CN1367761A - 用于熔化或精炼无机物的渣壳熔炼炉 - Google Patents

用于熔化或精炼无机物的渣壳熔炼炉 Download PDF

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Abstract

本发明渣壳熔炼炉具备以下特征:一个炉壁(1);一个炉底部(3);一个环绕炉壁(1)的感应线圈(9),通过其向熔炼炉内的物品输入高频能量;炉壁(1)由排成一圈的金属管(1.1)构成,这些金属管可与冷却介质相接通,相邻金属管(1.1)之间具有缝隙;金属管(1.1)在其上端处折弯,从炉壁上方向下看其向外延伸,形成一个凸缘环套(2);凸缘环套(2)再被一个上炉壁(4)包围,该上炉壁的上棱边位于凸缘环套(2)平面之上,从而在运行期间熔液覆盖凸缘环套(2)。

Description

用于熔化或精炼无机物 的渣壳熔炼炉
本发明涉及一种用于熔化或精炼玻璃或玻璃陶瓷的所谓渣壳熔炼炉(Skulltiegel)。
由耐火材料组成的熔池受到1650℃以上的高温玻璃熔液的侵蚀，因此耐用度较差，并且制造出来的玻璃含有由熔池材料形成的砖块、节点和疤痕。
此外在温度超过1650℃时电气辅助加热的使用受到很大限制，因为电极，例如钼电极的腐蚀急剧增加，玻璃由于污染严重染色。
侵蚀性的玻璃(如某些光学应用场合所必需的那种玻璃)在熔化期间，特别是在已被熔化时，即使在较低的温度时也强烈侵蚀陶瓷耐火材料。对熔池强烈的侵蚀既会使炉壁耐用度下降而造成不经济，又不能精确地使玻璃产品保持其化学成份和与之相关的所要求的性能。因此这一类玻璃在白金熔池中熔化。但是某些侵蚀性的玻璃也不能在白金熔炉中熔化，因为它侵蚀白金，并且溶解的氧化铂使玻璃染色，或者在后续过程中氧化铂还原成铂金属，形成铂颗粒疵点。
在高纯度玻璃中，例如用于纤维光学中的玻璃，在熔化过程中带入十亿分之几的染色氧化物便可造成危害。
对玻璃高频加热提供了一种将能量直接输入到玻璃内的可能性。由此可以避免因电极腐蚀造成的污染。在美国专利说明书US 4,780,121中描述了一种高频加热的陶瓷精炼熔炉，在该熔炉中在1150℃到1450℃之间的温度下精炼钠钙硅酸盐玻璃(Kalk-Natron-Silicat-Glaeser)。这种方法的缺点在于，在温度超过1700℃时耐火材料仍然受到玻璃强烈侵蚀。
通过将能量直接输入玻璃也可以将玻璃加热到1650℃以上。在采用陶瓷熔炉或熔池材料时熔炉内壁上的温度不应超过1650℃。为了保持这个温度熔炉壁上的温度梯度随着温度的增加越来越陡，也就是说熔炉壁必须越来越薄，对外壁的冷却越来越强。通过自然对流冷却外壁，就像在美国专利说明书US 4,780,121中所描述的那样，有很大的局限性，因为加热的空气会导致熔炉壁和线圈之间电弧放电。如果陶瓷熔炉用水冷铜管冷却，可以达到更高的熔化温度。
在一系列专利说明书US 3,461,215、DE 2033074、EP 0119877 B1、DE3316546 C1中描述了一种完全放弃采用陶瓷内炉结构的渣壳熔炼炉。达到最高到3000℃的熔化温度。在这些专利文献中还描述了用来熔化放射性材料的、连续工作的渣壳熔炼炉。采用渣壳熔炼炉可以避免形成受放射性污染的熔池材料。此外对熔化的玻璃没有气泡质量方面的要求。
DE 3316547 C2描述了一种用来熔化非金属有机化合物的冷熔炉。其中在熔炉上边缘安装一个如由氧化物陶瓷制成的构件。此构件系圆柱形结构。它用来减少热量损失。
