CN106029584B - 玻璃制造用搅拌器 - Google Patents

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Abstract

本发明为由搅拌器轴和贯通搅拌器轴而固定的多段的棒状的搅拌器叶片构成的玻璃制造用搅拌器。该搅拌器叶片为由圆筒和圆盘构成的中空的圆柱体，所述圆筒通过将由以铂或铂合金为基体并分散有金属氧化物的强化铂或强化铂合金构成的平板的相对的两边进行缝焊而形成，所述圆盘全周焊接在所述圆筒的两端并由相同材料构成，并且，所述棒状的搅拌器叶片以使焊接线与搅拌器轴的中心轴交叉的方式贯通于所述搅拌器轴，且以使其端部的轨迹成为螺旋状的方式固定。而且，该棒状的搅拌器叶片在与所述搅拌器轴的固定部分的断面组织中具有显示出不受由固定带来的热影响的分散组织的芯层。本发明对于高粘度的熔融玻璃的搅拌是有用的，搅拌作用高，并且改善了对变形和破损的耐久性。

Description

玻璃制造用搅拌器
技术领域
本发明涉及用于对熔融状态的玻璃进行搅拌、均质化的玻璃制造用搅拌器。特别涉及适合于对高温或粘度高的熔融玻璃进行搅拌的玻璃制造用搅拌器。
背景技术
在各种玻璃制品的制造工序中，使调整、混合后的玻璃原料熔融，并对熔融状态的玻璃进行搅拌，由此进行其成分的均质化、折射率的均匀化，然后，进行成型而制成玻璃制品。在以往要求均质且无缺陷(波筋、气泡等)的玻璃制品的状况下，该玻璃制造工序中的搅拌工序是特别重要的工序。
熔融玻璃的搅拌工序通常通过将玻璃制造用搅拌器插入到熔融玻璃槽中并使其旋转来进行。该玻璃制造用搅拌器以在作为旋转轴的搅拌器轴(以下，有时简称为轴)上设置搅拌器叶片(以下，有时简称为叶片)的方式构成。关于设置在轴上的叶片的形状，已知有几种形态。例如已知：如图5所示，将多个棒状体作为叶片以多级突出连接在轴上的形态(参照专利文献1)；如图6所示的在轴外周上以螺旋状接合有板材的形态(参照专利文献2)；如图7所示的在轴外周上以螺旋状形成有凸缘状的凸部的形态；等。上述各种搅拌器各自根据搅拌槽的形状和尺寸、成为处理对象的熔融玻璃的性状和要求品质而适当地分别使用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-149338号公报
专利文献2：日本特开2003-34539号公报
发明内容
发明所要解决的问题
近年来，对液晶显示器玻璃等玻璃制品的要求也变得多样化，为了应对该要求，开发了多个品种的玻璃。其中，有在熔融状态下为高粘度的玻璃、在高于以往的高温(1600℃以上)下熔融的玻璃。而且，对于这些特异性的熔融玻璃的搅拌处理，上述以往的搅拌器的有效性令人担忧。
在熔融玻璃的搅拌处理中，需要形成适合于熔融玻璃的流动状态而实现其均质化，但需要根据熔融玻璃的粘度的上升来增强搅拌作用。另外，熔融玻璃的高粘度化和高温化会使施加于叶片的负荷增大。这是因为，通过熔融玻璃的高粘度化，用于得到适当的搅拌状态的扭矩值增大，但这会使对叶片的力学负荷增大。另外，通过熔融玻璃的高温化，气氛温度接近于搅拌棒的构成材料的耐热温度，成为材料软化的主要原因。材料的软化与上述扭矩值增大的作用相结合而引起叶片的变形。
在此，成为问题的是，上述搅拌作用的增大与力学负荷的减小是相反的。即认为，为了增大搅拌作用，通过增加叶片的表面积、根数等而使其更动态地与熔融玻璃接触。例如，在图6的具有螺旋状的叶片的搅拌器的情况下，通过从一列构成的叶片(单螺旋)变为两列构成的叶片(双螺旋)，搅拌作用提高。但是，这样增加叶片会增加对熔融玻璃的阻力体，使搅拌时的扭矩值上升。
因此，本发明的目的在于提供特别是对高粘度的熔融玻璃的搅拌有用、搅拌作用高并且搅拌时的负荷低、不易发生变形或破损的玻璃制造用搅拌器。
用于解决问题的方法
