澄清玻璃的方法和系統的製作方法

2023-06-19 13:46:16

專利名稱：澄清玻璃的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及澄清熔融玻璃的方法和系統。具體地，本發明涉及包含金屬澄清容器 的玻璃澄清方法和系統。本發明適用於例如用於製造LCD玻璃基板的直接加熱的鉬澄清系 統。
背景技術：
製造玻璃製品的一個示例性方法是從熔化原料如金屬氧化物開始，形成熔融玻 璃。熔化過程不僅形成玻璃，而且形成許多不需要的副產物，包括各種氣體，如氧氣、二氧化 碳、一氧化碳、二氧化硫、三氧化硫、氬氣、氮氣和水蒸氣等。若不除去，這些氣體將在整個制 造過程中繼續存在，最後在玻璃成品中形成小的包含物或氣泡，有時形成微觀氣態包含物 或氣泡。對於某些玻璃製品來說，少量氣態包含物的存在並非致命缺陷。然而，對於其他制 品的製造來說，直徑小到50 μ m的氣態包含物也是不可接受的。一種這樣的玻璃製品是用 於製造顯示器件如液晶顯示器和有機發光二極體顯示器的玻璃板。對於這樣的應用，玻璃 必須具有格外的澄清度、原始表面(pristine surface)，且基本上沒有變形和包含物。為了從熔融玻璃中除去氣態包含物，通常向進料中加入一種或多種澄清劑。澄清 劑可以是多價氧化物，如As203。在玻璃熔化過程中，AS2O3轉化為AS205。在澄清階段，發生 以下反應As2O5 — As203+02 (氣體)釋放的氧氣在熔融玻璃或熔體中形成氣泡。氣泡使其他溶解氣體可被收集起來， 上升到熔體表面，從而在製造過程中除去。加熱通常是在高溫澄清容器中進行。顯示器級玻璃的澄清溫度可高達1700°C。如此高的溫度需要使用專門的金屬或合 金，以防澄清容器受到破壞。通常使用鉬或鉬合金，如鉬-銠。鉬的優點在於其具有高熔化 溫度，不易溶解到玻璃中。然而，在如此高的溫度下，鉬或鉬合金容易氧化。因此，必須採取 措施，防止熱的鉬澄清容器與空氣中的氧氣接觸。在玻璃澄清和運送過程中，也非常需要採 取其他措施減少Pt的氧化。在澄清容器中，若給定停留時間，則要獲得質量更高的玻璃，熔融玻璃需要更高的 澄清溫度。然而，對於諸如用金屬或金屬合金製成的澄清系統，其形成材料具有操作溫度上 限。因此，需要一種玻璃澄清系統，它能為熔融玻璃提供高澄清溫度，但不超過金屬的最高 操作溫度。本發明滿足了此需求。

發明內容
因此，本發明的第一個方面是玻璃製法，其包括在澄清容器中澄清熔融玻璃 的步驟，所述澄清容器包含不與熔融玻璃直接接觸的頂壁部分，以及與熔融玻璃直 接接觸的側壁部分，其中頂壁部分具有溫度T(頂)，側壁部分具有溫度T(側)，且 T(頂)-T(側)(IO0C0在本發明的第一個方面的某些實施方式中，T(頂)-T(側)彡5°C。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，容器的壁部分包含金屬。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，對壁部分通電流，由此加熱容器。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，壁部分包含Pt。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，T(側)彡1600 0C ；在某些實 施方式中，τ (側)彡1630 0C ；在某些實施方式中，T (側)彡1650 °C ；在某些實施方 式中，T(側)彡1660 0C ；在某些實施方式中，T(側)彡1670 °C ；在某些實施方式 中，T(側)彡1680 0C ；在某些實施方式中，T(側)彡1690 °C ；在某些實施方式中， T(側)彡 1700°C。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，熔融玻璃是硼矽酸鹽玻璃，在某些實 施方式中是硼鋁矽酸鹽(aluminoborosilicate)玻璃。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，澄清容器用託架(cradle)支承，容器 放在託架中。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，澄清容器用多層隔熱材料包封。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，澄清容器用至少一層適應至少1650°C 的工作溫度的隔熱材料包封。