TWI405742B - 用於燒結大型耐火性物體的方法 - Google Patents

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Description

用於燒結大型耐火物體的方法
本發明一般係關於製造大型耐火製品之方法，特別是製造大型耐火磚或成形體，例如使用於製造玻璃中之等管。
大型的耐火製品(譬如耐火磚)通常被用在玻璃的製造上，這是由於其在處理過程非常耐高溫，以及非常耐熔融玻璃嚴酷的化學性質。這些製品的形成通常是先藉著形成一個生坯耐火物體，然後加熱或開火生坯體以驅離任何溼氣，燃燒掉可能出現的有機黏著劑，藉著使構成生坯體的個別顆粒聚結，密實此生坯體。密實會伴隨著生坯體的壓縮或收縮，因此最後燒結的製品會比原來的生坯體(例如製品長度減小)還小。
在生坯體壓縮期間，燃燒爐或窯爐內小型生坯體和支撐生坯體結構之間的摩擦力不足，使得過多的應力產生到生坯體內。然而以大型生坯體而言，摩擦力可在胚體內產生大型應力。在一些應用上，最後燒結的製品是很大的(例如質量超過450公斤)，摩擦力導致的應力可能使胚體破裂，無論是在燒結期間或是稍後使用燒結製品的時候。質量大於450kg的燒結製品，燒結先質生坯體的能力可能大打折扣，也就是 因燒結而使胚體產生裂痕有漸增的傾向。因此，我們需要製造大型耐火物體的方法，在燒結處理過程可容許大幅收縮胚體，而不會在胚體內產生高應力，或者生產的燒結製品不會產生裂痕或其他和應力有關的裂隙。
在此揭露各種用於形成大型的燒結耐火製品的方法，舉例而言，所述大型的燒結耐火製品諸如為整塊(單片)的燒結耐火製品。
在一項實施例中，所說明的燒結耐火製品包含大於450kg的質量，孔隙率小於20%，以及長度大於250cm。燒結耐火製品最好是均壓(isostatically pressed)的耐火製品。燒結耐火製品最好是整塊(monolithic)的製品。在一些實施例中，耐火製品的孔隙率小於10%。在一些範例中，質量可能大於1000kg。耐火製品可以包含一個溝槽和匯聚在根部的成形表面，譬如使用在玻璃，尤其是玻璃片製造上的等管。例如，耐火製品可包含鋯石或磷酸釔。
在另一實施例中，所揭示製造玻璃片的方法包括在高溫爐中加熱批料以產生熔融玻璃，讓熔融玻璃流經耐火物體匯聚的成形表面以形成玻璃片(12)，而其中耐火物體質量大於450kg，長度大於250cm。例如，耐火物體質量可以大於1000kg。在一些實施範例中，耐火物體可包含鋯石或磷酸釔，或其組合物。
在另一實施例中，所揭示形成燒結耐火製品的方法包括在以間隙分開的多個支撐板上放置生坯耐火物體，其中 支撐板是以多個支撐構件來支撐。生坯耐火物體可包含矽酸鋯，例如其中燒結耐火製品包含鋯石。燒結耐火製品可包含磷酸釔。連結材料最好放置在鄰近支撐板之間的間隙。每個支撐構件包括具有固定曲率半徑的弧形上表面，和也具有固定曲率半徑的弧形下表面。弧形上表面的曲率半徑最好等於弧形下表面的曲率半徑。例如，上下弧形表面的曲率半徑最好至少30cm。每個支撐構件的重心最好以支撐構件的旋轉中心取代。在一些範例中，放置一層拖架材料在生坯耐火物體和支撐板之間。接著加熱生坯耐火物體以形成燒結耐火製品。在加熱期間，燒結耐火物體會收縮。這會導致支撐板位移，以回應生坯耐火物體收縮，而支撐構件會旋轉以回應支撐板的位移。
本發明方法在生產相當大型耐火物體時特別有用，譬如燒結耐火製品的最長尺寸至少約250cm，和/或燒結耐火製品的質量至少約450kg。
在另一實施例中，所說明形成燒結耐火製品的方法包括在多個支撐板上放置重量至少約450kg的生坯耐火物體，其中支撐板是以多個支撐構件來支撐，相鄰的支撐板以間隙分開，每個支撐構件是部份圓柱體。例如，生坯耐火物體可包含矽酸鋯。
