FI78282B - Foerfarande foer smaeltning av ett material, speciellt glas. - Google Patents

Description

1 78282

Menetelmä materiaalin, erityisesti lasin, sulattamiseksi Tämä keksintö kohdistuu menetelmään materiaalin, erikoisesti lasin, sulattamiseksi.

5 Upotetun polton käyttöä lasin sulattamiseksi on eh dotettu useissa patenteissa mukaanluettuina US-patentit nro: t 3 170 781; 3 224 855; 2 237 929; 3 260 587; 3 606 825; 3 627 504; 3 738 792 ja 3 764 287. Upotetussa poltossa palamiskaasuja syötetään sulan lammikon pinnan alapuolelle 10 ja niiden annetaan kuplia ylöspäin sulatteen lävitse. Tämän menettelyn etuna on, että kuumennettava materiaali on läheisessä kosketuksessa palamiskaasujen ja niistä vapautuvan lämpöenergian kanssa, jolloin saavutetaan erittäin edullinen lämmönvaihtosuhde. Seuraavana etuna on, että kaa-15 sujen syöttö sulatteeseen aiheuttaa voimakkaan sekoittumisen, mikä voi olla edullista eräissä sulatusprosesseissa.

Upotuspolton merkittävänä epäkohtana on kuitenkin se, että kaasun puhaltaminen suurina tilavuusmäärinä sulatteeseen on eräissä tapauksissa vaikea kääntää päinvastai-20 seksi. Toisin sanoen sulate, erikoisesti lasi voi eräissä tapauksissa muuttua vaahtomaiseksi ja vaahdon murtaminen voi olla vaikeaa. Tämä upotuspolttokuumennuksen taipumus suurentaa sulatteen kaasusisältöä on ollut esteenä uppo-polttokuumennuksen hyväksymiseksi lasinvalmistusteollisuu-25 dessa, koska eräs lasinsulatusmenetelmän kohteista on poistaa mahdollisimman paljon kuplia ja muita kaasumaisia sulkeumia sulasta lasista. Ehdotukset uppopolttokuumennuksen käyttämiseksi lasin sulattamiseksi ovat yleensä rajoittuneet niiden käyttöön lasin sulatuksen alkuvaiheissa kaasu-30 maisten sulkeumien kasvun välttämiseksi sulatus- ja puhdistusmenetelmän myöhemmissä vaiheissa.

Esillä olevassa keksinnössä uppopolttokuumennusta käytetään lasin sulatusmenetelmässä tai vastaavassa menetelmässä tavalla, joka hyödyntää sen edut ja jolloin väl-35 tytään liiallisen vaahtoamisen epäkohdilta.

Tämä saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, 2 78282 jolle on tunnusomaista, että raaka-ainemateriaali nesteyte-tään ensimmäisessä sulatusastiassa valumiskykyiseen tilaan, nesteytetty, sulamattomia rakeita sisältävä materiaali poistetaan ensimmäisestä sulatusastiasta toiseen sulatus-5 astiaan, ja nesteytetty materiaali pidetään toisessa sulatusastiassa ja oleellisesti typpeä sisältämätöntä säteily-kaasua injektoidaan nesteytetyn massan alapuolelle riittävässä määrin nesteytetyn massan kuumentamiseksi ja sekoittamiseksi ja nesteytetyn materiaalin muuttamiseksi sulaan 10 tilaan.

