CN1452601A - 玻璃及/或玻璃陶瓷的均匀加热装置 - Google Patents

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伯恩德·霍庇
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Abstract

本发明涉及一种用于加热玻璃和/或玻璃陶瓷的装置，它包括一个或多个红外辐射器，本发明的特征在于，装置具有至少一个过滤器元件，该过滤器至少过滤掉红外辐射器辐射的部分长波射线，以致没有或极少的长波辐射可到达要加热的玻璃陶瓷件或玻璃件上。

Description

玻璃及/或玻璃陶瓷 的均匀加热装置
本发明涉及一种用于玻璃或玻璃陶瓷的均匀加热装置以及一种使用该装置进行加热的方法。
为了调整某些材料特性，例如陶瓷化，半透明或透明的玻璃及/或玻璃陶瓷通常被加热至一定温度，该温度优选高于低的冷却点(粘度η＝1014.5dPas)。在成型过程中，特别是二次热处理时，半透明或透明玻璃及/或玻璃陶瓷被加热至加工点(粘度η＝104dPas)或超过该温度。典型的低冷却点根据玻璃种类可在282℃和790℃之间，一般的加工点可达1705℃。
目前加热玻璃及/或玻璃陶瓷主要通过使用功率强的表面加热器，如燃气炉。
这样的加热器一般被认为是表面加热器，热源的总热量的至少50％被带入加热物体的表面或表面的邻近层。
如果辐射源呈黑或灰，并且具有色温1500K，则总辐射量的51％的辐射源在大于2.7m的波长范围内辐射。如果色温低于1500K，如在多数电阻加热器内，则大大超过总辐射量的51％在大于2.7m辐射。
由于多数玻璃在此波长范围具有一个吸收端，所以辐射量的50％或更多被表面或表面的邻近层所吸收。由此可说明是表面加热。
一种特殊形式的表面加热器是用气焰加热，典型的火焰温度为1000℃。借助于煤气炉的加热，大部分是通过热气体的热能传播给玻璃或玻璃陶瓷的表面，这里可以产生一个温度梯度，由于粘度梯度而对成型造成不良影响，特别是对于厚度≥5mm的玻璃。
一般在表面加热时，对着热源的玻璃或玻璃陶瓷表面或表面的邻近层被加热，其余的玻璃或玻璃陶瓷部分必须通过玻璃或玻璃陶瓷内部的导热而被加热。
由于玻璃或玻璃陶瓷在1W/(mK)范围内一般具有微小的导热性，所以为了保持玻璃或玻璃陶瓷内小的压力，随着材料厚度的增加，对玻璃或玻璃陶瓷的加热越来越慢。
为了借助导热达到对玻璃的快速均匀加热，要求煤气炉具有高的功率产生。这种形式的加热局限于小的表面上，因为借助于煤气炉全面注入所要求的功率密度是不可能的。
如果玻璃或玻璃陶瓷的均匀加热不成功或不充分，则必然导致生产过程或产品质量中的不均匀性。例如在玻璃陶瓷的陶瓷化过程中的不按规则性会引起玻璃陶瓷的弯曲或炸裂。
加热和/或成型的另一种可能性是，对玻璃及/或玻璃陶瓷或者玻璃及/或玻璃陶瓷的坯件使用IR-辐射加热，主要是短波IR-辐射。
从DE 4202944 C2已知使用一种，包含IR-辐射器的装置和方法来快速加热材料，该材料在其2500nm上面具有高的吸收。为使IR-辐射器的热量能快速进入材料，DE 4202944 C2建议使用一个辐射变换器，由它放射出二次射线，它具有与初次射线不同的长波范围。
