CN101784492A - 控制玻璃制造系统中熔体材料液位的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在制造玻璃时将粉末配合料送入炉子的方法。从第一大体积配合料进料机(46)以第一配合料进料速率、从第二微调配合料进料机(56)以第二微调配合料进料速率加入所述粉末配合料。所述微调配合料进料速率等于或小于总配合料进料速率的10％。根据玻璃熔体液位改变微调配合料进料速率。还披露了微调电极和微调燃烧器的使用。

Description

控制玻璃制造系统中熔体材料液位的方法和设备

技术领域

本发明涉及维持玻璃制造系统中熔体材料液位(level)的方法和设备，具体涉及根据熔体材料液位控制前体材料的进料速率和熔化速率的方法和设备。

背景技术

在典型的玻璃制造系统中，将通常为粉末态的各种原料组分或配合料(batch material)加入或“装入”熔炉。粉末配合料熔化，形成可流入该系统制造部分的黏性熔融材料。所述黏性熔融材料冷却后形成玻璃。出于讨论而非限制的目的，所述黏性熔融材料在下文中将称为熔融玻璃或玻璃熔体。

在熔化过程中，熔炉中玻璃熔体的液位宜保持恒定。若熔体液位过分波动，玻璃熔体会“洗刷”熔炉壁的不同区域。这种担心不无道理，因为炉壁一般衬有耐火砖，一定时间后，耐火砖会溶解到熔体中，因而形成壁的耐火砖不同区域的组成变化可能会反映到熔体中。此外，在熔融处理过程中，各种熔融副产物会累积在耐火壁上。例如，熔体表面一般覆盖有未熔配合料和熔融产生的泡沫。液位的波动会导致熔体的化学组成不稳定，或者会将固体耐火材料和/或配合料杂物带入熔体。最后，液位的波动和相应的补救措施会破坏熔体的热稳定性。

从历史上看，相当多的玻璃板是在浮法系统中生产的，先在熔炉中熔化前体材料，通过澄清除去气态夹杂物，使之流到第二熔体介质(通常是锡)的表面上。

近年来，人们用熔合法(fusion process)生产无缺陷特征格外突出的玻璃板，用于制造光学显示器。该方法是先在熔炉中熔化前体材料，然后使之流过管子或管道和容器组成的系统，进入成形管。成形管包含敞顶容器，所述容器包括会聚的成形表面。熔融玻璃从容器顶部溢流出来，从成形容器两边，包括会聚的成形表面流下。然后，两股分开的流体在会聚的成形表面相遇的线上重新融合。因此，与成形管耐火表面接触的熔融玻璃在形成的玻璃板内部融合，而玻璃板外表面未接触成形表面。熔炉与成形管之间的管子和容器通常由耐火金属如铂或铂-铑合金形成，它们统称为铂系统。

由于铂系统内的温度波动，铂系统上的压降可能会变化，导致液位波动；而液位波动又会回头扩散至熔炉，使得熔合型玻璃制造方法比其他方法更容易发生液位波动。一般地，由于存在前述熔融副产物，熔炉内的熔融玻璃可能不具有完美的表面，所以直接测量熔炉中玻璃的液位比较困难。因此，可采用间接法。一般地，可通过改变配合料向炉内的进料速率来控制液位。然而，典型的螺旋式配合料进料机(screw-type batch feeder)一般是高容量设备，无法做到在不进料过头、超出目标液位的情况下进行充分维持液位所需的精细控制，从而产生新的液位波动。

发明内容

本发明提供了使熔融玻璃生产熔炉中的液位基本保持恒定的方法。所述方法引入了一种微调配合料进料机(trim batch feeder)，与较大的大体积配合料进料机(bulk batch feeder)所装入的配合料的量相比，前者只向炉子中装入较小百分比的粉末配合料。使用小体积进料机可精细调整总体进料速率。根据本发明的实施方式，一个或多个大体积配合料进料机以恒定的输出量运行，而配合料进料速率的变化通过改变较小的微调进料机的输出量实现。不过，若需要对总体进料速率作较大改变，也可改变大体积进料机的输出量。

改变进料速率也可能导致配合料薄层(batch blanket)和该薄层下面的熔融玻璃的温度发生变化。因此，本发明进一步设想使用微调加热器，其目的是小增量改变熔体温度。加热熔体的方法包括燃料-氧化剂加热器(例如位于熔体上方的气体喷射器)和将电极浸没在熔体表面之下的电流加热器。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种形成玻璃熔体的方法，其包括以大体积进料速率将配合料从大体积配合料进料机送入炉子，以等于或小于总配合料进料速率10％的微调进料速率将配合料从配合料微调进料机送入炉子(总配合料进料速率为大体积进料速率与微调进料速率之和)，加热炉子中的配合料，形成玻璃熔体，探测玻璃熔体的液位；根据玻璃熔体的液位改变微调进料速率，同时保持大体积进料速率恒定。