Uppopolttokuumennusta käytetään siten lasin sula-tusmenetelmän toisessa vaiheessa, joka seuraa ensimmäistä, lasin raaka-aineseoksen nesteytysvaihetta. Pääosa tarvittavasta lämmön syötöstä sulaksi lasiksi muutettavaa lasin 15 raaka-aineseosmateriaaleja varten muodostetaan ensimmäisessä vaiheessa menetelmien avulla, jotka soveltuvat erikoisen hyvin nesteytysmenetelmään (esimerkiksi US-patentissa nro 4 381 934 esitettyjen menetelmien avulla). Nesteytetty, mutta vain osaksi sulanut materiaali siirretään sitten toi-20 seen vaiheeseen, jossa sitä kuumennetaan uppopolttokuumen-nuksen avulla. Tässä toisessa vaiheessa lämpösyöttövaati-mus on vain materiaalin lämpötilan nostaminen sen nestey-tyslämpötilasta lämpötilaan, joka soveltuu sulatusmenetel-män täydentämiseksi ja lasin puhdistamiseksi, s.o. kaasu-25 maisten sulkeumien poistamiseksi. Kun lämpötilan nousu ensimmäisessä vaiheessa on tyypillisesti suuruusluokkaa 1093°C toisessa vaiheessa käytetään tyypillisesti vain muutamia satoja asteita olevia lämmönnousuja. Toisen vaiheen vaatimattomien lämpövaatimusten vuoksi uppokuumennuslämpö-30 tilassa käytetään minimimäärä palamiskaasuja, joita injektoidaan sulatteeseen, jolloin vaahtoamisvaikutus minimoituu ja kuitenkin tehokkaasti saavutetaan tämän vaiheen pro-sessikohteet. Samanaikaisesti sulatteen sekoittuminen up-popolttokuumennuksen vaikutuksesta edistää kokonaistapah-35 tumaa parantamalla lasin homogeenisuutta ja edistämällä hiekkarakeiden liukenemista.

3 78282

Keksinnön seuraavan kohteen mukaan uppopolttokuumen-nusta käytetään lasin tai samantapaisen materiaalin sulat-tamiseen tarvitsematta muodostaa ylimääräistä kaasufaasia sulatteeseen käyttämällä vetyä polttoaineena ja happea ha-5 pettävänä aineena. Käytettäessä happea ilman asemesta vältytään typen syöttämiseltä sulatteeseen, mikä oleellisesti alentaa sulatteeseen johdetun kaasun määrää. Vältyttäessä typen syötöltä sulatteeseen on myös eduksi sikäli, että typpi liukenee huonosti sulaan lasiin. Käytettäessä poltto-10 aineena vetyä hiilivetyjen asemesta vältytään hiilidioksidin syöttämiseltä, mikä myös liukenee huonosti sulaan lasiin, sulatteeseen. Toisaalta happi/vetypolton palamistuote on vesihöyryä, joka liukenee erittäin hyvin sulaan lasiin. Täten esillä oleva keksintö vähentää uppopoltossa 15 muodostuneen kaasufaasin tilavuusmäärää ja kaasu, joka syötetään sulatteeseen, siirtyy helposti nestefaasiin. Seuraavana etuna on, että happi/vety-poltto muodostaa verrattain korkeita lämpötiloja, mikä parantaa lämmön siirty-misnopeutta sulatteeseen. Piirroksissa 20 kuvio 1 on pystypoikkileikkaus uppokuumennusta käyt tävästä lasinsulatuslaitteesta yhdessä ensimmäisen vaiheen nesteytysastian kanssa, kuvio 2 on suurennettu kuva ylhäältäpäin moniaukkoi-sesta poltintyypistä, jota voidaan käyttää esillä olevas-25 sa keksinnössä, kuvio 3 on suurennettu pituussuuntainen poikkileik-kauskuva kuviossa 2 esitetystä polttimesta pitkin kuvion 2 viivaa 3-3.

