Schachtofen zum Schmelzen von Quarz oder hochkieselsäurehaltigen quarzähnlichen Gläsern, mit elektrisch beheiztem Schmelztiegel Die Erfindung betrifft einen Schachtofen zum Schmelzen von Quarz oder hochkieselsäurehaltigen quarzähnlichen Gläsern, mit elektrisch beheiztem Schmelztiegel.
In einer bekannten Ausführung eines solchen Ofens sind Heizdrähte in Form einer Wicklung oder eines Gitters an der Innenwand des den zylindrischen Schmelztiegel umgebenden feuerfesten Mantels an geordnet, der selbst von einzm äusseren wassergekühl ten Mantel umschlossen. ist. Die Heizdrähte bestehen aus einem schwer schmelzbaren Metall, wie Molyb- dän oder Wolfram und werden im Betrieb von einem Schutzgas, wie Wasserstoff oder einem Wasserstoff- Stickstoff-Gemisch umspült.
Die im Betrieb auftreten- den Längenänderungen der Heizdrähte verursachten b,-i dieser Konstruktion Verwerfungen der Heizdraht anordnung, und die Drähte kamen untereinander oder mit d--,m Tiegel in Berührung. Die dabei entstehenden ungleichmässigen Strombelastungen führten zu einer vorzeitigen Zerstörung der Heizdrähte.
Diesen Nachteil sollte eine andere bekannte Ofen konstruktion beseitigen durch die Anordnung einer grösseren Anzahl möglichst gleichartiger Drähte paral lel zur Schm-lztiegelachse, so dass die Drähte eine Mantelfläche eines koaxialen Zylinders bilden. Die Heizdrähte sind an beiden Enden in einem oberen und einem unteren Klemmring befestigt. Während der obre Klemmring fest mit dem Ofen verbunden ist, ist der untere Klemmring lediglich mit den unteren Ofenteilen fest verbunden und mit diesen. an den Heizdrähten aufgehängt.
Durch das Gewicht der unte ren Ofenteile wirkt auf die Heizdrähte ein Zug, mit dessen Hilfe der untere Klemmring der Längen ausdehnung der Heizdrähte folgen und die Drähte immer gestreckt halten soll. Es war zu erwarten, dass auf diese Weise durch die thermische Längen ausdehnung hervorgerufene Verwerfungen und Be rührungen der Heizdrähte untereinander und. mit dem Schmelztiegel vermieden werden.
Überraschend zeigte sich jedoch, dass die Heiz- drähte im Betrieb unterschiedliche Längenausdeh nungen erfahren und im Laufe des Betriebes blei bende Dehnungen oder Schrumpfungen unterschied lichen Ausmasses an den Heizdrähten auftreten. Die kürzesten Heizdrähte hatten die Last der unteren Ofenteile allein zu tragen, während die übrigen Heiz drähte mehr oder weniger stark gekrümmt wurden.
Die gestreckten kürzeren Drähte begannen daher nach verhältnismässig kurzer Zeit zu reissen, während die stark gebogenen Drähte untereinander oder mit dem Tiegel in Berührung kamen, was ebenfalls ihre Zerstörung einleitete. Die Lebensdauer dieser Heiz- einrichtung betrug nur 100 bis 350 Betriebsstunden. Dann musste der Betrieb eingestellt und neue Teile in den Ofen eingebaut werden.
Diese häufigen Unter brechungen der fortlaufenden Produktion erforderten einen Material- und Zeitaufwand, der sich sehr nach teilig auf den Preis des fertigen Quarz- oder Glas gegenstandes auswirkt--.
Ziel der Erfindung ist es daher, eine Ofenkon struktion zu schaffen, die die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist und einen einwandfreien Dauerbetrieb des Schmelzofens über einen Zeitraum gewährleistet, der ein Vielfaches der bisherigen Le bensdauer beträgt. Zur Klärung der unerwarteten Feststellungen des unterschiedlichen Verhaltens der Heizdrähte wurden umfangreiche Untersuchungen der Längenausdehnung von Wolfram-Heizdrähten durchgeführt. Sie ergaben, tlass .dafür nicht die nach bekannten Gesetzen verlaufende Wärmeausdehnung massgebend ist.