应当理解，上面的概述和下面的详述给出的是本发明的实施方式，意在为理解要求专利权的本发明的性质和特点提供全面评述或框架。所含附图用于进一步理解本发明，它并在本说明书中，构成其一部分。附图显示了本发明的示例性实施方式，与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方式的示例性玻璃制造工艺的横截面侧视图。

图2是图1所示熔炉的横截面侧视图。

图3是图1所示熔炉除去炉碹(crown)后的俯视截面图。

图4是根据本发明另一个实施方式的熔炉除去炉碹并装上第二大体积配合料进料机后的俯视截面图。

具体实施方式

在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，给出了披露具体细节的示例性实施方式，以便透彻理解本发明。不过，对于了解本发明的益处的本领域普通技术人员来说，显而易见的是，本发明可以通过背离本文所披露的具体细节的其他实施方式予以实施。此外，对众所周知的设备、方法和材料的描述可能省略，以免干扰对本发明的描述。最后，只要适用，相同的附图标记代表相同的对象。

图1所示为根据本发明的玻璃制造设备10的一个实施方式的横截面图，其包括熔炉或“预熔器”12，如在生产玻璃板的熔合玻璃制造法中可能用到的那些。熔炉12通常由难熔材料如氧化铝或氧化锆砖组成。除熔炉12外，设备10包括从熔炉到澄清池的连接管(MFC)14、澄清池16、从澄清池到搅拌器的连接管(FSC)18、搅拌器20、从搅拌器到料筒的连接管(SBC)22、料筒24、降液管26、进口28和成形管30。经进口34将配合料32装入熔炉12，配合料在此熔化，形成熔融玻璃或玻璃熔体36。然后，让玻璃熔体36经MFC 14流入澄清池16，进行脱气或“澄清”熔体。玻璃熔体自澄清池16经FSC 18流入搅拌器20，熔融玻璃在搅拌器中匀化。搅拌器20可包含例如旋转搅拌器叶片，所述叶片伸长并切割熔融玻璃，以降低非均匀性。熔融玻璃从搅拌器流入料筒，通过降液管，然后进入成形管30。成形管30是敞顶容器，包含会聚的侧壁，使得进入成形管30的熔融玻璃从成形管溢流出来，作为两股独立的熔融玻璃流顺着会聚的成形侧壁流下。在会聚侧壁底部，两股独立熔融玻璃流重新融合，形成具有未受破坏外表面的玻璃板31。对熔合玻璃制造法的更全面的描述可参见Dockerty的美国专利第3338696号，其内容通过参考并入本文。

在熔合型玻璃制造法中，熔炉12与成形管30之间的管道(例如MFC 14、澄清池16、FSC 18、搅拌器20、SMC 22、料筒24和降液管26)一般用难熔金属形成，例如铂或铂合金，如铂-铑。另一方面，成形管30通常是由诸如氧化锆这样的材料制成的整体式难熔块体。

如图2所示，炉子12包含底部38、侧壁40和顶部(碹部)42。利用马达48驱动的螺旋式进料机(螺旋给料机)46，通过进口34将来自料斗44的配合料装入炉子12，在炉子内熔融玻璃36的至少一部分表面上形成配合料薄层。可以根据检测到的熔融玻璃的液位，以间断的方式或者更优选连续的方式向炉子12中装入配合料。例如，可通过插入熔炉12下游管道中的熔融玻璃液位探针50探测熔融玻璃的液位。液位探针50可以是例如电阻型检测器，其电流随探针50受熔融玻璃冲刷(接触)的多少而变化。不过，可以采用任何常规熔融玻璃液位检测系统，包括非接触方法，如使用微波或光学传感器。

沿炉子12侧壁40设置的碹部燃烧器(crown burner)52燃烧燃料-空气或燃料-氧气(即燃料-氧化剂)混合物，以加热覆盖熔融玻璃的配合料与炉碹42之间的空隙。此外，沿炉子12侧壁设置的电极54(如图3所示)通过由电流从一个电极出发，流过熔融玻璃，到达另一个电极，对玻璃熔体进行电阻或焦耳效应加热。

