CN202080999U - 均化玻璃熔体的装置 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种用于均化熔融玻璃的装置，该装置包括搅拌室，该搅拌室包括设置于其中的可旋转的搅拌器。该装置还包括与搅拌器主轴连接的收集器，该收集器呈凹陷碗状形状且适于防止颗粒物从搅拌室的上表面落入熔融玻璃中。至少一部分的收集器底部接触熔融玻璃的上表面，但收集器的外周边缘较佳地高于熔融玻璃的上表面以防止熔融玻璃接触收集器的上表面。

Description

均化玻璃熔体的装置
相关申请的交叉参考 
本申请要求2008年11月25日提交的标题为“均化玻璃熔体的方法”的美国专利申请第12/277，676号的权益。 
技术领域
本实用新型涉及均化玻璃熔体的方法。更具体地，本实用新型涉及在搅拌过程中最大限度地减少熔态玻璃材料中的内含物的方法。 
背景技术
成型的玻璃往往被认为是相对惰性的材料。的确，正是为了这个缘故，在各种各样不同的产业中，玻璃容器常常作为容器使用。然而，在玻璃制造过程中，输运熔融玻璃是在很高的温度(在某些情况下超过1600℃)下进行。在这样高的温度，熔融玻璃本身可能极具腐蚀性，因而需要耐腐蚀的管道和容纳系统。这种腐蚀可能导致容器材料遭破坏。因此，大多数熔融玻璃的容纳和转移系统依赖于用难熔金属制作的容器。一种此类容器是搅拌室。 
在典型的玻璃制造工艺中，玻璃前体，或曰批料，在熔炉中混合并熔化，形成熔融玻璃(“熔体”)。从批料熔融槽或其它容器流出的玻璃物流在任何给定时间其折射率在纵向和横向都可能是变化的。纵向变化一般缘于批料和熔化条件的改变，横向变化一般缘于熔融玻璃成份的挥发以及熔化容器难熔材料的腐蚀或侵蚀且难熔材料本身以线条或条纹的形式出现。 
此类变化的存在对于许多类型的玻璃器皿的制造并没有特别重要的意义。然而，当熔融的是计划用于眼镜或者其它光学目的玻璃时，此类变化的存在就是头等重要的了，因为制得的产物的品质，进而也是其市场生存能力受其控制；减少或者基本上消除此类变化就不仅仅是悦人心意的更是为了制造令人满意的器物所必须的，所谓令人满意器物就是每一件的均匀度或折射率变化维持在所期望的容限度之内。 
通过仔细控制批料组成并辅以维持基本上恒定的熔化条件，折射率的纵向变化可以保持在相对较小的容限内。 
通过均化或搅拌过程，玻璃中存在的线条或条纹可以基本上得到消除。 
在搅拌过程中，搅拌设备对熔融玻璃进行搅拌，把线条(cord)拉成越来越细的线直至没有经过均化而进入熔体的线条的尺寸是无关紧要的为止。 
如同对于玻璃制造工艺的其它熔融玻璃输运部分一样，搅拌设备，尤其是旋转搅拌器，通常是用能够耐受熔融玻璃的高温腐蚀性环境的难熔金属制造的。一般为这种应用挑选的难熔金属通常是铂或者铂铑合金。 
玻璃搅拌室中的挥发性氧化物可能是由玻璃和搅拌室中的任何元素形成的。最具挥发性和破坏性的氧化物中有些是由Pt、As、Sb、B和Sn形成的。玻璃熔体中可冷凝氧化物的主要来源包括热的铂表面(对于PtO2)、以及玻璃的自由表面(对于B2O3、As4O6、Sb4O6和SnO2)。所谓“玻璃自由表面”是指接触搅拌室内气氛的玻璃表面。因为玻璃自由表面之上的气氛比搅拌室外的气氛热，这种气氛中可能包含上述中的任何一种或所有的材料或者其它挥发性材料，玻璃自由表面之上的气氛有向上流经任意开口的本性趋势，比如从搅拌轴与搅拌室盖子之间的环形空间通过。因为随着搅拌器轴与玻璃自由表面之间的距离增加搅拌室轴的温度降低，如果轴和/或盖子的温度低于包含在搅拌室内的挥发性氧化物的露点，这些氧化物会冷凝到轴表面上去。当产生的冷凝物达到临界尺寸时，它们会脱落，掉进玻璃中并造成在玻璃产品中的内含物缺陷或气泡缺陷。 