Bei einer axialsymmetrischen Anord nung, bei der überall gleiche Temperaturen auftreten, müssen ja gleichartige Heizdrähte auch gleiche Wärmeausdehnungen erfahren. Die Untersuchungen ergaben vielmehr, dass die beobachteten Abwei chungen auf Rekristallisationsvorgänge in den Wol- framdrähten zurückzuführen sind. Wolframdrähte werden bekanntlich aus Wolframpulver hergestellt durch aufeinanderfolgendes Pressen, Sintern, Häm mern und Ziehen:.
Der fertige Wolframdraht weist eine Faserstruktur auf, die sich jedoch bei starker Erhitzung wieder umbildet. Dies- ,-r Strukturumbau, die Rek.ristallisation, erfolgt ungleichmässig entspre chend d-em mikroskopisch nicht homogenen Aufbau des Wolframdrahtes. Die Rekristallisation wirkt sich daher in jedem Wolframdraht anders aus und führt zu den beobachteten unterschiedlichen bleibenden Dehnungen oder Schrumpfungen der einzelnen Heiz drähte.
Während des Anheizens der Drähte tritt zunächst nur die Wärmeausdehnung in Erscheinung, und zwar als eine verhältnismässig grosse und bei allen Heiz drähten gleiche Längenänderung. Erst bei starker Erhitzung erfolgt der Strukturumbau der Wolfram- drähte von der Faserstruktur des neuen Drahtes zum Kristallgefüge. Während des kontinuierlichen Betrie bes des Ofens unterliegen die Heizdrähte nur gering fügigen Temperaturänderungen. Die sich hieraus er gebenden Längenänderungen
sowie diejenigen infolge Rekristallisation sind' klein im Vergleich zu den Län- genänderungen während des Anheizens. Aber auch die verhältnismässig kleinen Längenänderungen führen zur schnellen Zerstörung der Heizdrähte, wie sich bei der beschriebenen 'Ofenkonstruktion mit den zwi- sehen oberem und unterem Klemmring eingespannten Heizdrähten gezeigt hat.
Die Erfindung geht von diesen. Erkenntnissen aus und gelangt zu zwei Ausführungen von Schachtöfen. Der erfindungsgemässe Schachtofen zum Schmelzen von Quarz od"r hochkieselsäurehaltigen quarzähnli chen Gläsem mit .einem zylindrischen.
Schmelztiegel, der umgeben ist von elektrisch beheizten, parallel zur Tiegelachse angeordneten, unter Zugspannung stehen den Heizdrähten, die an einem Ende fest mit den Ofen endteilen verbunden sind, während das andere Ende jedes Hcizdrahtees einzeln mit einem auf ihm sitzenden Führungsstück durch je eine Bohrung in einem rin.-1 förmigen Ofenendteil hindurchgeführt ist,
in der jeder Heizdraht zum Ausgleich seiner Längenänderung be weglich gehalten ist, ist gekennzeichnet durch zwei Zugspannungen ausübende Vorrichtungen unter schiedlicher Stärke für jeden Heizdraht, von denn die stärkere zu Beginn des Anheizens wirksam ist und die schwächere sich erst von einer vorbestimmten Ver längerung des Heizdrahtes an entspannt.
Bei der ershen Ausführungsform ist für die grö sseren Zugspannungen das Gewicht der an den Heiz- drähten aufgehängten unteren Ofenteile zur Auf nahme der hauptsächlich während des Anheizens auftretenden, allen Heizdrähten gemeinsamen Län- genänderungen vorgesehen.
Für die kleineren Zug spannungen ist in jeder Bohrung eine den Heizdraht mit seinem Führungsstück umgebende Druckfeder zwischen einer Auflagefläche in der Bohrung und einem Führungsstück-Endabschnitt grösseren Durch messers zur Aufnahme von während des Betriebes auftretenden Längenausdehnungsdifferenzen einzel ner Heizdrähte angeordnet.
