Elektrischer Ofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut Es sind Ofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut mittels elektrisch beheizter Heizstäbe aus Graphit bekannt. Derartige Ofen wei sen in der Regel einen senkrechten Schacht auf, des sen Querschnitt quadratisch oder rechteckig, gegebe nenfalls auch rund oder oval sein kann. Die Heiz- stäbe sind im oberen Teil dieses Schachtes parallel zueinander liegend angeordnet, und sie durchdringen den Schacht in waagerechter Richtung.
Im Ofenoberteil, oberhalb der Heizstäbe, lagert der Quarzsand und rieselt den Heizstäben zu. Beim Durchtreten zwischen den Heizstäben wird der Quarzsand geschmolzen und fliesst als geschmolzene Masse, als Quarzgut, aus dem Raum zwischen den Heizstäben nach unten ab. Die geschmolzene und allmählich erkaltende Masse bildet dann, im Quer schnitt und in der Länge den Ausmassen des Schach tes des Ofens entsprechend, einen Quarzgutblock grossen Ausmasses.
In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass die mit Ofen der vorstehend erläuterten Bauart angestrebte Möglichkeit, Quarzgutblöcke grossen Ausmasses her zustellen, sich nicht ohne weiteres verwirklichen liess. Die Heizstäbe zeigten einen vorzeitigen starken Ver schleiss und mussten schon nach kurzer, nur wenige Stunden betragender Betriebsdauer ausgewechselt werden. Die dadurch bedingte Unterbrechung des Schmelzvorganges machte es unmöglich, grössere Blöcke, insbesondere solche von praktisch brauch barer Länge, zu erzeugen und einen kontinuierlichen Schmelzbetrieb aufrechtzuerhalten.
Es wurde beobachtet, dass sich beim Schmelzen von Quarzsand in der Oberflächenschicht der aus Graphit bestehenden Heizstäbe Siliziumkarbid bildet, das sich in Form einer Schicht auf die Heizstäbe legt. Diese Schicht verbleibt fest an den Heizstäben, wenn eine Berührung der Heizstäbe mit der geschmolzenen Masse verhindert wird, wird jedoch ganz oder -teil weise abgerissen, wenn die Heizstäbe in Berührung mit der Schmelze kommen. Auf der freigelegten Gra- phitfläche bildet sich dann sofort wieder eine neue Siliziumkarbidschicht,
die ebenfalls wieder abgerissen wird. Die ständige Wiederholung dieser Vorgänge Bildung von Siliziumkarbidschichten und Abreissen derselben - bewirkt in sehr kurzer Zeit eine Ver ringerung des Querschnittes der Heizstäbe bis zu einer Stärke, bei der die Heizstäbe bei Stromdurchgang überlastet sind und unter Lichtbogenbildung eine Stromunterbrechung eintritt. Dabei genügt schon der Ausfall eines Heizstabes von mehreren hintereinan- dergeschalteten Heizstäben zur Unterbrechung des Schmelzvorganges.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, bei einem solchen, mit wanderndem Schmelz gut und wandernder Schmelze, insbesondere zum Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut, arbeitenden Ofen diesen grossen Verschleiss der Heizstäbe zu ver hindern und damit einen fortlaufenden Schmelz betrieb bzw. die Herstellung von Blöcken brauch barer Länge zu ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Ofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarz sand zu Quarzgut mittels elektrisch beheizter, im Ofenoberteil angeordneter, parallel zueinander und waagrecht liegender Heizstäbe aus Graphit, bei wel chem der Quarzsand von oben her zu den Heiz- stäben rieselt und das erschmolzene Quarzgut zwi schen den Heizstäben absinkt, welcher Ofen dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Heizstab zum Erschwe ren seiner Berührung mit dem Schmelzgut durch eine ihn in seiner ganzen Länge gegen oben abdeckende, ganze oder teilweise Umhüllung abgeschirmt ist.
Bei einem solchen erfindungsgemässen Ofen kann der Schmelzvorgang in der Weise durchgeführt wer- den, dass das Bilden der Siliziumkarbidschicht auf den Heizstäben und das nachfolgende Abreissen die ser Schicht bzw. der fortlaufend sich bildenden Schich ten durch die Schmelzmasse vermieden wird. Die Lebensdauer der Heizstäbe ist deshalb länger, so dass das Schmelzen längere Zeit ununterbrochen durchgeführt und dadurch Blöcke grossen Querschnit tes und von grosser Länge erschmolzen werden kön nen.
