DE69209156T2

DE69209156T2 - Ofenelektrodeschutz

Info

Publication number: DE69209156T2
Application number: DE69209156T
Authority: DE
Inventors: Richard Carle; William Steitz
Original assignee: Toledo Engineering Co Inc
Current assignee: Toledo Engineering Co Inc
Priority date: 1991-01-07
Filing date: 1992-01-03
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-01-04
Also published as: EP0519059A4; EP0519059B1; JPH05505168A; US5125002A; EP0519059A1; WO1992012098A1; DE69209156D1

Description

Diese Erfindung betrifft Elektroöfen von der Art, die Elektroden aufweisen, die sich durch die Wand des Ofens hindurch erstrecken, zum Schmelzen von Glas gemäß dem Joule-Effekt. Herkömmlicherweise sind die Elektroden aus Molybdän und sind auf verstellbaren Winden angebracht, so daß sie periodisch in den Ofen vorgeschoben werden können, wenn sich die Elektroden während des Betriebs des Ofens abnutzen.
Separat angebracht und jede Molybdän-Elektrode umhüllend, um ihre Oxidation zu verhindern, gibt es eine Schutzhülse und einen daran anschließenden Kühlmantel, die zueinander und zur Elektrode zentriert sind, um einen ringförmigen zylindrischen Raum um die Elektrode herum in der Ofenwand bereitzustellen, wobei der Raum in einer inerten Atmosphäre, wie etwa Stickstoff, gehalten werden kann. Diese Hülse besteht aus rostfreiem Stahl und ist innerhalb der Wand des Ofens angeordnet, wobei sie sich zum geschmolzenen Glas im Ofen hin erstreckt. Das andere oder äußere Ende dieser Hülse weist einen integralen sich nach außen radial erstreckenden Flansch auf. Abdichtend mit diesem Flansch verbunden ist das innere Ende eines Mantels, der ebenfalls die Elektrode umhüllt und der einen Labyrinthweg für eine Kühlflüssigkeit enthält.
Zum Beispiel ist in US-A-3777040 eine Abdichtungsanordnung offenbart, die aus einem Dichtring besteht, der in einem ringförmigen Kanal befestigt ist, der am oberen Ende des Kühlmantels angebracht ist, wobei der Dichtungsring vorteilhafterweise aus Asbest besteht. An der Hülse befestigt gibt es einen ringförmigen Flansch, der einen ringförmigen, sich verjüngenden Rand trägt, der mit dem Dichtungsring in Eingriff steht, um die Abdichtung zwischen der Hülse und dem Kühlmantel zu bewirken.
Ein Problem, dem man bei dieser Konstruktion begegnet, ist, daß, wenn während des Zusammenbaus die Hülse mit irgendeinem Versatz zwischen den vertikalen Achsen der Hülse und des Kühlmantels mit dem Dichtring in Eingriff gebracht wird, ein Versatz zwischen der Hülse und der Elektrode auftreten wird und dieser Versatz beibehalten wird. Ein solcher Versatz kann die Möglichkeit des geschmolzenen Glases beeinflussen, in die Ringräume zwischen der Wand des Ofens und der Hülse und zwischen der Hülse und der Elektrode einzudringen, und dies kann eine Reihe von Schwierigkeiten hervorrufen.