接著加熱生坯耐火物體以形成燒結耐火製品。在加熱期間，燒結耐火物體會收縮。這會導致支撐板位移以回應生坯耐火物體收縮，而支撐構件會旋轉以回應支撐板的位移。
在另一實施例中，所說明形成譬如等管的燒結耐火 製品的方法包括藉著均壓粉末狀耐火材料形成生坯耐火物體，在高溫爐中的多個支撐構件上放置生坯耐火物體，其中支撐板是以多個支撐構件來支撐，相鄰的支撐板以間隙分開，每個支撐構件是部份圓柱體。接著加熱生坯耐火物體以形成燒結耐火製品。在加熱期間，生坯耐火物體會收縮導致支撐板位移以回應生坯耐火物體的收縮，而支撐構件會旋轉以回應支撐板的位移。此方法在生產燒結耐火製品的最長尺寸至少約250cm，和/或燒結耐火製品的質量至少約450kg的物體時特別有用。在一些實施例中，燒結耐火製品的質量可能大於1000kg。包含每個支撐構件的上下弧形表面曲度半徑最好至少30cm。在一些情況中，連結材料最好放置在鄰近支撐板之間的間隙。支撐構件的重心最好以支撐元件的旋轉中心取代。
經由下列範例性說明以及參考附圖本發明更容易瞭解以及本發明其他目標，特性，詳細情況以及優點將變為更清楚，任何情況其並不意含限制用途。預期所有這些其他系統，方法，特性以及優點將包含於該說明中，為本發明之範圍，以及受到申請專利範圍保護。
10‧‧‧玻璃製造系統
12‧‧‧玻璃片
14‧‧‧熔融容器
16‧‧‧澄清容器
18‧‧‧攪拌槽
20‧‧‧輸送槽
22‧‧‧等管
24‧‧‧箭頭
26‧‧‧熔融玻璃
28‧‧‧熔化槽到澄清室連接管
30‧‧‧澄清容器到攪拌槽連接管
32‧‧‧攪拌槽到輸送槽連接管
33‧‧‧降流管
34‧‧‧入口
36‧‧‧溝槽
38‧‧‧壁板
39a,39b‧‧‧匯集面
40‧‧‧根部
42‧‧‧生坯耐火物體
44‧‧‧支撐構件
46‧‧‧支撐板
48‧‧‧弧形上表面
50‧‧‧弧形下表面
52‧‧‧地板
54‧‧‧高溫爐
56‧‧‧間隙
58‧‧‧連結材料
60‧‧‧順應床台
圖1是根據本發明之實施例的範例性玻璃熔融系統的斷面側視圖。
圖2是一等管的斷面側視圖，該等管可用於圖1的玻璃製造系統中。
圖3是用於燒結大型生坯耐火物體以形成燒結耐火 製品的設備的斷面側視圖。
圖4是支撐構件的透視圖。
圖5是圖4的支撐構件的斷面圖，其中該支撐構件是圓柱截面。
圖6是根據圖4的兩個支撐構件的透視圖，該等支撐構件支撐一支撐板。
圖7是在圖3之設備中完成燒結處理過程後的燒結耐火製品的斷面側視圖，圖中顯示支撐構件的旋轉。
在下列詳細說明中，揭示出特定細節之範例性實施例提供完全瞭解本發明之原理，其作為說明用途以及並非作為限制用途。因而業界熟知此技術者受益於所揭示內容了解本發明能夠實施於其他實施例中而並不會脫離在此所揭示本發明之內容。除此，為人所熟知之裝置，方法以及材料能夠加以省略而並不會妨礙本發明原理之說明。最後，儘可能地，參考數目代表類似的元件。
如這裡使用的，除非特別指定，否則生坯耐火物體一詞是指未燒結的耐火物體。
如這裡使用的，耐火材料是一種無機的非金屬材料，可在高溫下維持其強度。耐火材料可以是結晶，或部分結晶的材料譬如陶瓷材料。據此，這裡描述的耐火材料展示的化學和物理性質使材料可應用在結構作為系統的元件暴露於至少約538℃的溫度。耐火物體是由耐火材料所形成的物體。耐火物體可以是生坯(未燒結的)，或燒結的耐火製品。生 坯耐火物體被認為是生坯或未燒結的，一直到燒結處理過程結束才變成燒結的耐火製品。例如，在有些應用中，當胚體達到等於或小於約10%的孔隙率(開或閉或其混合)時才會被認為完成燒結處理過程。燒結處理的完成可根據燒結產生的製品的最後用途而有所不同，必需根據其環境背景來考慮。大致而言，當產生的耐火製品達到的密度使該製品可用在其所需的目的時，才會被認為完成燒結處理過程，這還不包括任何後續的燒結處理過程(譬如研磨，塗層等)，也不包括額外的密實。
