CN101538111A - 电熔窑精澄清方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用电熔窑的精澄清方法与装置，在电熔窑上升道连接澄清池，保持玻璃液粘度小于102.0～103.0dPa·s，澄清池面积为熔化池面积的20～50％，澄清池深度在300～800mm，澄清池后接减压罩，减压罩内的玻璃液粘度在103.0～104.0dPa·s左右，使减压罩内气体分压小于玻璃液内气体分压，残存在玻璃液的气体溢出，减压罩之后连接供料道，经过供料道进一步降温调节，达到成型机或供料装置所需粘度，经本发明的精澄清的工艺和装置，玻璃制品的气泡直径小于0.2mm，气泡数量≤5个/1000g玻璃，达到光学玻璃熔化质量水平。
Description
技术领域
本发明涉及电熔窑玻璃熔化技术中的澄清方法及装置，该发明特别适合硼硅玻璃、铝硅玻璃、低碱玻纤、电子显示玻璃等玻璃的生产，这些玻璃的特点是粘度高及表面张力大，气泡很难从玻璃液内排除干净，因此在玻璃熔化过程中很难获得满意的玻璃澄清质量，所以成形的玻璃制品外观呈现较多气泡缺陷，通过本发明充分地解决了电熔窑熔化玻璃过程中的玻璃精澄清问题，可以达到光学级玻璃气泡控制水平。
背景技术
玻璃熔化是一个非常复杂的过程，它包括一系列物理化学反应。这些反应的结果是使各种原料的机械混合物变成化学结合的均匀玻璃液。玻璃熔化过程中有时还会产生许多缺陷如气泡、结石、条纹等，这些缺陷都是影响玻璃质量的主要因素。
玻璃液的澄清过程是玻璃熔化过程中极其重要的环节，它与玻璃制品质量密切相关。在硅酸盐反应与玻璃形成过程中，由于配合料的分解、某些组份的挥发、配合料的氧化还原反应、玻璃与气体介质以及与耐火材料的相互作用等过程都会产生大量气体。其中大部分气体将从玻璃液逸出，剩余的部分气体将溶解于玻璃液中并与其中某种成分重新形成化合物。因此，存在于玻璃中的气体主要有三种状态，即可见气泡、溶解的气体、化学结合的气体。
玻璃的澄清过程主要是排除可见气泡的过程，从形式上看，此过程是一个简单的流体力学过程，实质上它是一个复杂的物理化学过程。影响玻璃澄清主要因素有玻璃粘度和玻璃液气体分压有关。
随着玻璃熔化技术的发展，玻璃的电熔化技术除在传统钠钙玻璃上得到广泛应用，越来越多地在一些特种玻璃体系(如硼硅玻璃、铝硅玻璃、低碱玻纤、电子显示玻璃)上得到广泛应用，这样解决了传统火焰炉熔解温度不足的情况，同时降低烟尘排放量，但是玻璃电熔窑多以垂直熔化为主要特征，即在电熔窑的熔化池内玻璃液是从上向下流动，而普通火焰玻璃池窑是以水平熔化为主，玻璃内气泡澄清排出深度一般小于1米，而在电熔窑熔化过程中，熔化池的垂直高度一般在2米左右，在熔化池内配合料要完成硅酸盐形成和玻璃形成，因为玻璃气泡排出方向是向上的，而玻璃液流方向是向下的，两者方向相反，因此，会导致玻璃分解的气体和熔解的气体很难在电熔窑的熔化池内排除干净，这是造成人们普遍认为电熔窑玻璃熔化质量不高的主要原因。
目前，电熔窑的熔化工艺过程为配合料在熔化池内形成玻璃液，通过流液洞和上升道进入水平供料道，再经过适当的温度调整，达到玻璃成形温度(粘度)要求后即进行供料。致使玻璃液在熔化池内没有得到彻底澄清，直接供给了成形机械，导致最终的玻璃制品内含有较多的小气泡，甚至是大气泡，主要原因在于玻璃液进入到供料道的粘度已经在103.5-3.8dPa·s左右，在此玻璃粘度条件下，玻璃液内的气体排出是很困难的，所以在电熔窑熔化池内没有得到充分澄清的玻璃气泡被永久地保留在玻璃中。
