CN101616874B - 最大程度减少玻璃制造系统中难熔金属容器的冲蚀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少来自用于搅拌熔融玻璃的搅拌装置的难熔金属的损失的方法和由此产生的装置。所述方法包括用包含含有至少约50％铱的层的搅拌器搅拌熔融玻璃。本发明还介绍了一种包含含铱层的装置。所述装置可以具有表面，所述表面被改造以减慢熔融玻璃在其表面上的流动，由此在所述搅拌器的表面上形成停滞的或类似停滞的玻璃层。适应性的改变可以包括搅拌器叶轮片上的凹槽或通孔。

Description

最大程度减少玻璃制造系统中难熔金属容器的冲蚀的方法

背景技术

发明领域

本发明涉及用于搅拌玻璃的装置，具体地，涉及用于搅拌处于从主要供应状态至加工件或成形装置的转变过程中的玻璃的装置。 

技术背景

成形的玻璃经常被认为是相对惰性的物质。的确，由于这个原因，玻璃容器在一系列不同的行业中经常用作容器。然而，在玻璃制造工艺中，要在非常高的温度(在一些情况下超过1600℃)下输运熔融玻璃。在如此高温条件下，熔融玻璃本身腐蚀性就很强，因此需要耐腐蚀的管道输送和收集系统。这种腐蚀能破坏容器材料。因此，大多数熔融玻璃的收集和传输系统依靠由难熔金属构成的容器。一种这样的容器是搅拌室。 

在典型的玻璃制造工艺中，玻璃前体或批料在熔炉中混合并熔化以形成熔融玻璃(“熔融”)。在任何给定的时刻，从批料熔融罐或其它容器流出的玻璃流的折射率可能纵向地或横向地发生变化。纵向的变化通常由批料和熔融条件的变化引起；横向的变化通常由熔融玻璃组分的挥发和熔融容器耐火材料的腐蚀(corrosion)或冲蚀(erosion)引起，并且本身呈现为带或条纹的形式。 

在许多类型的玻璃器皿的生产中，这种变化的存在不是特别重要。然而，当熔融针对眼睛或其它光学目的设计的玻璃时，这种变化的存在显得头等重要，因为所得制品的质量和由此决定的销售能力因此受到限制；如果要生产满意的器具，即，单件中均质的程度或折射率的变化保持在所需的公差度内，那么减少或基本上消除这种变化就不仅是希望的而且是必需的。 

通过小心控制批料组合物并使熔融条件基本上保持恒定，可以使折射率的纵向变化保持在较窄的公差内。 

通过使用均质化或搅拌工艺，可以基本上消除玻璃中存在的带或条纹。 

在搅拌工艺中，搅拌装置搅拌熔融玻璃并使所述带碎裂成越来越细的部分，直到熔融物中没有被均质化的带的尺寸变得不重要。 

与玻璃制造工艺的其它熔融玻璃输送部分一样，搅拌装置，特别是旋转式搅拌器一般由能够耐受熔融玻璃的高温、腐蚀环境的难熔金属构建而成。通常被选择用于该应用的难熔金属一般是铂或铂铑合金。 

尽管有其优点，但是铂或它的合金不耐冲蚀，而且在搅拌粘性的熔融玻璃过程中在搅拌装置内产生的高应力可能造成金属表面的冲蚀和随后的熔融玻璃被难熔金属颗粒污染。 

人们需要一种用于减少搅拌装置，具体地旋转式搅拌器的难熔金属表面的冲蚀的方法。 

发明内容

本发明的一个目的是提供用于减少熔融玻璃中产生难熔金属颗粒的装置。 

在本发明的一个实施方式中，公开一种搅拌熔融玻璃的方法，所述方法包含使熔融玻璃流经搅拌容器，所述搅拌容器含有配置于其中的搅拌器，使该搅拌器旋转以搅拌熔融玻璃，其中，所述搅拌器包含含有至少约50重量％铱的外层。 