玻璃製造系統通常使用大型耐火磚作為高溫爐襯裡。在玻璃製造處理過程中，可以製造顯示絕佳抗腐蝕性的耐火磚，根據耐火材料或所選擇的材料而定。
玻璃製造系統中，大型耐火製品的一種用途是作為玻璃片製造的形成體。如圖1所示，描繪的是範例玻璃製造系統10使用向下抽拉熔融處理過程製造玻璃片12。玻璃製造系統10包括熔融容器14，澄清容器16，攪拌槽18，輸送槽20和形成體22(譬如等管22)。如箭頭24所示，玻璃批料送入熔融容器14熔化以形成熔融玻璃26。澄清容器16藉著熔融容器到澄清室連接管28，連接到熔融容器14。澄清容器16接收來自熔融容器14的熔融玻璃26，並移除熔融玻璃中的氣泡。澄清容器16藉著澄清容器到攪拌槽連接管30，連接到攪拌槽18。攪拌槽18藉著攪拌槽到輸送槽連接管32，連接到輸送槽20。輸送槽20輸送熔融玻璃26經由降流管33到入口34和到形成體22(譬如等管22)，形成玻璃片12。形成體22 包含適合的耐火材料(譬如鋯石)，將在下列的圖2詳細描述。
參考圖2，顯示的是可用在玻璃製造系統10的範例等管22的透視圖和部分斷面圖(移除最靠近端以顯示形成管的內部)。等管22包括接收熔融玻璃26的溝槽36。融態玻璃26填滿並溢流出溝槽36的壁板38，在根部40一起融合之前沿著等管的兩個匯聚面39a和39b(在圖2背面，因此未顯示)以兩股個別的流向下流。根部40是這兩個面39a和39b會合的地方，在這裡從等管兩個面向下流的兩股玻璃流連結在一起，之後向下抽拉並冷卻以形成玻璃片12。應該要知道的是，除了圖1和圖2所示的等管22和玻璃製造系統10還可以有不同的設計和元件仍然可被視為在本發明的範疇內。
一般可使用在向下抽拉玻璃製造(譬如等管)的大型耐火物體製造處理過程可放置適合的耐火材料或材料混合物在順應的囊袋內，譬如有既定形狀的橡膠囊袋。一般而言，耐火材料是粉末狀的。當耐火材料粉末填入囊袋時，可以振動囊袋以確保粉末在囊袋中均勻分佈。耐火材料一般可包括黏著劑，可藉由在水中形成各種金屬氧化物，黏著劑，和分散劑的糊狀物以產生耐火材料。例如，耐火材料可包含鋯石(矽酸鋯)或磷酸釔。然後噴灑曬乾糊狀物以產生乾的耐火材料粉末。
在以下步驟中，密封囊袋放到容器內，在這裡譬如水的流體以高壓射進去(壓力可能超過1400kg/cm2)。流體圍繞著密封的囊袋，在囊袋表面施加均勻的壓力，因而均壓囊袋及其內容物。施加高壓到囊袋內的耐火材料粉末可能導致粉 末顆粒黏著，形成具有既定形狀的孔隙堅固體。
當胚體經過一段充分時間的均壓，形成可固定其形狀的孔隙體，在經過處理搬運的固定過程(譬如從一個位置搬到另一個位置)，之後稱為生坯體或生坯耐火物體。將生坯耐火物體從囊袋移除以足夠的溫度加熱一段時間燃燒掉黏著劑，並燒結生坯體成具有低孔隙率的密集形狀譬如孔隙性等於或小於約20%，最好小於約15%，更好小於約10%。生坯體可以譬如在高溫爐(窯爐)內加熱。
應該要瞭解的是，以上描述形成生坯體的方法只是一個範例。有很多種方法來形成生坯體，可以和本發明的說明一起使用，而且這裡說明的方法不應該被認為是這方面的限制。
