連續熔化和提純無機化合物尤其是玻璃或玻璃陶瓷的設備的製作方法

2023-09-15 21:12:45 3

專利名稱：連續熔化和提純無機化合物尤其是玻璃或玻璃陶瓷的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於連續熔化和提純無機化合物，尤其是玻璃或玻璃陶瓷的設備。但也可考慮用於熔化和提純其他物質。
已公知許多設備，藉助它們可熔化或提純所述材料。例如參見DE3316546 C1，其中涉及的是一種具有冷卻坩堝壁的所謂渣殼坩堝(Skulltiegel)，此外它還具有一個感應線圈，它圍繞著坩堝並可通過感應線圈將高頻能量耦合到坩堝的內容物中。藉此可將坩堝內容物置於特別高的溫度，此溫度高達3000℃。
高頻加熱的優點在於坩堝壁能比玻璃熔體冷得多。坩堝壁的冷卻可通過熱輻射或通過主動的空氣冷卻或水冷卻進行。在渣殼坩堝中，在壁的區域內形成由特有(arteigenen)材料構成的冷的外殼。這種外殼由於較低的溫度所以有很低的電導率。因此它不吸收高頻能量並構成一種穩定的特有坩堝。由此有可能達到幾乎任意高的熔體溫度；這只須通過足夠的冷卻來保證維持特有壁。例如參見EP 0079266。
通常在熔化過程後必須連接提純過程。在這裡，提純的目的是從熔化的玻璃中除去物理和化學結合的氣體。提純過程藉助於特殊的提純劑、例如NaCl完成。提純劑的作用是生成足夠大的氣泡，殘留氣體可從熔體擴散到氣泡中。
近來，越來越多地要求連續地運行熔化過程和提純過程。WO 9215531介紹了一種設備，其中，熔化和提純在同一個坩堝內進行。這兩個過程彼此不能獨立控制，這有損於玻璃質量。
這種設備只能用於生產質量要求較低的玻璃。此外，在此設備中提純不太有效，因為在熔液的表面區不斷補充冷的原材料以及此表面始終是坩堝內最冷的部分。
US 4780121介紹了一種設備，其中設第一容器，混合物在容器中熔化，以及設第二容器，已熔化的玻璃液在其中實施提純。在熔化坩堝內生成的玻璃熔液從上方輸入提純容器內。在這裡，陶瓷的提純容器被感應線圈圍繞，高頻能量可藉助於感應線圈耦合到提純容器內。基於該陶瓷製提純坩堝，限制了在提純容器內高溫的形成。在此設備內提純的結果是不令人滿意的。在提純後仍有氣體留在玻璃熔液內，而且餘留的量以不恰當的方式損害到成品的質量。
此設備的另一個缺點如下為了使設備能連續運行，通過熔化容器的流量必須正好與通過提純容器的流量一樣大。但是在這兩個容器內過程的進行有不同的參數。例如在提純容器內的溫度必須與提純過程相匹配。因此這一溫度不能自由選擇。採用此設備所實施的方法存在的缺點是，不可能調整玻璃液流。僅僅通過改變在熔化機組中的排出口才能影響玻璃液位。與提純溫度無關地調整或僅僅控制從高頻區向攪拌槽的玻璃液流是不可能的。流出速度取決於坩堝高頻區內的溫度。若改變高頻區內的溫度，由於熔體粘度較低而提高了流出量。因此對於溫度的變化可能性採取了嚴格的限制。在提純區內的較高溫度充其量可結合流量的增加來調整。因此通過提高溫度改善提純的優點由於更短的停留時間而喪失。此外，玻璃自由下落到提純的高頻部分內時是有缺點的，在這種情況下氣泡可能被打破。這種被打破的空氣氣泡含有高的氮氣成分並因而很難純化。這一問題在從高頻區到均勻化區的過渡區內更加嚴重。在這裡，破裂的氣泡不再能離開熔體，因為不再進行提純。
