CN102781856B - 稳定熔融材料柱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种设备，该设备在成管或成棒工艺中用于稳定黏性材料，如熔融的玻璃或玻璃陶瓷的流动。所述设备包括稳定件，熔融玻璃离开成形容器喷嘴之后从该稳定件通过。该稳定件位于喷嘴下方有限距离处。黏性材料柱受稳定件壁或者设置在柱与稳定件之间的气膜支撑。本发明还揭示了一种方法，该方法在拉制工艺过程中用于稳定离开喷嘴之后的黏性材料的流动。

Description

稳定熔融材料柱的方法

要求在先美国申请的权益的声明

本申请要求2010年2月25日提交的欧洲申请第10305188.4号的权益。此文件的内容以及本文提到的出版物、专利和专利文件的所有内容都通过参考结合入本文中。

技术领域

本发明涉及由熔融材料制备管材或棒材的方法和设备，具体涉及基于玻璃或玻璃陶瓷的管材或棒材的成形。

背景技术

制造玻璃管材和/或棒材的方法是公知的。例如，美国专利US2009793描述了一种形成玻璃管材或棒材的方法。在这种所谓的维洛（Vello）法中，熔融玻璃经容器底部开口从容器流出，形成熔融玻璃柱。在开口处，设置在物料流内的吹管注入气体如空气，使之通过圆柱形或圆锥形截面，进入熔融玻璃中，在柱内产生空心中心线，从而形成中空熔融玻璃管。此后，将玻璃管的流动方向从竖直方向改为非竖直方向，如水平方向。此方法的下拉变化形式也是已知的，其中玻璃管被竖直向下拉，不改变流动方向。

当玻璃转变为稳定的结晶形式时会发生失透现象。在高于某温度（称作失透温度或液相线温度）时，晶化受到抑制。对于给定的方法，液相线温度（或者反过来说液相线黏度）直接影响晶化是否有可能发生。

对于多组分玻璃，玻璃中常常存在不同的失透限制因素，具体取决于形成的相关晶相和形成位置。为了确定玻璃发生失透的倾向，技术人员必须考虑与具体方法相关的失透限制因素。对于通过拉制法生产的玻璃，这通常是在上述相边界发生的晶化。

然而，对于不同的玻璃，玻璃晶化的倾向可能有相当大的差异，而且会随玻璃的化学组成变化。改变组成会影响晶化倾向。然而，组成变化会显著影响玻璃的其他性质，这些性质往往由玻璃的目标用途决定。因此，利用常规方法和设备，不大可能选出一种满足以下要求的玻璃组成：它具有针对晶化的必要稳定性（即不发生晶化），而仍能满足受目标用途控制的预定物理特性方面的要求。

发明内容

本发明揭示了一种设备，当以黏性液体材料柱的形式将黏性液体材料如熔融玻璃材料从喷嘴拉出时，该设备能够稳定该黏性液体材料的流动。这种方法可用于形成玻璃棒材或管材。在一些情况中，如当需要一组特定的属性时，可能有必要牵拉低黏度的黏性液体材料，如当黏性液体具有低液相线黏度时。为了防止失透，必须将黏性液体材料维持在高温，使材料的黏度小于液相线黏度。然而，为了获得稳定的拉制方法，使黏性材料柱不摇摆或坍塌，对于材料黏度在拉制过程中可以有多低是有限制的。这将制造商置于两难境地：要么为防晶化而将黏性材料保持在足够低的黏度，但工艺不稳定；要么将黏度保持在足以实现工艺稳定的数值，但有晶化的风险。本文揭示了使喷嘴流出的黏性材料稳定流动的方法和设备，使得制造商可以在能避免晶化的黏度下拉制材料。

在一个实施方式中，描述了一种稳定黏性液体材料柱的方法，所述方法包括：a）使黏性液体材料从容器中的开口流出，形成黏性液体材料柱；b）将所述黏性液体材料柱竖直向下拉过一种气氛；c）将所述黏性液体材料柱拉入由稳定件限定并包含入孔和出孔的通路，所述通道设置在黏性液体材料柱周围；以及d）其中所述黏性液体材料在所述开口处的黏度小于该材料的液相线黏度，且该材料柱在稳定件出孔处的黏度至少为10¹³泊。

若需要管材，如玻璃管，可通过置于容器开口中的吹管将气体注入黏性液体材料柱内部。如需要棒材，可中断气体流动和/或撤去吹管。

在一些实施方式中，黏性液体材料柱从包含稳定件的管子中流过，黏性液体材料接触管子内壁。

在其他的实施方式中，用多孔材料或者具有许多穿孔的材料形成稳定管，使气体从稳定管中流过。气体在黏性液体材料柱与稳定管内表面之间形成膜，所述膜阻止黏性液体材料柱与稳定管之间接触。

