DE3207250A1

DE3207250A1 - Elektroofen und verfahren fuer ein optimiertes mischen und schmelzen

Info

Publication number: DE3207250A1
Application number: DE19823207250
Authority: DE
Inventors: Leonard Elmo Castle Rock Col. Olds
Original assignee: Manville Service Corp
Current assignee: Morgan Advanced Materials PLC
Priority date: 1981-03-04
Filing date: 1982-03-01
Publication date: 1982-09-16
Also published as: AU551083B2; AU8062982A; MX157887A; CA1173879A; FR2501354A1; JPS57160919A; FR2501354B1; DE3207250C2; GB2094120B; US4351054A; GB2094120A

Description

Siebert · Grättinger & Bockhomi*··* ··*· *··'\.^: ' ^:..*·.:*.. ^w« um.*« «..dem

Euiopaisclion Patentamt Fuiofiean Patent Attorneys

Patentanwälte fmOStiirnheroIMnnrhenl

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Patentanwalt Gräninger Telefon 08151/41 Ib- 16640 Telegramm- Starpat Starnberg Telex: 5?6422stard

8900 Augsburg

Kurt Siebert. Dipl -Ing. Postfach 101771

Gunter Grättinger. Konrad-Adenauer-Allee 17/III

Dipl -Ing.. Dipl -Wirtsch.-Ing Patentanwalt Bockhorni

Josef Bockhorni. Dipl -Ing Telefon 08 21/3 54 24

Zuschrift bitte nach: 8014/91
To be addressed to

Manville Service Corporation
Ken-Caryl Ranch

Denver, Colorado 80217
USA

Elektroofen und Verfahren für ein optimiertes Mischen und Schmelzen

3 207 2 5Γ.

Elektroofen und Verfahren für das optimierte Mischen und Schmelzen.

• Die Erfindung bezieht sich auf Elektroschmelzöfen zum Schmelzen und Mischen von Oxidmaterialien, wie etwa Glas und feuerfeste Gemenge. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Elektroschmelz-5 ofen, bei dem Elektroden mit Abstand zueinander angeordnet und in eine Schmelze nach Maßgabe einer ausgewählten Anordnung eingetaucht sind, um ein optimales Schmelzen und Vermengen der Oxidmaterialien zu erzielen.

Zum Schmelzen von Glas und feuerfesten Materialien sind verschiedene Hochtemperatur-Elektroschrfielzöfen mit unterschiedlich aufgebauten Elektroden entwickelt worden. Bei einem bekannten Elektroschmelzofen (US-PS 3 983 309) sind drei rechteckförmige oder plattenförmige Blockelektroden von oben in den Ofen eingetaucht. Der Ofenauslaß enthält ein elektrisch leitendes Bauelement. Die drei Plattenelektroden sind vom elektrisch leitenden Auslaß mit radialem Abstand angeordnet. Die Elektroden sind seitlich verstellbar, um die Schmelzbedingungen zu verändern. Schließlich ist ein Vorherd bekannt (US-PS 3 539 691), bei welchem zwei Elektroden kopfüber in die Schmelze einge-

taucht sind. Die Elektroden führen Wärme zu, um das Material in einem geschmolzenem Zustand zu halten. Das obere Ende des Vorherds ist abgedeckt, um einen Wärmeaustritt zu verhindern. Schließlich ist ein mit einem Vorherd versehener Ofen bekannt (US-PS 2 686 821). Zylindrische Kohlenelektroden sind so angeordnet, daß sie durch den oben offenen Ofen in Stellung gebracht werden können. Die Stellung der Elektroden ist vertikal verstellbar.

Schließlich ist ein Elektroofen bekannt (US-PS 2 089 690), bei dem runde Elektrodenspitzen durch Seitenwände eines Ofens in den Ofeninnenraum ragen. Schließlich sind Elektroden bekannt (US-PS 2 591 709), bei denen ein Abschnitt des zylindrischen Schaftes der Elektrode von einem Mantel oder einem Belag umgeben ist.

Obgleich zahlreiche und unterschiedliche Öfen bekannt sind, weiä: keiner dieser bekannten Öfen den erfindungsgemäßen Aufbau für eine Optimierung sowohl des Schmelzens und des Mischens eines nicht homogenen Materials vor Abzug aus einem Ofenauslaß auf. Nach Maßgabe der Erfindung werden Elektroden mit im wesentlichen runden Elektrodenspitzen verwendet, die durch das obere Ende eines oben offenen Ofenbehälters eingesetzt werden, der mit einem Auslaß am Boden versehen ist. Kritisch für ein effizientes Mischen und Schmelzen des Materials im Ofenbehälter ist der Abstand zwischen

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jeder der Elektrodenspitzen und deren Tiefe innerhalb des Schmelzmaterials.

Wie bereits erwähnt, sind seitlich verstellbare Elektroden, die durch das obere Ende des Ofens in Stellung gebracht werden, bekannt (US-PS 3 983 309). Allerdings besitzen diese Elektroden Elektrodenspitzen in Form von Rechteckplatten, die radial außerhalb des Ofenauslasses in derselben Ebene des Auslasses angeordnet sind. Wenn Elektroden in Form von Rechteckplatten mit einem elektrisch leitenden Auslaß verwendet werden, wie es im bekannten Elektroofen der Fall ist, werden radiale Wärmeströmungsmuster erzeugt. Der durch den elektrischen Strom durch die Elektroden hervorgerufene radiale Wärmestrom befindet sich in einer Richtung weg vom Zentrum des Ofens in Richtung auf die Seitenwände des Ofens. Anstelle eines Beitrages zum Erschmelzen des Materials im Ofen hat dies wesentliche Wärmeverluste an die Ofenseitenwände zur Folge. Im Gegensatz dazu erzeugen die runden oder kreisförmigen Elektroden·» spitzen nach Maßgabe der Erfindung kreisförmige Strömungsmuster, wodurch die Wärme im Zentrum des Ofens gehalten wird. Dies hat zur Folge, daß eine rapide Wärmeabsorption durch das über der Schmelze liegende Gemenge im Ofen gewährleistet wird. Zu-