Bei der zweiten Ofenausführungsform haben die für jeden Heizdraht vorgesehenen beiden Zugspan nungen ausübenden Vorrichtungen unterschiedlicher Stärke die Gestalt von zwei dem Heizdraht mit seinem Führungsstück in der Bohrung umgebenden, verschie den starken Druckfedern. Sie sind so angeordnet, dass sich die schwächere Feder zwischen einem Führungs- stück-Endabschnitt grösseren Durchmessers und einer auf dem Führungsstück axial verschieblichen Scheibe erst entspannen kann, wenn sich die stärkere Feder zwischen der Scheibe und einer Auflagefläche in der Bohrung,
der Längenausdchnung des Heizdrahtes während dies Anheizens entsprechend, so weit ent spannt hat, dass die Scheibe gegen einen festen An schlag in, der Bohrung drückt und dadurch eine wei tere Entspannung der starken Feder verhindert.
Die Erfindung ermöglicht, dass alle Heizdrähte, unabhängig von der mehr oder weniger starken Län genänderung jedes einzelnen Drahtes, in jedem Zeit punkt des Anheizens und des Betriebes gestreckt sind und dadurch den Tiegel gleichmässig beheizen und dass keine zu vorzeitiger Zerstörung einzelner oder aller Heizdrähte führenden ungleichmässigen Strom- oder Zugüberbelastungen auftreten..
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbei- spiele dar Erfindung dargestellt, und für einander ent sprechende Teile sind in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Fig.l zeigt eine Seitenansicht, zum Teil im Schnitt, eines Schmelzofens zur Herstellung von Quarzrohr.
Fig.2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 in grö sserem Massstab, und zwar die Halterung des oberen Endes eines Heizdrahtes. Fig. 3 zeigt ähnlich Fig. 1 eine Seitenansicht, zum Teil im Schnitt, eines andern Schmelzofens zur Her stellung von Quarzrohr, wobei der grösste Teil der Heizzone forhgclassen ist.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 3 in ver grössertem Massstab, und zwar die Halterung des oberen Endes eines Heizdrahtes in kaltem Zustand'. Fi.g. 5 zeigt das gleiche Heizdrahtende wie Fig. 4, jedoch im Betrieb, das heisst in aufgeheiztem Zu- stand. Die in den Fig. 1 und! 3 gezeigten Schmelzöfen zur Herstellung von Quarzrohr werden in Verbindung mit einer hier nicht gezeigten Ziehmaschine betrieben.
Sie ist unter dem Ofen angeordnet und zieht das den Ofen verlassende Quarzrohr laufend aus, wobei das Rohr durch entsprechende Verjüngung von Durch- messer und Wandstärke seine Form erhält. Die hier gezeigten Öfen nehmen eine Leistung von 60 kW auf und werden an einem Niedsersp@annungs-Hochstrom- transformator betrieben.
In den Schmelztiegel 1 in Fig. 1 wird von oben das Ausgangsmaterial für das Quarzrohr, Bergkristall, eingefüllt. Den Boden des Tiegels 1 bildet die ring förmige Düse 2 mit dem Düsendorn 3, in der das erschmolzene Quarzglas zum Rohr geformt wird, das nach unten austritt. Das durch die Rohrleitung 4 und den Düsendorn 3 geführte Wasserstoff-'Stickstoff- Gasgemisch gelangt in das Quarzrohrinnere und ver hütet das Eindringen der umgebenden Atmosphäre durch das Quarzrohr in die Düse.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Tiegel 1 von 32 Heizdrähten 5 umgeben, die parallel zur Tiegelachse angeordnet sind und in gleichem Ab stand voneinander einen koaxialen Zylindermantel bilden. Die Heizdrähte 5 bestehen aus Wolfram und w rden während des Betriebes ebenso wie die Innen flächen des Düsendorns 3 von einem reduzierenden Gasgemisch umspült. Der Durchmesser der Heiz drähte 5 beträgt 2,8 mm, und im Betrieb Fliesst durch sie ein Strom von je etwa 150 Ampere.
Den äusseren seitlichen Abschlu'ss der beheizten Zone des Ofens bildet der metallische wassergekühlte Ofenmantel B. In ihm !befindet sich eine zylindrische Muffel 6 aus Zirkonoxyd, welche die Heizdmähte 5 umhüllt. Zwischen der Muffel 6 und dem Ofenman tel 8 isst eine Isolierschicht 7 aus Zirkonoxydpulver eingestampft.
Die Heizdrähte 5 sind in dem unteren Klemm- ring 9 starr befestigt, der mit der unteren Abschluss kappe 10 und der unteren Kühlplatte 11 fest verbun den ist. Kühlplatte 11, Klemmring 9 und Abschluss kappe 10 bestehen aus Metall und besitzen Hohl räume für die Wasserkühlung. Sie sind an dien Heiz drähten 5 aufgehängt.
