CN111875235A - 光学玻璃降温装置及其降温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可改善玻璃产品质量的光学玻璃降温装置。光学玻璃降温装置，包括墙体和冷却管，所述冷却管设置在墙体内部，所述冷却管与墙体相交位置形成玻璃液入口和玻璃液出口，且所述冷却管的中心线将墙体内部分为上下两个空间，所述上下两个空间分别构成上加热腔和下加热腔。玻璃液在本发明的降温装置中无自由液面，从而避免了玻璃液在降温装置中产生气、液、固三相界面而形成铂金粒子、挥发凝结物等杂质缺陷造成的玻璃产品内部异物缺陷；玻璃液在降温装置中停留时间集中度明显提高，缓流区域显著减少，从而提高了玻璃液流动一致性，降低了析晶缺陷产生的可能性，提高了产品常数一致性和产品内在质量。

Description

光学玻璃降温装置及其降温方法

技术领域

本发明涉及光学玻璃生产过程中用于高温玻璃液降温的降温装置，以及利用该降温装置改善玻璃液降温过程中温度均匀性和提高玻璃降温过程中停留时间一致性的降温方法。

背景技术

光学玻璃生产过程主要涉及粉料熔化、高温澄清、搅拌均化及条料成型等主要工艺过程，而在高温澄清及搅拌均化之间玻璃液需从最高温度降低至适合均化及后续出料的温度工艺状态，在现有技术中通常采用直管连接澄清池与均化池来完成该降温过程，但该结构随着玻璃产量的增加，玻璃液在此处冷却所需时间也随之增加，而生产线的总体长度限制了连接管的长度。

因此，目前有文献提出在澄清池与均化池之间设置降温池来延长玻璃液的降温时间，实现玻璃液的降温。如图1所示现有的降温池设计，玻璃液从入口1进入降温池，通过降温池顶部开孔与大气相通形成自由液面2，再通过降温池内竖直隔板3使玻璃液向下绕过隔板3然后再向上流动，最后从降温池另一端的出口4流出，因降温池壁面及外部环境温度低于玻璃液温度，实现了玻璃液降温需求。

上述方案对于不易产生挥发、析晶等缺陷的光学玻璃，能显著改善玻璃液降温能力不足的问题，但是对于含氟、磷这一类光学玻璃其适用性比较有限。在含氟、磷这一类光学玻璃中，由于配方中大量的氟化物及磷酸盐的存在使其成玻璃能力较弱，而析晶能力较强且自由界面处挥发严重。高温下气、固、液三相界面处，氧气和水分更充足，导致铂金更容易被侵蚀形成磷酸铂类化合物，而该类化合物浓度增大会导致其容易和玻璃液中的游离氧化物反应，将磷酸铂类化合物还原成铂粒子，从而导致铂金微粒子进入玻璃液内部，造成光在玻璃中的散射，降低玻璃的内透过率，造成光学玻璃内在缺陷；另一方面自由液面会加速高温下氟化物的挥发，影响界面附近的玻璃组分构成，形成高熔点玻璃组分，而此类组分粘附物进入玻璃液中不容易溶解，从而产生结石类异物，形成光学玻璃缺陷。另外，降温池设计导致其在池底附近玻璃液流动缓慢区域容易形成过冷区域，导致部分玻璃液进入析晶温度区域而产生微小晶粒，进一步降低产品内在质量。因此，降温池在解决上述问题时也存在待改进之处。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可改善玻璃产品质量的光学玻璃降温装置。

本发明还要提供一种玻璃液降温方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学玻璃降温装置，包括墙体和冷却管，所述冷却管设置在墙体内部，所述冷却管与墙体相交位置形成玻璃液入口和玻璃液出口，且所述冷却管的中心线将墙体内部分为上下两个空间，所述上下两个空间分别构成上加热腔和下加热腔。