sätzlich vergrößern die kreisförmigen Strömungsmuster das Vermischen oder Verrühren der Schmelze, so daß ein homogenes Material aus dem Behälter abgezogen werden kann.
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Anders als beim Ofen gem. der US-PS 3 983 309 sind die Elektroden nach Maßgabe der Erfindung mit Abstand voneinander angeordnet und um eine vertikale Distanz in der Schmelze eingetaucht und zwar basierend auf bestimmten Ofenbedingungen einschließlich der Größe des Ofenbehälters, der Größe der auf den Ofen aufgebrachten Energie und der Temperatur des Schmelzmaterials im Ofen.

Zwar weist ein bekannter Ofen (US-PS 3 539 691) wenigstens eine runde Elektrodenspitze bei einem Aufbau mit zwei Elektroden auf, allerdings werden die Elektroden in einem Vorherd und nicht in einem Elektroschmelzofen verwendet. Der Vorherd umfaßt einen Deckel, so daß die Schmelze nicht gegenüber der Umgebung offen ist. Ein Vorherd, der gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist, ist wesentlich, um einen unerwünschten Wärmeverlust aus dem vollkommen geschmolzenen Material zu verhindern bevor das Material über den Auslaß abgezogen wird. Zusätzlich werden Vorherdelektroden dazu verwendet, den Schmelzzustand des darin enthaltenen Materials aufrechtzuerhalten. Anders als bei der Erfindung, wo ein optimales Mischen des

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Schmelzmaterials ein hervorstechendes Merkmal darstellt, findet im Vorherd kein zusätzliches Schmelzen oder Mischen statt.

Die Erfindung sieht einen Elektroschmelzofen vor mit einem Behälter zur Aufnahme der zu schmelzenden und miteinander zu mischenden Materialien. Der Behälter besitzt einen oberen Abschnitt, der gegenüber der Atmosphäre oder der den offenen Behälter umgebenden Umgebung offen ist. Der Behälter besitzt auch einen Auslaß, der im Behälterboden ausgebildet ist. Der Auslaß erlaubt den Materialabzug, nachdem das Material optimal erschmolzen und gemischt ist. Der Elektroofen umfaßt weiter drei Elektroden, die oberhalb des Ofenabschnitts des Behälters abgestützt sind. Jede dieser Elektroden ist durch eine Vorrichtung aufgenommen. Die Vorrichtung ist sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Richtung bewegbar.

Wenn die Vorrichtung in einer horizontalen Richtung bewegt wird, wird der seitliche Abstand der Elektrode relativ zum Ofenbehälter verstellt. Wenn die Vorrichtung in vertikaler Richtung bewegt wird, so ergibt sich eine Einstellung der Vertikallage der Elektrode in der Schmelze.

Jede der drei Elektroden umfaßt einen im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Schaft und eine mit dem Schaft verbundene abgerundete Spitze. Je-

de dieser drei Elektroden umfaßt auch einen hohl ausgebildeten, sich .in Längsrichtung erstreckenden Mittelabschnitt zur Aufnahmefeines Kühlmittels für die Elektrode, wenn die Elektrode in die Schmelze eingetaucht wird. Ein Abschnitt des Elektrodenschafts und die Elektrodenspitze treten durch den offenen oberen Abschnitt in den Ofenbehälter ein.

Während des Vorgangs des Schmelzens und des Mischens des Materials ist stets an der oberen Fläche der Schmelze oder auf dem Schmelzspiegel ein nicht homogenes Gemenge vorhanden. Jede Elektro— denspitze ist unterhalb des Schmelzspiegels innerhalb der Schmelze, jedoch oberhalb des Auslasses im Behälterboden angeordnet. Ein Abschnitt des Elektrodenschafts bleibt oberhalb der oberen Fläche des Gemenges. Der vertikale Abstand oder die Eintauchtiefe einer jeden Elektrodenspitze in die Schmelze wird für die Maximierung des Schmelzvorganges und des Mischvorganges des Materials gewählt. Gleichzeitig wird der vertikale Abstand der Elektrodenspitze oberhalb des Auslasses im Behälterboden für die Optimierung des Schmelz- und Misch-Vorganges gewählt. Der seitliche Abstand zwischen jeder Elektrodenspitze wird auch für die Maximierung des Schmelzens und des Mischens des im Behälter enthaltenen Materials gewählt. Dieses Optimum der Eintauchtiefe und des seitlichen Abstands der Elektro-

Al

denspitzen hängt von einer Anzahl von Ofenparametern ab. Diese .Parameter umfassen die Größe des Ofervbehälters, die Größe der auf den Ofen gegebenen Energie und die gewünschte Arbeitstemperatur des 5 Ofenbehälters. Eine Stromquelle ist mit jeder der Elektroden verbunden, um durch die Elektrodenspitze und durch das Material einen Strom zu schicken, wodurch das Material geeignet geschmolzen und gemischt wird. Obgleich der im Behälterboden gebildete Auslaß aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt ist, leitet der Auslaß vorzugsweise keine wesentlichen Strommengen. Das optimierte Schmelzen und Vermischen des Materials im Behälter resultiert in einem zunehmenden Durchsatz der Schmelze aus dem Ofenbehälter und in der Herstellung eines homogenen Produkts, wie etwa Fasern, wenn das Schmelzmaterial aus dem Ofenauslaß abgezogen wird.

