TWI398416B - 控制玻璃製造系統中融熔材料液面之方法及裝置 - Google Patents

Description

控制玻璃製造系統中融熔材料液面之方法及裝置

本發明是有關在玻璃製造系統中維持熔融材料液面的方法和裝置，尤其是控制先質材料的進料和熔化速率為熔融材料液面的函數。

在一般的玻璃製造系統中，通常是粉末狀的各種原始成份或整批材料被引進或送入熔融高溫爐。粉末狀的整批材料熔化後成形黏性熔融材料流到系統的製造部分。當黏性熔融材料冷卻後就可成形玻璃。為了討論的目的而不是限制，黏性熔融材料在這之後被稱為熔融玻璃或玻璃熔融物。在熔化處理過程期間，熔融高溫爐的玻璃熔融物液面最好維持在固定的液面。如果熔融物的液面波動太大，玻璃熔融物有可能沖刷掉熔融高溫爐牆的不同區域。這是合理的關注，因為熔融高溫爐的牆一般是以耐火磚排列而成，經過一段時間會溶解到熔融物中，因此成形牆的耐火磚不同區域之間的組成變化會反映在熔融物中。此外，在熔化處理期間，各種熔化的副產物也可能累積在耐火牆上。例如，熔融物表面一般是以未熔化的整批材料蓋住，從熔化過程產生泡沫。波動液面可能產生熔融物不一致的化學組成，或可能併入熔融物內固狀耐火和/或整批夾雜物。最後，波動液面和嘗試補償可能導致熔融物的熱不穩定性。

從過去的紀錄來看，玻璃片製造的大多數玻璃量都是在浮置系統執行，首先在熔融高溫爐中熔化先質材料，澄清以移除氣體夾雜物，再流到第二種熔融介質，譬如錫表面。

最近，已使用熔融處理來生產沒有缺陷的玻璃片，這在製造光學顯示器上是很有用的，首先在熔融高溫爐中熔化先質材料，然後流經管線系統或導管和容器到成形管。形成管包含頂部開放式的容器，包括收斂的成形表面。熔融玻璃溢流出容器頂部，從成形容器的表面向下流，包括收斂的成形表面。這兩股流在收斂成形表面會合的線上再度會集。因此，接觸成形管耐火表面的熔融玻璃在成形玻璃的內部連結，而玻璃的外部表面就不會接觸成形表面。熔融高溫爐和成形管之間的管線和容器通常是由譬如鉑或鉑銠合金的耐火金屬製成，一起被稱為鉑系統。

發生在鉑系統的壓力下降可能會因為鉑系統的溫度波動而有變化，造成液面波動向後傳回熔融高溫爐，使得熔融型態的玻璃製造處理比其他種處理更容易引起液面波動。一般而言，在熔融高溫爐中直接測量玻璃液面是很困難的，由於前述的熔化副產物：熔融高溫爐內的熔融玻璃可能無法呈現完美的表面。因此，可使用間接的方法。通常，可改變整批材料送進爐中的速率來執行液面控制。然而，一般螺旋型態的整批進料器，通常是大容量的裝置，缺乏維持適當液面控制所需的精細控制，不使其超出目標液面，因而產生額外的液面波動。

這裡說明的是在生產熔融玻璃的熔融高溫爐中，維持真正固定液面的方法。此方法併入一個縮減的整批進料器，和主體整批進料器送進的整批材料量比起來，只會送入小百分比粉末狀的整批材料到爐中。使用小量進料器可允許整體進料速率的細微調整。依據本發明的實施例，以固定的輸出操作一個或多個主體整批進料器，整批進料速率的變化則藉著改變較小的縮減進料器的輸出來達成。然而，如果整批進料速率需要大的改變，也可改變主體進料器的輸出。

進料速率的變化也可能導致整批覆蓋層和覆蓋層下熔態玻璃溫度的改變。因此，本發明進一步認為可使用縮減加熱器小量地改變熔融物的溫度。加熱熔融物的方法包括氧化物燃料加熱器(譬如熔融物頂端的煤氣口)，和在熔融物表面下併入電極的電流加熱器。