解决上述问题的本发明为一种玻璃制造用搅拌器，由搅拌器轴和贯通所述搅拌器轴而固定的多段的棒状的搅拌器叶片构成，其中，所述棒状的搅拌器叶片为由圆筒和圆盘构成的中空的圆柱体，所述圆筒通过将由以铂或铂合金为基体并分散有金属氧化物的强化铂或强化铂合金构成的平板的相对的两边进行缝焊而形成，所述圆盘全周焊接在所述圆筒的两端并由相同材料构成，所述棒状的搅拌器叶片以使通过所述缝焊形成的焊接线与所述搅拌器轴的中心轴交叉的方式贯通于所述搅拌器轴，且以使其端部的轨迹成为螺旋状的方式固定，并且，所述棒状的搅拌器叶片在与所述搅拌器轴的固定部分的断面组织中具有显示出不受由固定带来的热影响的分散组织的芯层。
本发明的玻璃制造用搅拌器是如图1所示以螺旋状配置棒状的叶片的搅拌器。在利用具有棒状的叶片的搅拌器对熔融玻璃进行搅拌的情况下，通常熔融玻璃从叶片与叶片之间的间隙通过。根据本发明人的观点，在将棒状的叶片以螺旋状配置来对高粘度的熔融玻璃进行搅拌的情况下，熔融玻璃不会从叶片间的间隙通过，产生与螺旋形状的板状叶片(图6)近似的熔融玻璃的搅拌状态。利用该螺旋状叶片产生的熔融玻璃流是朝向熔融玻璃槽的上方的旋涡流。该旋涡流在到达熔融玻璃的上表面后，沿着熔融玻璃槽的壁面向下方流动，因此，能够使熔融玻璃从熔融玻璃槽的下方向上方、然后再向下方流动，可以说是非常良好的搅拌状态。
而且，根据本发明人的观点，通过以螺旋状配置棒状的叶片，能够得到比以往的将板材设置成螺旋状的叶片更有效的搅拌状态，而且，还能够减小搅拌时的扭矩。这是由于，基本上熔融玻璃不从叶片的间隙通过，但局部性地存在熔融玻璃通过的部位。认为在该熔融玻璃的通过部分，熔融玻璃流被剪切，产生与上述的旋涡流相反的方向的流动。而且认为，通过该熔融玻璃流的局部剪切，可以以低负荷得到有效的搅拌状态。
在本发明中，棒状的叶片需要以等间隔且等角度地固定而形成螺旋状。此处，各叶片间的间隔角度优选设定为20°～70°。特别优选将间隔角度设定为25°～45°的范围。各叶片间的间隔角度可以不同，但优选在一个方向上以等角度固定。另外，在轴的轴方向上的叶片与叶片的间隙与棒状叶片的直径无关，优选以10～20mm的间隔固定。更优选将该间隙设定为15mm。这是因为，在将叶片间的间隙设定为各上限以上时，熔融玻璃从叶片的间隙通过，不能再现目标的熔融玻璃的流动状态。
作为叶片的轴长度方向的设置数的段数优选设定为4～10段。在少于4段时，搅拌作用弱，从材料成本的观点考虑，排除超过10段的情况。另外，该段数也考虑搅拌槽的尺寸(深度)来进行设定。
在本发明中，使棒状的叶片贯通于轴而固定。即，关于各段的叶片的根数，以两根棒状叶片相对于轴为对称的方式固定。这样使叶片贯通于轴是为了确保叶片与轴的固定强度。即，在将叶片对接地固定于轴上的情况下，通常利用焊接进行固定，但该情况下，叶片的对接部的大部分的材料组织大多发生变化(图2(a))。通过焊接形成的材料组织(热影响部)在高温下的拉伸强度降低，因此，有可能在使用时在接合部发生断裂。另外，说起来，对于对接的接合而言，固定强度差。与此相对，在使叶片贯通于轴的情况下，以其本身能够具有充分的固定强度。此处，就本发明中的固定而言，对于叶片与轴的接合部(叶片的根部部位)，以密封间隙的程度的焊接是充分的(图2(b))。即使是在该最低限度的焊接部位，也可以确保叶片与轴的接合部的强度，能够消除熔融玻璃的侵蚀。
而且，叶片的构成材料设定为强化铂或强化铂合金。强化铂或强化铂合金是在铂或铂合金中分散有金属氧化物的分散强化型的合金。强化铂或强化铂合金的高温强度特性、特别是高温蠕变强度优良，因此适合作为在高温环境下使用的玻璃制造装置用的结构材料。此处，强化铂或强化铂合金的优选的分散粒子为氧化锆、氧化钇等高熔点阀用金属氧化物、氧化钐等稀土类金属氧化物等。分散粒子优选为粒径小于1μm、特别是约数十nm的粒子，优选将其分散量设定为数质量％以下。另外，基体优选应用铂、或者作为铂合金的铂-铑合金(例如，铂-5～30质量％铑合金)或铂-金合金(例如，铂-5质量％金合金)。