Einer Reihe von Aspekten trägt die Erfindung Rechnung.

So wird die Durchsatzleistung der Schmelze aus dem Ofenbehälter erhöht. Die Leistungsfähigkeit bei der Herstellung von Fasermaterial wird verbessert. Dies wird bei einem oben offenen Ofenbehälter gewährleistet, so daß Elektroden von oben in den Behälter eingesetzt werden können.

Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, einen oben offenen Behälter zu "schaffen, um eine seitliche Bewegung der Elektroden relativ zum Ofenbehälter und eine vertikale Bewegung der Elektroden zu ermöglichen, um darüber die Eintauchtiefe in die Schmelze zu regeln. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Verstellung des seitlichen Abstandes der Elektroden sowie eine Vertikalverstellung der Elektroden zu ermöglichen, um bei einer vorgegebenen Behältergröße, einer vorgegebenen Größe der auf die Elektroden aufgegebenen elektrischen Energie und einer gewünschten Arbeitstemperatur des Behälters das Schmelzen und Mischen des Materials zu maximieren.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, runde Elektrodenspitzen vorzusehen, um kreisförmige Wärmestrommuster zu schaffen und hierdurch den Wärmeverlust an die Behälterseitenwände zu minimieren.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung soll eine vertikale Bewegung der Elektroden ermöglicht werden, so daß die Elektrodenspitzen oberhalb des Behälterauslasses positionierbar und der Behälterauslaß im wesentlichen nicht als Leiter von wesentlichen Strommengen wirkt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 einen Vertikalschnitt des Elektroofens zur Darstellung der Anordnung der Elektroden im Ofenbehälter, wobei die Elektrodenhaltevorrichtung nicht dargestellt ist,

Fig. 2 eine Draufsicht des in Fig. 1 dargestellten Elektroofens zur Darstellung der Anordnung mit drei Elektroden,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine nach Maßgabe der Erfindung verwendete Elektrode in vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt der Erfindung zur Darstellung eines Abschnitts des Elektroofens zusammen mit der Elektrodenhaltevorrichtung,

Fig. 5A - Diagramme zur Darstellung der Faser-

5F

spinnleistungen bei verschiedenen Abständen und Eintauchtiefen der Elektrodenspitzen zusammen mit unterschiedliehen auf die Elektroden gegebenen

Energiemengen bei einer Arbeitstcmperatur im Bereich von 3.500 bis 3.800⁰F,

Fig. 6A - Diagramme, welche/üie optischen Temperaturen des Ofenbehälters unter Verwendung verschiedener Abstände und Eintauchtiefen der Elektrodenspitzen in Verbindung mit unterschiedliehen Energiemengen darstellen sowie

Fig. 7 ein aus den Fig. 5A bis 5F und 6A bis 6F und aus Daten extrapoliertes Diagramm, die durch einen Testvorgang des Elektroofens gewonnen wur

den, wobei das Diagramm Zustände eines optimierten Misch- und Schmelzvorganges aufzeigen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform eines Elektroschmelzofens umfaßt einen Behälter 10 für die Schmelze und die Materialcharge bzw. Gemenge. Das Gemenge bedeckt die Oberfläche des geschmolzenen Materials. Wenigstens eine Gemengedecke von 6,35 mm (1/4 Zoll) bedeckt die Schmelze.. Vorzugsweise besitzt die Gemengedecke eine Dicke von wenigstens 12,7 mm (1/2 Zoll), um sicherzustellen, daß die von der Schmelze abgegebene Wärme wirksam durch das Gemenge absorbiert wird, um das Schmelzen

ff

zu erleichtern.

Der Behälter 10 umfaßt einen üblichen metallischen Außenmantel, der durch konventionelle Einrichtungen gekühlt weicen kann. Unmittelbar an der Innenwand des Mantels liegt ein geeignetes feuerbeständiges Material an, welches mit dem im Behälter 10 geschmolzenai Material verträglich ist. Dabei kann das feuerfeste Material durch einen Aufbau gebildet sein, der aus dem geschmolzenen Material entstanden ist. Der Behälter 10 besitzt einen Boden mit einem darin ausgebildeten Auslaß 14. Der obere Abschnitt 15 des Behälters 10 ist nicht abgedeckt. Vielmehr ist der obere Abschnitt 15 zur Atmosphäre oder zur Umgebung oberhalb des Behälters 10 hin offen. Wie nachfolgend im Detail noch näher erläutert wird, erlaubt der oben offene Behälter 10 eine seitliche und vertikale Bewegung der Elektroden, die im Behälter 10 angeordnet sind. Zusätzlich erlauben der oben offene Abschnitt 15 eine kontinuierliche Gemengezuführung zum Ofen während des Schmelzverfahrens.

Der Elektroofen umfaßt weiter drei Elektroden 16, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Jede Elektrode ist über eine Stromleitung 17 an eine geeignete Stromquelle angeschlossen. Eine der Elektroden 16 ist in ^Fig. 3 dargestellt. Jede Elektrode 16 umfaßt einen im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Schaft 18 und eine im wesentlichen kreisrunde Spitze 20,

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die auf das untere Ende des Schafts 18 geschraubt oder in sonst einer Weise geeignet verbunden ist. Der Elektrodenschaft 18 ist schräg mit der Elektrodenspitze 20 verbunden. Wenn die Elektrodenspitze 20 in der Schmelze angeordnet wird, befindet sich die Ebene der Elektrodenspitze 20 im wesentlichen parallel zum oberen Abschnitt 15 des Behälters. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Elektrodenspitze größer als der Durchmesser des seitlichen Querschnitts des Schafts 18. Der Durchmesser der Elektrodenspitze 20 liegt normalerweise im Bereich von 3 bis 9 Zoll.

