用於熔化物均質化的方法和設備的製作方法

2023-05-17 02:01:26

專利名稱：用於熔化物均質化的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過消除或者最小化局部濃度差，即在熔化物中的不均勻性，使熔化物、絕緣物形式的材料，如玻璃，均質化的方法。
本發明還涉及實施這種方法的設備。
背景技術：
傳統方法-向熔化的玻璃中插入氣體產生元件，當氣泡升到表面，於是混合在池中的成分-仍然被用來實現熔融物的均質化，如玻璃。
現代均質化的方法是通過旋轉攪拌器的機械攪拌。關於嚴格地分層流動，這種方法只引起條帶(cord)的延長。機械旋轉攪拌的主要缺點是，攪拌器的攪拌達不到底部，即條帶所在的位置。降低攪拌器到條帶的位置，即底部以上一米的位置，是不可能的。
熔化物的不均勻性，主要存在於熔化的玻璃中，主要是由於條帶的原因，即部分薄層形式的熔化物，或者厚度即尺寸為0.001至1mm的條帶，引起可見光的擴散。具有條帶的玻璃熔化物有不同的化學成分，於是有不同的物理特性-折射係數，條帶在玻璃中可見並且產生視覺幹擾，增加了光的擴散，於是減少光的透射率，降低玻璃的亮度；
-熱膨脹，這降低產品的強度；-粘度和表面張力，通過這些在製造過程中有相反影響的特性，對條帶的減少有影響；-條帶通常也有較高的密度，即它們聚集在底部，產生濃的條帶，這在最後成品中是特別危險的。
微波加熱的說明，在捷克專利289191和289193中提供了這樣一種方法，從碳化物、硼化物、或氮化物中選擇一種惰性添加劑，以每1kg玻璃材料添加5-50g的量添加到玻璃材料的混合物中，通過頻率為2450MHz的微波輻射將其熔化。裝置包括帶有至少一個發射器的微波爐。這是一種應用微波能加熱的將玻璃材料從冷的狀態即玻璃池，熔化的現代方法。
一種添加成分-添加劑用來熔化玻璃。
本發明的目的是已經熔化的玻璃的均質化，比沒有添加劑時的熔化區域具有較高的熔化粘度。

發明內容
通過採用一種新的熔化物均質化的方法將能達到所述的目的，特別是對於玻璃，在前爐的耐熔通道內均質化，也可能在端部的耐熔池內均質化，此處熔化粘度總是高於熔化區域的粘度，按照本發明，這麼做的基礎在於採用頻率0.1至20GHz的微波輻射，輻射可以從任何方向，即從頂部、底部或者熔化空間的側面，或者同時從上述各個方向，到在靜態或者流態其粘度在104到101Pa.s的範圍的絕緣熔化物。
這種熔化物均質化的新方法的主要優點是使那些在底部的難於均質化的熔化物或者有很高的粘度的熔化物均質化。
在熔化空間的外面放置微波輻射波導出口，當熔化空間的外面冷卻時，得到良好的熔化物電容率與耐熔磚牆的電容率的高比值。
在熔化物內部以及外部的微波輻射會被在熔化物中的反射金屬元件反射回到在熔化物中入口位置，這增加了熔化物底部分享的吸收能，通常不均質化的熔化物位於底部，並且熔化物的頂部不是沒有必要通過多餘的能量過熱。
在熔化物內部以及外部的微波輻射被屏蔽金屬元件與周圍屏蔽，目的是將微波集中在熔化物上，防止微波輻射逃逸進周圍環境中。
為了執行這種均質化的新方法，已經熔化的材料適應於按照本發明的設備，設備的原理在於來自任何方向的至少一個微波輻射源波導出口，就是說從熔化物的外部表面，即例如空間的底部和/或側壁和/或熔化物表面的上面，進入空間，例如在前爐的難熔通道內或者在工作端部的池內，到粘度在104到101Pa.s的範圍內的熔化物。至少一個波導能被導向前爐通道底部的外表面，可能是前爐通道金屬外殼的外表面或者前爐通道底部的外表面，或者工作端部的側前爐壁，或者從頂部，通過在表面之上或者在罩或頂板之上放置波導。
這種設計的主要優點是提供的微波能量通過最直接的方式即在環境中以低電容率和在傳輸過程中的元件沒有降低傳輸的效果，導向熔化物。