进一步的，所述上加热腔和下加热腔内都设置有加热元件，所述加热元件控制上加热腔和下加热腔的温度低于冷却管中玻璃液的温度，冷却管壁面玻璃液温度高于玻璃析晶温度上限。

进一步的，所述冷却管外部包裹有保温层。

进一步的，所述冷却管分为五段，依次分别为：入口段冷却管、第二段冷却管、第三段冷却管、第四段冷却管和出口段冷却管，所述第三段冷却管管径尺寸最大，所述第二段冷却管作为入口段冷却管与第三段冷却管的过渡管道，其截面形状根据入口段冷却管与第三段冷却管的截面形状进行过渡变化，所述第四段冷却管作为第三段冷却管与出口段冷却管的过渡管道，其截面形状根据第三段冷却管与出口段冷却管的截面形状进行过渡变化。

进一步的，所述入口段冷却管、第三段冷却管和出口段冷却管的截面形状为圆形，所述第二段冷却管和第四段冷却管的截面形状为喇叭口形状。

进一步的，在所述冷却管中设置有若干挡环，所述挡环外壁紧靠冷却管内壁，且所述挡环外壁形状与冷却管内壁形状匹配。

进一步的，当所述冷却管截面为圆形时，所述挡环的高度d为冷却管的内径D的0.05-0.2D，挡环的厚度为0.5-2.5mm。

进一步的，所述挡环上沿圆周方向分割为若干独立小区域，玻璃液从小区域之间的间隙流过，防止玻璃液在挡环与冷却管内壁连接处流动不畅；或所述挡环上沿圆周方向设置多个孔，玻璃液从挡环上的孔中流过。

进一步的，在所述冷却管中设置多个导流片，所述多个导流片沿冷却管的直管部分的圆周方向内壁上设置。

进一步的，所述导流片的高度h为冷却管的内径D的0.01-0.2D，所述导流片的长度小于或等于冷却管的第三段冷却管的直管部分的长度，所述导流片的宽度W低于导流片所在位置的横截面上冷却管内壁周长的0.2倍。

进一步的，在所述冷却管的第三段冷却管的最低位置处设置有排放管。

进一步的，所述冷却管的所有位置的管径尺寸相同，通过设计冷却管的总长满足玻璃液在冷却管中的停留时间。

光学玻璃液的降温方法，该方法包括以下步骤：

1)加热元件通电为上加热腔和下加热腔提供热量，使上加热腔和下加热腔的整体温度达到降温工艺所需温度，该温度低于即将进入冷却管的玻璃液的最低温度；

2)澄清完成后的高温玻璃液由玻璃液入口进入冷却管，玻璃液在冷却管中流动，通过热传递将部分热量传递给冷却管的内壁，冷却管的内壁通过导热将热量传递给保温层，保温层再将热量传递给上加热腔和下加热腔以及墙体，最后符合工艺温度的玻璃液由玻璃液出口流出。

进一步的，步骤1)所述加热元件通电是将上加热腔和下加热腔内的加热元件分别控制，精确控制上加热腔和下加热腔的温度变化，达到控制玻璃液从玻璃液出口流出温度随时间的波动值。

进一步的，步骤2)所述玻璃液在冷却管中流动，玻璃液流动过程中的最低温度高于玻璃析晶温度上限，防止温度穿越析晶温度区时出现析晶缺陷。

本发明的有益效果是：玻璃液在本发明的降温装置中无自由液面，从而避免了玻璃液在降温装置中产生气、液、固三相界面而形成铂金粒子、挥发凝结物等杂质缺陷造成的玻璃产品内部异物缺陷，有利于提高玻璃产品内部透过率，降低了挥发物对环境的污染；实现了冷却管上下空间温度的分别控制，从而提高了空间温度控制精度；解决了降温过程中玻璃液流动、组成一致性变差的问题，相对于现有技术，玻璃液在降温装置中停留时间集中度明显提高，缓流区域显著减少，从而提高了玻璃液流动一致性，降低了析晶缺陷产生的可能性，提高了产品常数一致性和产品内在质量。