Dieses Problem wird gemäß Anspruch 1 dieser Erfindung dadurch überwunden, daß ein Mittel bereitgestellt wird, um besagten Mantel und besagte Hülse miteinander zentriert und gegen die Außenwand des Ofens abgedichtet zusammenzubringen und zuhalten, wobei besagtes Mittel einen ringförmig hervorstehenden Flansch auf besagter Hülse, wobei besagter Flansch eine ringförmige, sich verjüngende Rippe aufweist, die parallel zur Elektrode verläuft und sich zur Außenseite besagter Wand hin erstreckt, eine ringförmige sich verjüngende Nut, die von besagtem Kühlmantel bereitgestellt wird, in der die Rippe angeordnet werden kann, und Dichtungsmittel zwischen besagter ringförmigen Nut und besagter ringförmigen Rippe umfaßt.
Auf diese Weise bewirkt der Eingriff zwischen der sich verjüngenden Rippe und der sich verjüngenden Nut die Zentrierung des Dichtrings relativ zum Kühlmantel (und somit relativ zur Elektrode), während die Abdichtung durch die Dichtungsmittel bewirkt wird, die zwischen den Wänden der ringförmigen Nut und der ringförmigen Rippe wirken.
Vorzugsweise schließt die Außenseite der Wand des Ofens eine Schulter in der Öffnung ein, durch die sich die Elektrode hindurch erstreckt.
Vorzugsweise besteht die Hülse aus rostfreiem Stahl und umfaßt vorzugsweise eine Beschichtung aus refraktorischem Oxid auf der Innenseite besagter Hülse benachbart zur Elektrode.
Vorzugsweise ist besagte Beschichtung eine Beschichtung aus Aluminiumoxid mit einer Dicke im Bereich von 0,25 mm bis 0,635 mm. Diese Beschichtung verhindert, daß die hohe Temperatur des Glases im Ofen eine Legierung mit dem Molybdän in der Elektrode bildet und damit die Hülse an die Elektrode schweißt. Diese schmelzbeschichtete Aluminiumbeschichtung besitzt eine hohe Verschleiß- und Abriebbeständigkeit von etwa dem Zehnfachen der unbeschichteten Metallhülse und stellt eine thermische Sperrschicht für Temperaturen bis zu 2.480ºC bereit. Zusätzlich besitzt diese Aluminiumbeschichtung einen hohen elektrischen Widerstand sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit, um der Wirkung von Oxiden, Säuren und Alkalis zu widerstehen.
Vorzugsweise, um das Anhaften dieser Beschichtung an der Hülse aus rostfreiem Stahl zu verbessern, kann eine Grundierung oder Unterschicht aus einer Nickel-chrom-Legierung vorhanden sein, die auch den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen der Aluminiumoxid-Beschichtung und der Hülse aus rostfreiem Stahl kompensiert. So wird die einzige Dichtung an der Innenseite der Elektrode und Hülse das geschmolzene Glas des Ofens sein, das sich in die Öffnung im Ofen bis zum oberen inneren Ende der Metallhülse erstreckt.
Am äußeren Ende des Kühlmantels wird ein Dichtring zur Abdichtung der kälteren Teile der Elektrode und des Mantels zusammen bereitgestellt. So ist ein geschlossener ringförmiger zylindrischer Raum für das Inertgas benachbart zu den erhitzten Teilen der Elektrode vorgesehen. Eine einstellbare Klemme ist vorgesehen, um den Mantel gegen die Hülse und die Hülse gegen den Ofen zusammenzubringen und zu halten, wenn sie erst einmal in Position sind, wobei diese Klemme mit der Halterung für den Ofen verbunden sein kann.
Obgleich im allgemeinen Wasser zum Umlauf durch den Kühlmantel verwendet wird, können andere Kühlflüssigkeiten verwendet werden, ohne den Schutzumfang dieser Erfindung zu verlassen. Überdies können, falls zusätzliche Kühlung erforderlich ist, Luftstrahlen auf die Außenseite des Mantels und die Elektrode außerhalb des Ofens gerichtet werden.

