專利名稱：連續(xù)熔化和提純無機(jī)化合物尤其是玻璃或玻璃陶瓷的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)熔化和提純無機(jī)化合物，尤其是玻璃或玻璃陶瓷的設(shè)備。但也可考慮用于熔化和提純其他物質(zhì)。
已公知許多設(shè)備，借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(gè)感應(yīng)線圈，它圍繞著坩堝并可通過感應(yīng)線圈將高頻能量耦合到坩堝的內(nèi)容物中。借此可將坩堝內(nèi)容物置于特別高的溫度，此溫度高達(dá)3000℃。
高頻加熱的優(yōu)點(diǎn)在于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(dòng)的空氣冷卻或水冷卻進(jìn)行。在渣殼坩堝中，在壁的區(qū)域內(nèi)形成由特有(arteigenen)材料構(gòu)成的冷的外殼。這種外殼由于較低的溫度所以有很低的電導(dǎo)率。因此它不吸收高頻能量并構(gòu)成一種穩(wěn)定的特有坩堝。由此有可能達(dá)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。
通常在熔化過程后必須連接提純過程。在這里，提純的目的是從熔化的玻璃中除去物理和化學(xué)結(jié)合的氣體。提純過程借助于特殊的提純劑、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(kuò)散到氣泡中。
近來，越來越多地要求連續(xù)地運(yùn)行熔化過程和提純過程。WO 9215531介紹了一種設(shè)備，其中，熔化和提純在同一個(gè)坩堝內(nèi)進(jìn)行。這兩個(gè)過程彼此不能獨(dú)立控制，這有損于玻璃質(zhì)量。
這種設(shè)備只能用于生產(chǎn)質(zhì)量要求較低的玻璃。此外，在此設(shè)備中提純不太有效，因?yàn)樵谌垡旱谋砻鎱^(qū)不斷補(bǔ)充冷的原材料以及此表面始終是坩堝內(nèi)最冷的部分。
US 4780121介紹了一種設(shè)備，其中設(shè)第一容器，混合物在容器中熔化，以及設(shè)第二容器，已熔化的玻璃液在其中實(shí)施提純。在熔化坩堝內(nèi)生成的玻璃熔液從上方輸入提純?nèi)萜鲀?nèi)。在這里，陶瓷的提純?nèi)萜鞅桓袘?yīng)線圈圍繞，高頻能量可借助于感應(yīng)線圈耦合到提純?nèi)萜鲀?nèi)?；谠撎沾芍铺峒冔釄?，限制了在提純?nèi)萜鲀?nèi)高溫的形成。在此設(shè)備內(nèi)提純的結(jié)果是不令人滿意的。在提純后仍有氣體留在玻璃熔液內(nèi)，而且余留的量以不恰當(dāng)?shù)姆绞綋p害到成品的質(zhì)量。
此設(shè)備的另一個(gè)缺點(diǎn)如下為了使設(shè)備能連續(xù)運(yùn)行，通過熔化容器的流量必須正好與通過提純?nèi)萜鞯牧髁恳粯哟?。但是在這兩個(gè)容器內(nèi)過程的進(jìn)行有不同的參數(shù)。例如在提純?nèi)萜鲀?nèi)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。采用此設(shè)備所實(shí)施的方法存在的缺點(diǎn)是，不可能調(diào)整玻璃液流。僅僅通過改變在熔化機(jī)組中的排出口才能影響玻璃液位。與提純溫度無關(guān)地調(diào)整或僅僅控制從高頻區(qū)向攪拌槽的玻璃液流是不可能的。流出速度取決于坩堝高頻區(qū)內(nèi)的溫度。若改變高頻區(qū)內(nèi)的溫度，由于熔體粘度較低而提高了流出量。因此對于溫度的變化可能性采取了嚴(yán)格的限制。在提純區(qū)內(nèi)的較高溫度充其量可結(jié)合流量的增加來調(diào)整。因此通過提高溫度改善提純的優(yōu)點(diǎn)由于更短的停留時(shí)間而喪失。此外，玻璃自由下落到提純的高頻部分內(nèi)時(shí)是有缺點(diǎn)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?dú)獬煞植⒁蚨茈y純化。這一問題在從高頻區(qū)到均勻化區(qū)的過渡區(qū)內(nèi)更加嚴(yán)重。在這里，破裂的氣泡不再能離開熔體，因?yàn)椴辉龠M(jìn)行提純。
本發(fā)明的目的在于提供一種設(shè)備，其中，熔化和提純分別在自己的容器內(nèi)實(shí)施，此外設(shè)備可連續(xù)運(yùn)行，并且在此設(shè)備中尤其能獲得完美的提純效果，也就是說導(dǎo)致在相當(dāng)大程度上的除氣。