本發明的目的在於提供一種設備，其中，熔化和提純分別在自己的容器內實施，此外設備可連續運行，並且在此設備中尤其能獲得完美的提純效果，也就是說導致在相當大程度上的除氣。
本發明的目的通過權利要求1所述的特徵來達到。
本發明人有下列認識如上面已闡明的那樣，在按US 4780121的設備中，提純容器設在熔化容器的下遊，而且在這裡它設在熔化容器的下方。因此，液態的熔體自由下落地流入提純容器。流入的熔體比較冷。所以提純容器內容物的表面不斷地由隨後流入的冷的熔體構成。這種冷的並因而較重的玻璃熔液的大部分在提純坩堝的中央迅速流向其出口。另一方面在提純容器底部區內進行除氣，因為在那裡通過感應線圈的加熱比表面區有效得多。因此在底部區內生成氣泡，氣泡向上升。但由於在液位區內冷的層有比較高的粘度，所以氣泡在那裡的上升和離開熔體受阻。這意味著氣體以不希望的程度留在處於提純容器中的熔體內。
本發明避免了這些缺點。比較冷的熔體在熔窯的下部區流出，在提純罐的底部引入提純罐內並在那裡通過高頻能量加熱。在這裡由包含在熔體內的氣體形成氣泡，氣泡向上升起。因為熔體的上層比較熱並因而粘度小，所以氣泡可以順利地離開熔體。
通過應用本發明，有可能將沒有陶瓷內坩堝的高頻加熱式渣殼坩堝的內容物置於數量級為2400至2600℃的溫度，甚至達3000℃。這對於提純是極其重要的。在這種情況下將玻璃中物理和化學結合的氣體除去。在傳統的玻璃熔化過程中提純過程藉助於提純劑，如Na2SO4、As2O3、Sb2O3或NaCl。這些提純劑在提純溫度下分解或蒸發並形成氣泡，殘留氣體可從熔體擴散到氣泡中。提純氣泡必須足夠大，以便在經濟和合理的時間內在玻璃熔液內向表面升起並在那裡破裂。在所述的通過本發明達到的高溫下，上升速度很高。例如，當溫度從1600℃提高到2400℃時，上升速度增加100倍。因此直徑0.1mm的氣泡在溫度為2400℃時的上升速度，與直徑1mm溫度為1600℃的氣泡的上升速度一樣快。
通過提高提純溫度，對於大多數氣體降低了物理和化學的溶解度並因而附加地有助於高溫提純。
按另一種可選擇的方案，為了提高氣泡的上升速度並因而縮短提純時間，允許或大或小的程度取消添加提純劑。但前提條件是，上升的氣體能到達表面以及處於表面的氣泡破裂和不形成泡沫。
不過按本發明的原理有另一個優點通過使熔體從下方流入提純罐底部區內，使提純罐外表面基本上沒有接頭。因此感應線圈可無阻礙和在空間上沒有任何顧忌地設置為，按要求圍繞著提純罐的外表面，例如以高頻能量最佳耦合為追求的原則。
下面藉助附圖
進一步說明本發明。
由圖可見一熔窯1。它設計為用陶瓷材料制的磚砌熔池。一根連接管道2用於將在熔窯1內產生的玻璃熔液輸送給一個提純罐3。為提純罐3配設有一感應線圈5。該感應線圈5按這樣的方式圍繞著提純罐3，即，使線圈5的各圈基本上同心地圍繞著提純罐3的垂直軸線。
在提純罐3上連接一水平槽4。它用於冷卻熔體。在這裡從例如在2400至3000℃範圍內的高溫冷卻到溫度1600℃。冷卻槽可以或者由石槽或者由陶瓷槽構成，並由空氣或水來冷卻，所述冷卻槽也可由高頻加熱的渣殼槽構成。在冷卻槽內可進行再提純和殘留氣泡的再吸收。
在冷卻槽端部有一個帶攪拌器6.1的攪拌坩堝6，用於熔體的均勻化。熔體經一個給料器6.2從攪拌坩堝6取出，以供往成形過程。為槽4配設一玻璃液位測量計7，藉助它可測得槽4內玻璃熔液液位的測地學高度(geodatische Hoehe)。