AUFGABEN UND VORTEILE

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist, ein verbessertes, einfaches, effizientes, effektives und wirtschaftliches Mittel zur Zentrierung, Ausrichtung und Abdichtung eines Mantels und einer Hülse zum Umschließen und Schützen einer Elektrode in einem Ofen bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe ist, eine zusammenpassende Struktur zwischen einem Kühlmantel und einer Hülse bereitzustellen, die eine Elektrode umschließt und schützt, die sich durch eine Öffnung in einer Ofenwand hindurch erstreckt, und die einen größeren Grad an Abdichtung, Verläßlichkeit und richtiger Positionierung des Mantels und der Hülse um solch eine Elektrode herum ermöglicht.
Eine andere Aufgabe ist, eine abgedichtete inerte Atmosphäre um eine Elektrode herum bereitzustellen, um ihre Reaktion mit einer Schutzhülse und einem Mantel um die Elektrode herum zu verhindern, insbesondere bei der höheren Temperatur näher zur Innenseite des Ofens hin, wodurch das Anhaften der Hülse an der Elektrode und/oder dem Mantel verhindert wird.
Eine weitere Aufgabe ist, eine hochtemperaturbeständige, abriebfeste, verschleißfeste, mit elektrischem Widerstand ausgestattete und korrosionsbeständige Beschichtung auf der Innenseite der Metallhülse bereitzustellen, die die Elektrode in der Wand des Ofens umschließt, wodurch die Elektrode weiter geschützt wird, insbesondere wenn die Elektrode bei ihrer Betriebstemperatur chemisch rekativ wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ANSICHTEN