Kuviossa 1 on esitetty esimerkki keksinnön suositel-30 tavasta toteutuksesta, jolloin uppopolttokammio 10 on raa-ka-aineseoksen nesteytysastian 11 jälkeen. Piirroksessa esitetty nesteytysastetyyppi on esitettu US-patentissa nro 4 381 934 ja US-patenttianomuksessa sarjanumero 481 970, päivätty 4.4.1983 (molemmat Kunkle et ai), jotka patentti-35 julkaisut on liitetty tähän viitteeksi. Tämäntyyppiselle nesteytysmenetelmälle on tunnusomaista säteilylämmönsiirto 4 78282 lasin raaka-aineseosmateriaalien kaltevalle pinnalle, mikä aiheuttaa nesteytetyn materiaalin nopean valumisen. Niissä esitetty määrätty toteutus käsittää rummun 12, joka on asennettu pyöriväksi pystyakselin ympäri tukirenkaan 13 ja te-5 lojen 14 avulla. Paikallaan pysyvä kansi 15 on varustettu aukoilla vähintään yhden polttimon 16 sijoittamiseksi ja raaka-ainemateriaalien syöttämiseksi astiaan ja palamiskaa-sujen poistamiseksi astiasta kanavan 17 kautta. Pyörivään rumpuun 12 syötetyt raaka-aineinateriaalit muodostavat pa-10 rabolimaisen vuorauksen sisäseinille viettäen kohti keskus-poistoaukkoa (ei esitetty) rummun pohjalla. Tämäntyyppisen nesteytysjärjestelyn on havaittu olevan edullisen natron/ kalkki/piilasin nesteyttämiseksi, mutta on huomattava, että esillä olevan keksinnön tarkoituksiin soveltuvat myös 15 muut alalla tunnetut nesteytysjärjestelyt. Esimerkiksi lyhennetty ahjotyyppistä tai sähkövastustyyppistä lasinsu-latuslaitetta voidaan käyttää ensimmäisessä vaiheessa. Käsiteltäessä muita lasityyppejä tai muita materiaaleja kuin keraamisia materiaaleja, sintrattuja lasimateriaaleja tai 20 malmeja voidaan käyttää nesteytysvaihetta, joka on erikoisesti sovitettu tätä materiaalia varten.

Nesteytetty lasiseos, joka poistetaan ensimmäisen vaiheen nesteytysastiasta, on tyypillisesti vaahtomainen, johon sisältyy lasin raaka-aineseoksen sulamattomia rakei-25 ta. Kuviossa 1 esitetyssä toteutuksessa nesteytetty materiaali putoaa sylinterimäisen kauluksen 20 lävitse vastaanot-toastiaan 21, johon vaahtomaista materiaalia oleva massa 22 voi kerääntyä. Nesteytetty materiaali voidaan syöttää suoraan nesteytysastiasta 11 uppopolttoastiaan 10, mutta 30 on edullista käyttää väliastiaa tasaamiskyvyn vuoksi ja pääsyn parantamiseksi nesteytysastian 11 alapuolelle. Välias-tia voi muodostua oleellisesti kaltevasta pinnasta, joka johtaa uppopolttokammioon, kuten kuviossa on esitetty tai sen tilavuus voi olla huomattavasti suurempi lisäviipymis-35 ajan muodostamiseksi materiaalia varten ja se voidaan varustaa välineillä materiaalin kuumentamiseksi tai muita käsittelyjä varten.

5 78282

Uppopolttokammio 10 on oleellisesti vaikeasti sulavaa materiaalia oleva laatikko, joka on sovitettu sulan ma-teriaalilammikon 25 säilyttämiseksi, minkä lammikon syvyys on huomattava. Kuviossa 1 esitetyssä esimerkissä uppopolt-5 toastia on varustettu kahdella uppopolttopolttimella 26, mutta polttimien lukumäärä voi olla suurempi tai pienempi riippuen kuumennusvaatimuksista kussakin sovellutuksessa. Polttimet 26 ulottuivat astian pohjan lävitse, mutta asennus sivuseinään on myös mahdollinen. On myös edullista suun-10 nata polttimet vinosti astian seiniä kohti.