在熔窯1內的熔化既可用電也可用燃燒器或組合這兩種措施進行。在熔窯的範圍內完成所謂的粗熔。
連接管道2要麼由一根電阻加熱的鉑管要麼由耐火材料製成。若連接管道2由耐火材料製成，則玻璃熔液通過使用電極被直接加熱。按另一種替換形式，也可以從外部對玻璃熔液進行加熱。
從圖中可以看到，連接管道2連接在熔窯1下部區內。它通過提純罐3的底部3.1進入提純罐。在這種情況下在連接點處的熔融玻璃熔液的密封性通過環形設置的水冷卻裝置或空氣冷卻裝置達到。這種通常用鉑製成的密封裝置同時還用作高頻屏蔽裝置。因此它要接地。由此防止可能通過連接管道2和通過電極從高頻區發出高頻散射，以及避免在那裡幹擾對其他電氣部件的調節和控制。在需要時，玻璃密封裝置和電的接地裝置也可以彼此分開構成。
提純罐3本身是模塊化的並因而能非常靈活地建造。它由多個具有彎曲延伸的水冷式銅管或不鏽鋼管的分段組成。這些分段在底部區電短路，以免在熔體溫度很高的情況下在分段之間形成電弧。例如當特有材料的絕緣外殼很薄時便可能發生這種情況。在提純罐3的上部區內也可設想是短路的。但此時高頻場移入提純罐的下部區內是有缺點的，因為這會導致冷卻熔體表面。
在提純溫度達到1650℃時，提純罐也可以用陶瓷材料製造。但在陶瓷材料內不允許耦合高頻，因為要不然罐會被高頻熔化。陶瓷罐的缺點是，通過熱輻射可能將在罐與高頻線圈之間的空氣加熱到導致產生飛弧。對於超過1650℃的提純溫度，渣殼坩堝通常是有利的，因為在這裡渣殼壁可通過水冷或風冷金屬管被強烈地冷卻。採用渣殼坩堝幾乎可以達到任意高的提純溫度，因為最高提純溫度不因坩堝腐蝕而受限制。
提純罐3的熔體容積選擇為，針對所要求的提純結果正好有足夠的停留時間。由能量方面的觀點看應避免有任何過大的尺寸。因為否則必須通過附加的高頻功率來補償導致更大壁面損失的冷卻。例如對於鋁矽酸鹽玻璃業已證明，為了提純，當提純溫度例如為2200℃時停留時間為30-60分鐘便足矣。
如上面所闡明的那樣，熔窯由耐火材料磚砌而成。也可以代之以渣殼坩堝。於是它具有如這裡已說明的、具有用於將高頻能量耦合到罐內容物中的感應線圈的提純罐同樣的結構。
通過按連通管的原理來構造，玻璃液位的控制非常簡單。玻璃液位的測量在槽的按常規的熔體區內(在攪拌器前不遠處)進行。因為所有的部件互相連接，所以在整個熔化機組內玻璃的液位都是已知的。在槽端的測量參數可以應用於控制從熔窯經高頻提純罐直至冷卻槽的整個玻璃液位。
玻璃液位的這種簡單的控制是可能的，因為在這裡成功做到了將高頻提純部分作為相連的構件組合在槽的系統中。流量可以完全獨立於在提純機組內的高頻提純溫度和粘度來調整。
在冷卻槽的末端為了熔體的均勻化設有一攪拌坩堝6。玻璃經給料器7由坩堝中取出並被供給成形過程。
為防止由高頻裝置產生的電磁場輻射，熔窯1和/或提純罐3可布置在一個導電的籠子內部。
權利要求
1.一種連續熔化和提純無機化合物、尤其是玻璃或玻璃陶瓷的設備，它具有1.1一個熔窯(1)；1.2一個提純罐(3)；1.3為提純罐(3)配設一感應線圈(5)，它用於將高頻能量耦合到罐的內容物中並且它圍繞著提純罐(3)的壁；1.4一連接管道(2)，它用於將熔體從熔窯(1)傳送到提純罐內；1.5連接管道(2)在熔窯(1)的底部從熔窯引出並在提純罐的底部進入提純罐。
2.按照權利要求1所述的設備，其特徵為連接管道(2)從熔窯(1)的底部(1.1)側向引出並通過提純罐(3)的底部(3.1)進入提純罐。