Die obengenannten und andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile und eine Art und Weise, um sie zu erreichen, sind unten unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform dieser Erfindung genauer beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, wobei:
FIG. 1 ein vertikaler Schnitt eines Teils eines Glasofens vom Joule-Typ ist, der Mittel zur Befestigung einer Elektrode und ihres sie umschließenden Mantels außerhalb des Ofens zeigt;
FIG. 2 eine vergrößerte vertikale Querschnittsansicht der Elektrode durch die Wand eines Ofens hindurch ist, der in FIG. 1 dargestellt ist, die die angeflanschte und auf der Innenseite beschichtete Hülse und den Kühlmantel und die Dichtverbindung zwischen ihnen und der Ofenwand und zur Elektrode hin zeigt;
FIG. 3 eine weiter vergrößerte Querschnittsansicht der zusammenpassenden Rippe und Nut der Hülse bzw. des Mantels ist, bevor sie relativ zueinander zentriert worden sind; und
FIG. 4 eine zu Fig. 3 ähnliche Ansicht ist, aber mit dem Mantel und dem Hülsenflansch zentriert und abdichtend miteinander verbunden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wenn man zunächst auf Fig. 1 Bezug nimmt, ist dort ein Schnitt eines Teils eines elektrischen Glasofens 10 dargestellt, der eine Bodenwand 12 und eine Seitenwand 14 aufweist, gefüllt mit geschmolzenem Glas 16, wobei sich oben auf dem geschmolzenen Glas eine Schicht aus ungeschmolzenen Glasteilchen 18 befindet. Durch die Bodenwand 12 hindurchgehend ist eine Öffnung 13 vorgesehen, die hierin so dargestellt ist, daß sie einen äußeren vergrößerten Abschnitt 15 besitzt, der eine Schulter 17 bereitstellt. Man sollte jedoch verstehen, daß die Schulter 17 die Außenfläche der Wand 12 oder eine andere Schulter 19, die in Fig. 2 dargestellt ist, umfassen kann.
Hindurchgehend durch die Öffnung 13 und 15 ist eine Elektrode 20 dargestellt, die aus einem hoch refraktorischen, elektrisch leitenden Material bestehen kann, wie etwa Graphit, Molybdän oder dergleichen. Die Länge der Elektrode ist vorzugsweise länger als der Abschnitt, der dem geschmolzenen Glas 16 ausgesetzt ist. Das äußere Ende dieser Elektrode ist auf einer Winde 22 angebracht, so daß sie stufenweise in das geschmolzene Glas 16 im Ofen hinein verfahren werden kann, wenn ihr oberes Ende sich aufgrund der hohen Temperatur und Elektrolyse im Ofen abnutzt.
Wenn man sich nunmehr spezifischer auf Fig. 2 bezieht, ist dort eine Hülse 30 aus rostfreiem Stahl dargestellt, die aus einem hoch temperaturbeständigen Stahl bestehen kann, wie etwa Inconel 600, der eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung ist.
Das Innere der hohlen zylindrischen Hülse 30 ist schmelzbeschichtet mit Aluminiumoxid 31, so daß sie, an ihrem inneren Ende benachbart zum geschmolzenen Glas 16, nicht dazu neigen wird, zu schmelzen und eine Legierung mit dem Molybdän in der Elektrode 20 durch Verschweißen oder Anhaften daran zu bilden, und somit der Einstellung der Elektrode zu widerstehen. Diese Aluminiumoxid-Beschichtung ist auf die Innenseite des Rohres flammgespritzt, wie etwa durch eine Sauerstoff-Acetylen-Flamme in einer Spritzpistole, unterstützt durch Luftdruck, um die geschmolzenen Teilchen des Aluminiumoxids mit einer Geschwindigkeit von etwa 180 Metern pro Sekunde herauszublasen. Dann werden geschmolzene Aluminiumoxidteilchen abgeschieden und haften integral an der Innenseite der Hülse 30 an. Diese Beschichtung aus reinem Aluminiumoxid besitzt eine Verschleißund Abriebfestigkeit von etwa dem 20fachen derjenigen der Metallhülse an sich und stellt eine thermische Sperrschicht für Temperaturen bis zu 2.480ºC bereit. Da dieses ein Elektroofen ist, besitzt diese Beschichtung überdies einen hohen elektrischen Widerstand sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Oxide, Säuren und Alkalis. Die relative Dicke dieser Aluminiumoxid-Beschichtung liegt im Bereich zwischen etwa 0,25 und 0,635 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,35 und 0,40 mm. Überdies kann, um das Anhaften dieser Beschichtung 31 an der Hülse 30 aus rostfreiem Stahl zu verbessern, eine dünne Grundierung unter dem Aluminiumoxid auf der Innenseite des Rohres 30 vorgesehen sein, wie etwa aus einer Nickel-Chrom-Legierung, die ebenfalls auf die Innenseite des Rohres 30 gespritzt werden kann. Diese Unterschicht verringert den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen derjenigen der keramischen Aluminiumoxid-Beschichtung 31 und derjenigen der Hülse 30 aus rostfreiem Stahl. Die Dicke dieser Unterschicht liegt üblicherweise im Bereich zwischen etwa 0,025 und 0,125 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,05 und etwa 0,075 mm.
