DD295822A5

DD295822A5 - Heizelementtraeger in glasschmelzoefen mit indirekter widerstandsbeheizung

Info

Publication number: DD295822A5
Application number: DD34205690A
Authority: DD
Inventors: Rainer Haft; Wolfgang Hippius; Hans-Juergen Linz; Rainer Noack; Karl-Heinz Nuerbchen; Alfons Sommer
Original assignee: Waermetechnisches Institut Der Glasindustrie Gmbh (I.G.),De
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1991-11-14

Abstract

Es wird ein Heizelementtraeger fuer Glasschmelzoefen mit indirekter Widerstandsheizung vorgeschlagen. Als Heizleitermaterial findet Molybdaen Verwendung. Er eignet sich insbesondere fuer das Schmelzen von silikatischen Stoffen mit hoher Schmelztemperatur, hoher Kristallisationsneigung und steilem Temperaturverlauf von Viskositaet und elektrischem Widerstand. Durch eine zusaetzliche Kuehlvorrichtung am Heizelementtraeger wird die Verglasung des Molybdaenleiters im Bereich der Durchtrittsoeffnung des Schmelzofens gezielt beeinfluszt und dessen Korrosionsfestigkeit erhoeht. Fig. 1{Schmelzofen; Widerstandsheizung, indirekt; Glas; Heizelement; Molybdaen; Kuehlung; Verglasung; Korrosion; Temperatur; Steuerung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Heizelementträger, der in Schmelzöfen mit indirekter Widerstandsheizung zum vollelektrischen Schmelzen von silikatischen Stoffen mit geringer oder nicht vorhandener Leitfähigkeit Verwendung findet, die bei hoher spontaner Kristallisationsneigung einen steilen Temperaturverlauf von Viskosität und elektrischen Widerstand besitzen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der vollelektrischen Schmelze silikatischer Stoffe unterscheidet man zwei Arten der Beheizung:

- Beheizung durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch eine Glasschmelze, in die zwei Elektroden eingetaucht sind (direkte Widerstandsbeheizung) und

- Beheizung durch Widerstandsheizelemente, die in die Glasschmelze eintauchen (indirekte Widerstandsbeheizung). Wegen seines hohen Schmelzpunktes, seiner Warmstandfestigkeit und seiner im allgemeinen guten chemischen Beständigkeit gegenüber silikatischen Schmelzen verwendet man für die Elektroden und Widerstandsheizelemente in der Regel als Werkstoff Molybdän. Allerdings unterliegt es wegen seiner leichten Reaktion mit Sauerstoff bei Temperaturen über 600^;K einer starken Oxidationskorrosion, die vor allem im Bereich der Durchführung des Heizelementes bzw. der Elektrode durch cie Wandung des Schmelzofens wegen des leichten Zutritts von Luftsauerstoff zur raschen Materialzerstörung führt. Um die Oxidation des Molybdäns zu verhindern, wurden bereits eine Vielzahl technischer Lösungen für Elektroden- bzw. Heizelemenihalterungen vorgeschlagen.

So wird mit gekühlten Haltervorrichtungen unterschiedlichster Bauart versucht, die Temperatur des Molybdäns in den Bereichen außerhalb der Glasschmelze auf unterhalb 600⁰K zu halten und so die Oxidation zu unterbinden.

Zusätzlich werden aber auch Verfahren des „Verglasens" angewendet, bei denen beispielsweise durch axiales Verschieben des Molybdänleiters um ca. ±100mm bei abgestellter Halterkühlung ein Glasfilm auf der Elektrode bzw. im Ringsoalt zwischen Halter und Elektrode erzeugt wird, der bei erneuter Kühlung des Elektrodenhalters erstarrt und, wie in DD-WP 59150 und DD-WP 118772 beschrieben, für einen ausreichenden Korrosionsschutz garantieren soll.

Bei den vorgeschlagenen Lösungen ist die Verglasung besonders im Bereich der Durchbohrung der Schmelzwanne nicht immer ausreichend, und es kommt dort häufig zu einer lokal begrenzten, aber heftigen Oxidation. Außerdem besteh: dabei infolge der schockartigen Temperaturbelastung der Halterkühlung die Gefahr des Aufreißens des Kühlmantels. Diese Schwierigkeiten sollen die konstruktiven Lösungen nach CS-PS 213224 und DD-WP 237046 vermeiden. Ein Mangel aller bisher beschriebenen Vorrichtungen ist ihre zu große Wärmeableitung im Kühlbereich, die sich insbesondere bei kleinen Schmelzaggregaten störend auswirken kann. Große lokale Wärmeverluste durch Wasserkühlung, die im Bereich des unbeheizten Wannenoodens auch weiträumig wirksam werden können, sind auch dann besonders von Nachteil, wenn die silikatischen Schmelzen eine hohe spontane Kristallisationsneigung und einen steilen Temperatur-Viskositätsverlauf aufweisen.

