CN101065333A - 均质化玻璃熔体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减少玻璃熔体的氧化物微粒污染的方法，所述氧化物微粒例如是氧化铂微粒，这些氧化物微粒会凝聚在搅拌腔的内表面上，特别是凝聚在搅拌轴上，并掉落到玻璃熔体中。本发明包括使气流通过搅拌轴和搅拌腔盖之间的环形空间。在一个实施方式中，通过在搅拌腔中抽吸真空的方法使气流通过环形空间。本发明还提供了实施该方法的装置。

Description

均质化玻璃熔体的方法和装置

发明背景

发明领域

本发明一般涉及减少玻璃熔体中污染的方法，更具体地说，涉及在玻璃搅拌过程中减少形成凝聚的污染物的方法。

技术背景

化学和热学均一性是形成优良玻璃的操作的关键部分。玻璃熔融操作的作用一般是产生具有可接受水平的气相或固相内含物的玻璃，但是这种玻璃通常具有化学性质不同的多相索(cord)(或相纹或相层)。玻璃的这些非均质化组分由熔融操作过程中发生的各种普通现象所致，这些现象包括难熔物溶解、熔体层化、玻璃表面挥发和温度差。因为颜色和/或折射率的差别，所以可以在玻璃中看见所形成的相索。

一种提高玻璃均一性的途径是使熔融的玻璃通过位于熔融器下游的垂直取向的搅拌腔。这些搅拌腔配备有具有心轴的搅拌器，所述心轴由合适的马达转动。从心轴处延伸出多个叶片，在熔融玻璃从顶部到底部通过搅拌腔时这些叶片起到对熔融玻璃进行搅拌的作用。本发明涉及对这种搅拌腔进行的不会在形成的玻璃中进一步引入缺陷的操作，具体地说，是由凝聚的氧化物导致的缺陷。

玻璃搅拌腔中的挥发性氧化物可以由玻璃和搅拌腔中存在的任何元素形成。一些挥发性和破坏性最大的氧化物由Pt、As、Sb、B和Sn形成。玻璃熔体中可凝聚的氧化物的主要来源包括PtO₂的热铂表面，以及B₂O₃、As₄O₆、Sb₄O₆和SnO₂的玻璃自由表面(glass free surface)。所谓玻璃自由表面是指暴露于搅拌腔内的气氛的玻璃表面。玻璃自由表面上的气氛中可以含有上述的任何或所有挥发性材料或者其它挥发性材料，由于该气氛比搅拌腔外的气氛更热，所以自由玻璃表面上的气氛具有向上流动通过任何开口(例如通过搅拌轴和搅拌腔盖之间的环形空间)的自然趋向。由于搅拌腔的轴会随搅拌轴和玻璃自由表面之间的距离增加而逐渐变冷，所以，如果轴和/或盖的温度低于氧化物的露点，则搅拌腔气氛中所含的挥发性氧化物会凝聚在轴的表面上。当形成的凝聚物达到脱落的临界尺寸时，这些凝结物会掉落在玻璃中，在玻璃产品中形成内含物或泡状缺陷。

已经证明，加热在玻璃自由表面上的轴只能在部分程度上成功地减少玻璃熔体中的微粒污染，只能使凝聚物分层。

减少玻璃熔体的凝聚物污染的现有技术的一种方法是在玻璃自由表面和搅拌腔的上部之间设置一个圆盘形护罩。但是，这些方法可能导致难以控制玻璃自由表面的温度，例如通过加热玻璃上的搅拌腔盖来控制温度。另外，护罩和搅拌轴之间的接合处会成为凝聚物污染的另一个来源。

