PL190158B1 - Sposób wytwarzania szkła w piecu i piec do wytwarzania szkła - Google Patents

Abstract

1 . Sposób wytwarzania szkla w piecu, po- legajacy na topieniu kompozycji tworzacej szklo, klarowaniu roztopionego szkla, chlo- dzeniu w procesie kondycjonowania, a na- stepnie wprowadzaniu do kanalu wyplywowe- go, znamienny tym, ze miesza sie roztopione szklo na calej szerokosci wejscia do kanalu wyplywowego 2. Piec do wytwarzania szkla, majacy ko- more topienia, komore klarowania 1 komore kondycjonowania, usytuowane kolejno na drodze roztopionego szkla, oraz majacy kanal wyplywowy przyjmujacy roztopione szklo z komory kondycjonowania i elementy mie- szajace roztopione szklo, znamienny tym, ze elementy mieszajace (15) roztopione szklo sa usytuowane w komorze kondycjonowania (8) przy wlocie (16) kanalu wyplywowego (13) obejm uja swoim zasiegiem oddzialywania cala szerokosc wyjscia z komory kondycjo- nowania (8) do kanalu wyplywowego (13) FIG. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania szkła w piecu i piec do wytwarzania szkła.

Konwencjonalny piec do wytwarzania szkła typu float zawiera komorę topienia, komorę klarowania i komorę kondycjonowania. W komorze topienia roztapia się składniki użyte do wytwarzania szkła. W komorze klarowania usuwa się pęcherzyki obecne w roztopionym szkle. Z komory klarowania roztopione szkło przechodzi do komory kondycjonowania, gdzie chłodzi się je zanim wejdzie w kanał wypływowy na swej drodze do kąpieli.

Chociaż każdy ze składników roztapianych w celu wytworzenia szkła jest nominalnie homogeniczny, w rzeczywistości istnieją różnice w wielkości ziarna. Ponadto surowce te mają wielkości ziaren różniące się od siebie. Chociaż partie są mieszane, mieszanie takie nigdy nie jest dokładne. Ponadto, w zależności od warunków, w których materiały te są przechowywane, może nastąpić segregacja i/lub reakcja ziaren. Wiadomo, ze różnice te przyczyniają się do niejednorodności gotowego szkła.

Składniki miesza się ze sobą i nieprzerwanie doprowadza się do komory topienia, gdzie początkowo mieszanina ta tworzy kożuch pływający na juz roztopionym szkle. Zmieszanie ziarnistych materiałów stałych nigdy nie jest dokładne i jeśli skala badania jest wystarczająco mała, w różnych miejscach mieszaniny można stwierdzić niewielkie różnice średniego składu chemicznego. Dalsza niejednorodność może pojawić się podczas topienia mieszaniny Przykładowo, w większości szkieł typu float fazy ciekłe bogate w związki alkaliczne

190 158 spływają do dołu po pochyłych górnych powierzchniach pływającego kożucha. Ponadto, szkła typu float są często wytwarzane w piecach regeneracyjnych i mogą się pojawić niejednorodności przy zmianie opalania. Dalszymi możliwymi źródłami niejednorodności są: korozja materiałów ogniotrwałych, rozpuszczanie się atmosfery pieca w szkle i selektywna strata na skutek parowania pewnych składników szkła.

W komorze kondycjonowania szkło jest chłodzone i mogą pojawić się dalsze problemy na skutek termicznych prądów konwekcyjnych wytwarzanych przez takie chłodzenie. Chłodzenie występuje wtedy, gdy szkło napotyka ściany boczne i dno komory kondycjonowania, ale kontrolowane chłodzenie zwykle przeprowadzane jest w kierunku do dołu, czyli górna powierzchnia roztopionego szkła jest chłodzona w żądanym stopniu, zwykle za pomocą powietrza. Powstające prądy konwekcyjne zwykle powodują skomplikowane układy przepływu mające wpływ na przechodzenie znacznej części szkła przez komorę kondycjonowania. W rezultacie szkło, które przez znaczny czas przechodziło przez te skomplikowane drogi przepływu, znajdzie się w produkcie razem ze szkłem, które doznało stosunkowo szybkiego przejścia, przez co następuje pogorszenie istniejącej niejednorodności.

Wszystkie te źródła niejednorodności mogą powodować powstanie punktowych wad i/lub rozległych wad w gotowym szkle. Rozległość, jak wiadomo, związana jest ze zjawiskiem optycznym powodowanym w szkle, kiedy części szkła sąsiadujące ze sobą mają różne gęstości optyczne lub współczynniki załamania.