Ein Bund 22 umgibt den Abschnitt des Schafts 18, der an der Elektrodenspitze 20 oberhalb angrenzt. Der Bund 22 sitzt vorzugsweise lose um den Schaftabschnitt, um diesen Schaftabschnitt vor einem schnellen Verschleiß aufgrund der hohen Temperatur der Schmelze zu schützen. Der Bund 22 wirkt auch in Richtung einer Reduzierung des Verlusts des Materials der Elektrodenspitze.

Der Elektrodenschaft 18, die Elektrodenspitze 20 und der Bund 22 stellen gute elektrische Leiter dar und sind vorzugsweise aus einem hitzebeständigen metallischen Werkstoff hergestellt, wie

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etwa Molybdän, Wolfram, Platin oder deren Legierungen.

Jede Elektrode 16 weist einen Hohlkanal 2A auf, der durch einen wesentlichen Mittelnbschnitt der Längserstreckung des Schafts 16 gebildet ist. Innerhalb des Kanals 24 ist ein Rohr 26 fest angeordnet. Wenn die Elektrode 16 in der Schmelze angeordnet ist, wird dem Rohr 26 und dem Kanal ein Kühlmittel, wie etwa Wasser zugeführt. Das Kühlmittel schützt die Elektrode 16 gegenüber einer unerwünschten Schädigung des Elektrodenwerkstoffs. Des weiteren wird durch eine geeignete Steuerung des Kühlmittelstromes zur Elektrode 16 der Wärmeverlust von der Schmelze auf die gekühlte Elektrode 16 reduziert. Das Kühlmittel wird vom Eiriaßrohr 28 durch das Rohr 26 aufgenommen. Das Kühlmittel tritt am Rohrende 30 aus. Das Rohrende 30 befindet sich in einem vertikalen Abstand von wenigstens 12,7 mm (1/2 Zoll) oberhalb des Bodens des Kanals 24, um die Bildung von verdampften Kühlmittel, wie etwa Dampf, zu minimieren, da es ansonsten einen wirksamen Durchfluß des Kühlmittels zum Kanal blockieren würde. Das Kühlmittel wird über das Auslaßrohr 32 aus dem :-Kanal 24 geführt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Kanal 24 einen Durchmesser kleiner als oder gleich 19,05 mm (3/4 Zoll), um den Wärmeverlust zur Elektrode 16 zu minimieren.

so

Der Elektroofen weist veiter einen bekannten Nadelaufbau 33 auf, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Der Nadelaufbau 33 ist oberhalb des Behälters 10 vertikal beweglich abgestützt und wird zur Steuerung des Öffnens und des Schließens des Auslasses IA verwendet.

Gleichfalls ist in Fig. 4 eine Vorrichtung 34 dargestellt, mit welcher eine Elektrode 16_:montiert und aufgenommen ist. Eine identische Vorrichtung 34 ist an einer geeigneten Stelle um den Ofenbehälter 10 für die Anordnung der weiteren Elektroden 16 angeordnet. Die Vorrichtung 34 erlaubt auch eine horizontale und vertikale Verstellung der Elektrode 16 relativ zum Behälter 10. Die Vorrichtung 34 umfaßt einen ve±ikalen Rahmen 36. Senkrecht zum vertikalen Rahmen 36 erstreckt sich ein Stützrahmen 38. Eine konventionelle Klemmvorrichtung 40 für eine Elektrode ist an einem ersten Ende des Stützarmes 38 angebolzt oder in sonst einer Weise befestigt. Die Klemmvorrichtung 40 ist oberhalb des oberen Abschnitts 15 des Behälters 10 angeordnet. Die Elektrode 16 ist mit der Klemmvorrichtung 40 verbunden.

Ein vertikaler Schlitten 42 mit Rädern 44 ist im vertikalen Rahmen 36 für eine Bewegung in die Vertikalrichtung gelagert. Ein zweites Ende des Stütz-

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armes 38 ist am Vertikalschlitten 42 befestigt. Zur Ausführung der vertikalen Bewegung des Stützarmes 38 und für die daraus erfolgende Verstellung der Elektrode 16 in die vertikale Richtung ist ein Motor 46 vorgesehen, welcher den Vertikalschlitten 42 antreibt.

Die Vorrichtung 34 umfaßt weiter einen horizontal verlaufenden Rahmen 50, welcher mit der Seite des Bodens des vertikalen Rahmens 36 verbunden ist.

Auf dem horizontalen Rahmen 50 ist ein Horizontalschlitten 52 gelagert, so daß dieser in horizontaler oder seitlicher Richtung verfahrbar ist. Der Horizontalschlitten 52 umfaßt Lagerbuchsen 54. An einer geeigneten Stelle ist ein zentraler Gewindeschaft 58 am horizontalen Schlitten 52 befestigt. Die Enden des Schraubgewindeschaftes 58 sind in nicht dargestellten Lagerklötzen gelagert. Eine Drehung des Schraubgewindeschaftes 58 in die eine oder die andere Richtung erzeugt eine Horizontalbewegung des Horizontalschlittens 52 in zwei Richtungen, so daß dadurch die Elektrode 16 in einer horizontalen Richtung relativ zum Behälter 10 bewegt wird. Die Drehung des Schraubgewindeschaftes 58 wird in konventioneller Weise durch einen Standardmotor bewirkt und kann durch einen Bedienungsmann des Elektroofens vorgenommen werden.