发明概述

在本发明的一个广义方面中，提供了一种搅拌玻璃熔体的方法，该方法包括使熔融玻璃流过搅拌腔，所述搅拌腔具有至少一个壁和盖，所述盖具有贯通的通道。所述搅拌腔还包括搅拌器，所述搅拌器包括延伸通过盖中通道的轴，从而在轴和盖之间形成环形间隙。气体以至少约100sccm(标准立方厘米/分钟)的速率流过环形间隙。气体优选以至少约400sccm的流速、更优选至少约900sccm、最优选至少约1200sccm的流速流过。气流优选向下通过环形间隙。气体优选以至少约0.35米/秒的速度流过约0.25英寸(0.635厘米)的环形间隙。气体优选是空气，不过适当时可以使用其它气体。该方法能有益于使气体沿搅拌轴流动，从而减轻挥发性氧化物以预定速率沿轴发生的凝聚现象，这种凝聚物随后会发生移动并污染熔融玻璃。

还揭示了实施本文所揭示的方法(即，搅拌玻璃熔体)的优选装置，该装置包括设计成容纳熔融玻璃的搅拌腔和搅拌腔盖，所述盖中有贯通的通道，搅拌器的轴从盖延伸至搅拌腔中，从而在盖和轴之间形成环形间隙，有一个或多个用于排空搅拌腔的气流管道，所述气流管道的一个末端在搅拌腔内，该气流管道末端没有延伸高出熔融玻璃的表面。

在该装置的另一个实施方式中，可以在盖和搅拌腔壁之间设置一个环形隔板，所述隔板包括用于排空搅拌腔或对搅拌腔进行增压的气流通道。气流通道可以与歧管相连。根据对搅拌腔进行抽空还是用气体对搅拌腔进行增压，歧管可以与真空系统或压缩系统流体连通。

通过以下解释性说明，参考附图，能够更简便地理解本发明，且其它目的、特征、具体细节和有益效果将是显而易见的，以下的解释性说明没有暗示任何限制。

附图简要说明

图1是根据本发明一实施方式的示范性搅拌腔的截面图，该图示出腔盖和气流管道，所述管道伸入该搅拌腔在玻璃自由表面的水平之上的区域内。

图2所示是盖通道的内周长中心和搅拌轴中心之间的偏移量。

图3是根据本发明另一实施方式的示范性搅拌腔的截面图，该图示出搅拌腔、搅拌腔盖以及位于腔和腔盖之间的隔板。

图4是隔板的水平截面图，隔板包括气体歧管，置于搅拌腔壁和盖之间，所述隔板具有用于排空搅拌腔或对搅拌腔进行增压的通道。

具体实施方式

图1所示是用于实施根据本发明一实施方式对玻璃熔体进行均质化的的方法的示范性装置。图1的搅拌腔10包括进口管12和出口管14。在所示的实施方式中，熔融玻璃如箭头13所示通过进口管12流入搅拌腔中，并如箭头15所示通过出口管14流出该腔。搅拌腔10包括至少一个壁16，该壁优选是圆柱形，基本上为垂直取向，不过搅拌腔也可以具有其它形状，例如椭圆形或六边形。较好地，搅拌腔壁包括含铂或铂合金的内衬18。可以用其它具有类似难熔性质、包括防腐蚀性以及导电性的内衬材料替代。玻璃进口管12位于搅拌腔10的底部或在底部附近，而玻璃出口管14位于搅拌腔顶部的附近。但是，本领域技术人员将会认识到，进口管12和出口管14可以颠倒，使熔融玻璃从顶部流入搅拌腔，从底部流出。只要能实现充分搅拌(即，所要求程度的均质化)，也可以采用进口管和出口管的中间位置。

搅拌腔10还包括搅拌器20，该搅拌器包括轴22和多个叶片24，所述叶片从轴朝搅拌腔的壁16向外延伸。轴22通常基本上为垂直取向，可转动地安装，使得从轴的下部延伸的叶片24能够在搅拌腔内以至少部分浸没在熔融玻璃的自由表面26以下的方式转动。熔融玻璃的表面温度通常约为1400-1600℃，但是根据玻璃组成可以更高或更低。搅拌器20优选由铂组成，但是也可以是铂合金，或者是弥散增强的铂或铂合金(例如，氧化锆增强的铂合金)。