Długie czasy przebywania mogą spowodować większe problemy, jeżeli piec ma być przełączany z wytwarzania jednego typu szkła, np. szkła barwionego, na inny rodzaj szkła, takiego jak szkło przezroczyste. W takim przykładzie pewne części szkła barwionego potrzebują bardzo długiego czasu do wypłukania ich z komory kondycjonowania. Można łatwo zauważyć, ze piec musi być zasadniczo pozbawiony pozostałości szkła barwionego zanim będzie można wytwarzać szkło przezroczyste o jakości możliwej do przyjęcia w handlu. Jest to spowodowane tym, ze smugi lub pasy szkła barwionego pojawiają się w szkle przezroczystym i szkło to nie będzie miało jakości możliwej do zaakceptowania dopóki nie znikną wszystkie takie smugi lub pasy.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania szkła w piecu i pieca do wytwarzania szkła, które umożliwią uniknięcie powyższych problemów lub przynajmniej zmniejszenie ich do minimum, a zwłaszcza opracowanie sposobu i pieca, które umożliwią przeprowadzanie przełączania pomiędzy wytwarzaniem różnych typów szkła znacznie szybciej tak, ze jakość nowego szkła, możliwa do zaakceptowania w handlu, będzie osiągana bez niepotrzebnej, a zatem kosztownej zwłoki.

Sposób wytwarzania szkła w piecu, polegający na topieniu kompozycji tworzącej szkło, klarowaniu roztopionego szkła, chłodzeniu w procesie kondycjonowania, a następnie wprowadzaniu do kanału wypływowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, ze miesza się roztopione szkło na całej szerokości wejścia do kanału wypływowego.

Piec do wytwarzania szkła, mający komorę topienia, komorę klarowania i komorę kondycjonowania, usytuowane kolejno na drodze roztopionego szkła, oraz mający kanał wypływowy przyjmujący roztopione szkło z komory kondycjonowania i elementy mieszające roztopione szkło, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elementy mieszające roztopione szkło są usytuowane w komorze kondycjonowania przy wlocie kanału wypływowego i obejmują swoim zasięgiem oddziaływania całą szerokość wyjścia z komory kondycjonowania do kanału wypływowego.

Elementy mieszające mają, korzystnie, co najmniej jedną parę mieszadeł.

Mieszadła w każdej parze mieszadeł są, ewentualnie, zasadniczo identyczne.

W szczególności, każde mieszadło ma, zasadniczo pionowy, wałek posiadający, w swym dolnym końcu, człon mieszający współpłaszczyznowy z osią wałka i mający zasadniczo prostokątny kształt przekroju podłużnego, przy czym osie członu mieszającego mają różne wymiary.

Człon mieszający składa się, ewentualnie, z pary łopatek umieszonych pod kątem zasadniczo 180° względem siebie i pod kątem zasadniczo 90° względem osi wałka, przy czym mieszadła są napędzane w przeciwnych kierunkach obrotu

190 158

Mieszadła mają, korzystnie, przewody dla wody chłodzącej, natomiast wałki mieszadeł są wykonane z rury ze stali niskostopowej.

Koncepcja mieszania szkła bezpośrednio przed wejściem do kanału wypływowego jest całkowicie nowa Zwykle przyjmowano, ze roztopione szkło w tym obszarze jest za zimne do odpowiedniego wymieszania. Ponadto, w przemyśle szklarskim panował pogląd, ze mieszanie powinno być przeprowadzane w ograniczonych obszarach pieca, takich jak kanały. Główne wady mieszania w kanałach polegają na tym, ze powstają właściwości niemożliwe do zaakceptowania, istnieje problem zuzywama się materiału, z którego wykonany jest kanał oraz wprowadzane są punktowe wady. Przyczyny te są w pewnym stopniu ze sobą związane.

Wysokie temperatury stosowane zwykle w piecach szklarskich oraz korozyjna natura roztopionego szkła czynią ważnym wybór materiału na budowę mieszadeł. Mieszadła są konwencjonalnie wykonane z jednego z trzech różnych typów materiału. Są to: materiały ogniotrwałe, takie jak silimamt, metale ogniotrwałe, takie jak platyna lub molibden albo rury ze stali niskostopowej. Każdy z tych materiałów ma własne, związane z mmi problemy.

Materiały ogniotrwałe mają tendencję do rozpuszczania się w szkle i powodowania zmian współczynnika załamania oraz związanych z tym wad. Mają one również tendencję do tworzenia kamieni, czyli oddzielnych wad w postaci ciała stałego, wprowadzonych w szkło. Wreszcie mają one tendencję po długotrwałym użytkowaniu do pękania i spadania w szkło, skąd oczywiście bardzo trudno jest je usunąć. Najważniejszą wadą stosowania metali ogniotrwałych jest oczywiście ich koszt. Jednakże mogą one również powodować powstawanie pęcherzyków przez swe działanie w charakterze elektrod w reakcjach elektrolitycznych.