为了更好地实现电熔窑玻璃澄清，达到高质量玻璃要求，本发明充分地利用水平澄清池降低玻璃粘度，促进气泡排出；利用鼓泡装置和减压罩来降低玻璃内气体分压，通过这些综合技术措施来实现玻璃精澄清要求。
发明内容
本发明目的在于，提供一种适用于电熔窑玻璃精澄清方法和装置，可以实现电熔窑熔化高质量玻璃的要求，可以应用钠钙玻璃、铝硅玻璃、硼硅玻璃、低碱玻纤、电子显示玻璃等体系，更好地服务于电子显示、生物工程、光伏产业、玻璃纤维等领域所需高质量玻璃。
本发明人进行了大量基础研究工作，结果发现：普通的电熔窑的熔化方法和装置很难将玻璃液内气泡排除干净，不能达到光学级玻璃气泡控制水平，光学级玻璃气泡控制水平要求：气泡直径小于0.2mm，气泡数量小于5个/公斤玻璃成品。
本发明利用在供料道上设置浅澄清池提高玻璃熔化温度降低玻璃粘度，利用鼓泡和减压罩来降低玻璃液中的气体分压。在这些方法以及装置的保障前提下可实现玻璃的精澄清。
本发明提供适用于玻璃电熔窑的精澄清方法和装置是由连接于上升道的澄清池、澄清池内的设置鼓泡装置，在澄清池后面的供料道上设置的减压罩所组成的。
澄清池面积为熔化池面积的20％～50％为宜，如果面积小于20％将得不到有效澄清，如果面积大于50％玻璃液更新时间过长，澄清质量变差，另外浪费能源。澄清池宽度为供料道宽度的1.5～3.0倍，深度控制在300～800mm，澄清池的玻璃粘度控制在102.5dPa·s左右，澄清池加热方式可以采用底插电极、侧插电极、澄清池顶部辐射方式。
澄清池内的鼓泡装置利用耐热喷嘴向熔化的玻璃液中鼓入气体，可促进玻璃液的澄清和均化。溶解于玻璃液中的气体，可以扩散到鼓入的气泡中，使之不断增大。利用喷嘴向玻璃液鼓入气泡吸收玻璃液中小气泡原理。同时随着气泡的表面积增大，亦扩大了扩散面积，可加速玻璃液中的气泡扩散过程。
在玻璃液底层鼓入一定压力的气体，并控制气泡的大小和频率，该气体在高温玻璃液内膨胀成气泡，逐渐上升扩大，最后在玻璃液面逸出，该过程可带走较小的气泡，强化澄清过程。鼓泡作业可使用连续式或间歇式两种方法。
减压罩是在澄清池后的供料道是设置的装置，该装置长度500～1500mm，宽度与供料道相同，减压罩上部设有排气孔，减压罩材质是耐氧化、耐高温、不污染玻璃液的材料。减压罩浸入玻璃液深度大于30mm为宜，此时减压罩内玻璃粘度在103.0dPa·s左右为宜，通过真空泵来控制减压罩内压力稳定，通过真空计来测量，真空计表压在-100Pa～-30000Pa，这样玻璃液内所含有的微小气泡由于气体分压大于罩内气体分压，气体会从玻璃液中溢出。
经减压罩澄清的玻璃液经过1000～2000mm长供料道的稳定和温度调节即可进入到成形供料装置。
本发明目的在于，提供一种适用于电熔窑玻璃精澄清方法和装置，可以实现电熔窑熔化高质量玻璃的要求，可以应用钠钙玻璃、铝硅玻璃、硼硅玻璃、低碱玻纤、电子显示玻璃等体系，更好地服务于电子显示、生物工程、光伏产业、玻璃纤维等领域所需高质量玻璃。
本发明进行了大量基础研究工作，结果发现：普通的电熔窑的熔化工艺(方法)和装置很难将玻璃液内气泡排除干净，不能达到光学级玻璃气泡控制水平，光学级玻璃气泡控制水平要求：气泡直径小于0.2mm，气泡数量小于5个/公斤玻璃成品。
本发明提供的电熔窑精澄清装置，依次包括熔化池、流液洞、上升道、供料道，其特征在于：上升道、供料道之间设置带有加热装置的澄清池，该澄清池内设有外接鼓泡装置的鼓泡管；澄清池之后的供料道内设置减压罩，该减压罩外接有抽真空装置。
