專利名稱：用于纖維玻璃的環(huán)焰爐的制作方法
用于纖維玻璃的環(huán)焰爐 本發(fā)明涉及用于熔化玻璃組分尤其是待轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維的玻璃組分的設(shè)備。玻璃纖維主要有兩種類型的應(yīng)用強(qiáng)化復(fù)合材料和熱絕緣。用于強(qiáng)化復(fù)合材料(具有熱固性或熱塑性的有機(jī)基底或無機(jī)基底， 例如水泥或混凝土類型的)的玻璃纖維在側(cè)焰爐類型的傳統(tǒng)爐中通常相對(duì) 容易熔化。而對(duì)于某些用于絕緣的富含氧化鋁的組分則不是這樣。一些高性能的纖維(尤其是那些具有較高機(jī)械強(qiáng)度和較高耐腐蝕性 能的纖維)必須含有大量的中間化學(xué)成分(這是本領(lǐng)域技術(shù)人員用來命名 那些在網(wǎng)絡(luò)形成物和網(wǎng)絡(luò)改性物之間起中間作用的成分的術(shù)語)，例如氧 化鋁(A1203 )或氧化鋯(Zr02)。這些成分也賦予改善的耐火性能。這些 成分的添加導(dǎo)致產(chǎn)生了比傳統(tǒng)玻璃例如鈉鉤硅玻璃更難熔化的組分。并不 是總能使用著名的堿金屬氧化物類型的有效助熔劑，因?yàn)樗鼈儗?duì)在某些應(yīng) 用中所必需的電阻和耐腐蝕性能有不利影響。氧化硼(B203 )經(jīng)常被用作 用于可纖維化的玻璃組分的替代助熔劑，已經(jīng)有人提出在側(cè)焰爐中熔化具 有高的氧化鋁含量的組分時(shí)使用氧化硼。為了更有效地熔化不含硼的可玻璃化的組分，已經(jīng)有人提出在側(cè)焰 爐中添加頂式燃燒器以及向所有的燃燒器供應(yīng)氧氣使得能夠達(dá)到所需的 溫度。使用氧氣作為助燃劑還允許達(dá)到很高的燃燒效率。但是，氧氣是一 種昂貴的助燃劑。經(jīng)常使用環(huán)焰爐來熔化鈉鈣硅類型的傳統(tǒng)玻璃，更具體地用于熔化 空心玻璃。與平板玻璃相比，空心玻璃的應(yīng)用不太需要高質(zhì)量的玻璃，尤 其是在細(xì)小氣泡的含有率方面。環(huán)焰爐很適合用于空心玻璃的應(yīng)用中，盡 管其靈活性相對(duì)較低。實(shí)際上，環(huán)焰爐具有主要始于該爐上游面并且在經(jīng) 歷了一個(gè)環(huán)形之后又返回到該爐上游面的火焰，且不太可能調(diào)整它的運(yùn) 行。但是，環(huán)焰爐的設(shè)計(jì)簡單，使用很少的燃燒器卻獲得極高的燃燒效率。 相反，側(cè)焰爐需要多得多的燃燒器，它們的調(diào)節(jié)是棘手的。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)環(huán)焰爐的使用不是必然獲得可纖維化的玻璃。實(shí)際上， 在某些情況下，寄生相的形成使得最終的玻璃完全不能纖維化。已證實(shí)硼 的存在可能是這個(gè)問題的根源?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)環(huán)焰爐非常適合于熔化含有氧化鋁和/或氧化鋯的無 硼可纖維化組分。實(shí)際上，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)環(huán)焰爐向含有氧化鋁和/或氧化 鋯的無硼可纖維化組分的熔化提供了理想的溫度分布，而這是采用少量燃 燒器實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，少量的燃燒器大大便利了爐子的調(diào)節(jié)?？色@得非常高的燃燒效率，高于70%，甚至達(dá)到80%，同時(shí)可以使用空氣作為助燃劑。 