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Durch das Vorhandensein von schnell verstellbaren Elektroden 16 sowohl in vertikaler wie auch in horizontaler Richtung ist wesentlich für das Ausbringen einer in thermischer und chemischer Hinsieht gleichmäßigen Schmelze aus dem Auslaß 14 des Elektroschmelzofens. Der Elektroofen kann dadurch insbesondere eine gleichmäßige Schmelze für die Verwendung bei der Herstellung von Fasern erzeugen. Das durch den Auslaß 14 am Boden des Behälters austretende Schmelzmaterial wird zu konventionellen nicht dargestellten rotierenden Spinnvorrichtungen geführt, mit denen Fasern erzeugt werden. Eine effiziente Faserherstellung ist unmittelbar von der Gleichmäßigkeit oder Homogenität der Schmelze und deren Temperatur abhängig. Je gleichmäßiger die Schmelze ist, desto größer ist der Prozentsatz an ausgebrachter Schmelze, welche geeignet durch die Spinnvorrichtungen in Fasern umgewandelt werden kann. Gleichzeitig wird die Menge an Schmelzmaterial, welches nicht geeignet in Fasern umgewandelt werden kann, minimiert.

Der Austrag an gleichmäßiger Schmelze wird durch die selektive vertikale und horizontale Anordnung einer jafen Elektrode 16 in Kombination mit dem Aufbringen des geeigneten Strombe^trages auf den Ofen und mit der Wahl der gewünschten Arbeitstemperatur der Schmelze maximiert. Die Wichtig-

keit dieser Bedingungen geht am besten aus einer Erläuterung der in ofen Fig. 5A bis 5F, 6A bis 6F und 7 dargestellten Diagramme hervor. Diese Diagramme sind das Ergebnis von Testversuchen des oben beschriebenen Elektroofens und weiter das Ergebnis einer Extrapolation der aus den Testversuchen gewonnenen Daten.

Das im Behälter 10 während des Tests gesdmolzene Material setzte sich aus 54% SiOp und 46% von Al₀O₃ zusammen. Der Bereich der Arbeitstemperatur der Schmelze betrug 3.500 bis 3.800 ⁰F. Der Durchmesser einer jeden der Elektrodenspitzen betrug etwa 4 Zoll.
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Vor einer Erörterung der Diagramme sind nachfolgend Definitionen der relevanten Begriffe wiedergegeben:

Spinnleistung ist ein als Prozentwert angegebenes Verhältnis des Gewichts der aus dem Behälterauslaß zu einer Spinnmaschine und dann als verwendbares Faserprodukt gesammelten Schmelze zum Gesamtgewicht der aus dem Behälterauslaß abgezogenen Schmelze,

Der Elektrodenabstand ist der seitliche Abstand vom Zentrum einer Elektrode zum Zentrum einer anderen Elektrode (in bezug auf eine Erörterung der Fig. 5A bis 5F, 6A bis 6F und 7 verbleibt der

seitliche Abstand zwischen jeder der Elektroden derselbe; beispielsweise gibt ein Elektrodenabstand von 88,9 cm (35 Zoll) an, daß jede der Elektroden um 88,9 cm von jeder der beiden anderen Elektroden entfernt ist).

Tauchtiefe bedeutet den Vertikalabstand vom Schmelzspiegel im Ofenbehälter zum Boden der Elektrodenspitze (bezogen auf die Erörterung " der Fig. 5A bis 5F, 6A bis 6F und 7 bleibt der vertikale Abstand einer jeden Elektrode derselbe; beispielsweise gibt eine» Eintauchtiefe von 15,24 cm (6 Zoll) an, daß jede der Elektroden eine Eintauchtiefe von entsprechend 15,24 cm besitzt).

Leistung ist der Betrag an elektrischer Energie, welche auf die drei Elektroden aufgebracht wird.

Leistungsdichte ist die durchschnittliche Größe an Leistung, die in einer Querschnittsfläche innerhalb des metallischen Mantels eines Ofenbehälters

entsteht und wird in Kw/ft ausgedrückt. Bei den hierin beschriebenen Tests wieß der Ofenbehälter

2 eine Querschnittsflache/von 52,8 ft bei einem Radius von 4,1 ft auf.

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— ΊΟ —

Der Elektrodenabstand unter Verwendung des Ofenradius ist ein als Prozentwert ausgedrücktes Verhältnis des seitlichen Abstands zwischen der zentralen Vertikalachse des Ofenbehälters und dem Zentrum der Elektrodenspitze zum Radius des Ofenbehälters.

Schmelzstromtemperatur ist die tatsächliche Temperatur der aus dem Behälterauslaß austretenden Schmelze.

Optische Stromtemperatur ist die Temperatur·, der Schmelze gernessen durch ein normales optisches "Heißdrahf-Pyrometer. Die Relation der Schmelz-Stromtemperatur zur optischen Temperatur wird durch ein Verhältnis unter Einbeziehung des bekannten Emissionsfaktors ausgedrückt.

Arbeitstemperatur ist die Temperatur der Schmelze mit einem größeren Wert als die Schmelzstromtemperatur, um einen praktischen Schmelzbetrieb zu gewährleisten. Bei feuerbeständigen Werkstoffen muß beispielsweise die Arbeitstemperatur etwa 100 bis 300⁰F oberhalb der höchsten Umwandlungstemperatut der Schmelzmaterialzusammensetzung liegen. Die höchsten Umwandlungstemperaturen der verschiedenen Zusammensetzungen sind dem Fachmann ohne weiteres verfügbar.

