une vis actionnée par vis sans fin 21 que l'on commande de toute fa- çon appropriée.
Le fond du chariot de chargement 19 fonctionne entre des rails latéraux 22 de façon à s'adapter à différentes hauteurs du recouvrement. Il est prévu un trou de coulée 23 pour la sortie de la charge avec bec 23' qui peut de même être levé ou abaissé au moyen d'un mécanisme à vis 24. Le trou de coulée peut être pourvu d'un couvercle 25 comme cela est représenté sur la figure 2. Comme ce couvercle pouvait être amovible, il n'a pas été représenté
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sur la figure 1.
On peut régler la conductivité électrique de la résistance constituée par le bain fondu en faisant monter ou descendre le niveau du bain dans la chambre de fusion.
Ceci peut se faire en faisant monter ou descendre le bec de coulée 23' de la quantité voulue ou en augmentant l'épaisseur de la couche de matière première 13. Evidemment, si l'on augmente l'épaisseur de la couche de matière première 13,son poids provoque un abaissement du niveau du bain fondu par coulée par l'orifice de coulée 23 et un réglage de la charge électrique du four entraînant une plus faible conductivité et un plus faible ampérage. Si l'on essaye de faire ce réglage en réglant la tension, l'ampérage reste pratiquement sans changement et la destruction de la matière réfractaire due au courant reste la même. Le temps nécessaire pour arriver à la stabilisation à la charge inférieure est également beaucoup plus long.
Dans la fabrication de silicate de sodium, il est avantageux d'avoir une combinaison à la fois par réglage vertical du trou de coulée et par réglage de la hauteur de la couche de matière première.
Toutefois, le réglage du trou de coulée ne peut pas être utilisé lorsque le four fonctionne en combinaison avec certains types de machines à bouteilles auquel cas on ne peut utiliser que le niveau de la charge pour tenir compte de ce fait. Un avantage de ce procédé de réglage est qu'il réduit considérablement le prix de l'installation électrique car on peut utiliser un transformateur beaucoup plus simple et il n'est pas nécessaire d'avoir un réglage de la tension coûteux.
Bien que l'on ait représenté et décrit l'invention
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en se référant à certains modes de réalisation particuliers, il est bien évident que l'invention n'est pas limitée à ceux-ci mais qu'elle comporte toute variante ou modification conforme à son esprit.
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PATENT OF INVENTION "IMPROVEMENTS IN ELECTRIC OVENS"
The present invention relates to electric furnaces of the kind in which the load itself serves as a resistance for the electric current and more particularly relates to furnaces for melting and manufacturing glass, sodium silicate and other similar substances.
The main object of the present invention is to provide a furnace system which avoids the destructive action due to the passage of electric current on the furnace lining and the destructive action due to the movement of the molten charge due to convection currents and to adjust the electrical conductivity of the load otherwise than has been done so far.
In the construction of electric furnaces for
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In industry, little attention has been paid to the destructive action of the electric current passing through it on the refractory lining. In furnaces intended for certain applications this is inevitable, in others the molten bath itself acts so destructively that the deterioration due to the passage of current is negligible. In other manufactures, such as those of glass and sodium silicate, where it is important that the product is of high quality, it is necessary to make the oven so that the bath is soiled as little as possible by the coating. refractory.
Much research carried out with a view to the invention has shown that when the side walls of a furnace are in the path of the electric current passing between the electrodes, this current exerts a destructive action on these walls of the furnace which, if it is continued, can even completely destroy these walls in a very short time.
The convection currents of the molten bath itself exert another destructive action on the walls of the electric furnace in which the mass on which one acts is molten. These currents exist in almost all melting furnaces, but are more sensitive in electric furnaces of the direct resistance type when the heat is generated in the bath rather than at the surface as in a furnace heated by a fuel.
Another disadvantage of the operation of electric ovens is the way in which they are regulated. When, for example, production from a furnace is reduced, this is usually achieved by reducing the tension.