在另一个实施方式中，介绍了用于搅拌熔融玻璃的含有圆筒的装置，所述圆筒含有膛、与圆筒同轴的配置在膛内的轴、从所述轴径向伸出至紧邻圆筒壁的叶轮，其中，所述叶轮包含与熔融玻璃接触的含有至少约50重量％铱的外层。 

在另一个实施方式中，公开了用于搅拌熔融玻璃的搅拌器，该搅拌器含有轴、从轴径向伸出的叶轮；其中，所述搅拌器包含含有至少约50重量％铱的外层。 

在另一个实施方式中，公开了用于搅拌熔融玻璃的含有圆筒的装置，所述圆筒含有膛、与圆筒同轴的配置在膛内的轴、从所述轴径向伸出至紧邻圆筒壁的叶轮，其中，所述装置的表面含有多个凹槽。 

在另一个实施方式中，公开了用于搅拌熔融玻璃的含有圆筒的装置，所述圆筒含有膛、与圆筒同轴的配置在膛内的轴、从轴径向伸出至紧邻圆筒壁的叶轮，其中，所述叶轮片被调整以减慢熔融玻璃在其表面的流动。 

可以对所述圆筒作一定修改，同时可以对所述搅拌器作类似的修改或不作修改(例如轴和/或叶轮片)。 

应该理解，以上的综述和随后的详细描述都展示了本发明的实施方式，并且都意在为理解要求保护的本发明的本质和特征提供一种概观或框架。附图被包括在内以提供对本发明的进一步理解，并且包括在本说明中构成本说明的一部分。附图举例说明了本发明的示例性的实施方式，并与描述一起用于解释本发明的构思和操作。 

附图简述 

图1是搅拌室的剖视图，显示了配置于其中的搅拌器。 

图2是图1的搅拌器的侧视图。 

图3是配置在图2的搅拌器上的一组叶轮片的部分俯视图。 

图4是图3的一组叶轮的部分透视图。 

图5是部分叶轮横截面的部分透视图，显示了其外表面上的铱或铱合金层。 

图6A是部分叶轮横截面的部分透视图，显示了插入叶轮中并与其非含铱部分结合的铱或铱部分。 

图6B是图6A的部分叶轮的另一个视图，显示了插入的铱或铱合金部分。 

图7是图4中显示的部分叶轮的部分透视图，修改之处是在其表面具有凹槽。 

图8A是叶轮的部分剖视图，该叶轮表面上显示周期样式的凹槽。 

图8B是叶轮的部分剖视图，该叶轮表面上显示非周期样式的凹槽。 

图9是图4中显示的部分叶轮的部分透视图，修改之处是在其表面具有孔。 

发明详述 

在以下的具体说明中，为了说明而非限制性的目的，给出公开具体细节的实施例实施方式以提供对本发明的透彻的理解。然而，已得益于本公开的本领域的普通技术人员将清楚，本发明可以用其它脱离本文公开的具体细节的实施方式来实施。而且，我们将省略对熟知的设备、方法和材料的说明以便不会使本发明的描述含糊不清。最后，在任何合适之处，同样的引用数字指代类似的元件。

图1中举例说明的是根据本发明的一个示例性实施方式的搅拌装置10。搅拌装置10包含延伸于熔融玻璃的供应机构(未显示)和圆筒14之间的入口管12。入口管12和圆筒14可以被电加热线圈16和18所环绕并且是绝热的以防止过多的热损失。经搅拌和均质化的熔融玻璃经出口管20从圆筒14中流出，虽然没有显示，但是出口管20也可以用电加热元件环绕。 

根据玻璃的粘度、安排在圆筒14内的搅拌器22的具体式样、搅拌器的旋转速度和搅拌器相对圆筒膛内壁直径的直径，出口管20的直径可以是被认为最适合使熔融玻璃流动的尺寸。 