Ho

Die Fig. 5A bis 5F, 5A bis 5C geben verschiedene Spinnleistungen an, die sich ergeben, wenn die Tauchtiefe der Elektrodenspitze, der Elektrodenabstand und die Leistung in einem Behälter 10 mit einem Radius von 4,1 ft verändert werden. Fig. 5A gibt an, daß bei einer Tauchtiefe einer jeden Elektrodenspitze von 12,7 cm (5 Zoll) die Spinnleistung im allgemeinen mit Zunahme des Elektrodenabstands und mit zunehmender Leistung anwächst. Fig. 5C gibt an, daß bei einer Eintauchtiefe einer jeden Elektrodenspitze von 17,78 cm (7 Zoll) die Spinnleistung im allgemeinen mit Zunahme des Elektrodenabstands und Zunahme der Leistung abnimmt. Fig. 5B gibt an, daß eine Eintauchtiefe einer jeden Elektrodenspitze von 15,24 cm (6 Zoll) die Spinnleistung mit zunehmendem Elektrodenabstand und zunehmender Leistung zunimmt, jedoch die Spinnleistung dann mit zunehmendem Elektrodenabstand und zunehmender Leistung abnimmt.
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Fig. 5D und 5E sind Ausdrucke verschiedener Elektrodenabstände und Leistung zum Behälter bei einer Tauchtiefe der Elektrode von 15,24 cm (6 Zoll) und ihre Auswirkung auf die Spinnleistung. Fig. 5F gibt an, daß die Spinnleistung mit Zunahme einer Tauchtiefe ab 15,24 (6 Zoll) abnimmt. Demzufolge wird eine reduzierte Spinnleistung erwartet, falls der Schmelzspiegel ansteigen sollte nachdem die Tauch-

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tiefe anfänglich bei 15,24 cm eingestellt worden ist.

Basierend auf den Diagrammen der Fig. 5B und 5E wird eine optimale Tauchtiefe der Elektrodenspitze von 15,24 cm (6 Zoll) ermittelt. Insbesondere wird bei einer Tauchtiefe der Elektrodenspitze von 15,24 cm (6 Zoll) die größte Spinnleistung bei einem gewählten Elektrodenabstand und einer gewählten Leistung erreicht. Beispielsweise wird eine 74%ige Spinnleistung bei einer Tauchtiefe einer Elektrodenspitze von 15,24 cm (6 Zoll) erreicht, wenn der Elektrodenabstand etwa 81,28 cm (32 Zoll) beträgt während die Elektroden mit einer Leistung von etwa 800 KW beaufschlagt werden.

Zusätzlich zur verbesserten Spinnleistung besteht ein weiteres Merkmal für die Zunahme der Faserherstellung im elektrischen Ofen in der wesentlichen Zunahme des Durchflusses an Schmelzmaterial aus dem Behälterauslaß 14 aufgrund des optimierten Elektrodenabstands und der optimierten Eintauchtiefe der Elektroden. Während einer Testdauer von etwa 1.050 Stunden unter Verwendung eines optimierten Elektrodenabstands und Elektrodentauchtiefe bei einer Leistung von 820 KW auf den Behälter 10 und bei keiner Totzeit wurde ein durchschnittlicher Durchsatz von 915 lb/h an Schmelze aus dem Behälterauslaß 14 erreicht. Im Gegensatz dazu betrug der

If

kennzeichnende Durchsatz bei 820 KW bei einer
Null-Totzeit eines Ofens mit plattenförmigen
Blockelektroden, die mit relativ nahem Radialabstand zu einem zentralen leitenden Elektrodenanlasser angeordnet sind, ungefähr 523 lb/h.

Fig. 6A bis 6C zeigen das Verhältnis von Leistung und Elektrodenabstand für drei verschiedene feste Elektrodentauchtiefen, wenn die optische Temperatur im wesentlichen auf einer Anzahl unterschiedlicher Temperaturen festgehalten wird. Fig. 6A bis 6C
zeigen, daß bei festen Tauchtiefen von 12,7 cm
(5 Zoll), 15,24 cm (6 Zoll) und 17,78 cm (7 Zoll) einer jeden Elektrode die optische Temperatur mit zunehmender Leistung abnimmt. Fig. 6C und 6E enthalten Ausdrucke verschiedener Elektrodenabstände und Leistungsgrößen auf dan Behälter bei einer Tauchtiefe der Elektrode von 15,24 cm (6 Zoll) und deren Auswirkung auf die optische Temperatur.

Weiter gibt Fig. 6A an, daß bei verschiedenen festen Leistungsgrößen mit einer Eintauchtiefe von 15,24 cm (6 Zoll) eine minimale optische Temperatur für jede feste Leistung bei variiertem Elektrodenabstand ermittelt wird.

- aa -

Ein Vergleich von Fig. 5E mit Fig. 6E zeigt auf, daß eine bislang nicht festgestellte Beziehung zwischen der Spinnleistung und der optischen Temperatur der abgezogenen Schmelze existiert. Insbesondere sind die maximale Spinnleistung und der niedrigste Meßwert für die optische Temperatur bei demselben Elektrodenabstand, derselben auf den Ofen aufgebrachten Leistung und derselben Elektrodentauchtiefe ermittelt worden. Obgleich Fig. 6E angibt, daß die optische Temperatur der Schmelze mit zunehmender Größe der aufgebrachten Leistung abnimmt, nimmt die tatsächliche Schmelzstromtemperatur mit zunehmender Leistung zu, weil die Abstrahlung (Emission) der Schmelze mit zunehnender Leistung abnimmt.