Polttimen rakenne ei ole kriittinen esillä olevassa keksinnössä, mutta yksityiskohtia esimerkistä polttimen rakenteeksi, joka soveltuu käytettäväksi esillä olevassa keksinnössä, voidaan havaita kuvioista 2 ja 3. Polttimen ylä-15 osa on varustettu kannella 27, jossa edullisesti sijaitsee aukkojärjestely, jossa on keskiaukko 28, jota ympäröi useita aukkoja 29. Tyypillisesti hapettavaa kaasua syötetään keskiaukon 28 lävitse ja polttoainekaasua ympäröivien aukkojen 29 kautta, mutta vastakkainen järjestely on myös mah-20 dollinen. Suositeltavassa menetelmässä, jossa käytetään happi/vety-polttoa, happea syötetään aukon 28 kautta ja vetyä aukkojen 29 kautta. Tarkasteltaessa sitten erikoisesti kuviota 3, syöttö keskiaukkoon 28 tapahtuu putkesta 30. Suurempiläpimittainen putki 31 ympäröi keskiputkea 30 si-25 ten, että niiden väliin muodostuu rengasmainen tila, jonka lävitse aukkoa 29 syötetään. Molempia putkia ympäröi jääh-dytysvaippa 32, joka muodostaa rengasmaisen tilan putken 31 ja vaipan 32 väliin, jonka kautta jäähdytysväliainetta kuten vettä voidaan kierrättää polttimen säilyttämiseksi 30 oikeassa lämpötilassa. Edullisesti rengasmainen tila jäähdytysväliainetta varten on varustettu osastoilla (ei esitetty) virtaustien muodostamiseksi jäähdytysainetta varten, jolloin jäähdytysaine kiertää tulosta 33 päätyholvin 27 läheisyyteen ja takaisin poistoon 34. Eräissä uppopolttojär-35 jestelyissä poltto suoritetaan polttimessa ja palamiskaa- sut injektoidaan sulatteeseen, mutta suositeltavassa menettelyssä käytetään tässä esitettyä tyyppiä olevaa poltinta 6 78282 ja sekä polttoaine että hapettava kaasu suihkutetaan sulatteeseen ja palamisen sallitaan tapahtua sulatteessa. Tässä tapauksessa palamisessa vapautunut energia siirtyy suoraan sulaan materiaaliin. Lisäksi käytettäesä polttoa polttimen 5 ulkopuolella, olosuhteet, joihin poltin joutuu, ovat vähemmän rasittavia, mikä vähentää kestävyysvaatimuksia.

Poistokanava 40 johtaa uppopolttokammiota 10 lasin muodostusvaiheeseen. Edullisesti kanavassa 40 käytetään yleensä rauhallisia olosuhteita kuplien poistumisen salli-10 miseksi sulatteesta ja sulatteen jäähtymisen sallimiseksi sopivaan lämpötilaan muotoilukäsittelyjä varten. Uppopolt-tokammion 10 sulatteen 25 pinnalla mahdollisesti olevan vaahdon pääsyn estämiseksi kanavaan 40 on edullista käyttää pintasulkuaitaa 41 kanavan 40 tuloaukon luona.

15 Uppopolttopolttimeen 26 syötettävän polttoaineen ja hapettimen paineen täytyy luonnollisesti olla riittävän suuren sulatteen 25 hydrostaattisen paineen ylittämiseksi. Kussakin tapauksessa vaadittava paine riippuu sulatteen tiheydestä ja sen syvyydestä, mutta esimerkiksi on havait-20 tu, että jos vaahtomaisen sulan natron-kalkki-piilasin syvyys on 0,6 metriä, vaaditaan 34500 Pa paine. Polttimiin syötetyn polttoaineen määrä riippuu kulloisenkin sovellutuksen lämpövaatimuksista, käytetyn polttoaineen lämpösi-sällöstä ja lämmönsiirron tehokkuudesta sulaan materiaa-25 liin. Kuumennettaessa natron-kalkki-piilasia noin 1260°C lämpötilasta noin 1540°C lämpötilaan on havaittu voitavan saavuttaa noin 70 %:n lämmönsiirtohyötysuhde. Vedyn lämpö- 3 3 sisältö on noin 10,4 joulea/cm tai 12,2 joulea/cm mukaanluettuna höyrystymislämpö.