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，澄清容器用至少一層防火板包封。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，澄清容器的側壁部分通過補充加熱進 一步進行差異化加熱，如讓電流通過Pt加熱體系或其他直接金屬加熱體系。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，在澄清容器頂壁部分外側安裝冷卻葉 片或受熱器(heat sink)。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，澄清容器頂壁部分的厚度大於側壁部 分的厚度。在本發明的第一個方面的某些實施方式中，澄清容器的壁部分包含金屬，並且與 T (頂)-τ (側)> 5 °C的情況相比，該金屬的氧化減少。本發明的第二個方面是玻璃澄清系統，其包含-可在其中澄清熔融玻璃的金屬容器，該金屬容器具有在玻璃澄清過程中基本上 不與熔融玻璃直接接觸的頂壁部分，以及與熔融玻璃直接接觸的側壁部分。-可自動檢測(sense)頂壁部分溫度的第一溫度傳感器，以及可自動檢測側壁部 分溫度的第二溫度傳感器；-可通過金屬容器側壁部分提供電流的電源，以加熱澄清容器的頂壁部分和側壁 部分；_支承金屬容器的託架；以及-容納金屬容器的隔熱外殼；
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其中澄清系統可在澄清過程中維持容器的頂壁部分溫度T (頂)與側壁部分溫度 T(側)之間的差異，其中T(頂)-T(側)(IO0C0在本發明的第二個方面的某些實施方式中，所述系統還包含可對金屬容器側壁部 分進行差異化加熱的加熱元件，如直接Pt加熱系統或其他直接金屬加熱系統。在本發明的第二個方面的某些實施方式中，在金屬容器頂壁部分外側安裝冷卻葉 片或受熱器。在本發明的第二個方面的某些實施方式中，金屬容器頂壁部分的厚度大於側壁部 分的厚度。在本發明的第二個方面的某些實施方式中，隔熱外殼包含至少一層防火板。在本發明的第二個方面的某些實施方式中，金屬容器包含Pt和/或其合金。本發明的一個或多個實施方式具有以下一個或多個優點(i)可生產缺陷更少、 質量更高的玻璃；(ii)可減少建造澄清容器所用金屬(如貴金屬)的氧化，因此可延長該 系統的使用期限；(iii)該系統可獲得優越的隔熱性；(iv)利用本發明可使熔融玻璃獲得 最佳溫度均勻性；(iv)可顯著節省投資；以及(V)所產玻璃的具有更高選擇。


圖1是根據本發明的一個實施方式所用的金屬澄清容器的橫截面示意圖。圖2是根據本發明的一個實施方式的澄清容器的橫截面示意圖。圖3是Pt-Rh合金在不同溫度和溫度梯度下氧化(由重量損失表示)的圖示。
具體實施例方式除非另有說明，說明書和權利要求書中所用的所有數值，如表達各成分的重量百 分數、尺寸和某些物理性質的數值，都應理解為在所有情況下均受「約」字修飾。還應理解， 說明書和權利要求書中所用精確數值構成本發明的另外的實施方式。發明人已盡力保證實 施例中所披露的數值的準確性。不過，由於相應測量技術存在標準偏差，所以任何測量值都 可能難免地包含某些誤差。本文所用不定冠詞「一個」或「一種」表示「至少一個(種)」，並且不應局限為「僅 一個(種)」，除非有相反說明。因此，例如，「一個澄清容器」的說法包括具有兩個或更多個 澄清容器的實施方式，除非文中另有明確說明。典型的玻璃澄清系統包括澄清容器，熔融玻璃在此澄清容器中停留一段時間，即 停留時間，熔融玻璃內的氣泡在此期間由熔融玻璃內部上升到表面。在所有其他條件都相 同的情況下，熔融玻璃的粘度越低，氣泡在熔體內越容易形成和上升。宜將澄清容器裡的熔 融玻璃加熱至足夠高的溫度，使玻璃的粘度足夠低。玻璃熔體所能達到的最高溫度部分地 取決于澄清容器的材料。以包含Pt澄清容器的澄清系統為例，熔融玻璃的溫度不能超過Pt 的熔化溫度。純Pt的熔點為1768°C。若將Pt澄清容器加熱到接近其熔點的溫度，則其機 械整體性受到嚴重削弱。如上所述，在澄清過程中，澄清系統中澄清容器的不同部分受熱情況不同，部分原 因是它們接觸的環境不同。澄清容器下部起到熔融玻璃的承載和儲存器的作用，因而與玻 璃直接接觸。可是，上部是留給空氣逃逸的空間，因此在澄清步驟中通常不與玻璃熔體直接接觸。玻璃與氣體傳熱速率的差異會在澄清容器頂部與側面/底部之間產生不可忽視的溫 度梯度。