包括爐、通道和擋板的用於熔化玻璃的裝置的製作方法
2023-12-04 13:12:36 1
根據本發明的裝置包括電爐，該電爐被提供有與可玻璃化材料體接觸的電極，將熔爐與用於使該熔化玻璃轉化的裝置連接的通道，以及浸入玻璃中防止未熔化和漂浮的原材料通過通道並前進到用於使玻璃轉化的裝置的擋板。在這種類型的裝置中，擋板通常放置在通道中。然而，已經注意到，擋板可以滯留凝結玻璃，以隨後以固體顆粒的形式不受控制地釋放到熔化玻璃中。這種行為對所生產的玻璃的質量有害，特別是當後者必須供應纖維化模具時。為了克服這個缺陷，產生了將擋板不是放置在通道中而是更上遊，正好在爐的出口處的想法。在這個地方，玻璃更熱，並且是對流的位置，這兩個因素阻止在擋板上形成凝結的玻璃。因此，發現玻璃的質量得到改善。
在本發明的範圍中使用的爐是「冷頂」爐，其允許通過焦耳效應從浸入在可玻璃化材料中的電極釋放的熱量熔化可玻璃化材料。可玻璃化材料的固體組合物通過頂部引入並形成上層，也稱為硬殼，完全覆蓋熔化材料浴。根據現有技術，熔化材料經由底部或經由喉部側部地被提取，以便通過給送纖維化裝置進料的分配通道中。在可玻璃化材料熔化之後可直接連續地進行纖維化。當在爐和分配通道之間使用喉部時，觀察到界定喉部的耐火材料的快速磨損，特別是喉部的上部。這是因為，儘管使用允許限制高溫的熔化材料對耐火材料的侵蝕的冷卻系統，但是這些耐火材料通常必須比爐的其它耐火材料部件更快地更換。此外，這種更換需要關閉爐。此外，當使爐處於睡眠模式(為了維護)時或在斷電的情況下，喉部更容易經受塞的形成。固化玻璃塞的移除通常是不可能的，並且經常需要破壞和重建喉部。
這種類型的製造通常以每天5至100噸的提取量(tirée)進行操作。正是玻璃纖維化拉絲模中的通過限制了提取量(tirée)。因此，轉化成纖維是玻璃流通過整個方法(提取量(tirée))的決定階段。這種類型的具有相對適度尺寸(底部內表面積在1m2和30m2之間)的爐是非常靈活的，並且可以根據情況在任何時候容易地被關閉。它通常可以連續工作24小時至6個月，甚至更長。
US6314760教導了一種具有電極並具有供給分配通道的錐形底部的圓形爐，在爐和通道之間的玻璃流通過由外殼圍繞的鉬管，冷卻水流經該外殼。
US3912488教導了一種具有電極並具有錐形底部的圓形爐，該圓錐形底部包括用於在底部的錐體的頂點處提取熔化材料的孔口，所述孔口通過水的循環來冷卻。
WO2013098504教導了一種用於製造礦物纖維的方法，在爐和分配通道之間的熔化可玻璃化材料流在高度可調節的金屬擋板下通過，該金屬擋板包括通過冷卻流體流動進行冷卻的外殼。擋板的高度的調節使得可以影響待纖維化的玻璃的溫度，以使其進入對於纖維化所希望的粘度範圍中。擋板的高度僅調節玻璃的溫度而不調節玻璃的流速。
US2002/0000101教導了一種用於熔化玻璃的裝置，其包括配備有由鉬管構成的開口的圓形爐。
WO2004/052054教導了一種配備有電極的爐，其包括浸入玻璃中並僅通過頂保持的擋板。這個擋板是不可移動的。
US2559683教導了放置在精煉槽中的可移除擋板。擋板僅用於將漂浮的未熔化原材料保留在爐中。精煉槽與爐一樣深。
GB714292教導了分離爐的兩個區域(熔化區和精煉區)的擋板。玻璃在擋板的任一側被加熱，玻璃的熱點位於擋板的下遊面的對面。擋板僅用於將漂浮的未熔化原材料保持在爐中。
本發明首先涉及一種用於熔化玻璃的裝置，其包括裝備有與可玻璃化材料塊接觸的電極的爐，所述爐包括與用於熔化玻璃的分配通道連接的側開口，浸入玻璃中的可移除擋板。在通道中，並且已經從其在擋板下方的通道，玻璃優選地是活塞流，沒有回流對流。通道足夠淺，以防止回流。擋板足夠深地浸入玻璃中，使得在其下通過的玻璃不會參與朝向熔爐的回流。