按照常规，给熔炉装料的方法必须能够与熔融玻璃的出炉量相适应，例如熔融玻璃通过MFC 14的量，使炉子12内的熔融玻璃的液位基本保持恒定。即便对于较小的熔炉，维持恒定液位所需配合料的量也必须超过500磅/小时。能够提供恒定流量的螺旋式进料机一般不能少量地改变其进料速率。因此，进料速率的改变有时可能超过所需幅度，使得在达到新平衡液位之前，熔体液位在目标液位附近振荡。

因此，本实施方式进一步包括微调进料机56，它由微调马达58驱动，相比于明显大得多的进料机，即配合料进料机46，前者对进料速率的控制精细得多。较佳的是，微调进料机56以一定方式运行，使其对进料速率的贡献约等于或小于总配合料进料速率的10％，优选约等于或小于总配合料进料速率的7％，更优选约等于或小于总配合料进料速率的5％。在一个实施方式中，微调进料机对进料的贡献约等于或小于总配合料进料速率的3％。因此，对于要求配合料进料速率为1500磅/小时的熔炉，其运行时的进料速率为总配合料进料速率的3％的微调进料机56应当提供不超过约45磅/小时的配合料进料速率。总配合料进料速率的其余97％由螺旋式进料机46提供。进料机46和56可自同一料斗进料，或者进料机46和56也可自各自独立的料斗进料。通过提供明显小得多的进料速率，微调进料机56有利于更为渐进地调节熔炉12中熔融玻璃的液位，从而最大程度减小仅使用大体积配合料进料机46的常规熔炉中可能发生的振荡或“起伏”。

将液位探针50与控制仪60连起来，可以实现液位控制，其中将测得的液位与预定液位设置点相比较，就可得到液位差信号。然后，利用液位差信号驱动微调马达58，进而驱动微调进料机56，可使熔炉12中的熔融玻璃液位基本保持恒定。在一个更精密的方法中，可以常规方式利用模糊逻辑表确定供给微调进料机马达58的所需驱动信号。本发明可用于控制熔炉12中的熔融玻璃液位，使液位变化小于约0.25英寸，更优选小于约0.20英寸，甚至更优选小于约0.15英寸，还更优选小于约0.1英寸。

对于了解本发明的益处的本领域普通技术人员来说，显而易见的是，上述方法可延伸至加热熔融玻璃的方法。也就是说，调节加入熔炉12的配合料的量，可能使熔体温度发生不利的变化。为最大程度减小潜在的温度变化，熔炉12可进一步包括安装在配合料薄层与碹42之间的侧壁内的微调燃烧器62(图2)。熔炉12也可包括一个或多个安装在侧壁40内、处于玻璃熔体表面水平以下的微调电极64。较佳的是，所述一个或多个微调电极64安装在靠近微调进料机56的地方。例如，所述一个或多个微调电极可位于微调配合料进料机下面和/或旁边。例如，图4显示了两个位于微调进料机56旁边的微调电极64a和64b。

较佳的是，微调燃烧器62和微调电极64应具有合适的尺寸，使得贡献于熔体的功率大小正比于微调进料机56装入的配合料的进料速率变化。也就是说，若微调进料机的配合料进料速率例如增加，以维持玻璃熔体的液位，则微调燃烧器和微调电极所贡献的功率应当成正比例地增加。再次假设总配合料进料速率为1500磅/小时，则微调燃烧器和微调电极应当能够供给约15kW的总净功率，以确保能够补偿微调进料机供给的配合料进料范围。基于45磅/小时的微调进料速率，假设需要1100BTU/磅的热量熔化45磅/小时的配合料，相当于3413BTU/小时/kW，则此功率经计算为15kW。也就是说，微调燃烧器和/或微调电极应当能够供给的总净功率约为(1100BTU/磅)*(微调进料速率)/(3413BTU/小时/kW)。较佳的是，微调燃烧器和/或微调电极的功率输出变化可以小于约1kW、优选小于约0.5kW、更优选小于约0.1kW的幅度实现。微调燃烧器62和微调电极64也可通过控制仪60控制，例如通过合适的设备如分别用质流控制仪和继电器/电压调节器/电流调节器(未示出)控制。

应当理解，大体积螺旋式进料机46实际上可包含多个大体积螺旋式进料机。也就是说，如图4所示，熔炉12可包含第一大体积螺旋式进料机46a、第二大体积螺旋式进料机46b和微调进料机56。承接上面的例子，若所需要的总配合料进料速率是1500磅/小时，则螺旋式进料机46a和46b优选设定为提供总进料速率的97％，所提供的进料速率为这两个进料机平分，而总进料速率的剩余3％由微调进料机56贡献。因此，大体积配合料进料机46a和46b各贡献43.5％的配合料流量，即约773磅/小时，而微调进料机56提供剩余的约45磅/小时的流量。