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This voltage drop momentarily reduces the amperage of the furnace, thus significantly reducing the load, but when the furnace stabilizes at the new voltage, it regains most of this loss. As this stabilization may require a day or two, this adjustment process is costly from the point of view of wasted time. It is therefore much more advantageous to adjust the furnace by varying the amperage directly rather than the voltage or by adjusting the two in combination.
The present invention therefore proposes to remedy the above drawbacks as will be explained below.
According to one of its aspects, the present invention consists in placing the walls of the furnace, whether they are parallel, oblique or curved, with respect to the electrodes, and to the current which passes between them in such a way, by compared to these, that these walls are outside the field of passage of the current and, consequently, are not subjected to deterioration because of this one.
From another point of view, the present invention contemplates the establishment and arrangement of electrodes, in such a furnace, so as to reduce the thermal losses caused by the connections between the electrodes and the bus bars which in general , go through the walls of the oven.
The present invention further relates to an electrode having a large mass, which is advantageous from the point of view of the conservation of heat, when these electrodes are mounted on platforms or blocks which can be suitably cooled, so that the depth of the bath
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melt surrounding the electrodes is less than part of the bath lying between the electrodes.
The present invention further contemplates the covering of the molten charge by means of a dry layer of raw material which prevents heat loss by radiation and which by acting on them can serve to properly control the operation of the furnace.
Other advantages and features of the invention will emerge from the description which follows, given with reference to the accompanying drawings in which:
Figure 1 is a plan view of a typical furnace system according to the present invention;
Figure 2 is a sectional elevation taken along the line 2-2 of Figure 1;
Figure 3 is a sectional elevation taken along the line 3-3 of Figure 1;
FIG. 4 is a detailed sectional view, on a larger scale, of an electrode, showing the cooling ducts;
FIG. 5 is a detailed sectional view of a variant of the electrode.
The embodiments shown, given by way of example only, refer to a single-phase furnace constructed in accordance with the present invention, although of course the present invention contemplates the use of polyphase as well as single-phase currents. The actual kiln may consist of a steel casting 1 on which is placed a bottom made of stacked bricks at day 2, the space between the bricks being filled with dry sand above which is a bed of clay. refractory
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4 having about 25 mm thick for example. On top of the refractory clay bed is placed a series of bricks, 2 and on these bricks are placed the blocks 6 constituting the bottom of the furnace. The hearth thus made is enclosed between appropriate side walls 2.
In order to reduce the convection currents in the molten bath, the blocks 8 supporting the electrodes are placed on the bottom of the furnace and these blocks can obviously be separate from the block 6 constituting the bottom or form an integral part thereof, as desired. These blocks in fact form two longitudinal platforms on each side of the furnace and carry the electrodes.
Between these two platforms and under the bases of the electrodes, there is, between the transverse walls of the furnace, a channel or basin H which has a width and a depth such that it contains a substantial mass of molten material so that the glass or other molten charge contained therein cools very slowly through the sides of the platform and the bottom of the furnace, to a temperature below that of the glass in the heating zone between the electrodes. The glass thus cooled has a greater density than the warmer glass above it and therefore does not take part in the movement of the glass in the melting or heating zone, which substantially retains heat. and clearly prevents movements due to convection currents.
This cooling must not take place to such an extent that the refining operation which occurs in the glass stops.
Each of the platforms 8 can be provided with cooling channels 10 through which any
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what suitable coolant, combined with suitable circulation regulators (not shown) to control the degree and rate of heat removal occurring from this point on the furnace load. The furnace being strongly insulated, the radiation is weak and it is consequently possible to regulate the temperature of the glass in the basin by regulating the quality of refrigerant passing through the channels 10. Pyrometers placed at different points, in combination with d other suitable devices (not shown) can automatically adjust this temperature.