UA-A-3620706描述了使用短波IR-辐射器对透明玻璃的深度均匀加热。依照UA-A-3620706的方法基于：所使用的射线的吸收长度比要加热的玻璃物的尺寸大很多，这就使照射的射线的大部分穿过玻璃，并且玻璃体体积内每个点的吸收能量都几乎相同。但是这种方法的缺点是：玻璃体内的均匀辐射在表面上没有得到保证，使得IR-辐射源的强度分布影响加热玻璃。而且这种方法中只使用电能的一少部分用于玻璃的加热。
使用短波IR-辐射器对玻璃或玻璃陶瓷的加热，一部分是通过在玻璃或玻璃陶瓷继续呈透明的波长范围的射线进行的，对于多数玻璃是在小于2.7m范围。例如使用色温在3000K的辐射器，86％的入射射线落于这一范围。这种射线的短波部分被玻璃微弱吸收，所以只要加热的玻璃尺寸明显小于玻璃内所用射线的吸收长度，投入能量就会在深部继续形成均化。为避免所用射线的大部分在经过一次辐射后未被利用就离开玻璃，可以在IR-辐射器的空间内放置良好的反射或反散射的屏蔽面，由此克服UA-A-3620706所述方法的缺点。
由位于一辐射空间内的IR-辐射器发射的一小部分入射射线……在色温为3000K时为14％…落于波长范围大于2.7m，在这一范围大多数玻璃的吸收很强，因此这里在玻璃表面或表面的邻近层有能量导入。这限制了加热过程可达到的温度均匀性，所以该加热方法仅限于那些在玻璃中对于避免温度梯度要求较小的过程，例如允许温度梯度为30K/cm或更大时。
如果短波IR-辐射器也可在产品质量与温度均匀性密切相关的加热过程中被利用，则要提供一种装置和方法，用它可通过短波IR-射线使玻璃深度加热，同时在辐射器波谱内存在的不可避免的长波部分(大于2.7m)也不引起玻璃或玻璃陶瓷内部所不允许的温度梯度。
这一任务依照本发明是这样解决的，即加热装置包含一过滤器，它主要仅使射线的短波部分穿过，而长波部分至少部分被过滤，例如被吸收或反射，这样就没有或很少的长波射线到达要加热的玻璃或玻璃陶瓷上。
这种过滤器可由一平板或一围绕IR-辐射器的外壳组成。一种富含OH的玻璃优选被用作过滤器的材料，它在短波范围的吸收比要加热的玻璃或玻璃陶瓷更弱，由此保证过滤器的吸收端正好位于2.7μm，因此它只吸收最小量的在深部起作用的射线(小于2.7m)，而最大量的吸收不希望的在表面起作用的射线(大于2.7m)。
为避免过滤器的不允许的加热，可以进行冷却，例如空气冷却。当过滤器具有IR-辐射器的外壳时，则更为有利。此时IR-辐射器的空气冷却可同时用于外壳以及过滤器的冷却。
当过滤器的材料使用人造的富含OH的石英玻璃时，特别有利，使短波吸收最少、长波吸收很好的特性进行结合，其优点是高的热承载力和温度变化稳定性。
过滤器还可选择石英玻璃或其它玻璃，使通过的射线能被散射，这样过滤器还可起到散射板的作用，由此避免射线源反映在要加热的玻璃或玻璃陶瓷体上，从而带来后者温度的均匀性的改善。
将IR-辐射器安装在一个IR-辐射空间，具有特别的优点。
US-A-4789711以及EP-A-0 133847展示了IR-辐射空间，它们所公布的内容全都包括在本申请中。由壁、底板或顶板反射和/或散射的红外线大于到达这些面上的射线的50％，是有利的。
如果由壁、底板或顶板反射和/或散射的红外线大于90％，特别是大于98％，则更为有益。
使用IR-辐射空间的另一优点是，在壁、底板或顶板使用强的反射和/或散射材料时，涉及到一个高质量Q的共振器，它的损失微小，因此保证了高的能量利用。
在使用反散射的壁、顶板或底板材料时，空间内所有体积单元在各个角落都达到特别均匀的射线通过，这就避免了复杂成形的玻璃件或玻璃陶瓷件可能出现的遮蔽效应。
作为反散射或可反射的墙材料例如可使用磨光的石英板，其厚度可选30mm。