所有在文献和专利中所描述的渣壳熔炼炉系统的共同缺点是，水冷的构件伸入到熔液表面之上的气体空腔内。由此带来一些实质问题：1.熔液表面通过热辐射和水冷渣壳熔炼炉壁被冷却。因而从熔液中心到表面形成显著的温度梯度。这对于用作精炼设备是不利的，因为气泡不能上升或只能不充分地通过冷表面层升高，或者导致生成剧烈的泡沫。2.在采用燃烧器辅助加热时含硫的燃烧器废气凝结在冷却的渣壳熔炼炉冷却管上，并由于形成硫酸而导致对铜的腐蚀。这急剧地缩短渣壳熔炼炉的使用寿命。3.侵蚀性玻璃可能导致对上炉膛内水冷却铜构件的侵蚀。由于被侵蚀冷却管表面的直接剥落或者由于金属杂质经气态而输送到玻璃熔液内，导致熔液染色。
本发明要解决的技术问题是提供一种高频加热、且不带陶瓷内炉的渣壳熔炼炉，其能将玻璃熔液加热到接近3000℃的温度，优选为接近2600℃，以及玻璃表面加热达到接近2600℃温度，优选为接近2400℃，并能保护其中的金属冷却管不受冷凝燃气或汽化产物的侵蚀。
上述技术问题是通过权利要求1的特征来解决的。
本发明具体达到如下效果：冷却管在朝向玻璃熔液的一侧完全被玻璃熔液覆盖。因此它们在一侧受到保护而不会受到废气或来自热玻璃表面的蒸汽产物的影响。
这是通过下述手段来达到的：在上炉区的金属冷却管从垂直折转成水平，并位于玻璃表面之下。这种折转可以逐渐完成，或者将冷却管折弯90°。通过将冷却管折弯成水平形成一个位于在熔液表面下方不远处的冷却凸缘环套(Kragen)。在凸缘环套区域内玻璃熔液的温度从内到外逐渐降低。在凸缘环套的边缘区内玻璃熔液可以冷却到可在凸缘环套边缘上安装陶瓷耐火材料环的程度。边缘区的温度可以通过凸缘环套直径和边缘区的玻璃高度来调整，因而即使在中心区内的熔液温度非常高，外部区域内的玻璃仍然可以被冷却下来，并由耐火材料制成的周边将它装在其中。
于是，对金属冷却管的侵蚀问题可以避免。金属管的使用寿命，从而该熔炼炉的使用寿命本身可提高很多倍。
其次玻璃表面通过熔液本身相对于冷却管屏蔽。熔液能阻止上炉膛受到冷却管对其进行不希望的冷却。由此上炉膛可控制地达到较高的温度，从而熔液表面层内也产生较高的温度。这正好对精炼特别有利。这时既可以不用添加精炼剂，也可以在较短的时间内完成精炼过程。
本发明的蘑菇形熔炼炉(以下简称蘑菇熔炼炉)不仅在精炼时，而且在熔化过程时也是有利的。因为与普通熔炼炉相比，其表面温度更高，可促使炉料更快熔化。因而其产量与公知熔炼炉相比得到提高。本发明的另一个优点是，不会有冷却管的剥蚀物进入玻璃熔液内。
通过本发明可以满足工业用玻璃以及光学玻璃的所有要求，尤其是为达到良好透明度所提出的玻璃必须没有气泡的要求。
在用本发明的蘑菇熔炼炉进行精炼时，可以使玻璃将其中的物理和化学相关的气体排除出来。在常见的玻璃熔化过程中，精炼过程借助于精炼剂如Na2SO4、As2O3、Sb2O3或NaCl来完成。这些精炼剂在精炼温度下分解或汽化，形成气泡，来自熔液中的残余气体可能扩散到气泡中。精炼时产生的气泡必须足够大，以便在经济上可以承受的时间内在玻璃熔液中上升到表面并破裂。气泡上升的速度既取决于气泡大小，也取决于玻璃的粘度。例如，在温度从1600℃上升到2400℃时，气泡上升速度提高约100倍，也就是说，温度为2400℃时的0.1mm(毫米)直径的气泡与1600℃的1mm(毫米)气泡上升得一样快。
通过提高精炼温度，大多数气体降低了其物理和化学的溶解度，从而附加地支持高温精炼。
高温精炼提供了这样的可能性，不是大大缩短精炼时间，就是不必添加用来产生大的精炼气泡的精炼剂。其前提是，上升的气体可以到达玻璃表面，气泡在表面破裂而不形成泡沫。