Die Beziehung der Faktoren Abstand der Elektrodenspitze, Leistung auf die drei Elektroden, Eintauchtiefe der Elektrodenspitze, Arbeitstemperatur der Schmelze und Behältergröße zueinander für den Elektroofen sind in Fig. 7 zusammengefaßt und dargestellt. Die Diagramme der Fig. 7 sind aus den Diagrammen der Fig. 5D, 5E und 6E extrapoliert und geben Durchschnittsbedingungen für das optimale Schmelzen und Mischen von Oxidmaterialien in einem elektrischen Ofen an. Das Diagramm mit dem Bereich von 3.500 bis 3.800 ⁰F für die Arbeitsbzw. Betriebstemperatur basiert unmittelbar auf

den während des Tests des Elektroofens erzielten Daten. Die Diagramme mit den durchschnittlichen Arbeits- bzw. Betriebstemperaturen vom 2.000⁰F, 2.500⁰F, 3.000°F und 4.000°F basieren auf einer Extrapolation der im Test ermittelten Daten. Die Daten aus Fig. 5E und 6E geben an, daß die Verringerung des Elektrodenabstands eine Zunahme der Leistung für einen optimalen Schmelzvorgang und für ein optimales Mischen erfordert. Es ist bekannt, daß die Wirkung schmelzender Oxidzusammensetzungen mit einem geringeren Arbeitstemperaturbereich mit der Wirkung vergleichbar ist, die eintritt, wenn die Leistung zu den Elektroden erhöht wird. Insbesondere erfordern abnehmende Arbeits bzw. Betriebstemperaturen für Oxidzusammensetznngen mit niedrigeren Arbeitstemperaturen auch eine Abnahme des Elektrodenabstands, um ein optimales Schmelzen und Mischen aufrechtzuerhalten. Die Diagramme der Fig. 7 ergeben diesen Schluß. 20

Augenblickliche Bedircungen für eine optimale Materialmischung und Schmelzung können relativ zu den Durchschnittsbedingungen variieren. Das momentane Optimum verändert sich aufgrund einer Anzahl von Faktoren einschließlich einer ungleichmäßigen Gemengeverteilung über der Schmelze, Ungleichgewichten der Drei-Phasen-Leistung (Strom) durch die Elektroden und aufgrund eines Schmelz-

spiegeis, welcher aus seiner Anfangslage im Behälter abweicht.

Ein optimales Schmelzen und Mischen der Oxidmaterialien übersetzt sich in eine maximale Spinnleistung, weil das abgezogene Material homogen ist und richtig geschmolzen ist. Beispielsweise und zur Verdeutlichung der Anwendung von Fig. 7 ergibt sich eine optimale Mischung und Schmelzung des Schmelzmaterials im Bereich von Arbeitstempereturen des Schmelz—

materials zwischen 3.500 bis 3.800⁰F und bei

2 einer Leistungsdichte von 13 Kw/ft bei einer Eintauchtiefe der Elektrodenspitze von 15,24 cm (6 Zoll) für jede der Elektroden und bei einem Abstand einer jeden der Elektrodenspitzen von etwa 42% des Radius des Ofenbehälters.

In Fig. 7 ist die Leistung durch die Leistungsdichte ausgedrückt, so daß ein Behälter mit beliebiger Breite oder Durchmesser durch das Diagramm erfaßt'.ist. Für einen Ofenbehälter mit einer Quer-

p
schnittsfläche von 52,8 ft sind 686 Kw auf die

2 drei Elektroden aufgebracht worden (13 Kw/ft χ 52,8

2
ft ). In ähnlicher Weise ist der Elektrodenabstand als Prozentzahl des Radius des Behälters anstelle als Abstand zwischen den Elektroden ausgedrückt,

3t

so daß Behälter jeglicher Breite oder Durchmesser durch das Diagramm repräsentiert sind. Für einen Ofenbehälter mit einem Radojs von 4,1 ft und einem Abstand von 42% des Behälterradius beträgt der Elektrodenabstand 90,68 cm (35,7 Zoll);(0,42 χ 4,1 ft χ 12 in/ft χ 2 cosinus von 30°).

Bei einer Zusammenfassung des ESagramms in Fig. 7 tritt ein optimales Schmelzen und Mischen der Oxidmaterialien ein, wenn die durchschnittliche Arbeitstemperatur des Schmelzmaterials zwischen dem Bereich von etwa 2.000 bis 4.000°F liegt, wenn die Leistungsdichte zwischen dem Bereich

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von etwa 5'> bis 40 Kw/ft liegt, wenn die Tauchtiefe der Elektrodenspitze etwa 15,24 cm (6 Zoll) beträgt und wenn der Elektrodenabstand von der zentralen Achse des Ofenbehälters im Bereich von etwa 10 bis 52% des gesamten durchschnittlichen Radius des Ofens liegt.

Zusätzlich zur getesteten Zusammensetzung aus 54% SiO₂ und 46% AIpO₃ sind die Diagramme in Fig. 7 auf Zusammensetzungen mit verschiedenen Prozentzahlen aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe anwendbar: Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Boroxid, Chromoxid, Ferrioxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid und Natriumoxid.

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Obgleich es für die Erfindung nicht erörtert worden ist, gilt es, daß andere ofenabhängige Bedingungen das Mischen und Schmelzen der Oxidzusammensetzungen beeinflussen können. Solche Bedingungen beinhalten den Durchmesser der Elektrodenspitzen und die Dicke des Behälteraufbaus.

Basierend auf der vorhergehenden Beschreibung ergeben sich ohne weiteres eine Anzahl von Vorteilen für die Erfindung. Ein Elektroofen ist zum Abführen eines thermisch und chemisch gleichförmigen Schmelzmaterials mittels einer ausgewählten vertikalen und horizontalen Positionierung der drei Elektroden zueinander bei Aufbringung der genauen Leistungsgröße (Energie) vorgesehen. Zusätzlich wird der Durchsatz der Schmelze optimiert. Runde Elektrodenspitzen werden verwendet, um den Anteil an Wärmeverlust auf die Seitenwände des Behälters zu minimieren und die Rührung der Schmelze zu vergrößern. Die Verwendung von elektrischer Energie im Ofen wird minimiert, wobei eine richtige Erschmelzung aufrechterhalten wird. Die Verwendung von innengekühlten Elektroden verringert den Verschleiß der Elektroden. Der oben offene Ofenbehälter erleichtert die Bewegung der Elektroden und erlaubt eine zusätzliche Zugabe bei einem nicht homogenen Gemenge.