如图1中所示，搅拌器10可以包括排泄管28，用于在例如关闭系统时从搅拌腔中移出玻璃。此外(或者)，该搅拌腔还可以包括任选的槽30。搅拌器20通过合适的驱动装置转动。例如，搅拌器20可以采用电动马达(未示出)通过合适的传动装置而转动，或者通过皮带驱动装置而转动。

按照本实施方式，搅拌腔10上覆盖有腔盖32。腔盖32可以直接安放在壁16上，或者可以在壁和盖之间设置高温密封材料，所述位于壁和盖之间的密封在任何情况下都足以防止盖和壁之间的明显的气体流动。盖32还可以包括盖加热器34，用于加热腔盖，从而有助于控制流过搅拌腔的玻璃熔体的自由表面温度。盖加热器34通常包括电阻线圈，该线圈通常包含铂，嵌在腔盖中的耐火材料。所述电阻线圈中通有电流，优选是交流电，不过也可以使用直流电，从而加热腔盖。腔盖距玻璃熔体自由表面的距离通常约为2-3英寸(5.08-7.62厘米)，但是需要时该距离可以更大。由此在搅拌腔盖32、搅拌腔壁16和玻璃自由表面26之间限定了体积35。

腔盖32还包括通道，搅拌轴22通过该通道。通道的内表面可以包括内衬，该内衬形成壳体36。与搅拌腔的其它部件一样，要求壳体36能防腐蚀，所述腐蚀是由于高温和腐蚀性气体以及由熔融玻璃产生的凝聚物引起的。壳体36通常包含铂或铂合金。通过腔盖通道的轴22在轴22的外表面和通道的内表面之间形成环形间隙，或者如果使用了壳体36，则在轴的外表面和壳体的内表面之间形成环形间隙。为了消除混乱，下文中只对壳体的内表面给出标注，但是应当理解为表示上述两种情况中的任何一种情况。轴22在腔盖32上的部分被加热器40包围，该轴加热器包含耐火材料。与盖加热器34的情况相同，轴加热器40优选包含电阻加热元件。加热元件优选由铂构成，但是也可以由铂合金构成。

绝缘层42位于腔盖32顶部。绝缘层44类似地包围着轴加热器46。环形间隙38防止转动轴与壳体、加热器、绝缘层和盖之间发生接触。优选壳体的内圆周中心(即，由环形空间限定的中心)与该轴中心的偏移量不超过约0.15英寸(0.381厘米)，更优选不超过约0.12英寸(0.305厘米)，最优选不超过约0.04英寸(0.102厘米)。图2示出轴中心和圆环中心之间的偏移量α。优选环形间隙的宽度L至少约为0.25英寸(0.635厘米)，但可大于约0.5英寸(1.27厘米)。

根据本发明，有至少一个流动管道50从搅拌腔10外部延伸至搅拌腔10的内部，即体积35内。构成各流动管道的材料应当由能够承受腔内高温，通常超过1400℃，且不会因为与氧化物凝聚物接触而发生明显的分解。各流动管道的内径通常至少约为0.5英寸(1.27厘米)，优选由铂构成，虽然也可以使用其它材料，例如铂合金，只要该材料对搅拌腔的严酷环境导致的腐蚀或其它形式的分解(例如破裂)表现出抵抗力即可。

在搅拌腔10内的气流管道50的末端52有利地位于一定的位置，使得该末端不会延伸到直接在腔内的玻璃自由表面26上。图1示出两根气流管道。如图1所示，气流管道末端52可以终结在搅拌腔壁上方的环形区域，而不是终结在玻璃熔体的自由表面26上的位置。因此，本实施方式的优点是，能够防止在气流管道末端52处积累、随后会发生移动的凝聚物掉落在玻璃自由表面26上。落在玻璃熔体的自由表面上的凝聚物会导致熔体污染，并以内含物或其它缺陷出现在由该熔体制造的玻璃制品内。

为了防止因为对流产生的下向通过间隙的流动(flux)的扩散，而产生通过搅拌轴和盖壳体之间的环形间隙的挥发的氧化物的向上流动，优选按照下式定义的Peclet数值大于1：

