CN100360441C - 熔炼或提纯玻璃或玻璃陶瓷的渣壳式坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于熔体或提纯玻璃或玻璃陶瓷的渣壳式坩埚(1)，它包括坩埚壁、坩埚底和感应线圈(3)，感应线圈围绕坩埚壁并可将高频能量耦合到坩埚内容物中。坩埚壁由一圈金属管(1.1)构成，金属管可连接冷却介质，在彼此相邻的金属管之间有缝状间隔。坩埚底上设有熔体出口。为了提高渣壳坩埚的效率以及尤其为了沿熔池深度均衡熔体的温度剖面，坩埚壁(1)的金属管(1.1)在坩埚底的上方互相短路。

Description

熔炼或提纯玻璃或玻璃陶瓷的渣壳式坩埚

本发明涉及一种用于熔炼或提纯玻璃或玻璃陶瓷的所谓渣壳式坩埚。

这种坩埚包括一坩埚壁。通常坩埚壁是圆柱形的。它由一圈垂直的金属管构成。在彼此相邻的管之间留有缝隙。坩埚底也由金属管构成。但它也可以用耐火材料制造。

加热借助一个围绕着坩埚壁的感应线圈进行，并可通过该感应线圈将高频能量耦合到坩埚内容物中。

例如由EP 0528025 B1已知这种渣壳式坩埚。

坩埚的工作方式如下：往坩埚中装入玻璃料或器皿碎片或由它们组成的混合物。玻璃或熔体首先必须被预热，以便达到某个最低电导率。预热往往通过燃烧器加热装置实现。若达到耦合温度，则进一步的供能可通过高频能量射线进行。即使在运行期间，除借助高频能量加热外，还可通过燃烧器加热熔体，它们从上方作用在熔体上。熔体表面附加的加热也可通过电加热元件进行。

在运行期间，在被冷却的由金属管组成的坩埚壁上构成一个凝固的熔体形成的边缘层。它保护坩埚壁免受腐蚀熔体或热熔体的腐蚀。这种冷的边缘层取决于玻璃熔体是玻璃状的还是结晶的。

底层也是冷的，因为底部同样被冷却，完全如周壁那样。在那里同样构成一玻璃状或结晶的冷的底层。它对于熔体通过底部出口浇注是不利的。因此，为了使熔体能通过底部出口排出，此凝固的底层必须被戳穿或借助附加的加热装置来加热熔化。在这种情况下结晶层对于流过的熔体起晶种的作用，这是不希望的。

高频能量只能被利用来加热渣壳坩埚内腔。而不能被利用来有目的地加热被冷却的底部区。因为，若想用感应加热装置来加热邻近底部的那些层，则底部冷却装置将重新从这些层把热量带走。与熔体不冷却的热的中央区相比，这会导致能量输入的恶化。

也可以设想总体上提高高频功率，使底部区的温度超过上部脱玻温度(Entglasungstemperatur)。尽管这样一来解决了浇注的问题，但是在渣壳坩埚中部区内的熔体过热。其结果是因各种玻璃成分选择性蒸发而可能导致合成延缓，从而引起折射值波动和影纹。

由此可以肯定，在迄今已知的那些熔炼坩埚中，底部区内较低的温度是不利的。

但是，若提纯坩埚内熔体的表面区较冷也同样可能是有害的。因为，熔体冷的表层会阻碍气泡上升和破裂。

不仅在提纯时而且在熔炼时都希望熔体在表面区有高的温度。因为这有利于提高熔化的速度。

本发明的目的是采取一些措施将渣壳式坩埚设计为，当能量供应给定时在运行期间使处于不同地理高度位置的不同区域内的熔体温度可以得到控制。因此例如应有可能允许特别强烈地提高在下部或在中部或在上部的坩埚区内熔体的温度。另外，也同样可通过调节熔体温度使之在整个坩埚高度上有较强的均匀性。

本发明的目的通过一种熔炼或提纯玻璃或玻璃陶瓷的渣壳式坩埚实现，它包括一个坩埚壁；一个坩埚底；一个感应线圈，它围绕坩埚壁并可将高频能量耦合到坩埚内容物中；所述坩埚壁由一圈可接通冷却介质的金属管构成，在彼此相邻的金属管)之间有缝状间隔；所述坩埚底具有熔体出口；所述金属管互相通过至少一个短路短路，该短路设置在渣壳坩埚底部与冷却指上端之间。

本发明人有下列认识：

高频辐射在较低的程度上也被金属冷却指(Kuehlfinger)吸收。由此在彼此电绝缘的冷却指之间感应出电压。在这种情况下导致各冷却指之间形成电弧。

尤其在壁区内的由固有种类(arteigenem)材料组成的冷凝固层在高的熔体温度下很薄时，会出现上述情况。

因此全部感应电压加在这些层上，因为不仅热熔体的电导率而且冷却指的电导率均明显地大于被冷却的固有种类边缘层的电导率。这种小的边缘层厚度导致高的场强，并因而导致形成电弧或飞弧。飞弧会损伤金属冷却指并从长远来看会破坏坩埚。