附图说明

图1是现有降温池的结构示意图。

图2是本发明的降温装置的结构示意图。

图3是本发明的挡环的结构示意图。

图4是本发明的挡环设置在冷却管中的截面示意图。

图5是本发明的另一种结构的挡环设置在冷却管中的截面示意图。

图6是本发明的导流片设置在冷却管中的截面示意图。

图7是采用本发明的降温装置与现有降温池的玻璃液粒子停留时间集中度对比示意图。

具体实施方式

光学玻璃生产过程中，在玻璃液经过澄清池排除气泡后，将转移至搅拌池进行均化，最后成型成所需形状的产品，为了防止玻璃液在从澄清池转移到均化池过程中玻璃液内部出现挥发、析晶、铂金粒子等缺陷问题，影响产品质量，同时实现玻璃液从澄清温度顺利降温至均化温度，本发明提供了一种降温装置用于该过程的玻璃液降温。

如图2所示，本发明的降温装置包括墙体14和冷却管6，其中，墙体14内部构成密闭空间，冷却管6设置在墙体14内部，冷却管6与墙体14相交位置形成玻璃液入口7和玻璃液出口8，且冷却管6的中心线(中轴线)将墙体14内部分为上下两个空间，在中心线以上的区域为上部空间，中心线以下的区域为下部空间，该上下两个空间分别构成上加热腔10和下加热腔15。

墙体14的主要作用是减少热量损失，同时为整个降温装置提供所需要的受力支撑，可以采用轻质保温砖、刚玉砖等一种或多种耐火材料的组合制成。

冷却管6外部包裹有保温层11，保温层11和墙体14之间通过适当连接来实现墙体14对保温层11的支撑，保温层11可为内部的冷却管6提供受力支撑，防止冷却管6在使用过程中变形、破损，影响降温装置的使用寿命；同时还将所包裹的冷却管6内部玻璃液的热量传至上加热腔10、下加热腔15以及墙体14。

冷却管6内部直接与高温玻璃液接触用于输送玻璃液。本发明的冷却管6分为五段，依次分别为：入口段冷却管61、第二段冷却管62、第三段冷却管63、第四段冷却管64和出口段冷却管65，玻璃液从澄清池流出后，首先从冷却管6的玻璃液入口7进入入口段冷却管61，然后依次经过第二段冷却管62、第三段冷却管63、第四段冷却管64和出口段冷却管65，最后从玻璃液出口8流出。其中，一种实施方式中，可以将第三段冷却管63管径尺寸设计最大，如图2所示，在稳定出料量下玻璃液从入口段冷却管61经第二段冷却管62进入第三段冷却管63时，因管径截面变大玻璃液流速降低，从而增加了玻璃液在冷却管6内的停留时间，有利于快速降低冷却管6内玻璃液的温度。这种实施方式中，入口段冷却管61、第三段冷却管63和出口段冷却管65的截面形状优选为圆形，第二段冷却管62作为入口段冷却管61与第三段冷却管63的过渡管道，其截面形状根据入口段冷却管61与第三段冷却管63的截面形状进行过渡变化，同理，第四段冷却管64作为第三段冷却管63与出口段冷却管65的过渡管道，其截面形状根据第三段冷却管63与出口段冷却管65的截面形状进行过渡变化，具体的，第二段冷却管62和第四段冷却管64的截面形状可设计为喇叭口形状，如图2所示；在另一种实施方式中，冷却管6的所有位置的管径尺寸相同，而通过合理设计冷却管6的总长，同样可满足玻璃液在冷却管6中的停留时间，达到相应的冷却效果。

在第三段冷却管63最低位置处设置有排放管12，用于非正常生产时玻璃液的排出，尤其是换牌号等情况。冷却管6的壁厚优选为0.5-2.5mm，最优选的壁厚为0.75-1.5mm。

冷却管6的材质可采用能够抵抗玻璃液的侵蚀、减少对玻璃液的污染、具有较好的力学强度、防止在高温下产生较大变形的贵金属制成，具体的，可采用铂金属制成，也可采用强度更优异且高温性能稳定的铂铑合金或铂铑弥散材料制成，还可采用强度优异、高温性能稳定的铂金合金制成。