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Claims

■J 5207250 Patentansprüche:

1. Elektroofen zum Schmelzen eines nicht homogenen Gemenges und zum Mischen des Schmelzmaterials, mit einem Behälter zur Aufnahme der Schmelze und ungeschmolzenem, nicht homogenem Gemenge auf der Schmelzoberfläche, dessen oberer Abschnitt cegenüber der Umgebung oberhalb des Behälters offen ist und einen am Boden des Behälters ausgebildeten Auslaß für den Abzug der Schmelze aufweist, sowie mit wenigstens drei Elektroden, die mit seitlichem Abstand zueinander angeordnet sind und jeweils eine Spitze besitzen, die von der Schmelze umgeben wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß jede der Elektrodenspitzen (20) einen im wesentlichen runden Lateralquerschnitt aufweist und oberhalb des Auslasses (14) im Boden des Behälters angeordnet ist, wobei jede der Elektrodenspitzen Strom durch das Schmelzmaterial leitet, daß eine erste Einrichtung zum Abstützen einer jeden Elektrode (16) vorgesehen ist, mitwslcher ein Abschnitt einer jeden "Elektrode in den Behälter (10) durch den oberen Ab- schnitt hindurchpositionierbar ist, und durch eine mit der ersten Einrichtung verbundene zweite Einrichtung zur Bewegung der ersten Einrichtung sowohl in horizontaler wie auch in

vertikaler Richtung, derart, daß der seitliche Abstand zwischen einer jeden Elektrodenspitze (20) und die Tauchtiefe der Elektrodenspitzen einstellbar ist, wobei der seitliche Abstand zwischen ei — ner jeden der Elektrodenspitzen und die Tauchtiefe der Qektrodenspitzen ein Optimum für das Aufschmelzen und Mischen des nicht homogenen Gemenges besitzt, um eine homogene Schmelze für den Abzug durch den Auslaß zu erzeugen, wobei das Optimum von einer Anzahl von Bedingungen einschließlich Behältergröße, Größe der auf die Elektroden aufgebrachten Leistung und Arbeitstemperatur des Schmelzmaterials abhängig ist.

2. Ofen nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die optimale Tauchtiefe für die Elektrodenspitze ungefähr 15,24 cm (6 Zoll) und der optimale Elektrodenabstand zwischen etwa 10 bis 52% des gesamten durchschnittlichen Radius des Behälters beträgt.

3. Ofen nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Arbeitstemperatur des Schmelzmaterials zwischen etwa 2.000 bis 4.000⁰F liegt und die

2 Leistungsdichte zwischen etwa 5 bis 40 kw/ft beträgt.

4. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (16) einen zylinderförmigen Schaft (18) mit einem Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Elektrodenspitze (20) aufweist.

5. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (16) einen mit der Elektrodenspitze verbundenen und sich von der Elektrodenspitze (20) nach oben erstreckenden Schaft (18) sowie einen Bund (22) aufweist, welcher einen an der Elektrodenspitze angrenzenden Abschnitt des Schafts umgibt und bei umgebenden Schmelzmaterial den Verschleiß des. Elektrodenschafts (18) minimiert.

6. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (16) eine über einen sich in Längsrichtung erstreckenden Mittelabschnitt der Elektrode ausgebildete Kühleinrichtung aufweist, welche ein Kühlmittel zum Abkühlen der Elektrode führt.

7. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung einen durch den Elektrodenmittenabschnitt gebildeten Kanal (24) mit einem in

der Nähe der Elektrodenspitze (20) befindlichen Ende sowie ein im Kanal (24) angeordnetes Rohr (26) aufweist, welche das Kühlmittel führt und von dem ein Ende nicht mehr als 12,7 mm (1/2 Zoll) oberhalb des Endes des Kanals angeordnet ist, um die Bildung von verdampften Kühlmittel bei Austritt des Kühlmittels aus dem Rohrende zu minimieren.

8. Verfahren zur Optimierung des Schmelzens und Mischens eines Oxids, bei dem ein Gemisch aus Oxiden in einen Elektroofen eingegeben wird, welcher eine zentrale vertikale Achse, einen im wesentlichen zylinderförmigen Aufbau, einen am Boden ausgebildeten Auslaß und wenigstens drei jeweils mit einer Elektrodenspitze versehene Elektroden aufweist, bei dem die durchschnittliche Arbeitstemperatur der Oxidschmelze auf etwa 2.000 E bis 4.000⁰F angehoben wird, wobei die Oxidschmelze eine Schmelzgrenzfläche bildet, auf jede der Elektroden Energie zur Erzielung einer besonderen optimalen Leistungsdichte im Ofen beaufschlagt wird, jede der Elektrodenspitzen in Vertikalrichtung zur Erzielung einer besonderen optimalen vertikalen Stellung positioniert und jede der Elektroden seitlich zur zentralen Vertikalachse des Ofens positioniert wird, um eine besondere optimale seitliche Lage einzustellen,

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dadurch gekennzeichnet,

daß das Optimum der Leistungsdichte im Bereich von ungefähr 5 KW/ft² bis etwa 40 KW/ft² liegt, das Optimum der vertikalen Lage etwa 15,24 cm (6 Zoll) unterhalb des Schmelzspiegels liegt und die optimale seitliche Position ein Abstand im Bereich von etwa 10% bis 52% des Radius des Ofens beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß jede der Elektrodenspitzen oberhalb des Ofenauslasses positioniert wird.