Stale, takie jak stal niskostopowa, są oczywiście korzystnymi materiałami ze względu na swój niski koszt, łatwą dostępność i możliwość obrabiania. Mają one jednak tę poważną wadę, ze ich temperatura topnienia jest niska. Mieszadła takie muszą być zatem chłodzone, a najbardziej oczywistym sposobem chłodzenia jest stosowanie wody. Konwencjonalna wiedza mówi jednak, ze wodnego chłodzenia mieszadeł nie można stosować w kanałach. Chłodzenie wodne obniża temperaturę szkła jeszcze bardziej i aktualnie uważa się, że spowoduje to dalsze wady w szkle Ponadto, jeśli nastąpi wyłączenie linii produkcyjnej, mieszadła zostaną uwięzione w szkle zakrzepłym w kanale. To z kolei może spowodować fizyczne zniszczenie samego kanału.

Niespodziewanie stwierdzono, ze przez mieszanie roztopionego szkła bezpośrednio przed wyjściem z komory kondycjonowania, na całej szerokości wejścia do kanału wypływowego i przez zapewnienie, ze szkło jest całkowicie wymieszane zanim wejdzie w kanał wypływowy, wspomniane wyżej problemy albo są wyeliminowane, albo są znacznie zmniejszone.

W korzystnym przykładzie wykonania łopatki mieszadeł są podczas działania całkowicie zanurzone w roztopionym szkle.

Wynalazek jest przedstawiony, w przykładzie wykonania, na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie piec szklarski według wynalazku w przekroju wzdłuznym, fig 2 mieszadła stanowiące część pieca według wynalazku w widoku z boku, a fig 3 przedstawia mieszanie szkła powodowane przez mieszadła z fig. 2 w widoku z góry.

Na fig. 1 pokazano piec 1 do wytwarzania szkła. Piec ten zawiera komorę topienia 2. Mieszanina surowców, które są topione w celu wytworzenia szkła, jest oznaczona przez 3. Składniki są stapiane w znany sposób podczas mijania otworów 4 opalania. Jak pokazano na fig. 1, kiedy materiały topią się, tworzą one stopniowo coraz cieńszy kożuch 5 na powierzchni roztopionego szkła 6.

Następnie roztopione szkło przechodzi do komory klarowania 7. Jest to najcieplejsza część pieca i w tym obszarze pęcherzyki powstające w roztopionym szkle w komorze stapiania 2 są usuwane lub przynajmniej ich liczba jest zmniejszana do minimum Bezpośrednio dalej w kierunku przepływu roztopionego szkła usytuowana jest komora kondycjonowania 8, w której sklarowane szkło jest chłodzone.

Z różnych przyczyn, wliczając w to przepływ szkła i termiczne prądy konwekcyjne, istnieje pewna recyrkulacja szkła do komory stapiania 2. Jednakże, kiedy szkło przechodzi do komory klarowania 7, jest wyraźnie widoczny podział na przepływ bezpośredni i przepływ recyrkulacyjny.

190 158

Przepływ bezpośredni 12 występuje przy powierzchni roztopionego szkła w komorze klarowania i szkło przepływa tu przez komorę kondycjonowania jako część przy górnej powierzchni roztopionego szkła 6. Ten bezpośredni przepływ 12 wchodzi następnie w kanał 13 wypływowy, skąd przechodzi do kąpieli (nie pokazano).

Ze względu na termiczne prądy konwekcyjne istnieje równiez przepływ recyrkulacyjny. Problem pojawiający się w takim układzie polega na tym, że istnieją obszary stagnacji, gdzie roztopione szkło ma tendencję do stawania się stosunkowo zimnym i lepkim. Szkło, które raz wejdzie w taki obszar, ma tendencję pozostawać tam przez długi czas. Jeden taki obszar jest usytuowany przy przedniej ścianie końcowej 14 komory kondycjonowania. Właśnie pozostawanie szkła w tych obszarach powoduje nadmiernie długi czas przełączania, kiedy przykładowo piec 1 jest przełączany z produkcji szkła zabarwionego na produkcję szkła przezroczystego. Szkło cyrkulujące w komorze kondycjonowania 8 jest wyprowadzane z tej komory dość szybko, ale szkło, które zgromadziło się w obszarach stagnacji, ma tendencję do pozostawania tam przez długi czas i jest usuwane tylko z trudnością.