在本發明的某實施例，說明了成形玻璃熔融物的方法，包括以主體進料速率，從主體整批進料器將整批材料送入熔化爐以等於或小於10%總整批進料速率的縮減進料速率從整批縮減進料器將整批材料送入熔融高溫爐，總整批進料速率是主體進料速率和縮減進料速率的和，加熱熔融高溫爐中的整批材料以成形玻璃熔融物，偵測玻璃熔融物的液面；對應於玻璃熔融物的液面而改變縮減進料速率，以維持固定的主體進料速率。

人們了解先前一般性說明以及下列詳細說明只作為本發明之範例，以及預期提供一個架構或概念以了解申請專利範圍所界定本發明之原理及特徵。所包含附圖在於提供更進一步了解本發明，以及在此加入以及構成說明書之一部份。附圖顯示出本發明範例性實施例，以及連同說明書作為解釋本發明之原理及精神。

在下列詳細說明中，為了說明目的以及並非作為限制用，揭示出特定細節之範例性實施例提供作為完全了解本發明。不過，熟知此技術者能夠受益於本發明揭示內容而實施於其他實施例，其並不會脫離在此所揭示之內容。除此，為人所熟知此之裝置，方法及材料之說明可加以省略以避免模糊本發明之說明。最後，儘可能地相同的參考數目表示相同的組件。

圖1所示是依據本發明實施例的玻璃製造裝置10的斷面圖，包含可用在生產玻璃片的熔融玻璃製造處理上的熔融高溫爐或預熔器12。熔融高溫爐12通常是由鋁土或鋯土磚的防火材料所構成。除了熔融高溫爐12之外，裝置10還包括熔融高溫爐到澄清槽連接管(MFC)14，澄清槽16，澄清槽到攪拌槽連接管(FSC)18，攪拌槽20，攪拌槽到碗槽連接管(SBC)22，碗槽24，降流管26，入口28和成形管30。整批材料32經由入口34送到熔融高溫爐12，整批材料熔化後成形熔融玻璃或玻璃熔融物36。玻璃熔融物36然後經過MFC 14流到澄清槽16，以去氣體或澄清熔融物。玻璃熔融物從澄清槽16經過FSC 18流到攪拌槽20，在該處均勻化熔融玻璃。例如，攪拌槽20可包含旋轉攪拌葉片，伸展並切割熔融玻璃以降低不均勻性。熔融玻璃從攪拌槽經由降流管流到碗槽並進入成形管30。成形管30是頂端開放式的容器，包含收斂的側邊壁板，使得進入成形管30的熔融玻璃溢流出形成管件，以兩股熔融玻璃流沿著收斂的側邊壁板往下流。

在收斂側邊壁板的底部，這兩股熔融玻璃流再度會集，成形具有使初始外表面的玻璃片31。可在Dockerty的美國第3338696號專利發現熔融玻璃製造處理更詳細的說明，其內容在這裡也併入參考。

在熔融型態玻璃製造處理過程中，熔融高溫爐12和形成管30之間的管線(譬如MFC 14，澄清槽16,FSC 18，攪拌槽20,SBC 22，碗槽24和降流管26)通常是由耐火金屬成形例如鉑或像是鉑銠的鉑合金。換句話說，成形管30通常是由譬如鋯材料製成單塊的防火磚。

如圖2所示，熔融高溫爐12包括底部38，側邊壁板40和頂部(冠狀物)42。整批材料從送料斗44由馬達48驅動的螺旋進料器或螺旋鑽46經過入口34送入熔融高溫爐12，以在爐內熔融玻璃36的至少一部份表面上成形整批材料的覆蓋層。整批材料可以間歇地，或最好是連續地回應熔融玻璃的偵測液面而送進熔融高溫爐12。例如，熔融玻璃的液面可藉著在熔融高溫爐12向下流的管線中插入熔融玻璃液面探針50來偵測。例如，液面探針50可以是電阻型態的偵測器，電流會隨著探針50被熔融玻璃沖刷(接觸)的量而改變。然而，也可使用任何傳統的熔融玻璃液面偵測系統，包括非接觸的方法，譬如使用微波或光學感測器。