在一些实施方式中，可控制稳定件中的黏性液体材料柱的温度。例如，可将冷却元件设置在稳定件上，当黏性液体材料柱流过稳定件时，冷却元件改变该材料的温度。

黏性液体材料柱在入孔处的外径优选小于入孔内径。

在另一个实施方式中，揭示了一种将熔融材料拉成基于玻璃的管材的设备，所述设备包含：成形容器（forming vessel）；延伸通过所述成形容器中的开口、形成供所述熔融材料从其中流过的环形喷嘴的吹管，所述吹管用于接收加压气体，并将该加压气体注入从所述喷嘴流出的熔融材料中；以及设置在所述喷嘴下方预定距离处的稳定件，所述稳定件用于接收通过所述稳定件中的通路的熔融材料流。所述通路可由包含多孔或穿孔壁的稳定管限定。稳定件还可包含冷却元件，用来控制流过稳定件的熔融材料的冷却速率。在一些实施方式中，稳定件可用于接收加压气体，所述加压气体通过稳定管的多孔或穿孔壁，在稳定管的多孔或穿孔壁与熔融材料之间形成气膜。

在以下的详细描述中提出了本发明另外的特征和优点，对于本领域的技术人员而言，由所述内容或通过按照本文所述实施本发明而了解，其中的部分特性和优点将是显而易见的。所含附图用于进一步理解本发明，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。应理解，在本说明书和附图中揭示的本发明的各种特征可以任意和所有的组合方式使用。

附图说明

图1是从常规玻璃成形设备的喷嘴流出的熔融玻璃柱（例如熔融玻璃）的截面视图，如常规维洛型或下拉式工艺，包含熔融玻璃柱离开喷嘴后从其中流过的稳定件。

图2是图1所示稳定件的截面视图。

图3是适用于图1所示设备的另一种稳定件的截面视图。

图4是另一种用来从熔融材料形成管材的设备的截面视图，该设备包含稳定件的另一种实施方式。

图5是包含图4所示稳定件的多孔管的透视图。

图6是用来从熔融材料形成管材的另一种设备的截面视图，该设备包含稳定件的另一种实施方式。

图7是包含图6所示稳定件的穿孔管的透视图。

具体实施方式

在以下的详述中，为了说明而非限制的目的，给出了说明具体细节的示例性实施方式，以提供对本发明的充分理解。但是，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在从本说明书获益后，可以按照不同于本文所述具体细节的其他实施方式实施本发明。另外，本文会省去对于众所周知的装置、方法和材料的描述，以免干扰对本发明的描述。最后，在任何适用的情况下，相同的附图标记表示相同的元件。

如前所述，要令人满意地拉制基于玻璃（或玻璃陶瓷）的管材或棒材，需要在用来形成制品的熔融材料的黏度与拉制制品的能力之间达成平衡。也就是说，熔融材料的黏度必须足够低，以防失透，特别是在熔融材料接触成形设备和气氛的情况下，但也要足够高，以防熔融材料从成形设备下行后流动不稳定。这些约束条件限制了可供拉制成玻璃管材或棒材的组合物的数量。尽管下面的描述是就生产空心玻璃管而言的，但应当指出，所述实施方式同样适用于拉制实心玻璃棒。本文所用的管材或棒材意指一种实体，该实体具有圆形、卵形或椭圆形或者多边形截面形状（即在垂直于实体长轴的平面内）。管材是中空的，而棒材整个是实心的。另外，尽管对熔融玻璃材料给予了特别关注，但本文所揭示的方法和设备同样可适用于由熔融材料形成制品的其他工艺，如采用熔融塑料的工艺。

在形成玻璃管的常规方法，如所谓的维洛法中，将熔融材料供给下部具有开口的储器。所述开口通常是圆形的，但也可以是卵形、椭圆形或多边形。将加压件或吹管竖直插入开口，一般与开口共中心，形成环形喷嘴。吹管是可调整的，从而可相对于喷嘴将其竖直提高或降低；吹管壁可具有直形壁，或者具有圆锥形部分，加压气体在此部分离开。熔融材料流过喷嘴，同时通过吹管将加压气体如空气鼓入熔融材料内部，在所得熔融材料柱内产生空心内部。喷嘴下游的拉制辊或牵拉辊夹住下行的管材，施加向下的拉制力。本文所用的“下游”和“上游”应理解为相对于熔融材料从喷嘴流出的方向，因而上游是指流来的方向，而下游是指流去的方向。通过改变以下参数可以控制管材的几何特性：例如，供给吹管的气体压力，吹管所处的竖向位置，拉制速率，熔融材料的黏度（即温度），以及熔融材料的质量流速。在维洛法中，下行管材的拉制方向从喷嘴处的竖直方向变成喷嘴下游的横向或侧向（例如水平方向）。在其他方法中，拉制方法没有变，而是继续向下拉。无论在哪种方法中，均可从材料柱上分离预定长度的管材（或棒材）段。