30 Materiaalille, kuten laakalasille, jota varten ta vallisesti halutaan hieman hapettavat olosuhteet, syötetään polttimoihin ylimäärä happea palamiseen vaadittavan määrän lisäksi. Edelleen perusteellinen sekoitus ja läheinen kaasu/neste-kosketus, jotka saavutetaan uppopolttokam-35 mion avulla, tekee sen erittäin sopivaksi sulatteen hapetus-asteen tai sen muun kemiallisen ominaisuuden säätämistä 7 78282 varten. Esimerkiksi nesteytysvaiheessa voidaan käyttää pelkistäviä olosuhteita ja sulaa lasia voidaan hapettaa uppopolttokaimniossa. Kääntäen on myös mahdollista käyttää niukasti happea uppopolttokammiossa sulatteen saami-5 seksi pelkistyneempään tilaan. Sulan lasin hapetusasteen säätömahdollisuus on käyttökelpoinen muodostettaessa lasin väri- ja valonläpäisyominaisuuksia. Järjestely sallii myös väriaineiden tai muiden lisäaineiden lisäämisen uppo-polttokammioon. Uppopolttokammio voi olla sopiva sekoili) tus- ja/tai reaktioastia, jossa useat erikseen nestey- tetyt aineosat voidaan sekoittaa keskenään. Tässä suhteessa useat nesteytysastiat 11 voivat syöttää uppopolttokammioon.

Esillä olevassa keksinnössä voidaan käyttää jokaista hiilivetypolttoainetta polttimien yhteydessä, jol-15 loin luonnonkaasu on erikoisen sopiva esimerkki. Käytettäessä happea ilman asemasta voidaan sulatteeseen suihkutetun hapettavan kaasun tilavuus vähentää noin viidennekseen.

Edut, jotka saadaan käytettäessä vedyn polttoa 20 hapella, jolloin palamistuote muodostuu pääasiassa vesihöyrystä, voidaan havaita seuraavasta kaasujen liukoisuuksien vertailusta sulaan lasiin kyllästystilassa, kuten kirjallisuudessa on esitetty:

Kaasu Liukoisuus (1400°C:ssa) 25 N2 0,56 x 10 ^ g/cm^ C02 80 x 10"6 *' H20 2700 x 10"6 "

Typen, joka on ilman pääaineosa ja hiilidioksidin, 3q joka on päätuote hiilivedyn palamisessa, liukoisuudet sulaan lasiin ovat paljon pienemmät kuin veden. Täten vältettäessä ilman ja hiilivetypolttoaineen käyttö, eräät huonosti liukenevat ainelajit voidaan jättää huomiotta kaasu-faasissa sulatteessa, jolloin vain erittäin hyvin liukeneva vesifaasi jää oleellisesti jäljelle absorboituvaksi 35 sulatteeseen. Myös käytettäessä happea ilman asemasta 8 78282

On huomattava, että happi/vety-upotuspoltto antaa etuja suositeltavan kaksivaiheisen järjestelyn lisäksi. Siten keksinnön yleisiin kohtiin kuuluu lasin raaka-aine-seosmateriaalien syöttö suoraan uppopolttokammioon 10, 5 jota kuumennetaan vedyn polton avulla hapen kanssa.

Toinen korkealämpötilalähde, jota voidaan käyttää esillä olevassa keksinnössä on plasmapoltin. Plasmapolt-timessa käytetään kantajakaasua suuntaamaan korkeassa lämpötilassa olevaa plasmaa, jota muodostetaan sähkö-10 valokaaren avulla polttimon suulakkeen jälkeen. Kantaja- kaasu voi olla palavaa kaasua tai se voi olla reagoimatonta tai jopa inerttiä. Esimerkiksi kantajakaasu voi olla vesihöyryä, joka on edullista veden verrattain suuren liukoisuuden vuoksi sulaan lasiin. Happi voi myös olla 15 sopiva kantajakaasu, koska sen liukoisuus sulaan lasiin on lähes yhtä suuri kuin veden. Helium voi myös olla sopiva huolimatta sen verrattain huonosta liukoisuudesta, koska sen diffundoituvuus sulaan lasiin on erittäin hyvä.