當具有更大尺寸的薄玻璃片需求增加譬如可用在平板顯示器和電視製造上的玻璃片，生產這種玻璃片的等管長度也要增加。等管長度可能超過250cm，而等管的質量可以有450kg或以上。例如，很大型等管的質量可以超過500kg，600kg，700kg，800kg，或900kg。在一些情況中，等管的質量甚至可以超過1000kg。這種大型最好是整塊(單片)燒結耐火製品的剪力大小，對其製造提出了挑戰，在加熱或燒結處理期間一點都沒有支撐生坯耐火物體，以此種方式容許此體的收縮或縮短而不會產生體內的應力，這可能會導致生坯耐火物體，完成燒結的耐火製品，或其間任何階段的破裂。以下的說明將轉到上述等管的製造，要瞭解的是可在任何大型耐火物體的密實中使用說明的燒結方法，而不管其最後的用 途。
圖3所顯示的是支撐大型生坯耐火物體42設備的實施範例斷面圖，包括多個支撐構件44，多個支撐構件支撐多個支撐板46。每個支撐構件包括弧形上表面48，和弧形下表面50在圖4和5中可清楚看到。從圖4的斷面看，弧形上表面的斷面最好是具有第一曲率半徑r1的弧。同樣地，每個支撐構件弧形下表面斷面最好是具有第二曲率半徑r2的弧。上下弧形表面的曲率半徑最好是固定的，使得上下弧形表面的斷面具有第一和第二曲率半徑r1和r2圓形的弧。理想上，r1=r2，使得支撐構件的斷面包含圓形部分，而圖4的虛線以及實線的上下弧形表面一起表示產生的圓形部分。因此，每個支撐構件最好是具有既定曲率半徑r=r1=r2的圓柱體部份，而上弧形表面的長度La1(譬如上表面弧形的長度)比下弧形表面的長度La2(譬如下表面弧形的長度)還短，而支撐構件的重心G比支撐構件的旋轉中心R更接近下弧形表面。由於具有比相對於旋轉中心還低的重心，支撐元件可以製造成自行直立有助於穩定結構，以及有助於生坯體的負載。
可以在燒結高溫爐54(譬如窯爐)的地板52上，將支撐元件44安排成平行的列，每個支撐構件的下弧形表面接觸結高溫爐的地板52。支撐板46安排在支撐構件44的頂端，使得每個支撐板46以至少兩個支撐構件來支撐。接著，每個支撐板46以間隙56和相鄰的支撐板分開。每個間隙56接著可以順應材料填滿，之後稱為連結材料58，可以承受燒結環境而不會明顯的降低品質。也就是說，連結材料58應該可以 容許相鄰支撐板之間的間隙變窄(或相反的間隙變寬)，這是由於在燒結處理期間支撐板的熱膨脹，以及由於燒結期間生坯體收縮造成的支撐板移動。例如，連結材料可以包括玻璃纖維，石棉絮(雖說最好不要考慮石棉，因其有害健康)，或石棉的替代材料，可以形成彈性的間隙填充料。
可以在支撐板46最頂端選擇性沈積一層拖架材料，產生順應的床台60以抵擋生坯耐火物體42(或產生的燒結耐火製品)受到傷害，有助於分佈生坯耐火物體在支撐板上的重量。除此之外，拖架材料可容許生坯耐火物體在各個支撐板長度上的收縮。拖架材料可以是任何適合的顆粒材料或燒料包括非限制性之矽土，鋁土，耐火黏土，堇青石，或鋯石。拖架材料的顆粒最好是真正球形以提升滑度，因而可在生坯耐火物體收縮期間減少生坯耐火物體和拖架材料之間的摩擦。一方面支撐板可容納多個支撐板46上面未燒結生坯體的收縮，也可以使用拖架材料輔助容納單一板上生坯體的收縮。藉由連結材料可防止拖架材料掉進鄰近支撐板之間的間隙。
當以高溫爐54加熱到生坯耐火物體時，生坯耐火物體的個別顆粒會達到流動溫度。接下來顆粒會聚結，生坯體會變的密集。密度的增加是伴隨著生坯耐火物體的收縮(密實)，一般是和生坯體的尺寸成正比。例如，沿著生坯體收縮長度的收縮量通常是和長度成正比。因此，靠近生坯體中心的點可能只朝內移動小小的距離，而位在離中心較遠的點可能相對於中心移動較大的距離也必須加入較遠顆粒和中心顆 粒之間其他顆粒的移動。這裡考慮較大的生坯體，譬如那些長度大於約250cm，重量超過450kg的生坯體，最多可能收縮30cm或以上。以不同的方式來看，假定生坯體中心保持固定，生坯體的每一端朝中心移動15cm，而生坯體整個的收縮總共就是30cm。長度的整個改變特別是根據構成生坯體的材料，以及密實的程度而定。