在本申請中，頂部溫度在澄清容器頂端測量。這個區域的溫度往往是澄清容器中 的最高溫度。澄清容器側面部分的溫度在澄清容器側面位於熔融玻璃表面線以下的地方測 量。此區域的溫度非常接近於與之直接接觸的玻璃熔體的溫度。本發明人發現，將澄清容器頂部與側面/底部之間的溫度梯度保持較低，可使玻 璃熔體獲得高得多的澄清溫度，提高澄清效率和效果，提高玻璃質量。本發明人還發現，減小澄清容器頂部與側面/底部之間的溫度梯度，可減少金屬 氧化，從而延長澄清系統的使用壽命。某些澄清系統採用直接加熱澄清容器的方法，即在容器壁中通電流。其他某些澄 清系統單另使用間接的獨立加熱器件加熱澄清容器，如金屬線圈、SiC加熱棒等。其他某些 澄清系統使用直接和間接加熱方法的組合。本發明可應用於所有這些澄清系統。下面結合直接加熱鉬澄清系統(DHPS)闡述本發明。應當指出，DHPS僅僅是本發 明的一個實施方式，本發明同樣可在其他玻璃製造系統中實施。圖1是包含熔融玻璃111的金屬容器的橫截面示意圖。103是金屬容器頂壁部分， 它不與熔融玻璃111直接接觸；105是該容器的側壁部分，與熔融玻璃111直接接觸；107是 用於自動檢測頂壁部分溫度的第一溫度傳感器(如熱電偶)；109是用於自動檢測側壁部分 溫度的第二溫度傳感器。通過使用這兩個溫度傳感器，可以監控澄清容器頂部與側面/底 部之間的溫度梯度。對於DHPS，可相應地調整通入澄清容器的電流，使頂部與側面/底部的 受熱情況不同，從而將溫度梯度維持在所需範圍內。圖2是根據本發明的一個實施方式的澄清系統的橫截面示意圖。205是金屬容器， 包容熔融玻璃209並對其進行澄清。201a、201b和201c分別是容納該容器205的深託架 的第一側壁、底部和第二側壁。203是託架壁與容器之間的襯墊材料。207a和207b是蓋 板，用於覆蓋容器和襯墊材料。211和213是封閉託架和容器的隔熱層。213宜用防火板制 造(如用陶瓷纖維製成的耐高溫纖維板)。在此實施方式中，除使澄清容器完全隔熱外，使 用深託架還可在澄清過程中最大程度減少熱損失，將澄清容器的溫度梯度維持在所需範圍 內。用高導熱材料如氧化鋁隔熱耐火磚製成的典型直接熱澄清器系統，在澄清器頂部 與其下面的管部分之間形成大的熱梯度，其原因是玻璃線低于澄清器頂部高度，從而留下 空氣空間或自由玻璃表面，供氣泡逃逸。不與任何玻璃接觸的澄清器頂部區域更熱，因為沒 有熱散失到玻璃中。其結果是，可達到的最高玻璃溫度受到澄清器頂部溫度限制，所述頂部 溫度由澄清器材料的熔化溫度決定。溫度梯度(ΔΤ)越大，則玻璃溫度越低，澄清能力下 降。可用許多方法減小澄清容器頂部與側部之間的溫度梯度(Δ T)。減小澄清器頂部 與底部之間的△ T的示例性方法包括但不限於(a)通過鉬或Kanthal 線圈補充加熱；(b) 用隔熱耐火磚和纖維板進行隔熱包裝；(c)在澄清器「熱」部安置冷卻葉片或受熱器；(d)改 變頂部設計，如採用雙片結構或增加厚度，或採用二者的組合。在某些實施方式中，當採用 主動加熱或冷卻，如方法(a)和/或(c)時，宜利用反饋迴路控制加熱和/或冷卻。這樣， 就可以檢測和監控澄清容器底部與側部之間的溫度梯度，進而調節和控制補充加熱元件和 /或外部冷卻器件，與直接加熱系統一起(若存在的話)，使頂部與側部之間達到所需的溫
6度梯度。將澄清容器頂部加厚可增加澄清容器頂部的機械整體性，即使將頂部加熱到高於 側部的溫度也是如此。此方法會顯著增加澄清容器的成本，特別是用貴金屬如Pt和/或 Pt-Rh合金製造耐高溫澄清容器時。優選的實施方式是使用隔熱耐火磚和/或耐火板，因為其他方法需要額外的能量 設備，在使用線圈的情況下還需要電力設備。冷卻葉片或受熱器會產生局部凝結點，形成 Pto2，該物質可帶來鉬雜質。此外，增加隔熱性之後，使用較少的能量即可獲得相近甚至更 高的玻璃溫度。升高玻璃溫度以提高澄清能力數據顯示，根據本發明的澄清系統，若隔熱託架採用多層耐火板，則可達到的 T(頂)-T(側) 10°C。而對於具有基本相同的尺寸和幾何結構，但澄清容器沒有足夠的 隔熱的對比澄清器，所觀察到的T (頂)-T (側) 40°C。數據顯示，本發明的澄清系統的能量消耗低得多。根據本發明的包括深託架和多 層耐火板隔熱的澄清器所消耗的能量僅相當於對比澄清器所消耗的能量的約60% -80%, 所述對比澄清器中的託架沒有那麼深，也不含多層隔熱耐火板。利用本發明的澄清系統澄清的玻璃的質量顯著高於利用對比澄清系統澄清的玻 璃。利用對比澄清器澄清的玻璃所包含的氣泡約為根據本發明澄清的玻璃的1.7-6倍。