當冷卻元件，例如冷卻空氣，被引進到波導出口的位置進入有熔化物的空間，耐熔壁的溫度就會降低，於是它的電容率以及熔化物和壁的電容率的比值增加，這提高了在熔化物中的能量和在壁中損失的能量的比值。
如果波導出口的位置被安裝合適的絕緣層，採用對冷卻敏感的陶瓷材料也是可能的。
屏蔽反射金屬元件，例如鉬棒，其反射和集中微波能量回到熔化物的底部，於是增加在熔化物底部的能量的濃度，被安置在對熔化物方便布置的位置。
耐熔前爐的金屬外殼或者工作端部池的金屬外殼起屏蔽的部分作用。


發明將以在示意性附圖中闡明的實施例的形式詳細說明。
圖1，沿前爐通道的垂直截面圖，帶有熔化物和從底部安裝的微波能量源；圖2，沿前爐通道的垂直截面圖，帶有熔化物和從底部和頂部安裝的微波能量源；圖3，沿工作端部的垂直截面圖，帶有熔化物和從底部和池的側面安裝的微波能量源。
具體實施例方式
實施例1(附圖1)前爐的耐熔通道1在垂直於通道1的縱軸的垂直截面處有一個矩形截面。絕緣熔化物，例如玻璃熔化物8，沿通道1流動。通道1被在鋼外殼3內的熱絕緣體2包圍。通道1通過電阻元件4或者沒有畫出的燃燒爐在同一位置在玻璃熔化物8的上方被加熱。通道1在熔化玻璃8表面的上方被頂蓋5覆蓋，頂蓋5被絕緣體6覆蓋。玻璃的表面被浸沒的板19的表面覆蓋。通道1的頂部構造被屏蔽金屬板7覆蓋，與通道1內的金屬外殼6連接。金屬棒9，例如鉬，浸入在熔化的玻璃8中。微波場從微波輻射源10通過波導11被引進到熔化玻璃8中，波導11在通道1的底部並穿過金屬外殼3的開口，以及底部絕緣體2到通道1的底部13的外表面。
熔化玻璃8的粘度在104到101Pa.s的範圍內，並接受頻率為0.1至20GHz的微波輻射。熔化物例如為硼矽酸鹽，其在前爐的通道1內的粘度達到104Pa.s，並接受頻率達到2.45GHz的輻射。
頻率為2.45GHz的微波從波導11進入前爐的通道1。波導11以及位于波導11位置的通道1的非絕緣底部被空氣冷卻。於是，維持前爐通道1的耐熔材料的電容率與熔化玻璃8的電容率的足夠低的比值。這就是為什麼大多數能量進入熔化玻璃8的原因。能量通過底部13進入通道1。重腐蝕性的熔化物12，即危險條帶的來源，在底部聚集。這在加熱過程中有先後順序，於是導致在條帶和熔化玻璃8底部之間的溫度差，於是降低條帶的濃度，條帶然後被對流和擴散較容易地被攪拌進玻璃中。通過在熔化玻璃8中的金屬棒9，其反射微波能量到通道1的底部13也有助於這種過熱。這再次提高了在條帶中吸收的能量和在熔化玻璃8底部吸收的能量的比值，於是應用微波源10的高功率輸出就沒有必要了。屏蔽板7的位置改變共振空間的大小和波腹及波節的位置。類似的電阻熱元件4的位置對微波反射回熔化玻璃8中有一定的影響，於是也對在熔化物中溫度場的形狀和必要的能量輸入有影響。如果水平加熱元件4纏繞地足夠近，例如小於應用的輻射波的四分之一波長，反射幾乎是最好的。
浪費熱量的數量能在微波輻射源上測量，並且通過這種熱量，能調整頂部反射金屬元件的最佳高度尺寸，這種高度是關於熔化表面的水平以及波導出口的距離。關於帶熔化物的空間的外壁以這樣一種方式，在微波輻射源上的浪費熱量的數量會是最小。
為了提高熔化物的均質化，例如熔化玻璃8，模擬前爐通道1的條件做了下面的模型測量。微波，即頻率為0.1到15GHz的電磁輻射穿過對電子偏振具有低電容率和對磁偏振具有低磁導率的物質。絕緣熱量發生在具有高電容率的物質中，會影響在密閉反射空間內的熔化物，於是產生多個電場標準波。於是在空間內產生波腹環(antinode loop)和波節。當採用最經常用的頻率2.45GHz時，波長是12.2釐米。在此過程中，在熔化物中產生非均質化的電場，-由於通過來自屏蔽反射金屬外殼的反射得到的標準波-在2到4釐米的距離產生溫度峰值-由於隨著離吸收物質(熔化物)的開始點的距離變化，被吸收的輸出能的指數降低-由於環境的非均質化，即在各個點的電容率不一致，因為路徑各點的不同溫度以及不一致的化學成分；-由於反射金屬或者陶瓷導體。這些將能量反射回來，於是在它們於壁之間的空間中的吸收是幾倍高。