為了容納生坯體長度的改變，從第一密度轉換到大於第一密度的第二燒結密度，從第一長度L1到小於L1的第二燒結長度L2(請見圖7)，支撐板會向內拖動(板朝著胚體中心向內位移)。這種向內的移動經由支撐板傳送到支撐元件導致支撐構件朝向胚體中心旋轉。假使支撐構件在上弧形表面和下弧形表面有固定的曲率半徑，而且假使上弧形表面48的曲率半徑等於下弧形表面50的曲率半徑，那麼支撐板會朝著胚體中心向內移動，而沒有在垂直位移上的改變。更簡單的說，每個支撐板會根據其沿著胚體長度的位置向內移動一定的距離，而不會改變其高溫爐地板上方的垂直高度。因此，燒結體不會遭受來自不平坦支撐板的應力(沿著胚體長度從一個板到另一個板的不平坦)。假如我們把每個支撐構件看成一個圓柱體可能比較容易瞭解。在支撐板是以兩個圓柱體支撐的例子中，支撐板垂直圓柱體長度的方向移動，圓柱體在支撐板下方滾動。因為每個圓柱體的曲率半徑是固定的，圓柱體滾動的表面上方的支撐板高度，和支撐高溫爐的地板上方的支撐板高度不會改變(除非圓柱體滾動的表面改變高度)。在有些實施例中，支撐元件可以是圓柱體，但必須特別小心避免支 撐構件不必要的旋轉(譬如在高溫爐地板上放置一層拖架材料)。
應該要注意的是生坯體中心以及靠近生坯體中心的生坯耐火物體收縮是最小的，因而中心下方的支撐板，或支撐板上方的生坯耐火物體移動的很少。因此，如果需要的話，生坯體中心可以固定的支架來支撐譬如柱，工作台，或其他適合的，而且不需要移動或旋轉的支撐結構。
一旦生坯耐火物體放置在高溫爐中，並且在支撐結構(譬如支撐板，支撐構件和托架材料)上放置，依據特定胚體適當的加熱時程，加熱高溫爐到適合燒結胚體的溫度。在完成燒結處理過程時，可依據既定的冷卻時程冷卻高溫爐，再將燒結耐火製品從高溫爐移除。燒結耐火製品的質量可以是500kg，600kg，700kg，800kg，或900kg。在有些範例中，燒結耐火製品的質量甚至可超過1000kg。可依據製品的性質和用途，執行後續燒結處理。例如，可依需要進行製品的額外加工(譬如鑽削，研磨等)。例如，可以執行物體額外的加工以生產製造玻璃(譬如玻璃片)的形成體(譬如等管)。
必需強調本發明上述所說明實施例特別是"優先"實施例只是實施可能的範例，揭示出內容只作為清楚地瞭解本發明之原理。本發明上述所說明實施例能夠作許多變化及改變而並不會脫離本發明之精神及原理。預期所有這些改變及變化包含於所揭示範圍內以及本發明受到下列申請專利範圍保護。
42‧‧‧生坯耐火物體
44‧‧‧支撐構件
46‧‧‧支撐板
52‧‧‧地板
54‧‧‧高溫爐
56‧‧‧間隙
58‧‧‧連結材料
60‧‧‧順應床台

Claims (20)

  1. 一種形成燒結耐火製品的方法，該方法包括：在以間隙(56)分開的多個支撐板(46)上放置生坯(green)耐火物體(42)，其中該等支撐板是以多個支撐構件(44)來支撐，該等支撐構件之每一者具有固定曲率半徑的弧形上表面(48)以及具有固定曲率半徑的弧形下表面(50)，且該弧形上表面的曲率半徑等於該弧形下表面的曲率半徑，且存在一層拖架材料(60)，該層托架材料放置在該生坯耐火物體和該等支撐板之間；加熱該生坯耐火物體以形成燒結耐火製品；以及其中在加熱期間，該生坯耐火物體(42)收縮，而導致該等支撐板位移以回應該生坯耐火物體的收縮，且導致該等支撐構件旋轉以回應該等支撐板的位移。