Die Umhüllung der Heizstäbe kann verschiedene Querschnittsformen besitzen. Es ist von Vorteil, wenn ein guter Durchgang des Schmelzgutes durch den zwischen benachbarten Heizstäben vorhandenen ge ringen Zwischenraum gewahrt bleibt. Eine nur teil weise den Heizstab dachartig überdeckende Umhül lung hat den Vorteil, dass ein grosser Teil der von den Heizstäben ausstrahlenden Wärme das Schmelz gut unmittelbar trifft. Die Umhüllungen der Heiz- stäbe können aber auch kreisringförmigen oder oval ringförmigen Querschnitt aufweisen,
wobei gegebe nenfalls an ihrer Unterseite ein über ihre ganze Länge sich erstreckender Längsschlitz vorgesehen sein kann.
Dachförmige Umhüllungen bzw. Abdeckungen, deren Dachflächen eben oder gekrümmt sein kön nen, weisen an ihren unteren Kanten zweckmässig je eine Reihe von Aussparungen auf, derart, dass gezackte Traufkanten gebildet werden, welche Brük- kenbildungen des Schmelzgutes zwischen benachbar ten Abdeckungen entgegenwirken. Eine solche dach- förmige Abdeckung kann an ihrer Oberseite mit einer sich über die ganze oder nahezu die ganze Länge erstreckenden Versteifungsrippe versehen sein, wel che sie gegen Durchbiegung widerstandsfähiger macht.
Derartige dachförmigen Abdeckungen können an ihrer Aussenfläche parallel oder senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende, wellenförmige Erhöhun gen und Vertiefungen aufweisen, durch welche ihre die Wärme abgebenden Flächen vergrössert werden.
Die Umhüllungen dürfen vom elektrischen Strom nicht durchflossen werden. Dementsprechend werden sie vorteilhaft mit geringem Zwischenraum vom Heiz- stab angeordnet bzw. in geeigneter Weise elektrisch isoliert an den Elektrodenblöcken befestigt.
Als Bau stoff für die Umhüllungen wählt man zweckmässig einen möglichst gut wärmeleitenden, nichtmetallischen Stoff. Geeignet sind hochfeuerfeste Oxyde, beispiels weise Zirkonoxyd, auch Nitride, wie Titannitrid, Zir- konnitrid, oder Boride, wie Titanborid, Zirkonborid. Aber auch Karbide können verwendet werden, bei spielsweise Siliziumkarbid, Titankarbid. Sogar aus Graphit können die Umhüllungen hergestellt werden.
Solche Umhüllungen überziehen sich zwar mit einer Siliziumkarbidschicht. Hier bleibt aber diese Schicht fest. anliegen; sie wird von der Gutschmelze nicht abgerissen, da durch die Umhüllung kein Strom fliesst. Infolgedessen bleibt die Eigentemperatur der Umhül lung den Heizstäben gegenüber wesentlich niedriger, so dass auch kein Absprühen der gebildeten Silizium- karbidschicht eintritt. Vielmehr bildet diese Schicht für die Umhüllung eine Schutzschicht, welche die Lebensdauer der Umhüllung verlängert. Eine solche Schutzschicht oder eine aus anderen Stoffen beste hende Schutzschicht kann schon vor dem Einbau der Umhüllungen, auch bei solchen aus anderen Stoffen, auf die Umhüllungen aufgebracht werden.
Umhüllungen, die eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit als die Graphitheizstäbe besitzen, bei spielsweise solche aus . Siliziumkarbid, dürfen die Heizstäbe auch berühren oder können sogar mit ihnen verschweisst sein. Hier sind die Umhüllungen nicht oder nur in geringem Mass am Stromdurchgang beteiligt, da der Strom stets dem guten Leiter nach geht. Infolgedessen tritt in solchen Fällen keine Zer störung der Umhüllung ein.
Unterhalb der mit den Umhüllungen versehenen Heizstäbe bleibt infolge der hohen Viskosität der Schmelze ein Hohlraum. In diesem Hohlraum sam meln sich Gase oder Dämpfe, die sich beim Schmelz vorgang bilden, beispielsweise CO, Si, SiO, Si0_. Zweckmässig werden diese Gase aus dem Hohlraum abgezogen. Hierzu wird vorteilhaft in die lang gestreckten Hohlräume von deren einem Ende her ein inertes Spülgas, beispielsweise Stickstoff, unter Druck eingeblasen. Am gegenüberliegenden Ende der Hohlräume werden dann alle Gase herausgedrückt oder herausgesogen. Dadurch werden Gaseinschlüsse in der Schmelze vermieden, und diese wird blasen frei.