可旋转地配置在圆筒14的膛内的搅拌器22可以采用许多形式。已经发现，最有效的搅拌器可能不是对所有操作条件都最佳的搅拌器。仅仅当全体玻璃被迫通过湍流区(在那里，玻璃的不同部分渐进地相互剪切)并且带和异质物变小并被分散到基础玻璃中时，才能完成熔融玻璃的完全均质化。通过使玻璃通过搅拌室，可以最有效地获得希望的结果，所述搅拌室优选为圆筒形，具有配置在其中的纵向延伸的搅拌器，搅拌器的最大直径仅比圆筒膛直径略小。优选搅拌器22同中心地配置在圆筒14内。即，搅拌器22的旋转轴与圆筒14的中心纵轴一致。即使在这样的情况下，必须采取某些预防措施以防止不均匀的玻璃带沿圆筒内壁或沿搅拌器的轴蔓延，而不是与玻璃主体混合。这些带分别被称为壁带和轴带。如本文中使用的，带指不均匀的玻璃区，其中，玻璃的折射率发生局部变化。带的一种起因是玻璃的不完全混合。 

可以采用不同的设备以消除轴带和壁带。例如，设计搅拌器使其包含轴带的机械障碍，这些障碍将迫使容易沿轴流动的玻璃向外进入湍流区，在那里它受到搅拌叶片的剪切和混合作用，由此可以消除这种带。 

另一方面，缩短搅拌器外缘和圆筒(搅拌室)内壁之间的联合(coupling)可以减少壁带。通过建立动态玻璃坝可以完全消除壁带，搅拌器叶轮强使所述动态玻璃坝的玻璃以足够大的速度向外推挤圆筒壁，使得玻璃被分割并且至少一些玻璃沿搅拌室壁形成与通过该装置的玻璃流的法线方向相反的逆流。 

装置10的效率还受到搅拌器22的旋转速度的影响。因此，该装置的玻璃产能(通过熔融玻璃的通流速度来测量)不仅根据其尺寸而且还根据其中安排的搅拌器的旋转速度来确定。如果通过该装置的熔融玻璃的流速保持较低，诸如当装置出口被限制或玻璃的粘度高时，每分钟转数较少的旋转速度就能满足适当地使玻璃混合并动态地破坏沿圆筒壁向下的玻璃流的连续性。另一方面，当出口被扩大并且流速增加时，搅拌作用的速度也必须增加以保持产生所需玻璃质量的动态条件。 

如图1和2中所示地，示例性的搅拌器22包含用滑轮26驱动的轴24，还包含沿轴的长度排列的三组弓形叶轮，分别为组1、组2和组3。转向图3，叶轮组1、2、3各包含一套三个叶轮片，例如叶轮片28-30，相邻处排列着一套向相反方向弯曲的类似的三个叶轮片31-33。应该注意，叶轮组的数量和每组的叶轮片数量可以根据需要而变化。例如，搅拌装置10可以具有多于或少于三组叶轮。 

各叶轮片28-33具有与轴24的旋转轴平行的主表面区，各主表面区是弓形的并且在一些实施方式中包含至少圆柱形的一部分。各叶轮片28-33的一端还合适地固定在轴24上，并且各叶轮片还与反向弯曲的叶轮片系住以便为叶轮提供刚度。为避免混淆，如下文所述地，包含与另一个叶轮片系住的叶轮片的各组件构成一个叶轮。因此，各叶轮包含结合以形成(外观基本上为圆的)弓形的两个叶轮片。根据图2-3中描绘的示例性的实施方式，叶轮套或组1、2、3各包括三个叶轮13、15和17。本领域的技术人员消楚，本领域已知的其它搅拌器设计可以与本公开的教导结合起来使用。替代的搅拌器设计包括但不局限于采用螺旋的设计和采用相对搅拌器旋转方向具有给定角度的搅拌桨的搅拌器。 