The electrodes shown at 11 may be of low carbon iron, iron alloys, nonferrous metals and high melting point metal alloys, carbon or graphite, but in most cases it is is the most suitable low carbon iron because it is cheap, strong and durable and does not contaminate the bath in any way, and due to its good heat conductivity, its temperature can be kept uniform. The electrodes are made not only so as to have a large contact surface with the part of the bath which serves as a resistance for the electric current, but also to have a large volume which tends to equalize their heat and serves to prevent local overheating.
The current to each of the electrodes can be made by means of a plate 12 passing through the walls of the furnace or going to the outside and on which the connection with the bus bar can be made. As seen in Figure 3, the top of the electrodes can penetrate
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in the raw material layer 13 which is above the molten bath 14 in which case it has been found that the deterioration or oxidation is negligible. As shown, the electrodes are surrounded on the four vertical faces by the molten bath.
When using carbon or graphite electrodes, it is good to give them a shape such as that shown in FIG. 5. This can consist of a rectangular block 15, threaded at 16, so as to receive a screw 17 provided with a connection 18, with the bus bar. It should be noted that an arrangement of this kind allows parts 17 and 18 to be embedded in the covering of raw material.
Care must be taken when determining the location of the walls of the furnace that there is no sensitive part of the current passing through these walls. It has been found from a considerable number of experiments that the location of these walls can be determined by the following formula: C = A + B / @
2 in which A is the distance between the electrodes, B the thickness of an electrode and 0 the distance between the side of the electrode and the wall of the oven which is opposite, all as shown in Figure 1.
It has been observed that this distance varies a little with the voltage which prevails in the oven and, consequently, a more exact formula would be as follows: C = A + B V C = 274 in which V is the average operating voltage of the oven.
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By placing the side walls of the furnace relative to the electrodes, according to these formulas, one can either completely eliminate or substantially reduce the deterioration of the walls of the furnace due to the passage of current.
Obviously, dimension C may be between the side of the electrode and a substantially parallel side wall or between the side of the extended electrode and a side wall of the furnace.
The raw material layer 13 can be used as a means to decrease or increase the electrical conductivity of the resistor which is the molten bath itself. In any case, the raw material layer covering the surface of the molten bath should have a minimum thickness such that the gases entering it leave this covering layer as cold as the newly charged raw material. It must also be so thick that there is no gas pocket between its bottom and the surface of the molten bath. The layer of raw material 13 can be spread evenly over the furnace by a carriage 19, driven by motor, running on rails 20 which can be lowered or raised by means of a screw operated by worm 21 that the 'we order in any appropriate way.
The bottom of the loading carriage 19 operates between side rails 22 so as to adapt to different heights of the cover. A tap hole 23 is provided for the outlet of the load with spout 23 'which can likewise be raised or lowered by means of a screw mechanism 24. The tap hole can be provided with a cover 25 like this. is shown in Figure 2. As this cover could be removable, it has not been shown
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in figure 1.
The electrical conductivity of the resistance formed by the molten bath can be adjusted by raising or lowering the level of the bath in the melting chamber.
This can be done by raising or lowering the pouring nozzle 23 'by the desired amount or by increasing the thickness of the raw material layer 13. Obviously, if the thickness of the raw material layer 13 is increased. , its weight causes a lowering of the level of the molten bath by casting through the pouring orifice 23 and an adjustment of the electric charge of the furnace resulting in a lower conductivity and a lower amperage. If one tries to make this adjustment by adjusting the voltage, the amperage remains virtually unchanged and the destruction of the refractory material due to the current remains the same. The time required to achieve stabilization at the lower load is also much longer.
In the manufacture of sodium silicate, it is advantageous to have a combination of both vertical adjustment of the taphole and adjustment of the height of the raw material layer.
However, the taphole setting cannot be used when the furnace is operating in combination with certain types of bottle machines in which case only the level of the load can be used to account for this fact. An advantage of this adjustment method is that it considerably reduces the cost of the electrical installation because a much simpler transformer can be used and it is not necessary to have an expensive voltage adjustment.
Although the invention has been shown and described
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by referring to certain particular embodiments, it is obvious that the invention is not limited to these but that it includes any variant or modification in accordance with its spirit.