因而十分决定性的优点是本发明可以达到特别高的温度。
本发明的蘑菇熔炼炉的加热主要通过在凸缘环套下方的熔炼炉区域内高频能量的辐射(Einstrahlung)来完成的。由于上炉膛被热绝缘，熔液表面的温度明显高于公知的简单的圆柱形渣壳熔炼炉。
在本发明的蘑菇熔炼炉中，熔液表面可以通过燃气燃烧器或辐射加热器作辅助加热。在这种结构中燃烧器的废气不会凝结在冷的构件上，而是通过排气口从熔炼炉区域排出。此同样适用于来自高温玻璃表面的汽化产物。因而不再存在对金属冷却管的侵蚀问题，并且蘑菇熔炼炉可以维持几乎任意长的时间。
通过上炉膛更好的隔热或通过用燃气燃烧器或辐射加热器辅助加热来提高熔液表面温度，也会促使高频能量更好地输入到这个区域内，因为较热的玻璃表面层具有比低温表面层高的导电能力。从而自身产生增强效应。
对于精炼来说，同样由于熔液表面温度高可以达到更好的效果。因为热玻璃表面是气泡有效地从熔液中逸出的前提。尽管在边缘处的玻璃表面温度下降，在熔炼炉垂直部分内产生并垂直上升的气泡碰到高温玻璃表面。从而保证气泡快速上升和迅速破裂。
下面借助于附图对本发明作详细的说明。
图1以示意正剖视图方式表示蘑菇形熔炼炉(蘑菇熔炼炉)的基本原理。
图2表示构成凸缘环套的金属管的俯视图。
图3表示由板构成的凸缘环套的俯视图。
图4以示意图表示一种用来熔化和精炼玻璃的设备，其中蘑菇熔炼炉用来熔化玻璃。
图5以示意图表示用来熔化和精炼玻璃的另一种设备，其中蘑菇熔炼炉用来精炼玻璃。
图6以一示意剖视图表示一种从其上部区域出料的蘑菇形熔炼炉的基本原理。
图7以示意图表示用来熔化和精炼玻璃的设备的另一种实施方式，其中不管是熔化还是精炼分别在各自的蘑菇熔炼炉中进行。
图8以示意图表示用来熔化和精炼玻璃的另一种设备，其中熔化和精炼分别在各自的蘑菇熔炼炉中进行。
如图所示，图1中的熔炼炉基本上是蘑菇形的。它包括一圆柱形炉壁1。它由排成一圈的垂直金属管构成。垂直金属管在其上端折弯90°，其总体上构成一个凸缘环套2。
熔炼炉的底部3由砖状耐火材料砌成。必要时底部也可以由得到冷却的金属管或环制成。尤其在熔化温度非常高时这是十分有利的。可以看到其有一个用来放出已加工完成的玻璃熔液的出口3.1。
在凸缘环套2的外边缘上装有一个上炉壁4。它做成一个陶瓷耐火材料的圆柱形环。顶盖5同样由耐火材料构成。上炉膛6由上炉壁4、顶盖5以及熔液液面7围成。
一燃烧器的喷嘴8伸入上炉膛6内。
设有一感应线圈9。借助此感应线圈将高频能量输入熔炼炉的玻璃熔液内。
在炉壁1的下部区域内有一电气短路环10。它围绕底部3。这里它是一个水冷却环，蘑菇熔炼炉的底部3与该环短接。为了在高的熔化温度时防止形成电弧，短接是必要的。在熔炼炉非常大时在凸缘边缘上部还有一附加的电气短路环10a。
在图2中构成凸缘环套2的水平管段2.1相对于垂直管1.1直角形折弯。然而并非必须如此。管段2.1也可以成另一种角度伸展，例如从内向外略微升高。
从图2可以看出，炉壁1的管子1.1布置成轮圈形，并至少近似形成一圆筒。
由图2还可以看到凸缘环套2的管子2.1的总体布置情形。
图3以俯视图表示凸缘环套2的另一种结构。在这种情况下凸缘环套由许多空心板2.2组成。它们连接在炉壁1的金属管1.1上。它们可以交替地径向从外向内和从内向外流通冷却液。
但是代替空心的、流通的板2.2也可以采用如下结构：设置如图3中所示的板，然而板并不直接流通冷却液，而是它们被流通冷却液的金属管包围。