其它IR-射线的反散射材料也可作为IR-辐射空间的壁、顶板或底板材料或者涂层材料，如以下一种或多种材料；
Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；
MgO·3.5Al2O3；MgO，SrF2；SiO2；
SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；
堇青石-烧结玻璃陶瓷。
在发明的一个优选的实施方案中，IR-辐射器所显示的色温大于1500K，特别优先大于2000K，更优先大于2400K，特别是大于2700K，更特别是大于3000K。
为避免IR-辐射器过热，最好进行冷却，特别是空气或水冷却。
为了使玻璃或玻璃陶瓷借助于所安装的辐射器以达到所要求的加热，IR-辐射器应可各自关闭，特别是其电功率是可调节的。
除了装置外，本发明还提供了一种加热玻璃或玻璃陶瓷件的方法，其中IR-射线被过滤，因此没有或只有可忽略不计的极少长波IR-射线到达要加热的玻璃或玻璃陶瓷上。
在本发明的装置中，玻璃或玻璃陶瓷的加热，一部分直接由IR-辐射器的IR-射线进行，另一部分间接地通过从IR-辐射空间的壁、顶板或底板反射或反散射的射线来进行。
如果间接部分，即作用于加热的玻璃或玻璃陶瓷坯件上的反射或反散射射线，高于总射线功率的50％，是有益的，优先高于60％，优先高于70％，特别优先高于80％，特别优先高于90％，更特别优先高于98％。
根据下列的附图和实施方案来说明本发明。
图1：1cm厚玻璃试样对波长的透射曲线
图2：一个可行的IR-辐射器在温度2400K时的普朗克曲线
图3A：具有辐射空间的加热装置的基本构造
图3B：具有本发明过滤器的加热装置构造
图3C：在AlO3，Morgan Matroc，Troisdorf公司的SintoxAL波长上的亮度曲线，在IR-波长范围在伸展的光谱范围＞98％时，亮度＞95％。
图4A：具有高通滤波器的本发明装置，加热后在玻璃板上下侧的温度分布
图4B：无高通滤波器的装置，加热后在玻璃板上下侧的温度分布
图1显示一种典型玻璃在波长上的透射曲线，该玻璃的厚度为10mm，明显可看出在2.7m的典型吸收端，通过玻璃或玻璃陶瓷则是不透明的，以致全部辐射到表面或表面邻近层的射线都被吸收。
图2显示一个IR-射线源的强度分布，可按本发明使用于玻璃或玻璃陶瓷的加热。所使用的IR-辐射器可以是线形卤族IR-石英管辐射器，电压230V时，额定功率2000W，色温2400K。这种IR-辐射器根据维恩辐射位移定律，在波长1210nm时具有最大辐射值。
根据普朗克效应，IR-辐射源的强度分布在2400K温度有一黑体，结果是一个额定值强度，即从500到5000nm的波长范围内，它超过射线最大量的5％被辐射，总辐射量的75％落于大于1210nm的范围。
在本发明的第一个实施方案中，只有加热物质被加热，而环境保持冷状。从加热物质旁边过去的射线通过反射器或散射器或反散射器调节到加热物上。在功率密度很高及优先使用金属反射器的情况下，反射器用水冷却，否则反射材料会变色。这种危险特别是对于铝，而铝由于它在短波IR-范围内有良好的反射性，而乐于被人们使用尤其是在较大的辐射功率时。另一种使用的金属反射器，可漫射反散射的陶瓷散射体或部分反射并部分反散射的玻璃化陶瓷反射器，例如Al2O3。
当加热后不要求缓慢冷却时，可使用只加热加热物质的结构，这种结构没有绝缘空间，只有持续的后加热并在很大的消耗下具有可接受的温度均匀性。