$\mathrm{Pe}=\frac{U\·L}{D}$

在上述公式中，Pe是Peclet数，U是单位为米/秒的向下的气体速率，L是盖壳体和搅拌轴22的外表面之间的圆环的宽度，单位为米，D是单位为平方米/秒的氧化物扩散率。采用适当较高的向下气体速率U，可以消除沿着搅拌轴的挥发性氧化物的凝聚，特别是围绕搅拌轴的圆环38之内和之上的凝聚。同时，也希望使气体速率降至最低，以尽可能地减少氧化物从玻璃自由表面上蒸发，并且限制玻璃自由表面26因为气体通过环38的流动而发生的冷却。应当对这些竞争性要求进行适当地平衡。

由于相反温度梯度造成的不稳定性，还存在另一个气体速率的限制。由于搅拌轴22在腔盖32上方部分的温度低于在盖下方部分的温度(通常低至少约800℃)，所以当通过环38的气体流动不够充分时，由于浮力的原因，通过环38的气流出现不稳定现象。在环38内会形成对流环，使得在环内的某些区域气流为向上的，而在其它区域气流为向下的。这些对流环(convection cell)有助于将挥发性氧化物传送进入环38，并且破坏通过该环的气体流动。但是，如果向下的气体速率U足够高，则可以克服由浮力产生的不稳定性。

在采用上述装置的本发明方法的一个实施方式中，通过合适的真空系统(未示出)例如通过真空泵和相连管道，经由该装置的至少一根气流管道50，对在玻璃自由表面26上的体积35进行抽空形成真空。换言之，气流管道50的一端延伸进入搅拌腔内的体积35中，而相对的末端连接至合适的真空系统，因此，该真空系统与搅拌腔内部经由气流管道50而处于流体连通。例如，真空泵可以是压缩空气驱动的文氏泵，虽然也可以使用本领域中已知的其它真空泵。气流管道的表面温度优选低于熔融玻璃表面的温度，优选低于在体积35内的挥发性氧化物的露点，使得通过气流管道50从搅拌腔移出的挥发的氧化物可以在流动管道内，而不是在轴22上或者在壳体36的内表面上凝聚。玻璃自由表面之上的体积中的挥发性氧化物的露点取决于玻璃组成和体积35内存在的表面温度。可以根据沿轴的温度分布曲线，特定氧化物的扩散率，通过环形间隙38的气流速率U，以及该氧化物的露点对浓度的曲线，计算沿轴的氧化物的露点。普通挥发性氧化物的露点可以低至559℃(As₄O₆)，可以高达1455℃(PtO₂)。

可以选择气流速率，以保持在沿轴的所有点上氧化物的露点低于轴的温度。由于优选挥发的氧化物在气流管道内而不是沿轴22凝聚，所以可以将气流管道50设计成单独的流动管道能够更换，并且可以进一步包括过滤装置，以消除凝聚的氧化物在真空系统中结垢的形式。过滤装置可以包括不锈钢筛网，或者合适罐或容器中的羊毛，使气流通过该罐或容器，这些过滤装置例如通过Nor-Cal Products，Inc.购得。

体积35内降低的压力和箱外的大气压力之间的压差导致大气气流从搅拌腔外通过环形间隙38流入体积35中。气流速率和体积足够大为宜，使气流总是向下进入环38(对体积35抽真空的情况)而不管可能存在的不稳定的温度梯度。而且，气体速率应当足够大，能够消除可凝聚的材料通过扩散而向上通过环消间隙的传输。优选大气气体通过环形间隙38的流速至少约为100sccm，更优选约为400-900sccm，不过流速可以高达1600sccm。