Mit der Längenausdehnung der Heizdrähte 5 vergrössert sich der Abstand zwi schen dem Tiegel und, den unteren Ofenendteilen. Um zu verhindern, dass durch diesen Zwischenraum das die Heizdrähte 5 umspülende Schutzgas entweicht, ist ein ältauchverschluss 12 oder ein Kupferfaltenring 13 vorgesehen.
Die obere Kühlplatte 14 sitzt elektrisch isoliert auf dem Ofenmantel B. Die untere Platte 15 des Ofen mantels 8 ist ebenso wie die Kühlplatte 14 mit. nicht gezeichneten Stromanschlüssen versehen. Mit derobe- ren Kühlplatte 14 ist der obere Kühlring 16 elektrisch leitend verbunden.. Beide Teile sind für Wasserküh lung ausgerüstet. Im Kühlring 16 befinden sich bei diesem Ausführungsbeispiel 32 Bohrungen für die Heizdrähte 5.
Fig. 2 zeigt einen mit einem Führungsstück 17 versehenen Heizdraht 5, das in dein Hauptabschnitt 18 und den Nebenabschnitt 19 der Bohrung lose ein geführt ist.
Die Oberflächen des Nebenabschnittes 19 der Bohrung und des in ihm gleitenden unteren Ab schnittes des Führungsstückes 17 reichen aus, um die im Betrieb vom zugehörigen Heizdraht 5 durch Wärmeleitung aus dem Ofeninnern übertragene Wärme so weit an den oberen Kühlring 16 abzufüh ren, dass die Temperatur im Endabschnitt 21 des Füh rungsstückes 17 nicht über 200 C .steigt.
Zwischen der Auflagefläche 20 der Bohrung und, der am End- abschnitt 21 des Führungsstückes 17 gebildeten An- schlagschulter 22 sitzt die Drahtfeder 23. Ihre Stärke ist so bemessen, dass sie durch das Gewicht der unte ren Ofenteile 9, 10 und 11 gerade noch vollständig zwischen der Auflagefläche 20 und dem Endabschnitt 21 des Führungsstückes 17 zusammengedrückt wird.
Das Anlassen des Ofens erfolgt über einen Regel transformator. Anlass- und Betriebsspannung werden an die Heizdrähte 5 galegt, einerseits über die untere Platte 15 des Ofeirmantels! 8 über ebensoviel beweg liche Leitungen 24 wie Heizdrähte vorhanden sind bzw.
über den Faltenring 13, über die untere Kühl platte 11 und den unteren Klemmring 9, und ander- seits über die obere Kühlplatte 14, dien Kühlring 16 und ebensovielbewegliche Leitungen 25 aus Kupfer litze wie Heizdrähte vorhanden sind. Unter dem Ein fluss der Stromwärme dehnen sich die Drähte 5 wäh rend des Anheizens mehr oder weniger stark in ihrer Längsrichtung aus.
Die allen Heizdrähten 5 gemein same Längenänderung wird von dem Zug der unteren Ofenteile 9, 10 und 11 aufgenommen.. Die darüber hinaus entstehenden Längenausdehnungsd!ifferenzen einzelner Drähte 5 gleichen sich durch eine mehr oder weniger starke Entspannung der zugehörigen Druck federn 23 aus.
Da die Dehnungsdifferenzen im Ver gleich zur Gesamtdehnung klein sind, vermindert sich die Zugbeanspruchung der eine grössere: Längen- ausdehnung :erleidenden Heizdrähte nur unwesentlich, so dass die kürzer gebliebenen Heizdrähte durch die Zugkraft ihrer etwas stärker zusammengedrückten Federn nicht überlastet werden.
Mit dieser Ofenkonstruktion wurden Lebens dauern bis zu 2000 Betriebsstunden erreicht.