環(huán)焰爐從裝料區(qū)起就提供所需的高溫。因此，本發(fā)明允許不使用昂貴的助 熔劑一一氧化硼。此外，還觀察到，硼的缺失所反映出的結(jié)果是更少的泡 沫形成在玻璃的表面上，這相應(yīng)地提高了火焰和熔融浴之間的熱交換。燃燒器指的是并列地包括燃料噴射器和助燃劑導(dǎo)入管的組件，其中 助燃劑有助于火焰的形成。文件EP805123提出使用具有分級(jí)燃燒的氧燃燒爐(使用純氧作為助 燃劑)來熔化可玻璃化的物質(zhì)，尤其是在環(huán)焰爐中(參見其圖3)。提供 了所有可能的玻璃應(yīng)用，其中特別包括纖維化。這里的主要目的是減少構(gòu) 成爐壁的耐火材料的磨損。然而，純氧是一種昂貴的助燃劑，本領(lǐng)域技術(shù) 人員力圖使用空氣。但是，使用空氣進(jìn)行EP805123所提出的分級(jí)燃燒是不 可想象的，因?yàn)橐氲礁鱾?cè)上的空氣的流量將需要建造非常多和非常昂 貴的管道。另外，就獲得高的燃燒率而言，分級(jí)燃燒也是不合適的。實(shí)際上， 溫度越高，熱的傳遞就越有效。通過分級(jí)燃燒，獲得的是相對(duì)低的溫度， 熱的傳遞也相應(yīng)地降低了，這導(dǎo)致在最終的玻璃里有未熔物(由可玻璃化 的原料的不充分熔化所造成的缺陷)?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果大部分礦物能量由環(huán)焰爐的上游面提供，那么 最終的玻璃就不會(huì)有這些不期望的缺陷。本發(fā)明尤其允許以非常高的燃燒 效率熔化有高含量Ah03和/或Zr02的玻璃，燃燒效率通常高于70%且通常 是從70%到80%。術(shù)語"上游"和"下游"應(yīng)解釋成相對(duì)于熔融物質(zhì)的流動(dòng)方向而言。 一個(gè)爐子通常包括四個(gè)側(cè)壁，上游面是位于最上游的那個(gè)面，相反，下游 面位于熔融物質(zhì)的出口區(qū)域。因此，本發(fā)明首先涉及一種制備玻璃的方法，該玻璃包含少于2%重 量比的氧化硼(B203基)且含有的氧化鋁或氧化鋯(以及需要時(shí)含有氧化 鋁和氧化鋯)的量使得氧化鋁和氧化鋯的質(zhì)量之和占至少8%重量比，可玻 璃化的物質(zhì)的熔化在裝有再生器的環(huán)焰爐中實(shí)現(xiàn)，至少80%的礦石能量由環(huán)形火焰引入，在所述爐子的上游面處引入火焰的助燃劑和燃料，助燃劑為空氣或者富含氧的空氣，所述助燃劑含有至多30%體積比的氧氣。優(yōu)選 地，100%的礦石能量由環(huán)形火焰引入，在所述爐子的上游面處引入火焰的 助燃劑和燃料。可經(jīng)由上游面或在爐子側(cè)壁的上游區(qū)域干引入或濕引入可玻璃化的 物質(zhì)。如果擔(dān)心有飛濺的風(fēng)險(xiǎn)，則進(jìn)行濕引入。優(yōu)選地，通過所述側(cè)壁中 的洞口在爐子側(cè)壁的上游區(qū)域?qū)⒖刹ＡЩ奈镔|(zhì)裝入，以便限制粉末狀的 可玻璃化的物質(zhì)的飛濺。這些洞口通常位于側(cè)壁的上游第一個(gè)三分之一 處。因此，可玻璃化的物質(zhì)通常在側(cè)面洞口處以粉末的形式被引入。如果 它們被干引入，那么優(yōu)選地，借助螺旋裝料機(jī)來完成。本發(fā)明還涉及一種用于制造礦物纖維的設(shè)備，其包括用于熔化可玻 璃化的物質(zhì)的環(huán)焰爐，續(xù)接纖維化單元(通常用于纖維化玻璃)。環(huán)焰爐 在上游面上裝有至少一個(gè)燃燒器以產(chǎn)生環(huán)形火焰，所述火焰產(chǎn)生至少80% 的用于加熱所述爐子的礦石能量?？梢栽跔t子和纖維化單元之間放置精煉 室，但這通常是不需要的。