叶片是通过将上述的由强化铂或强化铂合金构成的平板卷起并将相对的两边进行缝焊而形成圆筒并在该圆筒的两端全周焊接由相同材料构成的圆盘而形成的中空的圆柱体。使用中空体是考虑到材料成本、重量。由强化铂或强化铂合金构成的平板的板厚优选设定为1.5mm以上。
关于搅拌器叶片向轴上的固定，为了降低搅拌器旋转时的与玻璃的接触压力，以使叶片制造时的通过缝焊形成的焊接线与搅拌器轴的中心轴交叉的方式贯通于搅拌器轴而固定。
作为叶片的构成材料的分散强化型材料即强化铂或强化铂合金在焊接等固定时熔融、凝固，由此，作为强化组织的粒子分散组织消失。该热影响组织在高温下的拉伸强度低，成为在叶片与轴的固定部分发生破损的主要原因。因此，在本发明中，要求在叶片的与搅拌器轴的固定部分的断面组织中存在显示出不受由固定产生的热影响的分散组织的芯层。通过在叶片的接合部分残留芯层，能够维持作为强化铂或强化铂合金的高温强度(蠕变强度)，即使在粘度高的熔融玻璃中以每分钟数次至十数次的转速进行搅拌动作，也能够在不发生变形、断裂的情况下使用。
该芯层的厚度优选平均为0.1mm以上。这是因为，在为0.1mm以下时，不能维持作为强化铂或强化铂合金的高温强度(蠕变强度)。芯层的厚度越厚越好，从确保固定时的强度的需要考虑，优选设定为1.0mm以下。芯层的厚度更优选设定为0.2～0.8mm。
如上所述，通过使叶片贯通于轴而固定，可以确保两者的接合强度，由此，能够延长叶片的翼长度。叶片的翼长度优选设定为轴的直径的150～600％，可以比较自由地进行设定。叶片的翼长度可以根据熔融玻璃的粘度、叶片的直径进行设定，但优选在将熔融玻璃的粘度设定为约200Pa·s～约400Pa·s的情况下，更优选设定为轴的直径的200～500％。
需要说明的是，作为轴的构成材料，与叶片同样，优选使用强化铂或强化铂合金。
发明效果
如以上所说明的那样，本发明的玻璃制造用搅拌器是将棒状体的叶片以螺旋状配置在轴上的搅拌器，在高粘度的熔融玻璃搅拌时，具有比以往的各种搅拌器更高的搅拌作用，并且还减轻了对叶片的负荷。而且，通过应用强化铂或强化铂合金作为叶片的构成材料并且使其与轴的连接状态适当，能够实现叶片的大型化和向轴上的牢固的固定状态。
附图说明
图1是表示本发明的玻璃制造用搅拌器的一个实施方式的图。
图2是对现有品和本发明中的、叶片与轴的固定状态进行说明的图。
图3是对模拟中应用的搅拌槽和搅拌器的配置状况进行说明的图。
图4是对作为模拟结果的熔融玻璃的搅拌状态进行说明的图。
图5是以往的应用棒状的叶片的玻璃制造用搅拌器的图。
图6是以往的应用螺旋板状的叶片的玻璃制造用搅拌器的图。
图7是以往的应用凸缘状的叶片的玻璃制造用搅拌器的图。
图8是本实施方式的玻璃制造用搅拌器的叶片连接部断面照片。
具体实施方式
以下，对本发明的优选实施方式进行说明。在本实施方式中，制造图1的玻璃制造用搅拌器，确认其搅拌效果。对于由强化铂的中空管构成的搅拌器轴(厚度2.0mm、直径3cm、长度60cm)，开设用于叶片贯通的贯通孔，使搅拌器叶片贯通。叶片是将厚度1.5mm的强化铂合金板卷起并将对接部进行缝焊而制造的管(直径1.5cm、长度15.5cm)。在本实施方式中，应用了以铂为基体并分散有氧化锆的强化铂。而且，在本实施方式中，使这4根管贯通于轴而形成叶片(即，形成8根叶片)。关于叶片位置，以叶片的断面中心为基准，使叶片间的角度恒定为45°，叶片与叶片之间的间隙设定为15mm。
使叶片贯通于轴之后，将叶片的根部部分(贯通孔与叶片之间的间隙)进行缝焊而固定。对于焊接部中的叶片的断面，以使热影响部的深度为1.2mm的方式调整线能量。该焊接的结果是，构成叶片的板材从表面至1.2mm的深度为止，强化组织(粒子分散组织)消失，但在剩余的0.3mm厚度中残留有强化组织。通过叶片的贯通、焊接而制造图1的搅拌器(叶片长度6.25cm)。