进一步，澄清池面积为熔化池面积的20％～50％为宜，小于20％将得不到有效澄清，大于50％获得不了玻璃液的有效更新和澄清效果。宽度为供料道的1.5～3.0倍为宜，澄清池宽度为供料道宽度1.5倍以上，目的为了降低玻璃液的流动速度，延长玻璃液在澄清池的滞留时间；控制澄清池宽度为供料道宽度3.0倍以下，目的为了减小澄清池与供料道衔接处的死角区面积，保持玻璃液适度的流动速度。澄清池深度控制在300～800mm，澄清池深度小于300mm，会导致澄清池内玻璃液储存量较少，玻璃液澄清池内的澄清均化时间不足，不能达到有效澄清效果；澄清池深度大于800mm，会导致澄清池池底玻璃液温度过低，出现池底玻璃液滞留层，会影响玻璃条纹出现。
进一步，减压罩长度500～1500mm，宽度与供料道相同，可以最大限度地减少减压罩与供料道内横向温差，并且可克服因减压罩不能覆盖供料道宽度，所导致的供料道边部含有气泡玻璃液流入下游，最终进入到成形供料装置内，造成含有气泡的玻璃缺陷。减压罩内的玻璃液中的气泡排出是需要时间的，玻璃液在流动过程中，气泡受减压罩内分压减小作用，气泡逐步上升，如果减压罩长度小于500mm，气泡不能有效排出；如果减压罩长度大于1500mm，增加减压罩制造成本和安装固定难度，另外也会导致减压罩内玻璃温度下降低于玻璃成形温度，这样必然会在减压罩之后的供料道进行再次加热调整，因此会有产生二次气泡危险。
应用所述的装置进行电熔窑精澄清的方法，其特征在于：首先，在电熔窑熔化池内熔化玻璃，熔化池内玻璃液经流液洞、上升道进入到澄清池澄清处理，通过澄清池内的加热装置控制温度以及鼓泡管向澄清池内通入气体，保持玻璃液粘度为102.0～103.0dPa·s；经澄清池澄清处理的玻璃液进入供料道内的减压罩，通过该减压罩外接抽真空装置减压，保持减压罩内压力在-100Pa～-30000Pa，使得玻璃液粘度103.0～104.0dPa·s。
经减压罩澄清的玻璃液再经过1000～2000mm供料道即可进入到成形供料装置。
进一步，减压罩下部浸入玻璃液深度大于30mm，因为减压罩内为负压环境，在减压澄清作用下，减压罩周边的玻璃液会向减压罩内迁移，减压罩内液高于平衡液面，而减压罩外液面低于平衡液面，如果浸入玻璃液深度小于30mm会导致气体漏入减压罩内，破坏减压澄清效果。
本发明利用在供料道建立浅澄清池提高玻璃熔化温度降低玻璃粘度，利用鼓泡和减压罩来实现降低玻璃液中的气体分压。在这些方法以及装置的保障前提下可实现玻璃的精澄清。
本发明提供适用于玻璃电熔窑的精澄清方法和装置是由连接于上升道的澄清池、澄清池内的鼓泡装置、供料道上减压罩所组成的。
澄清池面积为熔化池面积的20％～50％，宽度为供料道的1.5～3.0倍，深度控制在300～800mm，澄清池加热方式可以采用底插电极、侧插电极、澄清池顶部辐射。
澄清池内的鼓泡装置利用耐热喷嘴向玻璃液中鼓入气体，可促进玻璃液的澄清和均化。溶解于玻璃液中的气体，可以扩散到鼓入气泡中，使之增大，最终浮出玻璃液表面破碎。
鼓泡作业可使用连续式或间歇式两种方法。
减压罩是在澄清池后的供料道内设置的装置，该装置长度500～1500mm，宽度与供料道相同即可，它是个上部具有排气管的无底金属罩，金属罩材质是耐氧化、不污染玻璃液铂金属、铂铑合金等。减压罩下部浸入在玻璃液深度大于30mm，通过真空泵保持罩内压力在-100Pa～-30000Pa，这样玻璃液内所含有的微小气泡由于气体分压大于罩内气体分压，气体从玻璃液中溢出。