實(shí)際上，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)纖維化應(yīng)用對(duì)于玻璃中 氣泡的存在非常包容。通過根據(jù)本發(fā)明的方法，所獲得的玻璃每升包含ioo 至6000個(gè)氣泡(直徑小于50微米)，而這很適合纖維化應(yīng)用。因此，簡單 的流動(dòng)管道將環(huán)焰爐與纖維化單元相連接。在本申請(qǐng)中不再詳細(xì)描述纖維 化單元，這種類型的單元對(duì)應(yīng)于文獻(xiàn)中所描述的單元，是本領(lǐng)域技術(shù)人員 所熟知的。更具體地，這里的目標(biāo)纖維是采用例如拉絲纖維化方法或在纖 維化離心器中進(jìn)行內(nèi)部離心的纖維化方法(在WO0161088或EP0189534中參 見對(duì)這些方法的綜述)經(jīng)由孔所形成的纖維。因此，本發(fā)明還涉及一種制 備玻璃纖維的方法，包括在環(huán)焰爐中制備玻璃的方法，續(xù)接將玻璃轉(zhuǎn)變成 纖維的方法。用來使環(huán)焰爐運(yùn)行的助燃劑是空氣或者富含純氧的空氣，純氧提供 助燃劑流中全部氧的至多40%，這等價(jià)于含有至多30%體積比氧氣的助燃 劑。這種助燃劑具有至少1250。C的溫度，優(yōu)選地至少1350。C。得益于再生 器的使用才達(dá)到這個(gè)溫度。實(shí)際上，助燃劑在被引入到爐子中之前已被再 生器加熱過。再生器為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。它們被放置在爐子的上游面的后 面。它們由耐火磚(這包括耐火陶瓷磚)構(gòu)成，耐火磚放置在兩個(gè)分開的 依次運(yùn)行的隔室中?；鹧孀陨嫌蚊娴陌脒吿幇l(fā)出，然后掃過爐子中的大氣勾畫出一個(gè)環(huán)形以便朝向上游面的另外半邊返回。經(jīng)由上游面的這個(gè)另外 半邊中的孔回收煙，煙的熱量加熱放置在其中一個(gè)再生器中的耐火磚，其 中再生器放置在上游面的后面。當(dāng)耐火磚足夠熱時(shí)，顛倒?fàn)t子的運(yùn)行，即， 使火焰從爐子的另外半邊發(fā)出并由放置在爐子的另外半邊的后面的另一 個(gè)再生器回收煙。熱的再生器用于加熱作為火焰助燃劑的空氣或富含氧的 空氣。燃料(例如，液體燃油或甲烷、丙烷或丁烷類型的可燃?xì)怏w)與助 燃劑被分開地引入，但是燃料的引入點(diǎn)靠近助燃劑的引入點(diǎn)。無論在哪種 情況下，燃料和助燃劑經(jīng)由相同的上游面半邊被引入。這樣，使?fàn)t子以一
個(gè)方向運(yùn)行直到在回收煙的再生器中獲得了至少1250。C的溫度，然后顛倒 爐子的運(yùn)行。再生器中所容許的溫度當(dāng)然取決于對(duì)所使用材料的選擇。某 些陶瓷的使用允許達(dá)到甚至高于1450。C的溫度，以及甚至在1500。C的數(shù)量 級(jí)。還觀察到再生器中源自煙的沉積物消失了。所使用的組分中含有低比 例的氧化硼似乎是這種消失的原因。
除了經(jīng)由上游面所提供的主要礦石能量之外，爐子通常還裝有補(bǔ)充 電加熱器，其通常占到爐子中所使用的總能量的0至50%。因此，總能量的 通常0至50%，更通常是5至30%，源自電(非礦石能量)。通常，在不超過 爐頂所能承受的溫度的前提下，力圖盡可能多地使用礦石能量。因此，根 據(jù)爐頂?shù)哪突鹉芰?，以最高水平利用礦石能量，并通過通常浸沒在熔融浴 中的電極供電來補(bǔ)充所需的能量。供電也允許增加爐子的產(chǎn)出量。