在本发明装置的另一个实施方式中，如图3所示，隔板56插入搅拌腔壁16和盖32之间。隔板56包含至少一个通过隔板的气流通道58，起到与前述实施方式中的气流管道相同的作用。在本实施方式中，可能不需要气流管道50。隔板56优选包含多个位于隔板圆周周围的气流通道58。至少一个气流通道可以单独与真空系统或压缩系统相连。但是，歧管60可以围绕隔板，并且连接至少一个气流通道至真空系统或压缩系统，这取决于在盖32，玻璃表面26和隔板56之间限定的体积35′中相对大气压力是正压还是负压的情况。使用多根气流通道时，希望使用歧管。如前文所揭示的，要求使用过滤系统来清除可能累积在气流通道内或累积在管道下游处的凝聚物。图3所示的装置中没有气流管道50，但是需要时也可以使用气流管道50。图4示出俯视隔板时，隔板56和歧管60的水平截面图。箭头62示出流入或流出歧管的气流，这取决于是将歧管60连接至真空系统来抽空搅拌腔，还是将歧管连接至压缩系统来对搅拌腔进行增压的情况。

与前述实施方式的玻璃流动管道的情况一样，优选对搅拌腔体积35敞开的气流通道开口64处于从搅拌腔壁16的内表面向后，使得任何在开口周围凝聚的挥发性氧化物不会掉落在搅拌腔内的熔融玻璃中。可以适当地安装如前所述的过滤系统，例如安装在将歧管60连接至真空系统(未示出)的管道66中。

虽然以上对本发明进行了不同的描述，应当理解，联系本发明的实施方式描述的各种特征可以单独使用或者组合使用。例如，气流通道可以形成于盖体中，或者位于腔壁的上部内。因此，本发明并不限于所述的特别优选实施方式。

对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的原理和范围下可以对本发明进行各种其它修改和变化。因此，只要对本发明做出的修改和变化落在所附权利要求及其等同的范围内，则本发明包括这些修改和变化。

Claims (20)

1.一种搅拌玻璃熔体的方法，该方法包括以下步骤：

使熔融玻璃流过搅拌腔，所述搅拌腔具有至少一个壁和盖，所述盖具有贯通的通道，所述搅拌腔进一步包括搅拌器，所述搅拌器包括搅拌轴，所述搅拌轴延伸通过盖的通道，从而在搅拌轴和盖之间形成环形间隙；

使气体流过所述环形间隙；

其中，所述气体流过环形间隙的速率至少约为100sccm。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体是空气。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气流速率至少约为400sccm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气流速率至少约为900sccm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用加热器加热所述盖的步骤。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用加热器加热所述轴的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过使电流通过搅拌腔的内表面来加热搅拌腔的步骤。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使气体流过的步骤包括在搅拌腔内的玻璃表面上方形成真空。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使气体流过的步骤包括对所述搅拌腔进行增压。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述气流总是向下通过环形间隙。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述真空是通过经由至少一根气流管道对搅拌腔进行抽空形成的，所述气流管道的一个末端终结在搅拌腔内，该气流管道并不延伸超过腔内的熔融玻璃表面。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过至少一根气流管道对所述腔进行增压，所述气流管道一个末端终结在腔内，该气流管道并不延伸超过腔内的熔融玻璃表面。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述真空是通过经由至少一个气流通道对腔进行抽空形成的，所述气流通道位于腔壁和腔盖之间的隔板中。

14.一种用于搅拌玻璃熔体的装置，所述装置包括以下部件：

设计成能容纳熔融玻璃的搅拌腔，所述搅拌腔包括盖，盖中限定有贯通的通道；

搅拌器，所述搅拌器具有搅拌轴，所述搅拌轴延伸通过通道进入搅拌腔中，在盖和轴之间的空间形成一环形间隙；

使气体流过所述搅拌腔的至少一根气流管道，所述气流管道的一个末端在搅拌腔内，所述气流管道的末端并不延伸至熔融玻璃表面的顶部。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述气流管道与真空系统相连。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述气流管道与压缩机相连。

17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，环形间隙中心和搅拌轴中心之间的距离不超过约0.15英寸。

18.一种用如权利要求14所述的装置搅拌玻璃熔体的方法，所述方法包括以下步骤：

使熔融玻璃流过搅拌腔；

通过气流管道对搅拌腔抽真空；

使气体以进入搅拌腔的方向流过环形间隙；

其中，气体流过环形间隙的速率至少约为100sccm。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述气流速率至少约为400sccm。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，使气体流过的步骤包括在搅拌腔内形成真空。

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