图4所示设备中有一个从上方给熔炼炉送入炉料或碎玻璃的装料斗11。该熔炼炉同样具有图1所示的蘑菇熔炼炉的主要组成部分，因而具有一炉壁1、一凸缘环套2、一底部3、一上炉壁4、一顶盖5以及一感应线圈9。
熔液在蘑菇熔炼炉内熔化以后经过一导槽12到达一精炼室13，然后经过一带搅拌器14.1的调温贮槽14到达在该图中未示出的成形工位。
在图5所示实施方式中玻璃用常规方法在一个由耐火材料砌成的熔池中熔化。在这里温度最高达到1700℃。
熔液通过一连接导槽12从下方到达一个进行精炼的蘑菇熔炼炉13。蘑菇熔炼炉同样被感应线圈9环绕。此外在熔液液面上方的拱顶配设一燃烧器。在蘑菇熔炼炉内，当熔液温度直到在1900℃(熔液芯部温度)之前，拱顶用燃烧器或用多个燃烧器进行辅助加热，以确保对于精炼足够的1700℃以上的表面温度。在超过2000℃的极高熔液温度时拱顶必须有效地冷却，以避免过热。冷却通过在上炉膛6内吹入空气或其他气体进行；或者通过用液体介质冷却拱顶进行，此时的拱顶具有类似于由可冷却的金属构件制成的熔炼炉结构，然而它们用耐火材料覆盖，以避免受废气侵蚀。
玻璃熔液通过其在凸缘环套区域内向侧面流出而离开精炼熔炼炉13。它到达一冷却导槽12.1，在那里它冷却到温度1700℃以下。冷却导槽12.1再与一带搅拌器14.1的调温贮存容器14相连。
图6表示一个从上侧面流出的蘑菇熔炼炉的断面。
在图7所示实施方式中可以看到两个本发明蘑菇形渣壳熔炼炉的组合。两个熔炼炉都用高频能量工作(见线圈9)。其中渣壳熔炼炉A用作熔化设备，渣壳熔炼炉B用于精炼。
从上方给熔炼炉A送入炉料或者玻璃熔液。熔化的玻璃在熔炼炉底部导出。玻璃熔液经过导槽12从下方送入渣壳熔炼炉B。因而导槽一方面与渣壳熔炼炉A的底部相连，另一方面与渣壳熔炼炉B的底部相连。这有以下优点。也就是说用这种方法可以使熔炼炉B内玻璃熔液表层温度达到相当高，因而使玻璃气泡向上升。
作为具体的实施方式这里给出一个约为8L(升)高温熔液容积的熔炼炉的尺寸。此熔炼炉在下部区域的直径为20cm(厘米)。它在底部上通过一水冷却环短接。熔液高度为25cm(厘米)。冷却管在20cm(厘米)高度处向外折弯90°。凸缘环套具有50cm(厘米)的外径。在凸缘环套外缘上安装一个由陶瓷二氧化硅或二氧化锆或锆英石制成的环。玻璃密封通过陶瓷环与水冷凸缘环套板的接触来实现。盖板同样由二氧化硅或二氧化锆或锆英石制成。上炉膛的加热借助于一个氧气燃烧器进行。
所述熔炼炉既可作为连续工作的精炼炉也可作为断续工作的熔化炉，使用几个月以上而不出现侵蚀问题。
当然也可以通过相应的尺寸放大达到更大的容积，在具有200L(升)熔液容积的熔炼炉中，位于凸缘环套外缘上的第二个电气短路环证明是必要的。
在图8所示实施方式中同样在熔化炉A后面连接一精炼炉B。这里熔液通过自由下落从熔化炉A到达精炼炉B内。两者都采用本发明的蘑菇熔炼炉。这种结构的优点是，高频构件之间的连接路程较短。这一点对于生产透射性要求很高的侵蚀性玻璃来说，能起重要的作用。在这种情况下采用电阻加热的白金构件作为连接元件。
作为具体的实施方式，这里给出一个约为8L(升)高温熔液容积的熔炼炉的尺寸。熔炼炉下部区域直径为20cm(厘米)，并在底部通过一水冷却环短接。熔液高度为25cm(厘米)。渣壳冷却管(Skullkuchlfinger)在20cm(厘米)高度处有一向外的90°折弯。凸缘环套外径为50cm(厘米)。在凸缘环套边缘上安装一个由陶瓷二氧化硅组成的环。玻璃密封通过陶瓷环与水冷凸缘环套板的接触来实现。盖板同样由二氧化硅组成。上炉膛的加热借助于一个从侧面伸入上炉膛内的氧气燃烧器进行。