熔融材料柱上的拉制力随高度变化，从储器出口所处高度向着第一组牵拉辊所处高度减小。不管什么时候，只要施加在黏性材料管上的竖直拉制力变成负值，流动就变得不稳定。因此，若熔融材料在成形容器出口或喷嘴处的黏度低于一定值，熔融材料会过于自由地流动，熔融柱的重量引起的下降速率变得比拉制速率快。结果是流动不稳定，使直形玻璃柱的形成变得困难或不可能。一般认为，此黏度约为30千泊（kP）。因此，制造商通常被限制在特定范围的玻璃组合物上，这些玻璃组合物既能产生合适的工作黏度，使成形过程在不失透的情况下进行，又能产生所生产的制品需要的物理属性。然而，在一些情况下，最终制品可能需要通常认为可拉制的玻璃组合物无法满足的属性。也就是说，所需玻璃组合物的液相线温度可能足够高，但在喷嘴处防止失透所需的材料温度可能导致喷嘴处的黏度低于成功拉制的一般下限（例如30千泊）。为了克服这些流动不稳定性并在约低于30千泊的黏度下拉制熔融材料，可如下文所述采用稳定件。

图1呈现了用于拉制基于玻璃或玻璃陶瓷的管材或棒材的设备10，该设备包含装有黏性熔融材料14的成形容器12。设备10可用于例如上述维洛法。黏性熔融材料14可以是例如用来形成玻璃或玻璃陶瓷的前体材料，一般称作“熔融玻璃”或“熔体”。因此，熔融材料14通常这样形成：在熔炉中熔化所选金属氧化物及其他玻璃形成材料的混合物，将熔融材料供给合适的成形设备，如成形设备10。成形容器底部16帮助限定开口18。吹管20竖直延伸进入开口18，使开口在吹管周围形成圆环状或环形。在下文中，环形开口称作喷嘴18。在压力下将来自气源（未示出）的气体（例如空气）（如箭头22所以）供给吹管20，由吹管引入从喷嘴18竖直向下流动的熔融材料柱24。气体在材料柱24内形成空心内部空间26并维持该空心内部空间26。吹管20是可调整的，从而可相对于容器底部16提高或降低吹管的竖直位置。吹管20可具有直形壁，如图1和2所示，或者吹管20可包含圆锥形下段。

随着熔融材料柱24从成形容器12和喷嘴18下行，黏性熔融材料冷却，从黏性材料转变为黏弹性材料，最终变成固体弹性材料（例如玻璃）。随着黏性熔融材料柱从喷嘴18下行，材料柱也经受竖直拉伸应力，材料柱的直径变窄。将稳定件28设置在成形容器12下方。稳定件28包含具有入口端32和出口端34的空心稳定管30。入口端32靠近材料柱的变窄部分，具有入孔，入孔直径D_in（见图2）大于熔融材料柱在入口端32的直径D_c。入口端32的位置，即喷嘴18下方有限距离L处，取决于成形容器中熔融材料的黏度和成形容器下方的冷却速率，它们可随熔融材料的不同组成而异。然而，随着材料柱从喷嘴18下行并通过空心稳定管30，材料柱直径D_c增大，直到材料柱最终接触稳定管30的内表面。稳定件28，特别是稳定件30接触黏性熔融材料的内表面，优选由熔融材料不会黏附在其上的金属形成，其选择通常依赖于温度。例如，熔融材料处于低温（例如等于或低于约650℃）时可使用钢，熔融材料处于中温（例如在约600-750℃或800℃的范围内）时可使用石墨，或者熔融材料处于高温（例如约高于750℃的温度，例如约750-900℃之间）时可使用氮化硼，等等。

为了控制熔融材料通过稳定件28（和稳定管30）以及从黏性液体转变为弹性固体时的冷却速率，可随着拉制距离（例如与喷嘴18的距离）的变化来控制稳定管30的温度，从而控制稳定管30内黏性熔融材料的温度和黏度。为此，稳定件28可包含一个或多个冷却元件。冷却元件可设置在例如稳定管30的外表面附近。例如，一个或多个冷却元件可包含管道36，冷却流体从管道中流过。管道可包在稳定管30周围。在一些实施方式中，可直接在稳定管30的壁内形成冷却通道。或者，可采用热电冷却元件。也可在合适的情况下使用其他常规冷却方法。冷却流体可以是水、空气或其他任何冷却流体，只要具有适合冷却流经稳定管的黏性材料的热容即可。