为了进一步增加各叶轮的刚度并进一步促进它们的搅拌作用，可以安装圆盘切片34-39形式的刚性保障的腹杆。安排圆盘切片34-39垂直于轴24的轴，以垂直方式观察，沿叶轮片的内曲率伸展并相互重叠，由此阻碍被搅拌器占据的圆筒体积内的直接向下的玻璃流动。您将意以到，在搅拌器22旋转过程中， 一些叶轮组的叶轮片向外抛出玻璃，而其余叶轮组的叶轮片向内拉动玻璃，由此彻底使玻璃混合。简而言之，搅拌器赋予玻璃的运动使得玻璃不仅被彻底混合，而且，沿圆筒侧壁的玻璃流动也被动态坝有效地阻止于沿壁区域积累的压力产生的流动。 

如果搅拌器轴上的各组叶轮由各自具有两个或多个相反弯曲的叶轮片的两个或多个叶轮制成，那么这种类型的搅拌器是最有效的，但是，当较有限的玻璃产量满足生产的需要时，所有叶轮片以相同方向弯曲的一组或多组叶轮也能令人满意地搅拌玻璃。的确，如所述的，可以从各种不同的搅拌器设计获得本发明的益处，其应用不应该解释为局限于任何具体的设计。 

实验和失败的搅拌器的事后剖析检查显示，搅拌器叶轮/叶轮片的外表面承受高应力。这种应力部分由流经搅拌装置的熔融玻璃的粘性和搅拌器叶轮片与搅拌室壁之间的紧公差(close tolerance)引起。已经发现，叶轮的最外部分在搅拌过程中承受一些最大的应力，但是搅拌器的前向的表面(相对于搅拌器的旋转方向)和与叶轮相邻的壁部分也可能受到高应力。即，各叶轮离轴12最远、离圆筒14的内壁最近的部分，以及与搅拌器22的扫掠直接反向的圆筒14的部分通常比装置10的其它部分受到更高的应力。 

装置10的部分所接触的熔融玻璃可能超过1000℃。因此，可以意识到，包含装置10的材料必须能够耐受这样的高温。而且，除了抵抗熔融玻璃的温度以外，装置10必须在上述应力下显示出耐腐蚀性和耐冲蚀性。为此，装置10的各种元件，特别是与熔融玻璃接触的元件含有已知的难熔金属以提供一定程度的抵抗苛刻环境的保护。 

尽管在装置10的构建中使用于合适的难熔金属，但是，已经发现，装置10可能受到的高应力是造成难熔金属颗粒释放到熔融玻璃中的原因。相信这种颗粒释放是因难熔金属冲蚀而发生。这些难熔金属颗粒可能最终进入完成的玻璃产品中，成为瑕疵。根据玻璃的应用，这种瑕疵可能使玻璃不能使用。例如，光学应用，诸如LCD显示设备极其不能容忍瑕疵。 

在本发明的一些实施方式中，搅拌器22可以含有核部分，所述核部分由合适的耐火材料形成，之后涂布或镀覆难熔金属。例如，在一些应用中，搅拌器22的核可以由钼形成，之后涂布含有铂的难熔金属。该钼核为搅拌器提供 形状和机械强度，而钼的外层提供耐磨性和耐腐蚀性。在另一些实施方式中，搅拌器的核可以完全由铂或铂合金，诸如铂铑合金形成。铂尤其是玻璃搅拌应用中所需的难熔金属，因为其熔点高、耐腐蚀性强、可加工性优良。然而，铂或铂铑合金在高温搅拌过程中不耐冲蚀。通过引入更耐磨材料诸如铱，可以显著减少来自搅拌操作的颗粒。 

可以采用几种将铱应用于搅拌装置10的方法。在一个这种方法中，如图5中所绘制，在核部分19上使铱或铱合金(例如铱铑合金)形成层21。在这方面，所述核定义为其上安排不同材料层的基础材料。图5是叶轮(例如叶轮13)的一部分横截面的部分透视图，显示了核部分19和外层21。例如，常规搅拌器，诸如铂或铂铑合金搅拌器可以用作核并且在其上分层堆积一种或多种铱或铱合金层21。这些层可以用常规方法诸如火焰喷镀或等离子体喷镀或通过例如溅射法来施加。而且，因为搅拌器22的高磨损区靠近叶轮的端部，所以仅搅拌器的一部分需要包含含铱层，诸如叶轮的远端部分27(最接近搅拌室壁或离轴24最远的叶轮部分)。理想地，层21包含至少约50重量％的铱，但是可以包含多达或包括基本上100％的铱，应理解，所述铱可以具有一些有限但少量的杂质，这些杂质不会损害所述铱层的目的和功能。 