沿著熔融高溫爐12的側邊壁板40安排的頂部燃燒器52，燃燒空氣燃料或氧氣燃料(即氧化物燃料)混合物，以加熱整批材料覆蓋熔融玻璃和熔融高溫爐頂部42之間的空隙。此外，如圖3所示，沿著熔融高溫爐12側邊壁板安排的電極54，藉著引入從一個電極到另一個電極經過熔融玻璃的電流產生電阻或玻璃熔融物焦耳效應的熱。

傳統上，送料進熔融高溫爐的方法必須可以趕上熔融玻璃離開熔融高溫爐的量，譬如經過MFC 14以使熔融高溫爐12內的熔融玻璃液面可真正維持固定。即使相當小的熔融高溫爐，維持固定液面所需整批材料的量可能是超過500lbs/hr。可提供持續流入的螺旋進料器通常無法小量地改變其進料速率。因此，增加進料速率的修正有時或超出所需，而導致熔化液面在目標液面附近震盪直到達成新的平衡狀態。

據此，本發明進一步包含縮減馬達58驅動的縮減進料器56，可提供比譬如整批進料器46的大型進料器所達成的進料速率更精細的控制。縮減進料器56最好可以達到等於或小於約10%總進料速率，更好可以達到等於或小於約7%總進料速率，更更好可以達到等於或小於約5%總進料速率。在一項實施例中，縮減進料器56可以達到等於或小於約3%總進料速率。因此，對於整批進料速率需要1500lbs/hr的熔融高溫爐而言，執行3%總整批進料速率的縮減進料器56應該提供約45lbs/hr的整批進料速率。其餘總整批進料速率的97%則由螺旋進料器46來達成。進料器46和56可從同一個送料斗送入，或者進料器46和56可從各自的送料斗送入。藉著提供很小的進料速率，縮減進料器56更容易梯度調整熔化爐12內的熔融玻璃液面，因而盡量減少只使用整批進料器46的傳統熔融高溫爐中可能會發生的震盪現象。

可藉著耦合液面探針50和控制器60來達到液面控制，測得的液面和預定的液面設定點作比較產生液面差異訊號，可使用液面差異訊號來驅動縮減馬達58，以及縮減進料器56以維持熔融高溫爐12中真正固定的熔融玻璃液面。在更複雜的方法中，可以傳統的方式使用模糊邏輯表來決定縮減進料器馬達58所需的驅動訊號。可使用本發明來控制熔融高溫爐12中熔融玻璃的液面以使液面的變化小於約0.25英吋，最好是小於約0.20英吋，更好是小於約0.15英吋，而更更好是小於約0.1英吋。

熟悉此項技術的人應該很清楚地知道本發明的優點，以上所說明的方法可延伸到加熱熔融玻璃的方法。也就是說，調整送進熔融高溫爐12的整批材料量可能造成熔化溫度不好的改變。為了盡量減少可能的溫度變化，熔融高溫爐可進一步包含放在側邊壁板和批料覆蓋層和頂部42之間的縮減燃燒器62(圖2)。熔融高溫爐也可包括一個或多個的縮減電極64，放置在玻璃熔融物表面液面以下的側邊壁板40內。最好一個或多個的縮減電極64可以放置在靠近縮減進料器56的地方。例如，一個或多個的縮減電極64可以放置在縮減整批進料器的邊以下和/或其邊上。例如圖4顯示放在縮減進料器56邊上的兩個縮減電極64a和64b。