上加热腔10和下加热腔15内都设置有加热元件13，加热元件13通过上加热腔10和下加热腔15向墙体14内壁和保温层11外壁传递热量，为本发明的降温装置补充热量，控制玻璃液在冷却管6中的降温幅度(进出口的玻璃液温差)达到工艺要求；上加热腔10和下加热腔15之间可以通过耐火材料完全隔离，也可以相互连通使两腔内充满的高温气体之间具有微弱了流动性，在一定程度上可以使空间温度更均匀，其中高温气体通常为空气；上加热腔10和下加热腔15可以将加热元件13上的热量均匀辐射到周围固体表面，因此周围固体表面接受的热量更均匀；加热元件13可控制上加热腔10和下加热腔15的温度低于冷却管6中玻璃液的温度，但同时确保冷却管壁面玻璃液温度高于玻璃析晶温度上限，满足玻璃液的降温需求。加热元件13可以采用硅碳棒、硅钼棒、电阻丝等作为加热源，加热源材料的选择主要根据降温装置最高使用温度来确定，当使用温度高于800℃时，优选硅碳棒、硅钼棒作为加热元件13。

上述上加热腔10和下加热腔15内的加热元件13优选分别控制，实现冷却管6的上下空间温度的分别控制，即：将上加热腔10和下加热腔15分别进行温度控制，从而可以精确控制上加热腔10和下加热腔15的温度变化，达到精确控制玻璃液从玻璃液出口8流出温度随时间的波动值。

为了提高本发明的玻璃液冷却换热效率，可在冷却管6中设置若干挡环5，如图3-5所示，挡环5外壁紧靠冷却管6内壁，且挡环5外壁形状与冷却管6内壁形状匹配。优选在第三段冷却管63中设置2-10个挡环5，最优选设置3-6个挡环5。挡环5的材质与冷却管6的材质相同。当冷却管6截面为圆形时，挡环5的高度d为冷却管6的内径D的0.05-0.2D，如图3所示，挡环5的厚度(在图3中为垂直纸面方向的尺寸)为0.5-2.5mm，最优选的厚度为0.75-1.5mm。挡环5上还可沿圆周方向分割为若干独立小区域51，如图3-4所示，带小区域51的挡环5与冷却管6内壁相连并直接与玻璃液接触，玻璃液可以从小区域51之间的间隙流过，防止玻璃液在挡环5与冷却管6内壁连接处流动不畅，在图3-4中挡环5沿周向被分割为12个小区域51。挡环5上还可沿圆周方向设置多个孔52，如图5所示，均布孔52的挡环5与冷却管6内壁相连并直接与玻璃液接触，玻璃液可从挡环5上的孔52中流过。

在另一种实施方式中，还可在冷却管6中设置导流片9，导流片9可沿冷却管6的直管部分的圆周方向内壁上设置多个，如图6所示，其中，冷却管6的直管部分指的是冷却管6的竖直段和水平段，如图2所示，优选将导流片9设置在第三段冷却管63的直管部分。导流片9的材质与冷却管6的材质相同。导流片9的高度h为冷却管6的内径D的0.01-0.2D，导流片9的长度(在图6中为垂直纸面方向的尺寸)小于或等于第三段冷却管63的直管部分的长度，导流片9的宽度W优选低于导流片9所在位置的横截面上冷却管6内壁周长的0.2倍，如图6所示。导流片9可以增加玻璃液的散热接触面，使散热速度加快，还可增加靠近冷却管6内壁及导流片9附近玻璃液的流动扰动，使换热加速，从而提高玻璃液的散热速度。

本发明的挡环5和导流片9可焊接在冷却管6的内壁上，挡环5和导流片9都可增加玻璃液的散热，同时也对冷却管6内横截面上的玻璃温度分布有一定的均化作用，缩小中心和内壁面附近玻璃液的温差。

本发明的降温装置具有无自由液面、玻璃液停留时间集中度高、缓慢流速区域少等优点。无自由液面可以防止玻璃液在降温装置中形成铂金粒子、挥发物杂质等造成的玻璃内部散点缺陷导致的玻璃产品内部透过率下降问题，也降低了挥发物对环境的污染；停留时间集中度及缓慢流速区域的改善可以防止玻璃液局部停留时间过长引起的局部析晶、成分差异导致的物化常数波动问题。所述停留时间集中度是指一段时间内同一批玻璃液流出量占总流量的百分数，该值越大，说明其集中度越好、玻璃组分一致性越好、物化性能越理想。所述缓慢流速区域是指在整个玻璃液流动过程中，玻璃液流速为最快流速的1％及以下的玻璃液所占的流动区域。