無 意受限於任何特定理論，但是據信，造成此結果的原因是在本發明的澄清器中，熔融玻璃可 獲得更高的溫度。因此，對於本發明，玻璃的總損失少得多。直接加熱鉬系統包含加在金屬上的電壓，在某些實施方式中所述金屬是鉬或其 合金；這反過來導致金屬受熱。此方法用於加熱LCD玻璃傳送系統的貴金屬部件。結果， 貴金屬所達到的溫度顯著高於環境溫度或周圍部件的溫度。高溫加上鉬與環境之間的大 溫度梯度(ΔΤ)，導致鉬的氧化速率增大。這種情況下的氧化速率比間接加熱貴金屬時更 高。圖3所示數據表明，直接加熱時的貴金屬氧化速率比間接加熱時的氧化速率高得多，所 述速率依賴於溫度梯度。此圖縱軸代表Ph_20Rh板在1670°C的重量損失(單位為克·英 寸_2 月，橫軸代表所測試的Pt_20Rh板所處的環境溫度。因此，任何能夠減小溫度梯度 效應的方法可顯著減小貴金屬的氧化速率。因此，本發明將減少金屬容器壁的氧化。利用隔熱性更好的包裝將減少最優操作所需的能量，這意味著鉬表面，尤其是頂 壁部分，可在更低的溫度下工作。更少的能量意味著更低的氧化速率，這也暗示著貴金屬可 將整體性保持更長時間。因此，對於直接加熱部件如玻璃澄清器，因玻璃滲漏或結構缺陷而 失效的時間將推後。本領域的技術人員不難看出，在不背離本發明的範圍和精神的前提下，可對本發 明作出各種改進和變動。因此，本發明意在覆蓋本發明的各種改進和變化形式，只要它們落 在所附權利要求及其等價要求的範圍之內。
權利要求
一種玻璃製造法，其包括在澄清容器中澄清熔融玻璃的步驟，所述澄清容器包含不與熔融玻璃直接接觸的頂壁部分，以及與熔融玻璃直接接觸的側壁部分，其中頂壁部分具有溫度T(頂)，側壁部分具有溫度T(側)，且T(頂) T(側)≤10℃。
2.如權利要求1所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述容器通過使電流通過壁部分來 加熱。
3.如權利要求1或2所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述容器的壁部分包含Pt。
4.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，T(側)彡1600°C。
5.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述熔融玻璃是硼矽酸 鹽玻璃。
6.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述澄清容器用託架支 撐，將所述容器放在託架中。
7.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述澄清容器用多層隔 熱材料封閉。
8.如權利要求7所述的玻璃製造方法，其特徵在於，所述澄清容器用至少一層適應 1650°C的工作溫度的隔熱材料封閉。
9.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述容器的側壁部分通 過補充加熱方法進一步進行差異化加熱。
10.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，在所述澄清容器頂壁部 分外側安裝冷卻葉片或受熱器。
11.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述澄清容器頂壁部分 的厚度大於側壁部分的厚度。
12.如前述權利要求中任一項所述的玻璃製造法，其特徵在於，所述澄清容器的壁部分 包含金屬，且與T (頂)-T (側)> 30 V的情況相比，該金屬的氧化減少。
全文摘要
本發明提供了一種玻璃製法，其包含在澄清容器中澄清熔融玻璃的步驟，所述澄清容器包含不與熔融玻璃直接接觸的頂壁部分，以及與熔融玻璃直接接觸的側壁部分，其中頂壁部分具有溫度T(頂)，側壁部分具有溫度T(側)，且T(頂)-T(側)≤10℃。本發明還提供了一種玻璃澄清系統。本發明特別適用於包含金屬澄清容器的澄清系統，所述澄清容器用貴金屬如Pt和/或Pt-Rh合金製成。
文檔編號C03B5/225GK101932530SQ200880124607
公開日2010年12月29日 申請日期2008年11月7日 優先權日2007年11月8日
發明者J·P·墨菲, L·H·科塔斯卡, P·R·格熱斯基, R·E·弗雷利, W·B·馬汀格利三世 申請人:康寧股份有限公司