縮減燃燒器62和縮減電極64最好可以伸縮，以使作用在熔融物的功率量可以和縮減進料器56送入整批材料的進料速率成比例。也就是說，如果縮減進料器的整批進料速率增加以維持玻璃熔融物的液面時，縮減燃燒器和縮減電極造成的功率也應該按比例增加。又假定總整批進料速率是1500lbs/hr，縮減燃燒器和縮減電極應該可以提供15kW的總淨功率，以保證可補償縮減進料器所提供整批材料進料的範圍。根據45lbs/hr的縮減進料速率，假定需要1100BTU/lb以熔融45lbs/hr批料，相當於3413BTU/hr/kW，因此計算出15kW。也就是說，縮減燃燒器和/或縮減電極應該可以供應總淨功率約(1100BTU/lb)＊(縮減進料速率)/(3413BTU/hr/kW)。縮減燃燒器和/或縮減電極功率輸出的改變最好可用小於約1kW的增量來完成，更好可以小於約0.5kW，更更好可以小於約0.1kW。縮減燃燒器62和縮減電極64也可以藉由控制器60來控制，譬如經由適當的方法像是大量流動控制器和繼電器/電壓/電流調節器(未顯示出)。

應該要注意的是主體螺旋進料器46事實上可能包括多個主體螺旋進料器。也就是說，如圖4所示，熔融高溫爐12可包括第一螺旋進料器46a，第二螺旋進料器46b和縮減進料器56。執行四次上述的範例，假定所需的總整批進料速率是1500lbs/hr，螺旋進料器46a和46b最好是可提供97%的總整批進料速率，在兩個進料器之間平分，而其餘的3%的總整批進料速率，則由縮減進料器56提供。因此，整批進料器46a和46b各提供43.5%的批次流量，或約773lbs/hr，而縮減進料器56提供其餘的45lbs/hr。

在運作上，啟動整批進料到熔融高溫爐的實際方法是經由縮減進料器56開始送入整批材料到熔融高溫爐。例如，可以總預定整批進料速率的1%開始縮減進料器56。然後開始並調整一個或多個的主體整批進料器46以提供其餘99%的總預定整批進料速率。因此，一個或多個的主體整批進料器可以固定的輸出運作，譬如經由固定的RPM，而且可以只使用縮減進料器來執行進料速率所需的任何變化以維持真正固定的熔態玻璃液面。當然，如果維持真正固定的熔融玻璃液面所需的總整批進料速率的調整，超過較小的縮減進料器容量，可以使用一個或多個的主體整批進料器，之後如前面描述的，在主體和縮減整批進料器之間應該建立新的平衡進料速率。

必需要強調的是本發明上述的實施例，尤其是任何最佳的實施例，只是實行上的可能範例，用來使人們清楚的瞭解本發明的原理。本發明上述的實施例也可以做很多種變化和修改，只要不背離本發明的精神和原理。所有這些變化和修改都可包括在這些說明和本發明的範疇內，並且由以下的申請專利範圍來保護。

10．．．裝置

12．．．熔融高溫爐

14．．．熔融高溫爐到澄清槽連接管

16．．．澄清槽

18．．．澄清槽到攪拌槽連接管

20．．．攪拌槽

22．．．攪拌槽到碗槽連接管

24．．．碗槽

26．．．降流管

28．．．入口

30．．．成形管

31．．．玻璃片

32．．．整批材料

34．．．入口

36．．．玻璃熔融物

38．．．底部

40．．．側邊壁板

42．．．頂部

44．．．送料斗

46．．．螺旋進料器

48．．．馬達

50．．．液面探針

52．．．燃燒器

54．．．電極

56．．．縮減進料器

58．．．縮減馬達

60．．．控制器

62．．．縮減燃燒器

64．．．縮減電極

圖1為依據本發明的實施例之範例性玻璃製造處理的斷面側視圖。

圖2為圖1熔融高溫爐斷面側視圖。

圖3為圖1冠部被移除之熔融高溫爐的由上而下斷面圖。

圖4為依據本發明另一實施例冠部被移除以及按裝第二主體整批進料器之熔融高溫爐的由上而下斷面圖。

10．．．裝置

12．．．熔融高溫爐

14．．．熔融高溫爐到澄清槽連接管

16．．．澄清槽

18．．．澄清槽到攪拌槽連接管

20．．．攪拌槽

22．．．攪拌槽到碗槽連接管

24．．．碗槽

26．．．降流管

28．．．入口

30．．．成形管

31．．．玻璃片

32．．．整批材料

34．．．入口

36．．．玻璃熔融物

Claims (20)