本发明效果：本发明分别对硼硅玻璃、铝硅玻璃、低碱玻纤等玻璃体系进行效果评价，这些玻璃体系的共同特点是粘度高及表面张力大，气泡很难从玻璃液内排除干净，因此在玻璃熔化过程中很难获得满意的澄清质量，所以成型的玻璃制品外观呈现较多气泡缺陷，通过采用本发明的精澄清方法与装置，可以控制气泡直径小于0.2mm，气泡数量小于5个/公斤玻璃，可以达到光学级玻璃气泡控制水平要求。而没有采取精澄清方法和装置的电熔窑气泡直径在0.2～0.8mm范围内，气泡数量大于11个/公斤玻璃，气泡直径小于0.2mm大于12个/公斤玻璃。具体情况参见实施例1～实施例3。
附图说明：
图1是电熔窑的精澄清装置主视图。
图2是电熔窑的精澄清装置在A-A剖面上的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图标记说明本发明提供的电熔窑精澄清装置，依次包括熔化池1、流液洞2、上升道3进入到澄清池4，澄清池加热采用底插电极、侧插电极、澄清池顶部辐射。在澄清池安装鼓泡管5，采用金属管11将减压罩6上的排气管7与真空泵13连接，排气管四周采用冷却管10冷却，控制空真表12压为-100～-30000Pa，然后再经过1000～2000mm的水平供料道8。
实施例1
首先，在电熔窑熔化池内熔化含氧化铝达到17％的铝硅玻璃(玻璃化学组成wt％)：SiO2 60.2、Al2O3 17.3、CaO 0.5、MgO 4.0、Na2O 14.5、K2O 3.5，熔化池内玻璃液最高温度达到1640℃，然后经流液洞、上升道进入到澄清池，澄清池面积为熔化池面积的35％，池深600mm，澄清池宽度是供料道宽度的2倍，在澄清池前部采用两排底插钼电极供电，玻璃粘度102.5dPa·s(温度为1560℃)，在靠近澄清池三分之二的部位安装一排池底鼓泡管，采用脉冲鼓泡方式控制通入玻璃液的气泡，经澄清池澄清处理的玻璃液进入供料道的铂金减压罩内，减压罩顶部设置排气管，采用金属管将减压罩的排气管与真空泵连接，排气管四周采用冷却管冷却，控制真空计表压为-10000Pa，减压罩浸入玻璃液深度80mm，玻璃液粘度103.5dPa·s(温度为1280℃)，然后再经过1500mm的水平供料道将玻璃液粘度调整为104dPa·s(温度为1205℃)，将该处玻璃液进行取样并退火冷却，然后切割成边长40mm正方体3块，进行表面抛光，在20倍体视显微镜观察，统计气泡数量和测量气泡直径，最终结果如表1所示，其中比较例1为未采取本发明所述方法和装置，其它部位和装置与实施例1相同，并且采取工艺制度和相同玻璃组成进行熔化后的气泡状况，从结果来看，实施例1的铝硅玻璃澄清效果好于比较例1。
表1铝硅玻璃澄清质量比较
实施例2
首先，在电熔窑熔化池内熔化含氧化硼为12.5％的派来克斯硼硅玻璃(玻璃化学组成wt％)：SiO2 80.5、Al2O3 2.5、B2O3 12.5、Na2O 4.5，熔化池内玻璃液最高温度达到1680℃，然后经流液洞和上升道进入到澄清池，澄清池面积为熔化池面积的20％，池深300mm，澄清池宽度是供料道宽度的3倍，在澄清池前部采用两排底插钼电极供电，玻璃粘度102.8dPa·s(温度为1590℃)，在靠近澄清池三分之二的部位安装一排池底鼓泡管，采用连续鼓泡方式控制通入玻璃液的气泡，经澄清池澄清处理的玻璃液进入供料道内的铂金减压罩内，减压罩顶部设置排气管，采用金属管将减压罩上的排气管与真空泵连接，排气管四周采用冷却管冷却，控制真空计表压为-100Pa，减压罩浸入玻璃液深度120mm，玻