Das beschriebene Verglasungsverfahren ist außerdem fur den Einsatz in einer vollelektrischen Schmelze mit einer aus Molybdanstaben bestehenden indirekten Widerstandsheizung, analog DD WP 265889, nicht anwendbar, da hierbei in den zu Baugruppen zusammengefaßten Heizstaben bei axialen Verschiebungen Querkrafte an den Halterungs- und Verbindungselementen auftreten können, die den Heizkörper zerstören wurden Eine ungekuhlte Elektrodenanordnung wird in der US PS 4287380 geschützt Der oxidative Angriff des Luftsauerstoffes auf das Molybdän wird hierbei durch eine tief in die Durchfuhrungsbohrung hineinragende Umhüllung der Elektrode aus warmfestem Stahl und einem luftdichten Abschluß sowohl am schmelzbadseitigen als auch am schmelzbadabgekehrten Ende der Elektrode verhindert

Fur die Dichtung der Elektrode in der Durchfuhrungsbohrung der Ofenwand ist ein mit keramischem Fasermatenal versehener Flansch vorgesehen, der gegen das Feuerfestmaterial gedruckt wird Analoge Losungen, bei denen der Ringspalt zwischen Schutzrohr und Bohrung mit Feuerfestmortel verschlossen ist und der Ringspalt zwischen Schutzrohr und Heizleiter mit Edelgas gefüllt ist, zeigen SU-PS 885155 und SU-PS 1 208024 Hierbei befindet sich das Schutzrohr in der Durchfuhrungsbohrung in einer Distanz von 50 bis 100mm zur Schmelze Eine Inertgasspulung wird auch bei der US-PS 3777040 beschriebenen Erfindung verwendet

Zur Verminderung von Warmeverlusten wird das die Molybdanelektrode umgebende, nicht abgedichtete Stahlschutzrohr mit einem in der Durchfuhrungsbohrung weit zurückversetzt angeordneten Kuhler versehen, in dem koaxial zueinander, mit Kuhlwasser gefüllte Rohre verlaufen Diese Konstruktionen sind nur bei Glasschmelzen mit flachem Temperatur-Viskositats-Verlauf bei Glasbadtemperaturen zwischen 1 350⁰K und 1600 °K anwendbar oder gestatten, wie im Falle der US-PS 3 777040, nur eine unzureichende Verglasung der Elektrode

In anderen vorgeschlagenen Losungen, wie der SU PS 945092 und US-PS 3967 047, wird eine Reduzierung der Oxidationskorrosion bei geringen Warmeverlusten durch einen engen Ringspalt zwischen Stromzufuhrungseinrichtung und Durchfuhrungsbohrung erreicht, bei der entweder durch Anpressen eines Flansches oder des Kühlkörpers gegen die Durchtrittsöffnung des Schmelzofens gegen Luftzutritt abgedichtet wird Auch bei diesen konstruktiven Ausgestaltungen ist ein Luftaustausch zwischen Ringspalt und Umgebung nicht auszuschließen Zudem ist die Anordnung gemäß SU PS 945092 nicht fur Glasbadtemperaturen bei 1900⁰K bis 2000⁰K geeignet oder, wie die Vorrichtung entsprechend US-PS 3967047, nicht genügend schockfest

Weiterhin sind bei direkter elektrischer Beheizung sihkatischer Schmelzen mit hoher Kristallisationsneigung und Erstarrungstemperatur Stromzufuhrungseinrichtungen bekannt, bei denen der Heizleiter von einem innen und teilweise auch außen mit Luft beaufschlagten Kuhler getragen wird, wobei das Innenrohr des Kuhlers den Heizleiter bis in die Erstarrungszone der Schmelze im Ringspalt umschließt