Eine solche Abschirmung der Heizstäbe gegen eine Berührung mit der Schmelzmasse kann man für alle Arten von Heizstäben zum Schmelzen verschie denartiger Stoffe anwenden, wenn die Heizstäbe vor einer Berührung mit dem Schmelzfluss geschützt wer den sollen oder eine Abführung von entstehenden Gasen erforderlich ist.
In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ofens und verschiedene Aus führungsformen der Umhüllung der Heizstäbe dar gestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch den oberen Teil eines Ofens zum kontinuierlichen Schmelzen von Quarzsand zu Quarzgut nach der Linie a-b in Fig. 2, Fig.2 einen waagrechten Schnitt durch diesen Ofen nach der Linie c-d in Fig. 1 und Fig. 3 bis 5, 7, 9, 11 sechs verschiedene Ausfüh rungsformen der Heizstabumhüllung im Querschnitt.
Fig. 6, 8, 10 sind Seitenansichten zu den Fig. 7, 9 bzw.<B>11.</B>
Der Ofenschacht wird von dem Wandmauerwerk 1 gebildet, das von einem Blechmantel 2 umgeben ist. In seinem oberen Teil wird der Ofenschacht von nahe beieinanderliegenden, parallel zueinander an geordneten Heizstäben 3 in waagrechter Richtung durchdrungen.
Oberhalb der Heizstäbe 3 lagert das zu schmel zende körnige Gut, der Quarzsand. Dieser Quarz sand rieselt den Heizstäben 3 zu, wird beim Durch treten zwischen den Heizstäben 3 geschmolzen und fliesst als geschmolzene Masse, als Quarzgut, aus dem Raum zwischen den Heizstäben 3 nach unten ab. Die allmählich erkaltende Masse bildet dann den Quarzgutblock.
Die Heizstäbe 3 sind in einem geringen, das Durchrieseln von Quarzsand noch ermöglichenden Abstand angeordnet und über ihre ganze Länge gegen oben mit einer Abdeckung 4 versehen, die eine Be rührung zwischen dem Schmelzgut und den Heizstä- ben 3 erschwert.
Die Abdeckungen 4 liegen an ihren Enden auf den Elektrodenblöcken 5 auf. Durch Anordnung von Isolierplättchen zwischen den Auflagern der Abdek- kungen 4 und den Elektrodenblöcken 5 können die Abdeckungen 4 gegen den Durchgang von Strom ge sichert werden. Mit 9 sind die Stromanschlüsse zu den Elektroden 5 bezeichnet.
Die Abdeckungen 4 der Heizstäbe 3 können ver schiedene Querschnittsformen besitzen. In Fig. 1 sind dachförmige Abdeckungen mit gekrümmten Dach flächen dargestellt. Bei der Ausführungsform der Ab deckung 4 eines Heizstabes 3 nach Fig. 3 weist diese Abdeckung oben eine Versteifungsrippe 6, welche sich über die ganze oder nahezu die ganze Länge der Abdeckung 4 erstreckt, auf. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Abdeckung 4 zur Erzielung ihres Auflagers mit Zwischenraum beispielsweise auch mit einer an ihrer Innenseite vorgesehenen, sich über ihre ganze oder nahezu ganze Länge erstreckenden Auflager leiste 7 versehen sein.
Bei der Ausführungsform ge mäss Fig. 5 liegt die Abdeckung 4 unmittelbar auf dem Heizstab 3 auf. Gemäss Fig.6 und 7 ist die Aussenfläche der Abdeckung 4 des Heizstabes 3 mit parallel zur Längsrichtung der Abdeckung 4 verlau fenden wellenförmigen Erhöhungen und Vertiefun gen, gemäss Fig. 8 und 9 mit senkrecht zu dieser Längsrichtung verlaufenden wellenförmigen Erhöhun gen und Vertiefungen versehen. In Fig. 10 und 11 ist eine Ausführungsform der Abdeckung dargestellt, welche kreisringförmigen Querschnitt aufweist und den Heizstab 3 in sich einschliesst.
Der geringe Zwi schenraum zwischen den Abdeckungen 4 und den Heizstäben 3 wird durch geeignetes Auflagern, gege benenfalls unter Anwendung von Isolierplättchen, der Abdeckungen 4 auf den Elektrodenblöcken 5 er reicht.
Zum Abziehen der in dem Hohlraum unterhalb der mit den Abdeckungen 4 versehenen Heizstäbe 3 sich sammelnden Gase oder Dämpfe dienen in die Wände des Ofens, in welche die Elektrodenblöcke 5 eingesetzt sind, eingesetzte Rohre B.