這樣，知道熔化物的電容率和它與溫度的關係是很重要的。因為在熔化物的高溫時測量電容率是複雜的，因此在熔化物的被測量樣本中採用吸收能的測量方法。這等於被測量樣本的溫度變化的速度。樣本通常滿足恆定的特定加熱的條件。這就是為什麼微波熔爐的鍋中做熔化硼矽酸鹽玻璃的實驗。在重660g的鍋中加熱其中含有4％質量比的Na2O的硼矽酸鹽玻璃到12550C並保持溫度穩步上升，然後熔爐以0.92k.sec-1恆定輸入，通過排出基體玻璃的生產熔爐得到14.7g的玻璃，代表腐蝕性熔化物12-條帶被留在鍋中的玻璃中。這種腐蝕性熔化物12-條帶的熱擴散遠遠高於基體熔化玻璃8。腐蝕性熔化物12的玻璃碎片的最大尺寸是20mm。在調整溫度後，即10分鐘後，保持1.32k.min-1的恆定功率輸入的溫度上升以及熱損失，在25分鐘內始終測量。然後，在15分鐘內，溫度上升到1450℃，即粘度310pa.s，並保持這個數值30分鐘。在冷卻鍋後，在玻璃中看不到條帶，甚至在偏振光中也看不到。
實施例2(圖2)為防止前爐的耐熔通道1不能冷卻，如圖2中所示的波導11的布置是方便的，即一個波導位於金屬外殼3的底部14，一個波導11位於熔化玻璃8的表面之上。下部的波導11穿過金屬外殼3的底部14，可能位於固定件15之下。上部的波導11穿過屏蔽板7、頂部絕緣體6、和頂蓋5。如果前爐的耐熔通道1由電容率非常低的材料製成，如含Al2O3和SiO2，這種設計是合適的。從頂部引入微波能，正如圖2所示，當主要採用氣爐23加熱時，是方便的。
實施例3(圖3)熔化玻璃8經過狹口21從熔爐的熔化區進入熔爐的工作端，然後經出口22排出，用於進一步加工，如進入前爐的耐熔通道1。
波導11位於含有熔化玻璃8的工作端的池16的耐熔壁的外表面。與前面的前爐通道1相比，池16更深更寬。池16在垂直於它的縱軸的交叉截面處有一個矩形截面。大量腐蝕性熔化物12在工作端部的池16的底部17聚集。其不得不與池16中的基體熔化玻璃8均質化。波導11布置在工作端部池16的底部17，並也在池16的側壁18上布置。微波場作用在池16內的腐蝕性熔化物12和絕緣體20上的優點是較高的溫度以及得到的玻璃其電容率較高。如果熔爐工作端的池16的尺寸更大，採用更強的微波場以及更多數量的波導11是方便的。金屬外殼3在這種情況下被用作共振空間的邊界。
這種解決方案意圖主要是針對工作端的池16的寬度更大時，或者如果熔化物的電容率低時，那麼採用頻率低於2.45GHz的微波是合適的，如頻率為0.915GHz或者0.895GHz。
如圖3的設計對於熔化玻璃8的粘度在10到100Pa.S的範圍內是合適的，其是特別低的粘度和更高的溫度，並且操作不但可連續也可不連續。
這種設計也能以這樣的方式實施，採用其高度大於寬度的帶矩形截面的沒有畫出的垂直延伸通道，而不是採用池16。在這種情況下，微波場阻止在諸如熔化玻璃的熔化物上升過程中腐蝕性熔化物12的條帶與通道底部分離。
當然，本發明的許多其修改和不同變化也是可能的，並且顯然的是，發明在除這些實施例描述的方式之外的其它方式中也能應用。
工業應用性解決方案意圖在於在玻璃進料器和熔爐工作端部對已經熔化的材料，主要是熔化玻璃8的化學均質化，及熱均質化。這些熔化物也可以是熱塑性的無機材料的熔化物。