为了确保下行黏性熔融材料柱在进入稳定管时不接触稳定管30的入口端32，稳定管30的入口端32可包含圆锥形状，使得入口端32处的入孔直径D_in大于稳定管长度中部位置的稳定管内径D_ID。这样一种构造示于图3。材料柱24离开稳定管30之后，立即用设置在稳定件28下方的反向旋转牵拉辊38向下牵拉材料柱，牵拉辊夹住材料柱，从成形容器12向下拉制材料柱。较佳的是，材料柱24在出口端34离开稳定管30时的黏度至少约为10¹³泊。

在图4所示的另一个实施方式中，材料柱24流过包含多孔材料如石墨的空心稳定管40。图5是多孔稳定管40的透视图。从喷嘴18下行的黏性熔融材料柱24进入稳定管40的空心内部，不接触稳定管内表面。将加压气体如空气供给多孔稳定管外表面（如箭头42所示），使之流过多孔材料中的通路。将气体引入多孔稳定管40周围的外壳或罐44中，使得多孔稳定管40起该罐内衬或内壁的作用。加压气体充满外壳里面的内部空间46，经多孔稳定管的孔逸出，从而在流经多孔稳定管空心内部的熔融材料柱24与稳定管内表面之间形成气体支撑垫。此垫使黏性材料稳定流动，形成直柱。较佳的是，材料柱24与稳定管40的内表面之间的空隙约为50-150微米。在一些实施方式中，可对供给外壳44的气体的温度加以控制，从而能够控制通过稳定管空心内部的材料的冷却速率。例如，可通过热交换器（未示出）冷却所供气体。或者，可加热所供气体。较佳的是，离开多孔稳定管40的材料的黏度至少为10¹³泊。

在又一个实施方式中，如图6所示，前一实施方式中所述的多孔材料可用穿孔稳定管48代替（见图7），即包含大量延伸通过稳定管壁的孔的衬套。同前面一样，稳定件28还包含外壳或罐44，它包围稳定管48，在外壳壁与稳定管之间形成内部空间46。将加压气体（如箭头42所示）供给所述内部空间，从稳定管48流出，在熔融材料柱24与穿孔稳定管之间形成气体垫。此实施方式与前一实施方式的不同之处在于，气体不是经无数微小、曲折的通路穿过多孔材料，而是直接从稳定管穿孔壁的孔中流过。气体垫稳定黏性材料柱，形成直柱。较佳的是，材料柱24与稳定管48的内表面之间的空隙约为50-150微米。在一些实施方式中，可对气体的温度加以控制，从而能够控制通过稳定管空心内部的材料的冷却速率。例如，可通过热交换器（未示出）冷却所供气体。或者，可加热所供气体。