Der in Fig. 3 gezeigte Quarzschmelzofen zur Her- stellung von Quarzrohr ist gegenüber dem in d@,n Fig. 1 und 2 dargestellten dadurch verbessert, dass die -bewegliche Anordnung der unteren Ofenteile 9, 10 und 11 mit den dadurch erforderlichen 32 beweg lieben Leitungen 24 und dem Tauchverschluss 12 bzw.
mit dem Faltenbalg 13 weggefallen ist und die unte ren Ofenteile fest mit dem übrigen Ofen verbunden sind. Die erforderliche Zugspannung für<B>die</B> Heiz- drähte wird- allein durch Drahtfedern bewirkt.
Gestalt und Anordnung des Schmelztiegels 1, der Heizdrähte 5, der Muffel 6, der Isolierschicht 7 und des Kühlmantels 8 stimmen mit Fig. 1 überein. Die Heizdrähte 5 sind in einem wassergekühlten unteren Kontaktring 26 fest eingeklemmt, der-sowohl mit der wassergekühlten Abschlusskappe 10 als auch mit dem übrigen Ofen fest verbunden ist.
Auf dem Ofen ruht, elektrisch von ihm isoliert, der obere Kontaktring 27, in dem sich die Bohrungen für die Heildrähte 5 be finden.
Da sich die Wolframdrähte 5 beim Aufheizen verhältnismässig stark, während des Betriebes jedoch in wesentlich kleinerem Masse ausdehnen, sind für jeden Heizdraht 5 zwei Federn unterschiedlicher Stärke vorgesehen. Die stärkere Feder gleicht die Längenausdehnung während des Aufheizens aus und ist während des Betriebes nicht wirksam. Im Betrieb steht jeder Heizdraht 5 nur unter der Wirkung der schwächeren Feder.
Wie besonders deutlich die Fig. 4 und 5 zeigen, besteht jede Bohrung, wie in den Fig. 1 und 2, aus einem Hauptabschnitt 18 und einem Nebenabschnitt 19. In das obere Ende des Hauptabschnitts 18 ist eine Hülse 28 von solcher Wandstärke eingepasst, dass der Endabschnitt 21 des Führungsstückes 17 mit für axiale Beweglichkeit ausreichendem Spielraum in die Hülse 28 einfuhrbar ist.
Der Hauptabschnitt 18 der Bohrung enthält die auf der Auflagefläche 20 ruhende stärkere Feder 29, darüber eine axial bis an den unteren Hülsenrand verschiebliche und auf dem Führungsstück 17 gleitende Scheibe 30. Auf der Scheibe 30 ruht die schwächere Feder 31, die sich bis in die Hülse 28 erstreckt und oben gegen die Anschlagschulter 22 am Endabschnitt 21 des Füh rungsstückes 17 stösst.
Die Grössen der Oberflächen des Nebenabschnittes 19 der Bohrung und des in ihm gleitenden unteren Abschnittes des Führungs stückes 17 sind wiederum so gewählt, dass eine aus reichende Abführung der im Betrieb vom Heizdraht 5 durch Wärmeleitung aus dem Ofeninnern übertra genen Wärme an den oberen Kontaktring 27 statt findet und die Temperatur im Endabschnitt 21 des Führungsstückes 17 nicht über 200 C steigt.
In Fig. 4 sind beide Federn 29 und 31 vollständig zusammengedrückt. Zwischen der Scheibe 30 und dem unteren Rand der Hülsa 28 bleibt in diesem Zustand ein Abstand a, der etwa der Längenausdehnung des Heizdrahtes 5 während des Anheizens entspricht. Auf die Längenausdehnung während des Anheizens spricht zunächst die stärkere Feder 29 an und ent spannt sich, bis die Scheibe 30 von unten gegen die Hülse 28 stösst, wie es Fig. 5 zeigt.
Nach dieser ver hältnismässig starken Ausdehnung treten nur noch geringfügige Dehnungsdifferenzen einzelner Heiz drähte 5 auf, denen die schwächere Feder 31, sich entspannend, folgt. Die Zugkraft der schwächeren Feder 31 reicht aus, um den zugehörigen Heizdraht 5 während des Betriebes hinreichend gerade zu halten.
Um einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktring 27 und jedem Heizdraht 5 zu ge währleisten, ist für jeden einzelnen Heizdraht 5, wie auch in den Fig. 1 und 2, eine bewegliche Strom zuführung 25 vorgesehen.
Auch mit dieser Ofenkonstruktion wurde eine Lebensdauer von etwa 2000 Betriebsstunden er reicht.