这种形式的结构的优点是易于被接受，例如这对于一个把手特别是在热成型时有利。
或者加热装置和加热物或者要加热的玻璃或玻璃陶瓷可在一个装有IR-辐射器的IR-辐射空间里，前提是，石英玻璃辐射器本身有足够的温度稳定性或相应地被冷却。由加热螺旋线和通常的石英玻璃管组成的IR-辐射器可以包括一个附加的有冷却介质流过的外壳，例如一个另外的石英玻璃管。石英玻璃管优选是长于加热螺旋线，并引出加热范围，这样连接件处于冷却范围，使电连接件不致于过热。石英玻璃管可有涂层，也可以没有。
图3A显示一个具有IR-辐射空间的可成型法的加热装置的第一个实施方式。
图3A显示的加热装置包括多个IR-辐射器1，它们排列在由强反射材料或强反散射材料构成的反射器3下方，通过反射器3可实现：由IR-辐射器向其它方向导向玻璃给予射线。由IR-辐射器给予的IR-射线部分穿透到在此波长范围呈半透明的玻璃5上，并撞击到由强反射材料或强反散射材料制成的载板7上。石英在此处特别适合，因它在红外区反射约90％的撞击射线。也可选择使用AlO3，它的反射度或亮度约为98％。Al2O3材料在波长上的亮度曲线在图2中显示。玻璃5借助于石英或Al2O3棒9而安置在载板7上，下面温度可通过载板上的孔11使用高温计来进行测量。
壁10可与作为顶板的反射器3及作为底板的载板7一起，以相应的使用反射或反散射材料如石英或Al2O3，而形成高质量的IR-辐射空间。
图3B显示具有本发明的高通滤波器的玻璃或玻璃陶瓷的加热装置。
图3B中显示装置的壁10及底板或载板7由石英构成。
图3B显示的石英炉16基本上是一个圆柱体，内径D1＝120mm，外径Da＝170mm，高H＝160mm。石英炉包括一个底板，由厚度为d＝6.3mm、富含OH的人造石英玻璃构成的板12覆盖，该板12作为由IR-辐射器1射出的长波射线的过滤器，通过作为高通滤波器的过滤板12，由IR-辐射器1射出的射线被过滤，从而使长波IR-射线不能或极少接触到要加热的玻璃14上。玻璃14是在石英炉内距底板60mm高度而设置的厚度为4mm的铝硅酸锂玻璃，它的周边范围通过氧化镁小棒固定。加热通过高于底板200mm的IR-表面加热模型而实现，该模型由6个排放在镀金反射器3中的IR-辐射器1组成，IR-辐射器包含一个加热螺旋18和一个石英玻璃管20，它们在本实施方案中具有色温3000K，功率密度最大为600KW/m2。所述结构为避免能量损失而位于一附加的石英辐射空间内，该空间由壁10和底板7组成，使用Eurotherm-PC 3000-系统调节，通过在底板上的孔11以5μ-高温计测量温度。
选择有过滤板12的装置也是可能的，加热装置包括有外壳的IR-辐射器，其中外壳由起高通滤波器作用的材料构成，例如按图3A的实施方案是石英玻璃管，它包围加热螺旋，本身由富含OH的人造石英玻璃构成，或由另外的类似石英玻璃管包围。这种形式的装置的优点在于：由于IR-辐射器的冷却介质，可以同样用于过滤器介质的冷却，该介质因吸收长波射线而被加热。
加热方法或热处理可由以下说明：
玻璃或玻璃陶瓷的加热首先在按图3A所示的由石英(Quartzal)构成的IR-辐射空间内进行，它的顶板由铝反射器组成，其下方有IR-辐射器，或者如图3B所示的装置。试样由适当的工艺或方法放置。
玻璃或玻璃陶瓷在IR-辐射空间内由多个卤族IR-辐射器直接辐射。
此时玻璃或玻璃陶瓷的加热借助于可控硅调节器控制IR-辐射器的辐射，以吸收、反射或散射过程为基础而进行，现叙述如下：