Das innere Ende dieser Hülse 30 ist gegen den Ofen 12 und die Elektrode 20 durch das geschmolzene Glas 16 abgedichtet, wie deutlicher in Fig. 2 dargestellt.
Das äußere Ende dieser Hülse 30 ist mit einem integralen, sich radial nach außen erstreckenen Flansch 32 versehen, wobei der Flansch eine sich axial erstreckende ringförmige Rippe 34 zur Außenseite des Ofens 10 hin enthält. Diese Rippe 34 besitzt einen im allgemeinen dreieckigen radialen Querschnitt; d.h., eine Rippe mit aufeinander zulaufenden Seiten 35. Das untere Ende der Hülse 30 ist gegen die Außenwand der Ofens, insbesondere hierin gegen die Schulter 17, durch einen Dichtring 36 abgedichtet, der zwischen dem Flansch 32 und der Schulter 17 der Außenseite der Wand 12 des Ofens 10 eingequetscht ist.
Ebenfalls die Elektrode 20 umgebend und zur Außenseite der Ofenwand 12 hin als ein Kühlmantel oder Wasserkasten 40 vorgesehen, der in Fig. 2 so dargestellt ist, daß er eine teilweise konzentrische innere Trennwand 42 aufweist, um einen Labyrinthweg für die Einführung des Kühlfluids, wie etwa Wasser, von einem Rohr 44, das durch ein Ventil 46 geregelt wird, bereitzustellen. Das Fluid oder Wasser strömt vom Einlaßrohr 44 benachbart zur und um die Innenwand des Mantels 40 herum, dann um das innere Ende der Trennwand 42 herum und um die Innenseite der Außenwand des Mantels 40 herum zur Auslaßleitung 48. Das innere Ende des Mantels 40 ist mit einem Ring 41 versehen, der eine ringförmige Nut 43 mit aufeinanderzulaufenden Seiten 45 aufweist, die parallel zu den aufeinanderzulaufenden Seite 35 der Rippe 34 auf der Hülse 30 verlaufen. Die Kongruenz der aufeinanderzulaufenden Seiten 35 der Rippe 34 und der aufeinanderzulaufenden Seiten 45 der Nut 43 ist so relativ zueinander und zur Elektrode 20 angeordnet, daß, wenn sie aus der Position, die in Fig. 3 dargestellt ist, zu derjenigen, die in Figs. 2 und 4 dargestellt ist, zusammengepaßt werden, die Hülse 30 und der Mantel 40 koaxial fluchten und um die Elektrode 20 und ihre Mittellinie herum zentriert sind. Diese Positionierung stellt einen umschlossenen kontinuierlichen ringförmigen zylindrischen Raum 50 um die Elektrode 20 herum und zwischen ihr und der Hülse 30 und dem Mantel 40 bereit. Dieser ringförmige zylindrische Raum 50 wird mit einem Inertgas gefüllt, wie etwa Stickstoff, das dort hinein vom Verschlußring 49 am äußeren Ende des Mantels 40 eingeführt wird. Um eine inerte Atmosphäre im zylindrischen Raum 50 aufrechtzuerhalten, existiert einen Anschluß 52 durch den Ring 49 hindurch zum Raum 50 von einer Inertgaszufuhr her. Die besonderen zusammenwirkenden Formen der Rippe 34 und der Nut 43 stellen die Zentrierung und Gleichförmigkeit der Räume 50 sicher. Da die Außenseite des unteren Endes des Mantels 40 keiner hohen Temperatur ausgesetzt ist, kann die äußere Dichtung 53 zwischen dem Mantel 40 und der Elektrode 20 ein normaler zusammendrückbarer Dichtring sein, der durch einen zusätzlichen Ring 55 mit Bolzen 56 angebracht wird. Befestigt an der Außenseite des Mantels 40 befinden sich Klemmen 58, durch die der Mantel in seiner Position gehalten wird, wie in den Figs. 2 und 4 dargestellt. Diese Klemmen 58 können einstellbar verankert sein an einem Träger 59 (siehe Fig. 1), wobei der Träger auch eine Halterung für den Ofen 10 sein kann.
Im Boden der Nut 43 ist ein refraktorischer Dichtring 60 zur Abdichtung der Verbindung zwischen der Hülse 30 und dem Mantel 40 vorgesehen. Zusätzlich zum Dichtring 60 oder als ein integraler Teil desselben gibt es einen zusätzlichen Dichtring 62 in der Nut, der zwischen der Innenkante der Nut 43 und der Nut, die zwischen der Hülse und der Rippe 34 ausgebildet ist, um eine zweite Dichtung zwischen der Hülse 30 und dem Mantel 40 bereitzustellen. Diese Dichtringe 36, 60 und 62 bestehen aus einem refraktorischen Material, das Temperaturen bis zu 2300ºF aushalten kann, wie etwa zum Beispiel Fiberfrax 970, das primär aus Aluminium und Siliciumdioxidfasern besteht.
Wenn zusätzliche Kühlung erforderlich ist, kann eine Luftdüse 64 (siehe Fig. 2) auch auf die Außenseite des Mantels 40 und die benachbarte Elektrode 20 gerichtet werden.
Obgleich spezifische Zusammensetzungen für die Elektrode 20, die Hülse 30, das Inertgas, die Dichtringe 36, 60 und 62 und die Kühlfluids für den Mantel 40 und die Düse 64 beschrieben worden sind, sollte man klar verstehen, daß andere Materialien für die Teile zum Schutz der Elektroden 20 verwendet werden können.