  2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中該燒結耐火製品之最長尺寸至少為約250cm。
  3. 依據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該生坯耐火物體(42)藉由均壓地壓製耐火材料而形成。
  4. 依據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該弧形上表面及該弧形下表面(48,50)之曲率半徑至少為30cm。
  5. 依據申請專利範圍第1或2項之方法，其中連結材料(58)位於相鄰的該等支撐板(46)間之該等間隙(56)中。
  6. 依據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該等支撐構件(44)之重心偏離該等支撐構件之旋轉中心。
  7. 依據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該燒結耐火製品為等管。
  8. 依據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該燒結耐火製品包含鋯石或磷酸釔。
  9. 一種形成燒結耐火製品的方法，該方法包括：放置質量至少為450kg的生坯耐火物體(42)在高溫爐(54)中的多個支撐板(46)上，其中該等支撐板是以多個支撐構件(44)來支撐，且相鄰的支撐板以間隙(56)分開，該等支撐構件之每一者是一部份的圓柱體；在該高溫爐中加熱該生坯耐火物體以形成燒結耐火製品；及其中在加熱期間，該生坯耐火物體收縮，導致該等支撐板位移以回應該生坯耐火物體的收縮且導致該等支撐構件旋轉以回應該等支撐板的位移。
  10. 依據申請專利範圍第9項之方法，其中該生坯耐火物體包含矽酸鋯。
  11. 依據申請專利範圍第9或10項之方法，其中該燒結耐火製品為等管。
  12. 依據申請專利範圍第9或10項之方法，其中該質量為大於1000kg。
  13. 一種形成燒結耐火製品的方法，該方法包括：藉著均壓地壓製粉末狀耐火材料，而形成生坯耐火物體(42)；在高溫爐中於多個支撐板(46)上放置生坯耐火物體，其中該等支撐板是以多個支撐構件(44)來支撐，且相鄰的支撐板以間隙(56)分開，該等支撐構件之每一者是一部份的圓柱體；在該高溫爐中加熱該生坯耐火物體以形成燒結耐火製品，以及其中在加熱期間，該生坯耐火物體收縮，導致該等支撐板位移以回應該生坯耐火物體的收縮且導致該等支撐構件旋轉以回應該等支撐板的位移。
  14. 依據申請專利範圍第13項之方法，其中該燒結耐火製品之最長尺寸至少為約250cm。
  15. 依據申請專利範圍第13或14項之方法，其中該燒結耐火製品之質量至少為約450kg。
  16. 依據申請專利範圍第13或14項之方法，其中該燒結耐火製品之質量大於1000kg。
  17. 依據申請專利範圍第13或14項之方法，其中該等支撐構件之每一者具有弧形上表面及弧形下表面，且該弧形上表面及該弧形下表面之曲率半徑至少為30cm。
  18. 依據申請專利範圍第13或14項之方法，其中連結材料放置於相鄰的該等支撐板間之該等間隙中。
  19. 依據申請專利範圍第13或14項之方法，其中該等支撐構件之重心偏離該等支撐構件之旋轉中心。
  20. 依據申請專利範圍第13或14項之方法，其中該燒結耐火製品為用在玻璃製造處理過程中支撐熔融玻璃的成形體(22)。
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