发明内容
揭示的是均化熔融玻璃材料的方法和装置。 
在一个实施方式中，揭示的用于均化熔融材料的装置包括用于在容器的池中接收熔融材料的搅拌容器，设置于该搅拌容器中的可旋转搅拌器，该搅拌器包括主轴、从该主轴向外延伸并与该主轴连接的凹面向上的收集器，其中该收集器包括上第一表面和下第二表面，其中至少一部分的下表 面与熔融材料池接触，而上表面远离熔融材料池。 
在另一个实施方式中，用于均化熔融材料的方法包括使熔融玻璃流入一容器，该熔融玻璃包括接触该容器内气氛的自由表面，使延伸入熔融玻璃的主轴旋转，该主轴包括与之连接的收集器，该收集器呈凹面向上的形状；其中收集器的至少一部分浸没在熔融玻璃之中，而一部分暴露在容器气氛中。 
参见附图，通过以下说明性的描述能够更容易理解本实用新型，同时更清楚地了解本实用新型的其它目的、特征、细节和优点，以下描述不是限制性的。预期所有这些另外的系统、方法特征和优点都包括在该描述之内，包括在本实用新型的范围之内，受到所附权利要求书的保护。 
附图简要说明 
图1是根据本实用新型的实施方式的示例玻璃制造过程的横截面图。 
图2是根据本实用新型的实施方式的搅拌室的横截面图。 
图3是根据本实用新型的实施方式的示例性收集器的透视图。 
图4是在图2所示搅拌室表面上形成的冷凝固体材料的横截面图示。 
图5是图2所示搅拌室的横截面图，示出了在收集器表面上形成的阻挡层。 
图6是类似于图2所示搅拌室的一种搅拌室的横截面图，但收集器用作熔融玻璃之上的盖子，由此不需要单独的容器盖子。 
具体实施方式
在以下的详述中，为了说明而非限制，给出了说明具体细节的示例性实施方式，以提供对本实用新型的充分理解。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，可以以不同于本文详述的其它实施方式实施本实用新型。另外，本文会省去对于众所周知的装置、方法和材料的描述，以免使得本实用新型的描述难以理解。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。 
在本实用新型中，术语“向上”和“向下”是相对于引力源(例如地球)而言，所以制品的上部比制品的下部或底部更远离引力源，而向上是从引力源离开的方向，向下是朝着引力源的方向。因而，术语“凹面向上”指制品的开口面向上(碗状)，而凹面向下的制品是拱顶形(或凸出)。 
根据本实用新型一个实施方式的示例性玻璃制造系统10示于图1。更具体地，图1所示的实施方式是通过熔合法制造玻璃板的系统。例如在美国专利第3,338,696号(Dockerty)中描述了熔合法。玻璃制造系统10包括一个熔化炉12(熔化器12)，进料按箭头14所示引入其中并随后熔化形成熔融玻璃16；澄清器18；搅拌室20；滚筒(bowl)22；降液管24；进料管26；以及成型装置28。此外，还可包括各种连接管，例如熔化器-澄清器连接管30、澄清器-搅拌器连接管32和搅拌器-滚筒连接管34。 
尽管熔化器12和成型装置28一般是用陶瓷耐高温材料制成的，例如熔化器是用氧化铝砖，但该系统的大部分是用能够耐受熔融玻璃的很高温度以及腐蚀性环境的金属制成的。例如，系统在熔化器12与成型装置28之间的许多部分，包括澄清器18、搅拌室20、滚筒22、降液管24、进料管26以及连接管30、32和34或全部或者至少大部是用耐高温(难熔)金属制成的。一种特别有效的金属是铂，但是铂通常与其它难熔金属如铑形成合金。然而，也可以使用其它难熔金属，特别是其它铂族金属(钌、铑、钯、锇和铱)或它们的合金。因为在其构建过程中使用了高比例的铂(或铂合金)，玻璃制造系统的这一部分往往称作铂系统。 