附圖標記說明1耐熔通道2絕緣體3金屬外殼4電阻熱元件5頂蓋6頂部絕緣體7屏蔽金屬板8熔化玻璃9金屬棒10 微波輻射源11 波導12 腐蝕性熔化物13 通道1的底部
14金屬外殼3的底部15緊固件16工作端部的池17池16的底部18池16的側壁19面板20池16的絕緣體21熔爐的狹口22工作端部的出口
權利要求
1.一種在前爐的耐熔通道(1)內，也可能在熔爐的工作端部的池(16)內均質化熔化物、絕緣物，主要是玻璃的方法，其特徵在於，受頻率為0.1到20GHz的微波輻射的影響，微波從任何方向的至少一個波導(11)引入到處於靜態或流態的粘度為104到101Pa.s的範圍的熔化物。
2.如權利要求1所述的均質化的方法，其特徵在於，冷卻熔化物的外部，在此處波導(11)具有一個微波輻射的出口。
3.如權利要求1或2所述的均質化的方法，其特徵在於，通過在熔化物中的反射金屬元件將微波輻射反射回到熔化物中入口的位置。
4.如權利要求1或2或3所述的均質化的方法，其特徵在於，通過屏蔽金屬元件將微波輻射與周圍屏蔽。
5.一種如權利要求1至4至任何一項所述的實施均質化方法的設備，此方法是在前爐的耐熔通道(1)或者熔爐的工作端部的池(16)內均質化已經熔化的材料，意圖在於進一步加工，其特徵在於，在任何一個方向的至少一個微波輻射源(10)的波導(11)的出口，到熔化物的外表面，並進入帶有粘度在104到101Pa.s的範圍內的熔化物的空間。
6.如權利要求5所述的設備，其特徵在於，導引至少一個波導(11)到前爐的通道(1)的底部(13)的外表面，或者到前爐的通道(1)的金屬外殼(3)的底部(14)的外表面。
7.如權利要求5或6所述的設備，其特徵在於，引入至少一個波導(11)到熔爐工作端部的池(16)的底部(17)的外表面，和/或到熔爐的工作端部的池(16)的側壁。
8.如權利要求5或6所述的設備，其特徵在於，在熔化玻璃(8)的表面之上或者在通道(1)的頂蓋(5)之上引入至少一個波導(11)。
9.如權利要求5，6，7，8中至少一個所述的設備，其特徵在於，波導(11)出口的設備帶有絕緣層(2)。
10.如權利要求5，6，7，8，9中至少一個所述的設備，其特徵在於，將反射金屬元件浸沒在帶熔化物的空間中。
11.如權利要求5，6，7，8，9，10至少一個所述的設備，其特徵在於，帶有熔化物的空間中的正方形、矩形、圓形或者橢圓形橫截面與空間的縱軸垂直。
全文摘要
頻率為0.1到20GHz的微波輻射從任何一個方向被施加到粘度在104到101Pa.s的範圍內的熔化物上。被加熱空間的外表面能夠冷卻，在外表面處放置微波輻射的波導(11)的出口。在熔化物中的微波輻射通過反射金屬元件被反射回到熔化物中輻射入口的位置，並且通過屏蔽金屬元件將其與周圍屏蔽。將有一個來自微波反射源的至少一個波導(11)的出口，在任何方向到達熔化物的外表面，進入帶有一定粘度的熔化物的空間。至少一個波導(11)被導引到前爐的通道(1)的底部(13)的外表面，和/或到前爐的通道(1)的金屬外殼(3)的底部(14)的外表面，和/或到熔爐工作端部的池(16)的底部(17)的外表面，和/或到熔爐的工作端部的池(16)的側壁，也可能在熔化玻璃(8)的表面之上或者在通道(1)的頂蓋(5)之上。波導(11)的入口可以安裝有絕緣層(2)。反射金屬元件可以浸沒在熔化物中。帶有熔化物的空間具有與空間的縱軸垂直的正方形、矩形、圓形或者橢圓形橫截面。
文檔編號F27D25/00GK1585728SQ02822688
公開日2005年2月23日 申請日期2002年11月15日 優先權日2001年11月16日
發明者約瑟夫·斯姆爾切克, 米蘭·哈耶克, 彼得·威爾克 申請人:Bh－F(工程)有限公司