根據本發明，擋板靠近開口，在開口前面的爐中或在開口中並在這種情況下，正好在爐的出口處。如果考慮可以在爐中(不考慮擋板以及在爐最下遊)內切的最大水平圓，則通過擋板的上遊面的垂直平面接觸該圓。該圓在通過通道底部最高側的水平面中進行獲取。為了找到這種圓的位置，不考慮擋板，因此使用表述「不考慮擋板」。特別地，擋板優選在爐中並且在開口前面，在開口的任一側上支撐靠在爐的側壁上。擋板這時比爐的開口更寬。開口兩側的耐火材料可以被定性為「側柱(jambage)」，並且它們構成用於擋板的下遊面的良好支撐。如果擋板的上遊面不是垂直的，而是相對於垂直線略微傾斜，則存在至少一個穿過擋板的上遊面並且接觸上面限定的圓(使得根據本發明的擋板的位置上的條件得到滿足)的垂直平面是足夠的。無論擋板是在爐中還是在通道的入口中，優選的是其與耐火側壁，特別是爐的側壁或通道的側壁接觸，使得在通道中移動的玻璃被迫在擋板下方通過並且不能通過擋板的兩側。這有利地防止了未熔化原材料在通道中通過。如上所述，擋板有利地在爐中。
根據本發明的擋板的定位是理想的，由於其接近電極，以防止未熔化玻璃而在擋板上的沉積，所述擋板處於比在通道中更熱的區域中，並且由於其是熔化玻璃在爐中的對流運動中。根據本發明的可移除擋板的使用使得可以在停止和運行模式中操作，也就是說，可以停止該設備並重新啟動，而不必使耐火材料斷裂以使其回到操作。擋板處於熔化區域的事實使得可以在電極和爐壁(包括擋板)之間形成對流循環。建模已證明，當擋板物在通道中太遠時，對流循環不足。
用於玻璃通過通道流動的爐的開口是側向的，這意味著其位於爐的側壁中，所述壁通常是垂直的。
擋板可以由鋼製成並且用流體(例如空氣或水)冷卻。它還可以由鉬，難熔金屬合金，陶瓷，鉑，陶瓷或塗覆有鉑的耐火材料，塗覆有鉑的難熔金屬合金，塗有鉑的鉬製成，應當理解的是，使用這些材料，其可以是非冷卻的或用冷卻流體(例如空氣或水)的內部流進行冷卻。
該擋板將漂浮的未熔化的原料保留在爐中。擋板至少可垂直移動。其垂直移動的能力提供了調整其高度的可能性。通常，將其從原料硬殼的底部開始以高度h1浸入玻璃中，h1優選為至少150mm。原料硬殼通常具有80至350mm的厚度。擋板下方的玻璃高度h2優選為至少100mm。優選地，擋板下方的玻璃高度h2小於在原料硬殼下與熔化玻璃接觸的擋板的高度h1。擋板的這個位置導致熔化玻璃在爐中的停留時間的增加，這有利於與熔化玻璃混合的未熔化顆粒的減少，甚至是消失。有利地，擋板可橫向地移除，這有利於將其從與其接觸的爐的側壁分離。其能夠橫向移動的能力允許其從爐的側壁分離。擋板在爐中在開口的任一側上支撐靠在爐的側壁上的位置，允許這種側向移動。從頂部看，爐可以具有多邊形，特別是正方形或矩形的形狀或者可以是圓形的。爐的底部可以是平的或可以包括傾斜表面。底部的傾斜表面使得可以在熔化開始時將熔化的可玻璃化材料運送到底部的最底點。這是因為，有利的是，在爐的填充開始時收集小體積的熔化的可玻璃化材料，以便形成積聚熱的熱點。這使得可以在填充開始時更快地進行，並且以任一種方式啟動爐的運行。傾斜表面可以是倒圓錐體的表面，其頂點是爐底部的最底點。它也可以是傾斜平面，其與爐的圓柱形壁的相交形成曲線，該曲線具有該底部的最低點。其它形式也是可能的。優選地，電極靠近引入原料的位置。因此，如果原料能夠在幾個位置連續地被引入，則有利地考慮能夠移動電極，以便能夠使它們跟隨原材料的引入位置。
爐的內部被提供有耐火材料，其在底部和側壁處都與可玻璃化材料接觸。側壁通常包括與環境空氣接觸的外部金屬外殼。這種金屬外殼通常包括兩個壁，在它們之間使冷卻流體，例如冷卻水循環。
電極與可玻璃化材料接觸以便通過焦耳效應加熱它們。電極可以穿過底部到達玻璃中或可以經由頂部浸入。這些電極通常包括與可玻璃化材料接觸的由鉬製成的部分。對於通過上方浸入玻璃中的電極的情況，它們可以另外包括由鋼製成的部分，其不與玻璃接觸，在可玻璃化材料上方，其與電壓連接。相對於電極通過底部的構造，通過上方引入電極顯示出多個優點。特別地，穿過底部需要製備形成在電極和底部之間的連接的電極塊，由於底部也通過金屬外殼進行冷卻的事實，這些電極塊特別難以製備。根據爐的尺寸和提取量來調節電極的數量。