本發(fā)明的目的通過權(quán)利要求1所述的特征來達(dá)到。
本發(fā)明人有下列認(rèn)識如上面已闡明的那樣，在按US 4780121的設(shè)備中，提純?nèi)萜髟O(shè)在熔化容器的下游，而且在這里它設(shè)在熔化容器的下方。因此，液態(tài)的熔體自由下落地流入提純?nèi)萜?。流入的熔體比較冷。所以提純?nèi)萜鲀?nèi)容物的表面不斷地由隨后流入的冷的熔體構(gòu)成。這種冷的并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?nèi)萜鞯撞繀^(qū)內(nèi)進(jìn)行除氣，因?yàn)樵谀抢锿ㄟ^感應(yīng)線圈的加熱比表面區(qū)有效得多。因此在底部區(qū)內(nèi)生成氣泡，氣泡向上升。但由于在液位區(qū)內(nèi)冷的層有比較高的粘度，所以氣泡在那里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于提純?nèi)萜髦械娜垠w內(nèi)。
本發(fā)明避免了這些缺點(diǎn)。比較冷的熔體在熔窯的下部區(qū)流出，在提純罐的底部引入提純罐內(nèi)并在那里通過高頻能量加熱。在這里由包含在熔體內(nèi)的氣體形成氣泡，氣泡向上升起。因?yàn)槿垠w的上層比較熱并因而粘度小，所以氣泡可以順利地離開熔體。
通過應(yīng)用本發(fā)明，有可能將沒有陶瓷內(nèi)坩堝的高頻加熱式渣殼坩堝的內(nèi)容物置于數(shù)量級為2400至2600℃的溫度，甚至達(dá)3000℃。這對于提純是極其重要的。在這種情況下將玻璃中物理和化學(xué)結(jié)合的氣體除去。在傳統(tǒng)的玻璃熔化過程中提純過程借助于提純劑，如Na2SO4、As2O3、Sb2O3或NaCl。這些提純劑在提純溫度下分解或蒸發(fā)并形成氣泡，殘留氣體可從熔體擴(kuò)散到氣泡中。提純氣泡必須足夠大，以便在經(jīng)濟(jì)和合理的時(shí)間內(nèi)在玻璃熔液內(nèi)向表面升起并在那里破裂。在所述的通過本發(fā)明達(dá)到的高溫下，上升速度很高。例如，當(dāng)溫度從1600℃提高到2400℃時(shí)，上升速度增加100倍。因此直徑0.1mm的氣泡在溫度為2400℃時(shí)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，對于大多數(shù)氣體降低了物理和化學(xué)的溶解度并因而附加地有助于高溫提純。
按另一種可選擇的方案，為了提高氣泡的上升速度并因而縮短提純時(shí)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(dá)表面以及處于表面的氣泡破裂和不形成泡沫。
不過按本發(fā)明的原理有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)通過使熔體從下方流入提純罐底部區(qū)內(nèi)，使提純罐外表面基本上沒有接頭。因此感應(yīng)線圈可無阻礙和在空間上沒有任何顧忌地設(shè)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。
下面借助附圖
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
由圖可見一熔窯1。它設(shè)計(jì)為用陶瓷材料制的磚砌熔池。一根連接管道2用于將在熔窯1內(nèi)產(chǎn)生的玻璃熔液輸送給一個(gè)提純罐3。為提純罐3配設(shè)有一感應(yīng)線圈5。該感應(yīng)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。它用于冷卻熔體。在這里從例如在2400至3000℃范圍內(nèi)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(gòu)成，并由空氣或水來冷卻，所述冷卻槽也可由高頻加熱的渣殼槽構(gòu)成。在冷卻槽內(nèi)可進(jìn)行再提純和殘留氣泡的再吸收。
在冷卻槽端部有一個(gè)帶攪拌器6.1的攪拌坩堝6，用于熔體的均勻化。熔體經(jīng)一個(gè)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(shè)一玻璃液位測量計(jì)7，借助它可測得槽4內(nèi)玻璃熔液液位的測地學(xué)高度(geodatische Hoehe)。
在熔窯1內(nèi)的熔化既可用電也可用燃燒器或組合這兩種措施進(jìn)行。在熔窯的范圍內(nèi)完成所謂的粗熔。