Das Innenrohr, welches die Durchfuhrungsbohrung bis auf eine Spaltbreite von 3 bis 6mm vollständig ausfüllt, ragt außerdem bis in die stark eisenhaltige Schmelze hinein und verhindert somit auch dort den Luftzutritt zum Heizleiter Das als Schutzmantel wirkende Innenrohr lost sich in der Schmelze langsam auf ·

Diese bekannte Vorrichtung gemäß DD WP 266090 ist fur den Einsatz in Schmelzbadern mit Temperaturen nur bis 1650⁰K geeignet und verursacht zudem bei der Schmelze von weißen Glasern eine Qualitatseinbuße durch intensive Grunfarbung Schließlich sind noch Verfahren zur Vermeidung von Oxidationskorrosion durch das Aufbringen von Schutzschichten auf den Molybdankorper bekannt So wird beispielsweise gemäß DD-WP 202899 auf den Molybdanheizleiter vor seinem Einbau in die Glasschmelzwanne ein Glaspulver-Wasser-Gemisch geeigneter Konsistenz aufgetragen und dieser Überzug nach einem Trocknungsvorgang durch eine Schicht aus Wasserglas und Glaspulver stabilisiert Erfahrungsgemäß kristallisieren diese Überzüge im Laufe der Zeit, reißen auf oder platzen ab und ermöglichen einen Oxidationsangnff.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Heizelementtragers fur Heizleiter aus Molybdän bei indirekter Widerstandsbeheizung, der bei hoher Einsatzdauer das Schmelzen von Alumosilikatglasern hoher Reinheit, großer spontaner Kristallisationsneigung und steilem Temperaturverlauf von Viskosität und elektrischem Widerstand bei Temperaturen oberhalb 1 900°K gestattet Der Heizelementtrager soll sich durch eine einfache, kostengünstige Konstruktion sowie durch optimierte Kuhlwirkung auszeichnen

Darstellung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, durch neuartige konstruktive Mittel fur den Heizelementtrager und deren optimale Dimensionierung unter den Besonderheiten der Alumosilikatschmelzen eine gute Verglasung des Heizleiters bei Betriebstemperaturen der Schmelze von über 1 900°Kzu gewährleisten, ohne daß dafür eine Axialverschiebung des Heizleiters vorgenommen werden muß Eine Oxidationskorrosion soll dadurch weitestgehend vermieden werden Als Heizelementtrager dient im wesentlichen ein stabformiger Stromleiter aus Molybdän, der von einer Schutzhülse aus hitzebestandigem Stahl ummantelt wird und an dessen der Schmelze abgewandten Endesich ein Kuhlkopf zur Kühlung des Heizleiters im Bereich der Stromanschlusse anschließt

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelost, daß der schmelzbadseitige Teil der Schutzhülse mit einem auf ihr axial verschiebbaren Ku hl ring versehen und der Kühl kopf fest mit dem Heizleiter verbunden ist Der Ku hl ring weist in seinem Inneren einen von einem Kuhlmittel durchflossenen Ringkanal auf Er dient der Steuerung der Verglasung Erfmdungsgemaß besteht der Kuhlring aus einem inneren Ringkörper und einem dazu konzentrisch angeordneten äußeren Ringkörper, die beide im Querschnitt halbkreisförmige Aussparungen aufweisen und die, miteinander verschweißt, den Kuhlkanal zur Aufnahme des flussigen Kuhlmittels bilden Die Verbindung beider Ringkörper zum Kuhlring erfolgt durch eine V formige Schweißnaht

Diese zusätzliche Kuhleinrichtung erhitzt sich bei abgestelltem Kuhlwasserzufluß bis auf ca 1 400⁰K und kann bei dieser Temperatur längere Zeit verbleiben, ohne mechanischen Schaden zu nehmen

Wahrend dieser Zeit überzieht die flussige Glasschmelze den Molybdankorper und die Schutzhülse und füllt den Zwischenraum zwischen Schutzhülse und Wandung des Schmelzofens aus Der am Ofenstein anliegende Kuhlring verhindert den Austritt der flussigen Schmelze aus der Durchtrittsöffnung des Schmelzofens Fließt anschließend Kuhlwasser durch den Kuhlkanal so erfolgt schockartig eine Abkühlung des Kuhlringes und der angrenzenden Bereiche des Heizelementtragers, des Heizleiters und der Schmelze Durch die entsprechende Drosselung oder Erhöhung der Kuhlwasserzufuhr wird das Glas in diesem Bereich plastisch oder starr gemacht Auf diese Weise wird ein Korrosionsschutz durch Verglasen erreicht, ohne den stabformigen Molybdanleiter mechanisch bewegen zu müssen und dadurch fur die Heizelemente und Trager schädliche Querkrafte zu riskieren Die große Temperaturschockfestigkeit der Schweißverbindung verhindert das Reißen des Kuhlringes Um mit Hilfe des Kuhlnnges die Durchtrittsöffnung des Schmelzofens gegen den Austritt flussigen Glases fest abzudichten, ist erfmdungsgemaß auf den Außenmamel der Schutzhülse eine Andruckmutter aufgeschraubt, die den Kuhlring fest gegen den Ofenstein andruckt