根据本实用新型的这个实施方式，将主要是金属氧化物的形成玻璃的前体材料(普遍称作批料材料，或简称为“批料”)送入熔化器12，所述前体材料在熔化器中加热熔化形成高温、粘度相对较低的液体。该液体在冷却时，将形成固体无机玻璃。为了进一步讨论的目的，用术语“熔融玻璃”表示无机固体玻璃的熔融液体前体。 
熔化过程中，在各种批料成份之间发生化学反应，这种反应产生某些气体，包括O2、CO2、和SO2，这些气体在熔融玻璃中形成气泡或“微气泡”。如果不加以去除，这些气泡就出现在最后的玻璃制品中。尽管玻璃的有些应用可能容许存在微气泡，但诸如显示器业的其它应用对于微气泡的存在是高度敏感的。 因而，尽了相当大的努力要消除熔融玻璃(也称作“熔体”)中的微气泡。从熔体中去除微气泡的步骤称作澄清，通常在澄清器18中发生。典型的澄清工艺涉及将熔体加热至高温，通常是超过熔化温度，这时某些被称作澄清剂的批料材料释放出氧气。合适的澄清剂包括砷、锑和锡。由一种或多种澄清剂大量释放氧气产生大量气泡，气泡有助于聚集与熔化有关的气体，并将气体提升至熔体的表面，在表面上散出熔体。 
在对熔融玻璃澄清后，使其流到搅拌室20。从以上简述可见，熔化过程可能会将不希望的气体引入熔体。除此之外，熔化作用可能在熔体中产生不均一性。即，熔体是不均匀的，并可能包含组成上的变化，表现为制得的玻璃的折射率变化，可能以光学畸变的形式出现在最后的产品中。而且，线条与熔体其余部分之间的温度-粘度差会在最终产品上产生局部性表面扰动。这种组成上的变化通常称为线条。为了消除线条，熔融玻璃在搅拌室20中通过拉伸或通过在搅拌室中完全混合进行均化处理。 
从图2可以看得很清楚，搅拌室20包括进口30和出口32。在图示的实施方式中，熔融玻璃经上进口30流入搅拌室，如箭头34所示，并经下出口32流出搅拌室，如箭头36所示。搅拌室20包括至少一个壁38，壁38最好呈圆柱形且基本上垂直取向。较佳地，搅拌室壁包含铂或铂合金。如上文所述，可以使用其它具有类似难熔(高温)性质的材料，包括耐腐蚀性以及导电性，比如其它铂族金属。 
搅拌室20还包括搅拌器40，搅拌器40包括主轴42以及多个从主轴朝着搅拌室壁38方向向外延伸的叶片或翼片44。主轴42通常基本上是垂直取向的，并且可旋转地安装，从而使从主轴下部延伸出的叶片44在浸没于熔融玻璃自由表面46之下的搅拌室内旋转。熔融玻璃表面温度通常在约1400℃至1600℃的范围内，但根据玻璃的组成可能高些或低些。搅拌器40较佳地由铂组成，但可以是铂合金，或者分散强化的铂或铂合金(例如，氧化锆强化的铂合金)。在一些实施方式中，搅拌器40可以由第一材料制成，比如钢或钼，然后包覆以高温金属，比如包含铂的金属。搅拌器40由合适的驱动器进行旋转。例如，搅拌器40可以由电动马达(未示出)通过适当的齿轮装置或皮带传动来旋转。 
搅拌室20可以由室盖48盖住。室盖48可以直接安置在壁38上，或者在壁与盖之间设置高温密封(垫圈)材料，壁与盖之间的密封在任何情况下都应足以防止气体在壁与盖之间有可以察觉的气流。室盖通常距玻璃熔体的自由表面46约2英寸(5.08cm)至3英寸(7.62cm)之间，但这个距离在需要时可以更大。因而，自由空间体积50限定在搅拌室盖48、搅拌室壁38和玻璃自由表面46之间。 