連接管道2要么由一根電阻加熱的鉑管要么由耐火材料制成。若連接管道2由耐火材料制成，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(jìn)行加熱。
從圖中可以看到，連接管道2連接在熔窯1下部區(qū)內(nèi)。它通過提純罐3的底部3.1進(jìn)入提純罐。在這種情況下在連接點(diǎn)處的熔融玻璃熔液的密封性通過環(huán)形設(shè)置的水冷卻裝置或空氣冷卻裝置達(dá)到。這種通常用鉑制成的密封裝置同時(shí)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(qū)發(fā)出高頻散射，以及避免在那里干擾對其他電氣部件的調(diào)節(jié)和控制。在需要時(shí)，玻璃密封裝置和電的接地裝置也可以彼此分開構(gòu)成。
提純罐3本身是模塊化的并因而能非常靈活地建造。它由多個(gè)具有彎曲延伸的水冷式銅管或不銹鋼管的分段組成。這些分段在底部區(qū)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(dāng)特有材料的絕緣外殼很薄時(shí)便可能發(fā)生這種情況。在提純罐3的上部區(qū)內(nèi)也可設(shè)想是短路的。但此時(shí)高頻場移入提純罐的下部區(qū)內(nèi)是有缺點(diǎn)的，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致冷卻熔體表面。
在提純溫度達(dá)到1650℃時(shí)，提純罐也可以用陶瓷材料制造。但在陶瓷材料內(nèi)不允許耦合高頻，因?yàn)橐蝗还迺?huì)被高頻熔化。陶瓷罐的缺點(diǎn)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(dǎo)致產(chǎn)生飛弧。對于超過1650℃的提純溫度，渣殼坩堝通常是有利的，因?yàn)樵谶@里渣殼壁可通過水冷或風(fēng)冷金屬管被強(qiáng)烈地冷卻。采用渣殼坩堝幾乎可以達(dá)到任意高的提純溫度，因?yàn)樽罡咛峒儨囟炔灰蜊釄甯g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(jié)果正好有足夠的停留時(shí)間。由能量方面的觀點(diǎn)看應(yīng)避免有任何過大的尺寸。因?yàn)榉駝t必須通過附加的高頻功率來補(bǔ)償導(dǎo)致更大壁面損失的冷卻。例如對于鋁硅酸鹽玻璃業(yè)已證明，為了提純，當(dāng)提純溫度例如為2200℃時(shí)停留時(shí)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。于是它具有如這里已說明的、具有用于將高頻能量耦合到罐內(nèi)容物中的感應(yīng)線圈的提純罐同樣的結(jié)構(gòu)。
通過按連通管的原理來構(gòu)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(guī)的熔體區(qū)內(nèi)(在攪拌器前不遠(yuǎn)處)進(jìn)行。因?yàn)樗械牟考ハ噙B接，所以在整個(gè)熔化機(jī)組內(nèi)玻璃的液位都是已知的。在槽端的測量參數(shù)可以應(yīng)用于控制從熔窯經(jīng)高頻提純罐直至冷卻槽的整個(gè)玻璃液位。
玻璃液位的這種簡單的控制是可能的，因?yàn)樵谶@里成功做到了將高頻提純部分作為相連的構(gòu)件組合在槽的系統(tǒng)中。流量可以完全獨(dú)立于在提純機(jī)組內(nèi)的高頻提純溫度和粘度來調(diào)整。
在冷卻槽的末端為了熔體的均勻化設(shè)有一攪拌坩堝6。玻璃經(jīng)給料器7由坩堝中取出并被供給成形過程。
為防止由高頻裝置產(chǎn)生的電磁場輻射，熔窯1和/或提純罐3可布置在一個(gè)導(dǎo)電的籠子內(nèi)部。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)熔化和提純無機(jī)化合物、尤其是玻璃或玻璃陶瓷的設(shè)備，它具有1.1一個(gè)熔窯(1)；1.2一個(gè)提純罐(3)；1.3為提純罐(3)配設(shè)一感應(yīng)線圈(5)，它用于將高頻能量耦合到罐的內(nèi)容物中并且它圍繞著提純罐(3)的壁；1.4一連接管道(2)，它用于將熔體從熔窯(1)傳送到提純罐內(nèi)；1.5連接管道(2)在熔窯(1)的底部從熔窯引出并在提純罐的底部進(jìn)入提純罐。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為連接管道(2)從熔窯(1)的底部(1.1)側(cè)向引出并通過提純罐(3)的底部(3.1)進(jìn)入提純罐。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征為在提純罐(3)下游連接一冷卻槽(4)。