該爐裝備有用於引入包括碎玻璃的可玻璃化材料的工具。這些可玻璃化材料通常是粉末形式，甚至是顆粒形式，通常直至10mm的直徑，這意味著可玻璃化材料重量的大於90％由顆粒組成，每個顆粒的兩個最遠點小於10mm。可玻璃化材料均勻地分布在爐的整個內表面上，以形成覆蓋熔化材料的硬殼。作為用於引入可玻璃化材料的工具，可以使用經由上方供給爐的裝料機。可玻璃化材料均勻地噴射在爐的整個內表面上。尚未熔化的可玻璃化材料在熔化的可玻璃化材料上方的表面處形成硬殼。這種硬殼形成隔熱罩，其限制經由上方的熱損失。該爐通常不配備有用於攪拌可玻璃化材料的工具(無機械攪拌器或浸沒式燃燒器)，除了可能的鼓泡器類型工具。
與爐的氣氛接觸的爐中的玻璃表面通常在1至30m2之間。在操作中，可玻璃化材料(熔化+未熔化)的深度通常在200至1000mm之間，優選在300至800mm之間，實際上甚至在400至600mm之間。裝置的操作提取量(tirée)通常可以為每天5-100噸。
分配通道可以在其底部包括至少一個孔口。根據要同時進料的轉化裝置，特別是纖維化裝置的數量，它可以包括2個或3個或更多個孔口。通過該孔口落下的熔化的可玻璃化材料的線可以隨後被引向纖維化機器。通道中的玻璃流是層流的。
轉化成纖維可以通過「內部離心」裝置進行。內部離心方法的原理對於本領域技術人員來說本身是眾所周知的。概括地說，這種方法在於將熔化礦物材料的線引入到離心機(也稱為纖維化盤)中，該離心機以高速旋轉，並且在其周邊被穿透非常多的孔，熔化材料在離心力的作用下以長絲的形式噴射通過該孔。然後使這些長絲受到沿著該離心機壁的高溫和高速環形牽引流的作用，該牽引流使它們變細並將它們轉變成纖維。所形成的纖維被該氣態牽引流夾帶到通常由可透氣的帶構成的接收裝置。這種已知的方法形成了許多改進的主題，包括尤其在歐洲專利申請EP0189534，EP0519797和EP1087912中教導的那些。
根據本發明的裝置適合於熔化所有類型的玻璃。
根據本發明的裝置特別可用於熔化具有在文獻WO99/57073，WO99/56525，WO00/17117，WO2005/033032和WO2006/103376中任一個中所述的組成的用於纖維的玻璃。理想的纖維化溫度取決於熔化材料的組成。
通常，希望其粘度在25Pa.s至120Pa.s之間。
因此，本發明還涉及一種用於製備玻璃的方法，包括通過根據本發明的裝置熔化可玻璃化材料。根據該方法，裝置的通道可以供給玻璃棉的纖維化裝置。
最終玻璃可具有組成(組成A)，其包含：
SiO2：35-80重量%,
Al2O3：0-30重量%,
CaO+MgO：5-35重量%,
Na2O+K2O：0-20重量%,
理解的是，一般來說，
SiO2+Al2O3在50至80重量％的範圍內，並且Na2O+K2O+B2O3在5至30重量％的範圍內。
引入的可玻璃化材料可以對應於玻璃棉的組成(組成B)並且包含：
SiO2：50-75重量%,
Al2O3：0-8重量%,
CaO+MgO：5-20重量%,
氧化鐵：0-3重量%,
Na2O+K2O：12-20重量%,
B2O3：2-10重量%。
引入的可玻璃化材料也可以對應於富含氧化鋁的玻璃棉的組成(組成C)，並且包含：
SiO2：35-50重量%,
Al2O3：10-30重量%,
CaO+MgO：12-35重量%,
氧化鐵：2-10重量%,
Na2O+K2O：0-20重量%。