类似地，虽然没有显示，圆筒14的内表面可以包括与熔融玻璃接触的层，所述层包含至少约50重量％铱。 

为了提供比一般可获得的(诸如用溅射法)更厚的层，可以通过金属包层法(cladding)使搅拌装置10的铂或铂合金核19包被铱或铱合金层21。实施金属包层可以通过例如本领域已知的热压法来进行。可以包被金属层的搅拌装置10的部分包括圆筒14的内表面和搅拌器22的叶轮，特别是叶轮片。然而，应该理解，搅拌器22的几乎所有部分都可以包括层21。优选金属包层足够厚，使得搅拌器不会像常规搅拌器设计那样使用寿命大幅度缩短。铱或铱合金可以是至少约100μm厚，优选至少约0.5mm厚，也可以是约2mm厚。 

虽然图5例举的层21位于核19的一侧，但是层21可以形成于单侧或两侧，在一些实施方式中，层21可以完全包住核19。核19可以是为搅拌器22提供形状和强度的任何合适的材料。例如，核19可以包含钼或钼合金、陶瓷、铂或铂合金。 

在另一个实施方式中，如图6a中所示，圆筒14和搅拌器22的部分，特别是叶轮的部分可以由铱或铱合金整个制造，并通过诸如焊接插入装置中。例如，叶轮的远端(离圆筒壁最近的叶轮部分)可以由铱或铱铑合金制造，叶轮和/或搅拌器的其余部分由不含铱的材料，诸如铂和/或铂铑合金制造。图6A中所示是来自叶轮(例如叶轮13)的横截面切片。含有铱的区段23通过诸如焊接被插入叶轮的一部分中并与叶轮的铂或铂铑部分25连接。圆筒14也可以完全或部分由铱或铱合金组成。例如，圆筒14被叶轮扫掠的部分可以选择性地由铱或铱合金制造，并与可能含铱或可能不含铱的圆筒的相邻部分连接。或者，圆筒14的整个内表面可以包括铱或铱合金层。图6B显示更大的叶轮(例如叶轮13)部分，而不是其横截面切片，并描绘与区段25连接的叶轮的中间区段23。根据该实施方式，中间区段23由含铱的难熔金属制造，相邻的区段25由另一种难熔金属诸如铂或其合金制造。中间区段23可以包含至少约50％铱，但是在一些实施方式中，区段23可以是基本上100％铱。合适的铱合金包括铱铂合金和铱铑合金。 

为了进一步减少搅拌器的冲蚀，可以单独地或与铱或铱合金层的使用相结合来对搅拌装置10作其它修改。例如，可以改造搅拌器以便在搅拌器的表面产生静态的或准静态的熔融玻璃层。具体地，在叶轮的远端部分27的外表面上可以包含凹槽。较优地，凹槽40与经过包含凹槽的表面上的玻璃流垂直，但是根据搅拌器设计可以有所不同。凹槽40捕获粘性的熔融玻璃，在搅拌器叶轮的端部上产生静态的或准静态的玻璃层。与常规搅拌器中使用的光滑表面造成流动相关的表面冲蚀不同，该实施方式的熔融玻璃静态层具有在叶轮的表面上形成玻璃保护层的作用，由此，通过减少玻璃在叶轮表面上的流动来减少叶轮的冲蚀。 

凹槽40可以如图8A中所示地周期性地排列，也可以如图8B中所示地非周期性地排列。凹槽40可以是由锐角确定界限的矩形，也可以由圆角和/或弓形或成角度的壁确定界限。凹槽40的尺寸可以变化，使凹槽的宽度变化。例如，凹槽可以具有图6B中所示的任何形状。的确，叶轮可以包含图6B的所有或一部分凹槽，例如非周期性的、变化的宽度和变化的凹槽壁形状。 