4.按照權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征為在冷卻槽(4)下游連接一攪拌坩堝(6)。
5.按照權(quán)利要求1至4之一所述的設(shè)備，其特征為整個(gè)熔化機(jī)組(1)按模塊化結(jié)構(gòu)方式建造。
6.按照權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備，其特征為熔窯(1)和/或提純罐(3)布置在一個(gè)導(dǎo)電的屏蔽網(wǎng)內(nèi)部。
7.按照權(quán)利要求1至6之一所述設(shè)備的運(yùn)行方法，其特征為熔體連續(xù)地從熔窯(1)下方供往提純罐(3)，并在上部區(qū)經(jīng)冷卻槽(4)流入一個(gè)澄清部分(6)。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征為在熔窯(1)、提純窯(3)、冷卻槽(4)以及在澄清部分(6)內(nèi)的熔體液位通過相互用管路連通而處于同一個(gè)水平位置上。
9.按照權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征為熔窯(1)用陶瓷的磚石材料、用鉑或用鉑合金建造。
10.按照權(quán)利要求7至9之一所述的方法，其特征為熔窯(1)由一個(gè)所謂的渣殼坩堝構(gòu)成；以及，玻璃熔液在熔窯(1)內(nèi)借助高頻被加熱。
11.按照權(quán)利要求7至10之一所述的方法，其特征為熔窯(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(gòu)成。
12.按照權(quán)利要求7至11之一所述的方法，其特征為提純罐(3)由陶瓷坩堝構(gòu)成；并且，在提純罐(3)內(nèi)的熔體借助高頻被加熱。
13.按照權(quán)利要求7至12之一所述的方法，其特征為在提純罐(3)內(nèi)的熔體被加熱到從1300℃到1700℃(優(yōu)選地從1400℃到1650℃)的溫度。
14.按照權(quán)利要求7至13之一所述的方法，其特征為提純罐(3)由渣殼坩堝構(gòu)成；并且，提純罐(3)內(nèi)的熔體借助高頻被加熱。
15.按照權(quán)利要求7至14之一所述的方法，其特征為渣殼坩堝在底部區(qū)內(nèi)電短路。
16.按照權(quán)利要求7至15之一所述的方法，其特征為在提純罐內(nèi)的熔體被加熱到從1400℃到3000℃、優(yōu)選地從1650℃到2500℃的溫度。
17.按照權(quán)利要求7至16之一所述的方法，其特征為在冷卻槽(4)內(nèi)的熔體在澄清部分(6)由鉑制成的情況下從在提純罐(3)內(nèi)的提純溫度冷卻到1500℃至1550℃，或者在澄清部分(6)由陶瓷材料制成的情況下被冷卻到1500℃至1650℃。
18.按照權(quán)利要求7至17之一所述的方法，其特征為要提純的玻璃電導(dǎo)率在1600℃時(shí)大于0.01Ω-1×10cm-1。
19.按照權(quán)利要求7至18之一所述的方法，其特征為要提純的玻璃不用有毒性的提純劑，如AS2O3或SbO3。
20.按照權(quán)利要求7至19之一所述的方法，其特征為要提純的玻璃不同附加的提純劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連續(xù)熔化和提純無機(jī)化合物、尤其是玻璃碎片或混合物的設(shè)備,它具有一熔窯(1)和一個(gè)提純罐(3);為提純罐(3)配設(shè)一個(gè)感應(yīng)線圈(5),用于將高頻能量耦合到罐的內(nèi)容物中,以及感應(yīng)線圈圍繞著提純罐的壁;所述設(shè)備還具有一根連接管道(2),用于將熔體從熔窯(1)傳送到提純罐(3)內(nèi)。按本發(fā)明,連接管道(2)在熔窯(1)底部區(qū)(1.1)從熔窯引出,并在提純罐(3)的底部區(qū)(3.1)進(jìn)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(yōu)先權(quán)日1999年8月21日
發(fā)明者沃爾夫?qū)な┟椎迈U爾, 希爾德加德·羅默, 吉多·雷克, 沃納·基弗, 邁克爾·科爾, 弗蘭克－托馬斯·倫蒂斯 申請人:艙壁玻璃公司