本发明通过采用具有以上结构的降温装置，可以提供以下光学玻璃液的降温方法，该方法包括以下步骤：

1)加热元件13通电为上加热腔10和下加热腔15提供热量，使上加热腔10和下加热腔15的整体温度达到降温工艺所需温度，该温度低于即将进入冷却管6的玻璃液的最低温度；

2)澄清完成后的高温玻璃液由玻璃液入口7进入冷却管6，此时玻璃液处于相对较高温度，玻璃液在冷却管6中流动，通过热传递将部分热量传递给冷却管6的内壁，冷却管6的内壁通过导热将热量传递给保温层11，保温层11再将热量传递给上加热腔10和下加热腔15以及墙体14，最终散失在大气环境中，最后符合工艺温度的玻璃液由玻璃液出口8流出。

上述玻璃液在冷却管6中的流动过程中的最低温度需高于玻璃析晶温度上限，防止温度穿越析晶温度区时出现析晶缺陷。通过上述热传递过程，将玻璃液工艺要求以外的热量散失掉，实现了高温玻璃液流入降温装置，而低温玻璃液流出降温装置的冷却效果。

采用以上降温方法，优选将上加热腔10和下加热腔15内的加热元件13分别控制，可精确控制上加热腔10和下加热腔15的温度变化，达到控制玻璃液从玻璃液出口8流出温度随时间的波动值。

本发明还进行了验证实验，通过数值模拟分析的方式评价图1和图2所示的结构，分析了现有结构的降温池及采用本发明的降温装置两种情况下的玻璃液流过降温装置的流场分布，记录了5000个平均分布在入口1和玻璃液入口7截面上的玻璃液粒子在降温池及冷却管6中的停留时间，然后统计出玻璃液粒子停留时间集中度，如图7所示。图7中横坐标为粒子的停留时间，纵坐标为粒子停留时间集中度，停留时间集中度反映到图7中所形成的曲线峰值和半峰宽，曲线峰值越高，半峰宽越小，说明粒子停留时间集中度越高，反之，曲线峰值越低，半峰宽越宽，说明粒子停留时间集中度越差，也就是说同一批玻璃液流过装置的停留时间越分散，玻璃液越容易出现组分差异，从而使产品的物理化学性能不稳定。通过图7对比可见，本发明的降温装置在停留时间集中度上明显好于现有技术的降温池。从图7中提取最短停留时间分析发现，采用本发明装置在计算域体积相同的情况下最短停留时间增加了17％。另外，还通过统计计算域中的缓慢流速区域在整个装置中的占比，得到采用本发明的降温装置进行玻璃液冷却时的缓慢流速区域在整个冷却管流体区域中的占比为3.7％，而采用现有技术的降温池时该占比达到17.7％。考虑到管道壁面无滑移效应的影响，3.7％的缓慢流速区域占比已非常理想，完全能满足降温过程中玻璃液一致性要求。

本发明的光学玻璃降温装置及其方法适用于常规光学玻璃、含易挥发成分光学玻璃、易析晶类光学玻璃等类型的玻璃液降温，特别适用于环保重火石类玻璃、镧系玻璃、低软化点玻璃、低折射低色散玻璃的降温冷却。

Claims (15)

1.光学玻璃降温装置，其特征在于，包括墙体(14)和冷却管(6)，所述冷却管(6)设置在墙体(14)内部，所述冷却管(6)与墙体(14)相交位置形成玻璃液入口(7)和玻璃液出口(8)，且所述冷却管(6)的中心线将墙体(14)内部分为上下两个空间，所述上下两个空间分别构成上加热腔(10)和下加热腔(15)。

2.如权利要求1所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，所述上加热腔(10)和下加热腔(15)内都设置有加热元件(13)，所述加热元件(13)控制上加热腔(10)和下加热腔(15)的温度低于冷却管(6)中玻璃液的温度，冷却管壁面玻璃液温度高于玻璃析晶温度上限。