与搅拌器类似，圆筒14的内表面可以包含特征，它们能使圆筒内表面上产生静态的或准静态的玻璃层。所述特征可以包括凹痕和/或凹槽。例如，可以通过浇铸或机械加工在圆筒14的内表面形成凹槽。所述凹槽可以与上述叶轮表面的凹槽一致。即，凹槽可以与轴24平行、与搅拌器22的旋转或扫掠方向垂直地排列，使得凹槽与经过圆筒表面的熔融玻璃流基本上垂直，并且具有相似的形状和间距。圆筒凹槽也可以具有其它方向，诸如成角度的或倾斜的的方向，使得凹槽类似于枪筒中的膛线，这要与所用搅拌器的式样相称。如果成角度，那么凹槽可以是右手捻或左手捻。凹槽可以是周期性的或非周期性的。如果是凹痕(未显示)，凹痕可以是锯齿状的(离开叶轮)或(朝圆筒14的内部)突出的。搅拌器22的部分，诸如叶轮也可以被赋予凹痕。 

在另一个实施方式中，叶轮被机械加工或以其它方式被改变，使得它们具有贯穿叶轮厚度的孔，诸如图9中所绘制的。优选在叶轮的远端部分27和靠近该部分处形成通孔42，但是通孔也可以布满弓形叶轮片的全部表面的大部分。通孔42产生与凹槽40类似的作用，在叶轮的末端处建立静态的或准静态的玻璃层，由此减少叶轮的冲蚀。而且，消除能以其它方式产生颗粒的材料也有助于减少释放颗粒。孔的数量、孔的直径和它们的排列不应该不可接受地削弱搅拌器。优选孔的直径小于每个约1cm。而且，凹槽或孔不必遍布叶轮的全部表面，而是可以局限于一个区域，该区域从离搅拌器轴最远的点开始沿任一方向扩展不足约5cm。 

应该强调，本发明的上述实施方式特别是任何“优选的”实施方式仅仅是可能的实施例，仅是为理解本发明的构思而叙述。可以对本发明的上述实施方式作许多变化和修改而不会较多地脱离本发明的精神和构思。例如，根据本发明的构思，可以使叶轮片的表面起凹痕或以其它方式作改变或调整，以便使叶轮片的表面上产生静态的或准静态的玻璃层，由此减少或消除表面磨损。其它搅拌器设计(未显示)可以包括螺旋形的或螺旋状的构造。我们希望所有这种修改和变化在此都包括在本公开和本发明的范围内并受到以下的权利要求书的保护。 

Claims (7)

1.一种制造玻璃的方法，所述方法包含以下步骤：

使熔融玻璃流经搅拌容器，所述搅拌容器含有入口管、圆筒、出口管和搅拌器，其中

所述入口管延伸于熔融玻璃的供应机构和所述圆筒之间，使熔融玻璃经所述入口管流入所述圆筒，

所述搅拌器配置在所述圆筒中，并包括轴和沿该轴的长度排列的多个叶轮，所述的轴和多个叶轮由铂或铂合金形成，且每个叶轮离轴最远的远端部分包含铱或铱合金的外层；

使该搅拌器旋转以搅拌熔融玻璃；

使熔融玻璃通过所述的出口管流出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外层包含基本上100重量％铱。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外层的厚度是至少约100μm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮具有多个贯穿其厚度的孔。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮的外表面上具有多条凹槽。

6.一种搅拌熔融玻璃的装置，所述装置包含：

含有膛的圆筒；

与圆筒同轴的配置在所述膛内的轴，所述的轴由铂或铂合金形成；

从所述轴径向伸出至紧邻圆筒壁的多个叶轮；

其中，每个叶轮最靠近圆筒壁的远端部分由铱或铱合金组成，而所述叶轮的其余部分由铂或铂合金形成。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述叶轮的表面上具有凹槽。

Images