示例性、非限制性实施方式包括：

C1.一种稳定黏性液体材料柱的方法，该方法包括：

a.使黏性液体材料从容器中的开口流出，形成黏性液体材料柱；

b.将所述黏性液体材料柱竖直向下拉过一种气氛；

c.将所述黏性液体材料柱拉入由稳定件限定并包含入孔和出孔的通路，所述通道设置在黏性液体材料柱周围；以及

d.其中所述黏性液体材料在所述开口处的黏度小于该材料的液相线黏度，且该材料柱在稳定件出孔处的黏度至少为10¹³泊。

C2.如C1所述的方法，所述方法还包括将气体注射到黏性液体材料柱内部。

C3.如C1或C2所述的方法，所述方法还包括使所述黏性液体材料柱接触所述稳定件的至少一部分。

C4.如C1或C2所述的方法，所述方法还包括用气膜将上述黏性液体材料柱与所述稳定件隔开。

C5.如C1-C4中任一项所述的方法，所述方法还包括控制所述稳定件中的黏性液体材料柱的温度。

C6.如C1-C5中任一项所述的方法，其特征在于，所述黏性液体材料柱在所述入孔处的直径小于所述入孔的直径。

C7.一种用来将熔融材料拉成基于玻璃的管材的设备，所述设备包含：

成形容器；

延伸通过所述成形容器中的开口、形成供所述熔融材料从其中流过的环形喷嘴的吹管，所述吹管用于接收加压气体，并将该加压气体注入从所述喷嘴流出的熔融材料中；以及

设置在所述喷嘴下方预定距离处的稳定件，所述稳定件用于接收通过所述稳定件中的通路的熔融材料流。

C8.如C7所述的设备，其特征在于，所述通路由包含多孔或穿孔壁的管子限定。

C9.如C7或C8所述的设备，其特征在于，所述稳定件还包含用于控制熔融材料冷却速率的冷却元件。

C10.如C7-C9中任一项所述的设备，其特征在于，所述稳定件用于接收加压气体，所述加压气体通过所述多孔或穿孔壁，在所述多孔或穿孔壁与所述熔融材料之间形成气膜。

C11.一种稳定从喷嘴流出的黏性材料柱的方法，所述方法包括：

使黏性材料从喷嘴流出，形成黏性材料柱，其中离开所述喷嘴的所述黏性熔融材料的黏度小于该黏性材料的液相线粘度；

使所述黏性材料柱通过设置在所述喷嘴下方的空心稳定件；以及

其中离开所述稳定件的所述黏性材料柱的黏度约大于10¹³泊。

C12.如C11所述的方法，所述方法还包括使所述黏性材料柱接触所述空心稳定件内部的至少一部分。

C13.如C11所述的方法，所述方法还包括用气膜将所述黏性材料柱与所述稳定件的内表面隔开。

C14.如C13所述的方法，其特征在于，所述稳定件包含多孔稳定管，所述黏性材料柱从所述稳定管的空心内部通过。

C15.如C11-C14中任一项所述的方法，其特征在于，所述稳定件包含冷却元件。

C16.如C15所述的方法，所述方法还包括使冷却流体流过所述冷却元件。

C17.如C11-C16中任一项所述的方法，所述方法还包括将气体注入所述黏性材料柱，使所述黏性材料柱包含空心内部。

C18.如C11-C17中任一项所述的方法，其特征在于，所述黏性材料是熔融玻璃。

C19.如C11-C18中任一项所述的方法，其特征在于，所述黏性材料柱在进入所述稳定件之前通过环境气氛。

C20.如C11-C19中任一项所述的方法，其特征在于，离开所述喷嘴的熔融材料的黏度小于30千泊。

应当强调，本发明上述实施方式、特别是任意“优选的”实施方式，仅仅是可能实现的实施例，仅用来清楚理解本发明的原理。可以在基本上不偏离本发明的精神和原理的前提下，对本发明的上述实施方式进行许多改变和调整。在本文中，所有这些调整和改变都包括在本说明书和本发明的范围之内，受所附权利要求的保护。

Claims (9)

1.一种稳定黏性液体材料柱的方法，该方法包括：

a.使黏性液体材料从容器中的开口流出，形成具有空心内部空间的黏性液体材料柱，其中所述黏性液体材料是形成玻璃或玻璃陶瓷的前体材料；

b.将所述具有空心内部空间的黏性液体材料柱竖直向下拉过一种气氛；

c.将所述具有空心内部空间的黏性液体材料柱拉入由稳定件限定并包含入孔和出孔的通路，所述通路设置在黏性液体材料柱周围；以及

d.其中所述黏性液体材料在所述开口处的黏度小于30千泊，该材料柱在稳定件出孔处的黏度至少为10¹³泊，所述具有空心内部空间的黏性液体材料柱的直径D_c在所述稳定件入孔处小于入孔的直径D_in，并且从所述入孔到所述出孔增大。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将气体注射到黏性液体材料柱内部。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括使所述黏性液体材料柱接触所述稳定件的至少一部分。

4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括用气膜将所述黏性液体材料柱与所述稳定件隔开。

5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括控制所述稳定件中的黏性液体材料柱的温度。

6.一种稳定从喷嘴流出的黏性材料柱的方法，所述方法包括：

使黏性材料从喷嘴流出，形成具有空心内部空间的黏性材料柱，其中所述黏性液体材料是形成玻璃或玻璃陶瓷的前体材料，并且离开所述喷嘴的所述黏性熔融材料的黏度小于30千泊；

使所述具有空心内部空间的黏性材料柱通过设置在所述喷嘴下方的空心稳定件；以及

其中所述具有空心内部空间的黏性液体材料柱的直径D_c在所述稳定件入孔处小于入孔的直径D_in，并且从所述入孔到出孔增大；离开所述稳定件的所述具有空心内部空间的黏性材料柱的黏度大于10¹³泊。

7.如权利要求6所述的方法，所述方法还包括使所述黏性材料柱接触所述空心稳定件内部的至少一部分。

8.如权利要求6所述的方法，所述方法还包括用气膜将所述黏性材料柱与所述稳定件的内表面隔开。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述稳定件包含多孔稳定管，所述黏性材料柱从所述稳定管的空心内部通过。