室盖48还包括一个通路，搅拌器主轴42经过此通路(见图2)，在主轴42的外表面与盖48的内表面之间形成一个环形间隙。其它绝热材料(未示出)可以设置在搅拌室20周围以防止熔融玻璃的热损失。 
因为熔体仍然可能处于相对较高的温度(例如1500℃)，与熔融玻璃接触的搅拌室中的各种组件通常包括难熔金属，比如上述的铂或铂合金。可能从搅拌室或者铂系统的上游组件溶解或者侵蚀进入熔体的铂在诸如靠近熔体自由表面的搅拌棒和搅拌室壁等的搅拌室盖子区域的较热部分被氧化成气态PtO2。在搅拌室的较冷区域，比如在处于盖与搅拌主轴之间的环形间隙区域中的盖和主轴，气态PtO2被还原，金属铂在这些表面上冷凝成固体堆积物53(图4)。一块块的冷凝固体(例如铂)会脱落并掉进玻璃中、通过系统运动并成为在最终产品中的内含物。除铂之外，还有玻璃的其它成份可以挥发、冷凝、并成为固体内含物。玻璃还容易受到其它落至搅拌室中熔体自由表面上的外来物体的损害，包括盖子上的绝缘材料以及在维护或修理中使用的手动工具。 
依据本实用新型的这个实施方式，搅拌室20进一步包括收集器54，其一个单独表示的实施方式可参见图3。相对于盖48，收集器54最好是凹面向上方的，或日碗状的(与拱顶状的相反)。即，在收集器54表面上从收集器的外周边缘朝向主轴42的一条假想径线一般是向下的。收集器54可以是圆锥形部、球形部、它们的组合、或者任意其它总体上凹陷的形状。主轴42较佳地延伸通过收集器54的中心，收集器54较佳地设置在主轴42上，从而当搅拌器40在均化过程中置于搅拌室20之内时，收集器54的下表面56接触搅拌室内熔融玻璃的表面。即，下表面56的至少一部分浸没在熔融玻璃中。较佳地，收集器54的外周边缘55不完全延伸到壁38，以致自由表面46的至少一部分向体积50中的气氛开放(收集器54的最大直径小于容器38的最小内径)。 
收集器54的凹陷取向提高了强度。而且，凹陷形状，向上开口，都使玻璃中的气泡沿收集器的底面朝着外边缘向外、向上行进，在外边缘在熔融玻璃的其余自由表面从熔融玻璃逸出。 
如图3所示，收集器54还可包括加强筋或加强件56用于向收集器提供刚性和强度。加强筋56较佳地沿收集器54的上表面58设置。表面58还可以进行处理，以防止收集器暴露的部分发生氧化和/或挥发。例如，表面58可以通过在表面涂覆玻璃或陶瓷阻挡层60来进行表面处理，如图5所示。的确，上表面58可以例如涂覆以与熔体相容的玻璃。 
收集器54的存在可以在搅拌室20内起到各种功能。收集器54的存在以及收集器在熔融玻璃池自由表面的位置最大限度地减少了熔融玻璃的挥发，由此减少了冷凝。除此之外，搅拌室内在熔体体积或池的上部生成的涌流(循环)防止了搅拌室内熔体体积上部的停滞，并降低了在熔体自由表面附近的熔体失透的风险。而且，收集器54的形状和取向不但能够屏蔽熔体不受下落材料的影响，而且充当落下的材料的贮存器或聚集器。如果需要，在搅拌室改造时可从收集器中提取出此类落下的材料。 
在熔融玻璃均化之后，熔体立刻流到成型组合件中。在熔合法中，比如图1所示的工艺中，成型装置28包括一个顶部开口从而形成凹槽的管子。该管子的侧面包括向下倾斜的壁，所述壁沿称为拉制线或根的直线在管子底部汇聚。熔融玻璃在凹槽的顶部溢出管子，流过管子两个向下汇聚的侧面。分开的流体在管子根部合并，形成单个熔融玻璃带60，随着玻璃带从根部下行而冷却至预定厚度。玻璃带随后可以切割成单独的玻璃板，以后可以用在许多应用中，包括作为制造光学显示器、光伏电池(太阳能电池)和固体发光板的基材。 