爐子可裝有提壩(耐火的)，其浸漬在熔融玻璃中并設(shè)置在下游那 半中甚至在爐子下游最后一個(gè)三分之一中。這個(gè)堤壩的作用是促進(jìn)熔融玻 璃浴內(nèi)部的對(duì)流帶。這些運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了擾動(dòng)，增加了停留時(shí)間，這所反映出 來的結(jié)果是未熔物的比例下降。平均而言，在通過下游處的流動(dòng)出口孔離 開爐子之前，玻璃可轉(zhuǎn)例如數(shù)十圈。也可以設(shè)置一橫排起泡器，放置在堤 壩的上游，通常就在堤壩的前面，以促進(jìn)對(duì)流。這些起泡器還有一個(gè)作用
是驅(qū)散泡沫以改善火焰給玻璃的熱傳遞。
本發(fā)明所涉及的玻璃包括通常至少35%重量比和通常至多70%重量比 的氧化硅。這種玻璃包含通常少于2%重量比甚至少于1%重量比的氧化硼 (B203 )。特別的，不含或少含硼的E玻璃非常合適。然而，氧化硼(B203 基)卻可能存在于最終的玻璃中，含量為至少lppm重量比。玻璃甚至還可 能包含低比例的堿金屬氧化物，尤其是少于1%重量比，或者甚至不含有。 但是，優(yōu)選地，玻璃包含足夠多的堿金屬氧化物類型(R20，其中I^Na、 Li或K)和堿土金屬氧化物(例如MgO、 Ca0、 Ba0、 Sr0)類型的助熔劑(堿 金屬氧化物的質(zhì)量和堿土金屬氧化物的質(zhì)量之和)，以使它的液相線溫度 低于1250。C,優(yōu)選地甚至低于1200。C。這樣，在根據(jù)本發(fā)明所使用的玻璃 中，堿金屬氧化物的質(zhì)量和堿土金屬氧化物的質(zhì)量之和通常高于20%重量 比而低于40%重量比。
玻璃包含氧化鋁(A1203)或氧化鋯(ZrOj (意思是玻璃可含有氧化 鋁和氧化鋯)使得Al203與Zr02的重量百分比之和為至少8M重量比，通常至 少10%重量比，甚至至少12%重量比，但通常低于25%重量比。特別地，玻 璃可以不包含氧化鋯，在這種情況下，玻璃則包含至少10%重量比的氧化 鋁且通常低于25%重量比的氧化鋁。更具體地，本發(fā)明適合于進(jìn)行共晶型 熔化或主要進(jìn)行共晶型熔化的組分，這意味著至少95%重量比的可玻璃化 的物質(zhì)進(jìn)行共晶型熔化。
圖l示出了俯視看到的可用于本發(fā)明的環(huán)焰爐。該爐包括上游面l、 兩個(gè)側(cè)面2和2，以及下游面3。該爐裝有兩個(gè)相同的再生器4和4，，它們并列 地放置在上游面的后面。每個(gè)再生器放置在半個(gè)上游面的后面。洞口6和6， 設(shè)置在側(cè)壁2和2，中，用于引入可玻璃化的物質(zhì)。這些洞口設(shè)置在側(cè)壁的上 游第一個(gè)三分之一處。浸漬在熔融浴中的堤壩5設(shè)置在爐子的下游那半中。 在圖l的情形中，火焰起自上游面的半邊la處?；鹧嬖跔t子的大氣中勾畫 出一個(gè)環(huán)形以便回轉(zhuǎn)向上游面的另外半邊lb處。當(dāng)再生器4，中的耐火磚足 夠熱時(shí)，爐子的運(yùn)行顛倒成圖2所示。在這種情況下，火焰起自上游面的 半邊lb處，煙的熱量回收在另一個(gè)再生器4中。火焰的助燃劑是穿過再生 器4，時(shí)被加熱的空氣。最終的玻璃穿過設(shè)置在爐子的下游面3上的孔7流出。
該玻璃隨后供應(yīng)給纖維化單元。
圖3示出了通過側(cè)壁從側(cè)面看到的爐子?？勺R(shí)別出堤壩5和起泡器8 ， 后者產(chǎn)生氣泡以驅(qū)散玻璃表面上的泡沫并促進(jìn)火焰和熔融浴ll之間的熱 交換。在熔融浴11中產(chǎn)生了對(duì)流帶10。
圖4示出了通過下游壁3從側(cè)面看到的爐子。在熔融浴ll的上方、在 爐頂12的下方，可識(shí)別出兩個(gè)生成環(huán)形火焰的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)依次運(yùn)行。 每個(gè)生成火焰的系統(tǒng)各包括一個(gè)進(jìn)氣口13和13，以及燃料噴射器14和14，。