线圈与渣壳熔炼炉相隔2cm(厘米)距离，距凸缘环套4cm(厘米)。玻璃的加热借助于高频能量完成。高频的频率为1MHz(兆赫)。高频功率根据熔液温度的不同在100到300KW(千瓦)之间。
这种设备既可以作为连续工作的精炼炉，也可以作为断续工作的熔化设备，使用几个月以上而不会出现任何侵蚀问题。
更大容积的蘑菇熔炼炉要求相应加大高频功率以及与之相匹配的高频频率。如对于具有400L(升)熔液容积的蘑菇熔炼炉需要100KHz(千赫)的频率以及1000至2000KW(千瓦)的高频功率(取决于所要求的温度)。熔液容积的限制主要仅取决于可提供的最大高频功率。

Claims (11)

1.用于熔化或精炼玻璃的渣壳熔炼炉；
  1.1具有一个炉壁(1)；
  1.2具有一个炉底部(3)；
  1.3具有一个环绕炉壁(1)的感应线圈(9)，借助此感应线圈将高频能量输入装于熔炼炉中的物品内；
  1.4炉壁(1)由排成一圈的金属管(1.1)构成，金属管可与冷却介质相接通，相邻金属管(1.1)之间具有缝隙；
  1.5金属管(1.1)在其上端处折弯，从炉壁上方向下看其向外伸展，形成一个凸缘环套(2)；
  1.6凸缘环套(2)被另一炉壁(4)(上炉壁)包围，该另一炉壁的上棱边位于凸缘环套(2)平面之上，从而在运行期间熔液覆盖凸缘环套(2)。
2.按照权利要求1所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：在熔液上方的空腔(上炉膛6)受到遮盖。
3.按照权利要求1或2所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：上炉膛(6)配设一个或多个燃烧器(8)。
4.按照权利要求1至3中任何一项所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：金属管(1.1)在折弯后在凸缘环套(2)区域内扩展成空心板(2.2)，它们可间接或直接地导通冷却介质。
5.按照权利要求1至3中任何一项所述的渣壳式熔炼炉，其特征在于：金属管(1.1)在凸缘环套(2)区域内被空心板包围。
6.按照权利要求4或5所述的渣壳式熔炼炉，其特征在于：
  6.1从上向下俯视，该板(2.1)呈梯形；
  6.2板(2.1)设计和布置成这样，使得两块彼此相邻接的板之间留有一条径向缝隙。
7.按照权利要求5所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：缝隙具有恒定的宽度。
8.按照权利要求1至7中任何一项所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：上炉壁(4)由陶瓷材料制成，在熔液上方的上炉膛内无水冷金属构件。
9.按照权利要求1至8中任何一项所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：该熔炼炉可从上方装料，并在其底部有一流出口。
10.按照权利要求1至9中任何一项所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：渣壳熔炼炉在底部有一入口，在上部有一出口。
11.按照权利要求1至10中任何一项所述的渣壳熔炼炉，其特征在于：出口是一电阻加热的白金管。
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