Vorteilhafterweise verhalt sich der äußere Durchmesser des Kuhlringes zum Durchmesser der Durchtrittsöffnung im Schmelzofen wie 1 0,5 bis 1 0,75 Weiterhin ist es von Vorteil, wenn sich der Innendurchmesser der Schutzhülse zum Durchmesser der Durchfuhrungsoffnung wie 1 1,5 bis 1 2 verhalt

Dabei sollte der Abstand zwischen Heizleiteroberflache und Ofenwand der Durchfuhrungsoffnung nicht mehr als 10 bis 15mm betragen Vorteilhaft ist es auch, wenn die Einbautiefe der Schutzhülse zur Gesamttiefe der Durchfuhrungsoffnung der Ofenwand im Verhältnis 1 4 steht Schließlich ist es von Vorteil, wenn die Schutzhülse mit einem Einlaßstutzen fur die Zufuhrung von Inertgas in den Zwischenraum zwischen Heizleiter und Schutzhülse versehen ist

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausfuhrungsbeispiels und von schematischen Zeichnungen naher erläutert werden Es zeigen

Fig 1 eine Seitenansicht des Heizelementetragers in einem elektrisch beheizten Schmelzaggregat gemäß der Erfindung und Fig 2 einen vergrößerten Schnitt durch den Kuhlring

Der Heizelementtrager gemäß Fig 1 besteht aus einem, die nicht dargestellten Heizstabe und Verbindungselemente einer indirekten elektrischen Widerstandsheizung tragenden Heizleiter 1, vorzugsweise einem Molybdanstab, der wiederum von einer metallischen Schutzhülse 2 aufgenommen wird Die Schutzhülse 2 besteht aus hitze und oxidationsbestandigem Stahl und ist mit einem Kuhlkopf 3 gasdicht verbunden Er ist im Inneren des Schutzrohres 2 mit dem Heizleiter 1 verschraubt Der Kuhlkopf besitzt einen Kuhlwasservoriauf 4 und einen Kuhlwasserrucklauf 5 und weist die fur die Stromzuführung notwendigen Kupferkabel 6 auf, die am Heizleiter 1 elektrisch angeschlossen sind Er ist auf Grund des hohen Ubergangswiderstandes zwischen dem Kuhlkopf aus Kupfermaterial und dem Heizleiter in der Lage, die auftretende Erwärmung gefahrlos abzuleiten Der Kuhlkopf verhindert damit eine übergroße Erhitzung der stromführenden Leitungen und ihrer Anschlüsse an den Heizleiter Der Ku hl kopf steht auf einem Isolator 7, der wiederum mittels einer horizontal und vertikal verstellbaren Hülse 8 vom Haltearm 9 gehaltert wird Der Haltearm 9 ist mit Hilfe einer Schelle 10 an der Wannenverankerung 11 einer nicht naher dargestellten elektrisch beheizten Schmelzwanne 12 befestigt Durch eine Durchtrittsöffnung 13 im Bodenstem 14 ragt der Heizleiter 1 in den Wannenraum Der Durchmesser der Druchtnttsoffnung 13 sollte gegenüber dem Innendurchmesser der Schutzhülse 2 im Verhältnis 1,5 1 bis 2 1 stehen, um eine ausreichende Verglasung und somit Korrosionsschutz fur den Heizleiter 1 zu erreichen Die Einbautiefe der Schutzhülse 2 soll zur Gesamttiefe der Durchtrittsöffnung 13 ein Verhältnis 1 4 besitzen, um den Korrosionsangriff der Glasschmelze zu minimieren Mittels eines Zufuhrungsstutzens 15 wird durch die Schutzhülse 2 wahrend des Anfahrvorganges Schutzgas, ζ B Argon, in das mit Scherben gefüllte, hier nicht naher dargestellte Schmelzaggregat geleitet, um die in den Hohlräumen des Glasgutes befindliche Luft zu verdrangen Beim Einschalten der indirekten Widerstandsheizung schmilzt das in der Schmelzwanne 12 befindliche Schmelzgut und erwärmt sich zunächst auf etwa 1 700°K Die Glasschmelze 16 tritt in die Durchtrittsöffnung 13 der Ofenwand ein und füllt diese bis in den Bereich desschmelzbadseitigen Endes der Schutzhülse vollständig aus Wahrend dieser Zeit bleibt der Kuhlwasserzufluß, der über einen Kuhlwasserstutzen 19 in den Ku hl ring 17 erfolgt, unterbrochen Die Temperatur des Kuhlflansches steigt dabei auf ca 1 400⁰K Der Ku hl ring 17, aufgesetzt auf die Schutzhülse 2, liegt mit seiner Außenflache 18 fest am Bodenstein 14 der Schmelzwanne an und wird mittels einer Andruckmutter 20 in dieser Lage gehalten Ein Austritt von Glasschmelze 16 aus der Durchtrittsöffnung 13 wird dadurch verhindert Der Durchmesser der Durchtrittsöffnung 13 sollte deshalb gegenüber dem äußeren Durchmesser des Kuhlringes 17 im Verhältnis 0,5 1 bis 0,75 1 stehen Den schematischen Aufbau des Kuhlringes 17 zeigt Fig 2 Ein innerer Ringkörper 21 und ein äußerer Ringkörper 22 werden durch eine V-Schweißnaht 23 zusammengehalten und bilden einen Kuhlkanal 24 mit kreisförmigem Querschnitt Wird nun in den erhitzten Kuhlring 17 über den Kuhlwasserstutzen 19 Kuhlwasser eingeführt, so erfolgt schlagartig ein starker Temperaturabfall im Kuhlring 17, der sich auf die angrenzenden Bereiche von Heizleiter 1, Schutzhülse 2 und Ringspalt in der Durchtrittsöffnung 13 auswirkt Das geschmolzene Glas im Bereich der Durchtrittsöffnung 13 zwischen Schutzhülse 2, Bodenstein 14 und Kuhlring 17 wird plastisch bis fest und bildet einen dichten Schutzmantel um diese Teile und schützt sie vor weiterer Korrosion durch Oxidation Die Kuhlwasserstutzen 19 werden durch Halteschellen 25 an der Schutzhülse 2 befestigt