Claims

1. Ein Elektroofen (10), der eine Wand (12) mit einer Öffnung (13) dorthindurch aufweist, wobei der Ofen umfaßt

A) eine Elektrode (20), die sich durch besagte Öffnung (13) hindurch und aus beiden Enden derselben heraus erstreckt;

B) eine Hülse (30) um besagte Elektrode (20) in besagter Öffnung (13) herum;

C) einen Kühlmantel (40) um besagte Elektrode herum;

D) einstellbare Mittel (22) außerhalb besagten Ofens zur Halterung besagter Elektrode;

wobei Mittel bereitgestellt werden, um besagten Mantel und besagte Hülse miteinander zentriert und gegen die Außenwand besagten Ofens abgedichtet zusammenzubringen und zu halten, wobei besagte Mittel umfassen

i) einen nach außen vorstehenden Flansch (32) auf besagter Hülse (30), wobei besagter Flansch eine ringförmige, sich verjüngende Rippe (34) aufweist, die parallel zur Elektrode verläuft und sich zur Außenseite besagter Wand hin erstreckt;

ii) eine ringförmige, sich verjüngende Nut (43), die von besagtem Kühlmantel (40) bereitgestellt wird, in der die Rippe (34) angeordnet werden kann; und

iii) Dichtungsmittel (60) zwischen besagter ringförmigen Nut (43) und besagter ringförmigen Rippe (34).

2. Ein Ofen nach Anspruch 1, wobei die Außenseite besagter Wand eine Schulter (17) in besagter Öffnung (13) einschließt.

3. Ein Ofen nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei besagte Elektrode (20) Molybdän umfaßt.

4. Ein Ofen nach einem der vonangehenden Ansprüche, wobei besagte Hülse aus rostfreiem Stahl besteht.

5. Ein Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hülse (30) auf der Innenseite besagter Hülse benachbart zu besagter Elektrode (20) eine Beschichtung aus refraktorischem Oxid umfaßt.

6. Ein Ofen nach Anspruch 5, wobei besagtes Oxid Aluminiumoxid ist.

7. Ein Ofen nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei die Beschichtung zwischen 0,25 mm und 0,635 mm dick ist.

8. Ein Ofen nach einem der Ansprüche 5, 6 und 7, wobei die Hülse mit einer Unterschicht versehen ist, um die Bindung zwischen der Hülse und der Beschichtung zu erhöhen.

9. Ein Ofen nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Dicke der Unterschicht zwischen 0,025 mm bis 0,125 mm dick ist.

10. Ein Ofen nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Beschichtung auf die Innenseite der Hülse (30) flammgespritzt ist.

11. Ein Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei besagte Dichtungsmittel (60) keramische Fasern umfassen.

12. Ein Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei besagter Kühlmantel einen Labyrinthweg (42) enthält.

13. Ein Ofen nach Anspruch 1, der Mittel (62) zur Abdichtung des Mantels gegenüber besagter Elektrode und Mittel (49, 52) zur Aufrechterhaltung einer inerten Atmosphäre um besagte Elektrode (20) kaum zwischen besagter Öffnung (13), besagter Hülse (30) und besagtem Mantel (40) einschließt.

14. Ein Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, der Mittel (64) zum Kühlen der Außenseite besagten Mantels einschließt.

15. Ein Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nut (43) in einem Ring (41) des Kühlmantels (40) bereitgestellt ist, wobei weitere Dichtungsmittel (62) zwischen dem Flansch (32) und dem Ring (41) bereitgestellt sind.