Yhteenvedettynä, lämpölähde uppopolttoa varten voi 20 olla palaraislämpö, joka vapautuu kaasusta sen palaessa uppopolttokammiossa tai joka palaa välittömästi ennen sen injektoimista kammioon tai se voi olla lämpöenergiaa, jota vapautuu kaasusta, joka on sähköisesti aktivoitu. Näitä voidaan kutsua yleisnimellä säteilykaasut„ Lisä-25 lämpölähteitä kuten yläpuolisia palamisliekkejä tai sähkö-vastuskuumennusta voidaan käyttää uppopolttokammiossa.

Uppopolttokammio 10 kuumennetaan ensin sen ollessa tyhjän polttimia 26 käyttäen. Kuumennettu kammio voidaan sitten asteettain täyttää sulalla materiaalilla nestey-30 tysvaiheesta 11 tai lasin raaka-aineseoksella tai lasi-murskalla. Kun sula lammikko 25 on muodostettu, voidaan uppopolttimien toiminta lopettaa ja käynnistää uudestaan pelkästään katkaisemalla polttoaineen syöttö ja aloittamalla se uudestaan. Kun poltinta ei käytetä, on edullista 35 estää sulatteen tulo polttimeen ja jäähdytystä voidaan 9 78282 jatkaa puhaltamalla polttimeen kaasua, esimerkiksi hapettavan kaasuvirran avulla.

Tässä esitetty yksityiskohtainen kuvaus kohdistuu määrättyihin toteutuksiin keksinnön suositeltavan tavan 5 esittämiseksi, mutta on huomattava, että muita modifikaatioita ja muunnoksia, joita alan asiantuntijat tietävät, voidaan soveltaa poikkeamatta keksinnön hengestä ja alueesta, jotka on määritelty seuraavissa patenttivaatimuksissa.

Claims (11)

78282

1. Menetelmä materiaalin, erikoisesti lasin, sulat-tamiseksi, tunnettu siitä, että raaka-ainemateriaa- 5 li nesteytetään ensimmäisessä sulatusastiassa (11) valumis-kykyiseen tilaan, nesteytetty, sulamattomia rakeita sisältävä materiaali poistetaan ensimmäisestä sulatusastiasta toiseen sulatusastiaan (10) , ja nesteytetty materiaali pidetään toisessa sulatusastiassa (10) ja oleellisesti 10 typpeä sisältämätöntä säteilykaasua injektoidaan nesteyte-tyn massan alapuolelle riittävässä määrin nesteytetyn massan kuumentamiseksi ja sekoittamiseksi ja nesteytetyn massan materiaalin muuttamiseksi sulaan tilaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n -15 n e t t u siitä, että säteilykaasu muodostuu polttoaineen ja hapettavan aineen palamistuotteista.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoainetta ja hapettavaa ainetta suihkutetaan erikseen nesteytettyyn massaan.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palamistuotteet injektoidaan nesteytettyyn massaan polttimesta (26), jossa palaminen on aloitettu.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 2-4 mukainen mene-25 telmä, tunnettu siitä, että hapettavaa ainetta injektoidaan toiseen sulatusastiaan enemmän kuin mitä vaaditaan palamista varten.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilykaasuihin kuuluu plasmavir- 30 taus.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilykaasu muodostuu pääasiassa vesihöyrystä.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n -35 n e t t u siitä, että säteilykaasu muodostetaan poltta- 78282 maila polttoainetta, joka muodostuu pääasiassa vedystä, oleellisesti puhtaan hapen kanssa.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilykaasu ei 5 oleellisesti sisällä hiilen oksideja.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nesteytysvaihe ensimmäisessä sulatusastiassa (11) suoritetaan pitämällä raaka-ainemateriaaleja kaltevalla pinnalla kohdistaen salo maila raaka-ainemateriaaleihin säteilylämpölähde.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen astia (10) on ensimmäisen astian (11) alapuolella niin, että nestey-tetyt materiaalit virtaavat painovoiman vaikutuksesta 15 ensimmäisestä astiasta toiseen astiaan. 78282