在操作中，启动向熔炉送入配合料的过程的实际方法是从通过微调进料机56向炉内送入配合料开始的。例如，微调进料机56可以约为总预定配合料进料速率1％的进料速率开始。然后，可启动一个或多个大体积配合料进料机46，经调节后，供给预定总配合料进料速率的剩余99％。此后，所述一个或多个大体积配合料进料机可以恒定输出量运行，如以恒定的RPM运行，而仅利用微调进料机对进料速率进行所需的任何改变，将熔融玻璃基本维持在恒定液位。当然，若为维持基本恒定的玻璃熔体液位而需要对总配合料进料速率进行的调整超出了较小的微调进料机的能力，则可利用所述一个或多个大体积配合料进料机，其后如前文所述，在大体积配合料进料机与微调配合料进料机之间会建立新的进料速率平衡。

应当强调，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子，仅用于清楚理解本发明的原理。可以对本发明的上述实施方式作出许多改变和改进，只要基本上不背离本发明的精神和原理。所有这样的改进形式和变化形式都包括在本文和本发明的范围之内，并受以下权利要求的保护。

Claims (20)

1.一种形成玻璃熔体的方法，其包括：

以大体积配合料进料速率将配合料从大体积配合料进料机送入炉子；

以等于或小于总配合料进料速率的10％的微调配合料进料速率将配合料从微调配合料进料机送入炉子，所述总配合料进料速率为所述大体积配合料进料速率与微调配合料进料速率之和；

在所述炉中加热所述配合料，形成玻璃熔体；

测定玻璃熔体的液位；以及

根据玻璃熔体的液位改变微调配合料进料速率，同时保持大体积配合料进料速率恒定。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述微调配合料进料速率等于或小于总进料速率的5％。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述微调配合料进料速率等于或小于总进料速率的3％。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述以大体积配合料进料速率进料的步骤包括从多个大体积配合料进料机送入配合料。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述测定玻璃熔体的液位的步骤包括用传感器探测该熔体的液位。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述玻璃熔体的液位在炉子下游探测。

7.如权利要求5所述方法，其特征在于，将探测到的玻璃熔体液位与预定液位值作比较，利用探测到的液位与预定液位值之差改变微调配合料进料速率。

8.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述加热步骤通过加热手段进行，按与微调配合料进料速率变化成正比的关系改变该加热手段的功率输出。

9.如权利要求8所述方法，其特征在于，所述加热手段是燃烧火焰。

10.如权利要求8所述方法，其特征在于，所述加热手段是电流。

11.一种维持炉中玻璃熔体液位基本恒定的方法，其包括：

以第一配合料进料速率将配合料从第一配合料进料机送入炉子；

以等于或小于总配合料进料速率的3％的第二配合料进料速率将配合料从第二配合料进料机送入炉子；

在炉中对配合料进行加热，形成玻璃熔体；

探测玻璃熔体的液位；以及

根据玻璃熔体的液位改变第二配合料进料速率。

12.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述探测在熔炉下游进行。

13.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述加热步骤通过加热手段进行，按与第二配合料进料速率变化成正比的关系改变该加热手段的功率输出。

14.如权利要求11所述方法，其特征在于，将探测到的玻璃熔体液位与预定液位值作比较，利用探测到的液位与预定液位值之差改变微调配合料进料速率。

15.如权利要求11所述方法，其特征在于，在改变第二配合料进料速率的过程中，第一配合料进料速率基本保持恒定。

16.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述炉子包括熔合玻璃制造工艺，该工艺包含难熔金属容器，用于将玻璃熔体传送到成形设备。

17.一种形成玻璃熔体的设备，其包括：

用于熔化配合料，使其形成玻璃熔体的炉子；

至少一个用于以第一配合料进料速率将配合料送入炉子的大体积配合料进料机；

用于以第二配合料进料速率将配合料送入炉子的微调配合料进料机，

其中所述第一和第二配合料进料速率之和构成总配合料进料速率，且第二配合料进料速率小于或等于所述总配合料进料速率的10％。

18.如权利要求14所述设备，其特征在于，所述第二配合料进料速率小于或等于所述总配合料进料速率的3％。

19.如权利要求14所述设备，其特征在于，所述至少一个大体积配合料进料机包括多个大体积配合料进料机，所述第一配合料进料速率是所述多个大体积配合料进料机中每个进料机的配合料进料速率之和。

20.一种使用权利要求17所述设备的玻璃制造系统。

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