璃液粘度103.5dPa·s(温度为1350℃)，然后再经过2000mm的水平供料道温度调节，将玻璃液粘度调整为104dPa·s(温度为1250℃)，将该处玻璃液进行取样并退火冷却，然后切割成边长40mm正方体3块，进行表面抛光，在20倍体视显微镜观察，统计气泡数量和测量气泡直径，最终结果如表2所示，其中比较例2为未采取本发明所述方法和装置，其它部位和装置与实施例2相同，并且采取工艺制度和相同玻璃组成进行熔化后的气泡状况，从结果来看，实施例2的铝硅玻璃澄清效果好于比较例2。
表2派来克斯硼硅玻璃澄清质量比较
实施例3
首先，在电熔窑熔化池内熔化低碱玻纤(玻璃化学组成wt％)：SiO2 73.5、Al2O3 0.5、B2O3 22.5、Na2O 2.0、MgO 0.5，熔化池内玻璃液最高温度达到1540℃，然后经流液洞、上升道进入到澄清池，澄清池面积为熔化池面积的50％，池深800mm，澄清池宽度是供料道宽度的1.5倍，在澄清池前部采用两排底插钼电极供电，玻璃粘度102.8dPa·s(温度为1460℃)，在靠近澄清池三分之二的部位安装两排池底鼓泡管，采用连续方式控制通入玻璃液的气泡，经澄清池澄清处理的玻璃液进入供料道的铂金减压罩内，减压罩顶部设置排气管，采用金属管将减压罩上的排气管与真空泵连接，排气管四周采用冷却管冷却，控制真空计表压为-30000Pa，减压罩浸入玻璃液深度30mm，玻璃液粘度103.5dPa·s(温度为1180℃)，然后再经过1000mm的水平供料道，将玻璃液粘度调整为104dPa·s(温度为1125℃)，将该处玻璃液进行取样并退火冷却，然后切割成边长40mm正方体3块，进行表面抛光，在20倍体视显微镜观察，统计气泡数量和测量气泡直径，最终结果如表3所示，其中比较例3为未采取本发明所述方法和装置，其它部位和装置与实施例3相同，并且采取工艺制度和相同玻璃组成进行熔化后的气泡状况，从结果来看，实施例3的铝硅玻璃澄清效果好于比较例3。
表3低碱玻纤澄清质量比较
Claims (5)
1.电熔窑精澄清装置，依次包括熔化池、流液洞、上升道、供料道，其特征在于：上升道、供料道之间设置带有加热装置的澄清池，该澄清池内设有外接鼓泡装置的鼓泡管；澄清池之后的供料道内设置减压罩，该减压罩外接有抽真空装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：澄清池面积为熔化池面积的20％～50％，宽度为供料道的1.5～3.0倍，深度控制在300～800mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：减压罩长度500～1500mm，宽度与供料道相同。
4.应用权利要求1所述的装置进行电熔窑精澄清的方法，其特征在于：首先，在电熔窑熔化池内熔化玻璃经流液洞、上升道进入到澄清池澄清处理，通过澄清池内的加热装置控制温度以及鼓泡管对澄清池通入气体，保持玻璃液粘度为102.0～103.0dPa·s；经澄清池澄清处理的玻璃液进入供料道内的减压罩，通过该减压罩外接有抽真空装置进行减压，保持罩内压力在-100～-30000Pa，减压罩内玻璃液粘度在103.0～104.0dPa·s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：减压罩下部浸入玻璃液深度大于30mm。
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