对于该制造的搅拌器，进行关于熔融玻璃搅拌的模拟来进行搅拌作用的确认。模拟使用市售的模拟软件(商品名：ANSYS CFX，ANSYS日本公司制造)。该模拟中，如图3所示，在搅拌槽中设置两台搅拌器，对于搅拌熔融玻璃流时的一个搅拌器，对其周围的搅拌状态和轴的扭矩值进行模拟。关于模拟条件，将熔融玻璃流温度设定为1300℃±50℃，将粘度设定为400Pa·s，将两台搅拌器的间隔设定为20cm，以使熔融玻璃流以直角碰撞搅拌器轴的方式进行配置。而且，关于各搅拌器的旋转速度，在卷入熔融玻璃流的方向上设定为10rpm(翼的前端速度为每分钟约500cm)。需要说明的是，为了进行比较，对以往的具有螺旋状的叶片(2.0mm厚度×6.25cm宽度×14cm长度)的搅拌器也进行该模拟。关于模拟结果，将从搅拌开始起经过60秒钟后的混合状态示于图4中。
在图4中，白色的部分为搅拌效果高的部位。可知，对于本实施方式的搅拌器而言，被搅拌的范围扩大至叶片的翼长度的2倍以上的范围，并且越行至上段，搅拌效果高的部位越扩大，搅拌效果最高。从比较例来看，通过将叶片从单个设定为两个，可以说搅拌效果多少增大一些。但是，由于增加叶片而使扭矩值急剧增加。本实施方式是形状与比较例的双螺旋类似的例子，但扭矩值比比较例低，接近于单个与两个的中间。由该结果可知，本实施方式的搅拌器能够使搅拌效果最大，并且还可以减轻负荷(扭矩)。
另外，在本实施方式中，在将叶片贯通于轴并进行焊接时，使叶片根部部分残留有具有强化铂的粒子分散组织的芯层。在上述模拟中，对本实施方式的搅拌器算出施加于最上段的叶片的根部部分(与轴的固定部分)的应力，进行断裂时间的推定。
图8表示本实施方式中的叶片与轴的接合部分的断面。叶片为1.5mm厚的管且具有0.3mm的芯层。即，形成1.2mm的铂合金(铂-10质量％铑合金)与0.3mm的强化铂的复合材料。关于本实施方式的模拟的结果是，在最上段的叶片的根部部分存在3.7MPa的应力的负荷，相对于该负荷的断裂时间仅以上述的强化铂部分(0.3mm)就达到40万小时以上。与此相对，在将叶片的根部部分完全焊接的情况下，即，在将管的整个板厚设定为热影响组织(铂合金)的情况下，断裂时间为362小时。因此，通过残留即使是少量的芯层，能够大幅增加叶片的耐久性。
产业上的可利用性
本发明的玻璃制造用搅拌器即使在高粘度的熔融玻璃的搅拌时也具有高搅拌作用，并且耐久性也优良。本发明特别能够用于LCD、OLED或等离子显示器用的玻璃板的制造、玻璃陶瓷、硼硅酸盐玻璃、光学玻璃、玻璃管制造内玻璃的制造中的玻璃熔体的均质化。

Claims (5)

1.一种玻璃制造用搅拌器，由搅拌器轴和贯通所述搅拌器轴而固定的多段的棒状的搅拌器叶片构成，其中，
所述棒状的搅拌器叶片为由圆筒和圆盘构成的中空的圆柱体，所述圆筒通过将由以铂或铂合金为基体并分散有金属氧化物的强化铂或强化铂合金构成的平板的相对的两边进行缝焊而形成，所述圆盘全周焊接在所述圆筒的两端并由相同材料构成，
所述棒状的搅拌器叶片以使通过所述缝焊形成的焊接线与所述搅拌器轴的中心轴交叉的方式贯通于所述搅拌器轴，且以使其端部的轨迹成为螺旋状的方式固定，
所述棒状的搅拌器叶片的段数为4～10，
所述棒状的搅拌器叶片以各叶片间的间隔角度为20°～70°且在与前段的搅拌器叶片之间具有10～20mm的间隙的方式固定，
并且，所述棒状的搅拌器叶片在与所述搅拌器轴的固定部分的断面组织中具有显示出不受由固定带来的热影响的分散组织的芯层。
2.如权利要求1所述的玻璃制造用搅拌器，其中，搅拌器叶片在与搅拌器轴的固定部分的断面组织中具有平均厚度为0.1～1.0mm的芯层。
3.如权利要求1或2所述的玻璃制造用搅拌器，其中，构成搅拌器叶片的强化铂或强化铂合金分散有氧化锆或氧化钇作为分散的金属氧化物。
4.如权利要求1或2所述的玻璃制造用搅拌器，其中，构成搅拌器叶片的强化铂合金以铂-铑合金或铂-金合金为基体并分散有金属氧化物。
5.如权利要求3所述的玻璃制造用搅拌器，其中，构成搅拌器叶片的强化铂合金以铂-铑合金或铂-金合金为基体并分散有金属氧化物。
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