Komora kondycjonowania 8 jest chłodzona, jak to jest konwencjonalnie stosowane. Ciepło jest usuwane w tej komorze z powierzchni szkła i poprzez ścianę dolną i ściany boczne tej komory. Większość ciepła jest jednak odprowadzana z powierzchni szkła. W tym celu zwykle utrzymuje się przepływ powietrza nad górną powierzchnią szkła. Powoduje to jednak dwudzielność. Chłodzenie gómej powierzchni powoduje w szkle szkodliwe cyrkulacje termiczne, znane jako inwersje termiczne. Inaczej mówiąc, chłodniejsze i o większej gęstości szkło w pobliżu powierzchni jest podpierane przez cieplejsze, o mniejszej gęstości szkło poniżej i w pewnych okolicznościach może to spowodować lokalne układy cyrkulacji szkła, które prowadzą do niemożliwych do zaakceptowania smug w gotowym szkle. Takie chłodzenie nad szkłem musi być zatem ograniczone. Konwencjonalnie problem ten jest przezwyciężany przez utworzenie wystarczająco dużej komory kondycjonowania tak, ze uzyskuje się odpowiednie prędkości chłodzenia na jednostkę pola powierzchni. Należy tu przypomnieć, ze trzeba zapewnić, by szkło było chłodzone, poniewaz istnieje optymalna temperatura, przy której szkło musi wchodzić do kanału wypływowego. Niestety jednak zastosowanie dużej komory kondycjonowania 8 znacznie zwiększa koszt urządzenia piecowego oraz znacznie przedłuża czas potrzebny na dokładne wypłukanie pieca podczas zmian zabarwienia szkła.

Ponadto, zastosowano przynajmniej jedną parę mieszadeł 15, najlepiej widocznych na fig 2, które są usytuowane tuz przed wejściem 16 do kanału wypływowego. Na fig 2 w celu zachowania przejrzystości rysunku pokazano tylko jedną parę mieszadeł 15. Poszczególne mieszadła 15a i 15b są identyczne. Każde zawiera wałek 17, który podczas działania wchodzi zasadniczo pionowo do dołu w roztopione szkło. Wałki te są napędzane przez odpowiednie zespoły napędowe, których nie pokazano. Przy swym dolnym, swobodnym końcu każdy wałek ma parę łopatek 18a i 18b. Te łopatki 18a i 18b rozciągają się zasadniczo pod kątem 90° względem osi wałka 17. Obie łopatki są usytuowane pod kątem zasadniczo 180° względem siebie. Na fig. 2 pokazano, ze te dwa mieszadła są ustawione tak, ze ich łopatki 18a i 18b są podczas obrotu przestawione w fazie zasadniczo o 90° i są obracane z taką samą prędkością w zakresie 2-20 obr/min, ale w przeciwnych kierunkach.

Mieszanie takie powoduje zjawisko pokazane na fig. 3. Pokazano tu schematycznie położenie bardzo małej części szkła pod działaniem mieszadeł. Jak to łatwo mozna zobaczyć, powodowany jest ruch tej części szkła z jednej strony na drugą na szerokości przynajmniej równej szerokości kanału, kiedy ta część szkła jest usytuowana w komorze kondycjonowania 8. Ruch taki jest istotną cechą procesu homogenizacji. Użycie terminu „homogenizacja”, w odniesieniu do rozwiązania według wynalazku, me powinno być rozumiane jako wskazujące na całkowitą homogenizację stopionego szkła. Praktycznie całkowita homogenizacja jest możliwa w przypadku cieczy o niskiej lepkości, takich jak woda, lecz jest wykluczona w przypadku stopionego szkła mającego wysoką lepkość Czynność mieszania, w odniesieniu do rozwiązania według wynalazku, polega na ponownym rozprowadzaniu strumieni stopionego szkła, aby uczynić wszelkie regiony o miejscowo odmiennym współczynniku załamania światła dostatecznie cienkimi, by stały się niedostrzegalne w wykończonym artykule szklanym podczas normalnego użycia. Całość roztopionego szkła jest mieszana i nietypowe obszary zostają przeplecione z resztą szkła tak, ze zakłócenia optyczne powodowane przez nie są

190 158 zmniejszone do minimum. Zależnie od szerokości komory kondycjonowania i/lub rozmiaru mieszadeł 15a, 15b, szkło 6 może albo być zadowalająco wymieszane zanim wejdzie w kanał wypływowy, albo takie wymieszanie można osiągnąć przy wejściu w ten kanał. W każdym razie cel jest taki sam: uniemożliwić omijanie mieszadeł 15a, 15b przez szkło, które nie zostało wymieszane i wchodzenie tego szkła w kanał wzdłuż ścian bocznych i ścian końcowych komory kondycjonowania. Jak pokazano również na fig. 3, szkło, które podąża tą drogą do wejścia 16 kanału, jest zbierane przez szkło, które zostało poddane działaniu mieszadeł 15a, 15b, ale nie przeszło do kanału i jest zawrócone do górnej strony mieszadeł 15a, 15b.