应当强调，本实用新型上述实施方式、特别是任意“优选的”实施方式仅仅是可能实现的实施例，仅表示用来清楚理解本实用新型的原理。可以在基本上不偏离本实用新型的精神和原理的情况下，对本实用新型的上述实施方式进行许多的改变和调整。例如，虽然本实用新型在此是以熔合法玻璃制造工艺予以描述的，但本实用新型的原理可以适用于其它玻璃制造系统，包括但不限于浮法玻璃工艺和狭缝拉制法。除此之外，在一些实施方式中，收集器54可以延伸，使外边缘55接近壁38的内表面，因而可以取消盖48(即收集器54既作 为下落颗粒的收集器，又作为搅拌室的盖)，如图6所示。所有这些调整和改变都包括在本文中，包括在本实用新型和说明书的范围之内，受到所附权利要求书的保护。 
因此，本实用新型的非约束性实施方式包括： 
C1：用于均化熔融材料的装置，其包括： 
搅拌容器，用于在该容器的池中接收熔融材料； 
设置在该搅拌容器之内的可旋转的搅拌器，该搅拌器包括一个主轴； 
凹面向上的收集器，从该主轴向外延伸并与该主轴连接；以及 
其中，该收集器包括上第一表面和下第二表面，其中下表面的至少一部分接触该熔融材料池，而上表面远离该熔融材料池。 
C2：如C1所述的装置，其中熔融材料是熔融玻璃。 
C3：如C1或C2所述的装置，其中收集器的上表面经处理以防止该上表面的氧化。 
C4：如C1至C3中任意项所述的装置，其中收集器的上表面涂覆以陶瓷或玻璃阻挡层。 
C5：如C1至C4中任意项所述的装置，其中收集器包括加强筋。 
C6：如C1至C5中任意项所述的装置，其中收集器包括圆锥形或球形部。 
C7：如C1至C6中任意项所述的装置，其中收集器与熔融材料池之间的接触导致熔融材料在池表面上的流动。 
C8：均化熔融材料的方法，包括： 
熔融玻璃流入一容器，该熔融玻璃包括接触该容器内气氛的自由表面； 
使延伸入熔融玻璃的主轴旋转，该主轴包括与之连接的收集器，该收集器呈凹面向上的形状；以及 
其中收集器的至少一部分浸没在熔融玻璃之中，而一部分暴露在容器气氛中。 
C9：如C8所述的方法，其中主轴和收集器旋转。 
C10：如C8至C9中任意项所述的方法，其中收集器的至少一个表面包括玻璃或陶瓷的阻挡层。 
C11：如C8至C10中任意项所述的方法，其中容器用铂族金属制成。 
C12：如C8至C11中任意项所述的方法，其中容器包含铂。 
C13：如C8至C12中任意项所述的方法，其中主轴还包括从其上延伸出的叶片，并在熔融玻璃中旋转以均化熔融玻璃。 

Claims (5)

1.一种均化熔融材料的装置，包括：
搅拌容器，用于在所述容器的池中接收熔融材料；
设置在所述搅拌容器之内的可旋转的搅拌器，所述搅拌器包括一个主轴；
凹面向上的收集器，从所述主轴向外延伸并与所述主轴连接；以及
其中该收集器包括上第一表面和下第二表面，其中下表面的至少一部分接触该熔融材料池。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述熔融材料是熔融玻璃。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集器的上表面包括加强筋。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集器的上表面涂覆以陶瓷或玻璃的阻挡层。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集器包括圆锥形或球形部。 
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