Claims

1. Heizelementträger in Schmelzöfen mit indirekter Widerstandsheizung zum vollelektrischen Schmelzen von silikatischen Stoffen geringer oder nicht vorhandener Leitfähigkeit, hoher spontaner Kristallisationsneigung und steilem Temperaturverlauf von Viskosität und elektrischem Widerstand, der im wesentlichen aus einer Schutzhülse aus hitzebeständigem Stahl als Schutzmantel um einen Heizleiter besteht, dem sich an dem der Schmelze abgewandten Ende ein Kühlkopf anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der schmelzbadseitige Teil der Schutzhülse (2) mit einem auf ihr axial verschiebbaren Kühlring (17) versehen ist und der Kühlkopf (3) fest mit dem Heizleiter (1) verbunden ist.

2. Heizelementträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlring (17) aus einem inneren Ringkörper (21) und einem dazu konzentrisch angeordneten äußeren Ringkörper (22) besteht, die beide im Querschnitt halbkreisförmige Aussparungen aufweisen und die, miteinander verschweißt, einen Ringkanal (24) bilden.

3. Heizelementträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Außenmantel der Schutzhülse (2) eine Andruckmutter (20) für den Kühlring aufschraubbar ist.

4. Heizelementträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der äußere Durchmesser des Kühlrings (17) zum Durchmesser der Durchtrittsöffnung (13) im Schmelzofen wie 1:0,5 bis 1:0,75 verhält.

5. Heizelementträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbautiefe der Schutzhülse (2) zur Gesamttiefe der Durchtrittsöffnung (13) der Ofenwand im Verhältnis 1:4 steht.

6. Heizelementträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Innendurchmesser der Schutzhülse (2) zum Durchmesser der Durchtrittsöffnung (13) wie 1:1,5 bis 1:2 verhält.

7. Heizelementträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülse (2) mit einem Zuführungsstutzen (15) für die Zuführung von Inertgas versehen ist.