采用本发明，亦即通过设置短路环，避免了飞弧。因此延长了渣壳坩埚的使用寿命。

对于有长的冷却指的很大的渣壳坩蜗，有必要既在上面也在下面设短路环。仅仅一个短路环不足以降低高频感应电压。

这尤其适用于在熔体与渣壳壁之间构成不稳定的结晶的电绝缘边缘层的熔体。在采用双重短路时，可以采取下列措施有目的地调整场的分布并因而调整温度分布，亦即选择短路离熔体中心有不同的距离。

例如，可以将短路可变地设在坩埚底部区内，即，使渣壳的冷却指互相不直接连接，而是通过螺纹杆向下延长冷却指并在螺纹杆上安装一可调的短路环。采用这种坩埚，可根据熔炼阶段(熔化、提纯或浇注)选择最佳的短路位置。当然也可以在坩埚上边缘定位一个类似的可调整高度的短路变型装置。

对于高度很大的坩埚尽管在有些情况下第二个短路是有必要的，但另一方面在两处短路的情况下完全有可能将两处短路中的一个移到较远的外面去。这尤其适用于熔体温度调整得比较低以及冷的玻璃边缘层通常也在处于转变状态的玻璃系统中形成的浇注熔炼阶段。

然而本发明人还认识到：

若金属的冷却指互相短路，则视不同的短路位置将导致向上或向下排挤高频场。若短路处于渣壳坩埚的底部，则发生向上的排挤。若短路处于上部区，则发生向下的排挤。在向上排挤高频场时，熔体的表面区较热。在向下排挤时，熔体的底部区较热。因此人们完全有能力根据短路的布置将熔体的某个区加热到特殊的程度，或也可以达到一种均匀的温度分布。

通常对于提纯将短路设在底部区。在这种情况下高频场被向上排挤。熔体的表面区受到特别强烈的加热。包含在熔体内的气泡顺利地向上升起，它们在那里轻易地穿过熔体的上层并破裂。

在熔化时也可以有利地将短路置于底部区。这样，在所形成的表面区内仍受到特别的加热，从而加速熔炼。

在浇注阶段出口处应没有结晶。熔体在出口区应当约有10⁴dpas的粘度，不必将在较高的坩埚部位处的熔体区加热到提纯温度，否则会导致再沸腾。为了在浇注阶段保持出口处无结晶，短路应置于坩埚上部区内。在这种情况下高频场被向下排挤，从而特别强烈地加热出口区。

短路相宜地可借助金属环实现，它使金属的冷却指互相导电地连接。无论按什么形式，短路都必须安排在冷却指长度的某个位置上，亦即应处于渣壳坩埚底部与冷却指上端之间。若短路位于此范围之外，则它对于高频电压不再有效，因为这样一个“线环(Leiterschleife)”的感应电阻太大。US 4049384介绍了一种渣壳式坩埚，它由两个模块构成。每个模块包括一排冷却指，它们排列成半圆形并与一金属的同样半圆形的底板固定连接。两块底板在中间加上电绝缘装置的情况下组合成一整体，所以在模块之间不形成短路，在该文件中重视这一点。这与迄今为止的观点一致，亦即必须避免短路，但却与本发明的基本思想相背。

也许有人会担心由于短路在渣壳坩埚本身内消耗大量高频功率或担心高频场并未进入坩埚的内部。这种担心并没有得到证实。高频功率消耗量的增加是微不足道的。因此本发明具有一些突出的优点，却几乎没有什么缺点。

采用短路环带来的一个附加优点是坩埚具有机械结构稳定性。

下面借助附图进一步说明本发明，附图中：

图1为渣壳式坩埚的垂直中央剖面正视图；

图2示出处于断开状态的短路装置；

图3示出处于闭合状态的短路装置；

图4示出具有设在下部的短路装置的图1所示渣壳式坩埚；

图5示出具有设在上部的短路装置的类似于图1所示的渣壳式坩埚；以及

图6示出熔体内的温度变化曲线图。

在这些图中所表示的渣壳式坩埚用于熔炼或提纯玻璃或玻璃陶瓷，尤其是碎玻璃片或所谓的玻璃料或两者的混合物。

此渣壳坩埚具有一壁1。该壁由一圈垂直的金属管构成，它们互相导电连接并与一种冷却介质例如水相连。

渣壳坩埚1.1的底由石英材料板构成。它也是被冷却的，具体而言就是由从一些管排出的空气来冷却。

所述坩埚壁被一感应线圈围绕。该线圈是高频装置的组成部分，借助它将高频能量耦合到渣壳坩埚的内容物中。

图中的两个箭头A和B表示可在此布置短路装置的位置A和B。

图2和图3表示短路装置的结构。它包括一个由两个半环段2.1，2.2和两个夹紧件2.3、2.4组成的环。由图可见，两个夹紧环段2.1、2.2围绕着壁1，壁由许多排成一圈并通冷却剂的金属管1.1组成。