Mieszadła 15a, 15b likwidują wszelkie wady optyczne, które mogłyby w przeciwnym razie powstawać w obszarze wejścia 16 kanału. Taka likwidacja wad przez wymieszanie umożliwia stosowanie w komorze kondycjonowania silniejszego chłodzenia powierzchni. W istniejących piecach do wytwarzania szkła typu float, w których wydajność produkcyjna jest ograniczona przez konieczność unikania takich problemów, oznacza to, że można wytwarzać większe ilości szkła. Alternatywnie w nowych piecach możliwe jest zastosowanie znacznie mniejszej komory kondycjonowania 8 w celu otrzymania szkła o właściwej temperaturze do wprowadzania do kanału wypływowego. Oznacza to oczywiście znaczne zmniejszenie kosztów.

Inna zaleta mieszania w obszarze wejścia do kanału wypływowego polega na tym, ze mieszadła 15a, 15b mogą być chłodzone wodą. Aby osiągnąć taką samą temperaturę szkła wchodzącego do kanału wypływowego, komora kondycjonowania może wtedy pracować przy wyższej temperaturze. Inaczej mówiąc, mniej powietrza chłodzącego trzeba doprowadzać do powierzchni roztopionego szkła 6 w części komory kondycjonowania 8 przed mieszadłami 15a, 15b Kiedy komora kondycjonowania 8 działa przy wyższej temperaturze, roztopione szkło jest oczywiście bardziej płynne. Oznacza to, ze obszary stagnacji szkła przy przedniej ścianie końcowej komory kondycjonowania 8 są mniejsze oraz że szkło w tych obszarach może być łatwiej wypłukiwane przy przełączaniu pieca 1 z produkcji jednego typu szkła na inny typ szkła. Jeszsze inna zaleta rozwiązań według wynalazku polega na tym, że istnieje znacznie mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia odszklenia.

190 158

FIG. 2

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz Cena 2,00 zł

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1 Sposób wytwarzania szkła w piecu, polegający na topieniu kompozycji tworzącej szkło, klarowaniu roztopionego szkła, chłodzeniu w procesie kondycjonowania, a następnie wprowadzaniu do kanału wypływowego, znamienny tym, że miesza się roztopione szkło na całej szerokości wejścia do kanału wypływowego
2. 2. Piec do wytwarzania szkła, mający komorę topienia, komorę klarowania i komorę kondycjonowania, usytuowane kolejno na drodze roztopionego szkła, oraz mający kanał wypływowy przyjmujący roztopione szkło z komory kondycjonowania i elementy mieszające roztopione szkło, znamienny tym, ze elementy mieszające (15) roztopione szkło są usytuowane w komorze kondycjonowania (8) przy wlocie (16) kanału wypływowego (13) i obejmują swoim zasięgiem oddziaływania całą szerokość wyjścia z komory kondycjonowania (8) do kanału wypływowego (13).
3. 3. Piec według zastrz. 2, znamienny tym, że elementy mieszające (15) mają co najmniej jedną parę mieszadeł (15a, 15b).
4. 4. Piec według zastrz. 3, znamienny tym, że mieszadła (15a, 15b) w każdej parze mieszadeł są zasadniczo identyczne. '
5. 5. Piec według zastrz. 4, znamienny tym, ze każde mieszadło (15a, 15b) ma, zasadniczo pionowy, wałek (17) posiadający, w swym dolnym końcu, człon mieszający współpłaszczyznowy z osią wałka (17) i mający zasadniczo prostokątny kształt przekroju podłużnego, przy czym osie członu mieszającego mają różne wymiary.
6. 6 Piec według zastrz. 5, znamienny tym, ze człon mieszający składa się z pary łopatek (18a, 18b) umieszczonych pod kątem zasadniczo 180° względem siebie i pod kątem zasadniczo 90° względem osi wałka (17), przy czym mieszadła (15a, 15b) są napędzane w przeciwnych kierunkach obrotu.
7. 7 Piec według zastrz. 2, znamienny tym, ze mieszadła (15a, 15b) mają przewody dla wody chłodzącej, natomiast wałki (17) mieszadeł (15a, 15b) są wykonane z rury ze stali niskostopowej.