3.如权利要求1所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，所述冷却管(6)外部包裹有保温层(11)。

4.如权利要求1所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，所述冷却管(6)分为五段，依次分别为：入口段冷却管(61)、第二段冷却管(62)、第三段冷却管(63)、第四段冷却管(64)和出口段冷却管(65)，所述第三段冷却管(63)管径尺寸最大，所述第二段冷却管(62)作为入口段冷却管(61)与第三段冷却管(63)的过渡管道，其截面形状根据入口段冷却管(61)与第三段冷却管(63)的截面形状进行过渡变化，所述第四段冷却管(64)作为第三段冷却管(63)与出口段冷却管(65)的过渡管道，其截面形状根据第三段冷却管(63)与出口段冷却管(65)的截面形状进行过渡变化。

5.如权利要求4所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，所述入口段冷却管(61)、第三段冷却管(63)和出口段冷却管(65)的截面形状为圆形，所述第二段冷却管(62)和第四段冷却管(64)的截面形状为喇叭口形状。

6.如权利要求1所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，在所述冷却管(6)中设置有若干挡环(5)，所述挡环(5)外壁紧靠冷却管(6)内壁，且所述挡环(5)外壁形状与冷却管(6)内壁形状匹配。

7.如权利要求6所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，当所述冷却管(6)截面为圆形时，所述挡环(5)的高度d为冷却管(6)的内径D的0.05-0.2D，挡环(5)的厚度为0.5-2.5mm。

8.如权利要求6所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，所述挡环(5)上沿圆周方向分割为若干独立小区域(51)，玻璃液从小区域(51)之间的间隙流过，防止玻璃液在挡环(5)与冷却管(6)内壁连接处流动不畅；或所述挡环(5)上沿圆周方向设置多个孔(52)，玻璃液从挡环(5)上的孔(52)中流过。

9.如权利要求1所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，在所述冷却管(6)中设置多个导流片(9)，所述多个导流片(9)沿冷却管(6)的直管部分的圆周方向内壁上设置。

10.如权利要求9所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，所述导流片(9)的高度h为冷却管(6)的内径D的0.01-0.2D，所述导流片(9)的长度小于或等于冷却管(6)的第三段冷却管(63)的直管部分的长度，所述导流片(9)的宽度W低于导流片(9)所在位置的横截面上冷却管(6)内壁周长的0.2倍。

11.如权利要求1所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，在所述冷却管(6)的第三段冷却管(63)的最低位置处设置有排放管(12)。

12.如权利要求1所述的光学玻璃降温装置，其特征在于，所述冷却管(6)的所有位置的管径尺寸相同，通过设计冷却管(6)的总长满足玻璃液在冷却管(6)中的停留时间。

13.光学玻璃液的降温方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)加热元件(13)通电为上加热腔(10)和下加热腔(15)提供热量，使上加热腔(10)和下加热腔(15)的整体温度达到降温工艺所需温度，该温度低于即将进入冷却管(6)的玻璃液的最低温度；

2)澄清完成后的高温玻璃液由玻璃液入口(7)进入冷却管(6)，玻璃液在冷却管(6)中流动，通过热传递将部分热量传递给冷却管(6)的内壁，冷却管(6)的内壁通过导热将热量传递给保温层(11)，保温层(11)再将热量传递给上加热腔(10)和下加热腔(15)以及墙体(14)，最后符合工艺温度的玻璃液由玻璃液出口(8)流出。

14.如权利要求13所述的光学玻璃液的降温方法，其特征在于，步骤1)所述加热元件(13)通电是将上加热腔(10)和下加热腔(15)内的加热元件(13)分别控制，精确控制上加热腔(10)和下加热腔(15)的温度变化，达到控制玻璃液从玻璃液出口(8)流出温度随时间的波动值。

15.如权利要求13所述的光学玻璃液的降温方法，其特征在于，步骤2)所述玻璃液在冷却管(6)中流动，玻璃液流动过程中的最低温度高于玻璃析晶温度上限，防止温度穿越析晶温度区时出现析晶缺陷。

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