1. 一種形成玻璃熔融物的方法，該方法包括：以一主體整批進料速率從一主體整批進料器將一整批材料送入一高溫爐；以等於或小於總整批進料速率之10%的一縮減整批進料速率從一縮減整批進料器將該整批材料送入該高溫爐，該總進料速率是該主體整批進料速率和該縮減整批進料速率的總和；加熱該高溫爐中來自於該主體整批進料器及該縮減整批進料器的該整批材料以形成一玻璃熔融物；測定該玻璃熔融物之液面；以及在維持該主體整批進料速率不變的情況下，對應該玻璃熔融物的液面而改變該縮減整批進料速率。
2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中該縮減整批進料速率等於或小於總進料速率之5%。
3. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中該縮減整批進料速率等於或小於總進料速率之3%。
4. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中以該主體整批進料速率供應該整批材料的步驟包含由多個主體整批進料器供應該整批材料。
5. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中測定該玻璃熔融物液面之步驟包含利用一感測器感測該玻璃熔融物液面。
6. 依據申請專利範圍第5項之方法，其中於該高溫爐之下游處感測該玻璃熔融物液面。
7. 依據申請專利範圍第5項之方法，其中將測得之該玻璃熔融物液面與一預定液面數值比較，並根據測得之該玻璃熔融物液面與該預定液面數值之間的差值來改變該縮減整批進料速率。
8. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中加熱步驟係藉由多種加熱手段進行，且該等加熱手段之能量輸出隨著該縮減整批進料速率之變化量成比例地變化。
9. 依據申請專利範圍第8項之方法，其中該加熱手段為一燃燒火焰。
10. 依據申請專利範圍第8項之方法，其中該加熱手段為一電流。
11. 一種在一高溫爐中維持一玻璃熔融物之實質固定液面的方法，該方法包含： 以一第一整批進料速率從一第一整批進料器供應一整批材料至該高溫爐；以一第二整批進料速率從一第二整批進料器供應該整批材料至該高溫爐，該第二整批進料速率等於或小於總整批進料速率的3%；在該高溫爐中加熱該整批材料以成形該玻璃熔融物；測定該玻璃熔融物液面；以及對應該玻璃熔融物液面而改變該第二整批進料速率。
12. 依據申請專利範圍第11項之方法，其中測定步驟包含在該高溫爐之下游處設置一液面感測器。
13. 依據申請專利範圍第11項之方法，其中加熱步驟係藉由多種加熱手段進行，且該等加熱手段之能量輸出隨著該第二整批進料速率之變化量成比例地變化。
14. 依據申請專利範圍第11項之方法，其中將測得之該玻璃熔融物液面與一預定液面數值比較，並根據測得之該玻璃熔融物液面與該預定液面數值之間的差值來改變該縮減整批進料速率。
15. 依據申請專利範圍第11項之方法，其中在改變該第二整批進料速率之過程中維持該第一整批進料速率實質不變。
16. 依據申請專利範圍第11項之方法，其中該高溫爐包含一熔融玻璃加工製程，該熔融玻璃加工製程包含用以將該玻璃熔融物傳送至一成形裝置之耐火性金屬容器。
17. 一種形成玻璃熔融物之裝置，該裝置包含：一高溫爐，用以將一整批材料熔化以形成該玻璃熔融物；至少一個主體整批進料器，用於以一第一整批進料速率供應該整批材料至該高溫爐；一縮減整批進料器，用於以一第二整批進料速率供應該整批材料至該高溫爐；且其中總整批進料速率是該第一整批進料速率和該第二整批進料速率的總和，且該第二整批進料速率小於或等於總整批進料速率之10%。
18. 依據申請專利範圍第17項之裝置，其中該第二整批進料速率小於或等於總整批進料速率之3%。
19. 依據申請專利範圍第17項之裝置，其中該至少一個主體整批進料器包含多個主體整批進料器，且該第一整批進料速率為每一多個主體整批進料器之整批進料速率的總和。
20. 一種玻璃製造系統，其使用申請專利範圍第17項之裝置。