圖5將根據(jù)本發(fā)明的環(huán)焰爐情形下的溫度曲線與傳統(tǒng)側(cè)焰爐情形下 的溫度曲線(溫度在玻璃流動(dòng)方向上的變化)進(jìn)行了比較，其中兩種爐子 的表面積和加熱功率相同?？梢钥吹剑h(huán)焰爐在較為上游處獲得了更高的的玻璃的熔化非常有利。側(cè)焰爐的溫度不會(huì) 上升得這么快，在本發(fā)明所針對(duì)的可玻璃化的物質(zhì)的情形下，如果產(chǎn)出量 變得很高，那么這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生未熔物。圖6示出了俯視看到的現(xiàn)有技術(shù)中 的傳統(tǒng)側(cè)焰爐。對(duì)這種爐子來說，可玻璃化的物質(zhì)也是通過側(cè)壁中位于上 游的洞口15和15，而引入的。眾多的側(cè)裝燃燒器16裝在側(cè)壁上。煙的熱量 被回收器17所回收。經(jīng)由出口18回收玻璃?；仡櫼幌?，回收器是以換熱器 模式運(yùn)行的，即經(jīng)過一個(gè)管道的煙加熱了經(jīng)過另 一個(gè)管道并供應(yīng)給側(cè)裝燃 燒器的空氣。在再生器(用在本發(fā)明中)的情形下，只有一個(gè)管道，燃燒 氣體加熱包含在再生器中的耐火成分，然后進(jìn)行一次顛倒，新鮮空氣隨后 流經(jīng)再生器以被加熱并為燃燒器供應(yīng)空氣流。這種運(yùn)行意味著再生器通常 是成對(duì)運(yùn)行的?？赡軙?huì)想到制造裝有再生器的側(cè)焰爐，以提高燃燒效率并 接近環(huán)焰爐的燃燒效率。但是，每個(gè)燃燒器將必須具有各自的空氣滲透窗， 而這極其昂貴。為了達(dá)到在環(huán)焰爐情形中所觀察到的上游溫度，還必須將 側(cè)裝燃燒器設(shè)置在裝料洞口的上游。假設(shè)即使達(dá)到了環(huán)焰爐的熱學(xué)性能 (溫度分布和燃燒效率)，但還是需要與燃燒器的數(shù)目相同的滲透窗，考 慮到所需的燃燒器的數(shù)目，這會(huì)造成相當(dāng)可觀的成本。因此，對(duì)于所針對(duì) 的組分，任何側(cè)焰爐都不能以相等的成本達(dá)到環(huán)焰爐的性能。這個(gè)結(jié)果對(duì) 于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言不是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種制備玻璃的方法，該玻璃包含少于2％重量比的氧化硼且含有的氧化鋁或氧化鋯的量使得氧化鋁和氧化鋯的質(zhì)量之和占至少8％重量比，該方法的特征在于，可玻璃化的物質(zhì)的熔化在裝有再生器的環(huán)焰爐中實(shí)現(xiàn)，至少80％的礦石能量由環(huán)形火焰引入，火焰的助燃劑和燃料在所述爐子的上游面處引入，助燃劑為空氣或者富含氧的空氣，所述助燃劑含有至多30％體積比的氧氣。
2. 前述權(quán)利要求的方法，其特征在于，玻璃包含足夠多的堿金屬氧 化物或堿土金屬氧化物類型的助熔劑，以使玻璃的液相線溫度低于 1250。C。
3. 前述權(quán)利要求的方法，其特征在于，玻璃包含足夠多的堿金屬氧 化物或堿土金屬氧化物類型的助熔劑，以使玻璃的液相線溫度低于 1200。C。
4. 前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，堿金屬氧化物的質(zhì)量和 堿土金屬氧化物的質(zhì)量之和高于20%重量比。