3.按照權利要求1或2所述的設備，其特徵為在提純罐(3)下遊連接一冷卻槽(4)。
4.按照權利要求3所述的設備，其特徵為在冷卻槽(4)下遊連接一攪拌坩堝(6)。
5.按照權利要求1至4之一所述的設備，其特徵為整個熔化機組(1)按模塊化結構方式建造。
6.按照權利要求1至5之一所述的設備，其特徵為熔窯(1)和/或提純罐(3)布置在一個導電的屏蔽網內部。
7.按照權利要求1至6之一所述設備的運行方法，其特徵為熔體連續地從熔窯(1)下方供往提純罐(3)，並在上部區經冷卻槽(4)流入一個澄清部分(6)。
8.按照權利要求7所述的方法，其特徵為在熔窯(1)、提純窯(3)、冷卻槽(4)以及在澄清部分(6)內的熔體液位通過相互用管路連通而處於同一個水平位置上。
9.按照權利要求7或8所述的方法，其特徵為熔窯(1)用陶瓷的磚石材料、用鉑或用鉑合金建造。
10.按照權利要求7至9之一所述的方法，其特徵為熔窯(1)由一個所謂的渣殼坩堝構成；以及，玻璃熔液在熔窯(1)內藉助高頻被加熱。
11.按照權利要求7至10之一所述的方法，其特徵為熔窯(1)與提純罐(3)之間的連接管道(2)由一根可加熱的鉑管或由可加熱的石槽構成。
12.按照權利要求7至11之一所述的方法，其特徵為提純罐(3)由陶瓷坩堝構成；並且，在提純罐(3)內的熔體藉助高頻被加熱。
13.按照權利要求7至12之一所述的方法，其特徵為在提純罐(3)內的熔體被加熱到從1300℃到1700℃(優選地從1400℃到1650℃)的溫度。
14.按照權利要求7至13之一所述的方法，其特徵為提純罐(3)由渣殼坩堝構成；並且，提純罐(3)內的熔體藉助高頻被加熱。
15.按照權利要求7至14之一所述的方法，其特徵為渣殼坩堝在底部區內電短路。
16.按照權利要求7至15之一所述的方法，其特徵為在提純罐內的熔體被加熱到從1400℃到3000℃、優選地從1650℃到2500℃的溫度。
17.按照權利要求7至16之一所述的方法，其特徵為在冷卻槽(4)內的熔體在澄清部分(6)由鉑製成的情況下從在提純罐(3)內的提純溫度冷卻到1500℃至1550℃，或者在澄清部分(6)由陶瓷材料製成的情況下被冷卻到1500℃至1650℃。
18.按照權利要求7至17之一所述的方法，其特徵為要提純的玻璃電導率在1600℃時大於0.01Ω-1×10cm-1。
19.按照權利要求7至18之一所述的方法，其特徵為要提純的玻璃不用有毒性的提純劑，如AS2O3或SbO3。
20.按照權利要求7至19之一所述的方法，其特徵為要提純的玻璃不同附加的提純劑。
全文摘要
本發明涉及一種連續熔化和提純無機化合物、尤其是玻璃碎片或混合物的設備,它具有一熔窯(1)和一個提純罐(3);為提純罐(3)配設一個感應線圈(5),用於將高頻能量耦合到罐的內容物中,以及感應線圈圍繞著提純罐的壁;所述設備還具有一根連接管道(2),用於將熔體從熔窯(1)傳送到提純罐(3)內。按本發明,連接管道(2)在熔窯(1)底部區(1.1)從熔窯引出,並在提純罐(3)的底部區(3.1)進入提純罐。
文檔編號C03B5/00GK1370135SQ00811727
公開日2002年9月18日 申請日期2000年8月8日 優先權日1999年8月21日
發明者沃爾夫岡·施米德鮑爾, 希爾德加德·羅默, 吉多·雷克, 沃納·基弗, 麥可·科爾, 弗蘭克－託馬斯·倫蒂斯 申請人:艙壁玻璃公司