由于使用的短波IR-射线在玻璃中的吸收长度远大于要加热的物体的尺寸，所以大部分撞击射线通过试样。另一方面由于每单位体积吸收的能量在玻璃的每个点上几乎相同，因而可以实现在整个总体积内的均匀加热。IR-辐射器和要加热的玻璃或玻璃陶瓷位于一个辐射空间内，它的壁、底板或顶板由表面高反射的材料构成，其中至少部分壁、底板或顶板将绝大多数的撞击射线反散射回去，由此可使大部分从玻璃或玻璃陶瓷穿过的射线在反射或散射到壁、底板或顶板后，重新撞击加热物体，并被重新部分吸收。这方法也在第二次通过玻璃或玻璃陶瓷而继续透过射线。使用这种方法，不仅达到深度的均匀加热，而且投入的能量也比简单的通过玻璃或玻璃陶瓷的方法使用得明显更好。
由辐射器辐射的射线的一小部分，当色温为3000K时为14％，落入波长范围大于2.7m，在此范围大多数玻璃吸收很强，因此这里进入的能量产生在玻璃表面或表面邻近层，这就限制了加热时可实现的温度均匀性。
由于透明或半透明的玻璃或玻璃陶瓷的加热，借助于短波IR-辐射器，大部分可通过在波长范围内的射线来完成，在此范围玻璃还是透明的，这对大多数玻璃来说是在小于2.7μm，所以依照本发明，长波IR-射线通过高通滤波器过滤掉，在使用色温为3000K的辐射器时，86％的射线的波长小于2.7μm。
如果使短波IR-辐射器的加热也使用于过程中，在这些过程中产品质量与温度均匀性密切相关，则必须使短波IR-射线实现对玻璃的深部加热作用，同时在辐射器的光谱中所包含的不可避免的长波(大于2.7μm)部分不引起玻璃内部的不允许的温度梯度。这一温度梯度是可以避免的，如果按图3B所示的装置，在IR-辐射器1和要加热的玻璃件之间安装一过滤器12，它只使射线的短波(小于2.7μm)部分通过，而长波部分吸收或反射，从而使长波射线不能或可忽略不计的小部分到达热的玻璃件上。
图4A显示铝硅酸锂(LAS)玻璃由室温开始加热20秒后上下面的温度分布。可以看出，通过使用富含OH石英玻璃作为高通滤波器，LAS玻璃板上的上下面温差平均只有约2K。加热装置的结构和图3B所示的一样。
图4B显示温度分布对比，与图3B装置的试验条件相同，但未使用过滤板，上下面的最大温差此时为15K。
本发明第一次提出一种用于玻璃或玻璃陶瓷的加热或辅助的或专门的加热的装置和方法，它可以在不产生温度梯度下均匀加热，能量利用率高，以及避免了辐射源在所加热物质上的反映。该装置可用于玻璃加工的很多领域，以下使用范例仅用于列举而不是限制。
-在陶瓷化时玻璃坯件的均匀加热
-玻璃坯件随后的热成型的快速再加热
-纤维束在拉伸温度时的均匀加热
-成型时，特别是在拉伸、轧制、浇铸、离心、模压、吹-吹法时的吹制、吹-压法时的吹制、Ribbon法时的吹制、平板玻璃的生产以及浮法制造时的辅助或专门加热
-冷却、熔化、热固化、在用于调节所要求的虚拟温度、所要求的折射值以及在随后温度处理时所要求的压制的稳定或微冷、温度计玻璃的陈化、离析、变色玻璃的着色、控制结晶、扩散处理、特别是化学固化、变形、特别是下垂、弯曲、扭转、吹炼、切断、特别是熔断、折断、折叠、爆炸、切割、接合、涂层时的辅助或专门加热。

Claims (24)

1.玻璃或玻璃陶瓷的加热装置包括：
1.1一个或多个IR-辐射器，其特征是，
1.2装置包括至少一个过滤器结构部分，它至少过滤部分IR-辐射器的长波IR-射线，使得没有或很少的长波IR-射线到达要加热的玻璃件或玻璃陶瓷件上。
2.依照权利要求1的装置，其特征是，装置包括一个由反射或反散射IR-射线的壁、底板和/或顶板构成的IR-辐射空间。