在爐中的玻璃通常具有大於1200℃的溫度。此外，其通常具有小於1700℃的溫度。如果玻璃具有如剛剛給出的富含氧化鋁的玻璃棉的組成(組成C)，則其在爐中的溫度通常在1350至1700℃之間。如果玻璃具有傳統玻璃棉的組成(組成B)，則其在爐中的溫度通常在1200℃至1420℃之間。在根據本發明的裝置中，對於該玻璃的最高溫度位於爐中，而不是在擋板之後。玻璃的最熱點因此在爐中，與隔板的上遊面相對。事實上，根據本發明的裝置足夠有效地熔化玻璃，而不需要在擋板後面提供精製區。
溫度有利地是足夠高的，以使玻璃在距離擋板的上遊面1cm處的粘度η(泊)使得log10η<2。這種相對高的溫度使得可以使玻璃流體化，這本身允許在爐出口處建立強對流。這種與擋板的上遊面位置(在完全對流中)結合的強流防止在擋板的上遊面上形成凝結玻璃，由此消除了在製造期間不受控制和不希望的顆粒釋放。這種粘度在從擋板的上遊面朝向爐內部1cm的距離處，在擋板的寬度的中間和與玻璃接觸的擋板的深度的中間高度處進行考慮。
可玻璃化材料吸收IR輻射越多，熱傳遞越受限制，並且觀察到從底部到在熔化的可玻璃化材料上方漂浮的原材料的硬殼越顯著的熱梯度。最高至3重量％的氧化鐵，據認為玻璃吸收很少的紅外輻射，並且玻璃的溫度在爐中是基本上均勻的。本發明特別適合於熔化這種具有低氧化鐵含量類型的玻璃。在這種情況下，在爐中的玻璃的溫度通常在1200至1400℃之間。
分配通道可以特別地供給玻璃棉的纖維化裝置或用於製造中空玻璃的裝置，例如小瓶或酒瓶。
圖1表示根據本發明的裝置的俯視圖。
圖2表示與圖1相同的裝置的側視圖。
圖3表示溫度分布的比較，根據擋板是在通道中(在圖a)中)或在爐中(在圖b)中)。
圖4表示根據WO2013/098504的爐的透視圖。
附圖不是按比例的。
圖1表示根據本發明的裝置的俯視圖。它包括爐1，爐1的側壁2形成矩形(從上方看)。爐包括側開口3。鉬電極4通過上方浸入可玻璃化材料中，以通過焦耳效應加熱後者。該開口連接到分配通道5。放置在爐1中的擋板6經由上方浸入玻璃中。該擋板具有比開口的寬度更大的寬度，並且被支撐靠在壁的側柱7和7'上。在通道開始處的上升臺階8在從爐移動到通道時使玻璃高度降低。臺階位於擋板後面距離d1處，d1優選大於250mm。最大的圓9在爐的最下遊，並且從上面看在爐中內切，不考慮擋板，以虛線表示。該虛擬圓接觸開口的任一側上的側壁和兩個側柱，因為為了放置該圓，不考慮擋板。擋板的上遊面10在圓9內。穿過擋板的上遊面10的垂直平面V很好地接觸該圓9，因為它在兩個位置處將其切斷。擋板在爐中並且在開口3的任一側上支撐靠在爐的側壁上。
圖2表示與圖1相同的裝置的側視圖。與圖1的那些共享的附圖標記表示相同的元件或特徵。在爐1中，尚未熔化的原材料的硬殼20在玻璃21的水平面上方漂浮。隔板從原材料硬殼的下方開始以深度h1浸入玻璃中。擋板下的玻璃高度為h2。通道中的玻璃的高度h3小於熔爐中的熔化玻璃的高度h1+h2。圖1的圓9位於在通道5的底部的最高側的高度處，也就是說在圖2的水平面H中。
圖3表示根據擋板是在通道中(在圖a)中)還是在爐中(在圖b)中)的溫度分布的比較。在這些結構a)和b)中，爐的側開口位於根據圖3b)設置的隔板的下遊面的水平面。特別地看出，朝向爐的中心(在圖中向左方)的擋板面在b)中比在a)中更熱。對於這些測量，使用玻璃表面積為2.5m2的爐，其以每天6.2噸的提取量進行操作。該玻璃包含65.7％的SiO2，17.1％的Na2O+K2O，4.5％的B2O3，2.05％的Al2O3，8％的CaO和2.5％的MgO。底部溫度為1350℃。
圖4表示根據WO2013/098504的爐的透視圖。只表示通用形式以顯示擋板的位置。爐40是圓形的，並且可垂直移除的擋板41位於通道42中，使得能夠在爐中最下遊內切的最大水平圓不能接觸擋板。該最大圓還對應於爐的圓形內壁。根據該布置，擋板處於相當冷的區域中，並且擋板不能橫向移除。因此，可發生擋板在通道中被阻塞並且非常難以清除。