5.前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，堿金屬氧化物的質(zhì)量和 堿土金屬氧化物的質(zhì)量之和低于40%重量比。
6. 前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，100%的礦石能量由環(huán)形 火焰引入，火焰的助燃劑和燃料在所述爐子的上游面處引入。
7. 前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，助燃劑為空氣。
8. 前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，總能量的0至50%源自電。
9. 前述權(quán)利要求的方法，其特征在于，總能量的5至30%源自電。
10. 前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，玻璃包含少于1%的氧 化硼。
11. 前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，玻璃包含的氧化鋁或 氧化鋯的量使得氧化鋁和氧化鋯的質(zhì)量之和為至少10%重量比。
12. 前述權(quán)利要求的方法，其特征在于，玻璃包含的氧化鋁或氧化 鋯的量使得氧化鋁和氧化鋯的質(zhì)量之和為至少12%重量比。
13. —種制備玻璃纖維的方法，包括根據(jù)前述權(quán)利要求之一的制備 玻璃的方法，續(xù)接將所述玻璃轉(zhuǎn)變成纖維的方法。
14. 前述權(quán)利要求的方法，其特征在于，為了將所述玻璃轉(zhuǎn)變成纖 維，纖維穿過孔。
15. 前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，助燃劑以至少1250。C 的溫度被引入到爐子中。
16. 前述權(quán)利要求的方法，其特征在于，助燃劑在被引入到爐子中 之前被再生器加熱過。
17. —種用于制造礦物纖維的設(shè)備，包括用于熔化可玻璃化的物質(zhì) 的環(huán)焰爐，續(xù)接纖維化單元，其特征在于，爐子裝有再生器和用于在 爐子上游面處引入空氣或富含氧的空氣的裝置，其特征還在于，纖維 化單元通過孔形成纖維。
18. 前述權(quán)利要求的設(shè)備，其特征在于，爐子設(shè)置有位于側(cè)壁上游 第一個(gè)三分之一處的洞口，用于裝入可玻璃化的物質(zhì)。
19. 前述設(shè)備權(quán)利要求之一的設(shè)備，其特征在于，爐子中裝有放置在爐子的下游那半中的浸漬堤壩。
20. 前述權(quán)利要求的設(shè)備，其特征在于，至少一橫排起泡器放置在 堤壩的上游。
21. 前述設(shè)備權(quán)利要求之一的設(shè)備，其特征在于，爐子中設(shè)置有浸 沒在熔融浴中的電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備含有少量硼、含有氧化鋁或氧化硼的玻璃的設(shè)備和方法，可玻璃化的物質(zhì)的熔化在裝有再生器(4、4i)的環(huán)焰爐中實(shí)現(xiàn)，大部分的礦石能量由環(huán)形火焰引入，火焰的助燃劑和燃料在所述爐子的上游面(1)處引入，助燃劑為空氣或者富含氧的空氣。熔化室可續(xù)接玻璃纖維化單元。本發(fā)明允許以極高的燃燒效率和高的生產(chǎn)率產(chǎn)生纖維。
文檔編號(hào)C03B5/235GK101626985SQ200780046967
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者D·雅克 申請(qǐng)人:圣戈班研究公司