3.依照权利要求1或2的装置，其特征是，过滤器过滤掉IR-辐射器辐射的波长≥2.7μm的射线的至少50％，优先大于80％，特别优先大于90％，特别优先高于95％，更特别优先大于98％。
4.依照权利要求1至3的装置，其特征是，过滤器吸收长波IR-射线。
5.依照权利要求1至3的装置，其特征是，过滤器反射长波IR-射线。
6.依照权利要求1至5的装置，其特征是，过滤器是安置在IR-辐射器和要加热的玻璃件或玻璃陶瓷件之间的平板。
7.依照权利要求1至5的装置，其特征是，IR-辐射器的加热螺旋被至少一个外壳包围，其中至少一个外壳可作为过滤器，过滤至少部分长波射线。
8.依照权利要求1至7的装置，其特征是，过滤器包括富含OH的玻璃，在短波范围的吸收优选比要加热的玻璃更弱。
9.依照权利要求1至8的装置，其特征是，过滤器包括人造的富含OH的石英玻璃。
10.依照权利要求1至9的装置，其特征是，过滤器的安置使穿过的射线被漫散射。
11.依照权利要求1至10的装置，其特征是，过滤器被冷却。
12.依照权利要求2至11的装置，其特征是，壁及/或顶板及/或底板的反射力或反散射力大于辐射射线的50％。
13.依照权利要求2至12的装置，其特征是，壁及/或顶板及/或底板的反射力或反散射力大于辐射射线的90％或95％，特别是大于98％。
14.依照权利要求2至13的装置，其特征是，壁及/或顶板及/或底板的材料是漫散射的。
15.依照权利要求2至14的装置，其特征是，反射或反散射的壁及/或顶板及/或底板材料包括以下的一种或多种：
Al2O3；BaF2；BaTiO3；CaF2；CaTiO3；
MgO·3.5Al2O3；MgO·SrF2；SiO2；
SrTiO3；TiO2；尖晶石；堇青石；
堇青石-烧结玻璃陶瓷。
16.依照权利要求1至15的装置，其特征是，IR-辐射器的色温大于1500K，优先大于2000K，特别优先大于2400K，特别优先大于2700K，更加特别优先大于3000K。
17.依照权利要求1至16的装置，其特征是，IR-辐射器被冷却，特别是以空气或水冷却。
18.依照权利要求1至17的装置，其特征是，IR-辐射器可单独控制，其电功率可以调节。
19.依照权利要求1至18的装置，其特征是，利用IR-射线进行加热，其中IR-射线借助于过滤器以过滤长波IR-射线，以致没有或很少的长波IR-射线到达要加热的玻璃件或玻璃陶瓷件上。
20.依照权利要求1至18的装置的使用，对玻璃陶瓷坯件在陶瓷化时进行温度均匀的加热。
21.依照权利要求1至18的装置的使用，对玻璃坯件随后的热成型进行快速再加热。
22.依照权利要求1至18的装置的使用，对纤维束在拉伸温度时进行均匀加热。
23.依照权利要求1至18的装置的使用，在成型时，特别是拉伸、轧制、浇铸、离心、模压、吹-吹法时的吹制、吹-压法时的吹制、Ribbon法时的吹制、平板玻璃的生产以及浮法时进行辅助或专门加热。
24.依照权利要求1至18的装置的使用，在冷却、熔化、热固化；用于调节所要求的虚拟温度、所要求的折射值以及在随后温度处理时所要求的压制的稳定或精确冷却；温度计玻璃的陈化、离析、变色玻璃的着色、控制结晶、扩散处理、特别是化学固化、变形、特别是下垂、弯曲、扭转、吹炼、切断、特别是熔断、折断、折叠、爆炸、切割、接合、涂层时进行辅助或专门加热。
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