在按图3的视图中，短路装置处于短路闭合状态。夹紧件2.3、2.4已夹紧。半环段2.1、2.2接触地并因而导电地贴靠在金属管1.1上。半环段2.1、2.2以及金属管1.1按这样的方式设计和布置，即，在此状态半环段力传递地围绕着金属管1.1。

由图4和图5仍可见一具有金属管1.1的渣壳式坩埚。金属管1.1被高频线圈的线匝3围绕。短路装置2在图4的实施形式中处于底部区内，也就是说直接设在渣壳坩埚底的上方。在按图5的实施形式中，它处于金属管1.1的上端。

按图4的实施形式特别适用于玻璃熔体的提纯。借助短路装置2，高频场被强烈地压入熔体水平面区域内。熔体水平面区域由此受到更强烈的加热。气泡可通过熔体向上穿过此区域并破裂。

在按图5的实施形式中实现均匀的温度分布。高频场被强烈地压入底部区内。因此，在底部区内的熔体比在其水平面的区域内的熔体受到更强烈的加热。由此，通过热的熔体从底部区上升造成熔体的对流，其结果是导致比较热和比较冷的熔体的混合，并因而导致均匀化。此外还保证底部区内避免结晶，熔体因而可以顺利地通过位于底部区内的出口排出。

图6具体通过两条曲线表示在一渣壳式坩埚内的一种光学玻璃熔体的深度剖面。其中纵座标表示温度(℃)，横座标表示在熔池中测量温度时所处的位置深度(cm)。

曲线I表示在将短路环布置在冷却指的上部自由端上时温度随熔池深度的变化。曲线II表示短路环布置在底部区内时温度的变化。

由图可见，在上部区内设置短路环导致一种在将渣壳坩埚用作熔炼坩埚时非常有利的结果。在底部区内的熔体的温度和在熔体水平面区域内的熔体温度没有太大的区别。

所述通过将电短路定位在渣壳坩埚上边缘使温度均匀化的原理，借助一种具有铂出口的变型渣壳式坩埚在一种光学玻璃上得到了验证，这种光学玻璃主要由二氧化硅、氧化锌、氧化钾和氧化钠等成分组成。

对于这种熔体采用直径为20cm和熔体高度为22cm的渣壳式坩蜗。玻璃借助燃烧器预热，从约900℃起耦合高频场，由此可以关闭燃烧器。高频的频率为1MHz。所需的功率根据熔体的温度在20与40KW之间。为了浇注玻璃将熔体温度调整为1100℃，为此所需的功率为25KW。

此渣壳式坩埚有时按标准制成下面短路以及有时上面短路。在底部有一电阻加热的铂出口法兰，熔体可通过它浇注并可鉴定玻璃质量。

借助热电偶可测量熔体内的温度分布。热电偶通过套管式电容器和光耦合器从高频区引出。经过滤的温度信号可用标准的测量仪检测。

所测得的在坩埚中央垂直的温度分布，证实了短路定位在上方的显著优点。与标准的结构相比，这种温度分布显然更为均匀。其结果是带来许多优点：

首先，均匀的温度分布是熔炼均质光学玻璃的先决条件。此外，在借助上面的短路而有更为均匀的温度分布的情况下，为通过底部出口的浇注提供了好得多的结果，因为在底部没有结晶层起干扰作用，也不会因晶体导致污染成品。对于浇注而言，坩埚上部地区过热以保证下面的熔体区处于液态是没有必要的。采用这种改型坩埚，浇注可以在明显更低的温和温度下进行。

Claims (7)

1.一种熔炼或提纯玻璃或玻璃陶瓷的渣壳式坩埚，它包括

一个坩埚壁(1)；

一个坩埚底；

一个感应线圈(3)，它围绕坩埚壁(1)并可将高频能量耦合到坩埚内容物中；

所述坩埚壁(1)由一圈可接通冷却介质的金属管(1.1)构成，在彼此相邻的金属管(1.1)之间有缝状间隔；

所述坩埚底具有熔体出口；

所述金属管(1.1)互相通过至少一个短路短路，该短路设置在渣壳坩埚底部与冷却指上端之间。

2.按照权利要求1所述的渣壳式坩埚，其特征在于：在金属管(1.1)的上端部区内设置短路。

3.按照权利要求1所述的渣壳式坩埚，其特征在于：在坩埚底部区内设置短路。

4.按照权利要求1所述的渣壳式坩埚，其特征在于：在金属管的上端部区以及坩埚底部区内设置短路。

5.按照权利要求4所述的渣壳式坩埚，其特征在于：所述短路的高度位置在所述区域内可变动。

6.按照权利要求1至5中任一项所述的渣壳式坩埚，其特征在于：两个短路将所述金属管(1.1)相互短接。

7.按照权利要求6所述的渣壳式坩埚，其特征在于：所述两个短路的高度位置可变动。

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